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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schalteinrichtung bestehend aus einem von einer Ansteu- erschaltung angesteuerten Schalter, über welchen ein Lastkreis an eine Eingangsspannung legbar ist, aus welcher zumindest vorübergehend eine Betriebsspannung für die Ansteuerschaltung abgeleitet ist, der gesteuerte Schalter in Kaskodenschaltung mit einem Hilfshalbleiterschalter liegt, wobei der Ausgang der Ansteuerschaltung zu der Steuerelektrode des Hilfsschalters geführt ist, die Steuerspannung des Schalters gleich der Längsspannung des Hilfsschalters ist und diese Längs- spannung der Ansteuerschaltung als Betriebsspannung zugeführt ist.
Ebenso bezieht sich die Erfindung auf einen Schaltwandler mit einem Übertrager mit einer Pri- märwicklung sowie mit zumindest einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung in Serie mit einem gesteuerten Schalter an einer Eingangsspannung liegt und mit einer Ansteuerschaltung, welche für den Schalter Ansteuerimpulse liefert, wobei aus der Eingangsspannung zumindest vorübergehend eine Betriebsspannung für die Ansteuerschaltung abgeleitet ist, der gesteuerte Schalter in Kaskodenschaltung mit einem Hilfshalbleiterschalter liegt, wobei der Ausgang der Ansteuerschaltung zu der Steuerelektrode des Hilfsschalters geführt ist und die Steuerspannung des Schalters gleich der Längsspannung des Hilfsschalters ist, und diese Längsspannung) der Ansteuerschaltung als Betriebsspannung zugeführt ist.
Auf vielen Gebieten der Elektrotechnik, wie Energietechnik, Stromversorgungen etc. besteht der Wunsch, hohe Spannungen mit Hilfe von Halbleiterschaltern zu schalten bzw. getaktet an eine Last zu legen, um hierdurch ein Heruntertransformieren, beispielsweise der Fahrdrahtspannung elektrischer Bahnen, zu vermeiden, bzw. um von schweren Netzfrequenztransformatoren auf viel kleinere und leichtere Transformatoren übergehen zu können, die beispielsweise bei 20 kHz oder mehr arbeiten.
Die Speisespannung für die Ansteuerschaltung wird zweckmässigerweise aus einer Sekundär- spannung eines Schaltwandlers abgeleitet oder unter Zuhilfenahme von Vorwiderständen aus der hohen Eingangsspannung abgeleitet. Der erstgenannten Lösung ist das Problem inhärent, dass ein Schaltwandler überhaupt erst angelaufen sein muss, um eine Sekundärspannung zu erzeugen und auch für den Anlaufvorgang Schaltimpulse der Ansteuerschaltung erforderlich sind. Es treten hier zumindest grosse Verzögerungen zwischen Anschalten an eine Eingangsspannung und Bereit- stehen einer Sekundärspannung auf.
Bei der zweitgenannten Lösung, d. h. der Verwendung eines Vorwiderstandes kommt es zu ho- hen Verlusten in den Widerständen, da eine Spannung von beispielsweise 600 Volt auf eine solche von 12 Volt reduziert werden muss. Wegen dieser Verluste muss auch für eine besondere Wärme- abführung des Vorwiderstands für die Speisespannung der Ansteuerschaltung gesorgt werden.
Bei einer aus der US 5,602,724 A bekannt gewordenen Schaltung der eingangs angegebenen Art wird eine Kaskodenschaltung des gesteuerten Schalters mit einem Hilfsschalter verwendet und es ist erwähnt, dass die Ansteuerschaltung auch von der Drainspannung des Hilfshalbleiterschal- ters versorgt werden kann. Der erwähnte Nachteil erhöhter Verluste bleibt jedoch bestehen, da das Gate des gesteuerten Schalters über einen Spannungsteiler von der Eingangsspannung versorgt wird.
Es sind auch Lösungen bekannt geworden, solche Vorwiderstände nach erfolgtem Anlaufen eines Schaltwandlers wegzuschalten und diese Betriebsspannung der Ansteuerschaltung danach von einer Sekundärspannung des Schaltwandlers zu gewinnen. Dies führt naturgemäss zu einem weiteren Bauteilaufwand.
Eine weitere Lösung zur Versorgung der Ansteuerschaltung besteht in der Verwendung eines Hilfsnetzteils mit einem netzfrequenzbetriebenen Transformator oder der Verwendung eines eige- nen Schaltwandlers, dessen Eingang an der Eingangsspannung liegt. In allen Fällen ist der Bau- elementeaufwand hoch, beispielsweise auch im Hinblick auf die erforderliche Isolation der Wick- lungen kleiner Versorgungstransformatoren, die an einer hohen Eingangsspannung liegen.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt somit darin, eine Schalteinrichtung anzugeben, die sich für das Schalten hoher Spannungen besonders eignet und bei welcher auf einfache und sichere Art eine Stromversorgung der Ansteuerschaltung zumindest während des Anlaufens gewährleistet ist.
Die Versorgungsspannung soll insbesondere auch nicht bei Leerlauf oder Parallelbetrieb und Leerlauf ausfallen und die Verlustleistung soll so gering wie möglich sein.
Die gestellte Aufgabe wird mit einer Schalteinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher erfindungsgemäss der gesteuerte Schalter ein selbstleitender Halbleiterschalter ist, weicher
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in Kaskodenschaltung mit einem Hilfshalbleiterschalter liegt, wobei der Ausgang der Ansteuer- schaltung zu der Steuerelektrode des Hilfsschalters geführt ist, die Steuerspannung des Schalters gleich der Längsspannung des Hilfsschalters ist und diese Längsspannung über einen Gleichrich- ter der Ansteuerschaltung als Betriebsspannung zugeführt ist.
Bei der erfindungsgemässen Lösung wird die Längsspannung des Hilfsschalters gleichgerichtet und steht als Betriebsspannung der Ansteuerschaltung zur Verfügung, wodurch eine definierte Spannung in einem brauchbaren Bereich vorliegt. Trotz einer hohen Eingangsspannung steigt bei der gewählten Kaskodenschaltung die Spannung an dem Hilfsschalter nicht höher an, als z. B. die Pinch-off-Spannung des (Haupt-)Schalters, der für das Schalten der eigentlichen hohen Spannung verantwortlich ist.
Vorteilhafterweise wird die Längsspannung des Hilfsschalters der Ansteuerschaltung über eine Auskoppeldiode zugeführt.
Bei einer zweckmässigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass in Serie mit der Auskoppeldio- de ein Schutzwiderstand liegt, der von seiner Belastbarkeit auch so dimensioniert werden kann, dass er im Kurzschlussfall als Abbrennsicherung wirkt.
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung anzuwenden, wenn der gesteuerte Schalter ein SiC-JFET ist. Bei Anwendungen mit einem solchen Schalter können besonders hohe Eingangs- spannungen geschaltet werden, bei welchen eine Versorgung der Ansteuerschaltung mit üblichen Mitteln noch schwieriger oder teurer ist als bei Haushaltsnetzspannungen.
Es ist weiters vorteilhaft, wenn der Hilfsschalter ein IGFET ist, da sich dieser in Kombination mit einem gesteuerten Schalter hoher Spannungsfestigkeit in einer Kaskode gut eignet.
Die Schalteinrichtung nach der Erfindung hat besondere Vorteile, wenn der Lastzweig eine Pri- märwicklung eines Transformators in einem Schaltwandler ist.
Die angegebene Lösung ist auch im Zusammenhang mit einem Schaltwandler der oben ange- gebenen Art zur Lösung der genannten Probleme geeignet. Gerade bei Schaltwandlern sind die genannten Probleme besonders vorrangig. Auch hier kann in Serie mit der Auskoppeldiode ein Schutzwiderstand liegen, der gesteuerte Schalter ein SiC-JFET sein bzw. der Hilfsschalter ein IGFET sein.
Bei einer vorteilhaften Variante ist vorgesehen, dass eine Dauerbetriebsspannungsquelle vor- gesehen ist und diese Dauerbetriebsspannung unter Verwendung eines Trennschalters an den Betriebsspannungseingang der Ansteuerschaltung gelegt ist.
Diese Lösungen entsprechen hinsichtlich des Abschaltens der während des Anlaufens zur Ver- fügung stehenden Betriebsspannung der oben angegebenen Lösung mit einem Vorwiderstand, doch entfällt hier der unnötige Energieverbrauch in dem Vorwiderstand. Wenn die Dauerbetriebs- spannung höher als die Betriebsspannung während des Anlaufens ist, kann als Trennschalter eine Diode verwendet werden, im einfachsten Fall die Auskoppeldiode, die ohnehin vorgesehen ist.
Falls die Dauerbetriebsspannung geringer ist, als die erfindungsgemäss gewonnene Betriebsspan- nung, kann ein gesteuerter Schalter zum Wegschalten der Anlauf-Betriebsspannung vorgesehen sein. Als Quelle für die Dauerbetriebsspannung kann auch ein eigener Transformator mit nachge- speichertem Gleichrichter vorgesehen sein.
Im Hinblick auf die im Rahmen der Erfindung nicht unwesentliche Frage der hohen Eingangs- spannung und Spannungsfestigkeit des gesteuerten Schalters, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Transformator eine Schutzwicklung besitzt, die - gegenpolig zur Primärwicklung - über eine Schutzdiode an der Eingangsspannung liegt.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im folgenden anhand beispielsweise Ausführungs- formen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen . Fig 1 eine prinzipielle Schaltung für eine Schalteinrichtung nach der Erfindung, und . Fig. 2 einen Schaltwandler nach der Erfindung, der eine Schalteinrichtung gemäss Fig. 1 ver- wendet.
Gemäss Fig. 1, welche allgemein das Prinzip der Erfindung erläutern soll, liegt eine Eingangs- spannung UZK über einen gesteuerten Schalter T an einer Last LAS. Der Schalter T soll von einer Ansteuerschaltung AST angesteuert werden, welche Schaltimpulse liefert. Üblicherweise sind Tastverhältnis und/oder Frequenz des Schaltimpulses veränderbar. Im vorliegenden Fall erfolgt die Ansteuerung des Schalters T nicht unmittelbar, sondern über einen Hilfsschalter S, wobei der (Haupt)schalter T und/oder Hilfsschalter S in einer bekannten Kaskodenschaltung liegen, die
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nachstehend unter Heranziehung beispielsweiser Schalttypen näher erläutert ist.
Der gesteuerte Schalter T ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ein n-Kanal SiC-JFET, d. h. ein Sperrschicht- oder Junction-Feldeffekttransistor in Siliziumkarbid-Technologie. Ein solcher FET, der selbstleitend ist, bietet gegenüber einem Silizium-FET verschiedene Vorteile, insbesonde- re eine wesentlich höhere Spannungsfestigkeit in der Grössenordnung von 1500 Volt, eine etwa 3-mal höhere Wärmeleitfähigkeit des Basismaterials Siliziumkarbid, höhere Betriebstemperaturen von 300 - 400 C sowie ein wesentlich besseres Schaltverhalten, verglichen mit Si-MOSFETs im gleichen Leistungsbereich.
Der Schalter T leitet, wenn seine Gate-Source-Spannung UGS Null ist, und er sperrt, wenn sei- ne Gate-Source-Spannung UGs die sogenannte Abschnürspannung Up erreicht hat. Diese Ab- schnürspannung beträgt bei einem SiC-JFET etwa 20 bis 40 Volt. Zur Ansteuerung des Schalters T liegt mit diesem der Hilfstransistor S in Serie, bei dem Beispiel ein n-Kanal IGFET/E, somit ein selbstsperrender Isolierschicht-Feldeffekttransistor. Das Gate des Schalters T ist mit der Source des Hilfsschalters S verbunden, die Source des Schalters T mit dem Drain des Hilfsschalters S, und die Source des Hilfsschalters S liegt hier am negativen Pol der Eingangsspannung UZK. An- steuerimpulse der Ansteuerschaltung AST sind dem Gate des Hilfsschalters S zugeführt.
Wenn der Hilfsschalter S durchgeschaltet wird, wird das Source-Potential des Schalters T ge- gen "Minus" gezogen, wodurch der Schalter T zu leiten beginnt, sobald die Potential-Differenz zwischen dessen Gate und Source die Abschnürspannung unterschreitet.
Beim Ausschalten öffnet der Hilfsschalter S die Potentialverbindung zwischen Source und Gate des Schalters T, wodurch sich über dem Hilfsschalter, d. h. zwischen dessen Drain und Source eine Spannung aufbaut, welche das Abschalten nun auch des Schalters T bewirkt, sobald ihr Wert die Abschnürspannung erreicht hat.
Wesentlich ist nun, dass die Drain-Source-Spannung des Hilfsschalters, welche der Gate- Source-Spannung des (Haupt)schalters T gleich ist, nie grösser als die Abschnürspannung (#pinch off'-Spannung) werden kann, so dass bei geöffneten Schaltern T und S die zu schaltende Span- nung abzüglich der Abschnürspannung an dem spannungsfesten Schalter T liegt. Der Hilfsschalter S muss daher nur eine geringe Spannungsfestigkeit von z. B. 50 Volt besitzen.
Die an dem Hilfsschalter S liegende Längsspannung UDS wird über eine Auskoppeldiode D1 und einen Glättungskondensator C1 der Ansteuerschaltung AST als Betriebsspannung UB zuge- führt, wodurch sofort bei Einschalten der Eingangsspannung in der Anlaufphase die Spannungs- versorgung für die Ansteuerschaltung sichergestellt ist. Nach dem Anlaufen ist die Längsspannung UDS des Hilfsschalters S eine den Ansteuerimpulsen entsprechende Rechteckspannung, die nach Gleichrichtung und Siebung auch als Dauerbetriebsspannung für die Ansteuerschaltung AST verwendet werden kann, falls man nicht für diesen Fall zu einer anderen Spannungsversorgung greift, was weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert ist.
In Fig. 2 ist eine Anwendung der Schalteinrichtung nach der Erfindung bzw. ein erfindungsge- mässer Schaltwandler gezeigt. Eine Eingangswechselspannung UE wird mit Hilfe eines Gleichrich- ters GLR gleichgerichtet und unter Verwendung eines Kondensators CZK geglättet. An diesem Kondensator liegt eine Zwischenkreisspannung oder Eingangsspannung UZK, welche über die in Fig. 1 näher erläuterte Schaltkaskode T+S an eine Primärwicklung L1 eines Übertragers UET gelegt werden kann. Diese Primärwicklung L1 stellt somit die Last nach Fig. 1 dar. Der über die Schaltkaskode S+T fliessende Strom wird im vorliegenden Beispiel mit Hilfe eines Messwiderstan- des R1 gemessen.
Die an einer Sekundärwicklung L2 auftretende Spannung wird mit Hilfe eines Gleichrichters T2 gleichgerichtet und an einem Kondensator C2 geglättet, so dass eine sekundäre Ausgangsgleich- spannung UA entsteht. Der Ausgangsstrom kann mittels eines Messwiderstandes Rs erfasst wer- den.
Auch hier ist eine Ansteuerschaltung AST vorgesehen, welche Ansteuerimpulse für den Hilfs- schalter S liefert. Die Betriebsspannung UB der Ansteuerschaltung AST wird in analoger Weise zu Fig. 1 gewonnen, doch ist hier noch ein Schutzwiderstand RT in Serie mit der Auskoppeldiode D1 geschaltet. Dieser Schutzwiderstand kann auch so dimensioniert werden, dass im Falle eines Kurzschlusses der Betriebsspannung UB ein gewolltes Abbrennen des Widerstandes im Sinne einer Sicherung erfolgt.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist weiters eine Hilfswicklung LH des Übertragers UET vorgese-
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hen, die mit Hilfe eines Gleichrichter DH und eines Glättungskondensators CH eine Dauerbetriebs- spannung UB' für die Ansteuerschaltung erzeugen kann. Es wird dann ein Mittel vorgesehen, um nach Anlaufen der gesamten Schaltung die erfindungsgemäss erzeugte Betriebsspannung US abzuschalten. Falls die Hilfsbetriebsspannung UB' grösser ist als die Betriebsspannung UB kann die Funktion des Schalters durch die Auskoppeldiode D1 übernommen werden, was im vorliegenden Fall gezeigt ist. Alternativ kann, was gleichfalls in Fig. 2 angedeutet ist, ein gesteuerter Schalter SWI das Abschalten der erfindungsgemäss erzeugten Betriebsspannung UB nach Anlaufen der Schaltung sicherstellen.
Der Schalter SWI könnte beispielsweise durch eine einfache Steuerschal- tung geöffnet werden, sobald die Hilfsbetriebsspannung US' einen bestimmten Wert erreicht hat. In diesem Fall könnte sogar auf die Auskoppeldiode D1 verzichtet werden.
Der von der Ansteuerschaltung AST erzeugte Puls ändert im vorliegenden Fall sein Tastver- hältnis, gegebenenfalls auch die Frequenz, in Abhängigkeit von zugeführten Grössen, insbesondere der Ausgangsspannung UA und des zugehörigen Ausgangsstromes. Diese Grössen werden einer Auswerteschaltung AWS zugeführt und meist über einen Optokoppler OKO als Eingangsgrössen an die Ansteuerschaltung AST weitergeleitet. Auf diese Weise kann eine Regelung oder Begrenzung von Ausgangsspannung und/oder Strom in dem Fachmann bekannter Weise erfolgen. Ebenso ist es dem Fachmann geläufig, dass der Strom durch die Primärwicklung L1 hier am Widerstand R1 gemessen, als Eingangsgrösse der Ansteuerschaltung AST zugeführt wird, um beispielsweise das Ende der Ansteuerimpulse zu bestimmen.
Da sich die Erfindung in besonderem Mass bei Vorliegen hoher Eingangsspannungen UZK be- währt, ist es auch zweckmässig, wenn, wie im vorliegenden Fall, eine Schutzwicklung Ls des Übertragers UET vorgesehen ist, die gegenpolig zur Primärwicklung L, über eine Schutzdiode Ds an der Eingangsspannung UE liegt. Auf diese Weise kann die beim Abmagnetisieren an der Pri- märwicklung L1 entstehende Spannung auf maximal die doppelte Eingangsspannung begrenzt werden.
Fig. 1 hat eine repräsentative Anwendung der Erfindung am Beispiel eines Schaltwandlers ge- zeigt, doch sollte es klar sein, dass auch andere Anwendungen, wie ganz allgemein Hochsetz- oder Tiefsetzsteller oder Umrichter in Frage kommen. Beispielsweise kann die erfindungsgemässe Erzeugung der Betriebsspannung bei einer Ansteuerschaltung von Doppel-H-Brücken mit sechs Schaltern zur Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannung die Versorgung der floatenden Gate-Ansteuerschaltungen übernehmen. Bei solchen Umrichtern liegt nämlich ein besonderes Problem darin, dass eigene Gate-Versorgungsnetzteile mit aufwändigen potentialgetrennten Aus- gangsspannungen vorgesehen werden müssen, wobei ein Anlaufen der Ansteuerschaltungen zeitlich vor dem Leistungsteil notwendig ist.
Hier kann durch Anwendung der Erfindung und durch optische Übertragung der Ansteuerimpulse die Gesamtschaltung wesentlich einfacher ausgeführt werden.
Weiters kann die Erfindung von besonderem Vorteil bei der Serienschaltung einer grösseren Anzahl von Leistungshalbleitern, z. B. für Gleichspannungsenergieübertragungen, sein, bei welchen die Ansteuerimpulse über Glasfasern übertragen werden. Bei solchen Anwendungsfällen ist natur- gemäss die Konstruktion eigener Hilfsnetzteile zur Versorgung der Ansteuerschaltungen besonders aufwändig.
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