CH682866A5 - Hochspannungsschalter. - Google Patents

Description

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CH 682 866 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Kaskade, die aus solchen Hochspannungsschaltern aufgebaut ist.

In der Hochspannungselektronik wurden früher die Schaltstrecken von Hochspannungsschaltern mit Elektronenröhren z.B. Thyratrons oder anderen Röhrentypen aufgebaut. Hierzu waren aufwendige Einrichtungen wie Heizung und Gitterversorgung nötig, die ständig einen Wartungsaufwand erfordern. Ausserdem unterlagen sie starkem Ver-schleiss.

Schaltzeiten, insbesondere Abschaltzeiten langer Dauer mussten aufgrund der Geometrie des Schalters bzw. der zu beherrschenden Spannung in Kauf genommen werden.

Bessere Schaltzeiten erzielt man mit Halbleiterbauelementen. Sie lassen sich einfach ansteuern und sind praktisch wartungsfrei. Allerdings müssen sie zur Beherrschung hoher Spannung kaskadiert werden und darum mit unterschiedlichen, eben verträglichen Spannungsniveaus angesteuert werden. Dies kann einmal durch Trenntransformatoren geschehen, wie in der DE-PS 3 229 426 beschrieben ist. Damit ist aber nur eine Wechselspannungsan-steuerung möglich. Zum andern, bei Gleichstromansteuerung müssen Optokoppler siehe US 4 611 123 verwendet werden. Diese benötigen eine Betriebsspannung, die je nach zu beherrschender Schalt-streckenpotentialdifferenz kaskadiert werden muss. Die Betriebsspannung ist durch Trenntransformatoren einstellbar. Hierüber handelt man sich aber kapazitive und induktive Verkopplungen zwischen den Kaskadenstufen ein, die zu Störungen, wie parasitäre Schwingungen führen und ein solches System enorm verkomplizieren, ja unter Umständen unbrauchbar machen.

Die Siemens AG beschritt einen ersten Weg, um solche Poblematiken zu umgehen und entwickelte hierzu Feldeffekttransistortreiber, die unter der Bezeichnung BSA 21 und BSA 22 geführt werden. Diese Bauelemente sind für gewisse Belange jedoch zu langsam. Darüber hinaus haben sie nur eine Isolationsprüfspannung von 2800 Volt, wodurch Schaltstreckenkaskaden auf einige hundert Volt begrenzt bleiben müssen.

Die DE-OS 3 630 775 zeigt eine MOSFET-Kas-kade, bei der jeder MOSFET für einen ihm zugeordneten Ferritkern-Impulsübertrager direkt und gleichzeitig mit den anderen der Kaskade angesteuert wird. Für kurze und exakte Schaltzeiten muss der Impulsübertrager notwendig ein sehr breitbandi-ges Ubertragungsverhalten aufweisen. Definierte Schaltzustände bei den Hochspannungs-MOSFETs werden mit der offenbarten Schaltung nur erreicht, wenn die Hochspannung einen pulsförmigen oder wechselspannungsförmigen Verlauf hat, oder aber eine Gleichspannung nur über den Treiber-MOS-FET zu- oder weggeschaltet wird.

Einen Hochspannungsschalter mit ebenfalls kas-kadiertem Aufbau mehrerer Schaltstrecken zeigt die DE-OS 3 731 412. Die kaskadierten, bipolaren Phototransistoren werden gleichzeitig von einer jeweils zugehörigen Photodiode, diese sind in Reihe zueinander geschalten, schnell vom sperrenden in den leitenden Zustand gebracht. Die Lichtemission ist photodiodenstromabhängig und damit auch der Grad der Leitfähigkeit der Phototransistoren. Bei dieser Anordnung ist nur das gleichzeitige Leitendwerden der Transistoren zu einem vorgegebenen Zeitpunkt wichtig. Im Bereich der dort auftretenden Zündintervalle ist die Überführung vom leitenden in den sperrenden Zustand von untergeordneter Wichtigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsschalter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art derart weiterzubilden, dass die Potentiale hochgenauer, bipolarer Hochspannungsgeräte, deren Werte innerhalb kürzester Zeit eingestellt bzw. auf einen neuen Wert eingestellt werden können, sehr schnell an eine kapazitive Last gelegt und davon getrennt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsge-mässen Hochspannungsschalters geben die Ansprüche 3 bis 5 wieder.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass ein kaskadenartig aufgebauter Hochspannungsschalter über Optokoppler angesteuert wird. Die Betriebsspannung der Optokoppler wird über einen externen Strompuls erzeugt. Dadurch ist die Hochspannung schnell, zuverlässig und rückwirkungsfrei schaltbar.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Hochspannungsschalter mit einer Schaltstrecke;

Fig. 2 Hochspannungsschalter aus kaskadierten Schaltstrecken;

Fig. 3 Hochspannungsmultiplexsystem mit einer Driftröhre als Last.

Der Hochspannungsschalter nach Fig. 1 setzt sich grundsätzlich aus drei Baugruppen zusammen.

1. Die Schaltstrecke l-ll mit ihrer Ansteuermöglichkeit G und den zur Schaltstrecke l-ll parallel geschalteten Widerständen Ri und R2 sowie den Spannungsbegrenzungselementen Zi und Z2. Die Widerstände Ri und R2 dienen zur definierten Einstellung der Potentialdifferenz zwischen den Klemmen I und II.

2. Der externen Betriebsspannungserzeugung über einen Ringkern RK.

3. Die Ansteuerung der Schaltstrecke l-ll am Punkt G über Optokoppler OK1 und OK2, wobei die Optokoppler OK1 und OK2 antivalent betätigt werden.

Im Durchführungsbeispiel wird die Schaltstrecke durch einen Feldeffekttransistor T geschaltet, der über sein Gate G durch Anlegen der Betriebsspan5

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nungen Ub in dem leitenden Zustand gesteuert wird. Die Ansteuerung erfolgt, vom elektrischen Hochspannungspotential getrennt, durch die Erregung der Photodiode im Optokoppler OK1. Gleichzeitig ist die Photodiode im Optokoppler OK2 nicht erregt. Sie wird allerdings erregt, wenn der Wechsel von leitend nach sperrend erfolgt und bewirkt dann eine Entladung der gate-Source-Kapazität CGS. Hierdurch sind klare Schaltzustände erreicht. Das Begrenzungselement Rgs dient zum Schutz der gate-source-Strecke.

Die Betriebsspannung üb, abgegriffen an dem Kondensator C1, wird extern erzeugt. Dazu ist durch den Ringkern eine Stromschleife gelegt, durch die ein Stromimpuls mit bestimmtem Tastverhältnis fliesst. Der Strompuls induziert in einer zweiten Wicklung um den Ringkern eine Spannung entsprechend der abfallenden Flanke des Stromes. Durch entsprechende Beschaltung der zweiten Wicklung wird der entstehende Spannungssprung zur Erzeugung der Betriebsspannung Ub in dem Kondensator C1 ausgenützt. Die externe Impulsstromschleife ist isoliert von Hochspannungspotential durch den Ringkern geführt. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn aufgrund hoher zu beherrschender Potentialdifferenzen Uhs der Hochspannungsschalter aus einer Hintereinanderschaltung oder Kaskadierung solcher einfacher Hochspannungsschalter bestehen muss. Die einfache Schaltstrecke l-ll beherrscht etwa 700 V Potentialdifferenz.

In Fig. 2 ist eine Kaskadierung von mehreren Schaltstrecken l-ll elektrisch dargestellt. Dort wird die Stromschleife, die den externen Strompuls führt gleichmals, im Beispiel einmal, durch den zur Schaltstrecke gehörenden Ringkern RK gefädelt, wodurch dann, wie oben beschrieben, für jede Stufe die zugehörige Betriebsspannung Ub zur Ansteuerung in den zugehörigen Kondensator C1 bereitgestellt wird. Es ist also eine Isolation des jeweiligen Hochspannungspotentials erreicht und eine kapazitive bzw. induktive Verkopplung der Stufen untereinander weitgehend vermieden.

Wie die Fig. 2 weiter zeigt, sind die Dioden in den Optokopplern OK1/OK2 gleichzeitig erregt oder nicht, d.h. die Transistoren sind immer in einem gleichartigen Zustand.

Die Entladung der jeweiligen gate-source-Kapazi-tät CGS beim Ubergang von dem leitenden in den sperrenden Zustand erfolgt durch Erregung der Photodioden in den Optokopplern OK2. Wie oben schon erwähnt, dient das Begrenzungselement Rgs zum Schutz der gate-source-Strecke.

Der Einfachheit halber sind die Überspannungsabieiter Z1, Z2 über der jeweiligen Schaltstrecke in Fig. 2 weggelassen.

Der Aufbau einer gem. der Aufgabenstellung geforderten Hochspannungs-Multiplex-Anlage ist in Fig. 3 dargestellt.

Hierzu sind mehrere Netzgeräte N|+, Ni- über Hochspannungsschalter l-ll und ll-l an eine kapazitive Last i, die Driftröhre I, geschaltet. Im Durchführungsbeispiel wird von insgesamt 16 Netzgeräten ausgegangen. Dazu kommen 16 Hochspannungsschalter I'—II' und II'—I', dimensioniert auf 10 kV, die aus den oben geschilderten Halbleiterschaltstrecken l-ll aufgebaut sind. Ein Nullschalter Nu und drei weitere Schalter Nei, Ne2, Ne3 dienen als Entladehilfe für fallende Treppenstufen. Die Anlage enthält ein Rechnerinterface mit 16 Digital-Analog-Conver-ter von 16 Bit und 2 Analog-Digital-Converter von 16 Bit sowie Informationsstrukturen zur Steuerung der Hochspannungsschalter. In der Infrastruktur der Anlage sind ausserdem Rechnerinterface, Betriebsschaltungen und ein Servicesystem vorgesehen.

Die Hochspannungsschalter arbeiten sehr schnell, so dass die Schaltzeit der Treppenstufen nur von der kapazitiven Last und dem maximalen Strom des Netzgerätes bestimmt werden.

Mit einem Standardrechnerprogramm können 8 steigende oder 8 fallende sowie 16 Positiv-Negativ-Mäander pro Sekunde gefahren werden. Wird das Rechnerprogramm so erweitert, dass der Rechner unter Berücksichtigung der Zeitbedingungen jedes Netzgerät, nachdem es von der kapazitiven Last weggeschaltet wurde, auf einen neuen Wert stellt, können bei steigenden Treppenstufen und bei steigenden Mäanderstufen ca. 40 Stufen pro Sekunde erzeugt werden.

Claims (5)

Patentansprüche

1. Hochspannungsschalter, mit einer Schaltstrek-ke, wobei zur Spannungssymmetrierung an kaskadenartig aneinander gereihten Schaltstrecken parallel zur Schaltstrecke ein Symmetrierelement geschaltet ist, und die Ansteuerung der Schaltstrecke über einen ihr zugeordneten Optokoppler erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass

- zur Schaltstrecke (l-ll) eine Stromschleife durch einen ihr zugehörigen Ringkern (RK) führt und durch diese Stromschleife ein Impulsstrom (ip) vorgegebener Amplitude und vorgegebener Pulsfrequenz fliesst, der über eine andere um den Ringkern (RK) gelegte, mit einem Stromventil (D1) und einem Spannungsbegrenzungselement (Z3) beschaltete Wicklung mit vorbestimmter Windungszahl, durch das Umschalten des Stromes in einem an die Wicklung angeschlossenen Kondensator (C1) eine unabhängige, ausreichend hohe Betriebsspannung (Ub) für den potentialtrennenden Optokoppler (OK1) erzeugt, die zur schnellen Ansteuerung der zugehörigen Schaltstrecke (l-ll) dient,

- zur Schaltstrecke (l-ll) ein zweiter Optokoppler (OK2) zwischen der Schaltstreckenansteuerungs-pol (G), und dem Schaltstreckenausgangspol (S), geschaltet ist, damit beim Überführen der Schaltstrecke (l-ll) in den sperrenden Zustand die Kapazität (GS) zwischen Schaltstreckenansteuerungspol (G) und Schaltstreckenausgangspol (S) schnell entladbar ist.

2. Kaskade mit Hochspannungsschaltern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerleitungen der ersten bzw. zweiten Optokoppler kaskadenartig in Serie geschaltet sind.

3. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaltstrecke (I-II) mit vernachlässigbarem Energieaufwand vom sperrenden in den leitenden Zustand und umgekehrt steuerbar ist.

4. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, da-

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5. Hochspannungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaltstrecke (i-II) durch Spannungsbegrenzungselemente (Zi, Z2) auf eine definierte Spannung begrenzt wird.

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durch gekennzeichnet, dass die Strecke von dem Schaltstreckenansteuerungspoi (G) bis zu dem Schaltstreckenausgangspol über ein Begrenzungselement Rgs geschützt ist.