DE3618749C2 - Intelligente elektrische Leistungsvorrichtung mit monolithisch integrierter Schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine intelligente elektrische Leistungsschaltvor­ richtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Sogenannte "intelligente" elektrische Leistungsschaltvorrichtungen sind jene, welche ein oder mehrere interne Steuerelemente enthalten, die zum üblichen Schalten des Leistungsschaltelementes und auch zur Durchfüh­ rung einfacher Logikfunktionen, Überlastungsschutzfunktionen und Hilfs­ funktionen im allgemeinen verwendet werden können.

In Vorrichtungen dieser Art erfordert der Steuerteil normalerweise eine separate Energieversorgung.

Aus der Druckschrift GB-A-2,049,329 ist eine elektrische Leistungsvor­ richtung bekannt, die ein in Reihe mit einer Last geschaltetes MOS- Leistungselement aufweist. Der Steueranschluß dieses MOS-Leistungs­ elements ist mit einer Steuerschaltung verbunden, deren Betriebsspan­ nung aus einem Kondensator bezogen wird, der in den Zeiten, in denen das MOS-Leistungselement in einen gesperrten Zustand gesteuert ist, über eine Diode Spannung von der Leistungsschaltung abnimmt und so aufgeladen wird. Bei der aus der Druckschrift bekannten Leistungsvor­ richtung ist eine Oszillatorschaltung als Steuerschaltung vorgesehen.

Aus der Druckschrift EP-A1-0,106,119 ist ein fernbedienbarer Schalter bekannt, dessen Lastteil ein Halbleiter-Leistungselement aufweist, das in die Schaltung zum Speisen einer Last eingefügt ist. Das Leistungsele­ ment weist einen Steueranschluß auf, der mit einem Sensor verbunden ist. Die Stromversorgung des Sensors erfolgt durch einen Kondensator, der während der Zeiten, in denen das Halbleiter-Leistungselement sperrt, über eine Diode und einen Widerstand als Ladeschaltung durch die an die Leistungschaltung angelegte Spannung aufgeladen wird. Der Fach­ mann entnimmt der genannten Druckschrift, insbesondere aber deren Figur, daß es sich bei der bekannten Schaltung um eine Phasenanschnittsteuerung für starkstrombetriebene Verbraucher handelt, wobei das Halb­ leiter-Leistungselement als Triac ausgeführt ist.

Aus der Druckschrift DE-A1-31 28 077 ist eine Phasenanschnittsteuerung bekannt, die monolithisch integriert ist.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine intelligente elektrische Lei­ stungsschaltvorrichtung verfügbar zu machen, welche die für ihre eigene Steuerschaltung erforderliche Energie aus ihrem Inneren nimmt und ohne wesentliche Änderung ihres Betriebsmodus unabhängig von ihrem Schaltzustand ohne zeitliche Beschränkung zu arbeiten vermag.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Leistungsschaltvorrich­ tung nach Anspruch 1 gelöst.

Durch die Verwendung eines Kondensators, der während Perioden, in welchen das Leistungsschaltelement gesperrt ist, periodisch von der Leistungsschaltung wieder aufgeladen wird, hält die Vorrichtung ihre Steuerschaltung ohne die Notwendigkeit einer Versorgung von außen in Betrieb. Dies ist möglich gemacht worden durch Kombinieren eines MOS-Leistungsschaltelementes mit einer CMOS-Steuerschaltung, die den Leit- oder Sperrzustand des Leistungselementes nicht durch den Durch­ fluß eines Gleichstroms, sondern durch Erwerb oder Verlust einer La­ dung am Gate zu Beginn des entsprechenden Zustandes bestimmt. Das Halten der Ladung am Gate ohne das Fließen eines Stroms ist eine aus­ reichende Bedingung für das Aufrechterhalten des leitenden Zustandes. Dies führt zu einem sehr geringen Stromverbrauch und daher zur Ver­ wendbarkeit des Kondensators für die Speisung der Steuerschaltung.

Es kann vorkommen, daß die Leistungsschaltung für Perioden leitet, die länger sind als die Kondensatorentladezeitkonstante, so daß die aufge­ nommene Spannung zum Wiederaufladen des Kondensators nicht aus­ reicht. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird 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, der­ art, daß die Spannung über den Kondensatoranschlüssen auf den Sollwert zurückgebracht wird.

In bevorzugter Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem einzigen monolithischen Chip untergebracht, mit Ausnahme des Kon­ densators, 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 Zeich­ nung dargestellt ist, erläutert. Ein MOS-Leistungsschaltelement 1 ist eingefügt zwischen einen negativen Gemeinschaftsanschluß 2 und einen positiven Anschluß 3, an den eine Last 4 anschließbar ist. Parallel zum Leistungsschaltelement, genauer gesagt, zwischen die Drain-Elektrode und die Source-Elektrode des Leistungsschaltelementes 1, ist eine Diode 5 geschaltet. Beim Leistungsschaltelement 1 handelt es sich vorzugs­ weise 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 Leistungsschaltelementes 1 wird von einer CMOS-Steuer­ schaltung 6 gesteuert, die ein P-MOS-Element 7 und ein N-MOS-Ele­ ment 8 umfaßt und ihrerseits von einer CMOS-Steuerlogikschaltung 9 gesteuert wird, die mit Eingangsanschlüssen 10 versehen ist. Die Steuer­ schaltung 6 steuert das periodische Schalten des Leistungsschaltelementes 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 Leistungsschaltelementes 1 an eine Ladespannung V gelegt wird, die von der Leistungsschaltung abge­ nommen wird, zu welcher das Leistungsschaltelement 1 gehört.

Diese Ladespannung wird mittels einer Ladeschaltung 12 zugeführt, die ein MOS-Element 13 und einen Widerstand 14 umfaßt und die Steuerlo­ gikschaltung 9 versorgt, von welcher sie gesteuert wird.

Hinsichtlich weiterer Einzelheiten der Anordnung und der 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 Leistungsschalt­ elementes 1 bei jedem Zyklusbeginn eine Ladung zu, die dazu ausreicht, dieses Leistungsschaltelement im leitenden Zustand zu halten, und die Steuerschaltung 6 hält dann diese Ladung am Gate des Leistungsschalt­ elementes 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 Leistungsschaltelementes 1 wird die Steuerschaltung 6 vom Kondensator 11 gespeist.

Während Perioden der Sperrung des Leistungsschaltelementes 11 nimmt die Ladeschaltung 12 die Spannung V von der Leistungsschaltung und liefert diese an den Kondensator 11 zur Aufladung.

Wenn die Leistungsschaltung für Perioden leitet, die länger sind als die Entladungszeit des Kondensators 11, wird die Steuerlogikschaltung 9 wirksam, um die Leistungsschaltung 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 zurück­ gebracht 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 Leistungsschaltvorrichtungen unterschiedli­ ches Potential haben und daher für die individuellen Steuerschaltungen mehrere externe Hilfsquellen erforderlich wären. Die beschriebene Schaltungsanordnung macht es möglich, die verschiedenen Hilfsspan­ nungen innerhalb eines jeden Chips zu erhalten, und zwar mit beträchtli­ chen Vorteilen hinsichtlich Kosten und Einfachheit.

Claims (2)

1. Intelligente elektronische Leistungsschaltvorrichtung, aufweisend:

• a) ein MOS-Leistungsschaltelement (1),
• b) eine Steuerlogikschaltung (9) zum Liefern periodischer Einschalt- und Ausschaltsignale an das MOS-Leistungsschaltelement (1) in Überein­ stimmung mit einem voreingestellten Betriebszyklus,
• c) einen mit einer Ladeschaltung (12) versehenen Kondensator (11), der über die Ladeschaltung (12) der Drain-Source-Strecke des MOS-Lei­ stungsschaltelementes (1) parallelgeschaltet ist und zur Stromversor­ gung der Steuerlogikschaltung (9) vorgesehen ist, wobei beim Sperren des MOS-Leistungsschaltelementes (1) eine Aufladung des Kondensa­ tors (11) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß
• d) eine CMOS-Steuerschaltung (6), bestehend aus einem pMOS-Ele­ ment (7) und einem dazu in Reihe geschalteten nMOS-Element (8) zwi­ schen die Steuerlogikschaltung (9) und das MOS-Leistungsschaltele­ ment (1) geschaltet ist, und daß
• e) die Ladeschaltung (12) ein NMOS-Element (13) aufweist über dessen Drain-Source-Strecke der Kondensator (11) der Drain-Source-Strecke des MOS-Leistungsschaltelementes (1) parallel geschaltet ist und der Kondensator (11) auch zur Speisung der Steuerlogikschaltung (9) und der CMOS-Steuerschaltung (6) vorgesehen ist, und
• f) daß das NMOS-Element (13) der Ladeschaltung (12) derart in Steuerab­ hängigkeit der Steuerlogikschaltung (9) steht,
  • a) daß das NMOS-Element (13) bis zum nachfolgenden Einschalten des MOS-Leistungsschaltelementes (1) eingeschaltet ist und an die Steuerlogikschaltung (9) und an den Kondensator (11) Strom liefert, wenn das MOS-Leistungsschaltelement (1) ausgeschaltet ist, und
  • b) daß die Steuerlogikschaltung (9) das MOS-Leistungsschaltele­ ment (1) für eine sehr kurze Zeitdauer ausschaltet, so daß die Be­ triebsweise nicht signifikant geändert wird, und gleichzeitig das NMOS-Element (13) einschaltet, wenn die Leitzeit des MOS-Lei­ stungsschaltelementes (1) die Entladezeitkonstante des Kondensa­ tors (11) überschreitet.

2. Leistungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Leistungschaltvorrichtung mit Ausnahme des Kon­ densators (11) in einem einzigen monolithischen Chip (15) enthalten ist.