DE10104515B4 - Electronic high voltage switch assembly - Google Patents
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Abstract
Elektronische Hochspannungsschalteranordnung, bei der elektronische Schaltelemente (A) in Reihe geschaltet sind und die Ansteuerung galvanisch isoliert erfolgt, wobei die elektronischen Schaltelemente (A) als spezielle Bauelemente ausgebildet sind, die nach Überschreiten einer definierten Durchbruchspannung niederimpedant leitfähig werden und nach dem Durchbruch einen negativen U/I-Koeffizienten besitzen, wobei weitere Schalter (ES) zur Einstellung der Betriebsspannung der Hochspannungsschalteranordnung angeordnet sind, die den elektronischen Schaltelementen (A) parallel und in Reihe zur angelegten Betriebsspannung (U) geschaltet sind und wobei zur variablen Einstellung des erforderlichen Betriebsspannungsbereiches der Hochspannungsschalteranordnung eine Steuerung (ST) angeordnet ist, die für jeden weiteren Schalter (ES) ein separates Steuersignal (SG) bereitstellt, um damit eine gewisse Anzahl der elektronischen Schaltelemente (A) kurzzuschließen.electronic High voltage switch assembly, in the electronic switching elements (A) are connected in series and the control galvanically isolated takes place, wherein the electronic switching elements (A) as a special Components are formed, which after exceeding a defined Breakdown voltage become low impedance conductive and after breakthrough have a negative U / I coefficient, with more switches (ES) for adjusting the operating voltage of the high voltage switch assembly are arranged, which the electronic switching elements (A) in parallel and in series with the applied operating voltage (U) and wherein for variably setting the required operating voltage range the high-voltage switch assembly a controller (ST) arranged is that for each separate switch (ES) provides a separate control signal (SG), in order to allow a certain number of electronic switching elements (A) short-circuit.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektronische Hochspannungsschalteranordnung, bei der elektronische Schaltelemente in Reihe geschaltet sind und die Ansteuerung der elektronischen Schaltelemente galvanisch isoliert erfolgt.The The invention relates to a high voltage electronic switch assembly, in which electronic switching elements are connected in series and the Control of the electronic switching elements galvanically isolated he follows.
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.Such Switches are used inter alia to generate pulses in the EMC testing used in which it depends on the generation of fast transients but also high-energy impulse voltages arrives and where an energy source over a switch for pulse generation connected to a pulse shape network becomes. It usually discharges the energy source, so that the switch subsequently is de-energized and the switch without special switch-off signal in go over the non-conductive state can. Such switches can a limited range of DC voltages with constant Switch characteristics, with a large operating voltage range the essential parameters of the switching process, e.g. the fall time, can change.
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.It are numerous variations of switches using MOSFET described in the literature. Thus, in the European patent application EA 00 48 758 a switch described in which a common pulse transformer in series MOSFET drives. However, this has the disadvantage that the impedance of the secondary windings increases with the number of connected transistors. Thus is limited the switching time of the switch, as this significantly through the impedance of the drive voltage source is determined.
In
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.adversely the dependency affects the switching operation of the amplitude of the voltage to be switched out. Also disadvantageous is the limited in certain applications Current carrying capacity of entire circuit arrangement, because of the complex drive circuit only a limited number of MOSFETs can be operated in parallel.
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.In the essay "Driving Pocket Cells Using Avalanche Transistor Pulsers ", by E.S. Fulkerson, D. C. Norman and R. Booth, Livemore, Canada becomes a switch with very short switching times described in the series-connected avalanche transistors be used as switching elements. It is only the lowest Transistor isolated controlled. The remaining transistors will be conductive due to avalanche breakdown. The disadvantage of this circuit arrangement This is because the operating voltage of the circuit has tight tolerances is subject to and may vary only in a small range, otherwise the avalanche breakdown of the individual transistors no longer guaranteed is. The current carrying capacity of the circuit is relatively low.
In
In
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.Of the Invention is based on the object in a high voltage switch arrangement at the same time both a quick turn by the high-voltage switch as well as a high current carrying capacity over one huge Operating voltage range to realize.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durh die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. The inventive task is achieved by the features of claim 1.
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.With the high voltage switch assembly according to the invention are extremely short Ein switching times realized. By the special components connected in parallel switch, the operating voltage can be varied, the parameters of the high voltage switch assembly change only slightly.
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.The Number of special components to be used is essential from the maximum allowable Operating voltage of the high voltage switch assembly dependent. The Series connection of special components is designed so that at maximum operating voltage without any additional measures turns on. Therefor have to so many parallel switches are closed that the operating voltage divided by the number of unbridged special Components larger than Breakdown voltage for the breakthrough in the low-impedance switching state of the individual special components is.
Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform der Hochspannungsschalteranordnung werden als spezielle Bauelemente Arrestoren eingesetzt.at a preferred embodiment of the High voltage switch assembly are considered special components Arrestors used.
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.arrestors are components that are designed as special surge limiter are after passing a specified breakdown voltage within the shortest possible time Time conductive be, with the voltage over the Arrestor drops to a low residual voltage. Arrestors point a high current carrying capacity on, that is it can flow a high pulse current. By the mechanism of action The arrestors is not a time-synchronized trigger circuit for the high-voltage switch necessary. He is a very fast switching through the used Arrestors.
Wird die erfindungsgemäße elektronische Hochspannungsschalteranordnung in Bereichen geringer Strombelastbarkeit des Schalters eingesetzt, so können als spezielle Bauelemente auch Avalance Transistoren eingesetzt werden.Becomes the inventive electronic high voltage switch assembly used in areas of low current carrying capacity of the switch, so can as special components also avalance transistors are used become.
Nach anderen vorzugsweisen Ausführungen der Hochspannungsschalteranordnung ist vorgesehen, dass die parallel geschalteten Schalter als elektronische Schalter, vorzugsweise in Form von MOSFETs zum Einsatz kommen.To other preferred versions of the High voltage switch arrangement is provided that the parallel switched switch as an electronic switch, preferably in Form of MOSFETs are used.
Für spezielle Anwendungen kann es vorteilhaft sein, wenn als Schalter elektromechanische Schalter, beispielsweise in Form von Relais, zum Einsatz kommen.For special Applications it may be advantageous to use as switches electromechanical switches, in the form of relays, for example.
Erfindungsgemäß sind in Anpassung an den konkreten Einsatz des Hochspannungsschalters erweiterte Schalteranordnungen vorgesehen.According to the invention are in Adapted to the specific use of the high-voltage switch extended Switch arrangements provided.
So können beispielsweise zur Erhöhung des Schaltstromes zusätzlich weitere spezielle Bauelemente und Schalter parallel geschaltet werden.So can for example, to increase of the switching current in addition additional special components and switches are connected in parallel.
Damit wird erreicht, dass keine zusätzlichen Triggerschaltungen eingesetzt werden müssen, was mittels der bekannten Technik zumindest nicht ohne größeren Aufwand realisierbar ist.In order to is achieved that no additional trigger circuits have to be used which by means of the known technique, at least not without much effort is feasible.
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.is a defined impedance of the switch at each operating voltage demanded, so can the adjustment of the impedance of the high voltage switch at different operating voltages by arranging another electronic switch and capacitors done.
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.In order to become the reflections of the voltage and current waves at the output of the high voltage switch minimized. The high voltage switch For example, it can match the impedance of an adjacent pulse forming network be adjusted.
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.To the Trigger of the switching operation according to the invention is an electronic switch provided, which is connected in series with the overall arrangement and in relation to the other switches a much higher dielectric strength having.
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.There the switching process is triggered only by this one switch, The control electronics can be easily and inexpensively formed. Of the Using a high-voltage switch causes the number the arrestors or Avalance transistors connected in parallel Switch can be varied. So it is possible, for example, with a switch two or more arrestors or Avalance transistors to bridge.
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.to Compliance with safety standards in the high voltage area is provided according to the invention, that the switching process by a potential-separated trigger circuit the series-connected, high dielectric strength, electronic Switch takes place.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt dabei inThe Invention is based on embodiments explained in more detail. The associated Drawing shows in
Bei
der Hochspannungsschalteranordnung nach
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.Corresponding the chosen one Operating voltage U, the control signals SG are set so that a certain number arresters A at their terminals + and - with the associated terminals + and - the electronic Switch ES shorted. The selection of short-circuited arrestors A is in principle arbitrary, whereby for better control of the impedance conditions shorting, starting with the electronic switches ES switched off with the highest positive potential Arrestoren A, is displayed. The necessary information is given to the controller ST via a isolated control AS, whereby at the same time a potential-separated supply voltage UV is provided, which is used to power the controller ST and to provide the necessary energy for the control signals SG required is.
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.In Row to the high-voltage switch assembly described above Arrestoren A and electronic switches ES is another electronic Switched TR, which is used to turn on the high voltage switch HS, called triggers, is used. This switch TR has a much higher Withstand voltage than the other electronic switches ES. The trigger TR used for triggering is a trigger circuit AL assigned, which is capable of a fast niederimpedantes and enable floating switching of the switch TR. In the off state of the high voltage switch HS is this electronic switches TR open. The high voltage switch HS must be designed so that due the impedances of the components a uniform voltage drop across the connected in series Arrestoren A is present to prevent that an Arrestor A from the series circuit due to the crossing the breakdown voltage switches prematurely into the conductive state. Also a turn off over the switch TR is conceivable.
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.The Number of to be bridged Arrestors A is determined so that divides the operating voltage U. by the number of arrestors not to be bridged by electronic switches ES A much larger than the breakdown voltage of the individual Arrestoren A is, that is, that the Arrestoren A when applying this breakdown voltage quickly by turn. The number of arrestors A to be bridged is simultaneous to choose that way when open, intended for triggering the switching process, electronic Switch TR, the resulting voltage across the Arrestoren A lower as the breakdown voltage of Arrestoren A is. By the arrestors A flows so only a small leakage current, the high voltage switch is HS non-conductive, he is open. If the electronic switch TR is closed by a signal ON, Lead it cause the voltage between the terminals + and - of the unbridged Arrestoren A bigger than that Breakdown voltage is and these switch through quickly. The conductive state over the Arrestors A decreasing voltage is negligible in this case.
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.at the described high-voltage switch arrangement is advantageous, that no time-synchronous control of the arresters connected in series A is necessary because after switching on the electronic switch TR the Arrestoren A initiate the switch-on due to their internal characteristics. It is further advantageous that due to the mechanism of action the arrestors A shorter Achieve switching times at higher load currents to let.
Bei
typischen Einsatzfällen
des Hochspannungsschalters in Pulsformerschaltungen wird, wie in
Bei
der Hochspannungschalteranordnung nach
Bei
Anwendungen, bei denen es auf eine definierte Impedanz des Hochspannungsschalters
ankommt, kann, wie in
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.When another variant is it possible when using particularly voltage-resistant electronic Switches ES, TR, with the electronic switches ES more than one Arrestor A to bridge to so to reduce the number of necessary electronic switches ES. It is important that when turning on the electronic switch TR a sufficient voltage over the unbridged arrestors A drops off.
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.It is also conceivable in special applications where the stray capacitances neglected can be the electronic switches ES through electromechanical switches to replace or transformer to use for switching and triggering of individual components and at lower pulse currents To replace the Arrestoren A with other elements, after the breakthrough have a negative U / I coefficient. These include under Other Tipping Diodes, Fast Ionization Dynistors, Reverse Switching Dynistors and spark gaps.
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