DE3630775C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen MOSFET-Hochspannungsschalter mit
extrem kurzer Schaltzeit, bei dem eine Vielzahl von MOSFET bezüglich
ihrer Drain-Source-Strecken in Serie geschaltet sind und die MOSFET
weitgehend unabhängig von deren Anzahl sowohl besonders niederimpedant
als auch galvanisch hochisoliert angesteuert werden.
Schalter dieser Art können Gleichspannungen schalten, deren höchst
möglicher Wert der Summe der Durchbruchsspannungen aller in Serie
liegenden MOSFET entspricht. Zum Schalten von positiven und negativen
Spannungen, zum Einsatz in Gegentakt- und Brückenschaltapplikationen
sowie aus Sicherheitsgründen ist eine galvanisch isolierte Ansteuerung
der MOSFET erforderlich. Trotzdem muß im Interesse kurzer Schaltzeiten
eine möglichst niederimpedante Steuersignalübertragung gewährleistet
sein.
Es ist bekannt, daß sich in Serie liegende MOSFET
durch einen gemeinsamen Impulsübertrager ansteuern
lassen. Ein solcher Schalter ist beispielsweise in
der European Patent Application EA 00 48 758. Fig. 1
beschrieben. Ein Nachteil dieser Anordnung liegt
darin, daß die Impedanz der Sekundärwicklungen mit
der Anzahl der angeschlossenen MOSFET, also mit der
Belastung des Impulsübertragers zunimmt. Da die
Schaltzeit eines MOSFET im wesentlichen durch die
Impedanz seiner Steuerspannungsquelle bestimmt wird,
ist die Einschaltanstiegszeit eines Schalters mit
einer Vielzahl von MOSFET und einem einzigen
Impulsübertrager vergleichsweise lang. Ein weiterer
Nachteil, insbesondere bei Betriebsspannungen ab
einigen Kilovolt, besteht in der aufwendigen
Isolation der einzelnen Wicklungen gegeneinander.
In DE 34 11 712 A1, Anspruch 6 ist ein Schalter mit
einer Vielzahl parallel geschaltener MOSFET beschriebenen,
wobei den MOSFET zur Ansteuerung jeweils eigene
Impulsübertrager zugeordnet sind. Die Sekundärkreise
der Impulsübertrager tragen nur eine oder nur wenige
Windungen oder sind als Metallzylinder ausgebildet.
Die aus einer größeren Anzahl Windungen bestehenden
Primärkreise sind parallel an eine gemeinsame Impulssteuerquelle
Q angeschlossen. Die mit der Anzahl der
MOSFET zunehmende Anstiegszeitverlängerung kann
dadurch jedoch nur sehr bedingt ausgeglichen werden,
da mit jedem zusätzlich parallel geschalteten Primärkreis
die Impulsstrombelastung der Impulssteuerquelle
Q erhöht wird, wodurch deren Flankensteilheit infolge
der regelmäßig vorhandenen Schaltkreisinduktivitäten
vermindert wird, was letztlich wieder eine Zunahme
der Einschaltanstiegszeit der MOSFET bewirkt. Auch
ist zur Erzielung extrem kurzer Schaltzeiten mit
mehreren zusammengeschalteten MOSFET eine Synchronisation
der Steuerimpulse von besser als 1 Nanosekunde
wünschenswert. Mit der beschriebenen Schaltung ist
dies praktisch nicht zu gewährleisten, da die Steuerkreise
voneinander weitgehend entkoppelt sind, und
die üblichen Toleranzen sowohl der Ferritringkerne
als auch der Eingangskapazitäten zwangsläufig unterschiedliche
Anstiegszeiten der Steuerimpulse bewirken.
Überdies würde sich die Isolation der Impulsübertrager
sehr aufwendig gestalten, wenn eine große
Anzahl von MOSFET nicht parallel wie beschrieben,
sondern in Serie geschaltet würde, um beispielsweise
Schaltspannungen von 3 bis über 30 Kilovolt zu
erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weitgehend unabhängig von der
Anzahl der in Serie liegenden MOSFET, diese mit geringem Aufwand sowohl
besonders niederimpedant als auch galvanisch hochisoliert anzusteuern,
und dabei eine Einschaltanstiegszeit des Schalters in der Größenordnung
von 1 Nanosekunde je 1 Kilovolt Nennspannung bei ohmscher Last zu er
zielen. Die Erfindung ist beispielsweise bei der elektrooptischen Güte
schaltung von Lasern oder bei Flugzeit-Massenspektrometern mit gepuls
ten Ablenk- und Beschleunigungsgittern anwendbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch die folgenden Merkmale:
- a) jedem MOSFET ist zur Ansteuerung seines Steueranschlusses jeweils ein eigener Ferritringkern-Impulsübertrager zugeordnet, dessen Se kundärkreis zwischen den Steueranschluß und den Sourceanschluß des entsprechenden MOSFET geschaltet ist,
- b) die Primärkreise der Impulsübertrager liegen in Serie und werden von einer einzigen, durchgehend für Hochspannung isolierten Leitung ge bildet, welche einmal durch sämtliche Ringkerne der Impulsübertrager geführt ist,
- c) der Anfang der Leitung ist mit dem Drainanschluß eines Treiber-MOSFET verbunden, und das Ende der Leitung liegt an der Klemme einer Hilfs spannungsquelle.
Die Erfindung wird anhand dreier Ausführungsbeispiele in Verbindung
mit den Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 die Impulsübertrager der Anordnung nach Fig. 1,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel und
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel.
Bei dem Schalter nach Fig. 1 sind mindestens drei Leistungs-MOSFET T 1,
T 2, T 3 in Serie geschaltet, wobei jeweils der Drainanschluß D des vor
hergehenden MOSFET mit dem Sourceanschluß S des darauffolgenden MOSFET
verbunden ist. Die MOSFET T 1, JT 2, T 3 werden jeweils durch eigene Ferrit
ringkern-Impulsübertrager ÜA angesteuert, deren Sekundärkreise WS
zwischen die Steueranschlüsse G und die Sourceanschlüsse S der ent
sprechenden MOSFET geschaltet sind, und zwar so, daß der Sekundärkreis-
Anfang am Sourceanschluß S liegt. Die Sekundärkreise WS bestehen aus
ein oder zwei Windungen ohne besondere Isolation, da diese bereits
durch die räumliche Trennung der Ringkerne K und die spezielle Gestal
tung der Primärkreise Wp gegeben ist. Die Primärkreise Wp liegen in
Serie und werden von einer einzigen, durchgehend für Hochspannung iso
lierten Leitung LA gebildet, welche einmal durch sämtliche Ringkerne K
der Impulsübertrager ÜA geführt ist. Diese Anordnung ist in Fig. 2
dargestellt. Die Leitung LA ist vorzugsweise Teflon-isoliert, wodurch
sich leicht einige zehn Kilovolt Isolationsspannung bei wenigen Milli
metern Leitungs-Außendurchmesser erreichen lassen. Der Anfang der Lei
tung LA, also der Anfang des ersten Primärkreises Wp ist mit dem Drain
anschluß D eines Treiber-MOSFET TA elektrisch leitend verbunden, welcher
mit seinem Steueranschluß G an einer Eingangsklemme EA und mit seinem
Sourceanschluß S an Masse liegt. Das Ende der Leitung LA ist mit der
Klemme einer Hilfsspannungsquelle UH verbunden, welche eine positive
Spannung liefert.
Wird an die Eingangsklemme EA ein positiver Spannungsimpuls mit einer
Amplitude von größenordnungsmäßig 10 Volt angelegt, so schaltet der
Treiber-MOSFET TA ein, und durch die in Serie liegenden Primärkreise Wp
fließt ein impulsförmiger Strom. Der Verlauf und die Anstiegssteilheit
des Stromes sind in allen Primärkreisen Wp gleich. Dadurch werden zeit
lich gleich in allen Sekundärkreisen WS Spannungsimpulse induziert,
welche die Eingangskapazitäten Cgs der MOSFET T 1, T 2, T 3 aufladen, und
so das synchrone Einschalten der MOSFET bewirken. Voraussetzung für ein
schnelles und zuverlässiges Einschalten ist, daß die Hilfsspannungsquel
le UH eine Spannung von etwa 10 Volt je MOSFET liefert, und daß der
Steuerspannungsimpuls an der Eingangsklemme EA eine Anstiegszeit von
weniger als 10 Nanosekunden aufweist.
Bei einem Schalter mit drei MOSFET von je 900 Volt Sperrspannung und
einer Eingangskapazität von je 1,2 Nanofarad läßt sich eine Einschalt
anstiegszeit von 3 bis 2 Nanosekunden erzielen, vorausgesetzt die Last
ist ein ohmscher Widerstand. Wie durch MOSFET Tn angedeutet, können
weitere MOSFET in Serie geschaltet werden. Dabei nimmt die Einschalt
anstiegszeit des Schalters nur unwesentlich zu, da den MOSFET jeweils
eigene Steuerspannungsquellen in Form der niederimpedanten Impulsüber
trager ÜA zugeordnet sind.
Die Einschaltdauer des Schalters nach Fig. 1 ist durch die Spannungs
zeitfläche der Impulsübertrager ÜA fest vorgegeben und liegt in der
Größenordnung von 100 Nanosekunden. Ist eine längere Einschaltdauer er
forderlich, so kann der Schalter geringfügig abgewandelt werden, wie
dies in Fig. 3 dargestellt ist. Dieser Schalter weist zusätzliche
Dioden V auf, welche jeweils zwischen den Steueranschlüssen G der MOSFET
T 1, T 2, T 3 und den Sekundärkreisen WS der Impulsübertrager ÜA liegen,
und bezüglich der induzierten Steuerspannung in Durchlaßrichtung gepolt
sind. Weiterhin ist zwischen die Steueranschlüsse G und die Sourcean
schlüsse S der MOSFET T 1, T 2, T 3 jeweils ein Widerstand R geschaltet.
Werden in den Sekundärkreisen WS Spannungsimpulse induziert so gelangen
diese über die Dioden V an die Steueranschlüsse G der MOSFET
T 1, T 2, T 3 und laden deren Eingangskapazitäten Cgs auf. Infolgedessen
schaltet der Schalter ein. Bei nachlassender Impulsamplitude verhindern
die dann gesperrten Dioden V einen Ladungsausgleich in den Eingangs
kapazitäten Cgs über die Sekundärkreise WS, so daß die Eingangskapazi
täten C gs nur durch die parallel liegenden Widerstände R entladen wer
den. Das Abschalten des Schalters erfolgt erst dann, wenn in Folge der
Entladung der Eingangskapazitäten Cgs durch die Widerstände R die
Schwellenspannung der MOSFET T 1, T 2, T 3 unterschritten wird. Die Ein
schaltdauer des Schalters kann somit durch den Wert der Widerstände R
bestimmt werden, wobei der Wert aber nicht so hoch bemessen sein darf,
daß zum Beispiel durch Leckströme an den MOSFET-Anschlüssen der Schal
ter ungewollt einschaltet. Eine zusätzliche Möglichkeit zur Variation
der Einschaltdauer besteht darin, daß die Eingangskapazitäten Cgs durch
weitere Spannungsimpulse nachgeladen werden, bevor die Schwellenspan
nung der MOSFET T 1, T 2, T 3 unterschritten wird. Auf diese Weise läßt
sich auch eine unendlich lange Einschaltdauer erzielen.
Bei dem Schalter nach Fig. 3 ist die Ausschaltphase verhältnismäßig
lang, da durch die Widerstände R die Eingangskapazitäten Cgs nur lang
sam entladen werden. Um den Schalter zu einem beliebigen Zeitpunkt etwa
ebenso schnell auszuschalten wie einzuschalten, können die Eingangs
kapazitäten Cgs der MOSFET T 1, T 2, T 3 durch zusätzliche Hilfs-MOSFET TH
in kürzerer Zeit entladen werden, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
Dabei sind jeweils die Drainanschlüsse D der Hilfs-MOSFET T H mit den
Steueranschlüssen G der MOSFET T 1, T 2, T 3 verbunden. Die Sourceanschlüsse
S der MOSFET T 1, T 2, T 3 und der zugeordneten Hilfs-MOSFET TH
sind untereinander verbunden. Die Hilfs-MOSFET TH werden durch jeweils
eigene Impulsübertrager ÜB angesteuert, deren Sekundärkreise WS zwischen
die Steueranschlüsse G und die Sourceanschlüsse S der entsprechenden
Hilfs-MOSFET geschaltet sind, und war so, daß der Sekundärkreis-Anfang
am Sourceanschluß S liegt. Die Sekundärkreise WS der Impulsübertrager
ÜB bestehen aus ein- oder zwei Windungen ohne besondere Isolationsmaß
nahmen. Die Primärkreise WP der Impulsübertrager ÜB liegen in Serie und
werden von einer einzigen, durchgehend für Hochspannung isolierten Lei
tung LB gebildet, welche einmal durch sämtliche Ringkerne K der Impuls
übertrager ÜB geführt ist. Die Leitung LB ist ebenso wie die Leitung LA
vorzugsweise Teflon-isoliert. Der Anfang des ersten Primärkreises WP
der Impulsübertrager ÜB ist mit dem Drainanschluß D eines Treiber-MOSFET
TB verbunden, welcher mit seinem Steueranschluß G an einer Eingangs
klemme EB und mit seinem Sourceanschluß S an Masse liegt. Das Ende des
letzten Primärkreises WP ist an die Klemme der Hilfsspannungsquelle UH
angeschlossen.
Wurde der Schalter vorher durch einen oder mehrere Spannungsimpulse an
der Eingangsklemme EA eingeschaltet, so kann er durch einen weiteren
Spannungsimpuls an der Eingangsklemme EB in kurzer Zeit wieder ausge
schaltet werden. Dabei wird durch den Spannungsimpuls an der Eingangs
klemme EB der Treiber-MOSFET TB leitend gesteuert, und in den Primär
kreisen WP der Impulsübertrager ÜB fließt ein impulsförmiger Strom.
Infolgedessen werden in den Sekundärkreisen WS der Impulsübertrager ÜB
Spannungsimpulse induziert, die an die Steueranschlüsse G der Hilfs-
MOSFET TH gelangen, und deren Einschalten bewirken. Die eingeschalteten
Hilfs-MOSFET TH entladen dann über ihre niederohmigen Drain-Source-
Strecken die Eingangskapazitäten Cgs der MOSFET T 1, T 2, T 3, was zur
Folge hat, daß die MOSFET T 1, T 2, T 3 abschalten. Die Einschaltdauer
der Hilfs-MOSFET TH wird durch die Spannungszeitfläche der Impulsüber
trager ÜB vorgegeben und liegt etwa bei 100 Nanosekunden. Während die
ser Zeit werden Störspannungen an den Steueranschlüssen G der MOSFET
T 1, T 2, T 3 wirksam unterdrückt, die beispielsweise von schnellen Last
spannungsänderungen hervorgerufen und durch parasitäre Kapazitäten auf
die Steueranschlüsse G der MOSFET T 1, T 2, T 3 übertragen werden. Auf
grund dieser Störspannungsfestigkeit lassen sich mit dem Schalter nach
Fig. 4 auch schnelle Gegentakt-und Brückenschaltungen für Hochspan
nung realisieren.
Claims (3)
1. MOSFET-Hochspannungsschalter mit extrem kurzer Schaltzeit, bei dem
eine Vielzahl von MOSFET bezüglich ihrer Drain-Source-Strecken in Serie
geschaltet sind, und die Ansteuerung der MOSFET weitgehend unabhängig
von deren Anzahl sowohl besonders niederimpedant als auch galvanisch
hochisoliert erfolgt, mit folgenden
Merkmalen:
- a) Jedem MOSFET (T1, T2, T3 . . . Tn) ist zur Ansteuerung seines Steuer anschlusses (G) jeweils ein eigener Ferritringkern-Impulsübertrager (ÜA) zugeordnet, dessen Sekundärkreis (WS) zwischen den Steueran schluß (G) und den Sourceanschluß (S) des entsprechenden MOSFET ge schaltet ist,
- b) die Primärkreise (Wp) der Impulsübertrager (ÜA) liegen in Serie und werden von einer einzigen, durchgehend für Hochspannung isolierten Leitung (LA) gebildet, welche einmal durch sämtliche Ringkerne (K) der Impulsübertrager (ÜA ) geführt ist,
- c) der Anfang der Leitung (LA) ist mit dem Drainanschluß (D) eines Treiber-MOSFET (TA) verbunden, und das Ende der Leitung liegt an der Klemme einer Hilfsspannungsquelle (UH).
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß zwischen die Steueranschlüsse (G) der MOSFET (T1, T2, T3
. . . Tn) und die Enden der Sekundärkreise (WS) der Impulsübertrager (ÜA)
jeweils eine Diode (V) geschaltet ist, welche bezüglich der induzierten
Steuerspannung in Durchlaßrichtung gepolt ist, und daß zwischen den
Steueranschlüssen (G) und den Sourveanschlüssen (S) der MOSFET (T1, T2,
T3 . . . Tn) jeweils ein Widerstand (R) liegt.
3. Schalter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch
die Merkmale:
- a) An dem Steueranschluß (G) eines jeden MOSFET (T1, T2, T3 . . . Tn) liegt jeweils der Drainanschluß (D) eines Hilfs-MOSFET (TH) und der Sourceanschluß (S) eines jedem MOSFET (T1, T2, T3 . . . Tn) ist je weils mit dem Sourceanschluß (S) des zugeordneten Hilfs-MOSFET (TH) verbunden,
- b) jedem der Hilfs-MOSFET (TH) ist zur Ansteuerung seines Steueran schlusses (G) jeweils ein eigener Ferritringkern-Impulsübertrager (ÜB) zugeordnet, dessen Sekundärkreis (WS) zwischen den Steueran schluß (G) und den Sourceanschluß (S) des entsprechenden Hilfs- MOSFET geschaltet ist,
- c) die Primärkreise (Wp) dieser Impulsübertrager (ÜB) liegen in Serie und werden von einer weiteren einzigen, durchgehend für Hochspannung iso lierten Leitung (LB) gebildet, welche einmal durch sämtliche Ring kerne (K) dieser Impulsübertrager (ÜB) geführt ist,
- d) der Anfang der weiteren Leitung (LB) ist mit dem Drainanschluß (D) eines Treiber-MOSFET (TB) verbunden, und das Ende der Leitung liegt an der Klemme der Hilfsspannungsquelle (UH).
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