DD234974A1

DD234974A1 - Schneller transistor-hochleistungsschalter

Info

Publication number: DD234974A1
Application number: DD27409585A
Authority: DD
Inventors: Helmut Seifert; Guenter Lueth; Ulrich Schuster; Norbert Krueger
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1985-02-21
Filing date: 1985-02-21
Publication date: 1986-04-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen schnellen Transistor-Hochleistungsschalter mit einer Schaltleistung groesser 10 kW. Sie dient der Erzeugung von Hochleistungsimpulsen mit einer Impulsbreite von 20...500 ns. Ziel der Erfindung ist eine Schaltung mit hoher Zuverlaessigkeit und langer Lebensdauer, die sich fuer den Einsatz in kleinen kompakten Geraeten eignet. Als Aufgabe ergibt sich daraus, Moeglichkeiten zu finden, die Schaltleistung bei Verwendung von Halbleiterbauelementen wesentlich zu erhoehen. Die Aufgabe wird mit einem schnellen Transistor-Hochleistungsschalter geloest, der aus mindestens einem Leistungsblock besteht. Jeder Leistungsblock enthaelt mindestens einen Transistor. Im Basisstromkreis jedes Transistors befindet sich ein Uebertrager mit einer Primaerwicklung im Basisstromkreis des Transistors und einem Ferritkern. Alle Primaerwicklungen sind innerhalb eines Leistungsblocks in Reihe geschaltet. Bei Saettigung des Ferritkerns wird ein gleichzeitiges Durchschalten der Transistoren ermoeglicht. Eine Aufstockung der Schaltleistung ist durch Reihen- bzw. Parallelschaltung mehrerer Transistoren moeglich. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen schnellen Transistor-Hochleistungsschalter mit einer Schaltleistung größer 10 kW. Sie dient der Erzeugung von Hochleistungsimpulsen mit sehr geringen Impulsbreiten von 20 ns bis 500 ns und kann in der Lasertechnik zur Laseranregung, als Zündeinheit, als Güteschalter oder als Steuereinheit für Halbleiterlaser genutzt werden. Sie ist aber auch in der Radartechnik sowie in der Analysenmeßtechnik anwendbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für viele Aufgaben in der Lasertechnik, Radartechnik und Analysenmeßtechnik werden schnelle Hochleistungsschalter mit sehr hohen Schaltleistungen benötigt.

In der Impulstechnik sind Lösungen bekannt, bei denen Transistoren, Lawinentransistoren, schnelle Thyristoren oder V-MOS-Bauelemente eingesetzt werden.

Lawinentransistoren, die kommerziell erhältlich sind, besitzen zwar eine hohe Schaltgeschwindigkeit, haben aber nur eine geringe Schaltleistung auf Grund der hohen Kollektorestspannung.

Lösungen, in denen effektive Hochleistungsschalter für sehr kleine Impulsbreiten mit schnellen Thyristoren und V-MOS-Bauelementen realisiert werden können, sind nicht bekannt.

In der Anordnung des DD-WP 208 024 wird eine Erhöhung der Schaltleistung durch die Erhöhung der zulässigen Arbeitsspannung des Transistors erreicht. Als Hochleistungsschalter mit sehr kleinen Imulsbreiten eignet sich diese Anordnung nicht, da mit ihr nur Leistungen unter 10 kW realisierbar sind.

Im DD-WP 208 721 wird ein Hochstromschalter mit verringerter Einschaltzeit für die Erzeugung von Feldgradientenimpulsen beschrieben.

Mit dieser Schaltungsanordnung können Hochstromschalter von 100 A bei Reduzierung der Einschaltzeit von 45 μβ auf 12 ps realisiert werden. Sollten die Schaltzeiten 1 μβ unterschreiten und hohe Schaltleistungen realisiert werden, eignet sich diese Lösung nicht.

In der DE-OS wird ein schneller Leistungsschalter für Impulsbreiten kleiner 200 ns realisiert.

Mit dieser Schaltungsanordnung sind Impulsleistungen von 500 W pro Transistor realisierbar.

Einer Erhöhung der Leistung durch Parallelschaltung sind Grenzen gesetzt, da bei dieser Schaltungsanordnung ein gleichzeitiges Durchschalten aller parallel geschalteten Transistoren nicht gewährleistet ist.

Es ist bekannt, in der Technik Impulse mit sehr hohen Leistungen und Impulsbreiten kleiner als 1 μβ mittels gesteuerten Funkenstrecken und speziellen Thyratrons zu erzeugen. Bei der Nutzung von gesteuerten Funkenstrecken treten Störungen im HF-Bereich auf. Gesteuerte Funkenstrecken und Thyratrons haben gegenüber Halbleiterbauelementen nur eine geringe Lebensdauer und Lagerzeit. Des weiteren sind sie durch ihre relativ großen Abmessungen für kleine und kompakte Gerätelösungen nicht geeignet.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein schneller Hoohleistungsschalter mit hoher Zuverlässigkeit und langer Lebensdauer, der mit einfachen Mitteln realisierbar ist und geringe Abmessungen aufweist.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Möglichkeiten zu finden, die Schaltleistung von Hochleistungsschaltern bei Verwendung von Halbleiterbauelementen wesentlich zu erhöhen.

Die Aufgabe wird mit einem schnellen Transistor-Hochleistungsschalter dadurch gelöst, daß mindestens ein Leistungsblock vorhanden ist, wobei jeder Leistungsblock einen Steuerstromkreis und mindestens einen Transistor enthält, daß im Basisstromkreis jedes Transistors ein Übertrager angeordnet ist, der aus einem Ferritkern, einer Primärwicklung im Steuerstromkreis des Leistungsblocks und einer Sekundärwicklung im Basisstromkreis des Transistors besteht und daß alle Primärwicklungen im Steuerstromkreis des Leistungsblocks in Reihe geschaltet sind.

Als vorteilhaft für die Schaltleistung und Schaltgeschwindigkeit erweist es sich, wenn der Strom durch die Sekundärwicklung des Übertragers eine Sättigung des Ferritkerns hervorruft. Es wird ein gleichzeitiges Durchschalten aller Transistoren der Leistungsblöcke im ns-Bereich ermöglicht. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird im Hochleistungsschaltbetrieb ein stabiles, schnelles und zerstörungssicheres Schalten auch bei starker Bauelementestreuung und unter Verwendung von Standard-Halbleiterbauelementen erreicht.

Weiterhin vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich durch die Reihenschaltung der Transistoren eines Leistungsblocks bzw. durch die Parallelschaltung der Transistoren eines Leistungsblocks. Mit diesen Schaltungsanordnungen erreicht man eine Erhöhung der Schaltleistung auf mehr als 250 kW. Eine weitere Erhöhung der Schaltleistung bis in den Megawattbereich wird dadurch realisiert, daß mehrere Leistungsblöcke in Reihe oder parallel geschaltet sind, wobei zur Ansteuerung der Leistungsblöcke Transistorstufen verwendet werden, die an ihren Eingängen parallel geschaltet sind. Zur optimalen Gestaltung der Übertrager ist es besonders günstig, wenn die Primärwicklungen und die Sekundärwicklungen jeweils aus einer Windung bestehen.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind multivalent nutzbare, schnelle Transistor-Hochleistungsschalter realisierbar, deren Schaltleistung größer als 10 kW ist. Sie besitzen eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer und haben extrem kleine Abmessungen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an Hand von Beispielen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: Zwei Leistungsblöcke mit parallel geschalteten Transistoren und

Fig. 2: Zwei in Reihe geschaltete Leistungsblöcke mit in Reihe geschalteten Transistoren.

Gemäß Fig. 1 besteht der schnelle Transistor-Hochleistungsschalter aus den Leistungsblöcken 1 und 2. Der Leistungsblock 1 enthält die parallel geschalteten Transistoren T₁ und der Leistungsblock 2 die parallel geschalteten Transistoren T₂. Jeder Transistor T₁, T₂ besitzt einen eigenen Übertrager U₁, U₂. Dabei besteht jeder Übertrager U₁, U₂ aus einer Primärwicklung 4, einem Ferritkern 5 und einer Sekundärwicklung 6 im Basisstromkreis der Transistoren T₁ und T₂, wobei die Primärwicklung 4 und die Sekundärwicklung 6 jeweils nur eine Windung, bestehend aus Drahtbügeln, aufweist.

Die Primärwicklungen 4 sind im Steuerstromkreis 3 der Leistungsblöcke 1 und 2 in Reihe geschaltet. Der Strom durch die Sekundärwicklungen 6 ruft eine Sättigung in den Ferritkernen 4 hervor.

Die Leistungsblöcke 1 und 2 werden durch die parallel geschalteten Transistoren T_A, und Ta₂ angesteuert. Die Widerstände R_A1 und Ra₂ dienen zur Symmetrierung der Transistoren T_A1 und Ta₂. Damit werden den beiden Leistungsblöcken gleiche Steuerleistungen zugeführt. Die Widerstände R_B1 und R_B2 und Kondensatoren C_B1 und C_B2 entkoppeln die beiden Leistungsblöcke 1 und 2.

Für eine Schaltleistung von 500 kW können z. B. 5 Transistoren T₁ und 5 Transistoren T₂ vom Typ SF359 in den Leistungsblöcken 1 und 2 parallel geschalten werden. Es ist eine Impulsbreite von 200 ns realisierbar. Die Impulsbreite wird durch die Spule L_L und die Teilkapazitäten C₁ und C₂ bestimmt.

Die Erzeugung spezieller Impulsformen ist durch eine andere L-C-R-Anordnung möglich. Die Ladewiderstände R₁ und R₂ bestimmen die Ladezeit der Teilkapazitäten C₁ und C₂ und damit die mögliche Arbeitsfrequenz.

Dem Lastwiderstand R_L kann mit dieser erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein Impuls mit einer Leistung von 500 kW und einer Breite von 200 ns zugeführt werden. Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Transistor-Hochleistungsschalters, die zur Güteschaltung eines YAG-Festkörper-Laser geeignet ist. Gemäß Fig. 2 besteht er aus zwei in Reihe geschalteten Leistungsblöcken und 8. Dabei enthält der Leistungsblock 7 die in Reihe geschalteten Transistoren T₃ und der Leistungsblock 8 die in Reihe geschalteten Transistoren T₄.

Die Übertrager U₃ und U₄ sind in gleicher Weise angeordnet wie in Fig. 1 beschrieben. Die Ansteuerung der Leistungsblöcke 7 und erfolgt durch die parallel geschalteten Transistoren Ta₃ und T_A4 in gleicher Weise wie in Fig. 1.

Die Widerstände R₃ und R₄ dienen der gleichmäßigen Aufteilung der Hochspannung auf die Transistoren T₃ und T₄.

Im nichtgeschalteten Betrieb liegt die Hochspannung (z. B. +3 kV) über dem Widerstand R und dem elektrooptischen Kristall 9.

Durch einen Steuerimpuls schalten die Transistoren T₃ und T₄ extrem schnell durch. Es wird die Lastkapazität des elektrooptischen Kristalls 9 innerhalb sehr kurzer Zeit entladen und damit die Sperrfähigkeit des elektrooptischen Kristalls 9 aufgehoben. Im YAG-Festkörperlaser kann sich in kurzer Zeit ein gütegeschalteter Laserimpuls aufbauen.

Claims

- 1 - /4U SO

Erfindungsanspruch:

1. Schneller Transistor-Hochleistungsschalter, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens ein Leistungsblock vorhanden ist, wobei jeder Leistungsblock einen Steuerstromkreis und mindestens einen Transistor enthält, daß im Basisstromkreis jedes Transistors ein Übertrager angeordnet ist, der aus einem Ferritkern, einer Primärwicklung im Steuerstromkreis des Leistungsblocks und einer Sekundärwicklung im Basisstromkreis des Transistors besteht und daß alle Primärwicklungen im Steuerstromkreis des Leistungsblocks in Reihe geschaltet sind.
2. Schneller Transistor-Hochleistungsschalter nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Strom durch die Sekundärwicklung des Übertragers eine Sättigung des Ferritkerns hervorruft.
3. Schneller Transistor-Hochleistungsschalter nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Transistoren eines Leistungsblocks in Reihe geschaltet sind.
4. Schneller Transistor-Hochleistungsschalter nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Transistoren eines Leistungsblocks parallel geschaltet sind.
5. Schneller Transistor-Hochleistungsschalter nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Leistungsblöcke in Reihe geschaltet sind, wobei zur Ansteuerung der Leistungsblöcke Transistorstufen vorhanden sind, die an ihren Eingängen parallel geschaltet sind.
6. Schneller Transistor-Hochleistungsschalter nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Primärwicklung und Sekundärwicklung jedes Übertragers je eine Windung aufweist.

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