DE102017103934A1

DE102017103934A1 - Half-bridge driver for controlling the bridge switch at least one half-bridge circuit

Info

Publication number: DE102017103934A1
Application number: DE102017103934.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Winker
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2018-08-30

Abstract

Halbbrückentreiber (5), zur Ansteuerung der Brückenschalter (3,4) wenigstens einer Halbbrückenschaltung (2), der als integrierter Schaltkreis (28) ausgebildet ist, mit einem High-Side Treiber (5) bei dem der High-Side Signalausgang (20), der High-Side Hochpotentialeingang (22) und der High-Side Niedrigpotentialeingang (23) jeweils an einen externen Anschluss geführt sind und der High-Side Signaleingang (21) über eine Steuerlogikschaltung (30) mit dem High-Side Eingang (18) verbunden ist, und einem Low-Side Treiber (6), bei dem der Low-Side Signalausgang (25) an einen externen Anschluss geführt ist und der Low-Side Signaleingang (24) mit dem Low-Side Eingang (19) verbunden ist.

Half-bridge driver (5) for controlling the bridge switches (3, 4) of at least one half-bridge circuit (2), which is designed as an integrated circuit (28), with a high-side driver (5) in which the high-side signal output (20) , the high-side high-potential input (22) and the high-side low-potential input (23) are each led to an external connection, and the high-side signal input (21) is connected to the high-side input (18) via a control logic circuit (30) and a low-side driver (6), in which the low-side signal output (25) is led to an external connection and the low-side signal input (24) is connected to the low-side input (19).

Description

Die Erfindung beschreibt einen Halbbrückentreiber, zur Ansteuerung der Brückenschalter wenigstens einer Halbbrückenschaltung, aufweisend für jede anzusteuernde Halbbrücke: einen High-Side Treiber mit einem High-Side Signaleingang, einem High-Side Signalausgang, einem High-Side Hochpotentialeingang und einem High-Side Niedrigpotentialeingang, und einen Low-Side Treiber mit einem Low-Side Signaleingang, einem Low-Side Signalausgang, einem Low-Side Hochpotentialeingang und einem Low-Side Niedrigpotentialeingang.The invention describes a half-bridge driver for controlling the bridge switches of at least one half-bridge circuit, comprising for each half-bridge to be driven: a high-side driver with a high-side signal input, a high-side signal output, a high-side high potential input and a high-side low potential input, and a low-side driver with a low-side signal input, a low-side signal output, a low-side high-potential input and a low-side low-potential input.

Mehrphasige bürstenlose Gleichstrommotoren werden in der Regel an einer Brückenschaltung betrieben, die für jede Motorphase eine Halbbrücke aufweist. Jede Halbbrücke besitzt einen oberen Brückenschalter (High-Side Brückenschalter) und einen unteren Brückenschalter (Low-Side Brückenschalter) wobei sich der Anschluss der Motorphase zwischen den Brückenschaltern befindet.Multiphase brushless DC motors are usually operated on a bridge circuit having a half-bridge for each motor phase. Each half-bridge has an upper bridge switch (high-side bridge switch) and a lower bridge switch (low-side bridge switch) with the motor phase connection between the bridge switches.

Die Ansteuerung der Brückenschalter erfolgt üblicherweise durch eine Motorsteuerung, insbesondere mit einem Mikrocontroller. Diese Motorsteuerung generiert die Schaltsignale für die einzelnen Brückenschalter anhand eines Kommutierungsmusters.The control of the bridge switch is usually carried out by a motor control, in particular with a microcontroller. This motor control generates the switching signals for the individual bridge switches on the basis of a commutation pattern.

Eine Motorsteuerung wird beispielsweise mit einer Betriebsspannung zwischen 3 Volt und 12 Volt betrieben.A motor control is operated, for example, with an operating voltage between 3 volts and 12 volts.

Die Brückenschalter hingegen, müssen entsprechend der Motorspannung und der Stromaufnahme des angetriebenen Motors dimensioniert sein. Daher werden als Brückenschalter häufig Leistungstransistoren verwendet. Diese erfordern in der Regel höhere Schaltspannungen und hohe Schaltströme, beispielsweise >400mA. Eine direkte Ansteuerung der Brückenschalter über einen Schaltausgang des Mikrokontrollers ist nicht möglich, da diese nur wenige mA liefern können.The bridge switches, however, must be dimensioned according to the motor voltage and the current consumption of the driven motor. Therefore, bridge transistors often use power transistors. These usually require higher switching voltages and high switching currents, for example> 400mA. A direct control of the bridge switch via a switching output of the microcontroller is not possible because they can deliver only a few mA.

Aus diesem Grund werden zwischen Mikrokontroller und Brückenschalter sogenannte Halbbrückentreiber eingesetzt. Ein Halbbrückentreiber besitzt einen Signaleingang, der direkt mit einem Schaltausgang eines Mikrokontrollers oder einer Pulsbreitensteuerung verbunden werden kann. Der Halbbrückentreiber weist weiter für die High-Side und die Low-Side jeweils einen Hochpotentialeingang und einen Niedrigpotentialeingang zum Anschließen einer Betriebsspannung auf. Er besitzt weiter einen Signalausgang, der mit dem Brückenschalter verbunden werden kann. Es ist also für jede Motorphase ein Halbbrückentreiber notwendig. Der Halbbrückentreiber leitet im Wesentlichen das Eingangssignal an seinen Signalausgang weiter, jedoch mit der angelegten Betriebsspannung, die sich von der Betriebsspannung des Mikrocontrollers unterscheiden kann. Weiterhin kann der Halbbrückentreiber einen zum Brückenschalter passenden Schaltstrom liefern.For this reason, so-called half-bridge drivers are used between microcontroller and bridge switch. A half-bridge driver has a signal input that can be directly connected to a switching output of a microcontroller or a pulse width controller. The half-bridge driver further has a high-potential input and a low-potential input for connecting an operating voltage for the high-side and the low-side, respectively. It also has a signal output that can be connected to the bridge switch. So it is necessary for each motor phase, a half-bridge driver. The half-bridge driver essentially forwards the input signal to its signal output, but with the applied operating voltage, which may differ from the operating voltage of the microcontroller. Furthermore, the half-bridge driver can deliver a switching current suitable for the bridge switch.

Die Brückenschalter können beispielsweise als Feldeffekttransitoren (FET) oder als Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ausgebildet sein. Auch andere Halbleiterschalter sind denkbar, wenn die Treiberleistung zur Ansteuerung der entsprechenden Basis-, bzw. Gate-Anschlüsse ausreichend ist. Neben der Anpassung der Brückenschalter an die zu schaltenden Lasten, ist es möglich durch geeignete Wahl der Topologie der Brückenschalter eine Optimierung der Schaltung in Bezug auf Größe und Kosten vorzunehmen. Die High-Side und Low-Side Brückenschalter können beispielsweise als N/N-FET, P/N-FET oder Bipolar gewählt werden. Dabei sind bei einer N/N- FET Halbbrücke beide Brückenschalter als N-Kanal FET ausgebildet. Bei einer P/N-FET Halbbrücke ist der High-Side Brückenschalter als P-Kanal FET und der Low-Side Brückenschalter als N-Kanal FET ausgebildet. Ähnliche Kombinationen sind auch mit IGBT möglich, die ebenfalls in P und N Typen erhältlich sind.The bridge switches can be designed, for example, as field effect transistors (FET) or as insulated gate bipolar transistors (IGBTs). Other semiconductor switches are also conceivable if the driver power for controlling the corresponding base or gate connections is sufficient. In addition to the adaptation of the bridge switch to the loads to be switched, it is possible by appropriate choice of the topology of the bridge switch to optimize the circuit in terms of size and cost. The high-side and low-side bridge switches can be selected, for example, as N / N-FET, P / N-FET or bipolar. In the case of an N / N-FET half-bridge, both bridge switches are designed as N-channel FETs. In a P / N-FET half-bridge, the high-side bridge switch is designed as a P-channel FET and the low-side bridge switch as an N-channel FET. Similar combinations are also possible with IGBT, which are also available in P and N types.

Der Halbbrückentreiber muss zwangsläufig genau auf alle diese Merkmale angepasst werden. Daher kann es bei geringfügigen Änderungen an der Brückenschaltung bereits notwendig sein, einen anderen Halbbrückentreiber zu benutzen. Aus diesem Grund gibt es am Markt zahlreiche Halbbrückentreiber, hauptsächlich als integrierte Schaltungen, die aber jeweils immer nur für genau einen eng abgegrenzten Anwendungszweck verwendbar sind. Beispielsweise für eine 12V, N/N-FET Automotive Anwendung. Aufgrund der begrenzten Anwendbarkeit solcher integrierten Halbbrückentreiber sind die verkauften oder hergestellten Stückzahlen gering und daher die Preise hoch.The half-bridge driver must inevitably be precisely adapted to all these features. Therefore, with minor changes to the bridge circuit, it may already be necessary to use another half-bridge driver. For this reason, there are numerous half-bridge drivers on the market, mainly as integrated circuits, but each can only be used for exactly one narrowly defined application. For example, for a 12V, N / N-FET automotive application. Due to the limited applicability of such integrated half-bridge drivers, the quantities sold or produced are low and therefore the prices are high.

Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Halbbrückentreiber zu schaffen, der für verschiedene Anwendungen einsetzbar ist und daher kostengünstiger ist.The object of the invention is therefore to provide a half-bridge driver which can be used for various applications and is therefore less expensive.

Insbesondere bei einem Einsatz in vollintegrierten Motortreiber-IC's, die neben dem Gate Treiber auch eine Kommutierungslogik und/oder einen Mikrocontroller enthalten, kann die beschriebene Ausführung des Halbbrückentreibers wesentlich flexibler in unterschiedlichen Applikationen mit unterschiedlichen Leistungsendstufen eingesetzt werden. Durch die große Flexibilität steigen die Stückzahlen solcher vergleichbar komplexen Bausteine, wodurch der Preis pro Baustein sinkt.In particular, when used in fully integrated motor driver IC's, which also contain a commutation logic and / or a microcontroller in addition to the gate driver, the described embodiment of the half-bridge driver can be used much more flexible in different applications with different power amplifiers. Due to the great flexibility, the numbers of such comparatively complex components increase, which reduces the price per component.

Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Halbbrückentreiber mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dieser Halbbrückentreiber ist dadurch gekennzeichnet, dass der Halbbrückentreiber als integrierte Schaltung ausgebildet ist, aufweisend einen Betriebsspannungsanschluss und einen Masseanschluss. Für jede anzusteuernde Halbbrücke weist die integrierte Schaltung einen Halbbrückentreiber auf, mit einem High-Side Eingang und einem Low-Side Eingang, wobei der High-Side Signalausgang, der High-Side Hochpotentialeingang und der High-Side Niedrigpotentialeingang jeweils an einen externen Anschluss geführt sind und der High-Side Signaleingang über eine Steuerlogikschaltung mit dem High-Side Eingang verbunden ist, wobei der Low-Side Signalausgang an einen externen Anschluss geführt ist, der Low-Side Hochpotentialeingang mit dem Betriebsspannungsanschluss und der Low-Side Niedrigpotentialeingang mit dem Masseanschluss verbunden sind, und der Low-Side Signaleingang mit dem Low-Side Eingang verbunden ist. Eine Anpassung an eine Brückenschaltung erfolgt durch geeignete Beschaltung der externen Anschlüsse.This object is achieved by a half-bridge driver according to the invention with the features of the main claim. This half-bridge driver is characterized in that the Half-bridge driver is designed as an integrated circuit, comprising an operating voltage terminal and a ground terminal. For each half-bridge to be controlled, the integrated circuit has a half-bridge driver, with a high-side input and a low-side input, wherein the high-side signal output, the high-side high-potential input and the high-side low potential input are each led to an external connection and the high-side signal input is connected to the high-side input via a control logic circuit, the low-side signal output being connected to an external terminal, the low-side high-potential input being connected to the operating voltage terminal and the low-side low-potential input being connected to the ground terminal , and the low-side signal input is connected to the low-side input. An adaptation to a bridge circuit takes place by suitable wiring of the external connections.

Der Vorteil der Erfindung besteht nun darin, dass der High-Side Treiber bis auf seinen Signaleingang nicht innerhalb der integrierten Schaltung verschaltet ist. Stattdessen sind seine restlichen Eingänge auf externe Anschlüsse der integrierten Schaltung nach Außen geführt. Externer Anschluss bedeutet in diesem Fall, dass der Anschluss beispielsweise über einen Anschlusspin oder eine Bond- oder Lötstelle von außen kontaktierbar ist. Der High-Side Treiber kann daher durch die externe Beschaltung an verschiedene Brückentopologien angepasst werden. Durch entsprechende Verschaltung kann beispielsweise der High-Side Treiber mit einem schwebendem Potential (floating potential) oder einem festen Potential betrieben werden.The advantage of the invention consists in the fact that the high-side driver is not interconnected except for its signal input within the integrated circuit. Instead, its remaining inputs are routed externally to external terminals of the integrated circuit. External connection in this case means that the connection can be contacted, for example, via a connection pin or a bonding or soldering point from the outside. The high-side driver can therefore be adapted to different bridge topologies thanks to the external wiring. By appropriate interconnection, for example, the high-side driver can be operated with a floating potential or a fixed potential.

Der integrierte Halbbrückentreiber kann dadurch für eine Vielzahl an verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, für die im Stand der Technik viele verschiedene Halbbrückentreiber notwendig wären. Der erfindungsgemäße Halbbrückentreiber ist daher auch in größeren Stückzahlen und daher wesentlich kostengünstiger herstellbar.The integrated half-bridge driver can thereby be used for a variety of different applications, for which many different half-bridge drivers would be necessary in the prior art. The half-bridge driver according to the invention is therefore also in larger quantities and therefore much cheaper to produce.

Zum Schalten des High-Side Treibers können aufgrund des wählbaren Potentials unterschiedliche Spannungen notwendig sein. Daher ist es zweckmäßig, wenn die Steuerlogikschaltung einen Pegelumsetzer zur Ansteuerung des High-Side Treibers aufweist. Durch diesen Pegelumsetzer ist das Schaltsignal immer dem Treiberpotential entsprechend richtig angepasst.To switch the high-side driver, different voltages may be necessary due to the selectable potential. Therefore, it is expedient if the control logic circuit has a level converter for driving the high-side driver. Through this level converter, the switching signal is always adjusted according to the driver potential accordingly.

Eine zusätzliche Anwendungsmöglichkeit ergibt sich für den erfindungsgemäßen Halbbrückentreiber, wenn der High-Side Eingang zusätzlich an einen externen Anschluss geführt ist. Dadurch kann anstelle des internen High-Side Treibers auch ein externer Gatetreiber angesteuert werden. Dies ist beispielsweise in Anwendungen mit hohen Versorgungsspannungen, beispielsweise 230V, von Vorteil, weil nur ein kleiner Teil der Schaltung auf diese Betriebsspannung angepasst werden muss.An additional application possibility arises for the half-bridge driver according to the invention, if the high-side input is additionally routed to an external connection. As a result, an external gate driver can be controlled instead of the internal high-side driver. This is advantageous, for example, in applications with high supply voltages, for example 230V, because only a small part of the circuit has to be adapted to this operating voltage.

Um eine solche externe Ansteuerung zu unterstützen, kann es vorteilhaft sein, wenn die Steuerlogikschaltung einen Umschalter aufweist, mit dem der High-Side Treiber schaltbar mit dem High-Side Eingang oder dem Low-Side Eingang verbindbar ist. Auf diese Weise kann der High-Side Treiber auch mit dem Low-Side Signal geschaltet werden, insbesondere, wenn die High-Side durch einen externen Gatetreiber geschaltet wird. Dadurch lassen sich beispielsweise große Leistungstransistoren mit einer hohen Gate-Kapazität leichter ansteuern. Dies ist beispielsweise bei Schaltungen mit IGBT-Leistungsschaltern und hohen Betriebsspannungen nutzbar und von Vorteil.In order to support such an external control, it may be advantageous if the control logic circuit has a changeover switch with which the high-side driver can be connected to the high-side input or the low-side input in a switchable manner. In this way, the high-side driver can also be switched with the low-side signal, in particular if the high-side driver is switched by an external gate driver. As a result, for example, large power transistors with a high gate capacitance can be controlled more easily. This is useful, for example, in circuits with IGBT circuit breakers and high operating voltages and advantageous.

In einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung weist die Steuerlogikschaltung einen Umschalter auf, mit dem das High-Side Eingangssignal invertierbar ist. Dies ermöglicht insbesondere bei P/N Halbbrücken eine einfachere Ansteuerung, da die Invertierung nicht bereits in der Motorsteuerung oder der Pulsbreitensteuerung vorgenommen werden muss.In an expedient embodiment of the invention, the control logic circuit has a switch with which the high-side input signal is invertible. This allows easier control, in particular in the case of P / N half-bridges, since the inversion does not have to be performed in the motor control or the pulse width control.

Die Umschalter können beispielsweise über externe Anschlüsse steuerbar sein. Alternativ kann eine solche Einstellung auch mit internen Registern vorgenommen werden, die beispielsweise über einen Serial Peripheral Interface Bus (kurz SPI) beschrieben werden.The switches can be controlled for example via external connections. Alternatively, such a setting can also be made with internal registers, which are described for example via a Serial Peripheral Interface Bus (SPI for short).

Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn der Halbbrückentreiber eine integrierte Pulsweitenmodulationseinheit aufweist, die intern mit den High-Side und Low-Side Eingängen verbunden ist und/oder einen Mikrocontroller aufweist. Dadurch ist der Halbbrückentreiber noch universeller konfigurierbar. Eine integrierte Pulsweitenmodulationseinheit kann beispielsweise auch eine Sicherheitslogik beinhalten, die verhindert, dass die beiden Brückenschalter einer Halbbrücke gleichzeitig eingeschaltet sind.It is particularly advantageous if the half-bridge driver has an integrated pulse width modulation unit which is internally connected to the high-side and low-side inputs and / or has a microcontroller. This makes the half-bridge driver even more universally configurable. An integrated pulse width modulation unit may, for example, also include safety logic that prevents the two bridge switches of a half bridge from being switched on at the same time.

Ein solcher Halbbrückentreiber kann an einer beliebigen Motorsteuerung betrieben werden. Durch die Integration kann für die Motorsteuerung prinzipiell immer dasselbe Basisprogramm verwendet werden. Eine Anpassung an die Art der Brückenschaltung erfolgt ausschließlich im Halbbrückentreiber. Dazu kann hier der Mikrocontroller oder die Pulsbreitenmodulationseinheit verschiedene Konfigurationsmöglichkeiten aufweisen, etwa einen nichtflüchtigen Speicher.Such a half-bridge driver can be operated on any motor controller. Due to the integration, the same basic program can always be used for the motor control. An adaptation to the type of bridge circuit takes place exclusively in the half-bridge driver. For this purpose, the microcontroller or the pulse width modulation unit may have different configuration options, such as a nonvolatile memory.

In diesem Fall können auch die Umschalter durch die Pulsbreitenmodulationseinheit oder durch den Mikrocontroller angesteuert sein.In this case, the switches can be controlled by the pulse width modulation unit or by the microcontroller.

Je nach Art der externen Beschaltung kann eine Hilfsstromquelle oder eine Hilfsspannungsquelle notwendig sein, insbesondere bei schwebendem Potential. In einer zweckmäßigen Ausführung weist daher der Halbbrückentreiber eine Hilfsstromquelle und/oder Hilfsspannungsquelle auf, die extern beschaltbar ist. Durch die Integration in die integrierte Schaltung sind weniger externe Komponenten notwendig. Die externe Beschaltung sorgt jedoch für eine universelle Verwendbarkeit. Depending on the type of external wiring, an auxiliary power source or an auxiliary power source may be necessary, especially when the potential is floating. In an advantageous embodiment, therefore, the half-bridge driver to an auxiliary power source and / or auxiliary voltage source, which is externally connected. Integration into the integrated circuit requires fewer external components. The external wiring, however, ensures universal usability.

Der erfindungsgemäße Halbbrückentreiber kann beispielsweise als System-on-a-Chip (SoC) oder als System-in-Package (SiP) ausgebildet sein.The half-bridge driver according to the invention can be designed, for example, as a system-on-a-chip (SoC) or as a system-in-package (SiP).

Zur Ansteuerung von mehrphasigen Elektromotoren sind mehrere Halbbrückentreiber notwendig. Es ist daher vorteilhaft, wenn in einer integrierten Schaltung mehrere Halbbrückentreiber vorhanden sind. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn der Halbbrückentreiber zur Ansteuerung von drei Halbbrücken ausgebildet ist. Vorteilhaft ist es dabei, dass gemeinsam benutzbare Komponenten, wie beispielsweise eine Hilfsstromquelle, nur einmal notwendig sind.To control multiphase electric motors several half-bridge drivers are necessary. It is therefore advantageous if several half-bridge drivers are present in an integrated circuit. It is particularly advantageous if the half-bridge driver is designed to drive three half-bridges. It is advantageous that shared components, such as an auxiliary power source, are necessary only once.

Insbesondere kann der erfindungsgemäße Halbbrückentreiber in einer Ansteuerschaltung für einen Elektromotor verwendet werden. Ausführungen mit drei Halbbrücken eignen sich beispielsweise für einen dreiphasigen Synchron- oder Asynchronmotor. Andere vorteilhafte umfassen nur zwei Halbbrücken. Solche Ausgestaltungen eigenen sich beispielsweise zur Ansteuerung eines Gleichstrommotors (DC-Motor) in einer H-Brückenkonfiguration. Weiterhin ist beispielsweise auch eine Ausführung mit vier Halbbrücken möglich. In diesem Fall kann zusätzlich zu einem dreiphasigen Motor ein Gleichstromwandler (DCDC-Konverter) oder eine Power-Factor-Correction Einheit (PFC) mit angesteuert werden. Ebenfalls können mit vier Halbbrückentreibern bipolare Schrittmotoren oder zwei DC-Motoren in einer doppelten H-Brücken Konfiguration betrieben werden.In particular, the half-bridge driver according to the invention can be used in a drive circuit for an electric motor. Designs with three half-bridges are suitable, for example, for a three-phase synchronous or asynchronous motor. Other advantageous include only two half-bridges. Such embodiments are suitable, for example, for driving a DC motor (DC motor) in an H-bridge configuration. Furthermore, for example, an embodiment with four half-bridges is possible. In this case, in addition to a three-phase motor, a DC-DC converter (DCDC converter) or a Power-Factor-Correction unit (PFC) can also be controlled. Also, with four half-bridge drivers, bipolar stepper motors or two DC motors can be operated in a double H-bridge configuration.

Die Erfindung und einige beispielhafte Anwendungsmöglichkeiten sind nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Aufgrund der universellen Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Halbbrückentreibers dienen diese Ausführungsbeispiele lediglich der Verdeutlichung der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.The invention and some exemplary applications are explained below with reference to the accompanying drawings. Due to the universal applicability of the half-bridge driver according to the invention, these embodiments serve only to illustrate the invention and are in no way limiting.

Es zeigt:

1: ein Blockschaltbild einer Motorsteuerung mit einem Halbbrückentreiber nach dem Stand der Technik,
2: ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Halbbrückentreibers,
3: ein Blockschaltbild einer Steuerlogikschaltung,
4 ein Blockschaltbild des Halbbrückentreibers der 2 in einem ersten Anwendungsfall mit 12V Motorspannung und einer N/N Halbbrücke,
5 ein Blockschaltbild des Halbbrückentreibers der 2 in einem zweiten Anwendungsfall mit einer 24V Motorspannung und einer P/N Halbbrücke,
6 ein Blockschaltbild des Halbbrückentreibers der 2 in einem dritten Anwendungsfall mit einem externen Halbbrückentreiber, mit einer hohen Motorspannung (beispielsweise > 24V) und einer N/N oder P/N Halbbrücke.

It shows:

1 FIG. 2 is a block diagram of a motor controller having a prior art half-bridge driver. FIG.
2 FIG. 2: a simplified block diagram of a half-bridge driver according to the invention, FIG.
3 FIG. 3 is a block diagram of a control logic circuit. FIG.
4 a block diagram of the half-bridge driver of 2 in a first application with 12V motor voltage and a N / N half-bridge,
5 a block diagram of the half-bridge driver of 2 in a second application with a 24V motor voltage and a P / N half-bridge,
6 a block diagram of the half-bridge driver of 2 in a third application with an external half-bridge driver, with a high motor voltage (eg> 24V) and an N / N or P / N half-bridge.

Die 1 zeigt beispielhaft eine Motoranordnung gemäß dem Stand der Technik. Die Motoranordnung weist einen dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor M auf. Die drei Motorphasen U,V,W sind über eine Brückenschaltung 1 mit drei Halbbrücken 2 angesteuert. Jede Halbbrücke 2 weist einen High-Side Brückenschalter 3 und einen Low-Side Brückenschalter 4 auf. Die Halbbrücken 2 sind hier nicht näher bestimmt und können als N/N oder P/N Brücke ausgebildet sein. Die Halbbrücken 2 sind jeweils über einen Halbbrückentreiber 5 angesteuert. Jeder Halbbrückentreiber 5 weist einen High-Side Treiber 6 zum Ansteuern des High-Side Brückenschalters 3 und einen Low-Side Treiber 7 zum Ansteuern des Low-Side Brückenschalters 4 auf.The 1 shows an example of a motor assembly according to the prior art. The motor assembly comprises a three-phase brushless DC motor M. The three motor phases U, V, W are via a bridge circuit 1 with three half-bridges 2 driven. Every half bridge 2 has a high-side bridge switch 3 and a low-side bridge switch 4 on. The half bridges 2 are not specified here and can be designed as N / N or P / N bridge. The half bridges 2 are each about a half-bridge driver 5 driven. Each half-bridge driver 5 has a high-side driver 6 for controlling the high-side bridge switch 3 and a low-side driver 7 for driving the low-side bridge switch 4 on.

Die Motoranordnung weist weiterhin eine Motorsteuerung 8 auf, die im Beispiel einen Mikrocontroller 9 zur Steuerung und Regelung des Motors M enthält. Sie besitzt weiterhin einen LIN-Bustreiber 10, der mit dem Mikrocontroller 9 verbunden ist und eine Ansteuerung über einen LIN-Bus ermöglicht.The engine assembly further includes an engine controller 8th on, which in the example is a microcontroller 9 for controlling and regulating the motor M contains. It also has a LIN bus driver 10 that with the microcontroller 9 is connected and allows control via a LIN bus.

Weiterhin weist die Motorsteuerung 9 einen erweiterten Pulsweitenmodulator 11 (EPWM = Enhanced Pulse Width Modulation) auf, der die einzelnen Brückenschalter ansteuert und beispielsweise über eine integrierte Logik verhindert, dass der High-Side Brückenschalter 3 und der Low-Side Brückenschalter 4 einer Halbbrücke 2 gleichzeitig eingeschaltet sind. Der EPWM 11 ist über sechs Signalleitungen mit den drei Halbbrückentreibern 5 verbunden.Furthermore, the engine controller 9 an extended pulse width modulator 11 (Enhanced Pulse Width Modulation (EPWM)), which controls the individual bridge switches and, for example, via an integrated logic prevents the high-side bridge switch 3 and the low-side bridge switch 4 a half bridge 2 are switched on at the same time. The EPWM 11 is over six signal lines with the three half-bridge drivers 5 connected.

Eine sogenannte Capture Compare Unit (CCU) 12 ist mit einem oder mehreren Hall-Sensoren 13 am Motor M verbunden und kann zur Feststellung von Kommutierungszeitpunkten dienen, die an den Mikrokontroller 9 weitergeleitet werden.A so-called Capture Compare Unit (CCU) 12 is with one or more Hall sensors 13 connected to the motor M and can serve to detect commutation times, which are sent to the microcontroller 9 to get redirected.

Ein Analog/Digital Converter (ADC) mit einem Verstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGA) 14 ist jeweils mit den Low-Side Brückenschaltern 4 verbunden. Ein MTC (Multi Threshold Comparator)-Baustein 15 ist über einen Spannungsteiler 16 mit den Motorphasen U,V,W verbunden und dient beispielsweise zur Bestimmung der BEMF.An analogue to digital converter (ADC) with a programmable gain amplifier (PGA) 14 is each with the low-side bridge switches 4 connected. An MTC (Multi Threshold Comparator) - Module 15 is via a voltage divider 16 connected to the motor phases U, V, W and is used, for example, to determine the BEMF.

Daneben besitzt die Motoranordnung einen Spannungswandler 17 zur Bereitstellung einer Betriebsspannung VCC für die Motorsteuerung 8 aus einer Motorspannung VM. Diese Motorspannung VM ist prinzipiell abhängig vom Motor und liegt im Beispiel zwischen 12 VDC und 230 VAC.In addition, the motor arrangement has a voltage converter 17 for providing an operating voltage VCC for the motor control 8th from a motor voltage VM. This motor voltage VM is basically dependent on the motor and in the example is between 12 VDC and 230 VAC.

Die 2 zeigt nun ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen, universell einsetzbaren Halbbrückentreibers 5, der als integrierte Schaltung (IC) aufgebaut ist.The 2 now shows a block diagram of an embodiment of an inventive, universally applicable half-bridge driver 5 which is constructed as an integrated circuit (IC).

Ein erfindungsgemäßer Halbbrückentreiber 5 ist jeweils zur Ansteuerung einer Halbbrücke 2 ausgelegt. Er weist deshalb einen High-Side Treiber 6 und einen Low-Side Treiber 7 auf. Der Halbbrückentreiber 2 besitzt zwei Schalteingänge, einen High-Side Eingang 18 und einen Low-Side Eingang 19. Diese Schalteingänge sind im Beispiel mit einer Pulsweitensteuerung (EPWM) 11 verbunden, die vorzugsweise in den integrierten Schaltkreis des Halbbrückentreibers integriert ist. Die EPWM 11 beinhaltet unter anderem eine Sicherheitslogik, die verhindert, dass die beiden Brückenschalter einer Halbbrücke 2 gleichzeitig eingeschaltet sind.An inventive half-bridge driver 5 is each to control a half-bridge 2 designed. He therefore has a high-side driver 6 and a low-side driver 7 on. The half-bridge driver 2 has two switch inputs, a high-side input 18 and a low-side entrance 19 , These switching inputs are in the example with a pulse width control (EPWM) 11 connected, which is preferably integrated in the integrated circuit of the half-bridge driver. The EPWM 11 includes, among other things, a safety logic that prevents the two bridge switches of a half bridge 2 are switched on at the same time.

Die EPWM 11 kann aber auch separat und extern angeordnet sein, wobei die beiden Eingänge dann als externe Anschlüsse ausgeführt sind.The EPWM 11 but can also be arranged separately and externally, the two inputs are then designed as external connections.

Für jede anzusteuernde Motorphase ist ein separater Halbbrückentreiber 5 notwendig. Der integrierte Schaltkreis kann daher beispielsweise drei solcher Halbbrückentreiber 5 enthalten, so dass er für ein- bis dreiphasige Elektromotoren universell verwendbar ist. Analog kann er beispielsweise auch eine vierte Halbbrücke, beziehungsweise einen Steuerausgang aufweisen, um auch einen DCDC-Konverter oder PFC-Konverter zu steuern oder um einen bipolaren Schrittmotor zu betreiben. For each motor phase to be controlled is a separate half-bridge driver 5 necessary. The integrated circuit can therefore, for example, three such half-bridge driver 5 so that it is universally usable for one to three-phase electric motors. Analogously, for example, it can also have a fourth half-bridge, or a control output, in order to also control a DCDC converter or PFC converter or to operate a bipolar stepper motor.

Der High-Side Treiber 6 weist einen High-Side Signaleingang 20, einen High-Side Signalausgang 21, einen High-Side Hochpotentialeingang 22 und einen High-Side Niedrigpotentialeingang 23 auf. Entsprechend weist der Low-Side Treiber 7 einen Low-Side Signaleingang 24, einen Low-Side Signalausgang 25, einen Low-Side Hochpotentialeingang 26 und einen Low-Side Niedrigpotentialeingang 27 auf.The high-side driver 6 has a high-side signal input 20, a high-side signal output 21 , a high-side high potential input 22 and a high-side low potential input 23 on. Accordingly, the low-side driver 7 a low-side signal input 24 , a low-side signal output 25 , a low-side high-potential input 26 and a low-side low potential input 27 on.

Der Trick der Erfindung besteht nun darin, dass der High-Side Treiber 6 und der Low-Side Treiber 7 intern nicht vollständig starr verschaltet sind. Stattdessen sind neben den Signaleingängen und Signalausgängen noch einige zusätzliche Treibereingänge nach außen geführt. Das bedeutet, dass sie auf einem Pin des integrierten Schaltkreises 28 liegen und extern kontaktierbar sind. Im Bild sind die externen Anschlüsse durch die Rechtecke dargestellt. Die gestrichelte Linie markiert dabei die Grenze des integrierten Schaltkreises 28. Im Bild links ist intern im integrierten Schaltkreis 28. Rechts davon ist extern.The trick of the invention is that the high-side driver 6 and the low-side driver 7 internally not completely rigidly connected. Instead, in addition to the signal inputs and signal outputs still some additional driver inputs led to the outside. That means they're on a pin of the integrated circuit 28 lie and are externally contacted. In the picture the external connections are represented by the rectangles. The dashed line marks the limit of the integrated circuit 28 , In the picture left is internal in the integrated circuit 28 , Right of it is external.

Insbesondere ist der High-Side Treiber 6 mit schwebendem Potential ausgebildet. Dazu sind der High-Side Signalausgang 21 an einen externen Anschluss HSx_GD_out, der High-Side Hochpotentialeingang 22 an einen externen Anschluss HSx_Vcc und der High-Side Niedrigpotentialeingang 23 an einen externen Anschluss HSx_GND geführt.In particular, the high-side driver 6 formed with floating potential. These are the high-side signal output 21 to an external terminal HSx_GD_out, the high-side high-potential input 22 to an external HSx_Vcc connection and the high-side low potential input 23 led to an external connection HSx_GND.

Der Low-Side Treiber 7 ist hingegen mit festem Potential ausgebildet, wobei nur der Low-Side Signalausgang 25 an einen externen Anschluss LS_GD_OUT geführt ist. Der Low-Side Hochpotentialeingang 26 ist intern mit der Betriebsspannung Vcc und der Low-Side Niedrigpotentialeingang 27 ist intern mit dem Massepotential des Halbbrückentreibers 5 verbunden. The low-side driver 7 is on the other hand designed with a fixed potential, whereby only the low-side signal output 25 is routed to an external connection LS_GD_OUT. The low-side high-potential input 26 is internal with the operating voltage Vcc and the low-side low potential input 27 is internal to the ground potential of the half-bridge driver 5 connected.

Der Low-Side Signaleingang 24 ist mit dem Low-Side Eingang 19 verbunden.The low-side signal input 24 is with the low-side input 19 connected.

Auf diese Weise kann der Halbbrückentreiber 5 durch verschiedene externe Beschaltungen an verschiedene Brückentopologien angepasst werden.In this way, the half-bridge driver can 5 be adapted to different bridge topologies by different external circuits.

In 2 ist die Verschaltung zwischen der EPWM 11 und dem High-Side Treiber 6 vereinfacht durch einen Pegelumsetzer 29 dargestellt. Um die volle Funktionalität der Erfindung zu erhalten, ist jedoch eine Steuerlogikschaltung 30 notwendig, die als Blockschaltbild in 3 gezeigt ist.In 2 is the interconnection between the EPWM 11 and the high-side driver 6 simplified by a level converter 29 shown. However, to obtain the full functionality of the invention is a control logic circuit 30 necessary, as a block diagram in 3 is shown.

Ein erster, durch ein Steuersignal der EPWM 11 steuerbarer Schalter 31 weist einen Eingang und einen invertierenden Eingang auf. Beide Eingänge sind mit dem High-Side Eingang 18 verbunden. Dadurch kann das High-Side Schaltsignal invertiert oder unverändert weitergeleitet werden. Ein invertiertes Schaltsignal ist beispielsweise bei einer P/N Brückenschaltung notwendig.A first, by a control signal of the EPWM 11 controllable switch 31 has an input and an inverting input. Both entrances are with the high-side entrance 18 connected. As a result, the high-side switching signal can be inverted or forwarded unchanged. An inverted switching signal is necessary, for example, in a P / N bridge circuit.

Der Ausgang des ersten Schalters 30 ist zusätzlich über einen Treiber 32 nach außen an einen Anschluss HSx_Logic_OUT des IC 28 geführt.The output of the first switch 30 is additionally via a driver 32 led to the outside to a connection HSx_Logic_OUT of the IC 28.

Der Ausgang des Inverter-Schalters 31 ist mit einem Eingang eines zweiten Schalters 33 verbunden, der auch über ein Schaltsignal des EPWM 11 steuerbar ist. Ein Eingang des zweiten Schalters 33 ist mit dem Low-Side Eingang 19 verbunden, so dass durch diesen Schalter 33 entweder das High-Side Schaltsignal oder das invertierte Low-Side Schaltsignal weitergeleitet wird.The output of the inverter switch 31 is with an input of a second switch 33 connected, which also has a switching signal from the EPWM 11 is controllable. An input of the second switch 33 is with the low-side input 19 connected, so through this switch 33 either the high-side switching signal or the inverted low-side switching signal is forwarded.

Am Ausgang des zweiten Schalters folgt ein Pegelumsetzer 29, der auch durch ein Steuersignal EPWMx_HS_Enable ein- und ausschaltbar ist. Das Steuersignal EPWMx_HS_Enable wird benötigt um beispielsweise den Treiber in einen Energiesparmodus zu versetzen oder auch nach einem Reset des Systems die Treiber kontrolliert und zeitsynchron wieder zu aktivieren. Das Ausgangsignal des Pegelumsetzers 29 dient als Schaltsignal für den High-Side Treiber 6. Durch einen geeigneten Pegelumsetzer ist gewährleistet, dass der High-Side Treiber potentialfrei im ganzen zulässigen Versorgungsspannungsbereich arbeiten kann. In der beispielhaften Ausführung der 3 ist das Signal Drive High für die Übertragung des Schaltzustandes des Gatetreiberausgangs auf HSx_Vcc zuständig. Drive Low ist analog dazu das Signal zum Schaltzustand in Richtung HSx_GND. At the output of the second switch is followed by a level shifter 29 which can also be switched on and off by means of a control signal EPWMx_HS_Enable. The control signal EPWMx_HS_Enable is required, for example, to put the driver into an energy-saving mode or to control the drivers again in a controlled manner after a reset of the system. The output signal of the level converter 29 serves as a switching signal for the high-side driver 6 , A suitable level converter ensures that the high-side driver can work potential-free throughout the permissible supply voltage range. In the exemplary embodiment of 3 the drive high signal is responsible for transmitting the switching state of the gate driver output to HSx_Vcc. Drive Low is analogous to the signal to the switching state in direction HSx_GND.

Der Halbbrückentreiber 5 ist im Beispiel für eine Betriebsspannung Vcc von 12 V ausgelegt, die auch intern zur Verfügung steht.The half-bridge driver 5 is in the example for an operating voltage Vcc designed by 12 V, which is also available internally.

In 2 sind nur die Anschlüsse eines Halbbrückentreibers 5 gezeigt. Wie bereits oben erwähnt, ist jedoch für jede anzutreibende Motorphase ein solcher Halbbrückentreiber 5 vorhanden und somit sind auch die Anschlüsse jeweils mehrfach vorhanden. Das x in den Anschlussbezeichnungen steht daher als Platzhalter für die mehreren Halbbrückentreiber 5.In 2 are only the connections of a half-bridge driver 5 shown. As already mentioned above, however, such a half-bridge driver is required for each motor phase to be driven 5 available and thus the connections are also several times available. The x in the terminal names is therefore a placeholder for the multiple half-bridge drivers 5 ,

Mögliche Anwendungen des Halbbrückentreibers sind im Folgenden mit Bezug auf die 4 bis 6 beschrieben.Possible applications of the half-bridge driver are described below with reference to FIGS 4 to 6 described.

Die 4 zeigt eine mögliche externe Beschaltung des Halbbrückentreibers 5 für eine Motorspannung von 12V mit einer N/N-Brückenschaltung 1, wobei hier der besseren Übersicht nur eine Halbbrücke 2 dargestellt ist. Die Halbbrücke 2 weist einen n-Kanal High-Side Brückenschalter 3 und einen n-Kanal Low-Side Brückenschalter 4 auf. Die Brückenschaltung 1 ist mit einer 12 V Motorspannungsquelle 34 verbunden.The 4 shows a possible external wiring of the half-bridge driver 5 for a motor voltage of 12V with an N / N bridge circuit 1, here the better overview only a half-bridge 2 is shown. The half bridge 2 has an n-channel high-side bridge switch 3 and an n-channel low-side bridge switch 4 on. The bridge circuit 1 is with a 12 V motor power source 34 connected.

Der Low-Side Signalausgang LSx_GD_OUT ist in diesem Fall direkt mit dem Low-Side Brückenschalter 4 verbunden, insbesondere mit dem Gate-Anschluss des Low-side Brückenschalters 4. Der High-Side Signalausgang HSx_GD_OUT ist ebenfalls direkt mit dem High-Side Brückenschalter 3 verbunden, insbesondere mit dem Gate-Anschluss des High-Side Brückenschalters 3.In this case, the low-side signal output LSx_GD_OUT is directly connected to the low-side bridge switch 4 connected, in particular with the gate terminal of the low-side bridge switch 4 , The high-side signal output HSx_GD_OUT is also directly connected to the high-side bridge switch 3 connected, in particular with the gate terminal of the high-side bridge switch 3 ,

Der erste Schalter 31 der Steuerlogik 30 ist auf den normalen Eingang geschaltet, ebenso der zweite Schalter 33.The first switch 31 the control logic 30 is switched to the normal input, as well as the second switch 33 ,

Um das schwebende Potential zu realisieren, ist der High-Side Niedrigpotentialeingang HSx_GND mit einem Lastausgang VL der der Motorphase, beziehungsweise der Brückenschaltung 1, verbunden. Er liegt also auf dem Potential der Motorphase. Zusätzlich ist er über einen Kondensator C mit dem High-Side Hochpotentialeingang HSx_Vcc verbunden.To realize the floating potential, the high-side low potential input is HSx_GND with a load output VL the motor phase, or the bridge circuit 1 , connected. It is therefore at the potential of the engine phase. In addition, it is connected via a capacitor C to the high-side high-potential input HSx_Vcc.

Der High-Side Hochpotentialeingang HSx_Vcc ist über eine erste Diode D1 mit einer Konstantwechselstromquelle 35 mit einer Spannung zwischen 8 V bis 12 V verbunden. Diese kann beispielsweise eine Rechteckspannung liefern. Über eine Sperrdiode D2 ist die Konstantwechselstromquelle 35 mit der Motorspannung 34 verbunden.The high-side high potential input HSx_Vcc is connected via a first diode D1 with a constant AC power source 35 connected to a voltage between 8V to 12V. This can provide, for example, a square wave voltage. About a blocking diode D2 is the constant AC power source 35 with the motor voltage 34 connected.

Die Sperrdiode D2 verhindert, dass Strom von der Konstantwechselstromquelle in die Motorspannungsquelle fließt. Die erste Diode D1 verhindert, dass Strom vom Motor M in die Konstantwechselstromquelle 35 zurückfließt.The blocking diode D2 prevents current from flowing from the constant AC power source into the motor power source. The first diode D1 prevents current from the motor M in the constant AC power source 35 flowing back.

Aufgrund der Motorspannung von 12 V beträgt das schwebende Potential am High-Side Niedrigpotentialeingang HSx_GND maximal 12 V. Die gezeigte externe Beschaltung sorgt nun dafür, dass das Potential am High-Side Hochpotentialeingang HSx_Vcc stets um die Spannung der Konstantwechselstromquelle über dem Potential am High-Side Niedrigpotentialeingang HSx_GND ist. Diese Potentialdifferenz ist notwendig, um die im High-Side Treiber 6 befindlichen FET zu schalten.Due to the motor voltage of 12 V, the floating potential at the high-side low-potential input HSx_GND is a maximum of 12 V. The external wiring shown ensures that the potential at the high-side high-potential input HSx_Vcc is always around the voltage of the constant-current source above the potential at the high-side Low potential input is HSx_GND. This potential difference is necessary to drive in the high-side 6 switch FET.

Anstelle der gezeigten Beschaltung mit einer Konstantwechselstromquelle 35 kann beispielsweise auch eine Bootstrapping-Schaltung verwendet werden. Auch so kann erreicht werden, dass das Potential am High-Side Hochpotentialeingang 22 immer höher ist. Darüber hinaus können auch andere geeignete Spannungsquellen verwendet werden. Eine Bootstrapping-Schaltung kann beispielsweise realisiert werden, indem eine Spannungsquelle, insbesondere die am Low-Side Hochpotentialeingang 26 anliegende Versorgungsspannung des Low-Side Gate-Treibers oder die am Betriebsspannungsanschluss Vcc anliegende Spannung, über eine Bootstrapping-Diode und einen Bootstrapping-Kondensator mit der Versorgung des Lastausgangs verbunden wird. Der Bootstrapping-Kondensator kann während der Anschaltzeit des Low-Side Brückenschalters 4, wobei der High-Side Brückenschalter 3 nicht leitend ist, geladen werden. Wenn dann der Low-Side Brückenschalter 4 abgeschaltet und auf den High-Side Brückenschalter 3 umgeschaltet wird, versorgt der Bootstrap-Kondensator das Gate des High-Side Brückenschalters 3 und die Treiberschaltung mit der nötigen Betriebsspannung. Der Bootstrapping-Kondensator kann zwar schnell die Gate-Kapazität des High-Side Brückenschalters 3 mit Ladung füllen, jedoch während der Anschaltzeit des High-Side Brückenschalters 3 nur für eine kurze begrenzte Zeit die Ladung der Gate-Kapazität und die Versorgung der Treiberschaltung gewährleisten. Daher ist diese Ausführung insbesondere dann vorteilhaft, wenn geringe Kosten gewünscht und zeitlich begrenzte Einschaltzeiten für die Anwendung ausreichend sind.Instead of the wiring shown with a constant AC power source 35 For example, a bootstrapping circuit can also be used. Even so, it can be achieved that the potential at the high-side high-potential input 22 is always higher. In addition, other suitable voltage sources may be used. A bootstrapping circuit can be realized, for example, by a voltage source, in particular the low-side high-potential input 26 applied supply voltage of the low-side gate driver or the operating voltage connection Vcc voltage is connected via a bootstrapping diode and a bootstrapping capacitor to the supply of the load output. The bootstrapping capacitor can during the turn-on of the low-side bridge switch 4 , where the high-side bridge switch 3 is not conductive, charged. If then the low-side bridge switch 4 switched off and on the high-side bridge switch 3 is switched, the bootstrap capacitor supplies the gate of the high-side bridge switch 3 and the driver circuit with the necessary operating voltage. Although the bootstrapping capacitor can quickly increase the gate capacity of the high-side bridge switch 3 fill with charge, but during the turn-on time of the high-side bridge switch 3 just for a short limited time Guarantee charge of the gate capacitance and the supply of the driver circuit. Therefore, this embodiment is particularly advantageous if low cost desired and time-limited switch-on for the application are sufficient.

Die gezeigte externe Konstantwechselstromquelle 35 oder eine alternative Bootstrapping-Schaltung kann auch im integrierten Schaltkreis 28 integriert sein, wobei dann deren Ausgang auf einen externen Anschluss geführt ist um eine flexible externe Beschaltung zu ermöglichen. In manchen Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, die externe Beschaltung weitestgehend durch interne Schaltelemente zu realisieren, die dann per Software ansteuerbar sind. In diesem Fall werden nur die Anschlüsse extern gekoppelt, ohne dass zusätzliche Bauteile notwendig sind.The external constant AC power source shown 35 or an alternative bootstrapping circuit can also be used in the integrated circuit 28 be integrated, in which case the output is passed to an external terminal to allow a flexible external wiring. In some embodiments of the invention it is provided to realize the external circuit largely by internal switching elements, which are then controlled by software. In this case, only the connections are externally coupled without the need for additional components.

Die 5 zeigt eine weiter mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen Halbbrückentreibers 5 für eine Motorspannung von 24 V und einer P/N Brückenschaltung 1. Die gezeigte Halbbrücke 2 weist einen p-Kanal High-Side Brückenschalter 3 und einen n-Kanal Low-Side Brückenschalter 4 auf. Die Brückenschaltung ist mit einer 24 V Motorspannungsquelle verbunden.The 5 shows a further possible application of the half-bridge driver according to the invention 5 for a motor voltage of 24 V and a P / N bridge circuit 1 , The half-bridge shown 2 has a p-channel high-side bridge switch 3 and an n-channel low-side bridge switch 4. The bridge circuit is connected to a 24 V motor power source.

Der Low-Side Signalausgang LSx_GD_OUT ist in diesem Fall direkt mit dem Low-Side Brückenschalter 4 verbunden.In this case, the low-side signal output LSx_GD_OUT is directly connected to the low-side bridge switch 4 connected.

Der High-Side Signalausgang HSx_GD_OUT ist ebenfalls direkt mit dem High-Side Brückenschalter 3 verbunden. Allerdings wird wegen dem High-Side p-Kanal Brückenschalter durch den ersten Schalter 31 das High-Side Schaltsignal invertiert.The high-side signal output HSx_GD_OUT is also directly connected to the high-side bridge switch 3 connected. However, because of the high-side p-channel bridge switch through the first switch 31 inverted the high-side switching signal.

Der High-Side Hochpotentialeingang HSx_Vcc ist mit der Motorspannungsquelle 34 verbunden. Zusätzlich ist auch hier eine 8 V bis 12 V Konstantwechselstromquelle 35 wie in 4 vorhanden, die über eine erste Diode D1 in Durchlassrichtung mit dem High-Side Hochpotentialeingang HSx_Vcc verbunden ist. Weiterhin ist hier zwischen dem High-Side Hochpotentialeingang HSx_Vcc und dem High-Side Niedrigpotentialeingang HSx_GND ein Kondensator C geschaltet.The high-side high-potential input HSx_Vcc is connected to the motor voltage source 34 connected. In addition, here is an 8 V to 12 V constant current source 35 as in 4 present, which is connected via a first diode D1 in the forward direction to the high-side high-potential input HSx_Vcc. Furthermore, a capacitor C is connected here between the high-side high-potential input HSx_Vcc and the high-side low-potential input HSx_GND.

Der High-Side Niedrigpotentialeingang HSx_GND ist über eine zweite Diode D2 in Durchlassrichtung mit der Konstantwechselstromquelle 35 verbunden.The high-side low potential input HSx_GND is via a second diode D2 in the forward direction with the constant AC power source 35 connected.

Alternativ kann anstelle der Konstantwechselstromquelle hier beispielsweise eine Z-Diode mit einem Widerstand als Spannungsquelle dienen.Alternatively, instead of the constant AC power source, here for example a Zener diode with a resistor can serve as the voltage source.

Die 6 zeigt schließlich eine Schaltung zur Ansteuerung eines Motors M mit einer Motorspannung die größer als 24 V ist, bis hin zu einem 230 VAC Motor, an einer N/N oder P/N Brückenschaltung 1.The 6 Finally, there is shown a circuit for driving a motor M having a motor voltage greater than 24V up to a 230VAC motor at an N / N or P / N bridge circuit 1 ,

Dieses Beispiel soll zeigen, wie der erfindungsgemäße IC 28 auch zur Ansteuerung eines externen High-Side Treibers 36 geeignet ist, der beispielsweise wegen einer hohen Motorspannung verwendet wird. In diesem Fall können nach einem nötigen Gleichrichter Gleichspannungen bis zu 400V am Motortreiber auftreten. In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist daher ein Gleichrichter vorgesehen, der mit einem PFC-Konverter gekoppelt ist. Dadurch werden sogar noch höhere Motorspannungen möglich.This example is intended to show how the IC according to the invention 28 also for controlling an external high-side driver 36 is suitable, which is used for example because of a high motor voltage. In this case DC voltages up to 400V can occur at the motor driver after a necessary rectifier. In a particularly advantageous embodiment of the invention, therefore, a rectifier is provided which is coupled to a PFC converter. This allows even higher motor voltages.

In dem Ausführungsbeispiel der 6 ist der erste Schalter 31 auf den normalen Eingang geschaltet, also nicht invertierend. Durch den zweiten Schalter 33 ist jedoch das Low-Side Schaltsignal auf den High-Side Treiber 6 geschaltet. In the embodiment of 6 the first switch 31 is switched to the normal input, that is not inverting. Through the second switch 33 However, this is the low-side switching signal to the high-side driver 6 connected.

Der High-Side Hochpotentialeingang HSx_Vcc ist hier fest mit der 12 V Betriebsspannung Vcc verbunden, der High-Side Niedrigpotentialeingang HSx_GND liegt auf Masse. Der High-Side Treiber 6 wird in diesem Fall parallel zum Low-Side Treiber 7 verwendet, weshalb auch deren Signalausgänge miteinander verbunden sind, um gemeinsam den Low-Side Brückenschalter 4 anzusteuern. Durch die parallele Verschaltung von zwei Treibern sind beispielsweise auch MOSFET- oder IGBT-Schalter in der Low-Side einsetzbar, die eine wesentlich höhere Gate-Kapazität aufweisen. Alternativ kann die Schaltfrequenz der Low-Side Treiber deutlich erhöht werden. Zur besseren Illustration der Parallelschaltung ist in 6 auch explizit die in 3 gezeigte Verbindung der Steuerlogikschaltung 30 mit dem Low-Side Eingang 19 eingezeichnet. Wie in 3 im Detail zu sehen ist, ist dabei ein Eingang des zweiten Schalters 33 der Steuerlogikschaltung 30 mit dem Low-Side Eingang 19 verbunden.The high-side high-potential input HSx_Vcc is fixed here with the 12 V operating voltage Vcc connected, the high-side low potential input HSx_GND is grounded. The high-side driver 6 will in this case be parallel to the low-side driver 7 which is why their signal outputs are also connected to each other in order to work together the low-side bridge switch 4 head for. By the parallel connection of two drivers, for example, MOSFET or IGBT switches can be used in the low-side, which have a much higher gate capacitance. Alternatively, the switching frequency of the low-side driver can be significantly increased. For better illustration of the parallel connection is in 6 also explicitly in 3 shown connection of the control logic circuit 30 with the low-side input 19 located. As in 3 can be seen in detail, is an input of the second switch 33 the control logic circuit 30 with the low-side input 19 connected.

Der externe High-Side Treiber 36 ist mit dem High-Side Signalausgang HSx_Logic_out verbunden, der das High-Side Schaltsignal unverändert vom High-Side Eingang 18 ausgibt. Der externe High-Side Treiber 36 ist mit dem High-Side Brückenschalter 3 verbunden.The external high-side driver 36 is connected to the high-side signal output HSx_Logic_out, which leaves the high-side switching signal unchanged from the high-side input 18 outputs. The external high-side driver 36 is with the high-side bridge switch 3 connected.

Neben den hier gezeigten Anwendungsbeispielen sind noch zahlreiche andere Beschaltungen des erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises für einen Halbbrückentreiber denkbar und möglich. Der IC ist somit für viele verschiedene Anwendungen einsetzbar, weshalb er in größeren Stückzahlen kostengünstiger herstellbar ist.In addition to the application examples shown here are many other circuits of the integrated circuit according to the invention for a half-bridge driver conceivable and possible. The IC can thus be used for many different applications, which is why it can be produced more economically in larger quantities.

Halbbrückentreiber 5, zur Ansteuerung der Brückenschalter 3,4 wenigstens einer Halbbrückenschaltung 2, der als integrierter Schaltkreis 28 ausgebildet ist, mit einem High-Side Treiber 5 bei dem der High-Side Signalausgang 20, der High-Side Hochpotentialeingang 22 und der High-Side Niedrigpotentialeingang 23 jeweils an einen externen Anschluss geführt sind und der High-Side Signaleingang 21 über eine Steuerlogikschaltung 30 mit dem High-Side Eingang 18 verbunden ist, und einem Low-Side Treiber 7, bei dem der Low-Side Signalausgang 25 an einen externen Anschluss geführt ist, der Low-Side Hochpotentialeingang 26 mit dem Betriebsspannungsanschluss Vcc und der Low-Side Niedrigpotentialeingang 27 mit dem Masseanschluss verbunden sind, und der Low-Side Signaleingang 24 mit dem Low-Side Eingang 19 verbunden ist.Half-bridge driver 5 , for controlling the bridge switch 3,4 at least one half-bridge circuit 2 that as an integrated circuit 28 is formed with a high-side driver 5 where the high-side signal output 20 , the high-side high-potential input 22 and the high-side low-potential input 23 are each led to an external terminal and the high-side signal input 21 via a control logic circuit 30 connected to the high-side input 18, and a low-side driver 7 in which the low-side signal output 25 led to an external connection, the low-side high-potential input 26 with the operating voltage connection Vcc and the low-side low potential input 27 connected to the ground terminal, and the low-side signal input 24 with the low-side input 19 connected is.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Brückenschaltungbridge circuit
22: Halbbrückehalf bridge
33: High-Side BrückenschalterHigh-side bridge switch
44: Low-Side BrückenschalterLow-side bridge switch
55: HalbbrückentreiberHalf-bridge driver
66: High-Side TreiberHigh-side driver
77: Low-Side TreiberLow-side driver
88th: Motorsteuerungmotor control
99: Mikrocontrollermicrocontroller
1010: LIN-BustreiberLIN bus driver
1111: EPWMEPWM
1212: CCUCCU
1313: HallsensorHall sensor
1414: ADC & PGAADC & PGA
1515: MTCMTC
1616: Spannungsteilervoltage divider
1717: SpannungswandlerDC converter
1818: High-Side EingangHigh-side entrance
1919: Low-Side EingangLow-side entrance
2020: High-Side SignaleingangHigh-side signal input
2121: High-Side SignalausgangHigh-side signal output
2222: High-Side HochpotentialeingangHigh-side high potential input
2323: High-Side NiedrigpotentialeingangHigh-side low-potential input
2424: Low -Side SignaleingangLow-side signal input
2525: Low -Side SignalausgangLow-side signal output
2626: Low -Side HochpotentialeingangLow-side high-potential input
2727: Low -Side NiedrigpotentialeingangLow-side low-potential input
2828: integrierte Schaltungintegrated circuit
2929: Pegelumsetzerlevel converter
3030: SteuerlogikschaltungControl logic circuit
3131: erster Schalterfirst switch
3232: Treiberdriver
3333: zweiter Schaltersecond switch
3434: MotorspannungsquelleEngine power source
3535: KonstantwechselstromquelleConstant AC power source
3636: externer High-Side Treiberexternal high-side driver
VccVcc: BetriebsspannungsanschlussOperating voltage connection
VLVL: Spannungspotential der MotorphaseVoltage potential of the motor phase
GNDGND: Masseanschlussground connection

Claims

Halbbrückentreiber (5), zur Ansteuerung der Brückenschalter (3,4) wenigstens einer Halbbrückenschaltung (2), aufweisend für jede anzusteuernde Halbbrücke (2): einen High-Side Treiber (6) mit einem High-Side Signaleingang (20), einem High-Side Signalausgang (21), einem High-Side Hochpotentialeingang (22) und einem High-Side Niedrigpotentialeingang (23), und einen Low-Side Treiber (7) mit einem Low-Side Signaleingang (24), einem Low-Side Signalausgang (25), einem Low-Side Hochpotentialeingang (26) und einem Low-Side Niedrigpotentialeingang (27), dadurch gekennzeichnet, dass der Halbbrückentreiber (5) als integrierte Schaltung (28) ausgebildet ist, aufweisend einen Betriebsspannungsanschluss (Vcc) und einen Masseanschluss (GND), und für jede anzusteuernde Halbbrücke (2): einen High-Side Eingang (18) und einen Low-Side Eingang (19), wobei der High-Side Signalausgang (21), der High-Side Hochpotentialeingang (23) und der High-Side Niedrigpotentialeingang (24) jeweils an einen externen Anschluss geführt sind und der High-Side Signaleingang (20) über eine Steuerlogikschaltung (30) mit dem High-Side Eingang (18) verbunden ist, und wobei der Low-Side Signalausgang (25) an einen externen Anschluss geführt und der Low-Side Signaleingang (24) mit dem Low-Side Eingang (19) verbunden ist, wobei eine Anpassung an eine Brückenschaltung (2) durch geeignete Beschaltung der externen Anschlüsse erfolgt.Half-bridge driver (5) for controlling the bridge switches (3, 4) of at least one half-bridge circuit (2), comprising for each half-bridge (2) to be triggered: a high-side driver (6) with a high-side signal input (20), a high -Side signal output (21), a high-side high-potential input (22) and a high-side low-potential input (23), and a low-side driver (7) with a low-side signal input (24), a low-side signal output ( 25), a low-side high potential input (26) and a low-side low potential input (27), characterized in that the half-bridge driver (5) as an integrated circuit (28) is formed, comprising an operating voltage terminal (Vcc) and a ground terminal (GND ), and for each half-bridge (2) to be controlled: a high-side input (18) and a low-side input (19), the high-side signal output (21), the high-side high-potential input (23) and the high -Side low potential input (24) each to an external are connected and the high-side signal input (20) via a control logic circuit (30) to the high-side input (18) is connected, and wherein the low-side signal output (25) led to an external terminal and the low-side Side signal input (24) is connected to the low-side input (19), wherein an adaptation to a bridge circuit (2) by appropriate wiring of the external connections takes place.

Halbbrückentreiber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Low-Side Hochpotentialeingang (26) mit dem Betriebsspannungsanschluss (Vcc) und der Low-Side Niedrigpotentialeingang (27) mit dem Masseanschluss (GND) verbunden sind.Half-bridge driver after Claim 1 , characterized in that the low-side high-potential input (26) to the operating voltage terminal (Vcc) and the low-side low-potential input (27) to the ground terminal (GND) are connected.

Halbbrückentreiber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerlogikschaltung (30) einen Pegelumsetzer (29) zur Ansteuerung des High-Side Treibers (6) aufweist.Half-bridge driver after Claim 1 or 2 , characterized in that the control logic circuit (30) has a level shifter (29) for controlling the high-side driver (6).

Halbbrückentreiber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der High-Side Eingang (18) zusätzlich an einen externen Anschluss (HSx_Logic_OUT) geführt ist.Half bridge driver after one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the high-side Input (18) is additionally led to an external connection (HSx_Logic_OUT).

Halbbrückentreiber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerlogikschaltung (30) einen Umschalter (33) aufweist, mit dem der High-Side Treiber (6) schaltbar mit dem High-Side Eingang (18) oder dem Low-Side Eingang (19) verbindbar ist.Half bridge driver after one of the Claims 1 to 4 , characterized in that the control logic circuit (30) comprises a changeover switch (33), with which the high-side driver (6) switchable with the high-side input (18) or the low-side input (19) is connectable.

Halbbrückentreiber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerlogikschaltung einen Umschalter (31) aufweist, mit dem das High-Side Eingangssignal (18) invertierbar ist.Half bridge driver after one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the control logic circuit comprises a changeover switch (31) with which the high-side input signal (18) is invertible.

Halbbrückentreiber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbbrückentreiber (5) eine Hilfsstromquelle und/oder Hilfsspannungsquelle aufweist, die extern beschaltbar ist.Half bridge driver after one of the Claims 1 to 6 , characterized in that the half-bridge driver (5) has an auxiliary power source and / or auxiliary voltage source which can be externally connected.

Halbbrückentreiber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbbrückentreiber (5) eine Wechselstromquelle als Hilfsstromquelle aufweist, über welche die High-Side Treiber (6) und Low-Side Treiber (7) über eine externe Beschaltung mit einer Betriebsspannung versorgt werden können.Half-bridge driver after Claim 7 , characterized in that the half-bridge driver (5) has an AC power source as an auxiliary power source, via which the high-side driver (6) and low-side driver (7) can be supplied via an external wiring with an operating voltage.

Halbbrückentreiber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbbrückentreiber (5) eine integrierte Pulsweitenmodulationseinheit (11) aufweist, die intern mit den High-Side Eingängen (18) und Low-Side Eingängen (19) verbunden ist.Half bridge driver after one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the half-bridge driver (5) has an integrated pulse width modulation unit (11), which is internally connected to the high-side inputs (18) and low-side inputs (19).

Halbbrückentreiber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbbrückentreiber als System-on-a-Chip (SoC) oder als System-in-Package (SiP) ausgebildet ist.Half bridge driver after one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the half-bridge driver is designed as a system-on-a-chip (SoC) or as a system-in-package (SiP).

Halbbrückentreiber nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochpotentialeingang (23) des High-Side Schalters (3) mit dem Spannungspotential (VL) der Motorphase über die externe Beschaltung des Halbbrückentreibers verbindbar ist, wodurch der Halbbrückentreiber zum Betreiben einer n/n-Halbbrücke konfigurierbar ist.Half bridge driver after one of the Claims 1 to 10 , characterized in that the high potential input (23) of the high-side switch (3) with the voltage potential (VL) of the motor phase via the external circuitry of the half-bridge driver is connectable, whereby the half-bridge driver for operating a n / n half-bridge is configurable.

Halbbrückentreiber nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochpotentialeingang (22) des High-Side Schalters mit dem Spannungspotential des Betriebsspannungsanschlusses (VCC) über die externe Beschaltung verbindbar ist, wodurch der Halbbrückentreiber zum Betreiben einer p/n-Halbbrücke konfigurierbar ist.Half bridge driver after one of the Claims 1 to 11 , characterized in that the high potential input (22) of the high-side switch is connectable to the voltage potential of the operating voltage terminal (VCC) via the external circuitry, whereby the half-bridge driver for operating a p / n half-bridge is configurable.

Halbbrückentreiber nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der High-Side Treiber (6) und der Low-Side Treiber (7) über die externe Beschaltung parallel geschaltet werden können, so dass die Parallelschaltung zum Ansteuern eines unteren Brückenschalters (4) einer Halbbrücke konfiguriert ist und wobei der High-Side Eingang (18) über die externe Beschaltung mit einem externen High-Side Treiber zum Ansteuern eines oberen Brückenschalters (3) verbindbar ist.Half bridge driver after one of the Claims 1 to 11 , characterized in that the high-side driver (6) and the low-side driver (7) can be connected in parallel via the external circuit, so that the parallel circuit is configured to drive a lower bridge switch (4) of a half-bridge and wherein the High-side input (18) via the external wiring with an external high-side driver for driving an upper bridge switch (3) is connectable.

Halbbrückentreiber nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung der High-Side Treiber (6) und Low-Side Treiber (7) als Ladungspumpe ausgebildet ist.Half bridge driver after one of the Claims 1 to 13 characterized in that the power supply of the high-side driver (6) and low-side driver (7) is designed as a charge pump.

Halbbrückentreiber nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbbrückentreiber zur Ansteuerung von einer, zwei, drei oder vier Halbbrücken ausgebildet ist.Half bridge driver after one of the Claims 1 to 14 , characterized in that the half-bridge driver is designed to drive one, two, three or four half-bridges.

Ansteuerschaltung für einen Elektromotor (M) mit einem Halbbrückentreiber (5) gemäß einem der vorangehenden Ansprüchen, und einer mit dem Halbbrückentreiber (5) verbundenen Halbbrückenschaltung (2).A drive circuit for an electric motor (M) having a half-bridge driver (5) according to one of the preceding claims, and a half-bridge circuit (2) connected to the half-bridge driver (5).

Elektromotor mit einem Rotor und einem Stator, der mit mindestens einer Halbbrückenschaltung (2) gekoppelte Wicklungen für eine oder mehrere Motorphasen aufweist, sowie mit einer Ansteuerschaltung nach Anspruch 16.Electric motor with a rotor and a stator having at least one half-bridge circuit (2) coupled windings for one or more motor phases, and with a drive circuit according to Claim 16 ,