DE19701566A1

DE19701566A1 - Leistungsreglerschaltung

Info

Publication number: DE19701566A1
Application number: DE19701566A
Authority: DE
Inventors: Brian R Pelly; Yi Zhang
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1997-01-17
Publication date: 1997-09-18
Also published as: FR2743954B1; IT1289922B1; KR970060649A; GB2309323B; JP2905459B2; KR100326301B1; TW445694B; FR2743954A1; ITMI970098A1; GB9701065D0; SG52908A1; US5818214A; GB2309323A; JPH09298871A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsreglerschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Treiberschaltungen und zugehörige Steuerschaltungen für Impuls breitenmodulator-(PBM-)Wandler für die Motorsteuerung und andere Anwendungen erfordern eine 15 Volt-Spannungsquelle, die auf die negative Versorgungsgleichspannungsleitung bezogen ist, oder irgendeine andere niedrige Gleichspannung, die aus einer hohen Betriebsspannung gewonnen werden muß. Diese Ausgangs gleichspannung von beispielsweise 15 Volt sollte auf ihren Sollwert geregelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige und wirkungsvolle Leistungsreglerschaltung zu schaffen, die eine sich ändernde hohe Gleichspannung in eine geregelte niedrige Ausgangsgleichspannung umwandeln kann und eine geringe Anzahl von Bauteilen aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Leistungsreglerschaltung ist in der Lage, mit hohem Wirkungsgrad eine hohe Gleichspannung in eine niedrige Gleichspannung umzuwandeln, die für Treiberschaltungen und Steuerschaltungen geeignet ist. Die erfindungsgemäße Leistungs reglerschaltung weist die Form einer Gegenwirkungs-Reg ler-Wandlerschaltung auf, die die erforderliche niedrige Gleich spannung von beispielsweise 15 Volt direkt von einer hohen Gleichspannung, beispielsweise im Bereich von 250 bis 450 Volt, ableitet.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann vorzugsweise unter Verwen dung von vorhandenen elektronischen Bauteilen, wie z. B. der integrierten Schaltung IR 2152, des MOSFET′s vom Typ IRFU120 (HEXFET®) und zugehöriger Schaltungen aufgebaut werden. Diese Bauteile werden von der Firma International Rectifier Corp., El Segundo, Kalifornien, USA hergestellt.

Die integrierte Schaltung vom Typ IR 2152 ist eine monolithische Treiberschaltung für MOS-Gate-gesteuerte Bauteile, die die Ansteuerung sowohl von erdseitigen als auch spannungsseitigen MOSFET- und/oder IGBT-Transistorpaaren (oder irgendwelchen anderen Bauteilen mit MOS-Gate-Steuerung) ausgehend von auf Erde bezogenen Logikpegel-Eingangssignalen ermöglicht. Eine monolithische Treiberschaltung für MOS-Gate-gesteuerte Bauteile, die ähnlich der oben erwähnten integrierten Schaltung vom Typ IR 2152 ist, ist in dem US-Patent 5 545 945 beschrieben, deren Inhalt durch diese Bezugnahme hier mit aufgenommen wird.

Die Gegenwirkungs-Leistungsreglerschaltung der vorliegenden Erfindung liefert eine geregelte 15 Volt-Ausgangsgleichspannung bei 100 mA aus einer Gleichspannungsversorgungsleitung, deren Spannung sich beispielsweise von 250 Volt bis 450 Volt ändern kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der fol genden Beschreibung der Erfindung ersichtlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 die Ausgangsspannungsregelung gegenüber dem Laststrom und der Versorgungsgleichspannung für die erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 bis 11 Oszillogramme für verschiedene Betriebsbedingungen,

Fig. 12 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Die integrierte Treiberschaltung 1, bei spielsweise vom Typ IR 2152, enthält ein Halbleiterplättchen von der Art, das in einem Doppelreihenanschluß-Gehäuse oder in einem Oberflächenbefestigungs-Gehäuse angeordnet sein kann und das die folgenden Anschlußstifte aufweist:
M_O - ein Ausgangsanschluß zum Ansteuern der Gate elektrode des spannungsseitigen MOSFET′s,
V_S - ein Anschlußstift zur Verbindung mit der Mittel anzapfung von in Reihe oder in einer Halbbrückenschaltung ge schalteten MOSFET′s,
L_O - ein Ausgangsanschluß zum Ansteuern des Gates des (nicht gezeigten) erdseitigen MOSFET′s,
COM - ein Anschlußstift, der mit dem negativen Anschluß verbunden ist, d. h. mit der negativen Versorgungsspannungs leitung,
C_T - ein einzelner Eingangssteueranschluß, der beide Ausgänge H_O und L_O steuert,
R_T - (siehe Fig. 12) ein Anschlußstift, der mit einem Knoten eines Zeitsteuerwiderstandes verbunden ist,
V_CC - ein Anschluß, der die Betriebsspannung des Halbleiterplättchens oder der integrierten Treiberschaltung 1 empfängt, wobei diese Betriebsspannung in Fig. 1 eine Ausgangs spannung ist, die einerseits von dem Lastausgang V_O der gesamten Gegenwirkungs-Reglerschaltung 10 und andererseits über einen Vorschaltwiderstand R_S von der Versorgungsgleichspannung abgeleitet wird,
V_B - ein Anschlußstift, der in der in Fig. 1 gezeig ten Weise über eine Diode D6 mit dem Anschlußstift V_CC und über einen Kondensator 12 mit dem Anschlußstift V_S verbunden ist.

Das Steuerprinzip besteht darin, den von dem Anschlußstift H₀ gesteuerten MOSFET Q1, beispielsweise vom Typ IRFU120, für eine feste Zeitdauer einzuschalten, die gleich der Eigenverzögerung der integrierten Treiberschaltung 1 vom Typ IR 2152 ist, und die Abschaltperiode derart zu steuern, daß die Ausgangsspannung auf einen konstanten Wert unabhängig von der Gleichspannungs-Ver sorgungsspannung oder dem Ausgangsstrom geregelt wird. Eine mög lichst weitgehende Verringerung der Einschaltperiode des MOSFET Q1 auf die Eigenverzögerung der integrierten Schaltung 1 macht die Größe der Glättungsinduktivität 14, die zwischen dem Ausgang des MOSFET Q1 und dem Ausgang V_O der gesamten Reglerschaltung eingeschaltet ist, zu einem Minimum.

Die Drainelektrode des MOSFET Q1 ist mit der Versorgungsgleich spannung von beispielsweise 250 bis 450 Volt Gleichspannung verbunden, während die Sourceelektrode den Ausgang bildet.

Unter der Annahme, daß H_O einen hohen Pegel aufweist, so wird der MOSFET Q1 eingeschaltet. Die Spannung längs einer Freilauf diode D5, die zwischen der Sourceelektrode des MOSFET Q1 und der negativen Versorgungsspannungsleitung 2 eingeschaltet ist, ist gleich der Versorgungsgleichspannung, wenn Q1 eingeschaltet ist, und diese Spannung längs der Diode D5 wird an den C_T-Anschluß der integrierten Schaltung 1 über einen Widerstand R1 und eine Diode D3 zurückgespeist. Eine mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R1 und der Diode D3 verbundene Diode D1 klemmt die dem Anschluß C_T zugeführte Spannung auf V_CC.

Nach der Eigenverzögerungszeit der integrierten Treiberschaltung 1 nimmt H_O einen niedrigen Pegel an, wodurch Q1 abgeschaltet wird und die Versorgungsgleichspannung von der Freilaufdiode D5 abgetrennt wird. Die Spannung an C_T fällt mit einer Anfangs rate ab, die durch die interne Kapazität des C_T-Anschlusses bestimmt ist. Diese Spannung sinkt jedoch nicht unter (V_O × R3)/(R2 + R3) ab. Der Ausgangsanschluß H_O bleibt auf einem niedrigen Pegel, bis die Rückführungsspannungen C_T auf V_CC/3 absinkt.

Nach der Eigenverzögerung der integrierten Schaltung 1 nimmt H_O wieder einen hohen Pegel an, und der Zyklus wiederholt sich.

Daher wird eine Einschaltperiode für Q1 jedesmal dann wieder eingeleitet, wenn die Ausgangsspannung versucht, unter einen Sollwert abzusinken. Durch diesen Mechanismus wird die Ausgangs spannung im wesentlichen konstant gehalten, und zwar unabhängig von Änderungen der Eingangsspannung und des Ausgangsstromes.

Eine minimale Ausgangslast von ungefähr 35 mA ist erforderlich, um eine kontinuierliche Stromleitung in der Glättungsindukti vität 14 mit einem Induktivitätswert von beispielsweise 4,7 µH und um sicherzustellen, daß der Bootstrap-Kondensator wieder aufgeladen wird.

Die Ausgangsspannungsregelung gegenüber dem Laststrom und der Versorgungsgleichspannung für die erste Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt.

Die Ausgangsspannung ändert sich von 14,93 Volt bei einer Ver sorgungsgleichspannung von 400 Volt und einem Ausgangsstrom von 31 mA auf 14,13 Volt bei einer Versorgungsgleichspannung von 250 Volt und einem Ausgangsstrom von 100 mA. Diese Regelung auf eine Änderung von 800 mV wird als annehmbar betrachtet. Es sei darauf hingewiesen, daß die Änderung auf einen höheren Mittel wert zentriert werden könnte, beispielsweise auf 15,4 V max/14,6 V min, indem der Wert des Widerstandes R2, der den Aus gangsspannungsanschluß über eine Diode D2 mit dem Anschluß C_T verbindet, geändert wird, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Änderung des Widerstandswertes des Widerstandes R3, der den Anschluß C_T mit der negativen Versorgungsleitung 2 verbindet.

Oszillogramme für verschiedene Betriebsbedingungen sind in den Fig. 3 bis 11 gezeigt. Die Arbeitsfrequenz ändert sich von 49 kHz bei minimaler Last und maximaler Versorgungsspannung (Fig. 5) auf 100 kHz bei maximaler Last und minimaler Versor gungsgleichspannung (Fig. 4).

Die Oszillogramme nach Fig. 9 zeigen, daß die Einschaltzeit von Q1, die durch die Eigenverzögerung der integrierten Schal tung vom Typ IR 5152 festgelegt ist, sich von 500 Nanosekunden bei 25°C auf 650 Nanosekunden bei 100°C ändert. Die gesamte Anlaufzeit vom Einschalten der Versorgungsgleichspannung bis zur Ausgangsspannung vom 15 Volt beträgt ungefähr 5 Millise kunden bei einer Versorgungsgleichspannung von 250 Volt (Fig. 10) und 3 Millisekunden bei einer Versorgungsgleichspannung von 400 Volt (Fig. 11).

Die Schaltung nach Fig. 1 speist die 15 Volt-Ausgangsspannung der Reglerschaltung über den Widerstand R4 und die Diode D4 an den Anschluß V_CC zurück, um die Leistungsversorgung der integrierten Treiberschaltung 1 zu ergänzen. Die Zenerdiode Z1 hält die Spannung V_CC auf 11 Volt fest, was er ermöglicht, daß ein definierter Strom zurückgespeist wird. Die Kombination R4/D4 und Z1 könnte unter Inkaufnahme eines niedrigeren Wider standes und eines höheren Leistungsverlustes in dem Widerstand R5 fortgelassen werden. Alternativ könnte, wenn die integrierte Schaltung 1 vom Typ IR 2152 so modifiziert würde, daß sie eine 11 Volt-Zenerdiode (anstelle der derzeitigen 15,6 Volt-Zener diode) enthält, Z1 fortgelassen werden, obwohl R4/D4 immer noch beibehalten würden.

Die Schaltung nach Fig. 1 arbeitet bei niedrigen Strömen (beispielsweise weniger als 40 mA) nicht gut, weil die Steue rung des Gegenwirkungswandlers verlorengeht. Eine zweite Aus führungsform der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 12 gezeigt ist, beseitigt die Zenerdiode Z1, die Dioden D1, D3 und D4 und die Widerstände R1 und R4, und sie ist in vorteil hafter Weise unter Bedingungen fehlender Last stabil.

Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich spezieller Aus führungsformen hiervon beschrieben wurde, sind vielfältige Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich.

Claims

1. Leistungsreglerschaltung mit einer positiven Ein gangs-Gleichspannungsversorgungsleitung zur Zuführung einer ver gleichsweise hohen Gleichspannung, die von einer ersten bis zu einer zweiten hohen Gleichspannung reicht, wobei die hohe Gleichspannung auf eine erdseitige gemeinsame Versorgungs leitung bezogen ist, mit einer monolithischen Gate-Treiber schaltung, die aus einer eine niedrige Spannung aufweisenden Leistungsquelle gespeist wird, die auf die gemeinsame Ver sorgungsleitung bezogen ist, und mit einer Induktivität und einem Schalterbauteil, das zwischen der Eingangs-Gleich spannungsversorgungsleitung und einer Induktivität eingeschaltet ist, über die das Schalterbauteil einen Strom an einen eine Last speisenden Ausgangsanschluß liefert, wobei das Schalter bauteil einen Gate-Anschluß einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die monolithische Gate-Treiber schaltung (1) einen Gate-Treiberausgang (H_O) zur Ansteuerung des Gateanschlusses des Schalterbauteils (Q1) aufweist, daß die monolithische Gate-Treiberschaltung (1) eine vorgegebene Eigenverzögerungszeit aufweist, während der der Gate-Treiber ausgang (H_O) aktiv ist, nachdem die Treiberschaltung (1) durch ein Triggersignal getriggert wurde, das einer Trigger elektrode (C_T) der monolithischen Treiberschaltung zugeführt wird, und daß eine Regel-Rückführschaltung (D2, D3, R1, R2, R3) mit der Triggerelektrode der Gate-Treiberschaltung (1) verbunden ist, um die Gate-Treiberschaltung derart zu steuern, daß der Gate-Treiber-Ausgang (H_O) für die Dauer der Eigenverzögerungs zeit eingeschaltet und dann für veränderliche Zeitperioden abgeschaltet wird, die so gesteuert und verändert werden, daß die Spannung an dem die Last speisenden Ausgangsanschluß (V_O) auf einem im wesentlichen konstanten vorgegebenen Wert gehalten wird.

2. Leistungsreglerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Treiberschaltung einen V_CC-Anschluß zum Empfang der Leistung der eine niedrige Spannung aufweisenden Leistungsquelle und einen ersten Widerstand (R5) einschließt, der zwischen der Gleichspannungs versorgungsleitung und dem V_CC-Anschluß eingeschaltet ist.

3. Leistungsreglersschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Serienschaltung aus einem zweiten Widerstand (R4) und einer Diode (D4) zwischen dem V_CC-Anschluß und dem die Last speisenden Ausgangsanschluß (V_O) angeschaltet ist, um einen zusätzlichen Strom an den V_CC-Anschluß zu liefern.

4. Leistungsreglerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsklemmschaltung (Z1) zwischen dem V_CC-Anschluß und der gemeinsamen Versorgungs leitung (2) eingeschaltet ist, um den V_CC-Anschluß auf einer vorgegebenen Klemmspannung zu halten.

5. Leistungsreglerschaltung nach Anspruch 4, bei der die Spannungsklemmschaltung eine Zenerdiode (Z1) einschließt.

6. Leistungsreglerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerelektrode der monoli thischen Gate-Treiberschaltung mit dem die Last speisenden Ausgangsanschluß (V_O) über eine zweite Serienschaltung aus einem jeweiligen Widerstand (R2) und einer jeweiligen Diode (D3) verbunden ist.

7. Leistungsreglerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Freilaufdiode (D5) an einen Verbindungspunkt zwischen dem Schalterbauteil (Q1) und der Induktivität (14) einerseits und der gemeinsamen Versorgungs leitung (2) andererseits eingeschaltet ist.

8. Leistungsreglerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Serienschaltung aus einem jeweiligen Widerstand (R1) und einer jeweiligen Diode (D3) zwischen der Kathode der Freilaufdiode (D5) und der Triggerelektrode (C_T) der monolithischen Treiberschaltung eingeschaltet ist.

9. Leistungsreglerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Diode (D1) zwischen der Spannungsklemmschaltung (Z1) und der dritten Serienschaltung eingeschaltet ist, um sicherzustellen, daß die Spannung an der Triggerelektrode (C_T) der monolithischen Gate-Treiberschaltung (1) nicht über die vorgegebene Klemmspannung ansteigt.