DE19851186A1 - Schaltkreis zum Ansteuern von Leistungshalbleiterbauelementen - Google Patents

Abstract

Es wird ein integrierter Schaltkreis mit Schnittstellenfunktionen zwischen dem Controller und der Potentialtrennung eines Umrichters, geeignet zum Ansteuern von Halbleiterschaltern mit einer die Funktionen Selektor, Einschaltverzögerung, Betriebsspannungsüberwachung, Takterzeugung, Fehlerverarbeitung und -speicherung, DC/DC-Converter-Ansteuerung und Treiber für mehrere IGBT- oder MOSFET-Schalter beinhaltenden internen Aufbauweise beschrieben. DOLLAR A Die Vorteile eines solchen Ansteuerschaltkreises gegenüber hybriden oder diskreten Lösungen bestehen in der hohen Integrationsdichte verschiedener digitaler, analoger und Treiberfunktionen, die eine große Flexibilität der möglichen Applikationen des Mikrosystems und niedrige Kosten erlauben.

Description

Die Erfindung beschreibt einen Schaltkreis mit Schnittstellenfunktionen zwischen dem Controller und der Potentialtrennung von Leistungsumrichtern, geeignet zum Ansteuern von Halbleiterbauelementen, insbesondere zur Ansteuerung von IGBT- und MOSFET- Leistungsschaltern nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Hybride Ansteuerschaltungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. SEMIKRON Elektronik GmbH beschreibt in seinem Katalog 8/96 solche Schaltungen zur Ansteuerung von IGBT- und MOSFET-Schaltungsanordnungen. Zur Erläuterung der Ansteuerproblematik wird nachfolgend ein Blockschaltbild herangezogen.

Fig. 1 stellt den prinzipiellen Aufbau eines leistungselektronischen Systems zur Ansteuerung von Hochspannungs-IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistoren) nach dem Stand der Technik dar.

Das leistungselektronische System besteht im einzelnen aus:

• - einem Controller (mit z. B. Mikroprozessor, Speicher und A/D- bzw. DA- Funktionseinheiten),
• - einer Steuerschaltung (mit Digital-, Analog- und Leistungskomponenten zur Signalaufbereitung, Stromversorgung und Fehlerverarbeitung),
• - einer Potentialtrennung zwischen Niederspannungs- und Hochspannungsseite und
• - der Treiberschaltung (mit Stromversorgung, Gatetreiber und Überwachung).

Zur Darstellung der Verbindung zu den Leistungshalbleiterschaltern sind ausschnittsweise aus einer Umrichterschaltung zwei IGBT's einer Halbbrücke, der Spannungszwischenkreis des Umrichters und der Verbraucher (hier symbolisiert durch einen Motor) gezeichnet.

Sensoren für alle relevanten Betriebsdaten mit möglichen Auswerteschaltungen, mit denen Zustandsgrößen des Verbrauchers und der Leistungsschalter (wie z. B. Drehzahl, Lage, Drehmoment bzw. Temperatur, Spannung, Strom und Kurzschluß) erfaßt werden und an die Steuerschaltung oder den Controller weitergeleitet werden, liefern die kompatiblen Daten für die Zustandsgrößenerfassung des in Betrieb befindlichen Umrichters.

Für Niederspannungsanwendungen (z. B. Batterieanwendungen, Automobilanwendungen mit Zwischenkreisspannungen <100 V) existieren heutzutage Halbleitertechnologien, die eine weitgehende monolithische Integration von Controller, Steuer- und Treiberschaltung sowie Potentialtrennung und Zustandsgrößenerfassung möglich machen.

Bei höheren Zwischenkreisspannungen wird die Integration der Potentialtrennung (bzw. Pegelwandlerstufe) wegen der Isolationsprobleme immer schwieriger. Lösungen für die Integration von Pegelwandlerstufen bis 600 V und neuerdings auch bis 1.200 V gehören zum Stand der Technik, sie sind bei Int. Rectifer (Data Sheet IR2130, IR2233, IR2235) beschrieben. Der Vorteil dieser Lösungen ist der hohe Integrationsgrad und dadurch bedingte niedrige Kosten. Nachteilig sind der eingeschränkte Spannungsbereich und die begrenzte Treiberleistung, die mit zunehmender Spannungsfestigkeit abnimmt.

Die begrenzten Einsatzmöglichkeiten, die mit der erforderlichen Bootstrap-Stromversorgung zusammenhängen, und die nicht vorhandene, echte galvanische Trennung sind beim Stand der Technik sehr nachteilig. Für mittlere und hohe Leistungen sind deshalb auch hier zusätzliche Optokoppler (bzw. Übertrager) und Nachverstärker notwendig.

Eine monolithische integrierte Potentialtrennung ist nur durch dielektrische Isolationstechno­ logien, wie z. B. Hilfsträgertechnologie, wie sie von C. Y. Lu (IEEE Trans. on E. D., ED35 (1998), 5.230-239) beschrieben wird, Waferbonden mit Trenchisolation nach K. G. Oppermann & M. Stoisiek (ISPSD 1996, Proc. S. 239-242) bzw. durch die SIMOX- Technologie nach Vogt at.al. (ISPSD 1997, Proc. S. 317-320) möglich. Diese Technologien sind wegen der realisierbaren Oxiddicken von kleiner oder gleich 2 µm auf Isolations­ spannungen kleiner als 1.200 V (meist 600 V) begrenzt und außerdem sehr kostenintensiv.

In der Praxis werden für Spannungen größer als 100 V diskrete Optokoppler oder Übertrager zur Potentialtrennung zwischen Niederspannungs- und Hochspannungsseite verwendet. Der Vorteil von Übertragern gegenüber Optokopplern ist der bidirektionale Datenfluß für Steuersignale. Außerdem ist nur mit ihnen eine potentialfreie Leistungsübertragung für die Stromversorgung der Hochspannungsseite möglich. Nachteilig ist, daß Übertrager eine deutlich höhere Ansteuerleistung für die Signalübertragung benötigen.

Werden diskrete Optokoppler oder Übertrager verwendet, so sind separate, diskrete oder integrierte Schaltungen auf der Niederspannungs- und Hochspannungsseite notwendig. In bestimmten Fällen (z. B. kleine Leistungen, wenig Analogfunktionen) ist eine monolithische Integration der Funktionen der Niederspannungsseite mit dem Controller möglich.

Eine andere Möglichkeit nach dem Stand der Technik ist die hybride Integration von Optokopplerbausteinen mit integriertem Schaltkreis mit Treiber- und Überwachungsfunktionen (auf der Hochspannungsseite) in einem speziellen Gehäuse (Hewlett Packard Data Sheet HCPL-316/, 12/97). Hierbei wird eine hohe Funktionsintegration für hohe Spannungen (von 600 V bis 1.200 V) sowie mittlere und hohe Leistungen realisiert.

Lediglich die Hochspannungsdiode zur U_CE-Überwachung eines möglichen Kurzschlusses am IGBT, die Stromversorgung für die Hochspannungsseite und einige schwer integrierbare passive Komponenten bzw. Bauelemente für optionale Funktionen müssen in der Treiberschaltung diskret pro Zweig ergänzt werden.

Bei hybriden IGBT-Treibern mit galvanischer Trennung der Primärseite von der Sekundärseite mittels Optokoppler wird ein schneller Koppler für den Signalweg benutzt und ein zweiter, meist langsamer, für die Fehlerrückmeldung.

Für die U_CE- und Versorgungsspannungsüberwachung auf der Hochspannungsseite (Sekundärseite) existieren bereits integrierte Bausteine (Motorola Data Sheet MC 33 153). Die sekundärseitige potentialfreie Spannungsversorgung wird wegen des höheren Leistungsbedarfes mit einem DC/DC-Wandler realisiert. Die Stabilisierung der Versorgungsspannung erfolgt üblicherweise über eine Längsreglerschaltung. Bei der Spannungsversorgung der Sekundärseite mit einem DC/DC-Wandler werden die drei BOTTOM-Schalter einer Drehstromhalbbrückenschaltung im allgemeinen zu einer Spannungsversorgung zusammengefaßt.

Die Funktionen der Niederspannungsseite(wie z. B. Signalaufbereitung, Fehlerverarbeitung, Stromversorgung) werden nach dem Stand der Technik durch diskrete Bauelemente realisiert oder insbesondere die digitalen Funktionen vom Controller übernommen.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einen integrierten Schaltkreis für die Ansteuerung von Halbleiterschaltern innerhalb eines Umrichters vorzustellen, dessen Einsatz für alle bekannten Spannungs- und Stromklassen sowie für hohe Frequenzen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Ausführungsvarianten sind in den nachgeordneten Ansprüchen aufgezeigt.

Am Beispiel einer Drei-Phasen-Brückenschaltung (genannt "SIXPACK") für einen mittleren Leistungsbereich (600 V-1.700 V, 15 A-150 A) mit einer Systemspezifikation für die Primärseite zur Ansteuerung, Überwachung und Stromversorgung von IGBT's wird die Lösung erläutert.

Für die Potentialtrennung zur Sekundärseite (Hochspannungsseite) werden dabei Optokoppler (für Ansteuersignale) nach dem Stand der Technik eingesetzt. Die integrierte Schaltung der Primärseite muß dabei sämtliche Schnittstellen-Funktionen zwischen dem Controller sowie den sechs Treibern und IGBT-Schaltern der Hochspannungsseite erfüllen.

Beispielhaft wird eine integrierte Schaltung vorgestellt, die in einer CMOS-Hochspannungs­ technologie realisiert worden ist, bei der die Funktionen der Primärseite (Niederspannungs­ seite) zur Ansteuerung, Überwachung, Fehlerverarbeitung und Stromversorgung von IGBT's für Drehstrom-Schaltungen gelöst wurden.

Diese integrierte Schaltung bildet auf der Primärseite die Schnittstelle zwischen dem Controller einerseits sowie einer Potentialtrennung und den sekundärseitigen Treibern andererseits. Für die Übertragung von Ansteuersignalen von der Primär- zur Sekundärseite bzw. die Rückübertragung von Fehlersignalen von der Sekundär- zur Primärseite werden Optokoppler nach dem Stand der Technik verwendet. Für die potentialfreie Stromversorgung der sechs IGBT-Treiberschalter wird beispielhaft ein Übertrager mit einer primär- und sechs sekundärseitigen Wicklungen eingesetzt.

Die erfinderische Lösung der Aufgabe wird auf der Grundlage einer Schaltungsanordnung in Fig. 2 erläutert.

Fig. 2 zeigt in Symbolen die wichtigsten Schaltungsteile, Funktionen, Verbindungen, sowie Ein- und Ausgänge der integrierten Schaltung (IC) für sechs IGBT's in Drehstrom-Brücken­ schaltung im Überblick. Das Konzept der beispielhaft gewählten Schaltung ist auf Applika­ tionen im mittleren Leistungsbereich von 600 V-1.700 V sowie 15 A-150 A ausgerichtet. Eine allgemeine Leistungseingrenzung für den Einsatz des Konzeptes und des IC besteht grundsätzlich nicht.

Das IC-Konzept sieht einen vollständigen Schutz der angesteuerten Leistungsschalter vor und ist technologiebedingt für den Temperaturbereich von -40°C bis 110°C und Frequenzen bis 200 kHz ausgelegt.

In Fig. 2 ist die Einbettung in das gesamte Umrichtersystem, bestehend aus Controller, Ansteuerschaltkreis, Potentialtrennung (Optokoppler bzw. Übertrager), Gatetreiber sowie U_CE- Überwachung und IGBT-Halbbrücken dargestellt. Die integrierte Ansteuerschaltung ist als Teil der Fig. 2 markiert und in Fig. 3 dargestellt, sie läßt sich wie folgt unterteilen:

• - Vorwärtszweig mit Eingangs-Latch, Selektor, Einschaltverzögerung und Ausgangstreibern,
• - Rückwärtszweig mit Fehlererkennung und Speicherung der Fehlerzustände (Betriebsspannungsabfall, U_CE-Fehler),
• - Takterzeugung, Betriebsspannungs- und Temperatur-Überwachung und
• - DC/DC-Converter-Ansteuerung.

Die sichere Potentialtrennung zwischen primärseitiger Ansteuerstufe und sekundärseitigem Gate-Treiber ist Hauptbestandteil des Schutzkonzeptes. Für die bidrektionale Übertragung von Steuersignalen werden beispielhaft Optokoppler verwendet. Der sekundärseitige Gatetreiber selbst besitzt einen relativ hohen Spitzenausgangsstrom von z. B. 2 A für die direkte Ansteuerung von IGBT's bis zu Kollektorströmen von ca. 150 A. Zusätzlich verfügt die Sekundärseite über eine U_{CE sat}- und Betriebsspannungsüberwachung. Möglich ist in gleicher Weise eine Temperaturüberwachung der Leistungsschalter. Damit ergeben sich folgende Anforderungen, bzw. Vorteile für den primärseitigen Ansteuer-Schaltkreis:
Es wird keine Kurzimpulsunterdrückung der Ansteuersignale benötigt, da durch die Potentialtrennung per Optokoppler die Berücksichtigung der Ummagnetisierungszeit wie bei Impulstransformatoren entfällt. Der Nachteil der Impulstransformatoren besteht darin, daß eine minimale Impulslänge von ca. 500 ns (beispielhafter Typ) notwendig ist, um das Kernmaterial sicher umzumagnetisieren, d. h. daß selbst im Fehlerfall das letzte Einschaltsignal mindestens über diese Zeitspanne aktiv gewesen sein muß, um ein sicheres Abschalten zu ermöglichen.

Für die primärseitigen Signaltreiber werden im gewählten Beispiel 5-V-Ausgangsstufen mit einem maximalen Ausgangsstrom-Mittelwert von 20 mA benötigt. Sie sind gegenüber den Treiberstufen für Impulstransformatoren weniger flächenintensiv und benötigen keine Pegel­ umsetzung auf 15 V. Die DC/DC-Ansteuerschaltung zur Stromversorgung wird angesichts des mittleren Leistungsbedarfs der Gate-Treiber auf eine Betriebsspannung von 15 V, einen Durchlaßwiderstand von ca. 10 Ω und eine Ansteuerfrequenz von 500 kHz ausgelegt.

Über die Signaleingänge TOP 1 bis BOTTOM 3 des Ansteuer-IC's werden die zugehörigen Leistungsschalter in den drei Halbbrücken angesteuert. Zur Unterdrückung von Störungen auf den Signalzuleitungen besitzen die Eingänge eine Schmitt-Trigger-Charakteristik zur Erhöhung des Störspannungsabstandes. Ohne Berücksichtigung zusätzlicher Vorwiderstände und parasitärer Eingangskapazitäten wird damit gleichzeitig eine Kurzimpulsunterdrückung von ca. 40 ns erreicht. Das gleichzeitige Einschalten beider IGBT's einer Halbbrücke wird durch die gegenseitige Verriegelung verhindert. Durch die Variation der Eingangsbelegung an SELECT, TDT1 und TDT2 kann die gegenseitige Verriegelungszeit der Ansteuersignale einer Halbbrücke je nach Systemanforderungen (z. B. auf 0, 1, 2, 3, oder 4 µs) eingestellt werden.

Die Signalübertragung zwischen Primärseite und sekundärseitiger Gate-Treiberstufe wird mit Optokopplern realisiert. Die Rückübertragung eines Kurzschlußfehlers (U_{CE, ERR}) bzw. einer sekundärseitigen Unterspannung erfolgt ebenfalls durch Optokoppler potentialgetrennt. Alternativ sind auch andere Sensorfunktionen, wie die Strommessung oder die Temperaturmessung der Leistungsschalter möglich.

Für die Spannungsversorgung der Sekundärseite werden innerhalb des primärseitigen Ansteuer-IC's nichtüberlappende Rechtecksignale (TRN, TRP) mit einer Amplitude von 15 V und 500 kHz Signalfrequenz erzeugt, wie das in Fig. 3 dargestellt ist.

Die verwendete Kurzschlußüberwachung der IGBT's erfolgt über die Detektion der Sättigungsspannung nach dem Stand der Technik. Dabei wird ein Spannungsvergleich der Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungsschalters mit dem internen Referenzwert der sekundärseitigen Schaltung von 7 V ± 0,5 V vorgenommen. Die sekundärseitige Betriebsspan­ nungsüberwachung reagiert bei ca. 13 V und schaltet, wie bei U_CE-Fehlern, den IGBT sofort ab. Kurzschluß- und Unterspannungs-Fehlersignale werden über Optokoppler zur Primärseite übertragen und können dort vom Ansteuer-Schaltkreis sofort weiterverarbeitet werden.

Ein weiterer Bestandteil des Schutzkonzeptes des integrierten Drehstrom-Halbbrücken- Ansteuerkreises ist die primärseitige Überwachung der 5-V- bzw. 15-V-Betriebsspannung. Die Schwellen liegen bei ca. 3,5 V bzw. 13 V. Im Fehlerfall führen die implementierten Überwachungsschaltungen unabhängig vom Zustand der Eingangssignalbelegung zum Abschalten der IGBT.

Die Fehlersignale werden im Fehlerspeicher ausgewertet und über den Ausgang ERROR wird ein entsprechendes Statussignal der übergeordneten Controller-Steuerung übergeben. Ein automatischer "RESET" des Fehlerspeichers und die Freigabe des Signalweges wird durch eine definierte Eingangssignalbelegung ausgelöst. Hierfür müssen die Eingänge TOP1. . .3 und BOTTOM1. . .3 eine Zeit von mindestens 9 µs low-Pegel führen. Auch eine externe "RESET"- Eingabe, z. B. vom Controller, ist denkbar.

Praktisch interessant ist weiterhin eine Betriebsart, bei der bei eingestellter Verriegelungszeit nur noch ein Ansteuersignal pro Halbbrücke nötig ist und das jeweilige gegengetaktete Signal für den anderen Schalter automatisch im Schaltkreis generiert wird. Die Auswahl der verschiedenen Betriebsarten ist über die Selektorschaltung möglich.

Fig. 4 zeigt beispielhaft wesentliche Schaltungsfunktionen, wie das Hochlaufen der Betriebsspannung, die gegenseitige Verriegelung, die Reaktion auf Fehlersignale (Einspeisung eines externen Fehlers, interner Unterspannungsfehler) und die RESET-Funktion.

Nach dem Anlegen der Betriebsspannung (5 V) steigt die Spannung am externen Stützkondensator ca. 100 µs an. Der Spannungsverlauf ist an den Eingängen VDD 5 V und CRES dargestellt. Bei einer Spannung von 3 V wird der U_B-Fehler (UB_ERR) aufgehoben und der Signalweg freigegeben (Zeitraum t₁ bis ca. 60 µs).

Im Zeitraum t₂ und t₃ werden gültige Signale von den Eingängen TOP 1-3 und BOTTOM 1-3 an die Ausgänge TOPOUT 1-3 und BOTOUT 1-3 weitergegeben ("high" activ).

Kurzimpulse werden dabei unterdrückt und die Verriegelungsfunktion für die TOP- und BOTTOM-IGBT's einer jeden Halbbrücke gewährleistet, d. h. das Einschalten des einen IGBT's der Halbbrücke wird gegenüber dem Ausschalten des anderen IGBT's um mindestens die eingestellte Verriegelungszeit verzögert (das ist aufgrund der Zeitauflösung in Fig. 4 schwer zu erkennen) und bei "Ein"-Signalen für beide werden beide aus Sicherheitsgründen abgeschaltet (z. B. TOP1 und BOTTOM1 bei ca. 210 µs).

Ein eingespeister Fehler von der Sekundärseite (ERR INT bei ca. 155 µs, "low"-aktiv) führt zum Abschalten ("low") aller Ausgänge und zur Ausgabe eines Fehlersignals an den Controller (ERROR-"low" aktiv). Nachdem ca. 9 µs alle Eingänge low-Pegel führen, wird ein Rücksetzen der Ansteuerschaltung ausgeführt, vorausgesetzt, es ist kein Fehler mehr vorhanden. Außerdem wird ein RESET-Signal (bei ca. 170 µs, "low" aktiv) ausgegeben. Gültige Eingangssignale (ab ca. 200 µs) werden nunmehr wieder an die Ausgänge weitergegeben (Zeitraum t₃). Ein simulierter Zusammenbruch der Betriebsspannung (VDD5V bei ca. 280 µs) führt zu einem sofortigen UBERR und ERROR ("low" aktiv) und einer Blockierung des Signalweges.

In Fig. 5 sind alle die Fehlererfassung betreffenden Signale und die DC/DC-Wandler-Signale dargestellt. Die Darstellung beginnt wiederum mit dem Hochlaufen der Betriebsspannung (Zeitspanne t₁). Ungefähr 100 µs nachdem die Schwellen für die 5-V- bzw. 15-V-Betriebs­ spannung überschritten wurden, werden die Fehlersignale (UB 15 V, STOR (internes IC- Fehlersignal), ERROR; "low"aktiv) zurückgesetzt und der Signalweg freigegeben (bei ca. 155 µs). Bei ca. 225 µs wird ein kurzer sekundärseitiger Fehler (ERRINT) eingespeist, der einen internen (STOR) und externen Fehler (ERROR, "low"aktiv) setzt. Die IGBT's werden abgeschaltet.

Die interne RESET-Generierung setzt diesen Fehler bei ca. 245 µs wieder zurück (ERROR geht auf "high"), ehe bei ca. 250 µs ein Zusammenbruch der Betriebsspannung simuliert wird. UB 15 V, UB 5 V, STOR und ERROR werden "low" und der Signalweg wird gesperrt. Ab ca. 255 µs läuft die Betriebsspannung erneut hoch (Zeitspanne t₂). TRN und TRP stellen die Ansteuersignale für die DC/DC-Wandlerausgangsstufe (CMOS-Inverter) dar. Sie sind 250 ns gegeneinander verzögert, um einen Brückenkurzschluß zu vermeiden.

Fig. 6 zeigt die Anschlußbelegung des Sixpack-Ansteuer-IC's am Beispiel eines 28-poligen Small Outline Package (SOP 28). Tabelle 1 definiert dazu die Ein- und Ausgänge des IC's.

Tabelle 1

Anschlußdefinition

Die Anschlußfunktionen bedeuten im einzelnen:

Pin 1, Pin 2: Kodiereingänge TDT2 und TDT1

Die Kodiereingänge bestimmen die Länge der Verriegelungszeit. Einstellbar sind vier Verriegelungszeiten: 1 µs, 2 µs, 3 µs, 4 µs. Die Verriegelungszeiten werden nur dann berücksichtigt, wenn die Funktion "gegenseitige Verriegelung" aktiviert wurde (vgl. SELECT).

Pin 3: CPOR

Einstellung der Zeitkonstante für den Power On Reset über einen externen Kondensator. Alternativ kann der Anschluß mit VDD 5 V verbunden werden. Ein Power On Reset stellt sich dann mit Hochlaufen der Betriebsspannung ein.

Pin 4, Pin 5: OSC1, OSC2

Anschluß für einen externen 8-MHz-Quarz bzw. Resonator. Falls notwendig, ist aus Stabilitätsgründen dem Quarz ein 10-MΩ-Widerstand parallel zu schalten. Über den Eingang OSC2 kann ein 8-MHz-Taktsignal direkt eingespeist werden.

Pin 6, Pin 21: VDD5V

Betriebsspannungsversorgung 5 V

Pin 7: ERROR

Statusausgang des Fehlerspeichers. Nach dem Setzen des Fehlerspeichers führt der Ausgang low-Pegel (0 V).

Pin 8: ERRINT

Eingang zur Verarbeitung eines sekundärseitig erkannten Fehlers. Ein low-Pegel an ERRINT führt zum Setzen des Fehlerspeichers und zur Abschaltung der Signalausgänge.

Pin 9: RESET

Signalausgang zum Rücksetzen der Optokoppler-Gatetreiberbausteine nach Detektierung eines sekundärseitigen U_CE-Fehlers oder Betriebsspannungsunterschreitung. Das RESET- Signal wird 9 µs nachdem alle Signalausgänge "low"-Potential führen erzeugt (Voraussetzung: kein Fehler) und hält solange an, bis an einem der Eingänge wieder Einschaltsignale (high- Pegel) anliegen.

Pin 10: VDD15 V

Betriebsspannungsversorgung 15 V

Pin 11, Pin 13: TRP, TRN

Ausgänge der Treibertransistoren für den DC/DC-Wandler. Die Übertragung der Leistung zur Sekundärseite erfolgt mit einer Frequenz von 500 kHz und einer Signalamplitude von 15 V. Die Verriegelung der Ansteuersignale für die MOSFET-Halbbrücke beträgt 250 ns.

Pin 13, Pin 14: GND

Bezugspotential

Pin 15, Pin 16, Pin 17, Pin 18, Pin 19, Pin 20

TOPOUT1, BOTOUT1, TOPOUT2, BOTOUT2, TOPOUT3, BOTOUT3
Treiberausgänge zur Ansteuerung der Optokoppler-Gatetreiberstufen.

Pin 22, Pin 23, Pin 24, Pin 25, Pin 26, Pin 27

TOP3, BOTOM3, TOP2, BOTTOM2, TOP1; BOTOM1
Steuereingänge zur Ansteuerung der Leistungsschalter.

Pin 28: SELECT

Durch einen internen pull-up-Widerstand ist im Normalfall die Funktion "Gegenseitige Verriegelung" aktiviert. Ein "low"-Pegel an diesem Eingang schaltet diese Funktion ab.

Die Vorteile des Ansteuer-IC's gegenüber hybriden oder diskreten Lösungen bestehen in der hohen Integrationsdichte verschiedener digitaler-, analoger- und Treiberfunktionen, die eine große Flexibilität der möglichen Applikationen des Mikrosystems erlauben und niedrige Kosten verursachen.

Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt ist die Verbesserung der Schaltungseigenschaften durch die monolithische Integration. Die integrierte Schaltung besitzt eine geringere Störspannungsempfindlichkeit und Temperaturdrift im Vergleich zu diskret aufgebauten Treibern. Durch das quarzstabile, zeitdiskretisierte Ansteuerprinzip bewegen sich die statistisch verteilten Laufzeitänderungen ausgewählter Signale innerhalb der Periodendauer des Systemtaktes von 8 MHz. Darüber hinaus bewirkt die mit der Integration verbundene Reduzierung der Anzahl der diskreten Bauelemente eine Verringerung der Ausfallrate der Ansteuerschaltung.

Claims (12)

1. Integrierter Schaltkreis mit Schnittstellenfunktionen zwischen dem Controller und einer Potentialtrennung von Umrichtern, geeignet zum funktionellen Ansteuern von Halbleiterschaltern, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen Selektor, Einschaltverzögerung, Kurzimpulsunterdrückung, Betriebsspannungs- und Temperatur-Überwachung, Fehlerverarbeitung und -speicherung, Takterzeugung, DC/DC-Converter-Ansteuerung und Treiber für mehrere IGBT- oder MOSFET-Schalter integriert sind.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schalter in ein- oder mehrphasigen Aufbauten, wie Halbbrücken, H-Brücken oder Drehstrombrücken angeordnet werden.

3. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Selektorschaltung eine gegenseitige Verriegelung zwischen dem TOP- und BOTTOM-Schalter einer Halbbrücke alternativ einschaltbar ist.

4. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Selektorschaltung bei eingestellter Verriegelung eine Betriebsart wählbar ist, bei der nur noch ein Ansteuersignal pro Halbbrücke benötigt wird und das jeweilige gegengetaktete Signal für den anderen Schalter automatisch generiert wird.

5. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltverzögerung in Abhängigkeit vom Ausschalten des jeweiligen gegengetakteten Schalters einer Halbbrücke digital einstellbar ist und gleichzeitige "Ein"-Signale für die beiden Halbbrückenschalter sicher unterdrückt werden.

6. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kurzimpulsunterdrückung von Störsignalen gegeben ist, die in Kombination mit der äußeren Beschaltung (Vorwiderstände) variiert werden kann.

7. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Controller ankommenden Rechtecksignale für die Ansteuerung der einzelnen Schalter in verstärkte Signale für die Ansteuerung von Optokopplern, die die Potentialtrennung zu den Gatetreibern der Schalter bilden, gewandelt werden.

8. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte DC/DC-Converter-Ansteuerung und die dazugehörenden Ausgangstreiber die Stromversorgung für die Gatetreiber der Sekundärseite (Hochspannungsseite) bereitstellen.

9. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreistemperatur und die internen Betriebsspannungen auf Unterspannung überwacht werden und extern detektierte Fehler, das sind Unterspannungen auf der Sekundärseite, Kurzschlußfehler (durch U_CE-Überwachung bzw. Stromüberwachung) und Temperaturfehler (Überwachung der Schalter-Temperatur), ausgewertet werden, indem Einfluß auf den Signalweg zwischen Controller und Gatetreiber genommen wird.

10. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein eingespeistes RESET-Signal oder eine automatische RESET-Generierung für ein Rücksetzen (Freigabe) der Ansteuerschaltung und der sekundärseitigen Gatetreiber sorgt, vorausgesetzt alle intern und extern detektierten Fehler sind beseitigt.

11. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein quarzstabiles, zeitdiskretisiertes Ansteuerprinzip der Einfluß einer Temperaturdrift von Schaltungsparametern minimiert ist und die statistisch verteilten Laufzeitänderungen der Signale innerhalb der Periodendauer des Systemtaktes liegen.

12. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch schaltungstechnische Maßnahmen, das sind Schmitt-Trigger-Charakteristik der Eingänge, Kurzimpulsunterdrückung und die monolithische Integration selbst, die Störspannungsempfindlichkeit bzw. Ausfallrate der Ansteuerschaltung verringert sind.