DE102009029352A1

DE102009029352A1 - Ansteuerschaltung für ein Halbleiterschaltelement mit einem Transformator

Info

Publication number: DE102009029352A1
Application number: DE102009029352A
Authority: DE
Inventors: Marcus Nuebling; Jens Barrenscheen; Bernhard Strzalkowski
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2010-04-08
Also published as: US20150077161A1; US8816653B2; US20100072971A1; US9455704B2

Abstract

Beschrieben wird eine Ansteuerschaltung für ein Halbleiterschaltelement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung mit einem Transformator für ein Halbleiterschaltelement.
Halbleiterbauelemente, wie z. B. Leistungs-MOSFET oder Leistungs-IGBT, werden zunehmend als Schaltelemente zum Schalten elektrischer Lasten eingesetzt. Leistungs-MOSFET oder Leistungs-IGBT sind spannungsgesteuerte Bauelemente, die abhängig von einer an einem Ansteueranschluss (Gate-Anschluss) anliegenden Ansteuerspannung leiten oder sperren. Diese Ansteuerspannung kann durch eine Ansteuerschaltung abhängig von einem Schaltsignal, das z. B. ein Logiksignal ist, erzeugt werden.
Es gibt Schaltungsanwendungen, bei denen das Schaltsignal und die Ansteuerspannung Signale bzw. Spannungen sind, die auf unterschiedliche elektrische Bezugspotenziale bezogen sind. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn das Halbleiterschaltelement als sogenannter High-Side-Schalter eingesetzt ist. Das Bezugspotenzial für die Ansteuerspannung, das dem elektrischen Potenzial an einem der Laststreckenanschlüsse des Halbleiterschaltelements entspricht, kann sich bei einer solchen Anwendung abhängig vom Schaltzustand des Halbleiterschaltelements ändern. Zur Erzeugung einer Ansteuerspannung mit einem solchen wechselnden Bezugspotenzial können Bootstrap-Schaltungen, Pegelumsetzter (Level-Shifter) oder auch galvanische Entkopplungselemente, wie z. B. Optokoppler oder Transformatoren verwendet werden.
Die Erzeugung der Ansteuerspannung erfordert außer einer Information über das Schaltsignal außerdem eine Versorgungsspannung, aus der die Ansteuerspannung abhängig von dem Schaltsignal erzeugt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ansteuerschaltung für ein Halbleiterschaltelement zur Verfügung zu stellen, die eine Ansteuerspannung für das Halbleiterschaltelement aus einer Versorgungsspannung erzeugt und die keine separaten Anschlüsse zur Zuführung der Versorgungsspannung benötigt.
Diese Aufgabe wird durch eine Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für ein Halbleiterschaltelement die aufweist: wenigstens eine erste Spannungsversorgungsschaltung mit einem ersten Oszillator, einem ersten Transformator, der dem ersten Oszillator nachgeschaltet ist, und einer ersten Akkumulationsschaltung zur Bereitstellung einer ersten Versorgungsspannung, die dem ersten Transformator nachgeschaltet ist; eine Treiberschaltung mit Eingangsklemmen zur Zuführung der ersten Versorgungsspannung und mit Ausgangsklemmen zur Bereitstellung einer Ansteuerspannung für das Halbleiterschaltelement, die dazu ausgebildet ist, die Ansteuerspannung für das Halbleiterschaltelement wenigstens aus der ersten Versorgungsspannung zu erzeugen.
Verschiedene Beispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren erläutert. Die Figuren sind dabei nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, der Schwerpunkt liegt vielmehr auf der Erläuterung des Grundprinzips. In den Figuren sind dabei lediglich die zum Verständnis dieses Grundprinzips notwendigen Teile bzw. Bauelementzonen dargestellt. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
1 veranschaulicht ein erstes Beispiel einer Ansteuerschaltung, die eine erste Spannungsversorgungsschaltung mit einem Oszillator, einem Transformator und einer Akkumulationsschaltung und eine an die erste Spannungsversorgungsschaltung angeschlossene Treiberschaltung aufweist.
2 veranschaulicht ein Beispiel einer Akkumulationsschaltung.
3 veranschaulicht ein erstes Beispiel einer Treiberschaltung.
4 veranschaulicht ein zweites Beispiel einer Treiberschaltung.
5 veranschaulicht ein Beispiel einer Treiberschaltung, die ein zwischen Ausgangsklemmen der Treiberschaltung geschaltetes Halbleiterschaltelement und eine Ansteuerschaltung für das Halbleiterschaltelement aufweist.
6 veranschaulicht ein erstes Beispiel der Ansteuerschaltung für das Halbleiterschaltelement.
7 veranschaulicht ein zweites Beispiel der Ansteuerschaltung für das Halbleiterschaltelement.
8 veranschaulicht ein Beispiel einer Ansteuerschaltung, die eine erste und eine zweite Spannungsversorgungsschaltung zur Bereitstellung erster und zweiter Versorgungsspannungen und eine Treiberschaltung, der die zwei Versorgungsspannungen zugeführt sind, aufweist.
9 zeigt einen Teil einer gegenüber der Ansteuerschaltung gemäß 8 abgewandelten Ansteuerschaltung.
10 zeigt ein erstes Beispiel einer Treiberschaltung, der zwei Versorgungsspannungen zugeführt sind.
11 zeigt ein zweites Beispiel einer Treiberschaltung, der zwei Versorgungsspannungen zugeführt sind.
12 zeigt schematisch eine Treiberschaltung, die eine Ansteuerspannung wahlweise aus einer ersten oder einer zweiten Versorgungsspannung erzeugt.
13 zeigt ein Realisierungsbeispiel der Treiberschaltung gemäß 12.
14 zeigt ein Beispiel einer Akkumulationsschaltung, die zwei Versorgungsspannungen bereitstellt.
15 zeigt ein weiteres Beispiel einer Ansteuerschaltung mit zwei Spannungsversorgungsschaltungen.
16 zeigt ein Beispiel einer Treiberschaltung für die Ansteuerschaltung gemäß 15.
17 veranschaulicht eine Ansteuerschaltung, die mehrere kaskadierte Spannungsversorgungsschaltungen mit je einem Oszillator, einem Transformator und einer Akkumulationsschaltung aufweist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt ein Beispiel einer Ansteuerschaltung zur Erzeugung einer Ansteuerspannung für ein Halbleiterschaltelement. Zu Zwecken der Erläuterung ist ein solches Halbleiterschaltelement 1 in 1 ebenfalls dargestellt. Dieses Halbleiterschaltelement 1 weist einen Ansteueranschluss und eine Laststrecke auf und ist in dem dargestellten Beispiel ein selbstsperrender n-Kanal-MOSFET, der einen Gateanschluss G als Ansteueranschluss und eine Drain-Source-Strecke als Laststrecke aufweist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung eines n-Kanal-MOSFET als Halbleiterschaltelement lediglich als Beispiel zu verstehen ist und dass selbstverständlich beliebige andere Halbleiterschaltelemente, d. h. z. B. gleitende MOSFET, IGBT oder Bipolartransistoren als Halbleiterschaltelemente verwendet werden können. Während des Betriebs der Ansteuerschaltung und des Halbleiterschaltelements 1 ist das Halbleiterschaltelement 1 mit seiner Laststrecke beispielsweise in Reihe zu einer elektrischen Last Z (gestrichelt dargestellt) zwischen Versorgungsspannungsklemmen geschaltet. Die Last Z kann eine beliebige elektrische Last sein und kann insbesondere auch ein weiteres Halbleiterschaltelement umfassen, mit dem das in 1 dargestellte Halbleiterschaltelement 1 gemeinsam eine Halbbrücke bildet.
Eine durch die Ansteuerschaltung erzeugte Ansteuerspannung V5 dient zur leitenden oder sperrenden Ansteuerung des Halbleiterschaltelements 1. Der in 1 dargestellte MOSFET leitet abhängig von einer zwischen seinem Gateanschluss G und seinem Sourceanschluss S anliegenden Spannung. Ausgänge 53, 54 der Ansteuerschaltung, an denen die Ansteuerspannung zur Verfügung steht, sind in dem dargestellten Beispiel daher zwischen den Gateanschluss G und den Sourceanschluss S dieses MOSFET geschaltet. Allgemein gilt, dass die Ausgangsanschlüsse 53, 54 der Ansteuerschaltung an die Anschlüsse des Halbleiterschaltelements anzuschließen sind, die zum Anlegen einer Ansteuerspannung für das Halbleiterschaltelement dienen.
Die in 1 dargestellte Ansteuerschaltung umfasst eine erste Spannungsversorgungsschaltung mit einem ersten Oszillator 2, einem dem ersten Oszillator 2 nachgeschalteten ersten Transformator 3 und einer dem ersten Transformator 3 nachgeschalteten ersten Akkumulationsschaltung 4, die eine erste Versorgungsspannung V4 bereitstellt. Die Ansteuerschaltung umfasst außerdem eine Treiberschaltung 5, der die erste Versorgungsspannung 4 an Eingangsklemmen 51, 52 zugeführt ist und die die Ansteuerspannung V5 an Ausgangsklemmen 53, 54 der Treiberschaltung 5, die gleichzeitig Ausgangsklemmen der Ansteuerschaltung bilden, zur Verfügung zu stellen. Die Treiberschaltung 5 ist dazu ausgebildet, diese Ansteuerspannung V5 wenigstens aus der ersten Versorgungsspannung V4 zu erzeugen. In noch zu erläuternder Weise besteht auch die Möglichkeit, diese Ansteuerspannung auch aus mehreren Versorgungsspannungen zu erzeugen.
Der Oszillator 2 ist dazu ausgebildet, ein oszillierendes Ausgangssignal V2 abhängig von einem Schaltsignal Sin zu erzeugen. Das Schaltsignal Sin ist beispielsweise ein zweiwertiges Signal, das einen Einschaltpegel und einen Ausschaltpegel annehmen kann. Die Ansteuerspannung V5 wird bei der in Figur dargestellten Ansteuerschaltung in noch zu erläuternder Weise abhängig von diesem Schaltsignal Sin derart erzeugt, dass die Ansteuerspannung V5 dann, wenn das Schaltsignal Sin einen Einschaltpegel annimmt, einen zur leitenden Ansteuerung des Halbleiterschaltelements 1 geeigneten Spannungspegel aufweist, und dann, wenn das Schaltsignal Sin einen Ausschaltpegel annimmt, einen zur sperrenden Ansteuerung des Halbleiterschaltelements 1 geeigneten Spannungspegel annimmt. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass eine Schaltverzögerung zwischen einem Pegelwechsel des Schaltsignals Sin und einem entsprechenden Pegelwechsel der Ansteuerspannung V5 vorhanden sein kann. Darüber hinaus ist die Ansteuerspannung V5 – anders als beispielsweise das Schaltsignal Sin – nicht notwendigerweise ein zweiwertiges Signal.
Der Oszillator 2 ist in dem dargestellten Beispiel durch das Schaltsignal Sin angesteuert, und dazu ausgebildet, bei einem Einschaltpegel des Schaltsignals Sin eine oszillierende Spannung V2 an seinem Ausgang zu erzeugen, und bei einem Ausschaltpegel des Schaltsignals Sin eine Spannung von Null oder eine Gleichspannung an seinem Ausgang zu erzeugen. Der Oszillator 2 kann ein beliebiger selbstschwingender Oszillator sein. Eine Versorgungsspannung zur Erzeugung der oszillieren den Ausgangsspannung V2 ist diesem Oszillator 2 über Spannungsversorgungsklemmen 21, 22 zugeführt.
Die am Ausgang des Oszillators 2 zur Verfügung stehende oszillierende Spannung V2 ist dem Transformator 3 zugeführt. Dieser Transformator 3 weist eine Primärwicklung 31 und eine induktiv mit der Primärwicklung 31 gekoppelte Sekundärwicklung 32 auf. Die Primärwicklung 31 ist dabei an einen Ausgang des Oszillators 2 angeschlossen, so dass die Ausgangsspannung V2 des Oszillators 2 über der Primärwicklung 31 anliegt. Die Primärwicklung 31 kann aber auch schon Teil des Oszillators sein. Eine Ausgangsspannung V3 des Transformators 3 liegt über der Sekundärwicklung 32 an und ist der Akkumulationsschaltung 4 als Eingangsspannung an Eingangsklemmen 41, 42 zugeführt. Der Transformator 3 dient dazu, aus der oszillierenden Ausgangsspannung V3 des Oszillators 2 auf eine zweite oszillierende Spannung V3 zu erzeugen, die am Ausgang des Transformators 3 zur Verfügung steht. Die Signalformen der beiden oszillierenden Spannungen V2, V3 können sich dabei abhängig von den Eigenschaften des Transformators 3 unterscheiden. In diesem Zusammenhang sei noch darauf hingewiesen, dass die am Ausgang des Oszillators 2 zur Verfügung stehende Spannung V2 beispielsweise eine Rechteckspannung, eine dreiecksförmige Spannung oder auch eine sinusförmige Spannung sein kann.
Der Transformator 3 ist beispielsweise ein transformatorkernloser Transformator (Coreless Transformer). Ein solcher Transformator kann platzsparend in oder auf integrierten Schaltungen realisiert werden. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, einige oder alle Schaltungskomponenten der erläuterten Ansteuerschaltung in einem Halbleiterchip zusammen mit dem Transformator 3 zu integrieren.
Der Transformator 3 hat bei der dargestellten Ansteuerschaltung die Aufgabe, Energie von seiner Primärseite auf seine Sekundärseite zu übertragen. Primärseitig steht diese Energie in Form der Ausgangsspannung V2 des Oszillators 2 zur Verfügung, und sekundärseitig steht diese Energie in Form der Ausgangsspannung V3 des Transformators 3 zur Verfügung. Eine Energieübertragung findet dabei nur dann statt, wenn am Ausgang des Oszillators eine oszillierende Spannung anliegt, also dann nicht, wenn diese Spannung eine Gleichspannung oder Null ist. Zur Steuerung der Energieübertragung dient das Schaltsignal Sin, wobei bei einem Einschaltpegel des Schaltsignal Sin Energie übertragen wird und bei einem Ausschaltpegel des Schaltsignals keine Energie übertragen wird. Zu diesem Zweck kann – wie dargestellt – der Oszillator 2 nach Maßgabe des Schaltsignals Sin ein- und ausgeschaltet werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, den Oszillator 2 dauerhaft zu betreiben und eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Oszillator 2 und der Primärwicklung 31, 32 des Oszillators 2 nach Maßgabe des Schaltsignals Sin zu öffnen und zu schließen, wie dies in 1 gestrichelt dargestellt ist.
Die Akkumulationsschaltung 4, der die Ausgangsspannung V3 des Transformators 3 an Eingangsklemmen 41, 42 zugeführt ist, dient dazu, aus der oszillierenden Transformatorausgangsspannung V3 die erste Versorgungsspannung V4 zu erzeugen, die an den Ausgangsklemmen 43, 44 der Akkumulationsschaltung 4 zur Verfügung steht. Diese Ausgangsspannung V4 ist während solcher Zeitdauern, während der Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite des Transformators 3 übertragen wird, wenigstens annähernd eine Gleichspannung. Bei aktiviertem Oszillator 2 wird der Akkumulationsschaltung 4 durch den Transformator 3 periodisch elektrische Ladung zugeführt. Die Akkumulationsschaltung 4 akkumuliert diese ihr zugeführte elektrische Ladung zur Bereitstellung der ersten Versorgungsspannung V4.
Die Akkumulationsschaltung 4 kann eine herkömmliche Schaltungsanordnung sein, die dazu geeignet ist, eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umzusetzen, und die insbesondere geeignet ist, eine Gleichspannung zu erzeugen, deren Amplitu de höher ist als die Amplitude der ihr zugeführten Wechselspannung. Die Akkumulationsschaltung 4 ist beispielsweise eine Ladungspumpenschaltung oder ein Spannungsvervielfacher. Solche Schaltungsanordnungen sind grundsätzlich bekannt, so dass auf weiteres Ausführen hierzu grundsätzlich verzichtet werden kann. Zum besseren Verständnis ist in 2 jedoch ein Beispiel eines solchen Spannungsvervielfachers dargestellt.
Der in 2 dargestellte Spannungsvervielfacher umfasst mehrere kaskadierte Spannungsverdopplungsschaltungen 45₁ , 45₂ , 45_n , die in dem dargestellten Beispiel jeweils als sogenannte Villard-Schaltungen realisiert sind. Jede dieser Spannungsverdopplungsschaltungen umfasst bezugnehmend auf die erste Spannungsverdopplungsschaltung 45₁ zwei kapazitive Speicherelemente 46₁ , 46₂ wie z. B. Kondensatoren, die durch ein erstes Gleichrichterelement 47₁ , wie z. B. eine Diode, miteinander verbunden sind. Ein dem ersten Gleichrichterelement 47₁ abgewandter Abschluss der zweiten Kapazität 49₁ ist dabei über ein zweites Gleichrichterelement 48₁ mit dem der ersten Kapazität 46₁ und dem ersten Gleichrichterelement 47₁ gemeinsamen Knoten verbunden. In der Kaskade der einzelnen Spannungsverdopplungsschaltungen sind jeweils die ersten Kapazitäten (46₁ in der ersten Spannungsverdopplungsschaltung 45₁ ) und die zweiten Kapazitäten (49₁ in der ersten Spannungsverdopplungsschaltung 45₁ ) jeweils in Reihe geschaltet. Über der Reihenschaltung der zweiten Kapazitäten 49₁ ist bei diesem Spannungsvervielfacher 4 eine Spannung abgreifbar, die in etwa dem 2n-fachen der Amplitude der zugeführten Eingangsspannung V3 entspricht, wobei n die Anzahl der kaskadierten Spannungsverdopplungsschaltungen ist. In dem dargestellten Beispiel sind die Ausgangsklemmen 43, 44 an diese Reihenschaltung der zweiten Kapazität 49₁ angeschlossen. In entsprechender Weise könnte als erste Versorgungsspannung V4 am Ausgang der Spannungsvervielfacherschaltung 4 auch die Spannung über der Reihenschaltung mit den ersten Kapazitäten 46₁ ausgegeben werden. Diese Spannung entspricht dem (2n – 1)-fachen der Amp litude der Eingangsspannung V3. Der Spannungsvervielfacher 4 umfasst mindestens eine dieser zwischen die Eingangsklemmen 41, 42 und die Ausgangsklemmen 43, 44 geschalteten Spannungsverdopplungsschaltungen.
Bei der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung wird nach Maßgabe des Schaltsignals Sin Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite der ersten Spannungsversorgungsschaltung übertragen. Diese Energieübertragung von der Primärseite auf die Sekundärseite dient zum Einen zur Spannungsversorgung der sekundärseitigen Komponenten der Spannungsversorgungsschaltung und der Treiberschaltung 5 und dient zum Anderen zur Informationsübertragung, also zur Übertragung der Information, welchen Schaltzustand das Halbleiterschaltelement 1 annehmen soll. Die Treiberschaltung 5 ist dazu ausgebildet, das Halbleiterschaltelement 1 leitend anzusteuern, wenn Energie übertragen wird, was gleichbedeutend damit ist, dass das Schaltsignal Sin einen Einschaltpegel annimmt, und das Halbleiterschaltelement 1 sperrend anzusteuern, wenn keine Energie übertragen wird, was gleichbedeutend damit ist, dass das Schaltsignal Sin einen Ausschaltpegel annimmt.
3 zeigt ein einfach zu realisierendes Beispiel einer Treiberschaltung 5. Diese Treiberschaltung umfasst lediglich einen ohmschen Widerstand 55, der zwischen die Eingangsklemmen 51, 52 und die Ausgangsklemmen 53, 54 geschaltet ist, wobei eine erste 51 der Eingangsklemmen und eine erste 53 der Ausgangsklemmen unmittelbar elektrisch leitend miteinander verbunden sind und eine zweite 52 der Eingangsklemmen und eine zweite 54 der Ausgangsklemmen unmittelbar elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die erste Versorgungsspannung V4 dient bei dieser Treiberschaltung 5 unmittelbar als Ansteuerspannung V5. Das Halbleiterschaltelement 1 ist dabei dann leitend angesteuert, wenn diese erste Versorgungsspannung V4 oberhalb einer Einsatzspannung des Halbleiterschaltelement 1 liegt. Man macht sich hierbei zu Nutze, dass die erste Versorgungsspannung V4 auf einem oberen Spannungspegel gehalten wird, solange Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite übertragen wird. Dieser Spannungspegel ist in erläuterter Weise abhängig von der am Ausgang des Transformators 3 anliegenden Transformatorausgangsspannung V3 und von der verwendeten Akkumulationsschaltung 4. Sobald keine Energie mehr übertragen wird, wenn das Schaltsignal Sin also einen Ausschaltpegel annimmt, sinkt die erste Versorgungsspannung V4 ab, indem die Akkumulationsschaltung 4 über den Widerstand 55 der Treiberschaltung entladen wird. Eine Verzögerungsdauer zwischen einem Pegelwechsel des Schaltsignals Sin und einem Absinken der ersten Versorgungsspannung V4 ist dabei abhängig von einem durch Kapazitäten der Akkumulationsschaltung 4 und dem Widerstand 55 gebildeten RC-Glied.
4 zeigt ein weiteres Beispiel einer Treiberschaltung 5. Bei dieser Treiberschaltung 5 ist eine Laststrecke eines Transistors, in dem Beispiel eines p-Transistors 57 zwischen die Ausgangsklemmen 53, 54 der Treiberschaltung 5 geschaltet. Die Treiberschaltung 5 umfasst außerdem ein Gleichrichterelement 56, wie z. B. eine Diode, das in Flussrichtung zwischen die erste Eingangsklemme 51 und die erste Ausgangsklemme 53 geschaltet ist, sowie den bereits zuvor anhand von 3 erläuterten Widerstand 55, der zwischen die erste und zweite Eingangsklemme 51, 52 geschaltet ist, und der dazu dient, die erste Versorgungsspannung V4 zu verringern, wenn bei einem Ausschaltpegel des Schaltsignals Sin keine elektrische Energie mehr übertragen wird. Der Transistor 57 ist angesteuert durch das Gleichrichterelement 56, das zwischen dessen Emitter und Basisanschluss geschaltet ist. Sinkt bei dieser Schaltungsanordnung die erste Versorgungsspannung V4 soweit gegenüber der Ausgangsspannung V5 ab, dass die Spannungsdifferenz der Einsatzspannung des Transistors 57 entspricht, so wird der Transistor 57 leitend angesteuert um in entsprechender Weise auch die Ausgangsspannung V5 abzusenken.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass MOSFET oder IGBT eine Gate-Source-Kapazität Cgs aufweisen (in 4 gestri chelt dargestellt) aufweisen, die entladen werden muss, um das Halbleiterschaltelement 1 sperrend anzusteuern. Über den Transistor 57 kann diese Gate-Source-Kapazität bei absinkender erster Versorgungsspannung V4 schneller entladen werden, als bei der Schaltungsanordnung gemäß 3, bei der diese Entladung über den Widerstand 55 erfolgen muss.
5 zeigt ein weiteres Beispiel einer Treiberschaltung 5 zur Bereitstellung der Ansteuerspannung V5 aus der ersten Versorgungsspannung V4. Diese Ansteuerschaltung 5 gemäß 5 weist ein erstes Halbleiterschaltelement 61 auf, dessen Laststrecke zwischen die Ausgangsklemmen 52, 54 der Treiberschaltung 5 geschaltet ist. Dieses Halbleiterschaltelement 61 ist in dem dargestellten Beispiel als npn-Bipolartransistor realisiert, kann selbstverständlich jedoch ein beliebiges Halbleiterschaltelement, insbesondere auch ein MOS-Transistor sein. Dieses erste Halbleiterschaltelement 61 ist durch eine Logikschaltung 62 angesteuert. Diese Logikschaltung 62 weist einen Eingang 63 zur Zuführung eines Eingangssignals S62, einen Ausgang 64 zur Bereitstellung eines Ansteuersignals S64 für das erste Halbleiterschaltelement 61 sowie Spannungsversorgungseingänge 65, 66 zur Zuführung einer Versorgungsspannung auf.
Die Spannungsversorgung der Logikschaltung 62 kann unmittelbar durch die erste Versorgungsspannung V4 erfolgen, d. h. die Spannungsversorgungsanschlüsse 65, 66 können unmittelbar zwischen die Eingangsanschlüsse 51, 52 bzw. die Ausgangsanschlüsse 53, 54 der Treiberschaltung 5 geschaltet sein. Optional besteht die Möglichkeit, eine Pufferkapazität bzw. Stützkapazität 67 (gestrichelt dargestellt) vorzusehen, die in Reihe zu einen Gleichrichterelement 68 (ebenfalls gestrichelt dargestellt), wie z. B. eine Diode, zwischen die Eingangsklemmen 51, 52 geschaltet ist. Das Gleichrichterelement 68 und die Pufferkapazität 67 funktionieren bei dieser Schaltung nach Art eines Spitzenwertgleichrichters, wobei das Gleichrichterelement 68 eine Entladung der Pufferkapazität 67 über die Eingangsklemme 51, 52 verhindert, wenn die erste Versorgungsspannung V4 absinkt. Die Spannungsversorgung der Logikschaltung 62 erfolgt in diesem Fall über die Pufferkapazität 67, die Spannungsversorgungsanschlüsse 65, 66 sind also an diese Pufferkapazität 67 angeschlossen.
Das erste Halbleiterschaltelement 61 ist zwischen die Eingangsklemmen 51, 52 bzw. parallel zu der Pufferkapazität 67 geschaltet. Der Schaltzustand dieses ersten Halbleiterschaltelements 1 bestimmt unmittelbar den Wert der Ansteuerspannung V5. Sperrt dieses erste Halbleiterschaltelement 61, so entspricht die Ansteuerspannung V5 der Spannung über der Pufferkapazität 67 bzw. der ersten Versorgungsspannung V4 (wenn keine Pufferkapazität 67 vorhanden ist). Leitet dieses erste Halbleiterschaltelement 61, so ist die Ansteuerspannung V5 annähernd Null bzw. kleiner als eine zur leitenden Ansteuerung des Halbleitererschaltelements erforderliche Spannung, und das durch die Ansteuerschaltung angesteuerte Halbleiterschaltelement (1 in 1) sperrt. Sowohl bei vorhandener als auch bei nicht vorhandener Pufferkapazität wird die Ansteuerspannung aus der ersten Versorgungsspannung erzeugt.
Das der Logikschaltung 62 zugeführte Eingangssignal 562 enthält eine Information darüber, ob Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite des Transformators übertragen wird, und enthält damit eine Information über den Signalpegel des Schaltsignals Sin. Als Eingangssignal S62 der Logikschaltung 62 dient beispielsweise die erste Versorgungsspannung V4.
6 zeigt ein Beispiel einer Logikschaltung 62, die zur Erzeugung des Ausgangssignals S64 die erste Versorgungsspannung V4 auswertet. Das Ausgangssignal S64 kann einen Einschaltpegel, bei dem das erste Halbleiterschaltelement 61 leitet, und einen Ausschaltpegel, bei dem das erste Halbleiterschaltelement 61 sperrt, annehmen. Die in 6 dargestellte Logikschaltung 62 ist dazu ausgebildet, einen Einschaltpegel des Ausgangssignals S64 zu erzeugen, wenn die erste Versorgungsspannung V4 einen vorgegebenen ersten Referenzwert Vref1 übersteigt, und einen Ausschaltpegel des Ausgangssignals S64 zu erzeugen, wenn die erste Versorgungsspannung V4 einen zweiten Spannungspegel Vref2 unterschreitet. Der zweite Spannungspegel Vref2 ist dabei insbesondere kleiner als der erste Spannungspegel Vref1. Zur Erzeugung des Ausgangssignals S64 weist die Logikschaltung 62 beispielsweise ein Flip-Flop 621, das durch einen ersten Komparator 622 gesetzt und einen zweiten Komparator 624 zurückgesetzt werden kann. Der erste Komparator 622 vergleicht die erste Versorgungsspannung V4 mit dem durch eine erste Referenzspannungsquelle 623 bereitgestellten ersten Spannungsschwellenwert Vref1 und setzt das Flip-Flop, wenn die erste Versorgungsspannung V4 diesen ersten Schwellenwert Vref1 übersteigt. Der zweite Komparator 624 vergleicht die erste Versorgungsspannung V4 mit dem zweiten Schwellenwert Vref2, der durch eine zweite Referenzspannungsquelle 625 bereitgestellt wird. Der zweite Komparator 624 setzt das Flip-Flop 621 zurück, wenn die erste Versorgungsspannung V4 unter diesem zweiten Schwellenwert Vref2 absinkt. Eine Versorgungsspannung V4, die oberhalb des ersten Schwellenwertes Vref1 liegt, dient bei der dargestellten Logikschaltung 62 als Hinweis auf eine momentan stattfindende Energieübertragung, also auf einen Einschaltpegel des Schaltsignals Sin. In diesem Fall soll die Ansteuerspannung V5 bezugnehmend auf 5 der ersten Versorgungsspannung V4 bzw. der Spannung über der Pufferkapazität 67 entsprechen. Das erste Halbleiterschaltelement 61 soll also sperren. Das Ausgangssignal S64 ist bei der in 6 dargestellten Logikschaltung 62 das Signal am invertierenden Ausgang Q' des Flip-Flops 621, das bei gesetztem Flip-Flop einen Low-Pegel bzw. Ausschaltpegel annimmt und dadurch das erste Halbleiterschaltelement 61 sperrt. Dieses Ausgangssignal des Flip-Flops 621 kann optional durch eine Treiberschaltung 626 verstärkt werden.
Ein Absinken der ersten Versorgungsspannung V4 unter den zweiten Referenzwert Vref2 dient bei der in 6 darge stellten Logikschaltung 62 als Hinweis darauf, dass momentan keine Energieübertragung stattfindet, dass das Schaltsignal Sin also einen Low-Pegel annimmt. In diesem Fall wird das Flip-Flop 621 zurückgesetzt, wodurch das Ausgangssignal S64 einen High-Pegel bzw. einen Einschaltpegel annimmt und dadurch das erste Halbleiterschaltelement 61 leitend ansteuert, um die Ansteuerspannung V5 zu Null zu setzen.
Die Überwachung der ersten Versorgungsspannung V4 zur Ermittlung des Signalzustandes des Schaltsignals Sin kann vergleichsweise lange Verzögerungszeiten mit sich bringen, da ein Absinken der ersten Versorgungsspannung V4 ein Entladen der in der Akkumulationsschaltung 4 vorhandenen Kapazitäten erfordert. Bezugnehmend auf 7 ist bei einem weiteren Beispiel vorgesehen, eine Information über den Signalzustand des Schaltsignals Sin aus der Ausgangsspannung V3 des Transformators abzuleiten. Diese Transformatorausgangsspannung V3 ist eine oszillierende Spannung, wenn das Schaltsignal Sin einen Einschaltpegel annimmt, und ist sonst Null.
Die Logikschaltung 62 gemäß 7 ist dazu ausgebildet, zu detektieren, ob die Transformatorausgangsspannung V3 eine oszillierende Spannung oder eine Gleichspannung bzw. Null ist. Ist die Transformatorausgangsspannung V3 eine oszillierende Spannung, so nimmt das Ausgangssignal S64 einen Ausschaltpegel bzw. Low-Pegel an, um das erste Halbleiterschaltelement 61 sperrend anzusteuern. Ist die Transformatorausgangsspannung Null, so nimmt das Ausgangssignal S64 einen Einschaltpegel bzw. High-Pegel an, um das erste Halbleiterschaltelement 61 leitend anzusteuern. Zu Detektion des Signalverlaufs der Transformatorausgangsspannung V3 umfasst die dargestellte Logikschaltung 62 eine Reihenschaltung mit einer Kapazität 627 und einem Gleichrichterelement 629, über der die Transformatorausgangsspannung V3 anliegt, sowie einen parallel zu der Kapazität 627 geschalteten Widerstand 628. Solange die Transformatorausgangsspannung V3 eine oszillierende Spannung ist, wird die Kapazität 627 über das Gleichrichterelement regelmä ßig auf den Spitzenwert der Transformatorausgangsspannung V3 aufgeladen und durch den Widerstand 628 wieder teilweise entladen. Das Gleichrichterelement 629 stellt sicher, dass die Kapazität 627 nur über den Widerstand 628 entladen werden kann. Sinkt die Transformatorausgangsspannung V3 auf Null ab, so wird auch die Kapazität 627 auf Null entladen. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die Kapazität 627 dieser Logikschaltung 62 hinsichtlich des Kapazitätswertes deutlich kleiner gewählt werden kann, als die Kapazitäten der Akkumulationsschaltung 4, so dass bei einem Absinken der Transformatorausgangsspannung V3 auf Null diese Kapazität 627 deutlich schneller entladen werden kann. Darüber hinaus kann auch der Widerstand 628 vergleichsweise klein sein. Bei der Dimensionierung dieser beiden Schaltungskomponenten 627, 628 ist lediglich sicher zu stellen, dass die Kapazität 627 nicht bereits während einer Periode der oszillierenden Transformatorausgangsspannung V3 bis auf den noch zu erläuternden Schwellenwert Vref2 entladen wird.
An die Kapazität 627 ist eine Auswerteschaltung angeschlossen, die der anhand von 6 erläuterten Auswerteschaltung zur Auswertung der ersten Versorgungsspannung V4 entspricht. Bei der Logikschaltung 62 gemäß 7 dient diese Auswerteschaltung dazu, die über der Kapazität 627 anliegende Spannung auszuwerten und ein Einschaltsignal des Ausgangssignals S64 zu erzeugen, wenn diese Spannung unter den zweiten Referenzwert Vref2 absinkt. Ein Ausschaltpegel dieses Ausgangssignals S64 wird erzeugt, sobald die Spannung über Kapazität 627 über den ersten Referenzwert Vref1 ansteigt. Der erste und der zweite Referenzwert können bei dieser Auswerteschaltung gleich sein und können sich hinsichtlich ihres Wertes von den Referenzwerten Vref1, Vref2 der Schaltung gemäß 6 unterscheiden. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass das Flip-Flop 621 bei den Schaltungen gemäß der 6 und 7 beispielsweise ein positiv-flankengetriggertes Flip-Flop pegelgetriggertes Flip-Flop ist.
8 zeigt ein weiteres Beispiel einer Ansteuerschaltung zur Erzeugung der Ansteuerspannung V5 für das Halbleiterschaltelement 1. Diese Ansteuerschaltung umfasst eine erste Spannungsversorgungsschaltung zur Bereitstellung einer ersten Versorgungsspannung V4₁ und eine zweite Spannungsversorgungsschaltung zur Bereitstellung einer zweiten Versorgungsspannung V4₂. Die beiden Spannungsversorgungsschaltungen sind entsprechend der zuvor anhand von 1 erläuterten Spannungsversorgungsschaltung realisiert und umfassen jeweils einen Oszillator, einen dem Oszillator nachgeschalteten Transformator sowie eine dem Transformator nachgeschaltete Akkumulationsschaltung. In 8 sind die einzelnen Komponenten der Spannungsversorgungsschaltungen mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet, wobei der tiefgestellte Index ”1” die Komponenten der ersten Spannungsversorgungsschaltung und der tiefgestellte Index ”2” die Komponenten der zweiten Spannungsversorgungsschaltung bezeichnet. Hinsichtlich der Eigenschaften und der Realisierung der einzelnen Komponenten dieser Spannungsversorgungsschaltungen gelten die zuvor im Zusammenhang mit 1 bereits gemachten Ausführungen.
Der erste Oszillator 2₁ der ersten Spannungsversorgungsschaltung und der zweite Oszillator 2₂ der zweiten Spannungsversorgungsschaltung sind jeweils durch das Schaltsignals Sin, jedoch komplementär zueinander angesteuert. Zu einem Zeitpunkt liefert also nur jeweils einer dieser Oszillatoren 2₁ , 2₂ ein oszillierendes Ausgangssignal, d. h. während eines Zeitpunkts wird Energie nur in einer der beiden Spannungsversorgungsschaltungen von der Primärseite zur Sekundärseite des jeweiligen Transformators 3₁ , 3₂ übertragen. Das Schaltsignals Sin ist zu diesem Zweck einer der beiden Spannungsversorgungsschaltungen – in dem Beispiel der ersten Spannungsversorgungsschaltung – direkt, und der anderen der beiden Spannungsversorgungsschaltungen – in dem Beispiel der zweiten Spannungsversorgungsschaltung – invertiert über einen Inverter 7 zugeführt.
Die erste und zweite Versorgungsspannung V4₁, V4₂ sind der Treiberschaltung 5 zugeführt, die abhängig von diesen Versorgungsspannungen V4₁, V4₂ die Ansteuerspannung V5 für das Halbleiterschaltelement 1 erzeugt. Diese Versorgungsspannungen V4₁, V4₂ sind in dem dargestellten Beispiel auf ein gemeinsames Bezugspotenzial, d. h. in dem dargestellten Beispiel auf das elektrische Potenzial der zweiten Eingangsklemme 52 der Treiberschaltung 5 bezogen, an die die zweiten Ausgangsklemmen 44₁ , 44₂ der Akkumulationsschaltungen 4₁ , 4₂ gemeinsam angeschlossen sind. Die ersten Ausgangsklemmen 43₁ , 43₂ der Akkumulationsschaltungen 4₁ , 4₂ sind an zwei separate Eingänge der Treiberschaltung 5 angeschlossen, die in 8 mit 51₁ , 51₂ bezeichnet sind. Und die nachfolgend als erste und zweite Versorgungsspannungseingänge 51₁ 51₂ bezeichnet werden.
Bei der in 8 dargestellten Ansteuerschaltung liegt eine oszillierende Spannung zu einem Zeitpunkt gesteuert durch das Schaltsignal Sin nur an einem der beiden Transformatoren 31, 3₂ an. Hierzu wird bei der dargestellten Ansteuerschaltung jeweils einer der beiden Oszillatoren 2₁ , 2₂ abgeschaltet. 9 zeigt ausschnittsweise eine gegenüber der Ansteuerschaltung gemäß 8 abgewandelte Schaltungsanordnung mit gleicher Funktionalität. Die in 9 dargestellte Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der in 8 dargestellten dadurch, dass nur ein Oszillator 2 vorhanden ist, der dauerhaft angesteuert ist, und dass die Oszillatorausgangsspannung V2 nach Maßgabe des Schaltsignals Sin über einen Umschalter 10, wie z. B. einen Multiplexer, dem ersten Transformator 2₁ der ersten Spannungsversorgungsschaltung oder dem zweiten Transformator 3₂ der zweiten Spannungsversorgungsschaltung zugeführt ist. Entsprechend der in 8 dargestellten Ansteuerschaltung liegt bei einem Einschaltpegel des Schaltsignals Sin eine oszillierende Spannung am ersten Transformator 3₁ und bei einem Ausschaltpegel des Schaltsignals Sin am zweiten Transformator 3₂ an.
10 zeigt ein Beispiel einer Treiberschaltung 5 der Ansteuerschaltung gemäß 8. Diese Treiberschaltung 5 umfasst ein Halbleiterschaltelement 71 mit einer Laststrecke, die zwischen die Ausgangsklemmen 53, 54 bzw. den ersten Versorgungsspannungseingang 51₁ und die zweite Eingangsklemme 52 der Treiberschaltung 5 geschaltet ist. Dieses Halbleiterschaltelement 71 ist beispielsweise ein MOS-Transistor (wie dargestellt) kann jedoch auch ein beliebiger anderer Transistor, wie z. B. ein Bipolartransistor, sein. Dieses erste Halbleiterschaltelement 71 ist angesteuert durch die zweite Versorgungsspannung V4₂. Ein Ansteueranschluss, in dem dargestellten Beispiel ein Gateanschluss, des ersten Halbleiterschaltelements 71 ist hierzu an den zweiten Versorgungsspannungseingang 51₂ der Treiberschaltung 5 angeschlossen. Optional ist ein Widerstand 22 zwischen den zweiten Versorgungsspannungseingang 51₂ und die zweite Eingangsklemme 52 geschaltet.
Die zweite Versorgungsspannung V4₂ erfüllt bei der in 10 dargestellten Treiberschaltung 5 die Funktion eines Ausschaltsignals. Übersteigt dieses zweite Versorgungsspannung V4₂ den Wert einer Einsatzspannung des ersten Halbleiterschaltelements 71, so wird das erste Halbleiterschaltelement 71 leitend angesteuert, wodurch die Ansteuerspannung V5 auf Null oder zumindest auf einen Wert unterhalb der Einsatzspannung des die Last Z schaltenden Halbleiterschaltelements 1 absinkt. Eine leitende Ansteuerung des die Last schaltenden Halbleiterschaltelements 1 erfolgt bei der dargestellten Schaltungsanordnung dann, wenn die erste Ansteuerspannung V4₁ größer ist als die Einsatzspannung des Halbleiterschaltelements 1 und die zweite Versorgungsspannung V4₂ kleiner ist als die Einsatzspannung des ersten Halbleiterschaltelements 71.
11 zeigt ein weiteres Beispiel einer Treiberschaltung für die Ansteuerschaltung gemäß 8. Diese Treiberschaltung unterscheidet sich von der in 10 dargestellten da durch, dass das zur Ansteuerung des ersten Halbleierschaltelements 71 eine Logikschaltung 73 vorhanden ist. Diese Logikschaltung 73 weist in dem dargestellten Beispiel zwei Eingänge 74₁ . 74₂ zur Zuführung der ersten und zweiten Versorgungsspannungen V4₁, V4₂, einen Ausgang 75 zur Bereitstellung eines Ansteuersignals für das erste Halbleitreschaltelement 71, sowie Spannungsversorgungsanschlüsse 76, 77 auf. Eine Spannungsversorgung dieser Logikschaltung 73 kann durch eine beliebige der beiden Versorgungsspannungen V4₁, V4₂ erfolgen. Optional ist eine Pufferkapazität 78 vorhanden, die über ein erstes Gleichrichterelement 79₁ an die erste Versorgungsspannung V4₁ angeschlossen ist und/oder die durch ein zweites Gleichrichterelement 79₂ an die zweite Versorgungsspannung V4₂ angeschlossen ist. In diesem Fall erfolgt die Spannungsversorgung der Logikschaltung 73 über die Pufferkapazität 78. Bei sperrendem ersten Halbleiterschaltelement 71 entspricht die Ansteuerspannung V5 der Spannung über der Pufferkapazität 78. Diese Spannung entspricht jeweils dem Spitzenwert einer der beiden Versorgungsspannungen V4₁, V4₂.
Die in 11 dargestellte Logikschaltung 73 ist dazu ausgebildet, die erste und zweite Versorgungsspannung V4₁, V4₂ auszuwerten und erzeugt beispielsweise ein Ausschaltsignal für das erste Halbleiterschaltelement 71, wenn die erste Versorgungsspannung V4₁ über einen vorgegebenen ersten Referenzwert ansteigt. Die Ansteuerspannung V5 entspricht in diesem Fall der ersten Versorgungsspannung V4₁ oder der Spannung über der Pufferkapazität 78. Die Logikschaltung 73 ist außerdem dazu ausgebildet, einen Einschaltpegel des ersten Halbleiterschaltelements 71 zu erzeugen, wenn die zweite Versorgungsspannung V4₂ über eine zweiten Referenzwert ansteigt, der hinsichtlich seines Betrags dem ersten Referenzwert entsprechen kann. Das erste Halbleiterschaltelement 71 ist in diesem Fall leitend angesteuert, so dass die Ansteuerspannung V5 wenigstens annähernd Null ist.
Die Auswertung der Versorgungsspannungen V4₁, V4₂ und die Erzeugung des Ansteuersignals S75 kann analog der Logikschaltung 62 gemäß 6 mittels Referenzspannungsquellen, Komparatoren und einem Flip-Flop erfolgen.
Entsprechend der anhand von 7 erläuterten Logikschaltung 62 kann die Logikschaltung 73 gemäß 11 auch dazu ausgebildet sein, das Ansteuersignal S75 abhängig von den Transformatorausgangsspannungen (V3₁, V3₂ in 8) zu erzeugen. Diese Logikschaltung ist dann beispielsweise so ausgebildet, dass sie einen Ausschaltpegel des Ausgangssignals S75 erzeugt, wenn eine oszillierende Spannung V3₁ am Ausgang des ersten Transformators 3₁ detektiert wird, und dass sie einen Einschaltpegel des Ausgangssignal S75 erzeugt, wenn eine oszillierende Spannung V3₂ am Ausgang des zweiten Transformators 3₂ detektiert wird. Eine Detektion einer oszillierenden Spannung kann entsprechend der Ausführungen zu 7 über eine Detektionsschaltung erfolgen, die eine Kapazität, einen Widerstand und ein Gleichrichterelement (627, 628, 629 in 7) umfasst.
Bei den zuvor erläuterten Ansteuerschaltungen ist die Ansteuerspannung V5 bezogen auf die zweite Ausgangsklemme 54 entweder eine positive Spannung oder Null. Um ein rasches Schalten des Halbleiterschaltelements 1 zu gewährleisten, kann es jedoch wünschenswert sein, als Ansteuerspannung V5 bezogen auf die zweite Ausgangsklemme 54 entweder eine positive Spannung oder eine negative Spannung zur Verfügung zu stellen.
12 zeigt schematisch die grundsätzliche Funktionsweise einer Treiberschaltung 5, der eine bezogen auf das Potential der zweiten Ausgangklemme 54 positive erste Versorgungsspannung V4+ und eine bezogen auf das Potential dieser zweiten Ausgangsklemme 54 negative Versorgungsspannung V4– zugeführt sind. Die Treiberschaltung 5 ist dazu ausgebildet, wahlweise eine dieser Versorgungsspannungen V4+, V4– bzw. eine von diesen Versorgungsspannungen V4+, V4– abhängig Spannung an die erste Ausgangsklemme 53 anzulegen, um dadurch wahlweise eine positive oder eine negative Ansteuerspannung V5 zu erzeugen.
13 zeigt ein Realisierungsbeispiel einer Treiberschaltung 5, die zur Erzeugung einer positiven oder negativen Ansteuerspannung V5 geeignet ist. Diese Treiberschaltung 5 entspricht der anhand von 5 erläuterten Treiberschaltung mit dem Unterschied, dass die zweite Eingangsklemme 52 nicht an die zweite Ausgangsklemme 54 angeschlossen ist und dass ein erstes Halbleiterschaltelement 61₁ zwischen die erste Eingangsklemme 51 und die erste Ausgangsklemme 53 und ein zweites Halbleiterschaltelement 61₂ zwischen die zweite Eingangsklemme 52 und die Ausgangsklemme 53 geschaltet ist. Diese ersten und zweiten Halbleiterschaltelemente 61₁ , 61₂ sind komplementär zueinander angesteuert. Diese beiden Halbleiterschaltelemente 61₁ , 61₂ sind zu diesem Zweck komplementäre Transistoren, in dem dargestellten Beispiel pnp- und npn-Bipolartransistoren, die durch ein gemeinsames Ansteuersignal angesteuert sind. Leitet in dem dargestellten Beispiel das erste Halbleiterschaltelement 61₁ so liegt die positive Versorgungsspannung als Ansteuerspannung V5 an, und leitet das zweite Halbleiterschaltelement 61₂ so liegt die negative Versorgungsspannung V4– als Ansteuerspannung V5 an. Die Erzeugung eines Ansteuersignals S64 für die beiden Halbleiterschaltelement 61₁ , 61₂ erfolgt durch eine Logikschaltung 62, die der anhand der 6 und 7 bereits erläuterten Logikschaltung 62 entsprechen kann und die das Ansteuersignal S64 beispielsweise abhängig von der zwischen den Eingangsklemmen 51, 52 anliegenden Versorgungsspannung V4 oder abhängig von der Transformatorausgangsspannung V3 erzeugt.
Bezugnehmend auf 14 können eine positive und eine negative Versorgungsspannung V4+, V4– durch eine einzige Akkumulationsschaltung 4 erzeugt werden. Diese Akkumulationsschaltung 4 gemäß 14 unterscheidet sich von der anhand von 2 erläuterten Akkumulationsschaltung 4 dadurch, dass sie eine Referenzpotenzialklemme 49 aufweist, die durch einen Mittenabgriff der Reihenschaltung der zweiten Kapazitäten gebildet ist. Zwischen der ersten Ausgangsklemme 43 und dieser Referenzpotenzialklemme 49 liegt in diesem Fall eine positive Versorgungsspannung V4+, und zwischen der zweiten Ausgangsklemme 44 und der Referenzpotenzialklemme 49 liegt in diesem Fall eine negative Versorgungsspannung V4– an. Die Summe dieser beiden Spannungen entspricht der Ausgangsspannung V4. Die Referenzpotenzialklemme 49 ist an den zweiten Ausgangsanschluss 54 der Treiberschaltung 5 bzw. den zweiten Laststreckenanschluss bzw. Sourceanschluss des Halbleiterschaltelements 1 angeschlossen. Diese Referenzpotenzialklemme 49 ist in 13 dargestellt. Das Verhältnis der Beträge zwischen der positiven Versorgungsspannung V4+ und der negativen Versorgungsspannung V4– kann über die Position des Mittenabgriffs in der Reihenschaltung der zweiten Kapazitäten eingestellt werden. Je näher dieser Mittenabgriff an der zweiten Ausgangsklemme 44 liegt, umso kleiner ist der Betrag der negativen Spannung V4+ bezogen auf den Betrag der positiven Spannung V4+. Bei drei Kapazitäten kann der Betrag der negativen Spannung V4– – wie im dargestellten Beispiel – so eingestellt werden, dass er 50% des Betrags der positiven Spannung V4+ entspricht.
15 zeigt ein weiteres Beispiel einer Ansteuerschaltung, in der bezogen auf die zweite Ausgangsklemme 54 der Treiberschaltung 5 ein positives Versorgungspotenzial V4+ und ein negatives Versorgungspotenzial V4– erzeugt werden. Diese Ansteuerschaltung umfasst zwei Spannungsversorgungsschaltungen, die jeweils entsprechend der anhand von 1 erläuterten Spannungsversorgungsschaltung aufgebaut sind, die also jeweils einen Oszillator 2₁ , 2₂ , einen dem Oszillator nachgeschalteten Transformator 3₁ , 3₂ und eine dem Transformator nachgeschaltete Akkumulationsschaltung 4₁ , 4₂ aufweisen. Gleiche Komponenten sind in 15 mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet, wobei zur Unterscheidung der beiden Spannungsversorgungsschaltungen die Komponenten der ersten Spannungsversorgungsschaltung mit dem tiefgestellten Index ”1” und die Komponenten der zweiten Spannungsversorgungsschaltung mit dem tiefgestellten Index ”2” bezeichnet sind. Die zweite Ausgangsklemme 44₁ der ersten Akkumulationsschaltung 4₁ und die erste Ausgangsklemme 43₂ der zweiten Akkumulationsschaltung 4₂ sind an einen gemeinsamen Schaltungsknoten 45 angeschlossen, der einen Referenzpotenzialknoten bildet, auf den die Ausgangsspannungen der ersten und zweiten Spannungsversorgungsschaltung bezogen sind. Die Ausgangsspannung V4+ der ersten Spannungsversorgungsschaltung ist hierbei bezogen auf diesen Referenzpotenzialknoten 45 eine positive Spannung, während die Ausgangsspannung V4– der zweiten Spannungsversorgungsschaltung bezogen auf diesen Referenzpotenzialknoten 45 eine negative Spannung ist. Dieser Referenzpotenzialknoten 45 ist an die zweite Ausgangsklemme 54 der Treiberschaltung 5 angeschlossen, bzw. bildet diese zweite Ausgangsklemme 54.
Die Treiberschaltung 5 der Ansteuerschaltung gemäß 15 kann entsprechend der Treiberschaltung 5 gemäß 13 realisiert sein. Die Oszillatoren 2₁ , 2₂ können in diesem Fall gemeinsam durch das Schaltsignal Sin angesteuert sein, wobei die Logikschaltung (62 in 13) beispielsweise die erste Ausgangsspannung V4+ oder die erste Transformatorausgangsspannung V3₁ auswertet, um den Schaltzustand des Schaltsignals Sin zu ermitteln. Alternativ kann die Logikschaltung 62 selbstverständlich auch die zweite Ausgangsspannung V4– oder die zweite Transformatorausgangsspannung V3₂ auswerten. Bei gleicher Ansteuerung der beiden Oszillatoren 2₁ , 2₂ verhalten sich sowohl die Ausgangsspannung V4+, v4– als auch die Transformatorausgangsspannung V3₁ V3₂ abhängig von dem Schaltsignal Sin in gleicher Weise.
Alternativ besteht die Möglichkeit, bei der Ansteuerschaltung gemäß 15 die beiden Oszillatoren 2₁ , 2₂ komplementär zueinander anzusteuern. Dies kann dadurch erfolgen, dass das Schaltsignal Sin einem der beiden Oszillatoren 2₂ über einen Inverter 7 zugeführt ist, wie dies in 15 gestrichelt dargestellt ist Alternativ besteht entsprechend der Ausführungen zu 9 auch die Möglichkeit, nur einen Oszillator vorzusehen und das Oszillatorausgangssignal nach Maßgabe des Schaltsignals Sin einem der beiden Transformatoren 3₁ , 3₂ zuzuführen. Bei einer solchen Realisierung der beiden Spannungsversorgungsschaltungen kann die Treiberschaltung 5 so realisiert werden, dass sie zur Erzeugung der Ausgangsspannung V5 die erste und die zweite Ausgangsspannung V4+, V4– auswertet. Ein Beispiel einer solchen Treiberschaltung 5 ist in 16 dargestellt. Diese Treiberschaltung weist entsprechend der in 13 dargestellten Treiberschaltung zwei zueinander komplementäre Halbleiterschaltelemente 81₁ , 81₂ , von denen ein erster 81₁ zwischen die erste Eingangsklemme 51 und die erste Ausgangsklemme 53 geschaltet ist, und von denen ein zweiter zwischen die zweite Eingangsklemme 52 und die erste Ausgangsklemme 53 geschaltet ist. Diese beiden Halbleiterschaltelemente sind durch ein gemeinsames Ansteuersignal S82 angesteuert. Die Erzeugung dieses Ansteuersignals S82 erfolgt abhängig von der positiven und negativen Versorgungsspannung V4+, V4–. Die Treiberschaltung 5 weist zur Auswertung der positiven Versorgungsspannung V4+ eine erste Auswerteeinheit 83₁ und zur Auswertung der negativen Versorgungsspannung V4– eine zweite Auswerteeinheit 83₂ auf. Diese Auswerteeinheiten 83₁ _, 83₂ steuern in dem dargestellten Beispiel ein Flip-Flop 82 an, an dessen Ausgang das Ansteuersignal S82 zur Verfügung steht.
Die erste Auswerteeinheit 83₁ ist dazu ausgebildet, das Flip-Flop 82 zu setzen, wenn die positive Versorgungsspannung V4+ an den vorgegebenen ersten Referenzwert ansteigt. In diesem Fall leitet das erste Halbleiterschaltelement 81₁ , wodurch das positive Versorgungspotenzial V4+ als Ansteuerspannung V5 ausgegeben wird. Die zweite Auswerteeinheit 83₂ ist dazu ausgebildet, die negative Versorgungsspannung V4– auszuwerten und das Flip-Flop 82 zurückzusetzen, wenn der Betrag dieser Versorgungsspannung V4– einen zweiten Referenzwert, der mit dem ersten Referenzwert betragsmäßig übereinstimmen kann, ü bersteigt. In diesem Fall leitet das zweite Halbleiterschaltelement 81₂ , wodurch die negative Versorgungsspannung als Ansteuerspannung V5 ausgegeben wird. Nicht dargestellt ist in 16 eine Spannungsversorgungsschaltung für die Ansteuereinheiten 83₁ , 83₂ und das Flip-Flop 82. Eine solche Ansteuerschaltung kann selbstverständlich vorhanden sein und beispielsweise entsprechend der Ausführungen zu 11 durch eine Pufferkapazität und zwei Gleichrichterelemente realisiert sein.
Anstatt die positive und die negative Versorgungsspannung V4+, V4– auszuwerten, können die Ansteuereinheiten 83₁ , 83₂ auch so realisiert sein, dass die die Transformatorausgangsspannung V3₁, V3₂ auswerten, wobei beispielsweise die positive Versorgungsspannung an den Ausgang ausgegeben wird, wenn eine oszillierende Spannung als erste Transformatorausgangsspannung V3₁ detektiert wird, und die negative Versorgungsspannung an den Ausgang ausgegeben wird, wenn eine oszillierende Spannung als zweite Transformatorausgangsspannung V3₂ ausgegeben wird.
Bei den zuvor erläuterten Ansteuerschaltungen wird eine Versorgungsspannung lediglich durch eine Spannungsversorgungsschaltung erzeugt, die einen Oszillator, einen Transformator und eine Akkumulationsschaltung aufweist. Bezugnehmend auf 17 besteht auch die Möglichkeit, eine Spannungsversorgungsschaltung 4 durch Kaskadierung mehrerer Spannungsversorgungsschaltungen zu erzeugen. 17 zeigt beispielhaft drei solcher Spannungsversorgungsschaltungen, die alle entsprechend der Spannungsversorgungsschaltung gemäß 1 realisiert sind und die derart kaskadiert sind, dass jeweils der zweite Ausgangsanschluss der Akkumulationsschaltung einer Spannungsversorgungsschaltung an den ersten Eingangsanschluss der Akkumulationsschaltung einer nächsten Spannungsversorgungsschaltung angeschlossen ist. Die Versorgungsspannung V4 ist in diesem Fall zwischen dem ersten Ausgangsanschluss der Akkumulationsschaltung 4₁ der ersten Spannungsversorgungs schaltung der Kaskade und dem zweiten Ausgangsanschluss der Akkumulationsschaltung 4_n der letzten Spannungsversorgungsschaltung der Kaskade abgreifbar. In einer solchen Schaltungsanordnung lassen sich insbesondere mehrere Versorgungsspannungen mit unterschiedlichen Amplituden erzeugen, indem Spannungen an Zwischenabgriffen der Kaskade von Spannungsversorgungsschaltungen abgegriffen werden.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale die zuvor im Zusammenhang mit nur einem Beispiel erläutert wurden, auch dann mit Merkmalen anderer Beispiele kombiniert werden können, wenn dies nicht explizit erwähnt wurde. So können insbesondere Merkmale der nachfolgend angegebenen Ansprüche beliebig miteinander kombiniert werden.

Claims

Ansteuerschaltung für ein Halbleiterschaltelement, die aufweist: wenigstens eine erste Spannungsversorgungsschaltung mit einem ersten Oszillator (2; 2₁ ), einem ersten Transformator (3; 3₁ ), der dem ersten Oszillator (2; 2₁ ) nachgeschaltet ist, und einer ersten Akkumulationsschaltung (4; 4₁ ) zur Bereitstellung einer ersten Versorgungsspannung (V4; V4₁), die dem ersten Transformator (3; 3₁ ) nachgeschaltet ist; eine Treiberschaltung (5) mit Eingangsklemmen (51, 52) zur Zuführung der ersten Versorgungsspannung (V4; V4₁) und mit Ausgangsklemmen (53, 54) zur Bereitstellung einer Ansteuerspannung (V5) für das Halbleiterschaltelement (1), die dazu ausgebildet ist, die Ansteuerspannung (V5) für das Halbleiterschaltelement (1) wenigstens aus der ersten Versorgungsspannung (V4; V4₁) zu erzeugen.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, bei der die Treiberschaltung (5) dazu ausgebildet ist, die Ansteuerspannung (V5) unmittelbar abhängig von der ersten Versorgungsspannung (V4) zu erzeugen.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 2, bei der die Treiberschaltung (5) einen Widerstand (55) aufweist, der zwischen die Eingangsklemmen (51, 52) und zwischen die Ausgangsklemmen (53, 54) geschaltet ist.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 2, bei der die Treiberschaltung (5) einen Transistor (57) mit einem Ansteueranschluss und einer Laststrecke aufweist, dessen Laststrecke zwischen die Ausgangsklemmen (53, 54) geschaltet ist und der abhängig von der ersten Versorgungsspannung (V4) angesteuert ist.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, bei der die Treiberschaltung (5) aufweist: ein zwischen die Ausgangsklemmen (53, 54) geschaltetes Halbleiterschaltelement (57); eine Auswerteschaltung (62), der die erste Versorgungsspannung (V4) zugeführt ist und die dazu ausgebildet ist, das Halbleiterschaltelement (57) abhängig von der ersten Versorgungsspannung (V4) anzusteuern.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 5, bei der die Treiberschaltung (5) dazu ausgebildet ist, das Halbleiterschaltelement leitend anzusteuern, wenn die erste Versorgungsspannung (V4) unter einen vorgegebenen ersten Schwellenwert absinkt.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 5, bei der die Treiberschaltung (5) dazu ausgebildet ist, das Halbleiterschaltelement (57) sperrend anzusteuern, wenn die Versorgungsspannung (V4) über einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert ansteigt.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, bei der die Treiberschaltung (5) aufweist: ein zwischen die Ausgangsklemmen geschaltetes Halbleiterschaltelement (57); eine Auswerteschaltung (62), die dazu ausgebildet ist, das Halbleiterschaltelement (1) abhängig von einer Ausgangsspannung (V3) des ersten Transformators anzusteuern.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, die weiterhin aufweist: eine zweite Spannungsversorgungsschaltung mit einem zweiten Transformator (3₂ ) und einer zweiten Akkumulationsschaltung (4₂ ) zur Bereitstellung einer zweiten Versorgungsspannung (V4₂), die dem zweiten Transformator (3₂ ) nachgeschaltet ist, wobei die zweite Versorgungsspannung (V4₂) der Treiberschaltung (5) zugeführt ist.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 9, bei der die Treiberschaltung (5) dazu ausgebildet ist, die erste Versorgungsspannung (V4₁) oder eine von der ersten Versorgungsspannung (V4₁) abhängige Spannung abhängig von der zweiten Versorgungsspannung (V4₂) als Ansteuerspannung (V5) zur Verfügung zu stellen.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 10, bei der die Treiberschaltung (5) dazu ausgebildet ist, die erste Versorgungsspannung (V4₁) oder eine von der ersten Versorgungsspannung (V4₁) abhängige Spannung als Ansteuerspannung (V5) zur Verfügung zu stellen, wenn die zweite Versorgungsspannung (V4₂) kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 10, bei der die zweite Spannungsversorgungsschaltung einen zweiten Oszillator (2₂ ) aufweist, der dem zweiten Transformator (3₂ ) vorgeschaltet ist und der abhängig von einem Ansteuersignal komplementär zu dem ersten Oszillator (2₁ ) aktiviert ist.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 10, bei der eine Ausgangsspannung (V3₁) des ersten Oszillators (2) abhängig von einem Ansteuersignal dem ersten oder dem zweiten Transformator (3₁ , 3₂ ) zugeführt ist.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 9, bei der die Treiberschaltung dazu ausgebildet ist, die Ansteuerspannung (V5) abhängig von einem Schaltsignal aus der ersten oder der zweiten Versorgungsspannung (V4₁, V4₂) zu erzeugen.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 14, bei der das Schaltsignal von der ersten Versorgungsspannung (V4₁) abhängig ist oder von der zweiten Versorgungsspannung (V4₂) abhängig ist.