DE3618749A1 - Intelligente elektrische leistungsvorrichtung mit monolithisch integrierter schaltung - Google Patents

Intelligente elektrische leistungsvorrichtung mit monolithisch integrierter schaltung

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Description

Die Erfindung betrifft eine intelligente elektrische Leistungsvorrichtung mit monolithisch integrierter Schaltung.
Sogenannte "intelligente" elektrische Leistungsvorrichtungen sind jene, welche ein oder mehrere interne Steuerelemente enthalten, die zum üblichen Schalten des Leistungselementes und auch zur Durchführung einfacher Logikfunktionen, Überlastungsschutzfunktionen und Hilfsfunktionen im allgemeinen verwendet werden können.
In Vorrichtungen dieser Art erfordert der Steuerteil normalerweise eine separate Energieversorgung.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine intelligente elektrische Leistungsvorrichtung verfügbar zu machen, welche die für ihre eigene Steuerschaltung erforderliche Energie aus ihrem Inneren nimmt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Leistungsvorrichtung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ein MOS-Leistungselement aufweist, das in eine Leistungsschaltung zum Speisen einer Last eingefügt ist, wenigstens eine dem Leistungselement zugeordnete CMOS-Steuerschaltung, von der das Leistungselement durch bloßes Anlegen einer Ladung an das Gate des Leistungselementes und Aufrechterhaltung dieser Ladung leitend gehalten wird, einen Kondensator zur Speisung der Steuerschaltung und eine Kondensatorladeschaltung, die derart funktioniert, daß sie während Ausschaltperioden des Leistungselementes Spannung von der Leistungsschaltung abnimmt und dem Kondensator für die entsprechende Aufladung zuführt.
Mit anderen Worten, durch die Verwendung eines Kondensators, der während Perioden, in welchen das Leistungselement gesperrt ist, periodisch von der Leistungsschaltung wieder aufgeladen wird, hält die erfindungsgemäße Vorrichtung ihre Steuerschaltung ohne die Notwendigkeit einer Versorgung von außen in Betrieb. Dies ist möglich gemacht worden durch Kombinieren eines MOS-Leistungselementes mit einer CMOS-Steuerschaltung, die den Leit- oder Sperrzustand des Leistungselementes nicht durch den Durchfluß eines Gleichstroms sondern durch Erwerb oder Verlust einer Ladung am Gate zu Beginn des entsprechenden Zustands bestimmt. Das Halten der Ladung am Gate ohne das Fließen eines Stroms ist eine ausreichende Bedingung für das Aufrechterhalten des leitenden Zustandes. Dies führt zu einem sehr geringen Stromverbrauch und daher zur Verwendbarkeit des Kondensators für die Speisung der Steuerversorgungsschaltung oder Steuerschaltung.
Es kann vorkommen, daß die Leistungsschaltung für Perioden leitet, die langer sind als die Zeitkonstante der Kondensatorentladeschaltung, so daß die aufgenommene Spannung zum Wiederaufladen des Kondensators nicht ausreicht. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird vorzugsweise eine Steuerlogikschaltung innerhalb der Vorrichtung vorgesehen, welche die Leistungsschaltung für eine sehr kurze Zeitdauer sperrt, so daß die Betriebsweise nicht signifikant geändert wird, und welche den gesamten Laststrom oder einen Teil des Laststroms zum Kondensator leitet, derart, daß die Spannung über den Kondensatoranschlüssen auf den Soll-Wert zurückgebracht wird.
In bevorzugter Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem einzigen monolithischen Chip untergebracht, mit Ausnahme des Kondensators, der in diesem Fall das einzige externe Element bleibt.
Die Erfindung sowie weitere Aufgabenaspekte/ Vorteile und Merkmale werden nun anhand einer Ausführungsform, die auf beiliegender Zeichnung dargestellt ist/ erläutert. Ein MOS-Leistungselement 1 ist eingefügt zwischen einen negativen Gemeinschaftsanschluß 2 und einen positiven Anschluß 3,an den eine Last 4 anschließbar ist. Parallel zum Leistungselement, genauer gesagt, zwischen die Drain-Elektrode und die Source-Elektrode des Leistungselementes 1, ist eine Diode 5 geschaltet. Beim Leistungselement 1 handelt es sich vorzugsweise um einen Typ, der zur Steuerung von Spannungen zwischen 100 V und 1 000 V und von Leistungen bis zu 10 kVA in der Lage ist.
Das Gate des Leistungselementes 1 wird von einer CMOS-Steuerschaltung 6 gesteuert, die ein P-MOS-Element und ein N-MOS-Element 8 umfaßt und ihrerseits von einer CMOS-Logiksteuerschaltung 9 gesteuert wird, die mit Eingangsanschlüssen 10 versehen ist. Die Steuerschaltung 6 steuert das periodische Schalten des Leistungselementes 1 vom leitenden Zustand in den Sperrzustand und umgekehrt,
Die Steuerschaltung 6 wird von einem Kondensator 11 gespeist, der während der Perioden des Sperrens des Leistungselementes 1 an eine Ladespannung V gelegt wird, die von der Leistungsschaltung abgenommen wird, zu welcher das Leistungselement 1 gehört.
Diese Ladespannung wird mittels einer Ladeschaltung zugeführt, die ein MOS-Element 13 und einen Wiederstand 14 umfaßt und die Steuerlogikschaltung 9 versorgt, von welcher sie gesteuert wird.
Hinsichtlich weiterer Einzelheiten der Anordnung und gegenseitigen Verschaltung der einzelnen Schaltungselemente wird auf die Darstellung in der Figur verwiesen.
Alle beschriebenen Elemente der Schaltungsanordnung mit Ausnahme des Kondensators 11 sind in einem einzigen monolithischen Chip 15 enthalten.
Im Betrieb führt die Steuerschaltung 6 dem Gate des Leistungselementes 1 bei jedem Zyklusbeginn eine Ladung zu, die dazu ausreicht, dieses Leistungselement im leitenden Zustand zu halten, und die Steuerschaltung 6 hält dann diese Ladung am Gate des Leistungselementes 1. Unter dieser Bedingung ist der Stromverbrauch sehr niedrig und proportional zur Schaltfrequenz der Schaltung, entsprechend dem wohlbekannten Verhalten von CMOS-Schaltungen.
Während der Perioden des Leitens des Leistungselementes
I wird die Steuerschaltung 6 vom Kondensator 11 gespeist.
Während Perioden der Sperrung des Leistungselementes 11 nimmt die Ladeschaltung 12 die Spannung V von der Leistungsschaltung und liefert diese an den Kondensator
II zur Aufladung.
Wenn die Leistungsschaltung für Perioden leitet, die länger sind als die Entladungszeit des Kondensators 11, wird die Steuerlogikschaltung 9 wirksam, um die Leistungsscftaltung zu sperren und den Lade- oder Laststrom gänzlich oder teilweise zum Kondensator 11 zu leiten, bis die Spannung über dessen Anschlüssen auf den erforderlichen Wert zurückgebracht ist.
Die Vorteile der beschriebenen und erläuterten Schaltungsanordnung sind besonders bedeutsam im Fall von Leistungsschaltungen mit Einphasen- oder Mehrphasen-Brücken , in denen wenigstens ein Teil der Quellen- oder Source-Anschlüsse der Leistungsvorrichtungen unterschiedliches Potential haben und daher für die individuellen Steuerschaltungen mehrere externe Hilfsquellen erforderlich wären. Die beschriebene Schaltungsanordnung macht es möglich, die verschiedenen Hilfsspannungen innerhalb eines jeden Chips zu erhalten, und zwar mit beträchtlichen Vorteilen hinsichtlich Kosten und Einfachheit.
- Leerseite -

Claims (3)

Intelligente elektrische Leistungsvorrichtung mit monolithisch integrierter Schaltung Patentansprüche
1. Intelligente elektrische Leistungsvorrichtung mit einer monolithisch integrierten Schaltung,
gekennzeichnet durch
- ein MOS-Leistungselement (1), das in eine Leistungsschaltung (2, 3, 5) zum Speisen einer Last (4) eingefügt ist,
- wenigstens eine dem MOS-Leistungselement (1) zugeordnete CMOS-Steuerschaltung (6), von der das MOS-Leistungselement (1) durch bloßes Zuführen einer Ladung an das Gate des
MOS-Leistungselementes (1) und Aufrechterhalten dieser Ladung im leitenden Zustand gehalten wird,
- einen Kondensator (11) zur Speisung der Steuerschaltung (6)
- und eine Ladeschaltung (12) für den Kondensator (11), die während Ausschaltzeiten des MOS-Leistungselementes (1) Spannung von der Leistungsschaltung (2, 3, 5) abnimmt und dem Kondensator (11) zur Aufladung zuführt.
2. Leistungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
eine Steuerlogik-Schaltung (y), die dann, wenn die Leitzeit des MOS-Leistungselementes (1) die Entladezeit des Kondensators (11) überschreitet, ein Sperren des MOS-Leistungs-
ORIGINAL
elementes (1) und eine übertragung von Ladestrom an den Kondensator (11) steuert.
3. Leistungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die gesamte Leistungsvorrichtung mit Ausnahme des Kondensators (11) in einem einzigen monolithischen Cnip (15) enthalten ist.
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