DE19750168B4 - Drei Spannungsversorgungen für Treiberschaltungen von Leistungs-Halbleiterschaltern - Google Patents

Drei Spannungsversorgungen für Treiberschaltungen von Leistungs-Halbleiterschaltern Download PDF

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Abstract

Halbleitervorrichtung, mit – einer hochspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q2), deren erste Elektrode mit einer Gleichstromversorgung (1) für hohe Spannungen verbunden ist; – einer hochspannungsseitigen Treiberschaltung (2), deren erster Anschluß (T1) mit einer Steuerelektrode und deren zweiter Anschluß (T2) mit einer zweiten Elektrode der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q2) verbunden sind; – einer niederspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q1), deren erste Elektrode mit der zweiten Elektrode der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q2) verbunden ist, wobei eine zweite Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q1) mit Masse (GND) verbunden ist; und – einer niederspannungsseitigen Treiberschaltung (3), deren erster Anschluß (T1') mit einer Steuerelektrode und deren zweiter Anschluß (T2') mit der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q1) verbunden sind, wobei die hochspannungsseitige Schalteinrichtung (Q2) und die niederspannungsseitige Schalteinrichtung (Q1) von der hochspannungsseitigen Treiberschaltung (2) und der niederspannungsseitigen Treiberschaltung (3) so gesteuert werden, daß sie alternierend ein- und ausschalten, und daß die Halbleitervorrichtung ferner aufweist: – eine niederspannungsseitige Diode (D1), deren Kathode mit der ersten Elektrode und deren Anode mit der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q1) verbunden sind; – eine erste Diode (Di1); – eine Gleichstromversorgung (4) für niedere Spannungen, deren eines Ende mit einer Anode der Diode (Di1) und mit einem dritten Anschluß (T3') der niederspannungsseitigen Treiberschaltung (3) und deren anderes Ende mit Masse (GND) verbunden sind; und – eine Ladespannungs-Zuführschaltung (10, 20) mit einem ersten Kondensator (C1), dessen erste Elektrode mit der Kathode der ersten Diode (Di1) verbunden ist; sowie mit einem ersten Schalter (SW1), der zwischen einer zweiten Elektrode des ersten Kondensators (C1) und Masse (GND) angeordnet ist, wobei der erste Schalter zum Einschalten gesteuert wird, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung (Q1) in einem Einschaltzustand wirksam ist, und wobei der erste Schalter (SW1) zum Ausschalten gesteuert wird, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung (Q2) in einem Einschaltzustand wirksam ist; ...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Technik zum Treiben einer Leistungseinheit einer Halbleitervorrichtung und speziell eine einzelne Stromversorgungs-Treiberschaltung für eine Leistungseinheit mit Halbbrückenstruktur.
  • Vorrichtungen zum Treiben einer Leistungseinheit einer Halbleitervorrichtung sind aus dem Stand der Technik bekannt:
  • JP H08-168 269 A offenbart einen Inverter-Treiber-Schaltkreis, der es ermöglicht, zuverlässig die Spannung einer Stromversorgung zu erhöhen. Der Inverter-Treiber Schaltkreis besteht aus einer ersten Gleichspannungsquelle 1, einer zweiten Gleichspannungsquelle 2, einem PNP-Transistor 3, einer Diode 4, einem ersten Kondensator 5, einem ersten Treiber-Schaltkreis 6, einem zweiten Treiber-Schaltkreis 7, einem erste Schaltelement 8, einem zweiten Schaltelement 9 und einem Widerstand 10. Dabei wird Gleichspannung 2 sanft angehoben, indem die übermäßig großen Ladeströme, die fließen, wenn die Gleichspannungsquelle 2 angehoben wird, unterdrückt werden. Dies erfolgt, indem der Ladestrom des Kondensators 5 auf einem festen Wert gehalten wird.
  • JP H03-265 460 A offenbart einen Netzteil-Schaltkreis, mit dem ein Transistor gesteuert wird. Mit der vorgeschlagenen Anordnung wird ein Transformator überflüssig und das Gewicht und die Größe können reduziert werden. Es wird vorgeschlagen, dass erste und zweite Lade-Schaltkreise mit positiven und zweiten Gleichspannungen von einem Gleichspannungsnetzteil durch AN/AUS Operationen eines Schalttransistors zur Ansteuerung einer Last geschaltet werden.
  • DE 36 29 383 C2 offenbart eine Schaltungsanordnung mit einer Ladungspumpe zum Ansteuern eines N-Kanal-MOS-Transistors, dessen Drainelektrode mit der Betriebsspannung und dessen Sourceelektrode mit einer Last verbunden ist und der eine Gateelektrode aufweist, gekennzeichnet durch einen Kondensator, dessen erster Anschluss über ein erstes Schaltelement an einer Referenzspannung sowie an der Gateelektrode des N-Kanal-MOS-Transistors und dessen zweiter Anschluss an einer Schaltervorrichtung angeschlossen ist, die zwischen der Betriebsspannung und Masse angeordnet ist und derart angesteuert wird, dass sie alternativ wahlweise den zweiten Anschluss des Kondensators mit der Betriebsspannung oder mit Masse verbindet.
  • DE 36 25 091 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Steuerung und Regelung des Stroms durch einen elektromagnetischen Verbraucher mit einer Brückenschaltung, in deren einer Diagonale der Verbraucher liegt, aus vier Stromsteuerungsorganen vom Logic- Level Leistungs-MOSFET-Typ, an welche je paarweise eine Spannungsregelschaltung zur Gatespannungsversorgung und eine Stromsteuerschaltung zur Gatespannungssteuerung angeschlossen ist, und mit zumindest einem an einem Anschlusspunkt der zwei Diagonale angeschlossenen Messwiderstand.
  • JP H06-98 560 A offenbart eine Inverter-Vorrichtung, bei der die Netzteilspannungen für die Haupt-Schaltelemente, die mit einer positiven Seite eines Gleichspannungsbusses verbunden sind, konstant sind ohne Schwankungen zwischen den Phasen.
  • DE 33 14 300 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung des potentialmässig hochliegenden Transistors in Leistungs-MOS-FET-Gegentaktendstufen mit einem Optokoppler und zwei Transistoren in Gegentakt-Emitterschaltung, wobei zwischen die potentialmässig tiefliegende Gegentakt-Emitterfolgestufe der Transistoren und den Basisanschluss des hochliegenden Optokopplers ein Kondensator geschaltet ist
  • EP 0 525 869 A1 offenbart eine Bootstrapschaltung für einen Leistungs-MOS-Transistor in Hochseitentreiberanordnung mit einem ersten Kondensator, der auf eine erste Spannung aufladbar ist, die etwas geringer als die die Versorgungsspannung des Leistungstransistor ist, und einem zweiten Kondensator, wobei die Schaltung eine zweite Spannung höher als die Versorgungsspannung und die Schwellenspannung des Leistungs-MOS-Transistors an seinem Gate bereitstellt.
  • Aus Claydon, Laughton: ”A single chip 1 MHz 500 V full/half bridge driver and primary side power supply controller HVIC capable of multiple modes of Operation”, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC '90, Conference Proceedings 1990, Fifth Annual, 1990, 467–475, ist ein Hochspannungs-IC (HVIC) bekannt, der Power FETs sowohl in Full-Bridge als auch in Half-Bridge Leistungsschaltkreisen, die entweder Pulsbreitenmodulation oder Resonanzschaltkreise verwenden, antreiben kann. Der IC beinhalte einen Spannungs-gesteuerten Oszillator, der Pulsbreite und/oder Frequenz variieren kann und somit ein Mittel zur resonanten Konverter-Steuerung liefert. Die Kombination einer 15 V Steuer-Logik mit sowohl Hochspannungs- als auch Niederspannungs-Treibern ermöglicht diesen HVIC als Ein-Chip Primärseitensteuerung für eine Vielzahl von Leistungsschaltkreis-Topologien.
  • Eine einzelne bekannte Stromversorgungs-Treiberschaltung für eine Leistungseinheit mit Halbbrückenstruktur, wie sie in 10 gezeigt ist, umfaßt zwei Schalteinrichtungen Q2P und Q1P, die in Reihe zwischen eine Hochspannungs-Gleichstromquelle 1P und Masse GND geschaltet sind, und eine hochspannungsseitige Treiberschaltung (d. h. einen Gate-Treiber) 2P und eine niederspannungsseitige Treiberschaltung (d. h. einen Gate-Treiber) 3P, die die Schalteinrichtungen Q2P bzw. Q1P treiben. Die Treiberschaltungen 2P und 3P schalten die beiden Schalteinrichtungen Q2P und Q1P abwechselnd ein und aus.
  • Bei der herkömmlichen Treiberschaltung für eine Leistungseinheit wird von einer Gleichspannungsversorgung 4P für niedere Spannungen, deren eines Ende mit dem Massepunkt GND verbunden ist, eine Spannung VCC an die niederspannungsseitige Treiberschaltung 3P geführt, während eine Spannung, die in einem Kondensator CP geladen ist, der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2P durch eine Diode DiP zugeführt wird. Normalerweise sind die Dioden D2P und D1P in Gegenparallelschaltung zu den Schalteinrichtungen Q2P und Q1P geschaltet, die in Reihe zwischen die Gleichspannungsversorgung 1P für hohe Spannungen und Masse GND geschaltet sind. Die Dioden D2P und D1P dienen der Regenerierung einer induzierten elektromotorischen Kraft, wenn eine Induktivität L belastet ist.
  • Die Betriebsprinzipien der herkömmlichen Treiberschaltung, die in 10 gezeigt ist, sind die folgenden. (A) Wenn die Schalteinrichtung Q1P im EIN-Zustand ist, wird der Kondensator CP auf einem Weg L1 von der Gleichspannungsversorgung 4P für niedere Spannungen, in dem die Diode DiP, der Kondensator CP und die Schalteinrichtung Q1P angeordnet sind, oder auf einem Weg L2 von der Gleichspannungsversorgung 4P für niedere Spannungen, in dem die Diode DiP, der Kondensator CP und die Diode DiP angeordnet sind, aufgeladen, und (B) wenn die Schalteinrichtung Q2P im EIN-Zustand ist, floatet bzw. schwebt der Kondensator CP, weil die Diode DiP in Sperrichtung vorgespannt ist, und daher wird die in dem Kondensator CP geladene Spannung der Schalteinrichtung Q2P zugeführt.
  • Da jedoch bei der in 10 gezeigten herkömmlichen Treiberschaltung die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1P und die niederspannungsseitige Diode DiP in den Ladewegen L1 bzw. L2 sind, auf denen der Kondensator CP aufgeladen wird, ist eine Ladespannung VC zum Kondensator CP innerhalb des folgenden Bereichs: VC = (VCC – VD – VCE) bis (VCC – VD + VF) wobei eine EIN-Spannung zu der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung Q1P = VCE, eine Vorwärts-Spannung zu der Diode DiP = VF, eine Vorwärts-Spannung zu der Diode DiP = VD und eine Spannung in der Gleichspannungsversorgung 4P für niedere Spannungen = VCC.
  • Während also die Induktivität L unter Last ist, gibt es eine Periode, in der die Schalteinrichtung Q1P im EIN-Zustand ist, so daß die Schalteinrichtung Q1P einen Strom führt (Bahn L1), und eine Periode, in der die Diode DiP einen Strom führt (Bahn L2).
  • Normalerweise ist die EIN-Spannung VCE für die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1P ca. 2 V, und das gleiche gilt für die Vorwärts-Spannung VF zu der Diode DiP. Wenn also die Vorwärts-Spannung VD zu der Diode DiP ca. 1 V ist, ist die Ladespannung VC zum Kondensator CP innerhalb des folgenden Bereichs veränderlich: VC = (VCC – 3 V) bis (VCC + 1 V).
  • Wenn also mit anderen Worten ein Strom in dem Weg L1 fließt, so daß der Kondensator CP geladen wird, ist die Ladespannung VC um 3 V niedriger als die Spannung VCC der Gleichspannungsversorgung für niedere Spannungen.
  • In einem solchen Fall ist der Bereich der Ladespannung VC von 12 V bis 16 V bei einer mit 15 V getriebenen Schalteinrichtung (wobei VCC = 15 V). Während des Treibens mit 15 V hat eine Gatespannung in der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung Q2P im EIN-Zustand ein Minimum von 3 V. Es heißt, daß dieser Änderungswert der Ladespannung VC in einen brauchbaren Spannungsbereich fällt.
  • Bei einer Schalteinrichtung, die mit 5 V getrieben wird (wobei VCC = 5 V), liegt jedoch die Ladespannung VC zwischen 2 V und 6 V. Die Änderung der Ladespannung VC ist zu groß, um diese Schaltung zu verwenden. Während des Treibens mit 5 V ist also die Gatespannung in der im EIN-Zustand befindlichen hochspannungsseitigen Schalteinrichtung Q2P 0,5 V bis 0,75 V, und somit wird, da die Ladespannung VC von der Treiberspannung von 5 V auf bis zu 3 V abfällt, obwohl die Schalteinrichtung Q1P einschaltet, der Einschaltwiderstandswert so groß, daß an der Schalteinrichtung Q2P ein großer Verlust entsteht. Und zudem besteht die Gefahr, daß sogar das Treiben der Schalteinrichtung Q2P nicht mehr steuerbar ist.
  • Es gibt also ein inhärentes Problem bei der herkömmlichen einzigen Stromversorgungs-Treiberschaltung für eine Leistungseinheit mit Halbbrückenstruktur, daß sich die Ladespannung infolge der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung, die in dem Ladeweg zum Laden des Kondensators besteht, der der Treiberschaltung der hochspannungsseitigen Schaltungseinheit eine Spannung zuführt, oder infolge der Diode, die mit der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung in Gegenparallelschaltung angeordnet ist, stark ändert. Somit kann die herkömmliche Schaltung eine Schalteinrichtung, die mit 5 V getrieben wird, nicht mit einer Spannung von 5 V von einer Gleichspannungsversorgung für niedere Spannungen treiben. Dieses Problem muß im Hinblick auf den neuesten Trend, daß eine Spannung zum Treiben von Bauelementen immer niedriger wird, überwunden werden.
  • Gemäß einer beispielhaften, nicht beanspruchten Alternative wird eine Halbleitervorrichtung vorgeschlagen, die folgendes aufweist: eine Gleichstromversorgung für hohe Spannungen; eine hochspannungsseitige Schalteinrichtung, deren erste Elektrode mit der Gleichstromversorgung für hohe Spannungen verbunden ist; eine hochspannungsseitige Treiberschaltung, deren erster Anschluß bzw. zweiter Anschluß mit einer Steuerelektrode bzw. einer zweiten Elektrode der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung verbunden sind; eine niederspannungsseitige Schalteinrichtung, deren erste Elektrode mit der zweiten Elektrode der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung verbunden ist, während eine zweite Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung mit einem Massepunkt verbunden ist; und eine niederspannungsseitige Treiberschaltung, deren erster Anschluß bzw. deren zweiter Anschluß mit einer Steuerelektrode bzw. mit der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung verbunden sind, wobei die hochspannungsseitige Schalteinrichtung und die niederspannungsseitige Schalteinrichtung von der hochspannungsseitigen Treiberschaltung und der niederspannungsseitigen Treiberschaltung so gesteuert sind, daß sie abwechselnd ein- und ausschalten. Die Halbleitervorrichtung weist ferner folgendes auf: eine Diode; eine Gleichstromversorgung für niedere Spannungen, deren eines Ende und deren anderes Ende jeweils mit einer Anode der Diode bzw. mit Masse verbunden sind; einen Kondensator, dessen erste Elektrode mit dem einen Ende der Gleichstromversorgung für niedere Spannungen durch die Diode und außerdem mit einem dritten Anschluß der hochspannungsseitigen Treiberschaltung verbunden ist, während eine zweite Elektrode des Kondensators mit der zweiten Elektrode der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung verbunden ist; und eine Spannungsfixierschaltung, die dem Kondensator parallelgeschaltet ist, um einen Spannungswert zwischen den beiden Enden des Kondensators während des Ladens des Kondensators zu fixieren, das erfolgt, während die hochspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist.
  • Somit ist selbst dann, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung in dem Ladeweg zum Kondensator vorhanden ist, jederzeit möglich, die Spannung über dem Kondensator auf einem Konstantwert während des Ladens festzulegen, ohne daß der Ladeweg irgendwie beeinflußt wird. Somit ist die Erfindung problemlos bei einem Fall anwendbar, bei dem die niederspannungsseitige Schalteinrichtung der Erfindung unter Anwendung der Gleichstromversorgung für niedere Spannungen zu trieben ist, wenn beispielsweise eine mit 5 V getriebene Schalteinrichtung unter Nutzung der Gleichstromversorgung für niedere Spannungen von 5 V getrieben werden soll.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der nicht beanspruchten Alternative weist die Halbleitervorrichtung weiterhin folgendes auf: eine niederspannungsseitige Diode, deren Kathode und Anode jeweils mit der ersten Elektrode bzw. der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung verbunden sind; und einen Widerstand, dessen eines Ende und dessen anderes Ende mit einer Kathode der Diode bzw. mit der ersten Elektrode des Kondensators verbunden sind, wobei die Spannungsfixierschaltung eine Z-Diode aufweist, deren Kathode mit der ersten Elektrode des Kondensators und deren Anode mit der zweiten Elektrode des Kondensators verbunden ist, und wobei eine Spannung in der Gleichstromversorgung für niedere Spannungen mit einem größeren Wert vorgegeben ist als eine Summe aus einer Z-Spannung der Z-Diode, einer Vorwärts-Spannung zu der Diode und einer Einschaltspannung zu der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung.
  • Somit ist es insbesondere auch dann, wenn die niederspannungsseitige Diode in dem Ladeweg zum Kondensator liegt, vorteilhaft möglich, die an der niederspannungsseitigen Diode erzeugte Spannung durch den Spannungsabfall auszugleichen, der an dem Widerstand ausgebildet wird. Selbstverständlich ist es jederzeit möglich, die Ladespannung zum Kondensator auch während des Aufladens des Kondensators auf einem Konstantwert festzulegen, und zwar durch den Ladeweg, der die niederspannungsseitige Diode aufweist.
  • Bei einem zweiten Aspekt der nicht beanspruchten Alternative weist die Halbleitervorrichtung nach dem ersten Aspekt weiterhin folgendes auf: eine weitere Z-Diode, deren Kathode und Anode jeweils mit einem dritten Anschluß der niederspannungsseitigen Treiberschaltung bzw. Masse verbunden sind; und einen weiteren Widerstand, der zwischen das eine Ende der Gleichstromversorgung für niedere Spannungen und die Kathode der weiteren Z-Diode geschaltet ist.
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist folgendes auf: eine hochspannungsseitige Schalteinrichtung, deren erste Elektrode mit einer Gleichstromversorgung für hohe Spannungen verbunden ist; eine hochspannungsseitige Treiberschaltung, deren erster Anschluß und zweiter Anschluß mit einer Steuerelektrode bzw. einer zweiten Elektrode der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung verbunden sind; eine niederspannungsseitige Schalteinrichtung, deren erste Elektrode mit der zweiten Elektrode der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung verbunden ist, wobei eine zweite Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung mit Masse verbunden ist; und eine niederspannungsseitige Treiberschaltung, deren erster Anschluß und deren zweiter Anschluß jeweils mit einer Steuerelektrode bzw. mit der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung verbunden sind, wobei die hochspannungseitige Schalteinrichtung und die niederspannungsseitige Schalteinrichtung von der hochspannungsseitigen Treiberschaltung und der niederspannungsseitigen Treiberschaltung so gesteuert werden, daß sie abwechselnd ein- und ausschalten. Das Halbleiterbauelement weist ferner folgendes auf: eine niederspannungsseitige Diode, deren Kathode und Anode mit der ersten Elektrode bzw. der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung verbunden sind; eine erste Diode; eine Gleichstromsorgung für niedere Spannungen, deren eines Ende mit einer Anode der Diode und mit einem dritten Anschluß der niederspannungsseitigen Treiberschaltung und deren anderes Ende mit Masse verbunden sind; und eine Ladespannungs-Zuführschaltung mit einem ersten Kondensator, dessen erste Elektrode mit der Kathode der ersten Diode verbunden ist; sowie mit einem ersten Schalter, der zwischen einer zweiten Elektrode des ersten Kondensators und Masse angeordnet ist, wobei der erste Schalter zum Einschalten gesteuert wird, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist, und wobei der erste Schalter zum Ausschalten gesteuert wird, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist; sowie mit einer zweiten Diode, deren Anode mit der Kathode der ersten Diode und deren Kathode mit dem dritten Anschluß der hochspannungseitigen Treiberschaltung verbunden sind; sowie mit einem zweiten Kondensator, dessen erste Elektrode mit dem dritten Anschluß und dessen zweite Elektrode mit dem zweiten Anschluß der hochspannungsseitigen Treiberschaltung verbunden sind; und mit einem zweiten Schalter, der zwischen der zweiten Elektrode des ersten Kondensators und der zweiten Elektrode des zweiten Kondensators angeordnet ist, wobei der zweite Schalter zum Ausschalten gesteuert wird, wenn die niederspannungseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist, und wobei der zweite Schalter zum Einschalten gesteuert wird, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist.
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung weist folgendes auf: eine hochspannungsseitigen Schalteinrichtung, deren erste Elektrode mit einer Gleichstromversorgung für hohe Spannungen verbunden ist; eine hochspannungsseitige Treiberschaltung, deren erster Anschluß mit einer Steuerelektrode und deren zweiter Anschluß mit einer zweiten Elektrode der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung verbunden sind; eine niederspannungsseitigen Schalteinrichtung, deren erste Elektrode mit der zweiten Elektrode der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung verbunden ist, wobei eine zweite Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung mit Masse verbunden ist; und eine niederspannungsseitigen Treiberschaltung, deren erster Anschluß mit einer Steuerelektrode und deren zweiter Anschluß mit der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung verbunden sind, wobei die hochspannungsseitige Schalteinrichtung und die niederspannungsseitige Schalteinrichtung von der hochspannungsseitigen Treiberschaltung und der niederspannungsseitigen Treiberschaltung so gesteuert werden, daß sie alternierend ein- und ausschalten, und daß die Halbleitervorrichtung ferner aufweist: eine niederspannungsseitige Diode, deren Kathode mit der ersten Elektrode und deren Anode mit der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung verbunden sind; eine erste Diode; eine Gleichstromversorgung für niedere Spannungen, deren eines Ende mit einer Anode der Diode und mit einem dritten Anschluß der niederspannungsseitigen Treiberschaltung und deren anderes Ende mit Masse verbunden sind; und eine Ladespannungs-Zuführschaltung mit einem ersten Kondensator, dessen erste Elektrode mit der Kathode der Diode verbunden ist; mit einem ersten Schalter, der zwischen einer zweiten Elektrode des ersten Kondensators und Masse angeordnet ist, wobei der erste Schalter zum Einschalten gesteuert wird, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist, wobei der erste Schalter zum Ausschalten gesteuert wird, wenn die hochspannungseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist; und mit einem zweiten Kondensator, dessen erste Elektrode mit dem dritten Anschluß und dessen zweite Elektrode mit dem zweiten Anschluß der hochspannungsseitigen Treiberschaltung verbunden sind; und mit einem zweiten Schalter, der zwischen der zweiten Elektrode des ersten Kondensators und der zweiten Elektrode des zweiten Kondensators liegt, wobei der zweite Schalter zum Ausschalten gesteuert wird, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist, und wobei der zweite Schalter zum Einschalten gesteuert wird, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist; und mit einem dritten Schalter, der zwischen der ersten Elektrode des ersten Kondensators und der ersten Elektrode des zweiten Kondensators angeordnet ist, wobei der dritte Schalter zum Ausschalten gesteuert wird, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist, und wobei der dritte Schalter zum Einschalten gesteuert wird, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung weist die Halbleitervorrichtung nach dem ersten oder zweiten Aspekt weiterhin folgendes auf: eine Z-Diode, deren Kathode mit einem dritten Anschluß der niederspannungsseitigen Treiberschaltung und deren Anode mit Masse verbunden sind; und einen Widerstand, der zwischen das eine Ende der Gleichstromversorgung für niedere Spannungen und die Kathode der Z-Diode geschaltet ist.
  • Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung weist die Halbleitervorrichtung nach dem ersten oder zweiten Aspekt weiterhin folgendes auf: eine dritte Diode, welche zwischen einem dritten Anschluß der niederspannungsseitigen Treiberschaltung und einem Ende der Gleichstromversorgung für niedere Spannungen angeschlossen ist.
  • Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung ist bei einer Halbleitervorrichtung nach dem ersten oder zweiten Aspekt vorgesehen, daß der dritte Anschluß der niederspannungsseitigen Treiberschaltung direkt mit dem einen Ende der Gleichstromversorung für niedere Spannungen verbunden ist.
  • Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung ist bei einer Halbleitervorrichtung nach einem der vorherigen Aspekte vorgesehen, daß eine Spannung in der Gleichstromversorgung für niedere Spannungen mit einem Wert vorgegeben ist, der durch Addition einer Vorwärts-Spannung zu der ersten Diode und einer Treiberspannung zu der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung gebildet ist.
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem siebenten Aspekt der Erfindung weist folgendes auf: eine hochspannungsseitige Schalteinrichtung, deren erste Elektrode mit einer Gleichstromversorgung für hohe Spannungen verbunden ist; eine hochspannungsseitige Treiberschaltung, deren erster Anschluß mit einer Steuerelektrode und deren zweiter Anschluß mit einer zweiten Elektrode der hochspannungseitigen Schalteinrichtung verbunden sind; eine niederspannungseitige Schalteinrichtung, deren erste Elektrode mit der zweiten Elektrode der hochspannungseitigen Schalteinrichtung verbunden ist, wobei eine zweite Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung mit Masse verbunden ist; eine niederspannungsseitigen Treiberschaltung, deren erster Anschluß mit einer Steuerelektrode und deren zweiter Anschluß mit der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung verbunden sind, wobei die hochspannungsseitige Schalteinrichtung und die niederspannungsseitige Schalteinrichtung von der hochspannungsseitigen Treiberschaltung und der niederspannungseitigen Treiberschaltung so gesteuert werden, daß sie alternierend ein- und ausschalten, und einer ersten Diode. Die Halbleitervorrichtung weist ferner auf: eine niederspannungsseitige Diode, deren Kathode mit der ersten Elektrode und deren Anode mit der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung verbunden sind; eine Gleichstromversorgung für niedere Spannungen, deren eines Ende mit einer Anode der Diode und mit einem dritten Anschluß der niederspannungsseitigen Treiberschaltung und deren anderes Ende mit Masse verbunden sind; und eine Ladespannungs-Zuführeinrichtung mit einem ersten Kondensator, dessen erste Elektrode mit der Kathode der ersten Diode verbunden ist; sowie mit einem ersten Schalter, der zwischen einer zweiten Elektrode des ersten Kondensators und Masse angeordnet ist, wobei der erste Schalter zum Einschalten gesteuert wird, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist, wobei der erste Schalter zum Ausschalten gesteuert wird, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist; und mit einer zweite Diode, deren Anode mit der Kathode der ersten Diode und deren Kathode mit dem dritten Anschluß der hochspannungsseitigen Treiberschaltung verbunden sind; und mit einem zweiten Kondensator, dessen erste Elektrode mit dem dritten und dessen zweite mit dem zweiten Anschluß der hochspannungsseitigen Treiberschaltung verbunden sind; und mit einem zweiten Schalter, der zwischen der zweiten Elektrode des ersten Kondensators und der zweiten Elektrode des zweiten Kondensators liegt, wobei der zweite Schalter zum Ausschalten gesteuert wird, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist, und der zweite Schalter zum Einschalten gesteuert wird, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist.
  • Gemäß einem achten Aspekt der Erfindung ist bei einer Halbleitervorrichtung nach dem siebenten Aspekt vorgesehen, daß eine Spannung in der Gleichstromversorgung für niedere Spannungen mit einem Wert vorgegeben ist, der durch Addition einer Vorwärts-Spannung zu der ersten Diode und einer Treiberspannung zu der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung gebildet ist.
  • Gemäß einem neunten Aspekt der Erfindung weist die Halbleitervorrichtung nach dem siebenten Aspekt weiterhin folgendes auf: eine Z-Diode, deren Kathode mit einem dritten Anschluß der niederspannungsseitigen Treiberschaltung und deren Anode mit Masse verbunden sind; und einen Widerstand, der zwischen das eine Ende der Gleichstromversorgung für niedere Spannungen und die Kathode der Z-Diode geschaltet ist.
  • Gemäß einem zehnten Aspekt der Erfindung weist die Halbleitervorrichtung nach dem siebenten Aspekt weiterhin folgendes auf: eine dritte Diode, welche zwischen einem dritten Anschluß der niederspannungsseitigen Treiberschaltung und einem Ende der Gleichstromversorgung für niedere Spannungen angeschlossen ist.
  • Da es gemäß der im ersten biszehnten Aspekt definierten Erfindung möglich ist, eine Ladung zu laden, die zum Treiben der hochspannungseitigen Schalteinrichtung erforderlich ist, wobei weder die niederspannungsseitige Schalteinrichtung noch die niederspannungsseitige Diode beeinflußt werden, ist es möglich, eine Änderung der Ladespannung zu der hochspannungsseitigen Treiberschaltung auf einen viel kleineren Wert zu unterdrücken, als das bisher möglich war. Somit ist die Erfindung auch in einem Fall anwendbar, in dem eine mit 5 V getriebene Schalteinrichtung unter Anwendung der Gleichstromversorgung für niedere Spannungen von 5 V getrieben werden soll.
  • Gemäß der im zweiten und siebten Aspekt definierten Erfindung ist es insbesondere durch die Kombination von Einschalt- und Ausschaltvorgängen der Vielzahl von Schaltern möglich, ein stabiles Laden des ersten Kondensators und damit das Laden des zweiten Kondensators ohne Störung durch die niederspannungsseitige Schalteinrichtung oder die niederspannungsseitige Diode zu realisieren. Da ferner die jeweiligen Schalter beispielsweise mit MOSFETs realisierbar sind, ist in diesem Fall eine weitere Integration der entsprechenden Bereiche der Ladewege in dem Vorrichtung möglich.
  • Gemäß weiterer Aspekte der Erfindung ist es (1) in bezug auf den zweiten und den siebten Aspekt möglich, eine Änderung der Ladespannung zum zweiten Kondensator und der Zuführspannung zu der hochspannungsseitigen Treiberschaltung innerhalb des Bereichs von +1 V zu begrenzen, (2) in bezug auf den zweiten Aspekt möglich, eine Änderung der Ladespannung zu eliminieren, und (3) die Gleichstromversorgung für niedere Spannungen von 6 V oder 5 V zu nutzen, um dadurch die hochspannungsseitige Schalteinrichtung mit 5 V zu treiben.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Technik für eine Treibereinheit einer Halbleitervorrichtung bereitzustellen, wobei sich eine Ladespannung zu einem Kondensator auch dann nicht ändert, wenn eine niederspannungsseitige Schalteinrichtung oder eine dazu gegenparallel geschaltete Diode in einem Ladeweg für den Kondensator angeordnet ist.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist dabei die Bereitstellung einer Technik für eine Treibereinheit einer Halbleitervorrichtung, wonach ein Schaltungsaufbau realisiert wird, bei dem sich weder eine niederspannungsseitige Schalteinrichtung noch eine Diode, die dazu gegenparallel geschaltet ist, in einem tatsächlichen Ladeweg für einen Kondensator befinden, so daß es möglich ist, eine mit 5 V getriebene Schalteinrichtung mit einer Gleichstromversorgung für niedere Spannungen von 5 V zu verwenden, ohne daß eine Ladespannung zum Kondensator geändert wird.
  • Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
  • 1 ein Schaltbild, das eine einzige Stromversorgungs-Treiberschaltung für eine Leistungseinheit mit Halbbrückenstruktur zeigt, die aus dem Stand der Technik nahegelegt ist;
  • 2 ein Schaltbild, das eine einzige Stromversorgungs-Treiberschaltung für eine Leistungseinheit mit Halbbrückenstruktur gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 3(a) bis 3(g) Diagramme, die einen Ladezeitpunkt und einen Trei berzeitpunkt bei einer Methode (A) zeigen;
  • 4(a) bis 4(g) Diagramme, die einen Ladezeitpunkt und einen Trei berzeitpunkt bei einer Methode (B) zeigen;
  • 5 und 6 Schaltbilder, die eine Modifikation der in 2 gezeigten Schaltung zeigen;
  • 7 ein Schaltbild einer einzigen Stromversorgungs-Treiberschaltung für eine Leistungseinheit mit Halbbrückenstruktur gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
  • 8 und 9 Schaltbilder, die eine Modifikation der in 7 gezeigten Schaltung zeigen; und
  • 10 ein Schaltbild einer herkömmlichen einzigen Stromversorgungs-Treiberschaltung für eine Leistungseinheit mit Halbbrückenstruktur.
  • Die vorliegende Erfindung umfaßt grob zwei technische Grundkonzepte, die nachstehend erläutert werden.
    • (I) Erstens ist die Spannung, die dazu bestimmt ist, einen Kondensator zu laden, durch die Z-Spannung einer Z-Diode bestimmt, und eine Gleichstromversorgung für niedere Spannungen wird verwendet, die eine Spannung hat, die wenigstens um den Wert von Änderungen höher als die Ladespannung für den Kondensator ist, die durch den Einfluß einer niederspannungsseitigen Schalteinrichtung, die in einem Ladeweg des Kondensators liegt, oder einer Diode, die zu der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung gegenparallel geschaltet ist, verursacht werden.
    • (II) Zweitens ist ein weiterer Schaltbereich vorgesehen, um zu verhindern, daß die niederspannungsseitige Schalteinrichtung oder die zu der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung gegenparallel geschaltete Diode in dem Ladeweg des Kondensators liegt, und wird ein/ausgeschaltet, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung und eine hochspannungsseitige Schalteinrichtung einschalten, um den Kondensator zu laden. Die Anwendung dieser Konstruktion ergibt eine viel kleinere Änderung der Kondensator-Ladespannung als die herkömmliche Konstruktion, wie noch beschrieben wird.
  • Eine erste und eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die nachstehend beschrieben wird, basieren auf der Konstruktion (II).
  • Nachstehend wird eine aus dem Stand der Technik nahegelegte Halbleitervorrichtung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung im einzelnen beschrieben.
  • 1 ist ein Schaltbild, das eine Halbleitervorrichtung zeigt. Diese Vorrichtung bezieht sich auf eine einzelne Stromversorgungs-Treiberschaltung für eine Leistungseinheit mit Halbbrückenstruktur.
  • Die Vorrichtung umfaßt zwei Schalteinrichtungen Q2 und Q1, die in dieser Reihenfolge in Serie zwischen eine Gleichstromversorgung 1 für hohe Spannungen und einen Massepunkt GND geschaltet sind, Dioden D1 und D2, die jeweils in Gegenparallelschaltung mit den beiden Schalteinrichtungen Q2 bzw. Q1 verbunden sind, und Gatetreiberschaltungen, die die zwei Schalteinrichtungen Q2 bzw. Q1 treiben, und zwar eine hochspannungsseitige Treiberschaltung 2 und eine niederspannungsseitige Treiberschaltung 3.
  • Die Treiberschaltungen 2 und 3 sind Gatetreiber bekannter Konstruktion, die Transistoren aufweisen. T1, T2 und T3 sind ein erster, ein zweiter und ein dritter Anschluß der Treiberschaltung 2, und T1', T2' und T3' sind ein erster, ein zweiter und ein dritter Anschluß der Treiberschaltung 3. Die ersten Enden T1 und T1' sind Ausgänge. Eine Eingangsspannung, die zum Betrieb der Schaltung 2 (3) erforderlich ist, wird zwischen dem zweiten Anschluß T2 (T2') und dem dritten Anschluß T3 (T3') angelegt.
  • Von den vorgenannten Elementen werden die Schalteinrichtungen Q2 bzw. Q1 als ”hochspannungsseitige Schalteinrichtung” oder ”zweite Schalteinrichtung” bzw. ”niederspannungsseitige Schalteinrichtung” oder ”erste Schalteinrichtung” bezeichnet, und die Dioden D2 bzw. D1 werden als ”hochspannungsseitige Diode” bzw. ”niederspannungsseitige Diode” bezeichnet. Von den Anschlüssen der Schalteinrichtungen Q1 und D2 werden diejenigen, die mit der Gleichstromversorgung 1 für hohe Spannungen verbunden sind, als ”erste Elektrode” bzw. ”zweite Elektrode (Kathode)” bezeichnet, und die übrigen Anschlüsse der Schalteinrichtungen Q2 und D2, d. h die Anschlüsse auf der Seite des Referenzpotentialpunkts N1 (Ausgang OUT) der Schalteinrichtung Q2 werden als ”zweite Elektrode” und ”erste Elektrode (Anode)” bezeichnet. Der Anschluß der Schalteinrichtung Q2, der mit dem ersten Anschluß der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2 verbunden ist, wird als ”Steuerelektrode” bezeichnet. Nachstehend wird der Referenzpotentialknoten N1 einfach als ”Knoten N1” bezeichnet.
  • Auch in bezug auf die Schalteineinrichtungen Q1 und D1 werden auf die gleiche Weise die Anschlüsse, die mit dem Knoten N1 verbunden sind, als ”erste Elektrode” und ”zweite Elektrode (Kathode)” bezeichnet, und die übrigen Anschlüsse, die mit Masse GND verbunden sind, werden als ”zweite Elektrode” und ”erste Elektrode (Anode)” bezeichnet. Die Schalteinrichtungen Q2 und Q1 sind beide durch Transistoren wie etwa IGBTs und Leistungs-MOS-Transistoren gebildet.
  • Das Symbol PC bezeichnet einen Umgehungskondensator.
  • Was den Betrieb der beiden Schalteinrichtungen Q2 und Q1 betrifft, so werden in Abhängigkeit von ON/OFF-Schaltsignalen 6 und 7 (das Signal 7 hat eine zu dem Signal 6 entgegengesetzte Phase), die von einer extern angeordneten ON/OFF-Schaltsignalerzeugungsschaltung 5 erzeugt und abgegeben werden, die Schalteinrichtungen Q2 und Q1 alternierend ein- und ausgeschaltet.
  • Von einer Gleichstromversorgung 4 für niedere Spannungen, deren eines Ende mit Masse GND verbunden ist (ein Spannungswert der Gleichstromversorgung 4 für niedere Spannungen ist VCC), wird über einen ersten Widerstand R1 ein Strom zu einer ersten Z-Diode (oder einer niederspannungsseitigen Z-Diode) ZD1 zugeführt, deren erste Elektrode (Anode) mit Massse GND verbunden ist. Die niederspannungsseitige Treiberschaltung 3 erhält eine Spannung, die infolgedessen zwischen einer zweiten Elektrode (Kathode) und der ersten Elektrode der ersten Z-Diode ZD1 erzeugt wird.
  • Von der Gleichstromversorgung 4 für niedere Spannungen wird ferner durch eine Diode Di und einen zweiten Widerstand R2 ein Strom einer zweiten Z-Diode (oder einer hochspannungsseitigen 1Z-Diode) ZD2 zugeführt, deren erste Elektrode (Anode) mit dem Knoten N1 eines Referenzpotentials (eines Ausgangs) der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung Q2 verbunden ist. Eine resultierende Spannung, die zwischen einer zweiten Elektrode (Kathode) und der ersten Elektrode der zweiten Z-Diode ZD2 erzeugt wird, wird der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2 durch einen Kondensator C zugeführt, der zu der zweiten Z-Diode ZD2 parallelgeschaltet ist. Der Anschluß der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2, der mit einem ersten Ende (oder einer ersten Elektrode) des Kondensators C verbunden ist, wird als ”dritter Anschluß” bezeichnet, während der Anschluß der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2, der mit einem zweiten Ende (oder einer zweiten Elektrode) des Kondensators C verbunden ist, als ”zweiter Anschluß” bezeichnet wird.
  • Z-Dioden mit einer Z-Spannung von ca. 5 V werden als die erste und die zweite Z-Diode ZD1 und ZD2 verwendet.
  • Als nächstes wird der Betrieb dieser Einrichtung zum Treiben einer Leistungseinheit beschrieben.
    • (A) Wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 im Einschaltzustand ist: Von der Gleichstromversorgung 4 für niedere Spannungen wird durch die Diode Di und den zweiten Widerstand R2 auf einem Ladeweg (L1 oder L2), in dem der Kondensator C und die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 oder die niederspannungsseitige Diode D1 liegt, der Kondensator C mit einer Ladung aufgeladen, die durch die Spannung bestimmt ist, die zwischen den beiden Elektroden der zweiten Z-Diode ZD2 erzeugt wird (d. h. Z-Spannung). Dadurch wird gewährleistet, daß die Ladespannung zum Kondensator C konstant ist.
    • (B) Wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 im Einschaltzustand ist: Die Diode Di ist in Sperrichtung vorgespannt, und daher wird der Kondensator C schwebend, so daß eine in dem Kondensator gespeicherte Spannung dem dritten Anschluß der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2 zugeführt wird.
  • Wenn nun die Spannung VCC so vorgegeben ist, daß sie der folgenden Gleichung (1) genügt: VCC > VZD2 + VD + VCE (1) wobei VCE = eine Einschaltspannung zu der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung Q1, VF = eine Vorwärts-Spannung zu der Diode D1, VD = eine Vorwärts-Spannung zu der Diode Di, VZD2 = die Z-Spannung in der zweiten Z-Diode ZD2 und VCC = die Spannung in der Gleichstromversorgung für niedere Spannungen, dann kann die Ladespannung VC zum Kondensator C immer so vorgegeben werden, daß sie VC = VZD2 erfüllt. Nachdem der Kondensator C aufgeladen ist, ist es dadurch, daß der zweite Widerstand R2 keinen Strom führt, möglich, eine Spannung am zweiten Widerstand R2 als 0 V zu behandeln, wenn man einen Ausschaltpunkt zur Vorgabe der Spannung VCC in Betracht zieht. Der zweite Widerstand R2 selbst ist ein Element, das eine Spannung ausgleicht, die dann resultiert, wenn in der niederspannungsseitigen Diode D1 ein Strom fließt.
  • Da andererseits die Spannung VCC der Gleichstromversorgung 4 für niedere Spannungen mit einem höheren Wert als eine reguläre Treiberspannung (5 V) für eine Leistungseinheit vorgegeben ist, wird die Spannung zu der niederspannungsseitigen Treiberschaltung 3 von der Gleichstromversorgung 4 für niedere Spannungen durch den ersten Widerstand R1 auf einem Weg zugeführt, der die erste Z-Diode ZD1 erreicht. Die auf diese Weise zugeführte Spannung ist eine Z-Spannung VZD1 der ersten Z-Diode ZD1. Somit gilt VZD1 = VZD2. Kurz gesagt wird der Wert des ersten Widerstands R1 auf solche Weise vorgegeben, daß die oben beschriebene zugeführte Spannung gleich der Z-Spannung VZD1 (= VZD2) ist.
  • Auf die oben beschriebene Weise ist es möglich sicherzustellen, daß eine Änderung der Ladespannung zum Kondensator C als Treiberstromversorgung der Hochspannungsseite 0 V ist, so daß eine mit 5 V getriebene Schalteinrichtung stabil getrieben werden kann.
  • Die zweite Z-Diode ZD2 kann als eine Schaltung zum Fixieren einer Spannung zwischen den beiden Enden des Kondensators C während der Aufladung des Kondensators C durch Einschalten der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung Q1 angesehen werden.
  • Daraus folgt, daß die in 1 gezeigte zweite Z-Diode ZD2 als ein Spannungsfixierbereich zum Festlegen eines Spannungswerts zwischen den beiden Enden des Kondensators C während der Aufladung des Kondensators C anzusehen ist, wobei diese Aufladung erfolgt, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 im Einschaltzustand ist.
  • Erste bevorzugte Ausführungsform
  • 2 ist ein Schaltbild, das eine Halbleitervorrichtung gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • Die in 2 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von derjenigen von 1 dadurch, daß anstelle der zweiten Z-Diode ZD2 und des zweiten Widerstands R2 ein erster Kondensator C1, eine erste und eine zweite Diode Di1 und Di2 sowie ein erster und ein zweiter Schalter SW1 und SW2 angeordnet sind. Die übrige Konstruktion bleibt dieselbe. Dabei ist ein erstes Ende (oder eine erste Elektrode) des ersten Kondensators C1 mit einem Verbindungspunkt zwischen einer Kathode der ersten Diode Di1 und einer Anode der zweiten Diode Di2 verbunden, ein erstes Ende des zweiten Schalters SW2 ist mit einem Verbindungspunkt N3 zwischen dem zweiten Ende (oder der zweiten Elektrode) des ersten Kondensators C1 und einem ersten Ende des ersten Schalters SW1 verbunden, und zweite Enden des ersten bzw. des zweiten Schalters SW1 und SW2 sind mit Masse GND bzw. dem Knoten N1 verbunden. Bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist der Kondensator C als ein zweiter Kondensator C bezeichnet.
  • 2 zeigt nicht die externe ON/OFF-Schaltsignalerzeugungsschaltung 5, die in 1 gezeigt ist. Die Zeichnungen, die eine weitere bevorzugte Ausführungsform betreffen, die noch beschrieben wird, enthalten ebenfalls die Schaltung 5 nicht.
  • Die Spannung, die an die erste Z-Diode ZD1 von der Gleichstromversorgung 4 für niedrige Spannungen (deren Spannung VCC ist) durch den ersten Widerstand R1 angelegt wird, d. h. die Z-Spannung VZD1 (= 5 V), wird der niederspannungsseitigen Treiberschaltung 3 zugeführt.
  • Andererseits wird der erste Schalter SW1 eingeschaltet und der zweite Schalter SW2 ausgeschaltet, so daß der erste Kondensator C1 von der Gleichstromversorgung 4 für niedrige Spannungen durch die erste Diode Di1 auf einem Ladeweg L3 aufgeladen wird, der von dem ersten Kondensator C1 und dem ersten Schalter SW1 gebildet ist. Danach wird der zweite Schalter SW2 eingeschaltet, und der erste Schalter SW1 wird ausgeschaltet, so daß der zweite Kondensator von dem ersten Kondensator C1 durch die zweite Diode Di2 geladen wird, und die Ladespannung zum zweiten Kondensator C wird der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2 zugeführt.
  • Nachstehend wird der Betrieb beschrieben. Da es zwei Methoden als Verfahren zum Treiben der in 2 gezeigten Schaltung gibt, werden diese als die Methoden (A) und (B) in dieser Reihenfolge beschrieben. Erste Methode A Die Vorwärts-Spannungen zu der ersten Diode Di1 und der zweiten Diode Di2 werden beide als VD bezeichnet, und die Einschaltspannungen zum ersten Schalter SW1 und zum zweiten Schalter SW2 sind beide 0 V.
    • (a) Wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 im Einschaltzustand ist: Der erste Schalter SW1 wird eingeschaltet, und der zweite Schalter SW2 wird unter Steuerung ausgeschaltet. In dieser Phase wird von der Gleichstromversorgung 4 für niedrige Spannungen auf dem Ladeweg L3, der durch die Elemente Di1, C1 und SW1 gebildet ist, der erste Kondensator C1 aufgeladen. Die Ladespannung VC1 wird wie folgt geschrieben: VC1 = VCC – VD.
  • Da der zweite Schalter SW2 im Ausschaltzustand ist, sind die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 und die niederspannungsseitige Diode D1 nicht im Ladeweg L3. Das verhindert eine Änderung der Ladespannung VC1, die bei der herkömmlichen Technik auftritt.
  • Zu diesem Zeitpunkt aktiviert die Spannung VC, die bereits in dem zweiten Kondensator C als Ergebnis der Operation (b), die der Operation (a) vorausgeht, die hochspannungsseitige Treiberschaltung 2. Da die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 im Einschaltzustand ist, ist nun das Potential eines Ausgangswerts von der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung Q2 hoch, so daß der zweite Kondensator C floatet.
    • (b) Wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 anschließend im Einschaltzustand ist: Der erste Schalter SW1 wird ausgeschaltet, und der zweite Schalter SW2 wird unter Steuerung eingeschaltet. Ladewege, die in diesem Stadium resultieren, sind: (1) ein erster Weg L4, der von der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung Q1 oder der niederspannungsseitigen Diode D1 durch die Elemente Di1, Di2 und C gebildet ist und sich von der Gleichstromversorgung 4 für niedere Spannungen erstreckt; und (2) ein zweiter Weg L5, der den zweiten Schalter SW2 von dem ersten Kondensator C1 durch die Elemente Di2 und C erreicht. Bei VCE = VF = 2 V und VD = 1 V werden die Ladespannungen VC auf den jeweiligen Wegen L4 und L5 wie folgt geschrieben.
  • Erstens auf dem ersten Weg L4: VC = (VCC – 2 × VD – VCE) bis (VCC – 2 × VD + VE) = (VCC – 4 V) bis VCC.
  • Andererseits auf dem zweiten Weg L5: VC = VC1 – VD = VCC – 2 × VD = VDD – 2 V. Wenn die Ladespannung VC auf dem ersten Weg L4 wie folgt geschrieben wird: VC = (VCC – 4 V) bis (VCC – 2 V) dann ist der Spannungspegel der Ladespannung VC auf dem zweiten Weg L5 höher als der der Ladespannung VC auf dem ersten Weg L4, und daher ist die erste Diode Di1 in Sperrichtung vorgespannt, so daß der zweite Kondensator C von dem ersten Kondensator C1 nur auf dem zweiten Weg L5 aufgeladen wird. Infolgedessen wird die Ladespannung VC zu: VC = (VCC – 2 V) bis VCC (2).
  • Daraus folgt, daß unter Berücksichtigung der obigen Gleichung (2) nur dann, wenn die Spannung VCC in der Gleichstromversorgung 4 für niedrige Spannungen um gerade 1 V höher als ein optimaler Wert (z. B. 5 V) der Treiberspannung zu der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung Q2 vorgegeben ist (d. h., nur wenn VCC in Gleichung (2) durch VCC + 1 V ersetzt wird), eine Änderung der Spannung, die der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2 zugeführt wird, auf +1 V begrenzt ist. Wenn mit anderen Worten die Spannung VCC in der Gleichstromversorgung 4 für niedrige Spannungen mit einem Wert vorgegeben wird, der gleich einer Summe aus der Treiberspannung (5 V) zur hochspannungsseitigen Schalteinrichtung Q2 und der Vorwärts-Spannung VD der ersten Diode Di1 ist, eine Änderung der zugeführten Spannung auf +1 V unterdrückt wird.
  • Eine Spannung wird der niederspannungsseitigen Treiberschaltung 3 auf einem Weg zugeführt, der die Z-Diode ZD1 von der Gleichstromversorgung 4 für niedrige Spannungen durch den Widerstand R1 erreicht. In diesem Fall hat die Z-Diode ZD1, die verwendet wird, eine Z-Spannung, die gleich einem optimalen Wert (5 V) der Treiberspannung zu der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung Q1 ist. Wenn daher VCC = 5 V + 1 V gewährleistet ist, wird der Wert des Widerstands R1 so vorgegeben, daß die Spannung am Widerstand R1 gleich 1 V ist.
  • Die 3(a) bis 3(g) zeigen Zeitdiagramme der oben beschriebenen Vorgänge.
  • Aus dem Vorstehenden ergibt sich: Ein Bereich 10, der aus den Elementen C, C1, SW1, Di2 und SW2 gebildet ist, ist mit der Kathode der Diode Di1, Masse GND und dem dritten Anschluß der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2 verbunden, so daß eine Ladespannungs-Zuführschaltung gebildet ist. Wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 im Einschaltzustand wirksam ist, speichert die Ladespannungs-Zuführschaltung eine Ladung, die von der Gleichstromversorgung 4 für niedrige Spannungen 4, jedoch weder durch die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 noch die niederspannungsseitige Diode D1 zugeführt wird und die zum Treiben der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung Q2 benötigt wird. Wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 im Einschaltzustand wirksam ist, liefert die Ladespannungs-Zuführschaltung eine Ladespannung, die mit der oben beschriebenen Ladung übereinstimmt, zu der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2.
    • (B) Als nächstes wird der Betrieb der Schaltung von 2 in der zweiten Treibermethode beschrieben. Die Vorwärts-Spannungen zu der ersten Diode Di1 und der zweiten Diode Di2 werden beide als VD bezeichnet, und die Einschaltspannungen des ersten Schalters SW1 und des zweiten Schalters SW2 sind beide 0 V.
    • (a) Wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 im Einschaltzustand ist: Der erste Schalter SW1 wird eingeschaltet, und der zweite Schalter SW wird unter Steuerung ausgeschaltet. In diesem Stadium wird von der Gleichstromversorgung 4 für niedrige Spannungen auf dem Ladeweg L3, der durch die Elemente Di1, C1 und SW1 gebildet ist, der erste Kondensator C1 aufgeladen. Die Ladespannung VC1 wird wie folgt geschrieben: VC1 = VCC – VD.
  • Da der zweite Schalter SW2 ausgeschaltet ist, ist weder die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 noch die niederspannungsseitige Diode D1 in dem Ladeweg L3. Das beseitigt eine Ursache für eine Änderung der Ladespannung VC1.
  • Zu diesem Zeitpunkt aktiviert die Spannung VC, die bereits in dem zweiten Kondensator C geladen worden ist, die hochspannungsseitige Treiberschaltung 2. Da jedoch die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 ausgeschaltet ist, ist ein Potential am Ausgang OUT (d. h. am Knoten N1) niedrig, so daß der zweite Kondensator C auf einem Weg, der die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 oder die niederspannungsseitige Diode D1 durch die Elemente Di1, Di2 und C erreicht, von der Gleichstromversorgung 4 für niedrige Spannungen geladen wird. Die Ladespannung VC wird wie folgt geschrieben: VC = (VCC – 2 × VD – VDE) bis (VCC – 2 × VD + VE) = (VCC – 4 V) bis VCC mit VCE = VF = 2 V und VD = 1 V. Die Ladespannung VC ist zwar im schlechtesten Fall (VCC – 4 V), aber da der zweite Schalter SW2 ausgeschaltet ist, gibt es überhaupt kein Problem.
    • (b) Wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 im Einschaltzustand ist: Der erste Schalter SW1 wird ausgeschaltet und der zweite Schalter SW2 wird unter Steuerung eingeschaltet. In diesem Stadium wird der zweite Kondensator C auf einem Weg, der die Elemente Di2, C und SW2 erreicht, von dem ersten Kondensator C1 aufgeladen. Bei VD = 1 V wird die Ladespannung VC wie folgt geschrieben: VC = VC1 – VD = VCC – 2 × VD = VCC – 2 V .
  • Nur wenn die Ladespannung VC zum zweiten Kondensator C in dem folgenden Bereich ist: VC = (VCC – 4 V) bis (VCC – 2 V) wird die erste Diode Di1 in Sperrichtung vorgespannt, so daß der zweite Kondensator C nur auf dem zweiten Weg L5, der die Elemente Di2, C und SW2 erreicht, von dem ersten Kondensator C1 aufgeladen wird. Infolgedessen wird die Ladespannung VC zu: VC = (VCC – 2 V) bis VCC (3).
  • Unter Berücksichtigung der obigen Gleichung (3) wird nur dann, wenn die Spannung VCC in der Gleichstromversorgung 4 für niedrige Spannungen gerade 1 V höher als der Optimalwert (beispielsweise 5 V) der Treiberspannung zu der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung Q2 vorgegeben ist (d. h. die Vorwärts-Spannung VD zu der ersten Diode Di1 höher als der Optimalwert vorgegeben wird), eine Änderung der Spannung, die der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2 zugeführt wird, auf +1 V begrenzt.
  • Die 4(a) bis 4(g) zeigen Zeitdiagramme der oben beschriebenen Vorgänge.
  • Daraus folgt nunmehr, daß bei der Methode (B) der Bereich 10, der von den Elemente C, C1, SW1, Di2 und SW2 gemäß 2 gebildet ist, mit der Kathode der Diode Di1, dem Massepunkt GND und dem dritten Anschluß der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2 verbunden ist, so daß dadurch eine Ladespannungs-Zuführschaltung gebildet ist. Wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 im Einschaltzustand wirksam ist, speichert die Ladespannungs-Zuführschaltung eine Ladung, die von der Gleichstromversorgung 4 für niedrige Spannungen, aber weder durch die niederspannungseitigeSchalteinrichtung Q1 noch durch die niederspannungseitige Diode D1 zugeführt wird und die benötigt wird, um die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 zu treiben. Wenn die hochspannungseitige Schalteinrichtung Q2 im Einschaltzustand wirksam ist, liefert die Ladespannungs-Zuführschaltung eine Ladespannung, die der oben beschriebenen Ladung entspricht, an die hochspannungsseitige Treiberschaltung 2.
  • Wie bereits beschrieben wurde, wird bei der obigen Methode (A) der erste Kondensator C1 aufgeladen, während die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 zum Betrieb im Einschaltzustand gesteuert wird, wogegen der zweite Kondensator C während des Einschaltbetriebs der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung Q1 aufgeladen wird, und die resultierenden Ladespannungen werden der Schaltung 2 während der nächsten Einschaltzustand-Betriebe der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung Q2 zugeführt. Andererseits wird bei der Methode (B) der erste Kondensator C1 aufgeladen, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 im Einschaltzustand ist, während der zweite Kondensator C aufgeladen wird, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 im Einschaltzustand ist, so daß die resultierenden Ladespannungen der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2 zugeführt werden.
  • Die Tabellen 1 und 2 fassen die Schaltsteuerung der Methoden (A) und (B) zusammen. Tabelle 1
    Q2:EIN (Q1:AUS) Q1:EIN (Q2:AUS)
    SW1 EIN AUS
    SW2 AUS EIN
    Tabelle 2
    Q1:EIN (Q2:AUS) Q2:EIN (Q1:AUS)
    SW1 EIN AUS
    SW2 AUS EIN
  • Da es nur erforderlich ist, so zu steuern, daß der erste Schalter SW1 ein- oder ausgeschaltet wird, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 im Einschaltzustand ist, ist es möglich, ein Signal, das von der niederspannungsseitigen Treiberschaltung 3 abgegeben wird, um die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 einzuschalten, als ein Steuersignal zu dem ersten Schalter SW1 zu nutzen. Das ermöglicht eine leichte Steuerung des Ein- und Ausschaltens des ersten Schalters SW1. In bezug auf den zweiten Schalter SW2 ist es möglich, da es nur erforderlich ist, so zu steuern, daß der zweite Schalter SW2 ein- oder ausgeschaltet wird, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 im Einschaltzustand ist, ein Signal, das von der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2 zum Einschalten der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung Q2 abgegeben wird, als ein Steuersignal zum zweiten Schalter SW2 zu nutzen, was es leicht macht, das Ein- und Ausschalten des zweiten Schalters SW2 zu steuern.
  • Modifikation der ersten bevorzugten Ausführungsform
    • (1) 5 zeigt eine Modifikation der in 2 gezeigten Schaltung und entspricht 2 in modifizierter Form, wobei der erste Widerstand R1 entfernt ist. Das heißt, in der in 5 gezeigten Schaltung liefert die Gleichstromversorgung 4 für niedrige Spannungen eine Spannung direkt zu der niederspannungsseitigen Treiberschaltung 3. Die Zuführspannung VCC von der Stromversorgung 4 ist zwar gerade um 1 V höher als die Optimalwerte (beispielsweise 5 V) der Treiberspannungen zu der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung Q2 und der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung Q1, aber dies führt zu keinem echten Problem. Diese Konstruktion vereinfacht den Schaltungsaufbau.
    • (2) Eine in 6 gezeigte Schaltung ist ebenfalls eine Modifikation der in 2 gezeigten Schaltung und entspricht 2 mit der Modifikation, daß der erste Widerstand R1 durch eine dritte Diode Di3 ersetzt ist. Insbesondere wird die Zuführspannung VCC der niederspannungsseitigen Treiberschaltung 3 durch die dritte Diode Di3 zugeführt. Wenn eine Vorwärts-Spannung VD zu der dritten Diode Di3 1 V ist, dann wird die Zuführspannung, die der niederspannungsseitigen Treibeschaltung 3 zugeführt wird, wie folgt geschrieben: VCC – VD = VCC – 1 V.
    • Es ist somit möglich, die Optimalwerte (beispielsweise 5 V) der Treiberspannungen zu der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung Q2 und zu der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung Q1 an die niederspannungsseitige Treiberschaltung 3 zuzuführen.
    • (3) In den jeweiligen Schaltungen gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform, die in den 2, 5 und 6 gezeigt sind, können der erste Schalter SW1 und der zweite Schalter SW2 unter Verwendung von MOSFETs gebildet sein. In einem solchen Fall kann in den 2, 5 und 6 ein Bereich, der von dem ersten und dem zweiten Kondensator C1 und C, der Gleichstromversorgung 4 für niedere Spannungen und der Last L verschieden ist, zu einer monolithischen IC gemacht werden. Wenn dabei der erste Schalter SW1 und der zweite Schalter SW2 von N-Kanal-MOSFETs gebildet sind, ist es möglich, die N-Kanal-MOSFETs des ersten Schalters SW1 mit der Spannung VCC der Gleichstromversorgung 4 für niedere Spannungen oder mit der Zuführspannung zu der niederspannungsseitigen Treiberschaltung 3 zu treiben und die N-Kanal-MOSFETs des zweiten Schalters SW2 mit der Zuführspannung zum zweiten Kondensator C zu treiben.
  • Zweite bevorzugte Ausführungsform
  • 7 ist ein Schaltbild, das eine Struktur eines Halbleiterbauelements gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform zeigt. Das in 7 gezeigte Bauelement unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Bauelement dadurch, daß die zweite Diode Di2 von 2 durch einen dritten Schalter SW3 ersetzt ist. Im übrigen ist der Aufbau der gleiche wie in 2.
  • Die Betriebsweise dieser Schaltung wird nunmehr beschrieben. Die Vorwärts-Spannung zu der ersten Diode Di1 wird mit VD bezeichnet, und die ON-Spannungen zum ersten Schalter SW1, dem zweiten Schalter SW2 und dem dritten Schalter SW3 sind sämtlich 0 V.
    • (a) Wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 im Einschaltzustand ist: Der erste Schalter SW1 wird eingeschaltet, und der zweite und der dritte Schalter SW2 und SW3 werden unter Steuerung ausgeschaltet. In diesem Stadium wird auf einem Ladeweg L6, der die Elemente Di1, C1 und SW1 von der Gleichstromversorgung 4 für niedere Spannungen erreicht, der erste Kondensator C1 aufgeladen. Die Ladespannung VC1 wird wie folgt geschrieben: VC1 = VCC – VD = VCC – 1 V.
  • Da der zweite und der dritte Schalter SW2 und SW3 ausgeschaltet sind, ist weder die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 noch die niederspannungsseitige Diode D1 in dem Ladeweg L6.
  • Zu diesem Zeitpunkt aktiviert die Spannung VC, die in dem zweiten Kondensator C bereits geladen ist, die hochspannungsseitige Treiberschaltung 2. Da jedoch die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 AUS ist, bleibt die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 AUS, da sowohl der zweite als auch der dritte Schalter SW2 und SW3 AUS sind, obwohl ein Potential am Ausgang OUT (d. h. am Knoten N1) niedrig ist.
    • (b) Wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 im Einschaltzustand ist: Der erste Schalter SW1 wird ausgeschaltet, und der zweite und der dritte Schalter SW2 und SW3 werden unter Steuerung eingeschaltet. Die Diode Di1 wird in Sperrichtung vorgespannt. In diesem Stadium gibt es als einen Ladeweg nur einen Weg L7, der vom ersten Kondensator C1 die Elemente SW3, C und SW2 erreicht. Die Ladespannung VC wird wie folgt geschrieben: VC = VC1 = VCC – VD = VCC – 1 V mit VD = 1 V. Die Ladespannung VC für den zweiten Kondensator C macht also die hochspannungsseitige Treiberschaltung 2 wirksam, so daß die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 eingeschaltet wird.
  • Nur dann, wenn die Spannung VCC in der Gleichstromversorgung 4 für niedere Spannungen um gerade 1 V höher als die Optimalwerte (beispielsweise 5 V) der Treiberspannungen zu den hochspannungsseitigen und niederspannungsseitigen Schalteinrichtungen Q2 und Q1 vorgegeben ist (d. h. die Vorwärts-Spannung VD zu der Diode Di1 höher als die Optimalwerte ist), wird die Zuführspannung zu der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2 auf die Optimalwerte fixiert. In diesem Sinn kann ein Bereich, der aus den Elementen C1, SW1, SW2 und SW3 besteht, als ein funktioneller Teil angesehen werden, der den zweiten Kondensator C auflädt, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 EIN ist, während gleichzeitig die Zuführspannung zum zweiten Kondensator C auf einem Konstantwert festgelegt wird.
  • Außerdem kann aufgrund des Vorstehenden gesagt werden: Ein Bereich 20, der von den Elementen C, C1, SW1, SW2 und SW3 gebildet ist, ist mit der Kathode der Diode Di1, dem Massepunkt GND und dem dritten Anschluß der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2 verbunden, wodurch eine Ladespannungs-Zuführschaltung gebildet ist. Wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 im EIN-Zustand wirksam ist, speichert die Ladespannungs-Zuführschaltung eine Ladung, die von der Gleichstromversorgung 4 für niedere Spannungen, aber weder durch die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 noch durch die niederspannungsseitige Diode D1 zugeführt wird und die benötigt wird, um die hochspannungseitige Schalteinrichtung Q2 zu treiben. Wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 im EIN-Zustand wirksam ist, führt die Ladespannungs-Zuführschaltung eine Ladespannung, die der oben beschriebenen Ladung entspricht, an die hochspannungsseitige Treiberschaltung 2.
  • Diese Schaltmethode ist in der Tabelle 3 zusammengefaßt. Tabelle 3
    Q1:EIN (Q2:AUS) Q2:EIN (Q1:AUS)
    SW1 EIN AUS
    SW2 AUS EIN
    SW3 AUS EIN
    C1 aufgeladen C aufgeladen
  • Eine Spannung wird der niederspannungsseitigen Treiberschaltung 3 auf einem Weg zugeführt, der an der Z-Diode ZD1 von der Gleichstromversorgung 4 für niedere Spannungen über den Widerstand R1 ankommt. Die Z-Spannung VZD1, die gleich den Optimalwerten (beispielsweise 5 V) der Treiberspannungen zu den beiden Schalteinrichtungen Q1 und Q2 ist, wird der Schaltung 3 zugeführt.
  • Da es in bezug auf den ersten Schalter SW1 nur erforderlich ist, die Steuerung so durchzuführen, daß der erste Schalter SW1 eingeschaltet wird, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 EIN ist, ist es möglich, das Ein- und Ausschalten des ersten Schalters SW1 auf einfache Weise mittels eines EIN-Signals für die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 auszuführen, das von der niederspannungsseitigen Treiberschaltung 3 abgegeben wird.
  • Da es in bezug auf den zweiten und den dritten Schalter SW2 und SW3 nur erforderlich ist, die Steuerung so durchzuführen, daß der zweite und der dritte Schalter SW2 und SW3 beide einschalten, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung Q2 EIN ist, ist es möglich, den zweiten und den dritten Schalter SW2 und SW3 auf einfache Weise ein- und auszuschalten mit Hilfe des Signals zum Einschalten der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung Q2, das von der hochspannungsseitigen Treiberschaltung 2 abgegeben wird.
  • Modifikation der zweitenbevorzugten Ausführungsform
    • (1) Eine in 8 gezeigte Schaltung wird erhalten, indem die in 7 gezeigte Schaltung auf die gleiche Weise wie bei der Modifikation der Schaltung von 2 zu der Schaltung von 5 geändert wird. Daher ist auch die in 7 gezeigte Schaltung imstande, Vorteile zu zeigen, die der Schaltung gemäß 5 eigen sind. Dadurch kann die in 8 gezeigte Schaltung den Schaltungsaufbau vereinfachen.
    • (2) Eine in 9 gezeigte Schaltung ist zu der in 7 gezeigten Schaltung äquivalent, wenn sie auf die gleiche Weise modifiziert wird, wie die Schaltung von 2 zu der in 6 gezeigten Schaltung modifiziert wird. Wenn daher die Vorwärts-Spannung zu der Diode Di3 VD ist, ist die Zuführspannung zu der niederspannungsseitigen Treiberschaltung 3: VCC – VD = VCC – 1 V. Somit ist es mit nur einer Diode möglich, die Optimalwerte (beispielsweise 5 V) der Treiberspannungen an die beiden Schalteinrichtungen Q1 und Q2 zu liefern.
    • (3) In den jeweiligen Schaltungen, die in den 7, 8 und 9 gezeigt sind, können der erste, der zweite und der dritte Schalter SW1, SW2 und SW3 unter Verwendung von MOSFETs gebildet sein, und ein Bereich, der von dem ersten und dem zweiten Kondensator C1 und C, der Gleichstromversorgung 4 für niedere Spannungen und der Last L verschieden ist, kann zu einer monolithischen IC ausgebildet werden.
  • Wenn dabei der erste Schalter SW1 und der zweite Schalter SW2 durch N-Kanal-MOSFETs gebildet sind und der dritte Schalter SW3 durch P-Kanal-MOSFETs gebildet ist, ist es möglich, die N-Kanal-MOSFETs des ersten Schalters SW1 mit der Spannung VCC der Gleichstromversorgung 4 für niedere Spannungen oder mit der Zuführspannung zu der niederspannungsseitigen Treiberschaltung 3 zu treiben und die N-Kanal-MOSFETs und die P-Kanal-MOSFETs des zweiten und des dritten Schalters SW2 und SW3 mit der Zuführspannung zum zweiten Kondensator C zu treiben.
  • Zusammenschau
  • Wie oben beschrieben wird, erfordert das Laden des Kondensators C, der als eine Stromquelle für die hochspannungsseitige Treiberschaltung 2 dient, gemäß der ersten und der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung keinen Weg, in dem die niederspannungsseitige Schalteinrichtung Q1 oder die niederspannungsseitige Diode D1 vorhanden ist, wogegen bei der aus dem Stand der Technik nahegelegten Halbleitervorrichtung die Ladespannung bei der Z-Spannung fixiert ist. Somit ist eine Änderung der Ladespannung zum Kondensator C gleich 0 V bei deraus dem Stand der Technik nahegelegten Halbleitervorrichtung, die in 1 gezeigt ist, innerhalb von +1 V bei der ersten bevorzugten Ausführungsform, die in den 2, 5 und 6 gezeigt ist, und 0 V bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform, die in den 7, 8 und 9 gezeigt ist. Es ist somit möglich, eine einzige Stromversorgungs-Treiberschaltung für eine Leistungseinheit mit Halbbrückenstruktur zu realisieren, wobei eine Änderung der Ladespannung zum Kondensator C klein ist oder wobei keine Änderung der Ladespannung zum Kondensator C vorhanden ist. Wenn daher die Spannung in der Gleichstromversorgung für niedere Spannungen bei jeder von der ersten und der zweitenbevorzugten Ausführungsform mit einem vorbestimmten Wert vorgegeben wird, kann eine einzelne Stromversorgungs-Treiberschaltung für eine Leistungseinheit einer Halbbrückenstruktur realisiert werden, mit der eine mit 5 V getriebene Schalteinrichtung bei einer niedrigen Gleichstromversorgungs-Spannung von 5 V verwendet werden kann.

Claims (7)

  1. Halbleitervorrichtung, mit – einer hochspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q2), deren erste Elektrode mit einer Gleichstromversorgung (1) für hohe Spannungen verbunden ist; – einer hochspannungsseitigen Treiberschaltung (2), deren erster Anschluß (T1) mit einer Steuerelektrode und deren zweiter Anschluß (T2) mit einer zweiten Elektrode der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q2) verbunden sind; – einer niederspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q1), deren erste Elektrode mit der zweiten Elektrode der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q2) verbunden ist, wobei eine zweite Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q1) mit Masse (GND) verbunden ist; und – einer niederspannungsseitigen Treiberschaltung (3), deren erster Anschluß (T1') mit einer Steuerelektrode und deren zweiter Anschluß (T2') mit der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q1) verbunden sind, wobei die hochspannungsseitige Schalteinrichtung (Q2) und die niederspannungsseitige Schalteinrichtung (Q1) von der hochspannungsseitigen Treiberschaltung (2) und der niederspannungsseitigen Treiberschaltung (3) so gesteuert werden, daß sie alternierend ein- und ausschalten, und daß die Halbleitervorrichtung ferner aufweist: – eine niederspannungsseitige Diode (D1), deren Kathode mit der ersten Elektrode und deren Anode mit der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q1) verbunden sind; – eine erste Diode (Di1); – eine Gleichstromversorgung (4) für niedere Spannungen, deren eines Ende mit einer Anode der Diode (Di1) und mit einem dritten Anschluß (T3') der niederspannungsseitigen Treiberschaltung (3) und deren anderes Ende mit Masse (GND) verbunden sind; und – eine Ladespannungs-Zuführschaltung (10, 20) mit einem ersten Kondensator (C1), dessen erste Elektrode mit der Kathode der ersten Diode (Di1) verbunden ist; sowie mit einem ersten Schalter (SW1), der zwischen einer zweiten Elektrode des ersten Kondensators (C1) und Masse (GND) angeordnet ist, wobei der erste Schalter zum Einschalten gesteuert wird, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung (Q1) in einem Einschaltzustand wirksam ist, und wobei der erste Schalter (SW1) zum Ausschalten gesteuert wird, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung (Q2) in einem Einschaltzustand wirksam ist; sowie mit einer zweiten Diode (Di2), deren Anode mit der Kathode der ersten Diode (Di1) und deren Kathode mit dem dritten Anschluß der hochspannungseitigen Treiberschaltung (2) verbunden sind; sowie mit einem zweiten Kondensator (C), dessen erste Elektrode mit dem dritten Anschluß (T3) und dessen zweite Elektrode mit dem zweiten Anschluß (T2) der hochspannungsseitigen Treiberschaltung (2) verbunden sind; und mit einem zweiten Schalter (SW2), der zwischen der zweiten Elektrode des ersten Kondensators (C1) und der zweiten Elektrode des zweiten Kondensators (C) angeordnet ist, wobei der zweite Schalter (SW2) zum Ausschalten gesteuert wird, wenn die niederspannungseitige Schalteinrichtung (Q1) in einem Einschaltzustand wirksam ist, und wobei der zweite Schalter (SW2) zum Einschalten gesteuert wird, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung (Q2) in einem Einschaltzustand wirksam ist.
  2. Halbleitervorrichtung, mit – einer hochspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q2), deren erste Elektrode mit einer Gleichstromversorgung (1) für hohe Spannungen verbunden ist; – einer hochspannungsseitigen Treiberschaltung (2), deren erster Anschluß (T1) mit einer Steuerelektrode und deren zweiter Anschluß (T2) mit einer zweiten Elektrode der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q2) verbunden sind; – einer niederspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q1), deren erste Elektrode mit der zweiten Elektrode der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q2) verbunden ist, wobei eine zweite Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q1) mit Masse (GND) verbunden ist; und – einer niederspannungsseitigen Treiberschaltung (3), deren erster Anschluß (T1') mit einer Steuerelektrode und deren zweiter Anschluß (T2') mit der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q1) verbunden sind, wobei die hochspannungsseitige Schalteinrichtung (Q2) und die niederspannungsseitige Schalteinrichtung (Q1) von der hochspannungsseitigen Treiberschaltung (2) und der niederspannungsseitigen Treiberschaltung (3) so gesteuert werden, daß sie alternierend ein- und ausschalten, und daß die Halbleitervorrichtung ferner aufweist: – eine niederspannungsseitige Diode (D1), deren Kathode mit der ersten Elektrode und deren Anode mit der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q1) verbunden sind; – eine erste Diode (Di1); – eine Gleichstromversorgung (4) für niedere Spannungen, deren eines Ende mit einer Anode der Diode (Di1) und mit einem dritten Anschluß (T3') der niederspannungsseitigen Treiberschaltung (3) und deren anderes Ende mit Masse (GND) verbunden sind; und eine Ladespannungs-Zuführschaltung (10, 20) mit einem ersten Kondensator (C1), dessen erste Elektrode mit der Kathode der Diode (Di1) verbunden ist; mit – einem ersten Schalter (SW1), der zwischen einer zweiten Elektrode des ersten Kondensators (C1) und Masse (GND) angeordnet ist, wobei der erste Schalter (SW1) zum Einschalten gesteuert wird, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung (Q1) in einem Einschaltzustand wirksam ist, wobei der erste Schalter (SW1) zum Ausschalten gesteuert wird, wenn die hochspannungseitige Schalteinrichtung (Q2) in einem Einschaltzustand wirksam ist; und mit einem zweiten Kondensator (C), dessen erste Elektrode mit dem dritten Anschluß (T3) und dessen zweite Elektrode mit dem zweiten Anschluß (T2) der hochspannungsseitigen Treiberschaltung (2) verbunden sind; und mit einem zweiten Schalter (SW2), der zwischen der zweiten Elektrode des ersten Kondensators (C1) und der zweiten Elektrode des zweiten Kondensators (C) liegt, wobei der zweite Schalter (SW2) zum Ausschalten gesteuert wird, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist, und wobei der zweite Schalter (SW2) zum Einschalten gesteuert wird, wenn die hochspannungs-seitige Schalteinrichtung (Q2) in einem Einschaltzustand wirksam ist; und mit einem dritten Schalter (SW3), der zwischen der ersten Elektrode des ersten Kondensators (C1) und der ersten Elektrode des zweiten Kondensators (C) angeordnet ist, wobei der dritte Schalter (SW3) zum Ausschalten gesteuert wird, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist, und wobei der dritte Schalter (SW3) zum Einschalten gesteuert wird, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung in einem Einschaltzustand wirksam ist.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch – eine Z-Diode (ZD1), deren Kathode mit einem dritten Anschluß (T3') der niederspannungsseitigen Treiberschaltung (3) und deren Anode mit Masse (GND) verbunden sind; und – einen Widerstand (R1), der zwischen das eine Ende der Gleichstromversorgung (4) für niedere Spannungen und die Kathode der Z-Diode (ZD1) geschaltet ist.
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine dritte Diode (Di3), welche zwischen einem dritten Anschluß (T3') der niederspannungsseitigen Treiberschaltung (3) und einem Ende der Gleichstromversorgung (4) für niedere Spannungen angeschlossen ist.
  5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Anschluß der niederspannungsseitigen Treiberschaltung (3) direkt mit dem einen Ende der Gleichstromversorung (4) für niedere Spannungen verbunden ist.
  6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannung in der Gleichstromversorgung (4) für niedere Spannungen mit einem Wert vorgegeben ist, der durch Addition einer Vorwärts-Spannung zu der ersten Diode (Di1) und einer Treiberspannung zu der hochspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q2) gebildet ist.
  7. Halbleitervorrichtung mit – einer hochspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q2), deren erste Elektrode mit einer Gleichstromversorgung (1) für hohe Spannungen verbunden ist; – einer hochspannungsseitigen Treiberschaltung (2), deren erster Anschluß (T1) mit einer Steuerelektrode und deren zweiter Anschluß (T2) mit einer zweiten Elektrode der hochspannungseitigen Schalteinrichtung (Q2) verbunden sind; – eine niederspannungseitige Schalteinrichtung (Q1), deren erste Elektrode mit der zweiten Elektrode der hochspannungseitigen Schalteinrichtung (Q2) verbunden ist, wobei eine zweite Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q1) mit Masse (GND) verbunden ist; – einer niederspannungsseitigen Treiberschaltung (3), deren erster Anschluß (T1) mit einer Steuerelektrode und deren zweiter Anschluß (T2) mit der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q1) verbunden sind, wobei die hochspannungsseitige Schalteinrichtung (Q2) und die niederspannungsseitige Schalteinrichtung (Q1) von der hochspannungsseitigen Treiberschaltung (2) und der niederspannungseitigen Treiberschaltung (3) so gesteuert werden, daß sie alternierend ein- und ausschalten, und – einer ersten Diode (Di1); dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitervorrichtung ferner aufweist: – eine niederspannungsseitige Diode (D1), deren Kathode mit der ersten Elektrode und deren Anode mit der zweiten Elektrode der niederspannungsseitigen Schalteinrichtung (Q1) verbunden sind; – eine Gleichstromversorgung (4) für niedere Spannungen, deren eines Ende mit einer Anode der Diode (Di1) und mit einem dritten Anschluß (T3') der niederspannungsseitigen Treiberschaltung (3) und deren anderes Ende mit Masse (GND) verbunden sind; und – eine Ladespannungs-Zuführeinrichtung (10, 20) mit einem ersten Kondensator (C1), dessen erste Elektrode mit der Kathode der ersten Diode (Di1) verbunden ist; sowie mit einem ersten Schalter (SW1), der zwischen einer zweiten Elektrode des ersten Kondensators (C1) und Masse (GND) angeordnet ist, wobei der erste Schalter (SW1) zum Einschalten gesteuert wird, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung (Q2) in einem Einschaltzustand wirksam ist, wobei der erste Schalter (SW1) zum Ausschalten gesteuert wird, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung (Q1) in einem Einschaltzustand wirksam ist; und mit einer zweite Diode (Di2), deren Anode mit der Kathode der ersten Diode (Di1) und deren Kathode mit dem dritten Anschluß (T3) der hochspannungsseitigen Treiberschaltung (2) verbunden sind; und mit einem zweiten Kondensator (C), dessen erste Elektrode mit dem dritten (T3) und dessen zweite mit dem zweiten Anschluß (T2) der hochspannungsseitigen Treiberschaltung (2) verbunden sind; und mit einem zweiten Schalter (SW2), der zwischen der zweiten Elektrode des ersten Kondensators (C1) und der zweiten Elektrode des zweiten Kondensators (C) liegt, wobei der zweite Schalter (SW2) zum Ausschalten gesteuert wird, wenn die hochspannungsseitige Schalteinrichtung (Q2) in einem Einschaltzustand wirksam ist, und der zweite Schalter (SW2) zum Einschalten gesteuert wird, wenn die niederspannungsseitige Schalteinrichtung (Q1) in einem Einschaltzustand wirksam ist.
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