DE3701466C2 - Leistungs-Schnittstellenschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungs-Schnittstellen­ schaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Übliche Leistungs-Schnittstellen- oder Interface-Schaltungen (PIC) sind zur Zuführung von Leistung bei höheren Spannungen an eine elektrische Last in steuerbarer Weise geeignet. Bekannte Leistungs-Schnittstellenschaltungen dieser Artschließen einen Steueranschluß, wie z. B. das "Tor" eines Thyristors oder die "Basis" eines bipolaren Leistungstransistors ein. Es sind Steuerschaltungen in verschiedener Form bekannt, die Schalt­ signale an die Steueranschlüsse der Schalterelemente liefern. Die Steuerschaltungen können weiterhin verschiedene Formen von Leistungsaufbereitung ergeben, wie z. B die graduelle Ver­ größerung des Tastverhältnisses der zugeführten Leistung vom lastfreien Zustand zur Voll-Last, die Steuerung des Nulldurch­ gangs-Zündens, die Unterdrückung des Zündens aufgrund von Spannungsspitzen und dergleichen.

Eine übliche Lösung bei der praktischen Ausführung einer Leistungs-Schnittstellenschaltung besteht darin, sowohl die Leistungsschalterstruktur als auch die zugehörige Steuer­ schaltung in dem gleichen Chip-Körper zu integrieren. Leistungs- Schnittstellenschaltungen dieser Art werden in manchen Fällen als "intelligente" Leistungs-Schnittstellenschaltungen bezeichnet, weil bei diesen in vielen Fällen hochentwickelte Steuerschaltungen in dem Leistungschip eingeschlossen sind.

Der Umfang an "Intelligenz", der in ein einzelnes Leistungs­ bauteil integriert werden kann, ist jedoch aus nachfolgend be­ schriebenen Gründen begrenzt.

Die Spannungsfestigkeitseigenschaften eines Leistungsschalters, unabhängig davon, ob dieser integriert oder nicht ist, stelle seine wesentlichsten Merkmale dar. Dies gilt insbesondere in starken Störungen ausgesetzten Umgebungen, wie sie beispielsweise bei industriellen und Kraftfahrzeug-Anwendungen auftreten. In einer monolithischen Leistungs-Schnittstellen-Schaltung müssen entweder die "intelligenten" und die Steuerfunktionen alle die gleichen Spannungsfestigkeitseigenschaften wie die Leistungs­ schaltereinheiten aufweisen, oder es sind spezielle Puffer- und Isolationstechniken erforderlich, um diese Steuerfunktionen in wirksamer Weise von dem mit höheren Spannungen beaufschlagten Leistungsteil des Halbleiterplättchens abzuschirmen. Diese Techniken vergrößern die Größe des Halbleiterplättchens und die Herstellungskosten.

Weil diese Spannung normalerweise größer als 30 oder 40 Volt ist, können die traditionellen, weit entwickelten und wenig aufwendigen Herstellungstechniken, die normalerweise zur Herstellung von Schaltungen und Mikroprozessoren verwendet werden, nicht für eine intelligente Leistungs-Schnittstellen­ schaltung verwendet werden. Es müssen andere Fabrikationstech­ niken verwendet werden, die umfangreiche Silizium-Halbleiter­ plättchenflächen benötigen, um die grundlegensten Funktionen zu integrieren. Diese Techniken ergeben oft eine eigenartbedingte niedrige Ausbeute. Dies begrenzt andererseits den Umfang der Intelligenz, die zu einem Teil des Leistungsschalters gemacht werden kann.

Aufgrund der Unterschiede der Fabrikationstechniken für Halb­ leiter für hohe und niedrige Spannungen ist es beispielsweise bei Schaltungsanordnungen mit zwei Schaltkreissystemen für hohe bzw. niedrige Spannungen aus der DE-OS 24 17 054 bekannt, in derartigen Schaltungsanordnungen diskrete Schaltungen mit­ einander zu mischen, und zwar einerseits Schaltkreise, die robust und störsicher aufgebaut und mit hoher Versorgungs­ spannung und großem Signalhub arbeiten, sowie andererseits Schaltkreise aus der Rechnertechnik, die mit niedriger Ver­ sorgungsspannung und einem entsprechend kleinen Signalhub arbeiten. Die Versorgung der für die Rechnertechnik entwickelten Schaltkreise erfolgt hierbei über kombinierte Spannungsregler- und Pegelschieberschaltungen in Form von diskret aufgebauten Schaltungselementen unter Einschluß von Zenerdioden, so daß einerseits die hohe Versorgungsspannung der Leistungs- Schaltkreissysteme auf die Versorgungsspannung für die Steuer­ schaltungs-Schaltkreissysteme verringert und gleichzeitig die Lage der Logikpegel der beiden verschiedenen Schaltkreissysteme aneinander angepaßt wird. Trotz der Anordnung von kombinierten Spannungsregler- und Pegelumsetzerschaltungen ist der Schal­ tungsaufwand relativ hoch, so daß die gemeinsame Anordnung der Leistungs-Schaltkreissysteme und der Steuer-Schaltkreissysteme in einem gemeinsamen Gehäuse nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leistungs­ schalter zu schaffen, in den ein großes Ausmaß an Intelligenz bei niedrigen Kosten eingefügt werden kann und der unter Ver­ wendung weit entwickelter Herstellungstechniken fabriziert werden kann, die eine große Fertigungsausbeute aufweisen, wobei die Gesamt-Chip- oder Halbleiterplättchenfläche so klein wie möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Leistungs-Schnittstellenschaltung besteht aus einem Steuerchip und einem Leistungschip, die in dem gleichen Gehäuse und vorzugsweise auf dem gleichen Befestigungs­ substrat oder Zuleitungsrahmen angeordnet sind. Die Chips werden getrennt voneinander hergestellt. Der für eine hohe Spannung ausgelegte Leistungschip schließt ein torsteuerbares Leistungs­ schalterelement zum Zuführen der Leistung bei hoher Spannung an eine elektrische Last im schaltbetrieb ein. Der Begriff "hohe Spannung" oder "Hochspannung", wie er hier verwendet wird, soll Spannungen bezeichnen, die beträchtlich über ungefähr 5 Volt liegen, was die Spannung ist, die üblicherweise zum Betrieb eines Mikroprozessor-Chips verwendet wird. Die hohe Spannung liegt in einer Größenordnung, wie sie üblicherweise in Haushal­ ten und Fabriken verwendet wird und sie könnte beispielsweise eine Wechselspannung von 120 Volt oder 220 Volt sein.

Der erfindungsgemäße Leistungschip schließt Einrichtungen zur Erzeugung einer geregelten Niederspannung aus der hohen Spannung ein, die an den Leistungschip angelegt wird. Der Begriff "Niederspannung", wie er hier verwendet wird, soll die Spannung angeben, wie sie üblicherweise zur Leistungsversorgung von Mikroprozessor-Chips verwendet wird und sie beträgt typischer­ weise 5 Volt. Es sind weitere Einrichtungen vorgesehen, um die geregelte Niederspannung einer Eingangsleistungs-Leitung des Steuerchips zuzuführen. Entsprechend wird der Steuerchip aus dem die hohe Spannung steuernden Leistungschip mit Betriebsleistung versorgt. Weiterhin sind Einrichtungen zur Verbindung einer Ausgangssteuerleitung des Steuerchips mit dem Leitungsschalter­ element vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Leistungs-Schnittstellenschaltung kann ein hohes Ausmaß an "Intelligenz" enthalten, weil der Steuerchip unter Verwendung von Herstellungstechniken mit hoher Dichte hergestellt werden kann. Der Steuerchip kann durch einen im Handel erhältlichen Mikroprozessor-Chip oder ein anderes Bauele­ ment gebildet sein, das unter Verwendung von weit entwickelten üblichen Herstellungstechniken hergestellt werden kann. Die Gesamtkosten der Leistungs-Schnittstellenschaltung sind niedrig, weil das Steuerbauteil nicht für eine hohe Spannungsfestigkeit ausgelegt sein muß und auch nicht speziell mit Hilfe von Isolationstechniken gegenüber dem die hohe Spannung verarbeiten­ den Teil der Leistungs-Schnittstellenschaltung gepuffert ist, wie dies bei bisherigen Schnittstellenschaltungen dieser Art der Fall war.

Durch die Anordnung der Statusschaltung auf dem Leistungschip und die Rückführung der Ausgangssignale dieser Statusschaltung an den Steuerchip ist es hierbei möglich, trotz der Auftei­ lung der gesamten Leistungs-Schnittstellenschaltung auf zwei getrennte Chips eine exakte Steuerung des Leistungschips in Abhängigkeit von unterschiedlichen Betriebsbedingungen durch­ zuführen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen nach näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Leistungs-Schnittstellenschaltung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der verschiedenen Stufen, die in dem Leistungschip der Leistungs-Schnitt­ stellenschaltung nach Fig. 1 enthalten sind,

Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Ansicht, die ein weiteres Bauelement zeigt, das in dem Leistungs­ chip nach Fig. 1 enthalten sein kann,

Fig. 4A bis 4C Schaltbilder verschiedener Spannungsregler, die in dem Leistungschip nach Fig. 1 enthalten sein können.

In den Zeichnungen ist in Fig. 1 eine Ausführungsform einer Leistungs-Schnittstellenschaltung (PIC) 10 gezeigt. Diese Schnittstellenschaltung schließt eine in integrierter Form ausgebildete Leistungsschaltung für hohe Spannungen in Form eines Leistungschips 12 sowie eine integrierte, mit niedrigen Spannungen betriebene Steuerschaltung in Form eines Steuerchips 14 ein. Die integrierten Schaltungen in Form des Leistungschips 12 und des Steuerchips 14 können auf einem gemeinsamen Substrat und vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Der Leistungschip 12 schließt ein Leistungsschalterelement, beispielsweise in Form eines (nicht gezeigten) integrierten Schalterelementes mit einem bipolaren Transistor, einem Thyristor oder einem MOSFET ein, das im Schaltbetrieb Leistung von einer (nicht gezeigten) Leistungsversorgung mit hoher Spannung an zwei Hauptschalteranschlüsse 14, 15 liefern kann, wobei diese Leistungsversorgung eine hohe Spannung an einer Leitung 16 aufprägt.

In dem Leistungschip 12 ist ein Spannungsregler 18 enthal­ ten, der eine oder mehrere geregelte Niederspannungen erzeu­ gen kann, die von der hohen Spannung beispielsweise an der Leitung 16 abgeleitet werden. Die geregelte Spannung V_REG wird den Leistungseingangsleitungen 20 des Steuerchips 14 zugeführt, um die Betriebsleistung an diesen Steuerchip oder die integrierte Steuerschaltung zu liefern. Die geregelte Spannung kann beispielsweise 5 oder 15 Volt be­ tragen, und zwar in Abhängigkeit von den Betriebsspannungs­ forderungen der integrierten Steuerschaltung 14. Der Span­ nungsregler 18 kann in einer Vielzahl von Formen ausgebil­ det sein, von denen einige weiter unten ausführlich erläu­ tert werden.

Die integrierte Steuerschaltung oder der Steuerchip 14 schließt ein oder mehrere Ausgangs-Steuerleitungen 22 ein, die mit dem Leistungschip 12 verbunden sind. Wie dies aus­ führlicher in Fig. 2 gezeigt ist, wird ein Signal an einer Steuerleitung 22 in einem Puffer 24 verarbeitet, bevor es der Torelektrode 26 des Leistungsschalterelementes 28 zuge­ führt wird. Die Bauteile 24, 26 und 28 sind aus Gründen der Klarheit der Darstellung gestrichelt dargestellt. Der Puf­ fer 24 kann beispielsweise ein Bauteil mit hoher Eingangs­ impedanz sein, was verhindert, daß der Leistungschip 12 einen Einfluß auf das Signal ausübt, das an der Steuerlei­ tung 22 anliegt. Das Leistungsschalterelement kann bei­ spielsweise einen Thyristor, einen bipolaren Leistungs­ transistor oder einen Metalloxyd-Feldeffekt-Leistungstran­ sistor (MOSFET) umfassen. Ein Bauteil, das für das Lei­ stungsschalterelement 28 verwendet werden kann, ist ein einen bidirektionalen Ausgang aufweisender Feldeffekttran­ sistor (BOSFET).

Der Steueranschluß 26 des Leistungsschalterelementes 28 wird hier als eine "Torelektrode" bezeichnet, wobei die­ ser Begriff jedoch auch beispielsweise die "Basiselektro­ de" eines bipolaren Leistungstransistors umfassen kann.

Wie dies unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 zu erkennen ist, können ein oder mehrere Statusleitungen 30 zwischen dem Leistungschip 12 und dem Steuerchip 14 vorgesehen sein. Die Statusleitungen 30 liefern Informationen bezüglich des Zustandes der Betriebsbedingungen des Leistungschips 12, wie z. B. über dessen Temperatur. Der Steuerchip 14 spricht auf diese Information an den Statusleitungen 30 an und bestimmt geeignete Steuerinformationen, die dem Leistungs­ chip an den Ausgangssteuerleitungen 22 zugeführt werden. Wenn bei dem Beispiel nach Fig. 3 beispielsweise der Tem­ peraturmeßfühler 32 in dem Leistungschip 12 feststellt, daß die Temperatur dieses Leistungschips auf einen Wert ansteigt, der größer als ein vorgegebener Wert ist, so kann die integrierte Steuerschaltung 14 darauf dadurch ansprechen, daß das Tastverhältnis des Leistungsschalter­ elementes 28 in dem Leistungschip 12 verringert wird.

Gemäß Fig. 1 kann der Steuerchip 14 ein oder mehrere Logikeingänge 34 einschließen. Auf diese Weise kann der Steuerchip 14 Befehlssignale von einer (nicht gezeigten) externen Quelle empfangen, so daß der Gesamt-Leistungsschalter 10 auf eine derartige externe Quelle anspricht. Der Steuerchip 14 kann beispielsweise durch einen preisgünstigen Mikroprozessor­ chip oder einen Chip mit sehr hohem Integrationsgrad (VLSI- Chip) gebildet sein. Diese Bauteile können unter Verwendung weit entwickelter Fabrikationstechniken hergestellt werden, die eine hohe Dichte der Steuerelemente ergeben, was zu einer vergrößerten "Intelligenz" und zu einem hohen Fa­ brikationsertrag und damit zu niedrigen Kosten führt. Vorzugsweise sind die Chips 12 und 14 in einem gemein­ samen Gehäuse enthalten. Ein oder mehrere Leistungs­ chips 12 oder Steuerchips 14 können in einem gemeinsamen Chip enthalten sein. Von wesentlicher Bedeutung ist, daß die Chips 12 und 14 voneinander getrennt sind, so daß die hohe Spannung des Chips 12 nicht dem Steuerchip 14 zugeführt wird.

Wie dies weiter oben erwähnt wurde, leitet der Spannungs­ regler 18 des Leistungschips 12 seine Lei­ stung beispielsweise von der eine hohe Spannung führenden Leitung 16 ab. Die Leistung kann über eine andere Leitung oder einen Anschlußstift des Chips 12 geliefert werden, die auf dem gleichen Potential wie die Leitung 16 lie­ gen kann. Bevorzugte schaltungsmäßige Ausführungen für den Spannungsregler 18 sind in den Fig. 4A, 4B und 4C ge­ zeigt. Die Schaltungen 4A bis 4C sind dazu bestimmt, daß sie in integrierter Form in dem Leistungschip 12 enthalten sind, ggf. mit Ausnahme von induktiven oder kapazitiven Elementen, die zweckmäßigerweise in Form von diskreten Bauteilen ausgeführt sein können, die in oder außerhalb des gemeinsamen Gehäuses für den Chip 12 oder 14 angeordnet sind.

In Fig. 4A ist ein Spannungsregler 18 in Form einer Zener- Diode 40 ausgeführt, die in üblicher Weise in einen klei­ nen Oberflächenbereich des Chips 12 integriert ist. Die Diode ist mit ihrer Anode mit der Leitung 16 über einen Strombegrenzungswiderstand 42 verbunden, wäh­ rend ihre Kathode mit dem Bezugsknoten 21 verbunden ist.

Der Widerstand 42 kann ebenfalls in dem Chip 12 integriert sein. Der Strom­ fluß von der Versorgungsleitung 16 durch die Zener-Diode 40 erzeugt eine konstante oder geregelte Spannung V mit der Zener-Durchbruchsspannung der Diode. Diese Span­ nung V_REG, die 5 Volt oder 15 Volt in Abhängigkeit von der erforderlichen Betriebsspannung des Chips 14 betra­ gen kann, wird dem Chip 14 über die Leitungen 22 nach Fig. 1 zugeführt.

In Fig. 4B wird eine geregelte Spannung V_REG an der Drain- Elektrode D eines p-Kanal-MOSFETs 44 geliefert. Die Source- Elektrode S des MOSFETs 44 ist mit der Leitung 16 verbunden. Eine Diode 45 ist längs des MOSFETs 44 ange­ schaltet, wobei die Anode mit der Source-Elektrode S und die Kathode mit der Drain-Elektrode D kurzgeschlossen ist. Die Gate-Elektrode G des MOSFET 44 wird durch eine Gate-Ansteu­ erschaltung 46 gesteuert, die den Strom im MOSFET 44 ausge­ hend von Logikschaltungen auf dem getrennt angeordneten Lo­ gikchip steuern kann, um eine konstante Spannung V_REG auf­ rechtzuerhalten. Die gesamte Gate-Ansteuerschaltung und der MOSFET 44 sind auf dem Haupt-Leistungschip ausgebildet.

In Fig. 4C sind der Schaltung nach Fig. 4B ein Filterkon­ densator 60 und eine Filterdrossel 61 sowie eine Diode 62 hinzugefügt. Die Ausgangsspannung V_REG wird längs des Kon­ densators 60 abgenommen. Die Diode 62 kann in dem Leistungs­ chip einintegriert sein.

Die Spannungsreglerschaltungen nach den Fig. 4A, 4B und 4C sind dazu bestimmt, daß sie einen Teil der integrierten Schaltung auf dem Leistungschip 12 bilden, ggf. mit Aus­ nahme der Induktivität 61 und des Kondensators 60, die als diskrete Bauteile ausgeführt sein können, wenn dies erwünscht ist.

Der Leistungsschalter 10 nach Fig. 1 ergibt viele Vor­ teile gegenüber der bekannten Lösung der Einfügung von "Intelligenz" oder von Steuerschaltungen in den Lei­ stungschip. Dadurch, daß der Spannungsregler 18 in dem Leistungschip 12 die Betriebsleistung für die getrennte integrierte Steuerschaltung 14 liefert, können die Gesamtkosten des Schalters 10 sehr weitgehend verringert werden, während das Ausmaß der "Intelligenz", die in der integrierten Steuerschaltung 14 enthalten ist, so groß wie möglich gemacht werden kann. Dies ergibt sich daraus, daß die integrierte Steuerschaltung 14 unter Verwendung gut be­ kannter und weit entwickelter Techniken hergestellt wer­ den kann, die eine hohe Fabrikationsausbeute und niedri­ ge Bauteilkosten ergeben. In dem Steuerchip 14 kann ein beträchtlich größeres Ausmaß an Intelligenz für eine vor­ gegebene Chipfläche ausgebildet werden, als die möglich wäre, wenn die Steuerschaltung in dem Lei­ stungschip 12 enthalten wäre. Dies ergibt sich daraus, daß die Steuerschaltung bei ihrer Einfügung in ein für hohe Spannungen ausgelegtes Bauteil eine niedrige Dichte der Schaltungs­ elemente haben würde, weil es erforderlich ist, eine aus­ reichende Spannungsfestigkeit zu erzielen, oder es müssen große Bereiche in dem Halbleiterplättchen freigelassen werden, um die mit niedrigen Spannungen betriebenen Schaltungen zu puffern und zu isolieren. Die vorliegende Erfindung ergibt daher einen Leistungsschalter, der beträchtlich mehr Funktionsmöglich­ keiten bei beträchtlich niedrigeren Kosten hat, als übli­ che Leistungsschalterchips.

Claims (3)

1. Leistungs-Schnittstellenschaltung zur Zuführung von Leistung von einer Spannungsquelle an eine elektrische Last im Schalt­ betrieb in Abhängigkeit von einem Steuersignal, wobei die Schaltung ein Leistungsschalterelement einschließt, das einen Steueranschluß aufweist, der das Steuersignal von einer ge­ trennten Steuerschaltung empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsschalterelement auf einem Leistungschip (12) ausgebildet ist, der einen Hilfsbereich (18) aufweist, der eine geregelte Spannung für die Leistungs­ versorgung eines die Steuerschaltung tragenden, von dem Leistungschip (12) getrennten Steuerchips (14) aus der Spannungsquelle ableitet, daß der Leistungschip (12) in integrierter Form eine Statusschaltung (32) zur Messung einer Statusbedingung des Leistungsschalterelementes (28) einschließt und daß der Steuerchip (14) Eingangseinrichtungen zum Empfang von Statusinformationen von der Statusschaltung (32) und Steuereinrichtungen einschließt, die auf Status­ information ansprechen und die Steuerinformation an einer Ausgangssteuerleitung (22) bestimmen.

2. Leistungs-Schnittstellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerchip (12) ein Mikroprozessor ist.

3. Leistungs-Schnittstellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerchip ein VLSI-Chip ist.