DE19949389C1 - Ansteuerschaltung - Google Patents

Abstract

Ansteuerschaltung für eine MOSFET- oder IGBT-Leistungsendstufe, mit einer die Leistungsendstufe ansteuernden Leistungs-Treiberstufe; und einer die Leistungs-Treiberstufe ansteuernden Eingangsstufe zum Einkoppeln von Eingangssignalen, wobei die Eingangsstufe eine Stromsenke mit einem Eingang und einem Ausgang sowie einen Stromdetektor mit einem Eingang und einem Ausgang aufweist, wobei der Eingang der Stromsenke zum Einspeisen der Eingangssignale dient und der Ausgang der Stromsenke mit dem Eingang des Stromdetektors verbunden ist, und wobei das Massepotential der Stromsenke nicht identisch ist mit dem Massepotential des Stromdetektors.

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für ei­ ne Leistungsendstufe. Derartige Ansteuerschaltungen sind in der betrieblichen Praxis vielfach bekannt und eingesetzt. Die DE 43 38 083 C1 beschreibt eine solche Ansteuerschaltung. Als Lei­ stungsendstufen kommen dabei entweder Leistungs-MOSFET mit hoher Ansteuertaktfrequenz oder Leistungs-IGBT zum Einsatz, die im Schaltbetrieb arbeiten, um hohe Leistungen schnell und verlustarm zu schalten. Zum Beispiel beschreibt die DE 42 30 510 C1 eine der­ artige Leistungsendstufe in Form einer Halbbrückenanordnung. Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung für alle Arten von Leistungsendstufen verwendet werden, die einen FET-Eingang haben.

Stand der Technik

In den folgenden Dokumenten sind - ohne Anspruch auf Vollständig­ keit - solche Ansteuerschaltungen beschrieben:

Aus der DE 36 14 832 C2 ist eine galvanisch trennende Signal­ übertragungsschaltung bekannt, die aus digitalen Eingangssignalen über eine Eingangsspule und eine dazu im Abstand angeordnete be­ schaltete Ausgangsspule galvanisch getrennte Ausgangssignale er­ zeugt. Dazu sind die Spulen so beabstandet, daß praktisch rück­ wirkungsfreie Ausgangssignale an den Klemmen der Ausgangsspule bereitstehen. Diese Schaltung soll eine hinreichende Spannungs­ festigkeit mit einem geringen Beschaltungsaufwand erzielen.

Aus der DE 29 12 693 A1 ist ein Trennverstärker bekannt, der ei­ nen Transformator zur Potentialtrennung von Impulsen verwendet. Dieser Trennverstärker ist so gestaltet, daß er sehr genau arbei­ tet, indem Versorgungsströme und Signalströme getrennt werden.

Aus der DE 21 03 091 A1 ist ein Transistor-Zerhacker-Modulator bekannt, der einen Transformator aufweist, bei dem zum Zwecke der Minimierung von Störungen eine geerdete Abschirmung zwischen den nebeneinander auf den Transformatorkern gewickelten Primär- und Sekundärwicklung angebracht ist.

Aus der DE 25 25 741 B2 ist ein Taktimpulssystem mit einem sehr komplex aufgebauten Transformator bekannt, bei dem die Primär- und Sekundärwicklungen bifilar ineinander verwunden auf den Kern des Transformators gewickelt sind.

Aus Patent Abstracts of Japan, Sect. E, Vol. 2 (1978), Nr. 145 (E-75) zu JP 53-112048 A ist ein Signalisolationsschaltkreis be­ kannt, der ein störungsfreies Analog-Ausgangssignal liefert, in­ dem ein Transformator mit wenigstens zwei oder mehr Wicklungen und ein Abtast-Haltekreis mit einem gesättigten Kern vorgesehen ist.

Aus Patent Abstracts of Japan, Sect. E, Vol. 6 (1982), Nr. 205 (E-136) zu JP 57-113606 A ist ein Isolationsverstärkungsschalt­ kreis bekannt, der zur Signalübertragung für eine Steuereinrich­ tung verwendet wird. Dabei wird die Abtastperiode und die Phase so eingestellt, daß der Erregungsstrom null ist.

Ein Problem herkömmlicher Ansteuerschaltungen besteht darin, daß in der Regel zur Einspeisung der Steuersignale (mit Frequenzen im Bereich von bis zu etwa 1-2 MHz) eine galvanische Trennung mit­ teils speziell gestalteter Transformatoren realisiert ist. Aller­ dings haben auch diese Transformatoren Übertragungsgrenzfrequen­ zen, die bei hohen Ansteuerungsgeschwindigkeiten zu Signalverzer­ rungen führen.

Aus der JP 10-22803 A ist eine MOSFET-Leistungsendstufe mit einer die Leistungsendstufe ansteuernden Leistungs-Treiberstufe sowie einer die Leistungs-Treiberstufe ansteuernden Eingangsstufe zum Einkoppeln von Eingangssignalen bekannt. Diese Eingangsstufe um­ faßt eine Stromsenke mit einem Eingang und einem Ausgang sowie einen Stromdetektor mit einem Eingang und einem Ausgang. Der Ein­ gang der Stromsenke dient zum Einspeisen der Eingangssignale und der Ausgang der Stromsenke ist mit dem Eingang des Stromdetektors verbunden. Das Massepotential der Stromsenke ist dabei unter­ schiedlich von dem Massepotential des Stromdetektors.

Der Erfindung zugrundeliegendes Problem

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist dementsprechend eine Ansteuerschaltung bereitzustellen, die kompakt baut, kurze Signal-Laufzeiten ermöglicht, eine große Signal-Taktfrequenzband­ breite hat und die eine erhöhte Betriebssicherheit gewährleistet.

Erfindungsgemäße Lösung

Diese Aufgabe wird durch eine Ansteuerschaltung für eine MOSFET- oder IGBT-Leistungsendstufe gelöst, mit einer die Leistungsend­ stufe ansteuernden Leistungs-Treiberstufe und einer die Lei­ stungs-Treiberstufe ansteuernden Eingangsstufe zum Einkoppeln von Eingangssignalen, wobei die Eingangsstufe (mindestens) eine Stromsenke mit einem Eingang und einem Ausgang sowie (mindestens) einen Stromdetektor mit einem Eingang und einem Ausgang aufweist, wobei der Eingang der Stromsenke zum Einspeisen der Eingangs­ signale dient und der Ausgang der Stromsenke mit dem Eingang des Stromdetektors verbunden ist, wobei das Massepotential der Strom­ senke mit dem Massepotential des Stromdetektors nicht überein­ stimmt. Erfindungsgemäß weist die Eingangsstufe eine Invertier­ stufe mit einem Eingang und einem Ausgang auf, wobei der Inver­ tierstufe über deren Eingang Eingangssignale eingekoppelt werden und invertierte Eingangssignale in einen Eingang einer weiteren Stromsenke eingespeist werden.

Die in den im Stand der Technik bekannten Anordnungen verwendeten Transformatoren im Signalpfad dienen einerseits der galvanischen Entkopplung und andererseits der Pegelumsetzung. Allerdings ist in vielen Fällen eine galvanische Entkopplung nicht zwingend er­ forderlich. Darüberhinaus sind Transformatoren relativ großbauend und teuer in der Herstellung. Die Erfindung stellt dabei eine Al­ ternative zur Verfügung, bei der eine Pegelumsetzung und insbe­ sondere ein Wechsel des Bezugsmassepotentials auf anderem Wege als mittels eines Transformators realisiert sind.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist jeder Stromsenke ein eigener Stromdetektor nachgeschaltet.

Die Eingangsstufe weist eine Differenzierstufe auf, in der Aus­ gangssignale der Stromdetektoren nach der Zeit abgeleitet werden, wobei vorzugsweise der Ausgang des oder jedes Stromdetektors mit einem Eingang der oder einer Differenzstufe verbunden ist.

Des Weiteren ist jeweils ein Speicherelement zur Speicherung der Ansteuersignale vorgesehen.

Das Speicherelement weist vorzugsweise ein aus zwei Invertern ge­ bildetes Flip-Flop auf.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Ausgang der oder jeder Stromsenke mit dem Eingang des jeweiligen Stromdetektors galvanisch verbunden.

Bei der oder jeder Stromsenke ist ein Steuereingang eines Transi­ stors mit dem Eingang der Stromsenke verbunden, ein weiterer An­ schluß des Transistors ist über einen Widerstand mit dem Massepo­ tential der Stromsenke und ein dritter Anschluß des Transistors ist mit dem Ausgang der Stromsenke verbunden.

In dem oder jedem Stromdetektor ist ein Steuereingang eines Tran­ sistors mit dem Eingang des Stromdetektors und über einen Wider­ stand mit einem Versorgungsspannungsanschluß des Stromdetektors verbunden, ein weiterer Anschluß des Transistors ist mit dem Aus­ gang des Stromdetektors und über einen Widerstand mit dem Masse­ potential des Stromdetektors verbunden, und ein dritter Anschluß des Transistors ist mit dem Versorgungsspannungsanschluß des Stromdetektors verbunden.

Die oder jede Differenzierstufe weist eine Kapazität auf, wobei vorzugsweise ein Kondensator zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Differenzierstufe angeordnet ist. Alternativ dazu kann die Differenzierstufe auch durch einen Operationsverstärker gebildet sein, dessen invertierender Eingang mit einer seriellen Kapazität verschaltet ist, dessen nicht-invertierender Eingang mit Masse verbunden ist, und dessen Ausgang auf den invertierenden Eingang zurückgekoppelt ist.

Bei der oder jeder Stromsenke ist ein Steuereingang eines Transi­ stors über einen Widerstand mit dem Eingang der Stromsenke ver­ bunden, ein weiterer Anschluß des Transistors ist mit dem Masse­ potential der Stromsenke und ein dritter Anschluß des Transistors über einen Widerstand mit dem Ausgang der Stromsenke verbunden. Allerdings ist hierbei eine bipolare Stromversorgung (+/-Masse) erforderlich, bei der dann das Ausgangssignal auf Masse bezogen ist.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Widerstand zwischen dem dritten Anschluß des Transistors und dem Ausgang der Stromsenke ein kurzgeschlossener Junction-Feldeffekt-Transistor, bei dem ein Gate-Anschluß und ein Source-Anschluß miteinander verbunden sind und ein Drain-Anschluß mit dem Ausgang der Strom­ senke verbunden ist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die oder je­ de Stromsenke einen Operationsverstärker aufweisen, dessen inver­ tierender Eingang mit einem Mittelabgriff eines Spannungsteilers verbunden ist, der zwischen einer positiven Versorgungsspannung und dem Massepotential der Stromsenke angeordnet ist, dessen nicht-invertierender Eingang mit dem Eingang der Stromsenke ver­ bunden ist, und dessen Ausgang mit einem Basis-Anschluß einem Transistor verbunden ist, dessen Emitter-Anschluß über einen Wi­ derstand mit einer negativen Versorgungsspannung, und dessen Kol­ lektor-Anschluß mit dem Ausgang der Stromsenke verbunden ist. Dies hat den Vorteil, daß die Spannungsdifferenz zwischen der po­ sitiven Primärspannung und der positiven Sekundärspannung prak­ tisch Null Volt betragen kann ohne daß die Funktionsweise der Schaltung beeinträchtigt ist.

Dabei kann der Spannungsteiler durch einen Widerstand zwischen der positiven Versorgungsspannung und dem invertierenden Eingang und einer Diode zwischen dem Massepotential und dem invertieren­ den Eingang des Operationsverstärkers gebildet sein, und/oder zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem Basis- Anschluß des Transistors ist eine Zener-Diode angeordnet.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der oder je­ der Stromdetektor einen Operationsverstärker aufweisen, dessen invertierender Eingang mit einem Mittelabgriff eines Spannungs­ teilers verbunden ist, der zwischen einer positiven Versorgungs­ spannung und dem Massepotential des Stromdetektors angeordnet ist, dessen nicht-invertierender Eingang mit dem Eingang des Stromdetektors sowie über einen Widerstand mit der positiven Ver­ sorgungsspannung des Stromdetektors verbunden ist, und dessen Ausgang mit dem Ausgang des Stromdetektors verbunden ist.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaltbil­ des der erfindungsgemäße Ansteuerschaltung.

Fig. 1a zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltplans der erfindungsgemäße Ansteuerschaltung ohne Stromversorgung.

Fig. 1b zeigt eine erfindungsgemäße Stromversorgung für die er­ findungsgemäße Ansteuerschaltung nach Fig. 1a.

Fig. 2 zeigt schematische Darstellung eines Blockschaltbildes der erfindungsgemäßen Eingangsstufe.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltplans der erfindungsgemäßen Eingangsstufe.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltplans der erfindungsgemäßen Stromsenke in einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltplans der erfindungsgemäßen Stromsenke in einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltplans des erfindungsgemäßen Stromdetektors in einer weiteren Ausführungs­ form.

Die Ansteuerschaltung 10 (siehe Fig. 1) weist folgende Baugruppen auf: Eine Leistungstreiberstufe 20, eine Stromversorgung 30, eine die Leistungstreiberstufe 20 ansteuernde Ansteuerschaltung 40, eine Unterspannungserkennungsstufe 50, eine Überstromerkennungs­ stufe 60, und eine Wiederhol-Impulsunterdrückungsstufe 70.

Die Ansteuerschaltung 40 weist eine Eingangsstufe 90 und eine Speicherstufe 80 auf.

Der Ansteuerschaltung 10 werden über Eingangsanschlüsse 12 digi­ tale Steuersignale zugeführt, deren Frequenz als Untergrenze praktisch im Gleichspannungssignalbereich liegt, und deren Ober­ grenze im Bereich von mehreren MHz liegt. Die Tastverhältnisse des Eingangssignals können zwischen 0% und 100% liegen.

Die Stromversorgung 30 wird von einer einfachen +12 V Gleichspan­ nungsquelle gespeist, wobei die Stromversorgung 30 für den Be­ trieb der Ansteuerschaltung 10 erforderliche positive und negati­ ve Spannungen aus der 12 V Gleichspannung erzeugt.

Die Leistungstreiberstufe 20 weist einen Gate-Anschluß G und ei­ nen Sourceanschluß 5 für die Leistungsendstufe auf. Außerdem weist die Überstromerkennungsstufe 60 einen Drainanschluß D auf, der ebenfalls mit der Leistungsendstufe zu verbinden ist.

Die Leistungstreiberstufe 20 wird von der Speicherstufe 80 der Ansteuerstufe 40 angesteuert. Dabei erfolgt die Weiterleitung der Ansteuersignale aus der Speicherstufe 80 heraus nur dann, wenn 1. die Überstromerkennungsstufe 60 kein Sperrsignal ISS an die Spei­ cherstufe 80 abgibt, da die Leistungsendstufe nicht zuviel Drain­ strom aufnimmt, 2. die Unterspannungserkennungsstufe 50 kein Sperrsignal USS an die Speicherstufe 80 abgibt, da wenigstens ei­ ne der Betriebsspannungen der Stromversorgungen nicht unter einen vorbestimmten Pegel gefallen ist, und 3. ein von der Überstromer­ kennungsstufe 80 erkannter Überstromfall schon so lange her ist, daß eine in der Wiederhol-Impulsunterdrückungsstufe 70 vor­ bestimmte Zeit abgelaufen ist.

Die Speicherstufe 80 wird von der Eingangsstufe 90 mit Eingangs­ signalen gespeist. Dabei haben die Eingangssignale und die Aus­ gangssignale der Eingangsstufe 90 unterschiedliche Bezugspoten­ tiale.

Entsprechendes gilt für die von der Stromversorgung 30 erzeugten Betriebsspannungen. Die Stromversorgung 30 erzeugt zum Betrieb der einzelnen Baugruppen sowohl positive als auch eine negative Be­ triebsspannungen.

In den Fig. 1a und 1b ist die Ansteuerschaltung 10 von Fig. 1 in ihren Schaltungsdetails dargestellt, wobei einzelne Funktionen in mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASICs) implementiert sind.

Die Stromversorgungsstufe 30 (siehe Fig. 1b) ist durch einen Os­ zillator in dem Schaltkreis U2 gebildet, dessen Taktfrequenz durch einen (integrierten) Widerstand und einen Kondensator C17 auf eine Frequenz im Bereich von 0,5 MHz bis 5 MHz, vorzugsweise etwa 1 MHz festgelegt ist. Abhängig von dem verwendeten Transfor­ matorkern eines Transformators TR1 kann die Frequenz durch einen Schalter S zwischen einer niedrigeren und einer höheren Frequenz (zum Beispiel etwa 500 KHz und etwa 1 MHz) gewählt werden. Der Oszillator liefert einen Rechteck-Impulszug, der zur Ansteuerung einer integrierten Leistungsendstufe dient.

Der Ausgangsanschluß des Schaltkreises U2 ist mit einem ersten Primäranschluß des Transformators TR verbunden. Der zweite Pri­ märanschluß des Transformators TR ist mit einer Serienschaltung aus zwei Elektrolytkondensatoren C3, C4 verschaltet, wobei an dem Verbindungspunkt der beiden Elektrolytkondensatoren der zweite Primäranschluß des Transformators TR liegt. Die jeweiligen beiden anderen Anschlüsse der Elektrolytkondensatoren C3, C4 liegen auf Betriebsspannungs- bzw. Primärmassepotential GND1. Der Transfor­ mator TR ist ein Ferrit-Ringkerntransformator.

Sekundärseitig hat der Transformator TR eine Wicklung, die mit vier Dioden D1, D2, D3, D4 in Brückengleichrichterschaltung ver­ bunden sind. Zur Erzeugung eines schwebenden Sekundärmassepoten­ tials dient ein Operationsverstärker U1, dessen nicht-invertie­ render Eingang (+) am Mittenanschluß eines aus zwei Widerständen R8, R9 gebildeten Spannungsteilers gebildet ist. Die jeweils an­ deren Anschlüsse der beiden Widerstände R8, R9 sind mit den Aus­ gangsanschlüssen der Brückengleichrichterschaltung (negative Se­ kundärbetriebsspannung -UB_sec, und positive Sekundärbetriebs­ spannung +UB_sec) verbunden. Der Ausgang des Operationsverstär­ kers U1 ist auf dessen invertierenden Eingang (-) rückgekoppelt, so daß dieser als Spannungsfolger mit einer Verstärkung von 1 ar­ beitet. Der Ausgang des Operationsverstärkers U1 ist mit zwei Elektrolytkondensatoren C8, C10 und zwei Keramik-Kondensatoren C9, C11 jeweils zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers U1 und der negativen Sekundärbetriebsspannung -Ub_sec und der posi­ tiven Sekundärbetriebsspannung +Ub_sec zur Spannungsglättung ver­ schaltet.

So stellt die Stromversorgungsstufe 30 jeweils eine positive und eine negative konstantgehaltene Betriebsspannung (negative Sekun­ därbetriebsspannung -Ub_sec, und positive Sekundärbetriebsspan­ nung +Ub_sec) mit virtuellem Nullpunkt (Sekundärmasse GND2) be­ reit.

Diese Art der Stromversorgung stellt einen möglichst störungs­ freien Betrieb (bei höheren Temperaturen) der Leistungsendstufe sicher, da die Ansteuersignale zwischen einem positiven und einem negativen Pegel hin und her gehen können. Dennoch kann die erfin­ dungsgemäße Treiberschaltung z. B. an einer einfachen 12 V-Strom­ quelle betrieben werden, da alle erforderlichen Betriebsspan­ nungspegel durch die spezielle Stromversorgungsstufe daraus er­ zeugt werden. Dies ist insbesondere für mobile Einsatzzwecke (strombetriebene KFZ oder dergl.) vorteilhaft.

Die in Fig. 2 als Blockschaltbild und in Fig. 3 im Detail darge­ stellte Eingangsstufe 90 weist einen integrierten Schaltkreis U3 auf, in dem die nachstehend beschriebenen Funktionen integriert sind.

Die Eingangsstufe 90 hat einen Signaleingang 92, der zum Eingang 94a eines Inverters 94 führt. Der Ausgang 94b des Inverters 94 ist mit dem Eingang 96a einer Stromsenke 96 verbunden. Parallel dazu wird das nicht invertierte Eingangssignal zum Eingang 98a einer zweiten Stromsenke 98 geführt. Die beiden Ausgänge 96b und 98b der beiden Stromsenken 96, 98 sind jeweils mit einem Eingang 102a, 104a zweier Stromdetektoren 102, 104 verbunden. Dabei hat jede der Stromsenken 96, 98 ein anderes Massepotential als die beiden Stromdetektoren 102, 104.

Die beiden Stromdetektoren 102, 104 haben jeweils einen Ausgang 102b, 104b, der jeweils mit einem Eingang 106a, 108b zweier Dif­ ferenzierstufen 106, 108 verbunden ist. Die Ausgänge 106b, 108b der beiden Differenzierstufen 106, 108 sind jeweils einem Setz­ eingang 5 bzw. einem Rücksetzeingang R eines Speichers 110 ver­ bunden.

In Fig. 3 ist eine Detailrealisierung der Eingangsstufe veran­ schaulicht, wobei diese Eingangsstufe entweder, wie in Fig. 1a gezeigt, als Integrierter Schaltkreis U3, oder als konventionelle Schaltung realisiert sein kann.

Der Signaleingang 92 führt über einen Widerstand R10 zur Basis eines npn-Transistors T1, dessen Emitter mit der Primärmasse GND1, und dessen Kollektor über einen Widerstand R11 mit der po­ sitiven Primärspannung +Ubat verbunden ist. Dieser Transistor T1 mit dem Widerstand R10 entspricht dem Inverter 94 aus Fig. 2. Der Ausgang 94b des Inverters 94 ist hier der Kollektoranschluß des Transistor T1.

Das invertierte Signal wird über einen Widerstand R12 von dem Kollektor des Transistors T1 der Basis eines npn-Transistors T2 zugeführt, dessen Kollektor über einen Widerstand R13 mit der po­ sitiven Sekundärbetriebsspannung +Ubat und dessen Emitter über einen Widerstand R14 mit der Primärmasse GND1 verbunden ist. So­ mit arbeitet der Transistor T2 als gesteuerte Stromsenke 96. So­ lange an der Basis des Transistors T2 keine Spannung anliegt, fließt auch in den Kollektor des Transistors T2 kein Strom. So­ bald eine Spannung an der Basis des Transistors T2 anliegt, kann in den Kollektor ein Strom fließen, der nahezu unabhängig von der am Kollektor anliegenden Spannung ist. Dies gilt, solange das Po­ tential der positiven Sekundärbetriebsspannung +Ub_sec etwas (um einige Volt) höher ist als die Eingangsspannung an der Basis des Transistors T2.

Parallel dazu wird der Signaleingang 92 (nicht-invertiert) einer gesteuerten Stromsenke 98 zugeführt. Dazu ist der Signaleingang 92 mit der Basis eines npn-Transistors T3 verbunden, dessen Kol­ lektor über einen Widerstand R15 mit der positiven Sekundärbe­ triebsspannung +Ubat und dessen Emitter über einen Widerstand R16 mit der Primärmasse GND1 verbunden ist. Die Funktionsweise der beiden Stromsenken ist insoweit identisch.

Der Kollektor des Transistors T2 entspricht dem Ausgang 96b der Stromsenke aus Fig. 2 und ist mit der Basis eines pnp-Transistors T4 verbunden, dessen Kollektor über einen Widerstand R17 mit der Sekundärmasse GND2 und dessen Emitter mit der positiven Sekundär­ betriebsspannung +Ub_sec verbunden ist. In gleicher Weise ist der Kollektor des Transistors T3, der dem Ausgang 98b der Stromsenke 96 aus Fig. 2 entspricht, mit der Basis eines pnp-Transistors T5 verbunden, dessen Kollektor über einen Widerstand R18 mit der Se­ kundärmasse GND2 und dessen Emitter mit der positiven Sekundärbe­ triebsspannung +Ub_sec verbunden ist. Damit arbeiten die beiden Transistoren T4, T5 als Stromdetektoren wie folgt: Der jeweils durch die Kollektoren der Transistoren T2 bzw. T3 fließende Strom fließt auch durch die Widerstände R13 bzw. R15 und erzeugt so je­ weils zwischen Basis und Emitter der Transistoren T4 bzw. T5 ei­ nen Spannungsabfall, der diese Transistoren T4 bzw. T5 durch­ schaltet. Dies hat zur Folge, daß jeweils die Spannung an den Wi­ derständen R17 bzw. R18 steigt. Die Kollektoren der Transistoren T4 bzw. T5 entsprechen den Ausgängen 102b bzw. 104b der Stromde­ tektoren 102 bzw. 104 aus Fig. 2.

Mit den Kollektoren der Transistoren T4 bzw. T5 ist jeweils ein Anschluß eines Kondensators C20 bzw. C21 verbunden, von denen je­ der als Differenzierstufe (siehe Bezugszeichen 106, 108 in Fig. 2) arbeitet. Die jeweils anderen Anschlüsse der Kondensatoren C20 bzw. C21 entsprechen den Ausgängen 106b, 108b aus Fig. 2.

Der Anschluß des Kondensators C21 führt in einen Eingang R des aus zwei Invertern I1 und I2 gebildeten RS-Flip-Flops 110, wäh­ rend der Anschluß des Kondensators C20 in einen Eingang S des RS- Flip-Flops 110 führt. Dazu ist der Anschluß des Kondensators C21 mit dem Eingang des Inverters I1 verbunden, dessen Ausgang über einen Widerstand R19 mit dem Eingang des Inverters I2 verbunden. Dieser Eingang des Inverters I2 ist auch der Eingang R des RS- Flip-Flops 110. Der Ausgang des Inverters I2 bildet den Ausgang Q des Flip-Flops 110 und ist über einen Widerstand R20 auf den Ein­ gang des Inverters I1 zurückgekoppelt. Die Inverter I1, I2 werden an der positiven Sekundärbetriebsspannung +Ub_sec und der Sekun­ därmasse GND2 betrieben. Das Flip-Flop 110 dient so zur Zwischen­ speicherung der eingehenden Eingangssignale auf anderem Bezugspo­ tential.

Das Ausgangssignal Q des Flip-Flop 110 wird einer in dem Inte­ grierten Schaltkreis U4 integrierten zweiten Speicherstufe zuge­ führt (siehe Fig. 1a), zu deren Außenbeschaltung das RC Netzwerk R1, R2, R3, C1 gehört. Diese zweite Speicherstufe ist nicht zwin­ gend erforderlich, kann jedoch dazu dienen, die Ansteuersignale zu sperren, wenn ein Überstrom- oder Unterstromfall auftritt.

In den Fig. 4 und 5 sind Varianten von Stromsenken veranschau­ licht, die anstelle der in Fig. 3 gezeigten Stromsenken einsetz­ bar sind.

Dabei ist die Stromsenke in Fig. 4 als aktive Stromsenke ausge­ staltet mit einem Operationsverstärker U2A, dessen invertierender Eingang (-) mit einem Mittelabgriff eines Spannungsteilers ver­ bunden ist, der zwischen einer positiven Versorgungsspannung +Ubat und dem primären Massepotential GND1 der Stromsenke ange­ ordnet ist. Der nicht-invertierende Eingang (+) des Operations­ verstärkers U2A ist mit dem Eingang der Stromsenke verbunden und der Ausgang des Operationsverstärkers U2A ist über eine Z-Diode ZD1 mit einem Basis-Anschluß eines Transistors (Q2) verbunden, dessen Emitter-Anschluß über einen Widerstand R31 mit einer nega­ tiven Versorgungsspannung -Ubat, und dessen Kollektor-Anschluß mit dem Ausgang der Stromsenke verbunden ist bzw. diesen bildet.

Dabei ist der Spannungsteiler durch einen Widerstand R30 zwischen der positiven Versorgungsspannung +Ubat und dem invertierenden Eingang (-), und einer Diode D10 zwischen dem Massepotential GND1 und dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers U2A gebildet.

In Fig. 5 ist eine alternative Ausführungsform einer Stromsenke veranschaulicht, bei der ein Steuereingang (B) eines Transistors Q3 über einen Widerstand R 32 mit dem Eingang der Stromsenke ver­ bunden ist, der Emitteranschluß (E) des Transistors Q3 mit dem Massepotential GND2 der Stromsenke und ein der Kollektoranschluß des Transistors Q3 über einen Widerstand mit dem Ausgang der Stromsenke verbunden ist. Der Widerstand ist hierbei ein kurzge­ schlossener Junction-Feldeffekt-Transistor FET, bei dem ein Gate- Anschluß (G) und ein Source-Anschluß (S) miteinander verbunden sind und ein Drain-Anschluß (D) mit dem Ausgang der Stromsenke verbunden ist.

In Fig. 6 ist eine alternative Ausführungsform eines Stromdetek­ tors veranschaulicht. Der nicht-invertierenden Eingang (+) eines Operationsverstärker US ist als Eingang 102a bzw. 104a der Strom­ senke gestaltet. Dazu ist der nicht-invertierende Eingang (+) über einen Widerstand R25 mit der positiven Versorgungsspannung +Ub_sec verbunden. Der invertierende Eingang (-) des Operations­ verstärkers U5 ist mit dem Mittelabgriff eines Spannungsteilers verbunden, der durch einen Widerstand R26 zwischen dem sekundären Massepotential GND2 und eine Diode D11 gebildet ist, wobei die Anode der Diode D11 mit dem invertierenden Eingang (-) des Opera­ tionsverstärkers U5 und die Kathode mit der positiven Versor­ gungsspannung +Ub_sec verbunden ist. Anstelle der Diode kann auch ein Widerstand treten. Entscheidend ist, daß der Spannungsabfall über der Diode bzw. diesem Widerstand über der Spannung liegt, die bei durchgesteuerter Stromsenke am Eingang des Spannungsde­ tektors zu erwarten ist. Diese Spannung ist abhängig von dem Strom, den die Stromsenke aufnimmt sowie von dem Wert des Wider­ stands R25 am Eingang des Stromdetektors.

Die Unterspannungserkennungsstufe 50 (siehe Fig. 1a) ist auch in dem Integrierten Schaltkreis U4 integriert und dient dazu, die in dem Integrierten Schaltkreis U4 integrierten Funktionsbaugruppen von der positiven Sekundärbetriebsspannung +Ub_sec zu trennen, falls diese unter einen Pegel fällt, der einen ordnungsgemäßen Betrieb nicht mehr gewährleistet. Dazu weist die Unterspannungs­ erkennungsstufe einen Komparator auf, der eine einstellbare Hy­ steresekurve hat. Damit kann in weiten Grenzen die Betriebssi­ cherheit der Gesamtanordnung (Treiberschaltung mit Leistungsend­ stufe) festgelegt werden.

Die Überstromerkennungsstufe 60 ist ebenfalls in dem Integrierten Schaltkreis U4 integriert und dient dazu, Signale in der (zweiten) Speicherstufe in dem Integrierten Schaltkreis U4 zu sperren.

Der Eingangsanschluß der Überstromerkennungsstufe 60 ist über ein RC-Netzwerk aus den Widerständen C5, R4, R5, CG mit den Kathoden zweier Dioden D5, D6 verbunden. Weiterhin sind die Kathoden der Dioden D5, D6 über einen Widerstand R6 mit der positiven Be­ triebsspannung verbunden. Die Anode der Diode D6 ist der Sensor­ anschluß für die Drain-Sourcespannung der Leistungsendstufe, wäh­ rend die Anode der Diode D5 die Gatespannung bzw. die Ausgangs­ spannung der Emitter der Transistoren T3, T4 erfaßt.

Sobald die Drain-Source-Spannung der Leistungsendstufe einen vor­ bestimmten Wert überschreitet, schaltet die Überstromerkennungs­ stufe 60 das die in dem Integrierten Schaltkreis U4 integrierte erste Leistungstreiberstufe ab. Das RC-Netzwerk C5, R4, R5, C6 dabei bewirkt eine Ansprechverzögerung der Überstromerkennungs­ stufe und ist so bemessen, daß die Leistungsendstufe vollständig durchschalten kann bevor die in dem Integrierten Schaltkreis U4 integrierte Speicherstufe gesperrt werden kann und keine weiteren Ansteuersignale mehr weiterleitet. Dazu ist das RC-Netzwerk so bemessen, daß es eine Ansprechverzögerung von ca. 100 ns hervor­ ruft.

Da die Unterspannungserkennungsstufe eine Ansteuerung der Lei­ stungstreiberstufe verhindert, wenn eine von der Stromversor­ gungsstufe abgegebene Betriebsspannung einen vorbestimmten Wert unterschreitet, kann sichergestellt werden, daß die Ansteuer­ signale für die Leistungsendstufe stets so dimensioniert sind, daß diese nicht in den linearen Arbeitsbereich gerät. Dazu gibt die Unterspannungserkennungsstufe ein Signal zum Unwirksamschal­ ten der Ansteuerschaltung ab, wenn der eine von der Stromversor­ gungsstufe abgegebenen Betriebsspannungen einen vorbestimmten Wert unterschreitet.

Durch die Überstromerkennungsstufe, die eine Ansteuerung der Lei­ stungstreiberstufe verhindert, wenn die Drain-Source- (bei MOSFET-Endstufe) bzw. die Kollektorspannung (bei IGBT-Endstufe) der Leistungsendstufe einen vorbestimmten Wert überschreitet, wird sichergestellt, daß die Leistungsendstufe nicht überlastet werden kann, so daß ein Ausfallen der Leistungsendstufe wirksam verhindert ist.

Die Leistungstreiberstufe 20 ist zweistufig aufgebaut. Eine erste Stufe ist in dem Integrierten Schaltkreis U4 integriert und dient dazu, genügend Ausgangsleistung bei hinreichender Flankensteil­ heit zur Ansteuerung der nachfolgenden zweiten Stufe liefern. Diese zweite Stufe ist aus zwei Treibertransistoren T10, T20 ge­ bildet, die als komplementärer Emitterfolger verschaltet sind. Die Verbindungsleitung zwischen den beiden Emitteranschlüssen ist der Anschluß G für den Gate-Anschluß der Leistungsendstufe.

Die Wiederhol-Impulsunterdrückungsstufe 70 ist ebenfalls in dem Integrierten Schaltkreis U4 integriert. Dabei ist sie funktional der internen Speicherstufe zugeordnet und bewirkt ein Unwirksam­ schalten der Speicherstufe für die Dauer einer einstellbaren Zeit nach Auslösen des Überstromerkennungssignals ISS. Dadurch ist es möglich, die Leistungstransistoren der Leistungsendstufe abzu­ schalten und für einen vorbestimmbaren Zeitraum am Wiederein­ schalten zu hindern. Dies bewirkt eine thermische Überlastsiche­ rung im Kurzschlußfall. Wegen der hohen Reaktionsgeschwindigkeit der Überstromerkennungsstufe im Kurzschlußfall kann auf herkömm­ lich di/dt-Begrenzungsdrosseln verzichtet werden.

Die vorliegende Erfindung kann sowohl für Leistungsendstufen mit Leistungs-MOSFET als auch mit Leistungs-IGBT eingesetzt werden, lediglich die die Leistungsendstufe ansteuernde Leistungstreiber­ stufe muß entsprechend angepaßt werden. Die Unterschiede zwischen MOSFET und IGBT bestehen hauptsächlich darin, daß IGBT's im Ge­ gensatz zu MOSFETs nicht parallelschaltbar sind. Außerdem haben IGBT's keinen temperaturabhängigen Durchlaßwiderstand und benöti­ gen höhere Gate-Spannungen bei gleichzeitig sehr viel höheren Eingangskapazitäten.

Bevorzugt weist dabei die Treibertransistorstufe eine aus einem P-Kanal-MOSFET und einem N-Kanal-MOSFET gebildete Halbbrücke auf, und die Leistungstreiberstufe weist wenigstens ein Totzeitglied (von etwa 20 ns) für das Ansteuersignal auf. Dadurch kann ein Brückenquerschluß der MOSFET-Halbbrücke vermieden werden.

Diese MOSFET-Halbbrücke steuert zwei komplementäre bipolare in Emitterfolgerschaltung im B-Betrieb geschaltete PNP- bzw. NPN- Leistungstransistoren an, die das Ansteuersignal für die IGBT- Leistungsendstufe liefern.

Eine derartige Leistungstreiberstufe arbeitet sehr verlustarm und stellt sicher, daß bei kapazitiver Belastung Ausgangsströme von bis zu +/- 12 A und Gate-Spannungen bis zu +/- 20 V als Eingangs­ signal für die Leistungsendstufe bereitgestellt werden können.

Durch die erfindungsgemäße Treiberschaltung werden insgesamt die folgenden Vorteile und Eigenschaften erzielt. Das Bauvolumen und die Herstellungskosten sind gering. Die Laufzeiten vom Eingangs­ signalanschluß zum Ansteueranschluß der Leistungsendstufe sind extrem kurz (im Bereich von 100 ns für MOSFET-Endstufen und ca. 150 ns-180 ns für IGBT-Endstufen). Bei den MOSFET-Endstufen können ohne weiteres mehrere gleichartige Endstufen parallel an­ gesteuert werden. Das bedeutet, daß komplette Leistungsschaltbau­ gruppen (Treiberschaltung mit Leistungsendstufe) durch sehr klei­ ne Ausgangsdrosseln parallel geschaltet werden können. Die Lei­ stungs-Endstufen werden auch bei nicht anliegender Versorgungs­ spannung sehr niederohmig angesteuert, so daß die Einschalt- bzw. Ausschaltreihenfolge der Treiberschaltung und der Leistungsend­ stufe beliebig sein kann. Die Spannungsschwankungsverträglichkeit (du/dt-Verträglichkeit) ist sehr hoch.

Bei einer für IGBT-Endstufen ausgelegten Treiberschaltung gemäß der Erfindung ergeben sich die Vorteile, daß sehr große IGBT- Leistungsendstufen mit Eingangskapazitäten von mehr als 100 nF bei Taktfrequenzen von mehr als 50 kHz betrieben werden können. Dabei beträgt die Spannungssteilheit am Ansteueranschluß der IGBT-Endstufe 100 V/µs bei einer Last von 100 nF/10 hm.

Da IGBT sehr viel langsamer schalten als MOSFET, haben die zu­ sätzlichen Laufzeiten und die Totzeiten keinen negativen Einfluß. Fig. 1 stellt ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung für ei­ ne (nicht gezeigte) MOSFET-Leistungsendstufe dar.

Claims (14)

1. Ansteuerschaltung (10) für eine MOSFET- oder IGBT-Leistungs­ endstufe, mit

• - einer die Leistungsendstufe ansteuernden Leistungs-Treiberstufe (20); und
• - einer die Leistungs-Treiberstufe ansteuernden Eingangsstufe (40) zum Einkoppeln von Eingangssignalen, welche eine Stromsenke (98) mit einem Eingang (98a) und einem Ausgang (98b) sowie einen Stromdetektor (102, 104) mit einem Eingang (102a, 104a) und einem Ausgang (102b, 104b) aufweist, wobei der Eingang (98a) der Stromsenke (98) zum Einspeisen der Eingangssignale dient und der Ausgang (98b) der Stromsenke (98) mit dem Eingang des Stromdetektors (102, 104) verbunden ist, wobei das Massepo­ tential (GND1) der Stromsenke (98) von dem Massepotential (GND2) des Stromdetektors (102, 104) unterschiedlich ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Eingangsstufe (40) eine Invertierstufe (94) mit einem Ein­ gang (94a) und einem Ausgang (94b) aufweist, wobei der Invertier­ stufe (94) über deren Eingang (94a) die Eingangssignale zugeführt werden, und
• - die invertierten Eingangssignale in einen Eingang (96a) einer weite­ ren Stromsenke (96) der Eingangsstufe (40) eingespeist werden.

2. Ansteuerschaltung (10) für eine MOSFET- oder IGBT-Leistungs­ endstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stromsenke ein eigener Stromdetektor nachgeschaltet ist.

3. Ansteuerschaltung (10) für eine MOSFET- oder IGBT-Leistungs­ endstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - die Eingangsstufe eine Differenzierstufe aufweist, in der Aus­ gangssignale der Stromdetektoren nach der Zeit abgeleitet werden, wobei vorzugsweise der Ausgang jedes Stromdetektors mit einem Eingang der oder einer Differenzierstufe verbunden ist.

4. Ansteuerschaltung (10) für eine MOSFET- oder IGBT- Leistungsendstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch

• - ein Speicherelement zur Speicherung der Ansteuersignale.

5. Ansteuerschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherelement ein aus zwei Invertern (I1, I2) gebildetes Flip-Flop aufweist.

6. Ansteuerschaltung (10) für eine MOSFET- oder IGBT- Leistungsendstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - der Ausgang jeder Stromsenke mit dem Eingang des je­ weiligen Stromdetektors galvanisch verbunden ist.

7. Ansteuerschaltung (10) für eine MOSFET- oder IGBT- Leistungsendstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - bei der oder jeder Stromsenke ein Steuereingang (B) eines Tran­ sistors mit dem Eingang der Stromsenke verbunden ist, ein weite­ rer Anschluß (E) des Transistors über einen Widerstand mit dem Massepotential der Stromsenke und ein dritter Anschluß (K) des Transistors mit dem Ausgang der Stromsenke verbunden ist.

8. Ansteuerschaltung (10) für eine MOSFET- oder IGBT- Leistungsendstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - in dem oder jedem Stromdetektor ein Steuereingang (B) eines Transistors mit dem Eingang des Stromdetektors und über einen Wi­ derstand mit einem Versorgungsspannungsanschluß des Stromdetek­ tors verbunden ist, ein weiterer Anschluß (K) des Transistors mit dem Ausgang des Stromdetektors und über einen Widerstand mit dem Massepotential des Stromdetektors verbunden ist, und ein dritter Anschluß (E) des Transistors mit dem Versorgungsspannungsanschluß des Stromdetektors verbunden ist.

9. Ansteuerschaltung (10) für eines MOSFET- oder IGBT-Leistungs­ endstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - die oder jede Differenzierstufe eine Kapazität aufweist, wobei vorzugsweise ein Kondensator zwischen den Eingang und dem Ausgang der Differenzierstufe angeordnet ist.

10. Ansteuerschaltung (10) für eine MOSFET- oder IGBT-Leistungs­ endstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß

• - bei der oder jeder Stromsenke ein Steuereingang (B) eines Tran­ sistors über einen Widerstand mit dem Eingang der Stromsenke ver­ bunden ist, ein weiterer Anschluß (E) des Transistors mit dem Massepotential der Stromsenke und ein dritter Anschluß (K) des Transistors über einen Widerstand (T) mit dem Ausgang der Strom­ senke verbunden ist.

11. Ansteuerschaltung (10) für eine MOSFET- oder IGBT-Leistungs­ endstufe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß

• - der Widerstand zwischen dem dritten Anschluß (K) des Transi­ stors und dem Ausgang der Stromsenke ein kurzgeschlossener Junc­ tion-Feldeffekt-Transistor ist, bei dem ein Gate-Anschluß (G) und ein Source-Anschluß (S) miteinander verbunden sind und ein Drain- Anschluß mit dem Ausgang der Stromsenke verbunden ist.

12. Ansteuerschaltung (10) für eine MOSFET- oder IGBT-Leistungs­ endstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß

• - die oder jede Stromsenke einen Operationsverstärker aufweist, dessen invertierender Eingang (-) mit einem Mittelabgriff eines Spannungsteilers verbunden ist, der zwischen einer positiven Ver­ sorgungsspannung und dem Massepotential der Stromsenke angeordnet ist, dessen nicht-invertierender Eingang (+) mit dem Eingang der Stromsenke verbunden ist, und dessen Ausgang mit einem Basis- Anschluß einem Transistor verbunden ist, dessen Emitter-Anschluß über einen Widerstand mit einer negativen Versorgungsspannung, und dessen Kollektor-Anschluß mit dem Ausgang der Stromsenke ver­ bunden ist.

13. Ansteuerschaltung (10) für eine MOSFET- oder IGBT-Leistungs­ endstufe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Spannungsteiler durch einen Widerstand zwischen der positi­ ven Versorgungsspannung und dem invertierenden Eingang (-) und einer Diode zwischen dem Massepotential und dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers gebildet ist, und/oder daß
• - zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem Basis- Anschluß des Transistors eine Zener-Diode angeordnet ist.

14. Ansteuerschaltung (10) für eine MOSFET- oder IGBT-Leistungs­ endstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß

• - der oder jeder Stromdetektor einen Operationsverstärker auf­ weist, dessen invertierender Eingang (-) mit einem Mittelabgriff eines Spannungsteilers verbunden ist, der zwischen einer positi­ ven Versorgungsspannung und dem Massepotential des Stromdetektors angeordnet ist, dessen nicht-invertierender Eingang (+) mit dem Eingang des Stromdetektors sowie über einen Widerstand mit der positiven Versorgungsspannung des Stromdetektors verbunden ist, und dessen Ausgang mit dem Ausgang des Stromdetektors verbunden ist.