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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur potentialgetrennten Übertragung von Steuersignalen von einer gemeinsamen Ansteuerschaltung zu hintereinander geschalteten Halbleiter-Schaltelementen eines kaskadierten Hochspannungsschalters mit Hilfe wenigstens einer mit der Ansteuerschaltung verbindbaren Primärwicklung und mehreren mit den Halbleiter-Schaltelementen des Hochspannungsschalters verbindbaren Sekundärwicklungen.
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Hochspannungsschalter mit hintereinander geschalteten Halbleiter-Schaltelementen sind für zahlreiche technische Anwendungen erforderlich, bspw. zur Beeinflussung elektrooptischer Anordnungen. So erfordert bspw. die Ansteuerung elektrooptischer Schalter in Laseranordnungen das Schalten von Spannungen von bis zu mehreren 1000 V bei Schaltzeiten von wenigen Nanosekunden. Als Schaltelemente auf Halbleiterbasis sind hierfür insbesondere entsprechend optimierte MOSFET-Transistoren geeignet, die nach Anlegen einer Steuerspannung zwischen ihrer Steuerelektrode (Gate) und der Bezugselektrode (Source) von einem sehr hochohmigen in einen niederohmigen Zustand wechseln. Da die maximal zulässige Sperrspannung eines einzelnen Schaltelements nur bei etwa 1000 V liegt, müssen häufig mehrere Schaltelemente hintereinander geschaltet und durch geeignete potentialgetrennte Ansteuerkreise synchron ein- und ausgeschaltet werden.
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Die Ansteuerung aller Schaltelemente muss dabei mit einer Toleranz von typisch unter einer Nanosekunde gleichzeitig erfolgen, da sich die Gesamtspannung über der Schalterkaskade ansonsten ungleichmäßig auf deren einzelne Elemente verteilen würde und es zu Überspannungen an einzelnen Halbleiter-Schaltelementen und folglich zu deren Zerstörung kommen könnte.
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Stand der Technik
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Bei bekannten kaskadierten Hochspannungsschaltern erfolgt die potentialgetrennte Ansteuerung der einzelnen Halbleiter-Schaltelemente in der Regel über getrennte Pulsübertrager. 1 zeigt hierzu das Prinzipschaltbild eines Hochspannungsschalters mit zwei Pulsübertragern TR1 und TR2 für die Ansteuerung zweier kaskadierter Hochspannungstransistoren T1 und T2. Nach Anlegen eines Rechteckimpulses an den Eingang der Ansteuerschaltung wird die Hilfsspannung UAUX über den Ansteuertransistor TA gleichzeitig an die Primärwicklungen der beiden Pulsübertrager TR1, TR2 gelegt und über diese an die Steuereingänge der Hochspannungstransistoren potentialfrei weitergeleitet. Die Hochspannungstransistoren werden niederohmig, so dass am Widerstand R ein Hochspannungsimpuls der Amplitude UHV entsteht.
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Zur Realisierung derartiger Pulsübertrager ist es bekannt, Ringkerne mit jeweils einer Primär- und einer Sekundärwicklung einzusetzen. Eine besonders hohe Isolation zwischen Primär- und Sekundärwicklungen wird bei einer Ausführung erreicht, wie sie in der
DE 36 30 775 beschrieben ist. Bei dieser Ausgestaltung wird ein einzelner, hochisolierter Draht als Primärwicklung zentrisch durch alle Ringkerne der Anordnung geführt.
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Die Ringkerne werden in der Regel durch einen zumindest teilweisen Verguss mechanisch fixiert. Diese Maßnahme verhindert auch Teilentladungen zwischen Primär- und Sekundärwicklungen. Solche Entladungen können auftreten, wenn zwischen zwei eng benachbarten isolierten Komponenten schnell schwankende Differenzspannungen mit Amplituden von mindestens einigen 100 V anliegen.
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Allerdings treten bei der oben beschriebenen bekannten Ausführungsform unvermeidliche Abweichungen zwischen den Streuinduktivitäten der einzelnen Pulsübertrager auf. Diese werden durch Material- und Formtoleranzen der Ringkerne sowie durch fertigungsbedingte Unterschiede zwischen den einzelnen Wicklungsgeometrien verursacht und führen im Zusammenspiel mit den Eingangskapazitäten der Halbleiter-Schaltelemente zu unerwünschten Abweichungen zwischen den Spannungsverläufen an deren Steuerelektroden. Zur Kompensation dieses Effektes müssen ggf. Trimmelemente an jedem Schaltelement angebracht und aufwendig eingestellt werden. Das Wickeln, Testen, Bestücken und Fixieren der Ringkernübertrager erfordert in der Regel auch manuelle Arbeitsschritte und erhöht so gegenüber einer vollautomatischen Fertigung die Herstellungskosten. Bei Anwendungen im Laserbereich kann zudem das Ausgasen der organischen Vergussmasse zu Ablagerungen auf benachbarten optischen Komponenten und so zu deren Zerstörung führen.
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Die
EP 0 507 360 A2 befasst sich mit der elektromagnetischen Datenübertragung zwischen Datenbussen und Subsystemen, insbesondere mit einem Buskoppler zur elektromagnetischen Ankopplung von Subsystemen, und hat somit keinerlei Bezug zur Problematik der kaskadierten Hochspannungsschalter.
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Die
DE 10 2008 034 691 A1 betrifft einen keramischen Mehrlagenkörper und dessen Aufbau und Herstellungsweise. Ein derartiger keramischer Mehrlagenkörper soll bspw. zur Strom- und Spannungstransformation oder als Tiefpassfilter zum Einsatz kommen können. Es geht dabei in erster Linie um eine einfache Herstellung eines derartigen keramischen Mehrlagenkörpers.
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Die
DE 101 17 157 A1 betrifft einen Transformator mit Schaltnetzteil, der auf dem Resonanzwandlerprinzip mit Phasenschieber beruht. Ziel dieser Druckschrift ist es, ein Schaltnetzteil mit extrem geringer Verlustleistung, effektiver Energieübertragung und extrem kleinen Abmessungen bereitzustellen.
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Die
EP 1 211 701 A1 beschreibt den Aufbau eines Planarinduktors auf einer Leiterplatte. Mit dem vorgeschlagenen Aufbau soll eine hohe Leistung bei kleinen Abmessungen des Planarinduktors übertragbar sein. Es geht dabei um die Übertragung hoher Leistungen, wie sie für die Ansteuerung kaskadierter Hochleistungsschalter nicht erforderlich sind.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur potentialgetrennten Übertragung von Steuersignalen für einen kaskadierten Hochspannungsschalter anzugeben, die die obigen Probleme nicht aufweist und sich kostengünstig und bezüglich der elektrischen Eigenschaften reproduzierbar herstellen lässt.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung zur potentialgetrennten Übertragung der Steuersignale weist wenigstens eine mit einer Ansteuerschaltung für den Hochspannungsschalter verbindbare Primärwicklung und mehrere mit den Halbleiterschaltelementen des Hochspannungsschalters verbindbare Sekundärwicklungen auf, die mit der Primärwicklung magnetisch gekoppelt angeordnet sind. Die Primär- und die Sekundärwicklungen sind dabei als Leiterbahnen auf oder in einer oder mehreren Leiterplatten ausgebildet und werden vom Magnetfeld eines einzigen Magnetkerns durchsetzt, der an der oder den Leiterplatten angeordnet ist. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung handelt es sich somit um einen gemeinsamen Planarübertrager zur potentialgetrennten Ansteuerung aller oder zumindest einiger der Schaltelemente eines kaskadierten Hochspannungsschalters. Dieser Planarübertrager weist lediglich einen Magnetkern für alle auf oder in dem Planarübertrager angeordneten Wicklungen auf. Prinzipiell können auch mehrere dieser Planarübertrager für die Ansteuerung eines kaskadierten Hochspannungsschalters benutzt werden, wobei jeder der Planarübertrager dann jeweils eine Gruppe der Schaltelemente ansteuert.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung weist einen kompakten, kostengünstig automatisch montierbaren Aufbau mit nur wenigen Einzelkomponenten auf. Da alle Wicklungen vom selben Magnetfeld durchflutet werden, stimmen die Zeitverläufe aller Sekundärspannungen mit hoher Präzision überein und die Schaltvorgänge aller mit diesem Planarübertrager verbundenen Halbleiterschalter erfolgen mit hoher Synchronität.
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Da außerdem Leiterplatten zuverlässig ohne Lufteinschlüsse produziert werden können, sind Teilentladungen zwischen Wicklungen in unterschiedlichen Leiterplattenlagen konzeptbedingt ausgeschlossen. Entladungen zwischen Wicklungen in Außenlagen können durch eine Oberflächenversiegelung der Leiterplatten verhindert werden. Auch diese kann zuverlässig ohne Lufteinschlüsse aufgebracht werden.
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Sowohl für das häufig für Leiterplatten verwendete glasfaserverstärkte Leiterplattenmaterial FR4 als auch für keramische Substrate als Leiterplatten werden Durchbruchfeldstärken von über 30 kV/mm angegeben. Schon bei typischen Leiterplattenstärken zwischen 1 und 2 mm werden daher zuverlässig Isolationsspannungen von mehreren 10 kV erreicht.
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Die Primär- und die Sekundärwicklungen werden bei der vorgeschlagenen Vorrichtung vorzugsweise in unterschiedlichen Metallisierungslagen der Leiterplatten angeordnet. So können in einer einfachen Ausgestaltung für die Ansteuerung nur weniger Schaltelemente die Primärwicklung auf einer Seite und die Sekundärwicklungen auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte ausgebildet sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die eingesetzten Leiterplatten mehr als zwei Metallisierungslagen auf. Derartige Leiterplatten sind auch unter der Bezeichnung Multilayer-Leiterplatten bekannt. Die Primär- und Sekundärwicklungen werden dabei auf die einzelnen Metallisierungslagen verteilt, so dass auch Wicklungen in innenliegenden Metallisierungslagen, in der Regel Kupferschichten, ausgebildet sind. Durch Nutzung derartiger Multilayer-Leiterplatten lässt sich eine höhere Anzahl an Sekundärwicklungen auf bzw. in einer Leiterplatte realisieren.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Anzahl an Sekundärwicklungen besteht darin, mehrere Leiterplatten übereinander gestapelt anzuordnen. Auch in dieser Ausgestaltung kann es sich bei den Leiterplatten um Multilayer-Leiterplatten handeln. Alle Primär- und Sekundärwicklungen eines derartigen Stapels sind wiederum von dem Magnetfeld des gemeinsamen Magnetkerns durchsetzt.
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Vorzugsweise wird bei der vorgeschlagenen Vorrichtung ein für die Montage teilbarer Übertragermagnetkern genutzt, bspw. aus Ferritmaterial mit einer relativen Permeabilität von einigen 1000. Dieser bewirkt eine sehr enge magnetische Kopplung aller Wicklungen untereinander. Die Leiterplatten können hierzu auch geeignete Durchbrüche aufweisen, durch die die beiden Teile des Magnetkerns bei der Montage wieder miteinander verbunden werden.
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Sowohl bei der Ausführung mit nur einer Leiterplatte als auch bei der Verwendung mehrerer Leiterplatten können auch mehrere parallel geschaltete Primärwicklungen eingesetzt werden, um ohmsche Verluste zu reduzieren.
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Bei allen Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Vorrichtung sind die Primärwicklungen und die Sekundärwicklungen vorzugsweise konzentrisch angeordnet. Bei einer Aufteilung der Wicklungen auf mehrere Lagen einer Multilayer-Leiterplatte bzw. bei einem Stapel von Leiterplatten wird vorteilhaft eine Lagenanordnung mit minimalen Spannungsdifferenzen zwischen benachbarten Wicklungen gewählt.
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Ein besonderer Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht darin, dass sowohl die Ansteuerschaltung als auch der Hochspannungsschalter selbst auf der oder den Leiterplatten der Vorrichtung angeordnet sein können. Die einzelnen Komponenten der Ansteuerschaltung bzw. des Hochspannungsschalters können dabei bspw. in oberflächenmontierbarer (SMD)-Ausführung ausgebildet sein. Wird die Metallisierung der Leiterplattenrückseite oder einer anderen Leiterplattenlage als Rückleiter des Hochspannungsschalters genutzt, so ergibt sich dadurch ein sehr induktionsarmer Aufbau des Hochspannungskreises. Insgesamt wird mit einer derartigen Ausgestaltung ein sehr kompakter Aufbau der gesamten Anordnung aus Ansteuerschaltung, Übertragungsvorrichtung und Hochspannungsschalter erreicht.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung lässt sich bspw. für die Übertragung der Steuersignale an einen Hochspannungsschalter zur Ansteuerung eines elektrooptischen Modulators einsetzen, der wiederum als optischer Schalter in Laseranordnungen genutzt wird. Zur Vermeidung unerwünschter Zuleitungsinduktivitäten muss der Hochspannungsschalter in unmittelbarer Nähe des Modulators angeordnet werden. Daher wird für eine derartige Anwendung vorzugsweise ein ausgasungsarmer Aufbau der Anordnung gewählt, um eine Degradation der empfindlichen Laseroptiken zu vermeiden. Dies kann bspw. durch Verwendung von anorganischen Leiterplattenmaterialien, insbesondere keramischen Materialien wie bspw. Aluminiumoxid, in Verbindung mit Ferritkernen und entsprechend ausgewählten elektronischen Komponenten erreicht werden. Damit wird ein ausgasungsfreier Aufbau der Anordnung aus Ansteuerschaltung, Übertragungsvorrichtung und Hochspannungsschalter ermöglicht. Eine eventuell erforderliche Oberflächenversiegelung der Leiterplatten erfolgt dabei vorteilhaft durch eine Verglasung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorgeschlagene Vorrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild eines Hochspannungsschalters, der über eine Ansteuerschaltung und zwei Pulsübertrager gemäß dem Stand der Technik angesteuert wird;
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2 ein Beispiel für einen Aufbau der vorgeschlagenen Vorrichtung für die Ansteuerung zweier Schalttransistoren eines Hochspannungsschalters; und
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3 das zugehörige Schaltbild eines Hochspannungsschalters, der mit einer Ansteuerschaltung über den Pulsübertrager der 2 angesteuert wird.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Die bisher realisierte Ansteuerung der Halbleiter-Schaltelemente eines Hochspannungsschalters mit mehreren getrennten Pulsübertragern gemäß 1 wurde bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert. 2 zeigt ein Beispiel für eine Realisierung der vorgeschlagenen Vorrichtung in Draufsicht (oben) und in perspektivischer Darstellung (unten). Der vorgeschlagene Planarübertrager ist in diesem Beispiel für die Übertragung von Schaltpulsen zur Ansteuerung zweier Schalttransistoren eines kaskadierten Hochspannungsschalters ausgebildet. Hierzu weist der Planarübertrager zwei konzentrisch angeordnete Sekundärwicklungen S1, S2 auf, die auf einer Seite einer Leiterplatte 1 als Leiterbahnen ausgebildet sind. Die Primärwicklung liegt in diesem Beispiel auf der Unterseite der Leiterplatte 1, die zwei Sekundärwicklungen S1, S2 mit Ausnahme der Verbindungsbrücke B auf deren Oberseite. In der Figur sind auch die drei Ausbrüche A1, A2 und A3 für die Schenkel der Magnetkernhälften K1 und K2 zu erkennen, über die diese beiden Hälften K1, K2 des Magnetkerns verbunden werden. Der Magnetkern K1, K2 ist in der perspektivischen Darstellung der 2 zu erkennen. Sowohl die Primärwicklung P als auch die beiden Sekundärwicklungen S1, S2 werden vom Magnetfeld des gleichen Magnetkerns durchsetzt.
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Die Zuordnung der in der 2 erkennbaren Leiterbahnenden P-B, P-A, S2-B, S2-A, S1-B, S1-A zu den elektronischen Komponenten der Ansteuerschaltung bzw. des Hochspannungsschalters sind in dem zugehörigen Schaltbild der 3 zu erkennen. Die Ansteuerschaltung weist hierbei wie bereits bei der 1 den Schalttransistor TA auf, dessen Ausgang mit der Primärwicklung des Planarübertragers verbunden ist. Der Hochspannungsschalter wird durch die beiden Schalttransistoren T1 und T2 sowie den Widerstand R repräsentiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- A1, A2, A3
- Durchbrüche
- B
- Verbindungsbrücke
- K1, K2
- Magnetkernhälften
- P
- Primärwicklung
- S1, S2
- Sekundärwicklungen
- TR1, TR2
- Pulsübertrager (Stand der Technik)
- TR
- Pulsübertrager
- T1, T2
- Hochspannungstransistoren
- TA
- Ansteuertransistor
- R
- Widerstand
- UIN
- Ansteuerpuls
- UAUX
- Hilfsspannung
- UHV
- Hochspannung
- UOUT
- Ausgangspuls
