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Die
Erfindung betrifft eine elektronische Hochspannungsschalteranordnung,
bei der elektronische Schaltelemente in Reihe geschaltet sind und die
Ansteuerung der elektronischen Schaltelemente galvanisch isoliert
erfolgt.
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Solche
Schalter werden unter anderem zur Erzeugung von Impulsen in der
EMV-Prüftechnik
verwendet, bei denen es auf die Erzeugung von schnellen Transienten
aber auch energiereichen Impulsspannungen ankommt und bei denen
eine Energiequelle über
einen Schalter zur Impulserzeugung an ein Pulsformnetzwerk geschaltet
wird. Dabei wird meist die Energiequelle entladen, so dass der Schalter
anschließend
stromlos ist und der Schalter ohne spezielles Ausschaltsignal in
den nichtleitenden Zustand übergehen
kann. Solche Schalter können
einen begrenzten Bereich von Gleichspannungen mit gleichbleibenden
Schaltereigenschaften schalten, wobei bei einem großen Betriebsspannungsbereich sich
die wesentlichen Parameter des Schaltvorganges, z.B. die Abfallzeit, ändern können.
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Es
sind zahlreiche Varianten von Schaltern unter Verwendung von MOSFET
in der Literatur beschrieben. So wird in der Europäischen Patentanmeldung
EA 00 48 758 ein Schalter beschrieben, bei dem ein gemeinsamer Impulsübertrager
in Reihe geschaltete MOSFET ansteuert. Dieser hat jedoch den Nachteil,
dass die Impedanz der Sekundärwicklungen
mit der Anzahl der angeschlossenen Transistoren zunimmt. Somit ist
die Schaltzeit des Schalters begrenzt, da diese wesentlich durch
die Impedanz der Ansteuerspannungsquelle bestimmt wird.
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In
DE 36 30 775 C2 wird
ein MOSFET-Hochspannungsschalter beschrieben, bei dem jeden in Reihe
geschalteten MOSEFT zur Ansteuerung seines Steueranschlusses jeweils
ein eigener Ferritringkernübertrager
zugeordnet wird, dessen Sekundärkreis
zwischen dem Steueranschluss und dem Sourceanschluss des entsprechenden
MOSFET geschaltet ist. Dabei liegen die Primärkreise der Impulsübertrager
in Serie und werden von einer einzigen durchgehenden Leitung gebildet.
Mit dieser Schaltung sind in Abhängigkeit
von der anliegenden Betriebsspannung schnelle Schaltzeiten im Nanosekundenbereich zu
realisieren.
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Nachteilig
wirkt sich die Abhängigkeit
des Schaltvorganges von der Amplitude der zu schaltenden Spannung
aus. Ebenfalls nachteilig ist die bei gewissen Anwendungen begrenzte
Stromtragfähigkeit der
gesamten Schaltungsanordnung, da aufgrund der komplexen Ansteuerschaltung
nur eine begrenzte Anzahl von MOSFETs parallel betrieben werden kann.
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In
dem Aufsatz "Driving
Pocket Cells Using Avalanche Transistor Pulsers", von E.S. Fulkerson, D.C. Norman und
R. Booth, Livemore, Canada wird ein Schalter mit sehr kurzen Schaltzeiten
beschrieben, bei dem in Reihe geschaltete Avalanche Transistoren
als Schaltelemente genutzt werden. Dabei wird lediglich der unterste
Transistor isoliert angesteuert. Die restlichen Transistoren werden
aufgrund des Avalanche-Durchbruches leitfähig. Der Nachteil dieser Schaltungsanordnung
liegt darin, dass die Betriebsspannung der Schaltung engen Toleranzen
unterworfen ist und nur in einem geringen Bereich schwanken darf,
da ansonsten der Avalanche-Durchbruch der einzelnen Transistoren
nicht mehr gewährleistet
ist. Die Strombelastbarkeit der Schaltung ist relativ gering.
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In
US 6 008 549 ist ein Hochspannungsschalter
beschrieben, der kaskadiert durchschaltet, nachdem die erste Stufe
isoliert angesteuert wurde. In dieser Schaltung werden avalanchetaugliche
Dioden zur Begrenzung der maximalen Spannung über den einzelnen Schaltelementen
(Transistoren) verwendet, welche jedoch nicht den Betriebsstrom
im eingeschalteten Zustand führen,
sondern nur ein definiertes Durchschalten der elektronischen Schaltelemente
ermöglichen.
Das den niederimpedanten Schaltvorgang ausführende elektronische Schaltelement
ist ein Transistor. Ein separates Steuersignal der einzelnen Transistoren
ist in dieser Anwendung nicht vermerkt. Aufgrund des Spannungsabfalls über den
einzelnen Transistoren ist die maximale Schaltspannung gerade bei
hohen Strömen
begrenzt.
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In
US 3 848 156 ist eine Schaltungsanordnung
beschrieben, bei der eine Reihenschaltung von Arrestoren zur Begrenzung
von Überspannung
eingesetzt wird. In dieser Schaltung ist keine Anpassung des Betriebsspannungsbereiches über zusätzliche Schalter
mit einer separaten Ansteuerung der einzelnen Schalter möglich. Die
Schaltung ist nur in einem sehr begrenzten Betriebsspannungsbereich
verwendbar.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Hochspannungsschalteranordnung
zugleich sowohl ein schnelles Durch schalten des Hochspannungsschalters
als auch eine hohe Stromtragfähigkeit über einen
großen
Betriebsspannungsbereich zu realisieren.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durh die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Mit
der erfindungsgemäßen Hochspannungsschalteranordnung
werden extrem kurze Einschaltzeiten realisiert. Durch die den speziellen
Bauelementen parallel geschalteten Schalter kann die Betriebsspannung
variiert werden, die Parameter der Hochspannungsschalteranordnung ändern sich
dabei nur geringfügig.
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Die
Anzahl der einzusetzenden speziellen Bauteile ist dabei wesentlich
von der maximal zulässigen
Betriebsspannung der Hochspannungsschalteranordnung abhängig. Die
Serienschaltung der speziellen Bauelemente ist so ausgelegt, dass
sie bei maximaler Betriebsspannung ohne weitere Zusatzmaßnahmen
durchschaltet. Hierfür
müssen
so viele parallel geschaltete Schalter geschlossen werden, dass
die Betriebsspannung dividiert durch die Anzahl nicht überbrückter spezieller
Bauelemente größer der
Durchbruchspannung für
den Durchbruch in den niederimpedanten Schaltzustand der einzelnen
speziellen Bauelemente ist.
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Bei
einer vorzugsweisen Ausführungsform der
Hochspannungsschalteranordnung werden als spezielle Bauelemente
Arrestoren eingesetzt.
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Arrestoren
sind Bauelemente, die als spezielle Überspannungs begrenzer ausgebildet
sind, die nach dem Überschreiten
einer festgelegten Durchbruchspannung innerhalb kürzester
Zeit leitfähig
werden, wobei die Spannung über
dem Arrestor auf eine geringe Restspannung sinkt. Arrestoren weisen
eine hohe Stromtragfähigkeit
auf, das heißt
es kann ein hoher Impulsstrom fließen. Durch den Wirkmechanismus
der Arrestoren ist keine zeitsynchrone Triggerschaltung für den Hochspannungsschalter
notwendig. Er erfolgt ein sehr schnelles Durchschalten der eingesetzten
Arrestoren.
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Wird
die erfindungsgemäße elektronische Hochspannungsschalteranordnung
in Bereichen geringer Strombelastbarkeit des Schalters eingesetzt, so
können
als spezielle Bauelemente auch Avalance Transistoren eingesetzt
werden.
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Nach
anderen vorzugsweisen Ausführungen der
Hochspannungsschalteranordnung ist vorgesehen, dass die parallel
geschalteten Schalter als elektronische Schalter, vorzugsweise in
Form von MOSFETs zum Einsatz kommen.
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Für spezielle
Anwendungen kann es vorteilhaft sein, wenn als Schalter elektromechanische Schalter,
beispielsweise in Form von Relais, zum Einsatz kommen.
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Erfindungsgemäß sind in
Anpassung an den konkreten Einsatz des Hochspannungsschalters erweiterte
Schalteranordnungen vorgesehen.
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So
können
beispielsweise zur Erhöhung
des Schaltstromes zusätzlich
weitere spezielle Bauelemente und Schalter parallel geschaltet werden.
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Damit
wird erreicht, dass keine zusätzlichen Triggerschaltungen
eingesetzt werden müssen,
was mittels der bekannten Technik zumindest nicht ohne größeren Aufwand
realisierbar ist.
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Ist
eine definierte Impedanz des Schalters bei jeder Betriebsspannung
gefordert, so kann die Anpassung der Impedanz des Hochspannungsschalters
bei unterschiedlichen Betriebsspannungen durch Anordnung weiterer
elektronischer Schalter und Kondensatoren erfolgen.
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Damit
werden die Reflexionen der Spannungs- und Stromwellen am Ausgang
des Hochspannungsschalters minimiert. Der Hochspannungsschalter
kann so beispielsweise an die Impedanz eines anliegenden Pulsformernetzwerkes
angepaßt werden.
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Zum
Auslösen
des Schaltvorganges ist erfindungsgemäß ein elektronischer Schalter
vorgesehen, der in Reihe zur Gesamtanordnung geschaltet ist und
in Bezug auf die anderen Schalter eine wesentlich höhere Spannungsfestigkeit
aufweist.
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Da
der Schaltvorgang nur durch diesen einen Schalter ausgelöst wird,
kann die Ansteuerelektronik einfach und kostengünstig ausgebildet werden. Der
Einsatz eines hoch spannungsfesten Schalters bewirkt, dass die Anzahl
der den Arrestoren oder Avalance Transistoren parallel geschalteten
Schalter variiert werden kann. So ist es beispielsweise möglich, mit
einem Schalter zwei oder mehrere Arrestoren oder Avalance Transistoren
zu überbrücken.
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Zur
Einhaltung der Sicherheitsstandards im Hochspannungsbereich ist
erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der Schaltvorgang durch eine potentialgetrennte Auslöseschaltung
des in Reihe geschalteten, eine hohe Spannungsfestigkeit aufweisenden, elektronischen
Schalters erfolgt.
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Die
Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die
zugehörige
Zeichnung zeigt dabei in
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1 die
erfindungsgemäße elektronische Hochspannungsschalteranordnung
in prinzipieller Ausführung,
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2 den
Einsatz des erfindungsgemäßen Hochspannungsschalters
in einer Pulsformerschaltung,
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3 eine
erweiterte Hochspannungsschalteranordnung nach 1 mit
erhöhter
Stromtragfähigkeit
und unter Verwendung vom MOSFETs als elektronische Schalter und
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4 eine
weitere Hochspannungsschalteranordnung nach 1 mit zusätzlichen
elektronischen Schaltern zur Impedanzanpassung in prinzipieller
Darstellung.
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Bei
der Hochspannungsschalteranordnung nach 1 sind eine
vorgegebene Anzahl Arrestoren A in Reihe geschaltet. Parallel zu
diesen Arrestoren A ist jeweils ein elektronischer Schalter ES angeordnet,
dessen Steueranschlüsse
SA mit einer Steuerung ST verbunden sind. Das von der Steuerung
ST an den Steueranschlüssen
SA der elektronischen Schalter ES bereitgestellte Signal SG ist
geeignet, diese elektronischen Schalter ES in einen statischen, leitfähigen Zustand
zu versetzen. Dazu sollte dieses Signal SG ein aktives, auf das
Referenzpotential des elektronischen Schalters ES bezogenes Signal
sein, welches zum Beispiel über
eine Zweidrahtleitung übertragen
wird. Für
jeden elektronischen Schalter ES ist ein separates Steuersignal
SG vorhanden. Die Änderung
des Schaltzustandes erfolgt in der Regel bei abgeschalteter Betriebsspannung
U.
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Entsprechend
der gewählten
Betriebsspannung U werden die Steuersignale SG so eingestellt, dass
eine gewisse Anzahl Arrestoren A an ihren Anschlüssen + und – mit den zugeordneten Anschlüssen + und – der elektronischen
Schalter ES kurzgeschlossen wird. Die Auswahl der kurzgeschlossenen Arrestoren
A ist prinzipiell beliebig, wobei zur besseren Kontrolle der Impedanzverhältnisse
das Kurzschließen,
beginnend mit den bei ausgeschalteten elektronischen Schaltern ES
mit dem höchsten
positiven Potential beaufschlagten Arrestoren A, angezeigt ist.
Die notwendigen Informationen erhält die Steuerung ST über eine
potentialgetrennte Ansteuerung AS, wobei gleichzeitig eine potentialgetrennte Versorgungsspannung
UV bereitgestellt wird, welche zur Versorgung der Steuerung ST und
zur Bereitstellung der notwendigen Energie für die Steuersignale SG erforderlich
ist.
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In
Reihe zu der oben beschriebenen Hochspannungsschalteranordnung aus
Arrestoren A und elektronischen Schaltern ES ist ein weiterer elektronischer
Schalter TR geschaltet, der zum Einschalten des Hochspannungsschalters
HS, dem so genannten triggern, genutzt wird. Dieser Schalter TR
besitzt eine wesentlich höhere
Spannungsfestigkeit als die anderen elektronischen Schalter ES.
Dem zum Triggern eingesetzten Schalter TR ist eine Auslöseschaltung
AL zugeordnet, die geeignet ist, ein schnelles niederimpedantes
und potentialgetrenntes Einschalten des Schalters TR zu ermöglichen.
Im ausgeschalteten Zustand des Hochspannungsschalters HS ist dieser
elektronische Schalter TR geöffnet.
Der Hochspannungsschalter HS muss so ausgelegt sein, dass aufgrund
der Impedanzen der Bauelemente ein gleichförmiger Spannungsabfall über den
in Reihe geschalteten Arrestoren A vorhanden ist, um zu verhindern,
dass ein Arrestor A aus der Reihenschaltung aufgrund des Überschreitens
der Durchbruchspannung vorzeitig in den leitfähigen Zustand schaltet. Auch
ein Ausschalten über
den Schalter TR ist denkbar.
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Die
Anzahl der zu überbrückenden
Arrestoren A wird so bestimmt, dass die Betriebsspannung U dividiert
durch die Anzahl der nicht durch elektronische Schalter ES zu überbrückende Arrestoren
A wesentlich größer als
die Durchbruchspannung der einzelnen Arrestoren A ist, das heißt, dass
die Arrestoren A beim Anliegen dieser Durchbruchspannung schnell
durchschalten. Die Anzahl der zu überbrückenden Arrestoren A ist gleichzeitig
so zu wählen, dass
bei geöffnetem,
zur Triggerung des Schaltvorganges vorgesehenen, elektronischen
Schalters TR, die resultierende Spannung über den Arrestoren A geringer
als die Durchbruchspannung der Arrestoren A ist. Durch die Arrestoren
A fließt
so nur ein geringer Leckstrom, der Hochspannungsschalter HS ist
nicht leitfähig,
er ist geöffnet.
Wird der elektronische Schalter TR durch ein Signal EIN geschlossen,
führt es
dazu, dass die Spannung zwischen den Anschlüssen + und – der nicht überbrückten Arrestoren
A größer als die
Durchbruchspannung ist und diese schnell durchschalten. Die im leitfähigen Zustand über den
Arrestoren A abfallende Spannung ist in diesem Fall vernachlässigbar.
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Bei
der beschriebenen Hochspannungsschalteranordnung ist vorteilhaft,
dass keine zeitsynchrone Ansteuerung der in Reihe geschalteten Arrestoren
A notwendig ist, da nach Einschalten des elektronischen Schalters
TR die Arrestoren A aufgrund ihrer internen Eigenschaften den Einschaltvorgang einleiten.
Es ist des weiteren von Vorteil, dass sich aufgrund des Wirkmechanismus
der Arrestoren A kürzere
Schaltzeiten bei größeren Lastströmen erzielen
lassen.
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Bei
typischen Einsatzfällen
des Hochspannungsschalters in Pulsformerschaltungen wird, wie in 2 dargestellt, über einen
Ladewiderstand R1 ein Energiespeicher C auf Betriebsspannung U aufgeladen.
Nach Schließen
des Hochspannungsschalters HS wird der Energiespeicher C über einen
Widerstand R2 entladen und der resultierende Impuls wird nach einem
Anpaßwiderstand
R3 am Ausgang OUT abgegriffen. Nach der Erzeugung eines Impulses
ist der Energiespeicher C entladen und der Strom durch die Arrestoren
A fällt
bis unterhalb des Haltestromes ab. Die Arrestoren A sperren wieder
und kehren in einen hochohmigen Zustand zurück, wodurch der Hochspannungsschalter
HS ausgeschaltet wird, ohne dass ein spezielles Ausschaltsignal
benötigt wird.
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Bei
der Hochspannungschalteranordnung nach 3 wird die
Stromtragfähigkeit
des elektronischen Hochspannungsschalters HS durch die Parallelschaltung
von mehreren Arrestoren A erhöht. Gleichzeitig
ist die Verwendung von MOSFETs T als elektronische Schalter ES dargestellt,
wobei zur Erhöhung
der Stromtragfähigkeit
entsprechend den jeweiligen Anforderungen eine vorgegebene Anzahl von
MOSFETs T parallel geschaltet ist. Die Diode D begrenzt die Spannung über den
MOSFETs T und verbessert die Spannungsverteilung über der
Hochspannungsschalteranordnung.
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Bei
Anwendungen, bei denen es auf eine definierte Impedanz des Hochspannungsschalters
ankommt, kann, wie in 4 dargestellt, die Impedanz mit
zusätzlichen
elektronischen Schaltern IA und Kondensatoren C angepasst werden,
die eine Kapazität zwischen
Masse und + Anschluss des Arrestors A schalten.
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Als
weitere Variante ist es möglich,
bei der Verwendung von besonders spannungsfesten elektronischen
Schaltern ES, TR, mit den elektronischen Schaltern ES mehr als einen
Arrestor A zu überbrücken, um
so die Anzahl der notwendigen elektronischen Schalter ES zu reduzieren.
Dabei ist wichtig, dass beim Einschalten des elektronischen Schalters TR
eine ausreichende Spannung über
den nicht überbrückten Arrestoren
A abfällt.
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Es
ist des weiteren denkbar, in speziellen Anwendungen, bei denen die
Streukapazitäten
vernachlässigt
werden können,
die elektronischen Schalter ES durch elektromechanische Schalter
zu ersetzen oder auch Übertrager
zum Schalten und Triggern der einzelnen Bauelemente zu verwenden und
bei geringeren Impulsströmen
die Arrestoren A durch andere Elemente zu ersetzen, die nach dem Durchbruch
einen negativen U/I Koeffizienten besitzen. Dazu zählen unter
anderem Kippdioden, Fast Ionisation Dynistoren, Reversely Switching
Dynistoren und Funkenstrecken.
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- HS
- Hochspannungsschalter
- A
- Arrestor
- ES
- elektronischer
Schalter
- SA
- Steueranschluss
- ST
- Steuerung
- SG
- Steuersignal
- U
- Betriebsspannung
- AS
- Ansteuerung
- UV
- Versorgungsspannung
- TR
- hochspannungsfester
elektronischer Schalter
- AL
- Auslöseschaltung
- EIN
- Einschaltsignal
- C
- Energiespeicher,
Kondensator
- R1
- Ladewiderstand
- R2
- Widerstand
- R3
- Anpasswiderstand
- OUT
- Ausgang
- T
- MOSFET
- IA
- Schalter
zur Impedanzanpassung
- D
- Diode