NL8700314A - Vermogens interface-schakeling met besturingschip, gevoed vanuit een vermogenschip. - Google Patents

Description

873002/Ti

Korte aanduiding: Vermogens interface-schakeling met bestu- ringschip, gevoed vanuit een vermogenschip

De uitvinding heeft betrekking op een halfgeleiderscha-kelinginrichting met de bijbehorende besturingsketen voor het bestuurd toevoeren van hoogspanningsvermogen aan een elektrische belasting. Meer in het bijzonder heeft de 5 uitvinding betrekking op een vermogensinterfaceketen, waarin de laagspanningsbesturingsketens liggen buiten de vermogenschip, doch worden gevoed via een spanningsregelaar, aangebracht op de aparte vermogenschip.

De gebruikelijke vermogensinterfaceketens (PXC) worden 10 toegepast voor het bestuurd voeden van een elektrische belasting met hoge spanning. Deze componenten worden in de handel gebracht onder de merknaam "ChipSwitch" en "PVR" door aanvraagster.

Vermogensinterfaceketens omvatten een besturingsaan-15 sluiting, zoals de poort van een thyristor of de basis van een bipolaire vermogenstransistor. Besturingsketens van verschillende vorm zijn reeds voorgesteld voor het verkrijgen van schakelsignalen op de besturingsaansluitingen der schakelinrichtingen. De besturingsketens kunnen ook ver-20 schillende vormen van vermogensbeïnvloeding mogelijk maken, zoals het vergroten van de werk-rustverhouding van het toegevoerde vermogen, uitgaande van de onbelaste naar de volledige belaste toestand, het besturen van het ondersteken bij de nuldoorgang, het onderdrukken van hét ontsteken als 25 gevolg van spanningspieken, etc.

De gebruikelijke wijze van het vormen van een PIC is het integreren van zowel de vermogensschakelstructuur als de bijbehorende besturingsketens op hetzelfde chiplichaam. PIC-inrichtingen van deze soort worden soms aangeduid als 30 "intelligente" vermogens IC's, als gevolg van de aanwezigheid van dikwijls gecompliceerde besturingsketens op de vermogenschip.

Op het ogenblik is de hoeveelheid intelligentie, die kan worden geïntegreerd in een vermogensinrichting, beperkt 35 als gevolg van de, nog te bespreken, oorzaken. De uitvinding

870 03 H

ψ * 2 verschaft een techniek, met behulp waarvan een aanzienlijke mate van intelligentie kan worden ingebracht in een PIC door middel van op zich bekende en goedkope methoden.

Het bestand zijn tegen spanning van een vermogensscha-5 kelaar, al dan niet geïntegreerd, is een van de belangrijkste kenmerken daarvan. Dit geldt in het bijzonder in omgevingen, waarin veel storingen voorkomen, zoals bij industriële toepassingen en bij toepassingen in de automobielindustrie, waar spanningspieken normaal zijn. In een monoli-10 tisch PIC moeten alle componenten, die zorgen voor de intelligentie en de besturingsfuncties in dezelfde mate bestand zijn tegen spanningen als de vermogensschakeleen-heid, zo niet dan moeten speciale buffer- en isolatietech-nieken worden toegepast voor het effectief afschermen van 15 dergelijke besturingsfuncties van het hoogspanningsgedeelte. Deze technieken doen de afmetingen en de vervaardigingskos-ten stijgen.

Daar deze spanning normaliter hoger is dan 30 of 40 volt, kunnen de gebruikelijke goedkope vervaardigingstech-20 nieken, die normaliter toepassing vinden bij het opbouwen van ketens en microprocessors, niet worden gebruikt voor een intelligent PIC. Andere vervaardigingstechnieken moeten worden gebruikt, die grote hoeveelheden siliciumoppervlak vergen voor het integreren van de meeste basisfuncties. Deze 25 technieken hebben een intrinsiek lage opbrengst. Dit beperkt weer de hoeveelheid intelligentie, die in de vermogensschakelaar kan worden ingebouwd.

De uitvinding beoogt een vermogensschakelaar te verschaffen, waarin tegen lage kosten een hoge mate van intel-30 ligentie kan worden opgenomen.

Voorts beoogt de uitvinding een vermogensschakelaar te verschaffen, die kan worden vervaardigd met de bekende vervaardigingstechnieken, welke een hoge opbrengst geven.

Een ander doel is het verkrijgen van een vermogensscha-35 kelaar met een zo klein mogelijk chipoppervlak, waarbij toch de besturingsketens een hoge mate van intelligentie hebben.

Dit doel wordt bereikt met de maatregelen, zoals beschreven in de hoofdconclusie.

8700314 fe· 3

Met de terra "hoogspanning" wordt daarbij gedoeld op spanningen, aanzienlijk groter dan 5 volt, welke de spanning is, die normaliter wordt toegepast voor het sturen van een microprocessorchip. De hoogspanning is van de orde van 5 grootte, gewoonlijk toegepast in woningen en fabrieken en kan bijvoorbeeld 120 of 220 volt wisselspanning zijn.

In de vermogenschip volgens de uitvinding zijn middelen ondergebracht voor het opwekken van een geregelde laagspan-ning, uitgaande van de hoogspanning, die op de vermogenschip 10 wordt gedrukt. Met laagspanning wordt daarbij bedoeld de spanning, die gewoonlijk wordt toegepast voor het voeden van microprocessorchips, bijvoorbeeld 5 volt wisselspanning. Voorts zijn middelen voorzien voor het toevoeren van de geregelde laagspanning aan de ingangsvoedingsaansluiting van 15 de regelchip. De laagspanningsregelchip wordt dan ook gevoed vanuit de hoogspanningsvermogenschip. Middelen zijn aangebracht voor het verbinden van een uitgangsbesturingsaanslui-ting van de besturingschip met de vermogensschakelchip.

De PIC volgens de uitvinding kan een hoge mate van 20 intelligentie hebben, daar de laagspanningsvermogenschip met fabricagetechnieken, die een grote dichtheid geven, kan worden vervaardigd. Deze laagspanningsbesturingschip kan een in de handel verkrijgbare microprocessorchip zijn of een andere inrichting, die met de bekende technieken kan worden 25 vervaardigd. De totaalkosten van de PIC zijn laag, omdat de laagspanningsbesturingsinrichting niet bestand hoeft te zijn tegen hoge spanningen en ook niet behoeft te worden gebufferd door middel van isolatietechnieken ten opzichte van het hoogspanningsgedeelte der PIC, zoals dit bij de bekende 30 PIC’s het geval is.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening.

Figuur 1 is het blokschema van een PIC volgens de uitvinding; 35 Figuur 2 is het blokschema van de verschillende inrich tingen, aanwezig in de hoogspanningsvermogenschip, getekend als hoogspanningsschakelaar in figuur 1’

Figuur 3 is een afbeelding overeenkomstig figuur 2 en 8700314 Λρ * 4 · toont een verdere inrichting, die kan worden opgenomen in de vermogenschip volgens figuur 1;

Figuur 4a-4c zijn schema's van verschillende spannings-regelaars, die kunnen zijn opgenomen in de vermogenschip 5 volgens figuur 1.

In de figuren zijn overeenkomstige elementen aangegeven met gelijke verwijzingscijfers. Figuur 1 toont een vermo-gensinterfaceketen ("PIC") PIC 10 volgens de uitvinding. PIC 10 omvat een hoogspanningsvermogens IC of chip 12 en een 10 laagspanningsbesturings IC 14. De IC's 12 en 14 kunnen zijn aangebracht op een gemeenschappelijk substraat of in verschillende behuizingen. Het vermogens IC 12 omvat een vermogensschakelinrichting, zoals een integrale bipolaire transistor, een thyristor, of een MOSFET schakelinrichting 15 (niet getekend), die de voeding naar een paar hoofdschakel-aansluitingen 14, 15, uitgaande van een niet-getekende hoogspanningsvoeding, welke een hoogspanning brengt op de hoogspanningslijn 16, kan schakelen.

In·het vermogenschip 12 bevindt zich een spanningrege-20 laar 18, welke een of meer geregelde laagspanningen kan leveren, uitgaande van de hoogspanning op de lijn 16. De geregelde spanning VREG wordt toegevoerd aan de ingangslij-nen 20 van het laagspanningsbestureings IC 14 voor het leveren van de werkspanning aan het besturings IC. De 25 geregelde spanning kan van 5 tot 15 volt zijn, bijvoorbeeld, afhankelijk van de eisen, welke het besturings IC 14 stelt. De spanningregelaar 18 kan zijn uitgevoerd op verschillende wijzen, waarvan enkelen in het hiernavolgende in detail worden besproken.

30 Het besturings IC 14'heeft een of meer besturingsuit- gangslijnen 22, welke zijn verbonden met de vermogenschip 12. Zoals in detail in figuur 2 is afgebeeld, wordt een signaal op de stuurlijn 22 verwerkt door een buffer 24, alvorens te worden toegevoerd aan een poort 26 van de 35 vermogensschakelaar 28. De inrichtingen 24, 26 en 28 zijn duidelijkheidshalve met streeppuntlijnen aangeduid. De buffer 24 kan een inrichting zijn met een hoge ingangsimpe-dantie, die bijvoorbeeld voorkomt, dat de vermogenschip 12 8700314 S- * 5 het signaal, aanwezig op de besturingslijn 22, beïnvloedt.

De vermogenssehakelinrichting 28 kan bijvoorbeeld een thyristor zijn, een bipolaire vermogenstransistor of een metaaloxydehalfgeleider veldeffectvermogenstransistor 5 (MOSFET). Een component, die kan worden gebruikt voor de vermogenssehakelinrichting is de bidirectionele uitgangs-halfgeleiderveldeffecttransistor (BOSFET), beschreven in de Amerikaanse octrooiaanvrage 581.785 d.d. 21 fabruari 1985 ten name van aanvraagster. De besturingsaansluiting 26 van 10 de vermogenssehakelinrichting 28 wordt aangeduid als "poort”, doch deze benaming heeft ook betrekking op de "basis" van een bipolaire vermogenstransistor.

Figuur 1 toont hoe een of meer statuslijnen 30 kunnen zijn aangebracht tussen de vermogenschip 12 en het hestu-15 rings IC 14. De statuslijnen 30 dragen informatie betreffende de condities van de vermogenschip 12, zoals de temperatuur daarvan. Het besturings IC 14 reageert in responsie op de informatie op de statuslijnen 30 op deze statusinformatie en bepaalt welke geschikte besturingsinformatie via de 20 besturingsuitgangslijnen 22 aan de vermogenschip moet worden toegevoerd. Figuur 3 toont bijvoorbeeld hoe, wanneer een temperatuurtaster 32 in de vermogenschip 12 detecteert dat de temperatuur van de vermogenschip toeneemt tot een niveau dat een bepaalde waarde overschrijdt, het besturings IC 14 25 daarop kan reageren door het verkleinen van de werk-rustver-houding van de vermogenssehakelinrichting 28 in de vermogenschip 12.

Volgens figuur 1 kan het laagspanningsbesturings IC 14 een of meer logische ingangen 34 hebben. Op deze wijze kan 30 het besturings IC 14 besturingssignalen ontvangen van een niet-getekende uitwendige bron, zodat de vermogensschakelaar 10 op een dergelijke uitwendige bron kan reageren. Het laagspanningsbesturings IC 14 kan een goedkope microproces-sorchip of een VLSI chip zijn. Deze componenten kunnen 35 worden vervaardigd met de algemeen gebruikelijke vervaardi-gingstechnieken, resulterend in een hoge dichtheid bestu-ringselementen voor een grote "intelligentie" en een hoge fabricage-opbrengst bij lage kosten. Bij voorkeur zijn de 8700314 «*· c 6 chips 12 en 14 opgenomen in een gemeenschappelijke behuizing.. Een of meer vermogenschips 12 of besturingschips 14 kunnen, op een gemeenschappelijk chip zijn aangebracht. Uiteraard zijn de chips 12 en 14 van elkaar geïsoleerd, 5 zodat de hoogspanning van de chip 12 niet de laagspannings-chip 14 kan bereiken.

De spanningsregelaar 18 van de hoogspanningsvermogens-chip 12 krijgt zijn vermogen van de hoogspanningslijn 16. De hoogspanning kan worden geleverd via een andere lijn of 10 aansluiting van IC 12, welke dezelfde potentiaal kan hebben als de lijn 16. Voorkeursuitvoeringsvormen voor de spanning-regelaar 18 zijn afgeheeld in de figuren 4a, 4b en 4c. De schakelingen volgens de figuren 4a-4c zijn bestemd integraal te worden opgenomen in de hoogspanningsvermogenschip 12 met 15 uitzondering van bijvoorbeeld inductieve of capacitieve elementen, die gemakkelijker kunnen worden gerealiseerd als discrete componenten, aangebracht binnen of buiten de gemeenschappelijke behuizing voor de chip 12 of 14.

Volgens figuur 4a wordt de spanningregelaar 18 gevormd 20 door een Zenerdiode 40, die op de gebruikelijke wijze is geïntegreerd in een klein oppervlaktedeel van chip 12. De diode 40 is met de anode verbonden met de hoogspanningslijn 16 via de stroombegrenzingsweerstand 42 en de kathode is verbonden met het referentiepunt 21. De weerstand 42 kan ook 25 in chip 12 zijn geïntegreerd, zoals beschreven in de octrooiaanvrage 581.785. De stroom, die vloeit door de Zenerdiode 40 vanaf de voedingslijn 16, levert een constante of geregelde spanning V^^, gelijk aan de Zenerdoorslagspanning van de diode. Deze geregelde spanning VREQ kan van 5 tot 15 30 vólt zijn, afhankelijk van de gevraagde stuurspanning voor chip 14, en wordt via de lijnen 22 (figuur 2) aan deze chip toegevoerd.

Volgens figuur 4b wordt een geregelde spanning VREG afgenomen van de afvoer D van een p-kanaal MOSFET 44. De 35 bron S van MOSFET 44 ligt aan de hoogspanningslijn 16. Een diode 45 is over de MOSFET 44 verbonden; de anode is verbonden met de bron S en de kathode is verbonden met de afvoer D. De poort G van MOSFET 44 wordt gestuurd door een poort- 8700314 7 stuurketen 46, die de stroom in de MOSFET 44 bestuurt, uitgaande van logische ketens op een op afstand gelegen logische chip voor het handhaven van een constante spanning VREG’ Poortbesturingsketens en MOSFET 44 bevinden zich 5 op de hoofdvermogenschip.

Volgens figuur 4c is aan de keten volgens figuur 4b een afvlakcondensator 60 en een afvlaksmoorspoel 61 toegevoegd met een component 62. De uitgangsspanning VREG wordt afgenomen over de condensator 60. De diode 62 kan zijn geïnte-10 greerd in de vermogenschip.

De spanningregelketens volgens de figuren 4a, 4b en 4c zijn bestemd te worden opgenomen in het hoogspanningsvermo-gens IC met als mogelijke uitzondering de zelfinductie 61 en de condensator 60, die kunnen zijn uitgevoerd als discrete 15 componenten.

De vermogensschakelaar 10 volgens figuur 1 heeft vele voordelen ten opzichte van de stand der techniek betreffende het opnemen van "intelligentie" of besturingsketens in de vermogenschip. Doordat de spanningregelaar 18 in de vermo-20 genschip 12 de voedingsspanning levert voor het aparte laagspanningsbesturings IC 14 kunnen de totaalkosten van de schakelaar 10 worden beperkt, terwijl de mate van "intelligentie" geleverd door het laagspanningsbesturings IC 14 zo groot mogelijk kan zijn. Dit, omdat het laagspanningsbestu-25 rings IC 14 kan worden vervaardigd met de bekende technieken, die een hoge fabricage-opbrengst geven in combinatie met een lage prijs. Een aanzienlijk grotere mate van intelligentie voor een bepaald chipoppervlak kan worden verkregen in het besturings IC dan mogelijk is wanneer de besturings-30 ketens zijn opgenomen in de hoogspanningsvermogenschip 12. Dit, omdat besturingsketens, indien opgenomen in een hoog-spanningsinrichting, een lager componentdichtheid hebben als gevolg van de noodzaak bestand te zijn tegen hoge spanningen of de noodzaak grote oppervlakken-te gebruiken voor het 35 bufferen en isoleren van de laagspanningsketens. De uitvinding resulteert dan ook in een vermogenschip met aanzienlijk meer besturingsfunctiecapaciteit bij een aanzienlijk lagere prijs dan de gebruikelijke vermogenschips.

87003 1 4

Claims (13)

11. Vermogens inter faceke ten, omvattende een besturingschip, gevoed vanuit een hulpgedeelte van een vermogenschip, gekenmerkt door: a) een laagspanningsbesturingschip met een ingangsvoeding- 5 aansluiting, waarop vermogen voor het bedrijven van de chip wordt toegevoerd, en met een uitgangsbesturings-verbinding; b) een hoogspanningsvermogenschip, gescheiden van genoemde laagspanningsbesturingschip en met een vermogensscha- 10' kelinrichting voor het schakelend toevoeren van vermogen aan een elektrische belasting, welke vermogenschip integraal een geleider omvat, waarop hoogspanning wordt toegevoerd en met middelen voor het opwekken van een geregelde spanning, uitgaande van genoemde hoogspan- 15 ning, welke op genoemde geleider wordt toegevoerd; c) middelen voor het toevoeren van genoemde geregelde spanning aan de ingangsvoedingaansluiting van de besturingschip, een en ander zodanig, dat de laagspanningsbesturingschip wordt gevoed vanuit de hoogspan- 20 ningsvermogenschip; en d) middelen voor het verbinden van genoemde uitgangsbestu-ringsverbinding met genoemde vermogensschakelaar, zodanig dat de hoogspanningsschakelinrichting wordt bestuurd vanuit de laagspanningsbesturingschip.

2. Keten volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat a) de vermogenschip integraal een statusketen omvat voor het meten van een statusconditie van genoemde vermo-gensschakelinrichting; en b) genoemde besturingschip ingangsmiddelen omvat voor het 30 ontvangen van statusinformatie vanuit genoemde status keten en besturingsmiddelen voor het reageren op genoemde statusinformatie en het bepalen van bestu-ringsinformatie op genoemde uitgangsbesturingsverbin-ding.

3. Keten volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde middelen voor het leveren van een geregelde spanning een 8700314 Zenerdiode omvatten, verbonden met een ingang op de vermo-genschip, waarop een hoogspanning wordt aangelegd.

4. Keten volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde middelen voor het leveren van een geregelde spanning een 5 schakelinrichting omvatten, opgenomen tussen een ingang op genoemde vermogenschip, waarop hoogspanning wordt toegevoerd en de ingangsvermogensaansluiting.

5. Keten volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde laagspanningsbesturingschip een microprocessor is.

6. Keten volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde laagspanningsbesturingschip een VLSI chip is.

7. Vermogensschakelaar, gekenmerkt door: een hoogspanningsvermogensvoeding voor het toevoeren van een spanning aan een belasting als functie van een 15 daaraan aangelegd stuursignaal, welke vermogensvoeding tevens een geregelde uitgangsspanning opwekt, welke aanzienlijk lager is dan genoemde belastingsspanning, en een laagspanningsbesturingschip, welke wordt gevoed door genoemde geregelde uitgangsspanning en welke genoemd 20 stuursignaal voor de vermogensvoeding opwekt, welke bestu-ringschip gescheiden is van de vermogensvoeding.

8. Vermogensschakelaar volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat genoemde laagspanningsbesturingschip een microprocessor is.

9. Vermogensschakelaar volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat genoemde laagspanningsbesturingschip een VLSI chip is.

10. Vermogensinterfaceketen voor het schakelend toevoeren van vermogen aan een elektrische belasting in responsie op 30 een besturingssignaal, welke keten in vermogensschakelinrichting omvat, opgenomen in een vermogenschip en uitgevoerd met een poortaansluiting, gekenmerkt door: een besturingschip, gescheiden van genoemde vermogenschip voor'het leveren van een besturingssignaal, dat wordt 35 aangelegd aan genoemde poortaansluiting, en een hulpgedeelte van genoemde vermogenschip voor het leveren van een geregelde spanning ter voeding van de besturingschip. 8700314 < I.

11. Keten, volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat a) genoemde vermogenschip integraal een statusketen omvat voor het meten van een statusconditie van genoemde vermogensschakelinrichting, en 5 b) genoemde besturingschip ingangsmiddelen omvat voor het ontvangen van statusinformatie vanuit genoemde statusketen en besturingsmiddelen voor het reageren op genoemde statusinformatie en het bepalen van bestu-ringsinformatie op genoemde uitgangsbesturingsaanslui-10 ting.

12. Vermogensschakelaar volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat genoemde laagspanningsbesturingschip een microprocessor is.

13. Vermogensschakelaar volgens conclusie 10, met het 15 kenmerk, dat genoemde laagspanningsbesturingschip een VLSI chip is. 8700314