DE102015013931A1 - Feedback control module for modulating a high voltage - Google Patents

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Klaus F. Hoffmann
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Abstract

Steuermodul (1) zum Modulieren einer Hochspannung U0, umfassend einen Eingang (2) für ein Steuersignal (3) sowie mindestens ein Steuerelement (4), das im durch die Hochspannung U0 getriebenen Stromkreis (A-B) einen Widerstand bildet, dessen Betrag als Funktion einer Stellgröße (5) veränderlich ist, weiterhin umfassend eine Treiberschaltung (6) zur Bildung der Stellgröße (5) aus dem eingangsseitigen Steuersignal (3), wobei innerhalb des Steuermoduls (1) eine Rückkopplung (7, 7a–7h) der über dem Steuerelement (4) abfallenden Spannung U1 vorgesehen ist, die die Stellgröße (5) in Abhängigkeit dieser Spannung U1 ändert und wobei die Treiberschaltung mindestens eine stromgesteuerte Verstärkerstufe (19, 20, 21) für die Rückkopplung (7, 7a–7h) umfasst, und/oder wobei die Treiberschaltung (6) ihre Versorgungsspannung VCC aus der über dem Steuerelement (4) abfallenden Spannung U1 bezieht (8a, 8b) und der der Eingang (2) für das Steuersignal (3) ein optischer Eingang, der über eine direkte Sichtverbindung, und/oder über mindestens einen spekularen oder diffusen Reflektor (33), von einem zentralen Sender (30) beleuchtbar ist, oder ein Funkempfänger ist.Control module (1) for modulating a high voltage U0, comprising an input (2) for a control signal (3) and at least one control element (4) which forms a resistance in the current circuit (AB) driven by the high voltage U0, the magnitude of which as a function of Manipulated variable (5) is variable, further comprising a driver circuit (6) for forming the manipulated variable (5) from the input-side control signal (3), wherein within the control module (1) has a feedback (7, 7a-7h) of the above control ( 4) is provided which decreases the manipulated variable (5) as a function of this voltage U1 and wherein the driver circuit comprises at least one current-controlled amplifier stage (19, 20, 21) for the feedback (7, 7a-7h), and / or wherein the driver circuit (6) its supply voltage VCC from the above the control (4) falling voltage U1 relates (8a, 8b) and the input (2) for the control signal (3) an optical input, the üb he is a direct line of sight, and / or at least one specular or diffuse reflector (33), from a central transmitter (30) is illuminated, or is a radio receiver.

Description

Die Erfindung betrifft Steuermodule für Hochspannung, insbesondere für Anwendungen, in denen häufige Schaltvorgänge erforderlich sind.The invention relates to control modules for high voltage, in particular for applications in which frequent switching operations are required.

Stand der TechnikState of the art

Im Bereich der Energietechnik werden elektrische Hochspannungen in bestimmten Bereichen mit mechanischen Schaltern geschaltet. Diese Schalter umfassen Kontakte, die zum Einschalten aufeinander zu bewegt und zum Ausschalten voneinander weg bewegt werden. Bedingt durch Lichtbögen unterliegen die Kontakte einem Verschleiß. Daher ist ein derartiger Schalter nur für eine begrenzte Anzahl von Schalthandlungen verwendbar. Bedingt durch die mechanische Bewegung von Bauteilen und die hierbei maximal mögliche Beschleunigung ist auch die Geschwindigkeit des Schaltens deutlich limitiert.In the field of power engineering, electrical high voltages are switched in certain areas with mechanical switches. These switches include contacts that move toward each other for switching on and are moved away from each other for switch-off. Due to electric arcs, the contacts are subject to wear. Therefore, such a switch is usable only for a limited number of switching operations. Due to the mechanical movement of components and the maximum possible acceleration, the speed of shifting is also significantly limited.

Für Anwendungen, in denen häufigere Schalthandlungen in schneller Folge gewünscht sind, werden daher elektronische Schalter verwendet. Diese enthalten insbesondere Halbleiterbauelemente als Steuerelemente. Da die maximale Blockierspannung eines solchen Steuerelements häufig nicht für die zu schaltende Hochspannung ausreicht und Steuerelemente mit zunehmender maximaler Blockierspannung überproportional weniger verfügbar und teurer sind, ist in einem elektronischen Hochspannungsschalter je nach Anwendungsgebiet eine Vielzahl von Steuermodulen in Reihe geschaltet, die jeweils mindestens ein leistungselektronisches Halbleiterbauelement als Steuerelement enthalten.For applications in which more frequent switching operations are desired in rapid succession, therefore, electronic switches are used. These contain in particular semiconductor components as controls. Since the maximum blocking voltage of such a control is often not sufficient for the high voltage to be switched and controls with increasing maximum blocking voltage disproportionately less available and expensive, is in an electronic high voltage switch depending on the application, a plurality of control modules connected in series, each having at least one power electronic semiconductor device included as a control.

Nachteilig ist die aufwändige Schaltungstechnik für derartige Schalter. Jedes Steuermodul enthält eine Treiberschaltung zur Ansteuerung des im Steuermodul enthaltenen Steuerelements mit einer Stellgröße. All diese Treiberschaltungen müssen zum Einen mit elektrischer Energie und zum Anderen mit entsprechenden Steuersignalen zum Ein- und Ausschalten versorgt werden. Die Energieversorgung wird dadurch sehr anspruchsvoll, dass sich jedes Steuermodul auf einem anderen Potential befindet. Die Versorgungsspannung muss also für jedes Steuermodul über eine Potentialbarriere mit einer individuellen Höhe angehoben werden.A disadvantage is the complex circuit technology for such switches. Each control module contains a driver circuit for controlling the control element contained in the control module with a manipulated variable. All of these driver circuits must be supplied on the one hand with electrical energy and on the other with corresponding control signals for switching on and off. The power supply becomes very demanding in that each control module is at a different potential. The supply voltage must therefore be raised for each control module via a potential barrier with an individual height.

Weiterhin unterliegen sowohl die Schalteigenschaften der Steuerelemente als auch die Eigenschaften der Treiberschaltungen in den Steuermodulen fertigungsbedingt einer gewissen Montage- und Bauteilstreuung. Dies kann dazu führen, dass in einer Reihenschaltung aus einer Vielzahl von Steuermodulen auch bei gleichzeitiger Ansteuerung aller Steuermodule nicht alle in diesen Steuermodulen enthaltenen Steuerelemente gleichzeitig schalten. Dadurch können prinzipiell Betriebszustände auftreten, in denen über einem einzelnen Steuerelement eine höhere Spannung als dessen maximal zulässige Blockierspannung abfällt. Solche Betriebszustände können zur Zerstörung des Steuerelements und zum Versagen des ganzen Schalters führen und sind daher unbedingt zu vermeiden. Hierfür ist ein erheblicher zusätzlicher Aufwand erforderlich.Furthermore, both the switching properties of the controls and the properties of the driver circuits in the control modules due to production due to a certain assembly and component scattering. This can lead to the fact that in a series circuit of a plurality of control modules, not all controls contained in these control modules switch simultaneously, even with simultaneous control of all control modules. As a result, operating states may in principle occur in which a higher voltage than a maximum permissible blocking voltage drops across a single control element. Such operating conditions can lead to the destruction of the control element and the failure of the whole switch and are therefore essential to avoid. This requires a considerable additional effort.

Aufgabe und LösungTask and solution

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Steuermodul zur Verfügung zu stellen, das mit geringerem schaltungstechnischem Aufwand in einem Hochspannungsschalter aus vielen derartigen Steuermodulen integrierbar ist. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Steuerschaltung zum Modulieren einer Hochspannung zur Verfügung zu stellen, die mit geringerem schaltungstechnischem Aufwand realisierbar ist.It is an object of the invention to provide a control module that can be integrated with a lower circuit complexity in a high-voltage switch of many such control modules. It is a further object of the invention to provide a control circuit for modulating a high voltage, which can be realized with less circuit complexity.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Steuermodul gemäß Hauptanspruch und durch eine Steuerschaltung gemäß Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.These objects are achieved by a control module according to the main claim and by a control circuit according to the independent claim. Further advantageous embodiments will be apparent from the dependent claims.

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Steuermodul zum Modulieren einer Hochspannung U0 entwickelt. Dabei umfasst der Begriff des Modulierens neben dem Ein- und Ausschalten auch jede andere Änderung der Amplitude, und bei ein- oder mehrphasigen Wechselspannungen auch der Phase, der Hochspannung U0; dabei wird die Änderung von einem Steuersignal getrieben. Beispielsweise kann auch ein analoges oder digitales Signal auf eine Hochspannung U0 aufmoduliert werden, so dass dieses Signal in dem durch die Hochspannung U0 getriebenen Stromkreis transportiert werden kann.In the context of the invention, a control module for modulating a high voltage U 0 has been developed. In this case, the term of modulation in addition to the switching on and off also includes any other change in the amplitude, and in single- or multi-phase AC voltages and the phase, the high voltage U 0 ; The change is driven by a control signal. For example, an analog or digital signal can be modulated to a high voltage U 0 , so that this signal can be transported in the driven by the high voltage U 0 circuit.

Das Steuermodul weist einen Eingang für ein Steuersignal sowie mindestens ein Steuerelement auf. Dieses Steuerelement bildet im durch die Hochspannung U0 getriebenen Stromkreis einen Widerstand, dessen Betrag als Funktion einer Stellgröße veränderlich ist. Der Widerstand kann abhängig von der Stellgröße insbesondere so kleine Werte annehmen, dass er in dem Stromkreis als Durchgang anzusehen ist. Der Widerstand kann abhängig von der Stellgröße aber auch insbesondere so große Werte annehmen, dass er in dem Stromkreis als Unterbrechung anzusehen ist. Das Steuerelement umfasst vorteilhaft ein Halbleiterbauelement, welches vorteilhaft insbesondere ein Transistor, ein Thyristor, ein MOSFET oder ein IGBT sein kann. Die Stellgröße kann bei einem Transistor, einem MOSFET oder einem IGBT als Steuerelement beispielsweise eine an einer Steuerelektrode (Gate) vorgelegte Spannung sein. Bei einem Thyristor kann die Stellgröße beispielsweise ein Strom-Zündimpuls zum Einschalten sein. Transistoren, MOSFETs und IGBTs können in einem analogen Bereich, insbesondere in einem linearen Bereich, betrieben werden, während Thyristoren lediglich eingeschaltet werden können.The control module has an input for a control signal and at least one control element. This control forms in the driven by the high voltage U 0 circuit a resistance whose amount is variable as a function of a manipulated variable. Depending on the manipulated variable, the resistor can in particular assume values so small that it can be regarded as a passage in the circuit. Depending on the manipulated variable, however, the resistor can also assume such large values that it can be regarded as an interruption in the circuit. The control element advantageously comprises a semiconductor component, which can advantageously be in particular a transistor, a thyristor, a MOSFET or an IGBT. In the case of a transistor, a MOSFET or an IGBT as a control, the manipulated variable may, for example, be a voltage applied to a control electrode (gate) be. For example, in a thyristor, the manipulated variable may be a current firing pulse to turn on. Transistors, MOSFETs and IGBTs can be operated in an analog range, in particular in a linear range, while thyristors can only be switched on.

Das Steuermodul weist weiterhin eine Treiberschaltung auf, die aus dem eingangsseitigen Steuersignal die Stellgröße für das Steuerelement bildet.The control module further has a driver circuit which forms the manipulated variable for the control from the input-side control signal.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb des Steuermoduls eine Rückkopplung der über dem Steuerelement abfallenden Spannung U1 vorgesehen, die die Stellgröße in Abhängigkeit dieser Spannung U1 ändert. Dabei umfasst die Treiberschaltung in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mindestens eine stromgesteuerte Verstärkerstufe für die Rückkopplung. Unter einer Rückkopplung ist allgemein zu verstehen, dass die über dem Steuerelement abfallende Spannung U1 oder eine hieraus abgeleitete Größe in die Bildung der Stellgröße eingeht oder dass in Abhängigkeit dieser Spannung U1 Vorgänge ausgelöst werden, die ihrerseits die am Steuerelement vorgelegte Stellgröße beeinflussen.In a first advantageous embodiment of the invention, a feedback of the voltage drop across the control U 1 is provided within the control module, which changes the manipulated variable as a function of this voltage U 1 . In a particularly advantageous embodiment of the invention, the driver circuit comprises at least one current-controlled amplifier stage for the feedback. A feedback generally means that the voltage U 1 dropping across the control element or a variable derived therefrom is included in the formation of the manipulated variable or that events are triggered as a function of this voltage U 1 , which in turn influence the control variable presented at the control element.

Alternativ oder insbesondere auch in Kombination hierzu bezieht das Steuermodul seine Versorgungsspannung VCC aus der über dem Steuerelement abfallenden Spannung U1. Dann können insbesondere die Treiberschaltung, und/oder alle für die Berücksichtigung der Rückkopplung erforderlichen Schaltungskomponenten, aus dieser Versorgungsspannung VCC gespeist werden. Dabei ist in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Eingang für das Steuersignal ein optischer Eingang, der über eine direkte Sichtverbindung, und/oder über mindestens einen spekularen oder diffusen Reflektor, von einem zentralen Sender beleuchtbar ist.Alternatively or in particular also in combination with this, the control module draws its supply voltage V CC from the voltage U 1 dropping across the control element. Then, in particular, the driver circuit, and / or all required for the consideration of the feedback circuit components, from this supply voltage V CC are fed. In this case, in a particularly advantageous embodiment of the invention, the input for the control signal is an optical input, which can be illuminated via a direct line of sight, and / or at least one specular or diffuse reflector from a central transmitter.

Beiden Maßnahmen liegt die gemeinsame Idee zu Grunde, dass die Treiberschaltung nicht mehr nur einpolig mit dem Potential des durch die Hochspannung U0 getriebenen Stromkreises auf einer Seite des Steuerelements verbunden ist zwecks Herstellung eines Bezugspunktes für das Potential in dieser Treiberschaltung. Stattdessen ist die Treiberschaltung, zumindest aber ihre Spannungsversorgung, mit den Potentialen in diesem Stromkreis zu beiden Seiten des Steuerelements verbunden. Dies hat die doppelte Wirkung, dass die Differenz zwischen beiden Potentialen, also die über dem Steuerelement abfallende Spannung U1, zum Einen erstmals durch das Steuermodul selbst überwacht und zum Anderen als Energiequelle für das Steuermodul genutzt werden kann. Die Erfindung bezieht sich also ganz allgemein auf ein Steuermodul zum Modulieren einer Hochspannung U0, umfassend einen Eingang für ein Steuersignal sowie mindestens ein Steuerelement, das im durch die Hochspannung U0 getriebenen Stromkreis einen Widerstand bildet, dessen Betrag als Funktion einer Stellgröße veränderlich ist, weiterhin umfassend eine Treiberschaltung zur Bildung der Stellgröße aus dem eingangsseitigen Steuersignal, wobei die über dem Steuerelement abfallende Spannung U1 in die Treiberschaltung geführt ist und/oder die Treiberschaltung mit elektrischer Energie speist. Bei den meisten herkömmlichen Steuermodulen lag hingegen die über dem Steuerelement abfallende Spannung U1 ausschließlich über diesem Steuerelement an. Sowohl die Treiberschaltung als auch ihre Spannungsversorgung waren von dieser hohen Spannung U1 strikt getrennt; in diesen Bereichen war jeweils die Versorgungsspannung VCC für die Treiberschaltung die höchste auftretende Potentialdifferenz.Both measures are based on the common idea that the driver circuit is no longer connected to the potential of the circuit driven by the high voltage U 0 on one side of the control element in order to establish a reference point for the potential in this driver circuit. Instead, the driver circuit, or at least its power supply, is connected to the potentials in that circuit on either side of the control. This has the double effect that the difference between the two potentials, that is, the voltage U 1 dropping across the control element, can firstly be monitored by the control module itself and used as an energy source for the control module. The invention thus relates generally to a control module for modulating a high voltage U 0 , comprising an input for a control signal and at least one control element which forms a resistance in the circuit driven by the high voltage U 0 whose magnitude is variable as a function of a manipulated variable. Furthermore comprising a driver circuit for forming the manipulated variable from the input-side control signal, wherein the voltage U 1 dropping across the control element is led into the driver circuit and / or supplies the driver circuit with electrical energy. In contrast, in most conventional control modules, the voltage U 1 dropping across the control was applied exclusively via this control. Both the driver circuit and its power supply were strictly separated from this high voltage U 1 ; In each of these areas, the supply voltage V CC for the driver circuit was the highest occurring potential difference.

Es wurde erkannt, dass die Rückkopplung die Betriebssicherheit des Steuermoduls wesentlich verbessert. Das in dem Steuermodul enthaltene Steuerelement befindet sich in dem durch die Hochspannung U0 getriebenen Stromkreis in vielen Anwendungen in einer Reihenschaltung mit anderen Bauelementen und bildet insofern einen Teil eines Spannungsteilers, über dem in der Summe die gesamte Hochspannung U0 abfällt. Dabei können die Widerstände dieser anderen Bauelemente ebenfalls veränderlich sein. Es können dann Betriebszustände eintreten, in denen in der Reihenschaltung über dem Steuerelement eine Spannung U1 abfällt, die die für dieses Steuerelement maximal zulässige Blockierspannung übersteigt. Das Steuerelement kann dann spontan durchbrechen und zerstört werden.It has been recognized that the feedback significantly improves the reliability of the control module. The control element contained in the control module is located in the circuit driven by the high voltage U 0 in many applications in a series circuit with other components and thus forms part of a voltage divider, on the sum of all the high voltage U 0 drops. The resistances of these other components may also be variable. Operating states can then occur in which a voltage U 1 which exceeds the maximum permissible blocking voltage for this control element drops in the series connection via the control element. The control can then spontaneously break through and be destroyed.

Derartige Betriebszustände können beispielsweise in einer Steuerschaltung auftreten, in denen eine Reihenschaltung aus mindestens zwei Steuermodulen, bevorzugt aus zwischen 50 und 100 Steuermodulen und ganz besonders bevorzugt aus zwischen 70 und 90 Steuermodulen, in den durch die Hochspannung U0 getriebenen Stromkreis geschaltet ist. Solche Steuerschaltungen sind, wie auch jedes einzelne Steuermodul, insbesondere als schnelle, verschleißfreie Schalter für die Hochspannung U0 verwendbar. Der Preis von Steuerelementen nimmt mit zunehmender maximaler Blockierspannung deutlich überproportional zu, während gleichzeitig die Verfügbarkeit solcher Steuerelemente am Markt abnimmt. Oberhalb einer maximalen Blockierspannung von etwa 1.200 V werden Steuerelemente häufig nur von einigen wenigen Herstellern oder gar nur von einem einzigen Hersteller angeboten. Ein solches Steuerelement durch eine Reihenschaltung von Steuerelementen mit jeweils deutlich geringerer Spannungsfestigkeit zu ersetzen, vereinfacht und verbilligt die Herstellung der Steuerschaltung enorm, da die weniger spannungsfesten Steuerelemente von vielen Herstellern in großen Stückzahlen verkauft werden. Diese Vereinfachung und Verbilligung ist jedoch nur im Tausch gegen die harte Randbedingung zu haben, dass die über jedem einzelnen Steuerelement abfallende Spannung U1 zu keinem Zeitpunkt dessen maximale Blockierspannung überschreitet.Such operating conditions can occur, for example, in a control circuit in which a series circuit of at least two control modules, preferably from between 50 and 100 control modules and most preferably from between 70 and 90 control modules, is connected in the driven by the high voltage U 0 circuit. Such control circuits are, as well as each individual control module, in particular as a fast, wear-free switch for the high voltage U 0 used. The price of controls increases disproportionately with increasing maximum blocking voltage, while at the same time the availability of such controls on the market decreases. Above a maximum blocking voltage of about 1200 V, controls are often only offered by a few manufacturers or even by a single manufacturer. To replace such a control by a series circuit of controls, each with a significantly lower dielectric strength, simplifies and lowers the production of the control circuit enormously, since the less voltage-resistant controls from many manufacturers in large quantities sold. This simplification and cost reduction is, however, only in exchange for the hard constraint that the voltage drop across each individual control voltage U 1 exceeds at any time the maximum blocking voltage.

Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Rückkopplung steht nun ein Instrument zur Verfügung, das die Einhaltung dieser Randbedingung sicher gewährleisten kann.With the feedback provided according to the invention, an instrument is now available which can reliably ensure compliance with this boundary condition.

Dazu kann die Rückkopplung insbesondere dazu ausgebildet sein, die über dem Steuerelement abfallende Spannung U1 unter einem Grenzwert zu halten, und/oder von einem Wert oberhalb dieses Grenzwerts auf oder unter diesen Grenzwert zurückzuführen. Steigt die über dem Steuerelement abfallende Spannung U1 zu stark an, bewirkt die Änderung der Stellgröße durch die Rückkopplung, dass der Widerstand des Steuerelements vermindert wird. Dadurch verringert sich unmittelbar die über dem Steuerelement abfallende Spannung U1.For this purpose, the feedback can be designed, in particular, to keep the voltage U 1 dropping above the control element below a limit value, and / or to bring it back below or below this limit value from a value above this limit value. If the voltage U 1 dropping across the control element increases too much, the change in the manipulated variable due to the feedback causes the resistance of the control element to be reduced. This immediately reduces the voltage U 1 dropping across the control element.

Dabei sorgt die mindestens eine stromgesteuerte Verstärkerstufe zum Einen dafür, dass die Treiberschaltung besonders energiesparend arbeitet. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Treiberschaltung ihre Versorgungsspannung VCC aus der über dem Steuerelement abfallenden Spannung U1 bezieht. Die Spannung U1 kann je nach Schaltzustand des Steuerelements sehr stark schwanken. Blockiert das Steuerelement vollständig, kann über ihm eine Spannung der Größenordnung 1000 V abfallen; ist es hingegen vollständig durchgeschaltet, fällt über ihm nur eine sehr geringe Spannung von einigen Volt ab. Die Erfindung stellt eine Spannungsversorgung bereit, die aus einem sehr großen Eingangsspannungsbereich, beispielsweise 100 V bis 1000 V, eine gleichbleibende Versorgungsspannung VCC erzeugen kann. Der große Eingangsspannungsbereich wird auf Kosten des Wirkungsgrades realisiert. Der geringe Energieverbrauch der Treiberschaltung sorgt dafür, dass dies per saldo kein Nachteil ist.The at least one current-controlled amplifier stage on the one hand ensures that the driver circuit operates in a particularly energy-saving manner. This is particularly advantageous when the driver circuit relates its supply voltage V CC from the voltage U 1 dropping across the control element. The voltage U 1 can vary greatly depending on the switching state of the control. If the control completely blocks, a voltage of the order of 1000 V can drop over it; if, on the other hand, it is completely turned on, only a very low voltage of a few volts drops above it. The invention provides a power supply which can generate a constant supply voltage V CC from a very large input voltage range, for example 100V to 1000V. The large input voltage range is realized at the expense of efficiency. The low power consumption of the driver circuit ensures that, on balance, this is not a disadvantage.

Zum Anderen ist eine stromgesteuerte Verstärkerstufe vergleichsweise unempfindlich gegenüber Störungen, die meistens in Form von Spannungen eingekoppelt werden. Die elektromagnetische Verträglichkeit der Treiberschaltung ist also vorteilhaft verbessert.On the other hand, a current-controlled amplifier stage is relatively insensitive to disturbances, which are usually coupled in the form of voltages. The electromagnetic compatibility of the driver circuit is thus advantageously improved.

Ist beispielsweise ein Schalter als Reihenschaltung aus mehreren Steuermodulen realisiert und wird versucht, den Schalter zu schließen (= einzuschalten), kann der Fall eintreten, dass einige Steuermodule schneller auf Durchgang schalten als die restlichen. Die über dem Schalter insgesamt abfallende Spannung U0 verteilt sich dann nur noch auf diejenigen Steuermodule, die noch im nicht durchgängigen Zustand (= ausgeschaltet) sind sowie bei einem auftretenden Stromfluss anteilmäßig auf den resultierenden Kreisinnenwiderstand des Hochspannungskreises, so dass die ausgeschalteten Steuerelemente in diesen Steuermodulen mit einer deutlich höheren Spannung U1 belastet werden. Die erfindungsgemäße Rückkopplung sorgt dafür, dass diese Steuerelemente automatisch zumindest in einem Maße durchgängig geschaltet werden, dass sie nicht zerstört werden, was wiederum mit einem entsprechenden Stromfluss verbunden istFor example, if a switch is implemented as a series circuit of several control modules and an attempt is made to close the switch (= turn on), it may happen that some control modules switch faster than the remaining ones. The total drop across the switch voltage U 0 is then distributed only to those control modules that are still in the non-continuous state (= off) and a current flow proportional to the resulting internal resistance of the high-voltage circuit, so that the disabled controls in these control modules be loaded with a significantly higher voltage U 1 . The feedback according to the invention ensures that these controls are automatically switched at least to a degree that they are not destroyed, which in turn is associated with a corresponding current flow

Umgekehrt kann beim Öffnen (= Ausschalten) des Schalters der Fall eintreten, dass einige Steuermodule den übrigen vorauseilen, so dass die gesamte über dem Schalter abfallende Spannung U0 sich nur auf die Steuerelemente in den vorauseilenden Steuermodulen verteilt respektive bei einem auftretenden Stromfluss anteilmäßig auf den Kreisinnenwiderstand des Hochspannungskreises. In diesem Fall sorgt die erfindungsgemäße Rückkopplung dafür, dass die vorauseilenden Steuermodule wieder entsprechend durchgängig geschaltet werden. Das Öffnen des Schalters wird also effektiv abgebrochen.Conversely, when opening (= switching off) of the switch, the case may occur that some control modules lead the way, so that the entire voltage U 0 dropping across the switch is distributed only to the control elements in the leading control modules, respectively proportionately to the current flow Circular internal resistance of the high-voltage circuit. In this case, the feedback according to the invention ensures that the leading control modules are again switched correspondingly continuously. The opening of the switch is thus effectively canceled.

Nach dem bisherigen Stand der Technik gab es nur zwei Möglichkeiten, zu verhindern, dass eine unzulässig hohe Spannung U1 über dem Steuerelement des Steuermoduls abfällt.According to the prior art, there were only two ways to prevent an unacceptably high voltage U 1 from dropping across the control element of the control module.

Die erste Möglichkeit bestand darin, ein Beschaltungsnetzwerk aus Widerständen, Kondensatoren sowie optional auch Dioden und weiteren Halbleiterbauelementen parallel zum Steuerelement zu schalten. Dieses im Englischen als „snubber” bezeichnete Beschaltungsnetzwerk war so dimensioniert, dass es bezüglich parasitärer Eigenschaften, die für die über der Parallelschaltung abfallende Spannung U1 maßgeblich waren, dominierend war. Der Grundgedanke war, dass insbesondere Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten als rein passive Bauelemente in ihren Eigenschaften deutlich weniger stark streuen als Steuerelemente, insbesondere Halbleiterbauelemente. Hatten in einer Reihenschaltung einer Vielzahl von Steuermodulen die Steuerelemente beispielsweise leicht unterschiedliche Leckströme, so wurde dies durch die Parallelschaltung mit einem passiven Beschaltungsnetzwerk, dessen Leckstrom beispielsweise um eine Größenordnung höher war, gleichsam maskiert. Ähnlich wurde verfahren, um etwa Unterschiede in den parasitären Kapazitäten der Steuerelemente zu maskieren.The first possibility was to connect a wiring network consisting of resistors, capacitors as well as optionally also diodes and other semiconductor components parallel to the control element. This snubber circuit was dimensioned to dominate parasitic properties that were critical for the voltage U 1 across the parallel circuit. The basic idea was that in particular resistors, capacitors and inductors as purely passive components significantly less scatter in their properties than controls, in particular semiconductor components. For example, if the control elements had slightly different leakage currents in a series connection of a multiplicity of control modules, this was masked as it were by the parallel connection with a passive wiring network whose leakage current was, for example, one order of magnitude higher. Similar procedures have been followed to mask, for example, differences in the parasitic capacitances of the controls.

Der wesentliche Nachteil einer Parallelschaltung des Steuerelements mit einem Beschaltungsnetzwerk ist, dass dieses Beschaltungsnetzwerk ständig Teil des durch die Hochspannung getriebenen Stromkreises ist. Ist das Steuermodul beispielsweise als Hochspannungsschalter ausgebildet und befindet es sich im geöffneten (= ausgeschalteten) Zustand, in dem es einen Stromfluss eigentlich blockieren sollte, so ist das Beschaltungsnetzwerk für den Ruhestrombedarf, und damit für die Verlustleistung, des Steuermoduls maßgeblich. Dadurch wird unnötige Wärme produziert und der Gesamtwirkungsgrad des Systems verschlechtert.The main disadvantage of a parallel connection of the control with a Beschaltungsnetzwerk is that this Beschaltungsnetzwerk is constantly part of the driven by the high voltage circuit. Is the control module For example, designed as a high voltage switch and it is in the open (= off) state in which it should actually block a current flow, so the Beschaltungsnetzwerk for the quiescent power requirements, and thus for the power loss of the control module is relevant. This produces unnecessary heat and degrades the overall efficiency of the system.

Weiterhin ist insbesondere ein Beschaltungsnetzwerk, das Dioden oder weitere Halbleiterbauelemente enthält, sehr aufwändig, da es nach dem zuvor Gesagten darauf ankommt, dass die Eigenschaften der eingesetzten Bauelemente nicht zu stark streuen. Es rentiert sich in der Regel nur bei höheren und höchsten Leistungen oder besonders harten Anforderungen, ein Beschaltungsnetzwerk mit Dioden oder anderen Halbleiterbauelementen zu realisieren.Furthermore, in particular, a wiring network, which contains diodes or other semiconductor devices, very expensive, since it depends on the foregoing, the fact that the properties of the components used do not scatter too much. As a rule, it only pays off for higher and highest performances or particularly hard requirements to realize a wiring network with diodes or other semiconductor components.

Die erfindungsgemäße Rückkopplung ersetzt das Beschaltungsnetzwerk und überwindet die damit verbundenen Nachteile.The feedback invention replaces the wiring network and overcomes the associated disadvantages.

Die zweite Möglichkeit war, die über dem Steuerelement abfallende Spannung U1 durch eine externe Instanz zu überwachen und auf eine zu hohe Spannung U1 mit einer Änderung des dem Steuermodul zugeführten Steuersignals zu reagieren. So wurde beispielsweise in einer als Hochspannungsschalter dienenden Reihenschaltung von Steuermodulen die über jedem einzelnen Steuerelement abfallende Spannung U1 zentral gemessen. Stellte sich bei dieser Messung beispielsweise heraus, dass bei gleichzeitiger Ansteuerung aller Steuermodule ein Steuerelement in einem dieser Steuermodule verfrüht oder verspätet schaltet, wurde das Timing des Steuersignals für das betreffende Steuermodul entsprechend angepasst. Da die Einrichtung für diese Art der Koordination mit allen in der Reihenschaltung vorkommenden Potentialen arbeiten musste, war der schaltungstechnische Aufwand beträchtlich. Die erfindungsgemäße Rückkopplung findet innerhalb eines einzelnen Steuermoduls statt und arbeitet nur mit den Potentialen, zwischen die dieses eine Steuermodul geschaltet ist. In einer Reihenschaltung ist jedes einzelne Steuermodul autark; es muss keine Infrastruktur für eine Kommunikation zwischen verschiedenen Steuermodulen, oder für eine Rückmeldung der einzelnen Steuermodule an eine Zentrale, aufgebaut werden.The second option was to monitor the voltage U 1 dropping across the control element by an external instance and to react to an excessively high voltage U 1 with a change in the control signal supplied to the control module. Thus, the voltage drop across each control voltage U 1 was, for example, centrally measured in a serving as a high-voltage switch series circuit of control modules. For example, if this measurement showed that a control element in one of these control modules switches prematurely or delayed when all the control modules are activated simultaneously, the timing of the control signal for the relevant control module has been adjusted accordingly. Since the device had to work for this type of coordination with all potentials occurring in the series connection, the circuit complexity was considerable. The feedback according to the invention takes place within a single control module and only operates with the potentials between which this control module is connected. In a series circuit, each individual control module is self-sufficient; no infrastructure for communication between different control modules, or for a feedback of the individual control modules to a central office, must be established.

Besonders vorteilhaft ist das Steuerelement dazu ausgebildet, bei einer betragsmäßigen Erhöhung der Stellgröße seinen Widerstand zu vermindern, also durchgängiger zu werden. Es kann dann besonders einfach eine ODER-Verknüpfung dergestalt realisiert werden, dass das Steuerelement dann durchgängig ist, wenn ein diesbezügliches Steuersignal anliegt, jedenfalls aber dann, wenn es zur Verminderung der über dem Steuerelement abfallenden Spannung U1 zwingend notwendig ist.Particularly advantageously, the control is designed to reduce its resistance at a magnitude increase in the manipulated variable, that is, to become more continuous. It is then particularly easy to realize an OR operation in such a way that the control is then continuous when a relevant control signal is applied, but in any case when it is absolutely necessary for reducing the voltage U 1 dropping across the control.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Rückkopplung innerhalb der Treiberschaltung einem Signal, aus dem die Stellgröße gebildet wird, überlagert. Dies erfordert nur eine zusätzliche additive Einspeisung der Rückkopplung an einem Punkt in der ansonsten unveränderten Treiberschaltung.In an advantageous embodiment of the invention, the feedback within the driver circuit is a signal from which the manipulated variable is formed, superimposed. This only requires an additional additive injection of the feedback at one point in the otherwise unchanged driver circuit.

Wenn die Treiberschaltung ausgangsseitig eine Spannung als Stellgröße liefert, hängt es vom Widerstand zwischen diesem Ausgang und Masse ab, wieviel Strom zum Erhöhen dieser Stellgröße auf einen neuen Sollwert durch die Rückkopplung und zum Halten dieses neuen Sollwerts erforderlich ist. Dieser Strombedarf kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vermindert werden, indem die Rückkopplung dazu ausgebildet ist, den Ausgang der Treiberschaltung gegen Masse hochohmig zu schalten. Insbesondere wenn das Steuerelement ein Halbleiterbauelement ist, dessen Widerstand durch die Beaufschlagung einer Steuerelektrode (Gate) mit einer Ladung gesteuert wird, kann diese Ladung nach dem Verbringen auf die Steuerelektrode dort durch den hochohmigen Widerstand gegen Masse gehalten werden.When the driver circuit supplies a voltage on the output side as a manipulated variable, it depends on the resistance between this output and ground, how much current is required to increase this manipulated variable to a new setpoint by the feedback and hold this new setpoint. This power requirement can be reduced in a particularly advantageous embodiment of the invention by the feedback is designed to switch the output of the driver circuit to ground high impedance. In particular, if the control element is a semiconductor device whose resistance is controlled by the application of a charge to a control electrode (gate), this charge can be held there by the high-resistance resistor to ground after being applied to the control electrode.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Rückkopplung am Eingang der Treiberschaltung dem Steuersignal überlagert, und/oder die Rückkopplung unterdrückt dieses Steuersignal. Unter einer Unterdrückung ist zu verstehen, dass die Rückkopplung die Treiberschaltung daran hindert, auf Änderungen des Steuersignals zu reagieren. Die direkte Einflussnahme auf das Steuersignal, bzw. auf seine weitere Verarbeitung, hat zur Folge, dass die Rückkopplung mit dem kompletten Verstärkungsfaktor durchgreift, mit dem auch das Steuersignal von der Treiberschaltung verarbeitet wird.In a further advantageous embodiment of the invention, the feedback at the input of the driver circuit is superimposed on the control signal, and / or the feedback suppresses this control signal. Under a suppression is to be understood that the feedback prevents the driver circuit from responding to changes in the control signal. The direct influence on the control signal, or on its further processing, has the consequence that the feedback with the complete amplification factor passes through, with which the control signal is processed by the driver circuit.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ändert die Rückkopplung die Stellgröße nur dann, wenn die über dem Steuerelement abfallende Spannung U1 einen vorgegebenen Schwellwert erreicht oder überschreitet. Dieser Schwellwert kann insbesondere niedriger liegen als die maximale Blockierspannung des Steuerelements. Beispielsweise kann der Schwellwert zwischen 70% und 95%, bevorzugt zwischen 75% und 90%, der maximalen Blockierspannung des Steuerelements liegen. Sollte eine abnorm hohe Spannung U1 über dem Steuerelement abfallen, kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass Gegenmaßnahmen rechtzeitig greifen und die maximale Blockierspannung, bzw. die Zerstörschwelle, des Steuerelements nicht erreicht wird.In a further advantageous embodiment of the invention, the feedback changes the manipulated variable only when the voltage drop across the control U 1 reaches or exceeds a predetermined threshold. In particular, this threshold value may be lower than the maximum blocking voltage of the control element. For example, the threshold may be between 70% and 95%, preferably between 75% and 90%, of the maximum blocking voltage of the control. Should an abnormally high voltage U 1 drop across the control, it can be ensured in this way that countermeasures take effect in good time and the maximum blocking voltage or the damage threshold of the control element is not reached.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Rückkopplung als Regelschleife für die über dem Steuerelement abfallende Spannung U1 ausgebildet, wobei der Sollwert dieser Regelschleife durch das eingangsseitige Steuersignal veränderbar ist. Die Rückkopplung greift dann nicht in eine bestehende Bildung einer Stellgröße aus dem Steuersignal ein. Stattdessen sind die Bildung der Stellgröße und die Berücksichtigung der Rückkopplung in einem Prozess, bzw. in einer Schaltung, vereint. Wenn das Steuermodul beispielsweise als Schalter für Hochspannung fungiert, kann zum Schließen (= Einschalten) des Schalters der Sollwert für die über dem Steuerelement abfallende Spannung U1 auf oder nahe Null gesetzt werden. Es wird dann eine solche Stellgröße ausgegeben, die das Steuerelement durchgängig schaltet. Zum Öffnen (= Ausschalten) des Schalters kann der Sollwert auf die für das Steuerelement vorgesehene zulässige Blockierspannung gesetzt werden. Es wird dann eine solche Stellgröße ausgegeben, die das Steuerelement sehr hochohmig schaltet.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the feedback is as Control loop for the voltage drop across the control U 1 formed, wherein the desired value of this control loop is variable by the input-side control signal. The feedback then does not intervene in an existing formation of a manipulated variable from the control signal. Instead, the formation of the manipulated variable and the consideration of the feedback in a process, or in a circuit, are united. For example, if the control module acts as a high voltage switch, to close (= turn on) the switch, the setpoint for the voltage U 1 dropped across the control can be set to or near zero. It is then issued such a manipulated variable, which switches the control throughout. To open (= turn off) the switch, the setpoint can be set to the permissible blocking voltage provided for the control. It is then issued such a manipulated variable, which switches the control very high impedance.

Der Arbeitspunkt des Steuerelements ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung so dimensioniert, dass das Steuerelement zeitabschnittsweise im Linearbetrieb arbeitet und/oder durch die Rückkopplung in den Linearbetrieb überführbar ist. Die Rückkopplung kann dann insbesondere die Wirkung einer Proportionalregelung haben.The operating point of the control is dimensioned in a further advantageous embodiment of the invention so that the control works periodically in linear mode and / or can be converted by the feedback in the linear mode. The feedback can then in particular have the effect of a proportional control.

Wenn das Steuermodul seine Versorgungsspannung VCC aus der über dem Steuerelement abfallenden Spannung U1 bezieht, hat dies zur Folge, dass sich insbesondere eine als Hochspannungsschalter ausgebildete Steuerschaltung aus einer Reihenschaltung vieler Steuermodule wesentlich einfacher, kostengünstiger und kompakter herstellen lässt.When the control module receives its supply voltage V CC from the voltage U 1 dropping across the control element, this has the consequence that, in particular, a control circuit formed as a high-voltage switch can be made much simpler, less expensive and more compact from a series connection of many control modules.

Bei den meisten herkömmlichen Hochspannungsschaltern wurden alle Steuermodule in der Reihenschaltung zentral mit Energie versorgt. Da sich jedes Steuermodul auf einem anderen Potential befindet, musste die Versorgungsspannung VCC für jedes Steuermodul transformatorisch auf das jeweilige Potential angehoben werden. Das höchste dieser Potentiale entsprach dem Betrag der zu schaltenden Hochspannung U0 abzüglich der Blockierspannung eines einzelnen Steuerelements. Die notwendige Isolationsstrecke für diese Potentialdifferenz war bislang der begrenzende Faktor für die Skalierbarkeit elektronischer Hochspannungsschalter. Bei der erfindungsgemäßen dezentralen Versorgung der einzelnen Steuermodule aus der jeweils über dem Steuerelement abfallenden Spannung ist die über einem solchen Steuermodul abfallende Spannung U1 die höchste auftretende Potentialdifferenz. Diese Potentialdifferenz, und damit auch die notwendige Isolationsstrecke, sind prinzipiell unabhängig von der Anzahl der in Reihe geschalteten Steuermodule. Durch die dezentrale Versorgung der Steuermodule wird ein aus solchen Modulen zusammengesetzter Hochspannungsschalter also beliebig skalierbar. Insbesondere ist der Hochspannungsschalter auch nachträglich erweiterbar. Dies betrifft sowohl ein Aufrüsten auf höhere Spannungen als auch ein Aufrüsten auf eine höhere Stromtragfähigkeit durch eine Parallelschaltung einer zweiten identischen Reihe aus Steuermodulen. In den meisten Anwendungen machte es die zentrale Energieversorgung für alle Steuermodule erforderlich, bereits bei der Entwicklung, spätestens aber beim Bau des Hochspannungsschalters die maximal zulässige Spannung U0 und auch den maximal zulässigen Strom festzulegen.Most conventional high voltage switches have all the control modules in the series circuit centrally powered. Since each control module is at a different potential, the supply voltage V CC for each control module had to be boosted to the respective potential. The highest of these potentials corresponded to the amount of the high voltage U 0 to be switched minus the blocking voltage of a single control element. The necessary isolation distance for this potential difference has hitherto been the limiting factor for the scalability of electronic high-voltage switches. In the decentralized supply of the individual control modules according to the invention from the respective voltage drop across the control element, the voltage U 1 dropping across such a control module is the highest potential difference that occurs. This potential difference, and thus also the necessary isolation distance, are in principle independent of the number of control modules connected in series. Due to the decentralized supply of the control modules, a high-voltage switch composed of such modules is therefore scalable as desired. In particular, the high voltage switch is also expandable later. This applies both to upgrading to higher voltages and upgrading to a higher current carrying capacity by connecting a second identical series of control modules in parallel. In most applications, the central power supply for all control modules made it necessary to define the maximum permissible voltage U 0 and also the maximum permissible current already during development, but at the latest during the construction of the high-voltage switch.

Zur nachträglichen Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit trägt insbesondere auch bei, dass der Eingang für das Steuersignal ein optischer Eingang ist, der über eine direkte Sichtverbindung, und/oder über mindestens einen spekularen oder diffusen Reflektor, von einem Sender beleuchtbar ist. Der Sender kann insbesondere ein zentraler Sender sein, der mehrere oder alle Steuermodule in einer Steuerschaltung gleichzeitig beleuchtet. Optisch angesteuerte Steuermodule nach dem bisherigen Stand der Technik waren über eine faseroptische Leitung mit einer zentralen Steuereinheit verbunden. Die Verwendung eines optischen Ansteuersignals an Stelle eines elektrischen Ansteuersignals war also eine reine Potentialtrennung durch die isolierende optische Faser, die eine transformatorische Überwindung der Potentialbarriere ersetzte. Analog zur elektrischen Verkabelung für die Energieversorgung der Steuermodule brachte es aber auch die faseroptische Verkabelung für die Ansteuerung mit sich, dass die Anzahl der Steuermodule in einer Steuerschaltung spätestens beim Bau der Steuerschaltung festgelegt werden musste und im Nachhinein nicht mehr erweiterbar war.For subsequent scalability and expandability contributes in particular also that the input for the control signal is an optical input, which is illuminated by a transmitter via a direct line of sight, and / or at least one specular or diffuse reflector. In particular, the transmitter can be a central transmitter which simultaneously illuminates several or all control modules in a control circuit. Optically controlled control modules according to the prior art were connected via a fiber optic line to a central control unit. The use of an optical drive signal instead of an electrical drive signal was therefore a pure potential separation by the insulating optical fiber, which replaced a transformer overcoming the potential barrier. Analogous to the electrical wiring for the power supply of the control modules but it also brought the fiber optic cabling for the control with it, that the number of control modules in a control circuit had to be set at the latest when the control circuit was built and was no longer expandable in retrospect.

Das Steuerelement eines einzelnen Steuermoduls weist vorteilhaft eine maximale Blockierspannung zwischen 600 V und 1000 V, bevorzugt zwischen 700 V und 900 V, auf. In diesem Bereich liegt ein optimaler Kompromiss bezüglich des Preises eines einzelnen Steuerelements einerseits und der für technische Anwendungen erforderlichen Anzahl an Steuermodulen andererseits.The control of a single control module advantageously has a maximum blocking voltage between 600 V and 1000 V, preferably between 700 V and 900 V, on. In this area, there is an optimal trade-off in the price of a single control on the one hand and the number of control modules required for technical applications on the other hand.

Die Steuerschaltung umfasst vorteilhaft zwischen 50 und 100, bevorzugt zwischen 70 und 90, in Reihe geschaltete Steuermodule. Je mehr Steuermodule in Reihe geschaltet sind, desto höhere Spannungen können letztendlich geschaltet werden. Andererseits wird es mit steigender Zahl der Steuermodule auch anspruchsvoller, sie mit so engen Toleranzen zueinander zu fertigen und zu verbauen, dass sie möglichst alle zur selben Zeit geschaltet werden. Insbesondere sollte die Reihenschaltung keinen „Ausreißer” enthalten, der bei gleichzeitiger Ansteuerung aller Steuermodule deutlich vor oder deutlich nach allen anderen Steuermodulen schaltet. Bei solchen Betriebszuständen könnten einzelne Steuermodule, insbesondere die in ihnen enthaltenen Steuerelemente, mit übermäßig hohen Spannungen U1 beaufschlagt werden.The control circuit advantageously comprises between 50 and 100, preferably between 70 and 90, in series control modules. The more control modules connected in series, the higher the voltages that can ultimately be switched. On the other hand, as the number of control modules increases, so does it become more demanding to manufacture and install them with such close tolerances that they are all switched at the same time. In particular, the series circuit should not contain an "outlier" that switches significantly before or clearly after all other control modules with simultaneous control of all control modules. In such Operating states could be applied to individual control modules, in particular the controls contained in them, with excessively high voltages U 1 .

Vorteilhaft ist die Summe der maximalen Blockierspannungen aller Steuerelemente um zwischen 10% und 25%, bevorzugt um zwischen 15% und 20%, höher als die maximale über die Reihenschaltung abfallende Spannung U0. Auf diese Weise enthält die Steuerschaltung einen gewissen Grad an Redundanz und zugleich ein gewisses Maß an Toleranz gegenüber der Streuung in den Zeitpunkten, zu denen die gleichzeitig angesteuerten Steuermodule tatsächlich schalten.Advantageously, the sum of the maximum blocking voltages of all controls by between 10% and 25%, preferably by between 15% and 20%, higher than the maximum voltage across the series connection voltage U 0 . In this way, the control circuit includes some degree of redundancy and, at the same time, some degree of tolerance to the variance in the times at which the simultaneously driven control modules actually switch.

Vorteilhaft sind mindestens ein Tiefsetzsteller, und/oder mindestens ein regelbarer Vorwiderstand, zur Umwandlung der über dem Steuerelement abfallenden Spannung U1 in die Versorgungsspannung des Steuermoduls vorgesehen. Mit diesen Elementen ist es möglich, aus einem besonders großen Eingangsspannungsbereich, beispielsweise zwischen 100 V und 1000 V, eine gleichbleibende Versorgungsspannung VCC in der Größenordnung 10 V bis 25 V zu erzeugen. Die Erfinder haben in ihren Versuchen besonders gute Erfahrungen mit einer Versorgungsspannung von 22 V gemacht. Der optimale Wert für die Versorgungsspannung hängt in hohem Maße von den Eigenschaften des für die konkrete Anwendung gewählten Steuerelements, beispielsweise eines als Steuerelement eingesetzten Leistungshalbleiters, ab.Advantageously, at least one step-down converter, and / or at least one controllable series resistor, are provided for converting the voltage U 1 across the control element into the supply voltage of the control module. With these elements, it is possible to generate a constant supply voltage V CC of the order of 10 V to 25 V from a particularly large input voltage range, for example between 100 V and 1000 V. The inventors have made particularly good experiences with a supply voltage of 22 V in their experiments. The optimum value for the supply voltage depends to a great extent on the properties of the control selected for the specific application, for example a power semiconductor used as a control.

Insbesondere kann der regelbare Vorwiderstand gemeinsam mit den auf dem Steuermodul zu versorgenden Schaltungskomponenten, beispielsweise mit der Treiberschaltung und/oder den für die Berücksichtigung der Rückkopplung erforderlichen Komponenten, einen Spannungsteiler bilden. Der nutzbare Eingangsspannungsbereich ist dann besonders groß.In particular, the controllable series resistor can form a voltage divider together with the circuit components to be supplied on the control module, for example with the driver circuit and / or the components required for the consideration of the feedback. The usable input voltage range is then particularly large.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der regelbare Vorwiderstand ein Transistor, wobei die Basis dieses Transistors auf einer vorgegebenen Spannung VS stabilisiert ist und/oder wobei ein Strom IB von der Basis dieses Transistors zu einem Massepotential auf einem vorgegebenen Wert IS stabilisiert ist. Dieser Transistor kann insbesondere ein Bipolartransistor sein. Der Transistor kann beispielsweise ein NPN-Transistor sein, dessen Kollektor mit der hohen Seite der über dem Steuermodul abfallenden Potentialdifferenz U1 verbunden ist und dessen Emitter die Versorgungsspannung VCC bereitstellt. Diese Versorgungsspannung VCC ist auf die tiefe Seite der über dem Steuermodul abfallenden Potentialdifferenz U1 bezogen, wobei diese tiefe Seite zugleich das Massepotential dieses Steuermoduls bildet.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the controllable series resistor is a transistor, wherein the base of this transistor is stabilized at a predetermined voltage V S and / or wherein a current I B from the base of this transistor to a ground potential at a predetermined value I S stabilized is. This transistor may in particular be a bipolar transistor. The transistor may be, for example, an NPN transistor whose collector is connected to the high side of the sloping above the control module potential difference U 1 and the emitter of the power supply voltage V CC to provide. This supply voltage V CC is based on the low side of the drop across the control module potential difference U 1 , said deep side also forms the ground potential of this control module.

Der NPN-Transistor enthält in seiner Darstellung als Ersatzschaltbild mit Dioden eine erste, in Sperrrichtung gepolte, Diode zwischen Kollektor und Basis sowie eine zweite, in Durchlassrichtung gepolte, Diode zwischen Basis und Emitter. Die über dem NPN-Transistor abfallende Spannung ist im Wesentlichen die Spannung, die über der Diode zwischen Kollektor und Basis abfällt. Die Potentialdifferenz zwischen der Basis des Transistors und dem Massepotential entspricht also im Wesentlichen der Versorgungsspannung VCC. Die Stabilisierung der Basis des Transistors bewirkt also unmittelbar, dass die Leitfähigkeit der Diode zwischen Kollektor und Basis bei Schwankungen der Eingangsspannung U1 derart nachgeführt wird, dass die Versorgungsspannung VCC im Wesentlichen konstant bleibt.The NPN transistor contains in its representation as an equivalent circuit diagram with diodes a first reverse-biased diode between the collector and base and a second, poled in the forward direction, diode between the base and emitter. The voltage drop across the NPN transistor is essentially the voltage that drops across the diode between collector and base. The potential difference between the base of the transistor and the ground potential thus essentially corresponds to the supply voltage V CC . The stabilization of the base of the transistor thus causes directly that the conductivity of the diode between collector and base is tracked in case of fluctuations in the input voltage U 1 such that the supply voltage V CC remains substantially constant.

Um die Basis des Transistors auf der vorgegebenen Spannung VS zu stabilisieren, kann diese Basis in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung über mindestens einen weiteren Transistor, dessen Basis mit einer aus der vorgegebenen Spannung VS abgeleiteten Referenzspannung VR vorgespannt ist, und/oder über mindestens eine mit der Differenz zwischen dieser Referenzspannung VR und der vorgegebenen Spannung VS vorgespannte, in Sperrrichtung geschaltete Diode, mit dem Massepotential des Steuermoduls verbunden sein.In order to stabilize the base of the transistor to the predetermined voltage V S, that base may in a further particularly advantageous embodiment of the invention, at least one further transistor, whose base is biased with a derived from the predetermined voltage V S reference voltage V R, and / or via at least one biased with the difference between this reference voltage V R and the predetermined voltage V S , reverse-biased diode to be connected to the ground potential of the control module.

Alternativ oder auch in Kombination hierzu kann ein Strom IB von der Basis des Transistors, der als regelbarer Vorwiderstand dient, zum Massepotential durch einen Stromspiegel aus zwei Bipolartransistoren gesteuert sein, wobei der Steuerstrom IS dieses Stromspiegels durch denjenigen Strom gebildet ist, den die vorgegebene Spannung VS, und/oder eine hieraus abgeleitete Referenzspannung VR, durch einen vorgegebenen Widerstand zum Massepotential treibt.Alternatively, or in combination, a current I B from the base of the transistor, which serves as a controllable resistor, be controlled to ground potential by a current mirror of two bipolar transistors, wherein the control current I S of this current mirror is formed by that current, the predetermined Voltage V S , and / or a derived therefrom reference voltage V R , by a predetermined resistance to the ground potential drives.

Vorteilhaft ist ein Spannungsteiler aus einem Widerstandsnetzwerk und einer in Sperrrichtung gepolten Z-Diode zur Erzeugung der vorgegebenen Spannung VS aus der über dem Steuerelement abfallenden Spannung U1 vorgesehen. Die Durchbruchsspannung der Z-Diode ist unabhängig von den beiden Potentialen, zwischen denen die Spannung U1 über dem Steuerelement abfällt. Die Z-Diode liefert also einen Fixpunkt für die vorgegebene Spannung VS, der in allen Steuermodulen einer Reihenschaltung identisch sein kann. Vorteilhaft ist die Basis des Transistors, der als regelbarer Vorwiderstand dient, dann über ein identisches Widerstandsnetzwerk mit der hohen Seite der über dem Steuerelement abfallenden Potentialdifferenz U1 verbunden.Advantageously, a voltage divider comprising a resistance network and a reverse polarity Zener diode is provided for generating the predetermined voltage V S from the voltage U 1 dropping across the control element. The breakdown voltage of the Zener diode is independent of the two potentials between which the voltage U 1 across the control drops. The Zener diode thus provides a fixed point for the predetermined voltage V S , which can be identical in all control modules of a series circuit. Advantageously, the base of the transistor, which serves as a controllable series resistor, is then connected via an identical resistor network to the high side of the potential difference U 1 dropping across the control element.

Wenn die Basis des Transistors, der als regelbarer Vorwiderstand dient, über einen weiteren vorgespannten Transistor und/oder über einen Stromspiegel mit dem Massepotential verbunden ist, dann ist diese Verbindung vorteilhaft besonders niederohmig realisierbar. Dadurch ist sichergestellt, dass Ladungen, die über parasitäre Pfade die Basis des Transistors erreichen, zeitnah abfließen können. Solche Ladungen können beispielsweise durch Leckströme vom Kollektor durch die in Sperrrichtung gepolte Diode auf die Basis übergehen. Werden die Ladungen nicht abgeführt, könnte der Transistor spontan leitend werden, wodurch die bereitgestellte Versorgungsspannung VCC zu groß wird. Dadurch könnten die nachgeschalteten Komponenten des Steuermoduls zerstört werden.When the base of the transistor, which serves as a controllable series resistor, via a further biased transistor and / or via a Current mirror is connected to the ground potential, then this compound is advantageous particularly low impedance feasible. This ensures that charges that reach the base of the transistor via parasitic paths can drain off promptly. Such charges can, for example, pass to the base through leakage currents from the collector through the reverse-biased diode. If the charges are not dissipated, the transistor could spontaneously become conductive, whereby the provided supply voltage V CC becomes too large. This could destroy the downstream components of the control module.

Die Spannungsversorgung in der beschriebenen Weise nimmt tendenziell mehr Energie auf, wenn eine besonders hohe Spannung U1 über dem Steuerelement abfällt. Dies hat den Nebeneffekt, dass sie diesen Spannungsanstieg etwas vermindert.The power supply in the manner described above tends to increase to more energy when a particularly high voltage V 1 falls over the control. This has the side effect of reducing this voltage increase somewhat.

Vorteilhaft ist die Versorgungsspannung VCC des Steuermoduls über einen parallelgeschalteten Energiespeicher geführt. Ein solcher Energiespeicher kann insbesondere ein Kondensator sein. In dem Energiespeicher kann beispielsweise während eines Schaltungszustandes, der mit einer hohen über dem Steuerelement abfallenden Spannung U1 einhergeht, Energie eingelagert werden, mit der später ein Schaltungszustand, der mit einer sehr niedrigen über dem Steuerelement abfallenden Spannung U1 einhergeht, wieder verlassen werden kann.Advantageously, the supply voltage V CC of the control module is guided via a parallel-connected energy store. Such an energy store may in particular be a capacitor. In the energy store, for example, energy can be stored during a circuit state which is accompanied by a high voltage drop across the control element U 1 , which can later be used to leave a circuit state which is associated with a very low voltage drop across the control element U 1 ,

Vorteilhaft ist der Eingang des Steuermoduls zur Umwandlung eines optischen Steuersignals in ein elektrisches Signal für die Treiberschaltung ausgebildet. Ein optisches Signal kann ohne galvanischen Kontakt zwischen einer zentralen Steuereinheit und beliebig vielen Steuermodulen auf beliebig vielen unterschiedlichen Potentialen übertragen werden. Hierzu können beispielsweise Glasfasern oder andere Lichtleiter verwendet werden. Das optische Steuersignal kann aber auch als freier Strahl übertragen werden.The input of the control module for converting an optical control signal into an electrical signal for the driver circuit is advantageously formed. An optical signal can be transmitted to any number of different potentials without galvanic contact between a central control unit and any desired number of control modules. For this purpose, for example, glass fibers or other optical fibers can be used. The optical control signal can also be transmitted as a free beam.

Alternativ kann das Steuersignal auch als Funksignal drahtlos übertragen werden. Der Eingang ist dann vorteilhaft ein Funkempfänger. Auch dies kann in einer Weise geschehen, dass der Empfänger keine eigene Stromversorgung benötigt, indem analog zur RFID-Technik auch die für den Empfang des Steuersignals notwendige Energie drahtlos übertragen wird.Alternatively, the control signal can also be transmitted wirelessly as a radio signal. The input is then advantageously a radio receiver. This can also be done in such a way that the receiver does not require its own power supply by analogy to the RFID technology, the energy required for the reception of the control signal is transmitted wirelessly.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Eingang zur Umwandlung des optischen Steuersignals in einen Strom Iin ausgebildet. Die Treiberschaltung weist eine erste Verstärkerstufe für diesen Strom sowie eine Endstufe zur Umwandlung des verstärkten Stroms IV in eine weiter verstärkte Ausgangsspannung als Stellgröße auf. Die Umsetzung in ein Stromsignal ist gegenüber der Umwandlung in ein Spannungssignal viel störunempfindlicher gegenüber magnetischen bzw. elektromagnetischen Störeinkopplungen. Dementsprechend unempfindlicher gegenüber Störungen ist auch die stromgesteuerte Verstärkung des Stroms Iin bzw. IV zur letztendlichen Ausgangsspannung.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the input for converting the optical control signal into a current I in is formed. The driver circuit includes a first amplifier stage for this stream as well as an output stage for converting the amplified current I V in a further amplified output voltage as the manipulated variable. The conversion into a current signal is compared to the conversion into a voltage signal much less susceptible to magnetic or electromagnetic interference couplings. Accordingly, less sensitive to interference is the current-controlled amplification of the current I in or I V to the final output voltage.

Das optische Steuersignal kann beispielsweise durch einen Fotodiode in einen Strom umgewandelt werden. Dieser Strom Iin ist sehr klein; er liegt typischerweise in der Größenordnung weniger Mikroampere. Wird dieser Strom Iin zunächst stromverstärkt, ist das Risiko minimiert, dass das Steuersignal durch äußere Störungen verfälscht wird. Spannungssignale sind für derartige Störungen deutlich anfälliger als Stromsignale. Beispielsweise können zeitabhängige äußere Magnetfelder in einer Vielzahl von Leiterschleifen in einer Schaltung Spannungen induzieren, die kleine Spannungssignale in diesen Leiterschleifen stark verfälschen können. Aus diesen störenden Spannungen werden jedoch nur dann störende Stromsignale, wenn die Spannungen über geeigneten Widerständen abfallen. Es führt also nicht jede in einer Schaltung durch äußere Magnetfelder induzierte Spannung auch zu einem störenden Stromsignal.The optical control signal can be converted, for example by a photodiode into a stream. This current I in is very small; it is typically on the order of a few microamps. If this current I in current-amplified at first, the risk is minimized that the control signal is distorted by external disturbances. Voltage signals are much more susceptible to such disturbances than current signals. For example, time-dependent external magnetic fields in a plurality of conductor loops in a circuit can induce voltages that can severely distort small voltage signals in these conductor loops. However, disturbing current signals only result from these disturbing voltages when the voltages drop via suitable resistors. Thus, not every voltage induced in a circuit by external magnetic fields also leads to an interfering current signal.

Dass die erste Verstärkerstufe stromverstärkend arbeitet, bewirkt in Verbindung mit dem kleinen Eingangsstrom Iin, beispielsweise aus einer Fotodiode, weiterhin, dass die Treiberschaltung insgesamt sehr wenig Energie benötigt. Bei einer Versorgungsspannung VCC um 20 V werden typischerweise weniger als 200 μA Strom benötigt. Dies ist insbesondere in Verbindung mit einer Spannungsversorgung der Treiberschaltung aus der über dem Steuerelement abfallenden Spannung U1 in der beschriebenen Weise vorteilhaft. Diese Art der Spannungsversorgung hat den Vorteil, dass ein sehr großer Eingangsspannungsbereich zwischen etwa 100 V und etwa 1000 V genutzt werden kann, der also eine ganze Größenordnung umfasst. Dies wird damit erkauft, dass diese Spannungsversorgung nur einen energetischen Wirkungsgrad um die 2,5% hat. Je geringer also die Verlustleistung der Treiberschaltung ist, desto weniger Wärme wird in deren Spannungsversorgung produziert und muss abgeführt werden.The fact that the first amplifier stage operates in a current-boosting manner, in combination with the small input current I in , for example from a photodiode, furthermore causes the driver circuit to require very little energy overall. A supply voltage V CC of 20 V typically requires less than 200 μA of current. This is particularly advantageous in connection with a voltage supply of the driver circuit from the voltage drop across the control U 1 in the manner described. This type of power supply has the advantage that a very large input voltage range between about 100 V and about 1000 V can be used, which thus includes a whole order of magnitude. This is paid for by the fact that this power supply only has an energy efficiency of around 2.5%. The lower the power loss of the driver circuit, the less heat is produced in their power supply and must be dissipated.

Die Bereitstellung einer Ausgangsspannung durch die Endstufe ist insbesondere im Zusammenhang mit spannungsgesteuerten Steuerelementen vorteilhaft, wie beispielsweise Transistoren, MOSFETs oder IGBTs, die durch das Aufbringen einer Ladungsmenge auf eine Steuerelektrode (Gate) angesteuert werden. Es ist aber auch bei einem Thyristor vorteilhaft, wenn die Endstufe eine Ausgangsspannung bereitstellt. Ein Thyristor wird durch einen Strom-Zündimpuls eingeschaltet und schaltet erst dann wieder aus, wenn der Laststrom unterhalb des Haltestroms abgesunken ist und der Thyristor sich anschließend erholt hat. Der Ansteuerkreis muss also nur den Zündimpuls sicher bereitstellen. Mit einer Endstufe, die eine Ausgangsspannung bereitstellt, kann die hierfür benötigte Ladungsmenge beispielsweise auf einem Kondensator gespeichert und über eine Z-Diode als Zündimpuls in den Ansteuerkreis des Thyristors geleitet werden. Damit muss auch die Stromversorgung der Treiberschaltung nicht dafür ausgelegt sein, den hohen Strom, der kurzzeitig für den Zündimpuls benötigt wird, liefern zu können.The provision of an output voltage by the output stage is particularly advantageous in connection with voltage-controlled control elements, such as transistors, MOSFETs or IGBTs, which are driven by the application of an amount of charge to a control electrode (gate). But it is also advantageous in a thyristor when the output stage provides an output voltage. A thyristor is switched on by a current ignition pulse and first switches then again off when the load current has dropped below the holding current and the thyristor has subsequently recovered. The drive circuit must therefore provide only the ignition pulse safely. With an output stage which provides an output voltage, the amount of charge required for this purpose can be stored, for example, on a capacitor and passed through a Zener diode as an ignition pulse in the drive circuit of the thyristor. Thus, the power supply of the driver circuit must not be designed to be able to deliver the high current that is needed for a short time for the ignition pulse.

Vorteilhaft ist hierbei zwischen die erste Verstärkerstufe und die Endstufe ein Diskretisierer für den verstärkten Strom IV geschaltet. Hinter diesem Diskretisierer nimmt der verstärkte Strom IV dann also nur noch einen von mehreren diskreten Werten an. Insbesondere bei Schaltern interessieren häufig nur zwei Zustände „Ein” oder „Aus”. Mit dem Diskretisierer können auch durch äußere Störungen leicht verfälschte Stromsignale noch dem korrekten Zustand „Ein” oder „Aus” zugeordnet werden. Der Einfluss der äußeren Störungen wird dadurch unterdrückt.Advantageously, a discretizer for the amplified current I V is connected between the first amplifier stage and the final stage. Behind this discretizer, the amplified current I V then only takes on one of several discrete values. Especially with switches, often only two states are "on" or "off". With the discretizer even slightly distorted current signals due to external disturbances can still be assigned to the correct state "on" or "off". The influence of external disturbances is thereby suppressed.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen in einer Reihenschaltung aus mindestens zwei Steuermodulen alle Steuermodule einen Eingang für ein optisches Steuersignal auf, und es ist ein zentraler Sender zur gleichzeitigen Beaufschlagung aller Eingänge mit dem optischen Steuersignal vorgesehen.In a particularly advantageous embodiment of the invention, in a series circuit of at least two control modules, all the control modules to an input for an optical control signal, and it is a central transmitter for simultaneous loading of all inputs provided with the optical control signal.

Es ist im Prinzip auch möglich, mehrere Sender vorzusehen, die gleichzeitig angesteuert werden. Mit nur einem zentralen Sender ist es jedoch wesentlich einfacher, an allen Eingängen eine gleichmäßige Lichtintensität vorzulegen. Insbesondere eine als optischer Empfänger verwendete Fotodiode ist primär ein analoger Empfänger, der ein Stromsignal mit einer von der eingestrahlten Lichtintensität abhängigen Stromstärke abgibt. Eine an allen Eingängen gleiche Lichtintensität begünstigt insbesondere bei einem Hochspannungsschalter, dass auf das Signal des zentralen Senders hin alle Steuermodule gleichzeitig schalten.In principle, it is also possible to provide a plurality of transmitters which are controlled simultaneously. With only one central transmitter, however, it is much easier to present a uniform light intensity at all inputs. In particular, a photodiode used as an optical receiver is primarily an analogue receiver which emits a current signal having a current intensity which depends on the incident light intensity. A light intensity which is the same at all inputs favors, in particular in the case of a high-voltage switch, all control modules switching simultaneously in response to the signal of the central transmitter.

Hierfür ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der zentrale Sender eine Lichtquelle aufweist und wenn er weiterhin einen Reflektor zur zeitgleichen Weiterleitung des von der Lichtquelle emittierten Lichts an eine Mehrzahl der Eingänge aufweist und/oder die Lichtquelle an einem Ort angeordnet ist, von dem aus eine direkte Sichtverbindung zu einer Mehrzahl der Eingänge besteht. Insbesondere vereinfacht es der Reflektor, in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Eingänge auf Orte zu verteilen, an denen sie bei Aktivierung der Lichtquelle mit gleichen Lichtintensitäten beaufschlagt werden. Insbesondere kann der Reflektor zur zeitgleichen Weiterleitung des von der Lichtquelle emittierten Lichts an alle Eingänge ausgebildet sein, oder die Lichtquelle kann an einem Ort angeordnet sein, von dem aus eine direkte Sichtverbindung zu allen Eingängen besteht. Der Reflektor und/oder die direkte Sichtverbindung zu den Eingängen ersetzen jeweils einzeln oder in Kombination die nach dem bisherigen Stand der Technik eingesetzte faseroptische Übertragung eines optischen Steuersignals zu den Eingängen. Diese faseroptische Übertragung war ein Grund dafür, dass die Anzahl der Steuermodule in der Steuerschaltung spätestens bei deren Bau festgelegt werden musste und im Nachhinein nicht mehr erweiterbar war.For this purpose, it is particularly advantageous if the central transmitter has a light source and if it further comprises a reflector for simultaneously forwarding the light emitted by the light source to a plurality of inputs and / or the light source is disposed at a location from which a direct Visually connected to a plurality of inputs. In particular, the reflector makes it easier, in a further particularly advantageous embodiment of the invention, to distribute the inputs to locations where they are acted upon upon activation of the light source with the same light intensities. In particular, the reflector can be designed to simultaneously forward the light emitted by the light source to all inputs, or the light source can be arranged at a location from which there is a direct line of sight to all inputs. The reflector and / or the direct line-of-sight connection to the inputs, individually or in combination, replace the fiber optic transmission of an optical control signal to the inputs used in the prior art. This fiber optic transmission was one reason that the number of control modules in the control circuit had to be set at the latest during their construction and was subsequently no longer expandable.

Beispielsweise können die Steuermodule, die in der Steuerschaltung in Reihe geschaltet sind, in einem gemeinsamen Gehäuse in einem zweidimensionalen Array in einer Ebene oder auch in einem dreidimensionalen Array angeordnet sein. Unter einem dreidimensionalen Array ist beispielsweise die Innenseite einer Halbkugel oder eines anderen Ellipsoiden zu verstehen. Zur Bereitstellung eines zwei- oder dreidimensionalen Arrays kann das Gehäuse beispielsweise in Fächer unterteilt sein, wobei in jedem Fach ein Steuermodul angeordnet ist. Die Wände der Fächer stellen dann die Isolationsstrecken zwischen den Steuermodulen, die sich auf unterschiedlichen Potentialen befinden, bereit.For example, the control modules, which are connected in series in the control circuit, may be arranged in a common housing in a two-dimensional array in a plane or else in a three-dimensional array. By a three-dimensional array is meant, for example, the inside of a hemisphere or other ellipsoid. To provide a two-dimensional or three-dimensional array, the housing can be subdivided, for example, into compartments, wherein a control module is arranged in each compartment. The walls of the compartments then provide the isolation distances between the control modules, which are at different potentials.

Vorteilhaft enthält der Deckel des Gehäuses den Reflektor und die Lichtquelle. Der zentrale Sender ist dann maximal kompakt in die Steuerschaltung integriert, und zugleich sind alle Eingänge von störendem Fremdlicht abgeschirmt.Advantageously, the cover of the housing contains the reflector and the light source. The central transmitter is then maximally compact integrated into the control circuit, and at the same time all inputs are shielded from interfering extraneous light.

Das Steuermodul, bzw. die Steuerschaltung, eignet sich sowohl für Gleichstromkreise als auch für Wechselstromkreise, wobei im Falle von Wechselstromkreisen die über dem Steuerelement abfallende Wechselspannung während beider Halbschwingungen die gleiche Polarität aufweisen muss. Die Spannungsankopplung des Steuermoduls kann beispielsweise über einen Brückengleichrichter erfolgen. Ebenso kann die Rückkopplung der über dem Steuerelement abfallenden Spannung U1 im Steuermodul über einen Brückengleichrichter geführt sein, damit die Rückkopplung nur auf den Betrag dieser Spannung U1 sensitiv ist.The control module or the control circuit is suitable both for DC circuits and for AC circuits, wherein in the case of AC circuits, the alternating voltage across the control element must have the same polarity during both half cycles. The voltage coupling of the control module can be done for example via a bridge rectifier. Likewise, the feedback of the voltage drop across the control U 1 can be performed in the control module via a bridge rectifier, so that the feedback is sensitive only to the amount of this voltage U 1 .

Ein Hochspannungsschalter als erfindungsgemäße Steuerschaltung eignet sich besonders zur Erzeugung von Hochspannungs-Testimpulsen für die Untersuchung des Alterungszustandes von Energieversorgungskabeln. Gerade in dieser Anwendung ist ein sehr häufiges Schalten erforderlich, was einen mechanischen Schalter schnell verschleißen würde. Daneben eignet sich der Hochspannungsschalter beispielsweise auch für folgende energietechnische Anwendungen:
Der Schalter kann direkt im Bereich der Mittel- und Hochspannungsumrichter eingesetzt werden. Mit ihm ist es beispielsweise im Bereich von zukünftigen Gleichspannungsnetzen möglich, einen Tiefsetzsteller aufzubauen, der die Spannung aus dem DC-Netz eines Energieversorgers, z. B. 10 kV, auf das Niveau des Endverbrauchers herabsetzt z. B. 200–300 V. Eine in AC-Netzen übliche transformatorische Umwandlung wäre hier nur mit einem sehr hohen Aufwand möglich. Hierdurch ergibt sich eine wesentliche Volumen- und Gewichtsersparnis.
A high-voltage switch as a control circuit according to the invention is particularly suitable for generating high-voltage test pulses for the investigation of the aging state of power supply cables. Especially in this application, a very frequent switching is required, which would wear out a mechanical switch quickly. In addition, the high-voltage switch is also suitable, for example, for the following energy-related applications:
The switch can be used directly in the range of medium and high voltage converters. With him, it is possible, for example in the field of future DC networks to build a buck converter, the voltage from the DC grid of an energy supplier, z. B. 10 kV, to the level of the end user reduces z. B. 200-300 V. A usual in AC networks transformatory transformation would be possible only with a very high effort. This results in a significant volume and weight savings.

Auch zur Gleichspannungserhöhung kann der Schalter eingesetzt werden, um etwa Solaranlagen mit geringem Aufwand an ein Mittelspannungs-DC-Versorgungsnetz anzuschließen. Ferner lässt sich mit ihm ein Einsatz als bidirektionales Schaltelement in einer Koppelstelle zwischen verschiedenen Netzen gleicher Spannungsebene bei vergleichsweise geringem Aufwand realisieren. Dies macht den Schalter nicht nur für Hersteller von Mittel- und Hochspannungsumrichtern, sondern auch für Energieversorger interessant.Also for increasing the DC voltage, the switch can be used to connect solar systems with little effort to a medium-voltage DC supply network. Furthermore, use with it as a bidirectional switching element in a coupling point between different networks of the same voltage level can be realized with comparatively little effort. This makes the switch not only interesting for manufacturers of medium and high voltage converters, but also for energy suppliers.

Eine Crowbar ist ein schaltender Zweipol, der dazu verwendet wird, um in einem Umrichtersystem im Fehlerfall noch gespeicherte Energie definiert abzuführen. In diesem Fall wird ein Widerstand durch das Schließen eines Schalters parallel zu einem Energiespeicher (z. B. Kondensator) geschaltet, so dass die noch vorhandene elektrische Energie in thermische umgewandelt wird. Die eingesetzten Schaltelemente bestehen in vielen Fällen aus einer Reihenschaltung von Thyristoren. Sind diese eingeschaltet, so können sie nicht durch das Zurücknehmen des Ansteuerimpulses wieder abgeschaltet werden. Erst am Ende der Entladung, wenn der Strom nahezu null Ampere beträgt, beginnt der Schalter zu blockieren.A crowbar is a switching two-pole, which is used to dissipate stored energy in an inverter system in the event of a fault. In this case, a resistor is connected in parallel with an energy store (eg capacitor) by closing a switch so that the remaining electrical energy is converted into thermal energy. The switching elements used consist in many cases of a series connection of thyristors. If these are switched on, they can not be switched off again by withdrawing the control pulse. Only at the end of the discharge, when the current is near zero amps, does the switch begin to block.

Andere Hersteller bieten z. T. Lösungen auf Basis von leistungsstarken IGBTs an. Da IGBTs verglichen mit Thyristoren bezogen auf ihre Baugröße aber eine wesentlich geringe Stromtragfähigkeit besitzen, wird der Aufbau deutlich größer. Darüber hinaus ist auch die zur Ansteuerung des eigentlichen Lastschalters notwendige Schaltungstechnik, verglichen mit der Ansteuerung eines Thyristors, deutlich komplexer. Ein Vorteil des IGBTs gegenüber dem Thyristor ist jedoch die Möglichkeit, den Stromfluss wieder unterbrechen zu können. So wäre es mit einem Schalter auf Basis von IGBTs zum Beispiel möglich, die noch vorhandene Energie nicht vollkommen in Wärme umzuwandeln, sondern nur soweit abzusenken, dass eine weitere Gefährdung verhindert wird.Other manufacturers offer z. T. solutions based on powerful IGBTs. Since IGBTs compared to thyristors in terms of their size but have a significantly low current carrying capacity, the structure is significantly larger. In addition, the necessary circuitry for controlling the actual load switch circuit technology, compared with the control of a thyristor, much more complex. An advantage of the IGBT compared to the thyristor, however, is the ability to interrupt the flow of current again. So it would be possible with a switch based on IGBTs, for example, not fully convert the energy still available in heat, but only to lower so far that further danger is prevented.

Der erfindungsgemäße Schalter ist durch die Verwendung von Standard-Leistungshalbleitern sehr gut skalierbar, was geringere Abmessungen ermöglicht und den Nachteil eines großen Bauvolumens bestehender Lösungen vermeidet. Durch den Einsatz von IGBTs ist es darüber hinaus möglich, den Schalter bei Unterschreiten einer Gefährdungsschwelle wieder abzuschalten, was mit den Thyristorlösungen nicht möglich ist. Eigene Untersuchungen haben zudem gezeigt, dass sich die verwendeten IGBTs vorübergehend wesentlich stärker überlasten lassen, als es zunächst angenommen worden war. Mit diesen Erkenntnissen lassen sich Crowbars realisieren, die deutlich weniger Bauvolumen beanspruchen als es bei derzeit üblichen Lösungen der Fall ist, da weniger Leistungshalbleiter eingesetzt werden müssen.The inventive switch is very well scalable by the use of standard power semiconductors, which allows smaller dimensions and avoids the disadvantage of a large volume of existing solutions. By using IGBTs, it is also possible to switch off the switch when it falls below a risk threshold again, which is not possible with the thyristor solutions. Our own investigations have also shown that the IGBTs used can temporarily be significantly more heavily overloaded than had initially been assumed. With these findings, crowbars can be realized, which consume significantly less construction volume than is the case with currently common solutions, since less power semiconductors have to be used.

Der erfindungsgemäße Schalter zeichnet sich, verglichen mit derzeit kommerziell erhältlichen Schaltern, durch folgende Vorteile aus:

  • • Der Schalter ist in seinem Aufbau, d. h. in Bezug auf die Blockierspannungsfestigkeit in beliebiger Höhe und zu einem beliebigen Zeitpunkt erweiterbar. Bei derzeit verfügbaren Schaltern muss bereits zum Entwicklungs- oder zumindest Fertigungszeitpunkt die maximal im System auftretende Spannung festgelegt werden. Die von uns entwickelte Lösung ließe sich auch noch während des Betriebes durch das Hinzufügen weiterer Schalterstufen erweitern, wenn diese Option beim Gehäusedesign bereits berücksichtigt wurde.
  • • Der Schalter wurde so entwickelt, dass er aus günstigen, leicht verfügbaren Einzelkomponenten besteht, die von vielen Herstellern angeboten werden. Dies steht im Gegensatz zur aktuellen Realisierung, die auf speziellen Hochleistungshalbleitern eines Herstellers basiert und an deren Verfügbarkeit und Preisgestaltung gebunden ist.
  • • Einige Hochspannungsschalter benötigen zur Ansteuerung lediglich einen Lichtimpuls, der über eine Faser direkt in den Halbleiter eingekoppelt wird. Durch die galvanische Trennung von Ansteuerung und Leistungskreis, die von der Faser sichergestellt wird, reduzieren sich die Herausforderungen während der Entwicklung. Gleichzeitig muss jedoch auch berücksichtigt werden, dass es nur sehr wenige oder gar nur einen Hersteller für Schalter dieser Art gibt und somit eine starke vertragliche Bindung zu diesem besteht. Die von uns verwendete Schaltungstechnik auf Basis einer optischen Übertragung verwendet, wie schon oben in Bezug auf die Leistungselektronik und die Ansteuerungsschaltung erwähnt, nur Standardkomponenten, die sich verhältnismäßig einfach gegen ähnliche Bauteile anderer Hersteller austauschen lassen.
  • • Derzeit verfügbare Hochspannungsschalter sind in Bezug auf ihre Schaltfrequenz durch die zum Einsatz kommenden, verhältnismäßig langsam schaltenden Hochspannungsschalter stark eingeschränkt. Da bei unserem System Leistungsbauteile aus einem deutlich niedrigeren Spannungsbereich eingesetzt werden, die bereits generell für höhere Schaltfrequenzen entwickelt wurden, ist auch generell eine deutlich höhere Schaltfrequenz des gesamten Schalters möglich.
  • • Es besteht eine freie Wahl zwischen spannungsgesteuerten und stromgesteuerten Steuerelementen. Ein spannungsgesteuertes Steuerelement hat beispielsweise gegenüber einem Thyristor den Vorteil, dass sich der Stromfluss in einem Wechselstromkreis nicht nur im Moment des Nulldurchgangs des Stroms unterbrechen lässt.
The switch according to the invention is characterized by the following advantages compared to currently commercially available switches:
  • • The switch is in its structure, ie in terms of blocking voltage resistance at any height and at any time expandable. With currently available switches, the maximum voltage that occurs in the system must already be determined at the time of development or at least the time of manufacture. The solution we developed could be extended during operation by adding additional switch stages, if this option was already taken into account in the case design.
  • • The switch has been designed to consist of inexpensive, readily available components offered by many manufacturers. This is in contrast to the current implementation, which is based on special high-performance semiconductors of a manufacturer and is bound to their availability and pricing.
  • • Some high voltage switches only need a light pulse to drive, which is coupled via a fiber directly into the semiconductor. The galvanic isolation of the drive and the power circuit, which is ensured by the fiber, reduces the challenges during the development. At the same time, however, it must also be taken into account that there are very few or even only one manufacturer for switches of this kind and thus there is a strong contractual link to this. The circuit technique we use based on optical transmission uses, as mentioned above in relation to the power electronics and the drive circuit, only standard components that can be relatively easily replaced with similar components from other manufacturers.
  • Currently available high voltage switches are severely limited in their switching frequency by the relatively slow switching high voltage switches used. Because our system uses power components from a much lower voltage range, which is already generally designed for higher switching frequencies also generally a much higher switching frequency of the entire switch possible.
  • • There is a free choice between voltage-controlled and current-controlled controls. A voltage-controlled control has the advantage over a thyristor, for example, that the current flow in an AC circuit can not be interrupted only at the moment of the zero crossing of the current.

Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part

Nachstehend wird der Gegenstand der Erfindung an Hand von Figuren erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:Hereinafter, the object of the invention will be explained with reference to figures, without the subject of the invention being limited thereby. It is shown:

1: Zentrale (1a) und dezentrale (1b) Energieversorgung und Ansteuerung der Steuermodule 1 in einer Steuerschaltung 100 für Hochspannung. 1 : Central ( 1a ) and decentralized ( 1b ) Power supply and control of the control modules 1 in a control circuit 100 for high voltage.

2: Schaltung 103 zur Bildung der Versorgungsspannung VCC des Steuermoduls 1 aus der über dem Steuerelement 4 abfallenden Spannung U1. 2 : Circuit 103 to form the supply voltage V CC of the control module 1 from the above the control 4 decreasing voltage U 1 .

3: Rückkopplung 7a7h der über dem Steuerelement 4 abfallenden Spannung U1 in die Treiberschaltung 6. 3 : Feedback 7a - 7h the above the control 4 sloping voltage U 1 in the driver circuit 6 ,

4: Ausbildung der Rückkopplung 7 der über dem Steuerelement 1 abfallenden Spannung U1 als Regelschleife 22. 4 : Formation of the feedback 7 the above the control 1 decreasing voltage U 1 as a control loop 22 ,

5: Aufteilung des Steuermoduls 1 in eine erste Platine 61 mit der Treiberschaltung 6 und eine über Steckverbinder 42 hiermit verbundene Platine 42 mit Steuerelementen 4. 5 : Distribution of the control module 1 in a first board 61 with the driver circuit 6 and one via connectors 42 associated circuit board 42 with controls 4 ,

6: Anordnung der Treiberschaltungen 6, 61 mehrerer Steuermodule 1 in einem zweidimensionalen Array 63, 64 innerhalb eines Gehäuses 62 (6a). Deckel 65 des Gehäuses 62 mit integriertem zentralem Sender 30. 6 : Arrangement of driver circuits 6 . 61 several control modules 1 in a two-dimensional array 63 . 64 within a housing 62 ( 6a ). cover 65 of the housing 62 with integrated central transmitter 30 ,

1a zeigt eine Steuerschaltung 100 nach dem bisherigen Stand der Technik, die als Schalter für eine Hochspannung U0 ausgebildet ist. Die Steuerschaltung 100 umfasst eine Reihenschaltung 102 von n Steuermodulen 1.1 bis 1.n im durch die Hochspannung U0 getriebenen Stromkreis A-B. Jedes dieser Steuermodule 1.1 bis 1.n enthält jeweils einen IGBT als Steuerelement 4, der über eine Treiberschaltung 6 mit einer Gatespannung als Stellgröße 5 angesteuert wird. Ist der Schalter ausgeschaltet, stellt jedes der Steuerelemente 4 eine Unterbrechung in dem Stromkreis A-B dar, und die Hochspannung U0 teilt sich zu gleichen Teilen U1 = U0/n auf alle Steuerelemente 4 auf. Diese Spannung U1 liegt in der Größenordnung der Blockierspannung der Steuerelemente 4. Ist der Schalter eingeschaltet, stellt jedes der Steuerelemente 4 einen Durchgang in dem Stromkreis A-B dar, und es fällt über jedem dieser Steuerelemente 4 nur eine sehr geringe Spannung der Größenordnung einiger Volt ab. Dabei ist der genaue Spannungsabfall über dem Steuerelement 4 vom Laststrom durch das Steuerelement 4 abhängig. 1a shows a control circuit 100 in the prior art, which is designed as a switch for a high voltage U 0 . The control circuit 100 includes a series connection 102 of n control modules 1.1 to 1.n in by the high voltage U 0 AB-driven circuit. Each of these control modules 1.1 to 1.n Each contains an IGBT as a control 4 that has a driver circuit 6 with a gate voltage as manipulated variable 5 is controlled. When the switch is off, each of the controls puts down 4 an interruption in the circuit AB is, and the high voltage U 0 is divided in equal parts U 1 = U 0 / n on all controls 4 on. This voltage U 1 is in the order of the blocking voltage of the controls 4 , When the switch is turned on, each of the controls will turn off 4 a passage in the circuit AB, and it falls over each of these controls 4 only a very small voltage of the order of a few volts. Here is the exact voltage drop across the control 4 from the load current through the control 4 dependent.

Jedes Steuermodul 1.1 bis 1.n erhält eine Versorgungsspannung von einer zentralen Spannungsversorgung 101, die über einen (in 1a nicht eingezeichneten) Transformator auf das Bezugspotential des jeweiligen Steuermoduls 1.1 bis 1.n gebracht wird. Weiterhin erhält jedes Steuermodul 1.1 bis 1.n auch von einer zentralen Steuerung 31 ein Steuersignal 3, das jeweils einem Eingang 2 zugeführt ist. Dies geschieht über separate optische Leitungen zwischen jedem der Steuermodule 1.1 bis 1.n und der zentralen Steuerung 31.Each control module 1.1 to 1.n receives a supply voltage from a central power supply 101 that have a (in 1a not shown) transformer to the reference potential of the respective control module 1.1 to 1.n is brought. Furthermore, each control module receives 1.1 to 1.n also from a central control 31 a control signal 3 , each one an entrance 2 is supplied. This is done via separate optical lines between each of the control modules 1.1 to 1.n and the central control 31 ,

1b zeigt eine Steuerschaltung 100, in der gegenüber 1a mehrere durch die Erfindung bereitgestellte Neuerungen umgesetzt sind. Jedes Steuermodul 1.1 bis 1.n bezieht auf dem Weg 8a, 8b seine Spannungsversorgung nun aus der über dem jeweiligen Steuerelement 4 abfallenden Spannung U1. Zugleich ist auf dem Weg 7a, 7b die Spannung U1 innerhalb des jeweiligen Steuermoduls 1.1 bis 1.n zurückgekoppelt, so dass sich jedes Steuermodul 1.1 bis 1.n autark daraufhin überwacht, dass die am jeweiligen Steuerelement 4 abfallende Spannung im zulässigen Bereich liegt. 1b shows a control circuit 100 in the opposite 1a several implemented by the invention innovations are implemented. Each control module 1.1 to 1.n relates on the way 8a . 8b its voltage supply now from the above the respective control 4 decreasing voltage U 1 . At the same time is on the way 7a . 7b the voltage U 1 within the respective control module 1.1 to 1.n fed back, leaving each control module 1.1 to 1.n self-sufficient to monitor that on the respective control 4 falling voltage is within the permissible range.

Weiterhin sind auch die Eingänge 2 der Steuermodule 1.1 bis 1.n nicht mehr über optische Leitungen mit einer zentralen Steuerung 31 verbunden. Stattdessen ist ein zentraler Sender 30 vorgesehen, der das Steuersignal 3 zeitgleich als freien Strahl an alle Eingänge 2 übermittelt.Furthermore, the inputs are 2 the control modules 1.1 to 1.n no longer using optical cables with a central control 31 connected. Instead, it is a central transmitter 30 provided that the control signal 3 at the same time as free beam to all inputs 2 transmitted.

Jedes Steuermodul 1.1 bis 1.n ist also sowohl in Bezug auf seine Spannungsversorgung als auch in Bezug auf den Empfang des Steuersignals 3 autark. Daher muss die Anzahl der in Reihe, oder auch parallel, geschalteten Steuermodule 1.1 bis 1.n nicht vorab endgültig festgelegt werden. Stattdessen ist die Steuerschaltung 100 auch im Nachhinein beliebig erweiterbar.Each control module 1.1 to 1.n So is both in terms of its power supply and in relation to the receipt of the control signal 3 self-sufficient. Therefore, the number of connected in series, or in parallel, control modules 1.1 to 1.n not be definitively determined in advance. Instead, the control circuit 100 also in hindsight arbitrarily expandable.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung 103, die im Steuermodul 1 aus der über dem Steuerelement 4 abfallenden Spannung U1 die Versorgungsspannung VCC für das Steuermodul 1 bildet. Die Spannung U1 fällt zwischen den Abgriffen 8a und 8b über dem Steuerelement 4 ab, das, ebenso wie die zugehörige Treiberschaltung 6, aus Gründen der Übersichtlichkeit in 2 nicht eingezeichnet ist. Der Abgriff 8a ist in diesem Anwendungsfall über eine Diode vom Typ BY448 geführt. 2 shows an embodiment of a circuit 103 in the control module 1 from the above the control 4 decreasing voltage U 1, the supply voltage V CC for the control module 1 forms. The voltage U 1 falls between the taps 8a and 8b above the control 4 that, as well as the associated driver circuit 6 , for the sake of clarity in 2 is not shown. The tap 8a In this application, it is connected via a BY448 type diode.

Die Versorgungsspannung VCC wird von einem NPN-Bipolartransistor 9 vom Typ BU508AF generiert, der als regelbarer Vorwiderstand 91 für die Treiberschaltung 6 fungiert. Dieser regelbare Vorwiderstand wird im Wesentlichen durch die in Sperrrichtung gepolte Diode zwischen dem Kollektor 9b und der Basis 9a des Transistors 9 bereitgestellt. The supply voltage V CC is from an NPN bipolar transistor 9 generated by the type BU508AF, as a controllable series resistor 91 for the driver circuit 6 acts. This variable series resistor is essentially due to the reversely poled diode between the collector 9b and the base 9a of the transistor 9 provided.

Ein Widerstandsnetzwerk 11, bestehend aus vier Widerständen mit einem Widerstandswert von je 412 kΩ, bildet gemeinsam mit einer Z-Diode 10 vom Typ BZX79B20 einen Spannungsteiler, der eine vorgegebene Spannung VS erzeugt. Die Spannung an der Basis 9a des Transistors 9 ist auf diese vorgegebene Spannung VS stabilisiert. Einer Tendenz zu einer Änderung der Spannung an der Basis 9a des Transistors 9 wird dadurch entgegengewirkt, dass diese Änderung sich über die in Durchlassrichtung betriebene Diode zwischen Emitter 12c und Kollektor 12b auch auf die Basis 12a des Transistors 12 auswirkt und dessen Leitfähigkeit entsprechend angepasst wird. Die Basis 12a des Transistors 12 ist mit einer Spannung VR vorgespannt, die durch den Transistor 14 aus der Spannung VS erzeugt wird. Wenn die Spannung an der Basis 9a des Transistors 9 um 0,7 V über das Niveau von VS ansteigt, bricht zudem die Diode 13 vom Typ 1N4007 durch, und es wird ein zusätzlicher Ableitpfad für einen Strom von der Basis 9a des Transistors 9 eröffnet.A resistor network 11 , consisting of four resistors with a resistance of 412 kΩ each, forms together with a zener diode 10 type BZX79B20 a voltage divider that generates a predetermined voltage V S. The tension at the base 9a of the transistor 9 is stabilized to this predetermined voltage V S. A tendency to change the voltage at the base 9a of the transistor 9 is counteracted by this change being via the forward-biased diode between emitters 12c and collector 12b also on the base 12a of the transistor 12 and whose conductivity is adjusted accordingly. The base 12a of the transistor 12 is biased with a voltage V R passing through the transistor 14 is generated from the voltage V S. If the voltage at the base 9a of the transistor 9 0.7 V above the level of V S increases, also breaks the diode 13 of type 1N4007, and it becomes an additional drain path for a current from the base 9a of the transistor 9 opened.

Zugleich erzeugt die vorgegebene Spannung VS auch einen Strom IS, der über den aus den PNP-Bipolartransistoren 12 und 14 vom Typ BC857 bestehenden Stromspiegel 15 den von der Basis 9a des Transistors 9 über den vorgegebenen Widerstand 16 mit einem Widerstandswert von 10 kΩ zum Massepotential 8b fließenden Strom IB auf die Stromstärke von IS stabilisiert. Da die Basis 9a des Transistors 9 mit einem zum Widerstandsnetzwerk 11 identischen Widerstandsnetzwerk 17 beschaltet ist, bewirkt diese Stromstabilisierung wiederum, dass auch der Strom zwischen Kollektor 9b und Emitter 9c des Transistors 9 auf einem konstanten Wert gehalten wird. Dieser Strom erzeugt über der versorgten Treiberschaltung 6 genau denjenigen Spannungsabfall, der der Versorgungsspannung VCC für die Treiberschaltung entspricht.At the same time, the predetermined voltage V S also generates a current I S , which via the PNP bipolar transistors 12 and 14 current level of type BC857 15 from the base 9a of the transistor 9 over the given resistance 16 with a resistance of 10 kΩ to the ground potential 8b flowing current I B to the current strength of I S stabilized. Because the base 9a of the transistor 9 with one to the resistor network 11 identical resistor network 17 wired, this current stabilization in turn causes that also the current between collector 9b and emitter 9c of the transistor 9 is kept at a constant value. This current is generated across the powered driver circuit 6 exactly the voltage drop corresponding to the supply voltage V CC for the driver circuit.

Die Transistoren 12 und 14 werden leitend, wenn die Spannung an der Basis 9a des Transistors 9 um ca. 0,7 V höher ist als die vorgegebene Spannung VS. Dieser Zustand ist erreicht, wenn die Versorgungsspannung VCC ihren Sollwert erreicht hat. Solange dies nicht der Fall ist, ist es optimal, wenn von der Basis 9a des Transistors 9 kein Strom auf einem anderen Weg abfließt. Dann kann die Versorgungsspannung VCC zur Ausregelung einer Abweichung schnellstmöglich angehoben werden. Da die Diode zwischen Basis 9a und Emitter 9c des Transistors 9 in Durchlassrichtung gepolt ist, fließen auch parasitäre Ladungen, die beispielsweise durch Leckströme vom Kollektor 9b auf die Basis 9a des Transistors 9 gelangen, beständig ab. Diese Ladungen können sich also nicht auf der Basis 9a sammeln und dazu führen, dass der Transistor 9 zu leitend wird und einen zu hohen Strom in die Treiberschaltung 6 einsteuert.The transistors 12 and 14 become conductive when the voltage at the base 9a of the transistor 9 is about 0.7 V higher than the predetermined voltage V S. This state is reached when the supply voltage V CC has reached its setpoint. As long as this is not the case, it is optimal if from the base 9a of the transistor 9 no electricity drains off in another way. Then the supply voltage V CC can be raised as quickly as possible to compensate for a deviation. Because the diode between base 9a and emitter 9c of the transistor 9 is poled in the forward direction, also flow parasitic charges, for example, by leakage currents from the collector 9b on the base 9a of the transistor 9 get away, constantly. So these charges can not be based on 9a collect and cause the transistor 9 becomes too conductive and too high a current in the driver circuit 6 einsteuert.

Die Stabilisierung der Versorgungsspannung VCC unabhängig von der Eingangsspannung U1 mit Hilfe der Z-Diode 10 als Spannungsnormal lässt sich also sowohl in dem Bild verstehen, in dem die Transistoren 9, 12 und 14 spannungsgesteuert sind, als auch in dem Bild, in dem diese Transistoren 9, 12 und 14 stromgesteuert sind. Die Betrachtung der Transistoren 9, 12 und 14 jeweils als stromgesteuerte Stromverstärker ist einheitlicher damit, dass die Treiberschaltung 6 in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls als Stromverstärker aufgebaut ist.The stabilization of the supply voltage V CC independently of the input voltage U 1 by means of the Zener diode 10 as a voltage standard can thus be understood both in the picture in which the transistors 9 . 12 and 14 are voltage controlled, as well as in the picture in which these transistors 9 . 12 and 14 are current-controlled. The consideration of the transistors 9 . 12 and 14 each as a current controlled current amplifier is more uniform in that the driver circuit 6 in the 3 embodiment shown also constructed as a current amplifier.

Die Versorgungsspannung VCC ist über eine weitere Diode vom Typ 1N4007 auf den parallelgeschalteten Kondensator 18 mit einer Kapazität von 330 μF geführt, der als Energiespeicher wirkt. Der Kondensator 22 mit einer Kapazität von 10 nF am linken Rand von 2 ist zum Einen ein Teil der Eingangsspannungspufferung, um transiente Spannungen am Eingang der Versorgungsschaltung 103 zu verringern. Zugleich wirkt dieser Kondensator 22 auch dämpfend auf die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung U1 über dem Steuerelement 4. Damit wird die Treiberschaltung 6 bereits zu einem kleinen Teil von der Aufgabe entlastet, einen solchen Spannungsanstieg auszuregeln.The supply voltage V CC is via a further diode of the type 1N4007 on the parallel-connected capacitor 18 with a capacity of 330 μF, which acts as an energy storage. The capacitor 22 with a capacity of 10 nF at the left edge of 2 is, on the one hand, part of the input voltage buffering, around transient voltages at the input of the supply circuit 103 to reduce. At the same time, this capacitor acts 22 Also a dampening effect on the rate of rise of the voltage U 1 over the control 4 , This will be the driver circuit 6 already relieved to a small extent of the task of correcting such a voltage increase.

3 zeigt eine Treiberschaltung 6 eines Steuermoduls 1, die um eine Rückkopplung 7a7h der über dem Steuerelement 4 abfallenden Spannung U1 erweitert ist. Die Treiberschaltung 6 bezieht ihre Versorgungsspannung aus dem über die Versorgungsschaltung 103 aufgeladenen Kondensator 18, dem zwecks Glättung noch zwei weitere Kondensatoren mit Kapazitäten von jeweils 100 nF parallel geschaltet sind. Die Treiberschaltung 6 hat eine Fotodiode vom Typ S472P/SFH 205 FA als Eingang 2 für das optische Steuersignal 3. Diese Fotodiode befindet sich in der Mitte eines aus zwei Widerständen mit Widerstandswerten von 100 kΩ bzw. 1 MΩ bestehenden Spannungsteilers zwischen der Versorgungsspannung VCC und dem Massepotential des Steuermoduls 1. Die Fotodiode wandelt das Steuersignal 3 in einen Eingangsstrom um. Dieser Eingangsstrom Iin wird in einer ersten stromverstärkenden Darlington-Verstärkerstufe 19 mit zwei Bipolartransistoren vom Typ BC847 zunächst verstärkt. Er durchläuft anschließend einen als Schmitt-Trigger ausgebildeten Diskretisierer 21 mit zwei NPN-Bipolartransistoren vom Typ BC847. Der Strom IV, der aus dem Diskretisierer IV austritt, nimmt nur noch einen von zwei möglichen Werten an. Einer dieser Werte entspricht der Anweisung, das Steuermodul 1 im Stromkreis A-B für die Hochspannung U0 zu einer Unterbrechung zu machen, und der andere dieser Werte entspricht umgekehrt der Anweisung, das Steuermodul 1 in diesem Stromkreis A-B zu einem Durchgang zu machen. Der Strom IV wird über einen Stromspiegel 24 mit zwei PNP-Bipolartransistoren vom Typ BC857 einer Endstufe 20 zugeführt, die eine verstärkte Gatespannung als Stellgröße 5 ausgibt. Diese Gatespannung wird dem Gate des, in 3 nicht eingezeichneten, Steuerelements 4 zugeleitet. Rechts neben der Endstufe 20 ist ein weiterer Glättungskondensator mit einer Kapazität von 100 nF für die Versorgungsspannung der Treiberschaltung 6 angeordnet. Innerhalb der Endstufe 20 sind alle NPN-Bipolartransistoren vom Typ BC847, alle PNP-Bipolartransistoren vom Typ BC857 und alle Dioden vom Typ 1N4148W. Der Kondensator innerhalb der Endstufe 20 hat eine Kapazität von 10 nF. 3 shows a driver circuit 6 a control module 1 which is about a feedback 7a - 7h the above the control 4 decreasing voltage U 1 is extended. The driver circuit 6 draws its supply voltage from the via the supply circuit 103 charged capacitor 18 , for the purpose of smoothing two more capacitors with capacities of 100 nF are connected in parallel. The driver circuit 6 has an S472P / SFH 205 FA photodiode as input 2 for the optical control signal 3 , This photodiode is located in the middle of a voltage divider consisting of two resistors with resistance values of 100 kΩ and 1 MΩ between the supply voltage V CC and the ground potential of the control module 1 , The photodiode converts the control signal 3 into an input stream. This input current I in is generated in a first current-boosting Darlington amplifier stage 19 initially amplified with two BC847 bipolar transistors. He then goes through a trained as a Schmitt trigger discretizer 21 with two BC847 NPN bipolar transistors. The current I V , which exits the discretizer I V , assumes only one of two possible values. One of these values corresponds to the instruction, the control module 1 in the circuit AB for the high voltage U 0 to make an interruption, and the other of these values inversely corresponds to the instruction, the control module 1 in this circuit AB to make a passage. The current I V is via a current mirror 24 with two type BC857 PNP bipolar transistors of one final stage 20 fed, the amplified gate voltage as a manipulated variable 5 outputs. This gate voltage will be the gate of, in 3 not drawn, control 4 fed. Right next to the power amp 20 is another smoothing capacitor with a capacity of 100 nF for the supply voltage of the driver circuit 6 arranged. Within the power amp 20 are all BC847 NPN bipolar transistors, all BC857 PNP bipolar transistors, and all 1N4148W type diodes. The capacitor within the power amplifier 20 has a capacity of 10 nF.

Die Spannung U1 fällt zwischen den Abgriffen 7a und 7b ab. Ein Netzwerk 7f aus in Reihe geschalteten Z-Dioden vergleicht die Spannung U1 mit einem vorgegebenem Wert, ab dem die Rückkopplung aktiv wird. Ist dieser vorgegebene Wert überschritten, bricht auch die letzte Z-Diode 7g in diesem Netzwerk 7f durch, so dass durch sie ein Strom fließt und über ihr eine Spannung abfällt. Alle Dioden in dem Netzwerk 7f mit Ausnahme der Diode 7g sind vom Typ BZX79875. Die Diode 7g ist vom Typ BZX79820.The voltage U 1 falls between the taps 7a and 7b from. A network 7f from serially connected Z-diodes compares the voltage U 1 with a predetermined value, from which the feedback is active. If this predetermined value is exceeded, breaks the last Z-diode 7g in this network 7f through, so that through them a current flows and above it a voltage drops. All diodes in the network 7f with the exception of the diode 7g are of the type BZX79875. The diode 7g is of the type BZX79820.

Die über der Diode 7g abfallende Spannung greift nun an mehreren Stellen in die Treiberschaltung 6 ein. Zunächst einmal wird sie über die Diode 23 vom Typ 1N4148 unmittelbar additiv der Stellgröße 5 zugeschlagen. Der IGBT als Steuerelement 4 ist so aufgebaut, dass er um so leitfähiger ist, je höher die Gatespannung ist. Eine Erhöhung der Stellgröße 5 bewirkt also, dass das Steuerelement 4 leitfähiger wird, so dass wiederum die über ihm abfallende Spannung U1 abnimmt.The over the diode 7g decreasing voltage now accesses the driver circuit at several places 6 one. First of all, it will go over the diode 23 Type 1N4148 directly additively of the manipulated variable 5 slammed shut. The IGBT as a control 4 is designed to be more conductive the higher the gate voltage is. An increase in the manipulated variable 5 So that causes the control 4 becomes more conductive, so that in turn decreases the voltage drop across it U 1 .

Zugleich wird über die Zusatzschaltung 7c der Ausgang der Endstufe 20, und damit der Treiberschaltung 6, gegen Masse hochohmig geschaltet. Dadurch wird die zusätzlich auf das Gate des Steuerelements 4 aufgebrachte Ladung dort eingeschlossen, so dass kein ständiger zusätzlicher Strom erforderlich ist, um die erhöhte Stellgröße 5 am Gate dauerhaft zu halten. Die Rückkopplung 7a7h muss also nicht gegen die eigentliche Treiberschaltung 6 ankämpfen. Nach dem Stand der Technik gilt ein solcher Zustand bei Treiberschaltungen 6 für das Gate eines Steuerelements 4 als unerwünscht, da dann störende Einkopplungen von Spannungen, leicht das Verhalten des Steuerelements 4 definieren können. Beispielsweise kann das Potential an einem isolierten Gate eines Leistungshalbleiters durch kapazitive Einkopplung der über dem Leistungshalbleiter abfallenden und sich zeitlich ändernden Blockierspannung beeinflusst werden. In der Zusatzschaltung 7c ist der NPN-Bipolartransistor vom Typ BC847 und die beiden PNP-Bipolartransistoren sind vom Typ BC857.At the same time, the additional circuit 7c the output of the power amplifier 20 , and thus the driver circuit 6 , switched to ground high impedance. This will additionally affect the gate of the control 4 applied charge there included, so that no continuous additional power is required to the increased manipulated variable 5 to hold at the gate permanently. The feedback 7a - 7h So it does not have to be against the actual driver circuit 6 fight. According to the prior art, such a state applies to driver circuits 6 for the gate of a control 4 as undesirable, because then disturbing couplings of voltages, easily the behavior of the control 4 can define. By way of example, the potential at an insulated gate of a power semiconductor can be influenced by capacitive coupling of the blocking voltage dropping across the power semiconductor and changing over time. In the additional circuit 7c is the type BC847 NPN bipolar transistor and the two PNP bipolar transistors are of type BC857.

Um in der Treiberschaltung 6 einen definierten Zustand herzustellen, wird weiterhin durch die über der letzten Z-Diode 7g abfallende Spannung der Transistor 7h vom Typ BC847 leitend geschaltet. Dadurch wird der Punkt in der Endstufe 20, an dem der aus dem optischen Steuersignal 3 erzeugte Strom Iin eigentlich erstmals verstärkt werden sollte, mit Masse verbunden und die Endstufe 20 somit wirkungslos geschaltet. Das Steuersignal 3 wird somit in dem Sinne unterdrückt, dass die Treiberschaltung 6 hierauf nicht mehr reagiert.In the driver circuit 6 to establish a defined state continues through the over the last Zener diode 7g decreasing voltage of the transistor 7h switched on type BC847. This will be the point in the final stage 20 at which the from the optical control signal 3 current I generated in the first time should be reinforced actually connected to ground and the output stage 20 thus ineffective. The control signal 3 is thus suppressed in the sense that the driver circuit 6 not react to this.

Die Beschaltungswiderstände des Transistors 7h sowie der Transistoren in den Verstärkerstufen 19 und 20, im Schmitt-Trigger 21 und in der Zusatzschaltung 7c bestimmen die jeweiligen Verstärkungsfaktoren bzw. die diskreten Werte für den Strom IV ausgangsseitig des Schmitt-Triggers 21. Die Werte dieser Beschaltungswiderstände sind für die jeweilige Anwendung und insbesondere für das konkret ausgewählte Steuerelement 4 spezifisch und werden daher aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht mit angegeben.The circuit resistances of the transistor 7h and the transistors in the amplifier stages 19 and 20 , in the Schmitt trigger 21 and in the additional circuit 7c determine the respective gain factors or the discrete values for the current I V output side of the Schmitt trigger 21 , The values of these circuit resistors are for the respective application and in particular for the specifically selected control element 4 specifically and are therefore not given for reasons of clarity here.

4 zeigt eine alternative Ausführungsform des Steuermoduls 1. Im Unterschied zur in 3 gezeigten Treiberschaltung 6 sind die Rückkopplung 7 und die Ansteuerung der Treiberschaltung 6 hier in einer Regelschleife 71 vereint. Diese Regelschleife 71 erhält über den Abgriff 7a die Spannung U1, die über dem Steuerelement 4 abfällt, und regelt diese Spannung U1 abhängig vom Ansteuersignal 3 auf einen von zwei Sollwerten: Wenn gemäß Ansteuersignal 3 durch das Steuermodul 1 eine Unterbrechung im durch die Hochspannung U0 getriebenen Stromkreis A-B geschaffen werden soll, entspricht der Sollwert der vorgesehenen Blockierspannung des Steuerelements 4. Wenn gemäß Ansteuersignal 3 hingegen ein Durchgang in dem Stromkreis A-B geschaffen werden soll, ist der Sollwert nahe Null. Die Regelschleife 71 übergibt der Treiberschaltung 6, die hier als einfacher Verstärker ausgebildet ist, einen Stellgrößenwert. Dieser wird vom Verstärker 6 in die Stellgröße 5 für das Gate des Steuerelements 4 umgewandelt. Dabei berücksichtigt die Regelschleife 71 automatisch die harte Randbedingung, dass die Spannung U1 nicht größer werden darf als die maximale Blockierspannung des Steuerelements 4. 4 shows an alternative embodiment of the control module 1 , Unlike in 3 shown driver circuit 6 are the feedback 7 and the drive of the driver circuit 6 here in a control loop 71 united. This control loop 71 gets over the tap 7a the voltage U 1 , which is above the control 4 drops, and regulates this voltage U 1 depending on the drive signal 3 to one of two setpoints: if according to control signal 3 through the control module 1 an interruption in driven by the high voltage U 0 circuit AB is to be created, corresponds to the desired value of the intended blocking voltage of the control 4 , If according to control signal 3 however, a passage in the circuit AB is to be created, the setpoint is close to zero. The control loop 71 passes the driver circuit 6 , which is designed here as a simple amplifier, a manipulated variable value. This one is from the amplifier 6 into the manipulated variable 5 for the gate of the control 4 transformed. The control loop takes this into account 71 automatically the hard boundary condition that the voltage U 1 must not be greater than the maximum blocking voltage of the control 4 ,

5 zeigt eine räumliche Aufteilung des Steuermoduls 1, die insbesondere im Hinblick auf eine optische Ansteuerung mit einem zentralen Sender 30 vorteilhaft ist. Die Treiberschaltung 6 mit dem Eingang 2 für das optische Ansteuersignal 3 ist hier auf einer ersten Platine 61 angeordnet. Die Leistungshalbleiter als Steuerelemente 4 sind auf einer zweiten Platine 41 angeordnet. Beide Platinen 61 und 41 sind übereinander angeordnet und über einen Steckverbinder 42 miteinander verbunden. Dabei weisen die bis auf den Steckverbinder 42 unbestückten Seiten der Platinen 61 und 41 aufeinander zu. Der Vorteil dieser dreidimensionalen Anordnung ist, dass das Steuermodul 1 in der Ebene der Platine 61 weniger Platz beansprucht. In einem zweidimensionalen Array in einer Ebene können somit mehr Steuermodule 1 untergebracht und von einem zentralen Sender 30 gleichzeitig optisch angesteuert werden. 5 shows a spatial distribution of the control module 1 , in particular with regard to an optical control with a central transmitter 30 is advantageous. The driver circuit 6 with the entrance 2 for the optical drive signal 3 is here on a first board 61 arranged. The power semiconductors as controls 4 are on one second board 41 arranged. Both boards 61 and 41 are stacked and over a connector 42 connected with each other. They point to the connector 42 unpopulated sides of the boards 61 and 41 towards each other. The advantage of this three-dimensional arrangement is that the control module 1 in the plane of the board 61 takes less space. In a two-dimensional array in a plane can thus more control modules 1 housed and from a central transmitter 30 simultaneously optically controlled.

Dies ist in 6a näher dargestellt. Hier ist eine Vielzahl von Steuermodulen 1, von denen aus der in 6a gewählten Perspektive jeweils nur die Treiberschaltungen 6 auf den Platinen 61 sichtbar sind, in einem gemeinsamen Gehäuse 62 angeordnet, das durch regelmäßige Stege 63 und 64 in beiden Dimensionen der Zeichenebene in ein Array von Fächern unterteilt ist. Jedes dieser Fächer beherbergt ein Steuermodul 1.This is in 6a shown in more detail. Here is a variety of control modules 1 , of which the in 6a selected perspective only the driver circuits 6 on the boards 61 are visible in a common housing 62 arranged by regular footbridges 63 and 64 in both dimensions the drawing plane is divided into an array of compartments. Each of these compartments houses a control module 1 ,

Zu dem Gehäuse 62 gehört der in 6b näher dargestellte Deckel 65, der auch den zentralen Sender 30 beherbergt. Dieser Sender 30 beinhaltet eine mittig im Deckel 65 montierte Lichtquelle 32. Die Innenwand des Deckels 65 ist als diffuser Reflektor 33 ausgebildet, und die Lichtquelle 32 ist so angeordnet, dass sie nicht direkt auf die optischen Eingänge 2 der Steuermodule 1 strahlt, sondern nur über den diffusen Reflektor 33. Wenn der Deckel 65 auf das Gehäuse 62 aufgesetzt ist und die Lichtquelle 32 aktiviert wird, sorgt der diffuse Reflektor 33 dafür, dass sich im gesamten Gehäuse 62 eine gleichmäßige Beleuchtungsstärke einstellt. Alle optischen Eingänge 2 der Steuermodule 1 liefern dann jeweils gleiche Ströme Iin an die Treiberschaltungen 6, so dass idealerweise alle zu den Treiberschaltungen 6 gehörenden Steuerelemente 4 gleichzeitig angesteuert werden und eine Überbeanspruchung einzelner Steuerelemente 4 durch zu hohe abfallende Spannungen U1 vorteilhaft vermieden wird.To the case 62 belongs to the 6b Lid closer illustrated 65 who is also the central transmitter 30 houses. This transmitter 30 includes a center in the lid 65 mounted light source 32 , The inner wall of the lid 65 is as a diffuse reflector 33 trained, and the light source 32 is arranged so that it is not directly on the optical inputs 2 the control modules 1 radiates, but only over the diffuse reflector 33 , If the lid 65 on the case 62 is attached and the light source 32 is activated, ensures the diffuse reflector 33 for that throughout the case 62 sets a uniform illuminance. All optical inputs 2 the control modules 1 then deliver equal currents I in to the driver circuits 6 so ideally all to the driver circuits 6 belonging controls 4 be controlled simultaneously and overuse of individual controls 4 is advantageously avoided by excessively high voltages U 1 .

Typische Lichtleistungen, die von einem Eingang 2 eines Steuermoduls 1 aufgenommen werden, liegen zwischen 5 μW und 30 μW.Typical light output coming from an input 2 a control module 1 are between 5 μW and 30 μW.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Steuermodulcontrol module
22
Eingang des Steuermoduls 1 Input of the control module 1
33
Steuersignalcontrol signal
44
Steuerelement im Steuermodul 1 Control in the control module 1
55
Stellgröße für Steuerelement 4 Control value for control 4
66
Treiberschaltung für Steuerelement 4 Driver circuit for control 4
7, 7a–7h7, 7a-7h
Rückkopplung der Spannung U1 im Steuermodul 1 Feedback of the voltage U 1 in the control module 1
7a, 7b7a, 7b
Abgriff der Spannung U1 für die RückkopplungTapping the voltage U 1 for the feedback
7c7c
Zusatzschaltung zur hochohmigen Schaltung der Endstufe 20 Additional circuit for high-impedance circuit of the power amplifier 20
7d7d
Additive Überlagerung der Rückkopplung auf die Stellgröße 5 Additive superposition of the feedback on the manipulated variable 5
7e7e
Unterdrückung des Steuersignals 3 in der Treiberschaltung 6 Suppression of the control signal 3 in the driver circuit 6
7f7f
Kette von Z-Dioden zur Erkennung zu hoher Spannungen U1 Chain of Z-diodes for detecting too high voltages U 1
7g7g
letzte Z-Diode in der Kette 7f last Z-diode in the chain 7f
7h7h
Transistor für Unterdrückung 7e Transistor for suppression 7e
8a, 8b8a, 8b
Abgriff der Spannung U1 zur Versorgung des Steuermoduls 1 Tapping the voltage U 1 to supply the control module 1
99
Transistortransistor
9a, 9b, 9c9a, 9b, 9c
Basis, Kollektor bzw. Emitter des Transistors 9 Base, collector or emitter of the transistor 9
1010
Z-Diode zur Festlegung der Spannung VS Zener diode for determining the voltage V S
1111
Widerstandsnetzwerk vor Z-Diode 10 Resistor network in front of Zener diode 10
1212
erster Transistor im Stromspiegel 15 first transistor in the current mirror 15
1313
Diodediode
1414
zweiter Transistor im Stromspiegel 15 second transistor in the current mirror 15
1515
Stromspiegelcurrent mirror
1616
Widerstand zwischen Stromspiegel 15 und Massepotential 8b Resistance between current mirror 15 and ground potential 8b
1717
Widerstandsnetzwerk vor Basis 9a Resistor network before base 9a
1818
Kondensator als EnergiespeicherCapacitor as energy storage
1919
stromverstärkende Verstärkerstufe in Treiberschaltung 6 current amplifying amplifier stage in driver circuit 6
2020
Endstufe in Treiberschaltung 6 Power amplifier in driver circuit 6
2121
Diskretisierer in Treiberschaltung 6 Discretizer in driver circuit 6
2222
Kondensatorcapacitor
2323
Diodediode
2424
Stromspiegel in Treiberschaltung 6 Current mirror in driver circuit 6
3030
zentraler Sender für Steuersignal 3 central transmitter for control signal 3
3131
zentrale Steuerung für Steuerelemente 1 central control for controls 1
3232
Lichtquelle des Senders 30 Light source of the transmitter 30
3333
Reflektor des Senders 30 Reflector of the transmitter 30
4141
Platine mit Steuerelementen 4 Board with controls 4
4242
Steckverbinder zwischen Platinen 41 und 61 Connectors between boards 41 and 61
6161
Platine mit der Treiberschaltung 6 Board with the driver circuit 6
6262
Gehäusecasing
63, 6463, 64
Stege im Gehäuse 62 Webs in the housing 62
6565
Deckel des Gehäuses 62 Cover of the housing 62
7171
Regelschleifecontrol loop
9191
regelbarer Vorwiderstandadjustable series resistor
100100
Steuerschaltung aus Steuerelementen 1 Control circuit of controls 1
101101
zentrale Energieversorgung für Steuerelemente 1 central power supply for controls 1
102102
Reihenschaltung der Steuerelemente 1 Series connection of the controls 1
103103
Versorgungsschaltung zur Bildung der Spannung VCC aus U1 Supply circuit for forming the voltage V CC from U 1
A-BFROM
von Hochspannung U0 getriebener Stromkreiscircuit driven by high voltage U 0
IB I B
von Basis 9a abfließender Stromfrom base 9a outgoing electricity
Iin I in
aus optischem Ansteuersignal 3 gebildeter Stromfrom optical drive signal 3 formed stream
IS I S
durch die Spannung VS getriebener Stromcurrent driven by the voltage V S
IV I V
Strom in Treiberschaltung 6 nach dem Diskretisierer 21 Current in driver circuit 6 after the discretizer 21
U0 U 0
gesamte Hochspannung über Steuerschaltung 100 entire high voltage via control circuit 100
U1 U 1
über einzelnem Steuerelement 4 abfallende Spannungover single control 4 falling voltage
VCC V CC
Versorgungsspannung für Treiberschaltung 6 Supply voltage for driver circuit 6
VS V S
vorgegebene Spannung zur Stabilisierung der Basis 9a predetermined voltage to stabilize the base 9a
VR V R
aus der Spannung VS gebildete Referenzspannungfrom the voltage VS formed reference voltage

Claims (23)

Steuermodul (1) zum Modulieren einer Hochspannung U0, umfassend einen Eingang (2) für ein Steuersignal (3) sowie mindestens ein Steuerelement (4), das im durch die Hochspannung U0 getriebenen Stromkreis (A-B) einen Widerstand bildet, dessen Betrag als Funktion einer Stellgröße (5) veränderlich ist, weiterhin umfassend eine Treiberschaltung (6) zur Bildung der Stellgröße (5) aus dem eingangsseitigen Steuersignal (3), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Steuermoduls (1) eine Rückkopplung (7, 7a7h) der über dem Steuerelement (4) abfallenden Spannung U1 vorgesehen ist, die die Stellgröße (5) in Abhängigkeit dieser Spannung U1 ändert, wobei die Treiberschaltung mindestens eine stromgesteuerte Verstärkerstufe (19, 20, 21) für die Rückkopplung (7, 7a7h) umfasst.Control module ( 1 ) for modulating a high voltage U 0 , comprising an input ( 2 ) for a control signal ( 3 ) and at least one control element ( 4 ) Forming a resistor in (with the high voltage U 0-driven circuit AB), (the amount of which as a function of a manipulated variable 5 ) is variable, further comprising a driver circuit ( 6 ) for forming the manipulated variable ( 5 ) from the input-side control signal ( 3 ), characterized in that within the control module ( 1 ) a feedback ( 7 . 7a - 7h ) above the control ( 4 ) decreasing voltage U 1 is provided, the manipulated variable ( 5 ) changes as a function of this voltage U 1 , wherein the driver circuit at least one current-controlled amplifier stage ( 19 . 20 . 21 ) for the feedback ( 7 . 7a - 7h ). Steuermodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (4) mindestens ein Halbleiterbauelement umfasst.Control module ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the control element ( 4 ) comprises at least one semiconductor device. Steuermodul (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement ein Transistor, ein MOSFET oder ein IGBT ist.Control module ( 1 ) according to claim 2, characterized in that the semiconductor component is a transistor, a MOSFET or an IGBT. Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt des Steuerelements (4) so dimensioniert ist, dass das Steuerelement (4) im Linearbetrieb arbeitet und/oder durch die Rückkopplung (7, 7a7h) in den Linearbetrieb überführbar ist.Control module ( 1 ) according to one of claims 2 to 3, characterized in that the operating point of the control ( 4 ) is dimensioned so that the control ( 4 ) operates in linear mode and / or by the feedback ( 7 . 7a - 7h ) can be converted into linear operation. Steuermodul (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement ein Thyristor ist.Control module ( 1 ) according to claim 2, characterized in that the semiconductor component is a thyristor. Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (6) ausgangsseitig eine Spannung als Stellgröße (5) liefert und die Rückkopplung (7, 7a7h) dazu ausgebildet ist, den Ausgang der Treiberschaltung (6) gegen Masse hochohmig zu schalten (7c).Control module ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the driver circuit ( 6 ) on the output side a voltage as a manipulated variable ( 5 ) and the feedback ( 7 . 7a - 7h ) is adapted to the output of the driver circuit ( 6 ) to earth high impedance ( 7c ). Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplung (7, 7a7h) innerhalb der Treiberschaltung (6) einem Signal, aus dem die Stellgröße (5) gebildet wird, überlagert ist (7d).Control module ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the feedback ( 7 . 7a - 7h ) within the driver circuit ( 6 ) a signal from which the manipulated variable ( 5 ) is superimposed ( 7d ). Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang der Treiberschaltung (6) die Rückkopplung (7, 7a7h) dem Steuersignal (3) überlagert ist und/oder die Rückkopplung (7, 7a7h) das Steuersignal (3) unterdrückt (7e).Control module ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that at the input of the driver circuit ( 6 ) the feedback ( 7 . 7a - 7h ) the control signal ( 3 ) is superimposed and / or the feedback ( 7 . 7a - 7h ) the control signal ( 3 ) is suppressed ( 7e ). Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplung (7, 7a7h) dazu ausgebildet ist, die über dem Steuerelement (4) abfallende Spannung U1 unter einem Grenzwert zu halten, und/oder von einem Wert oberhalb dieses Grenzwerts auf oder unter diesen Grenzwert zurückzuführen.Control module ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the feedback ( 7 . 7a - 7h ) is adapted to the above the control ( 4 ) to keep falling voltage U 1 below a limit, and / or due to a value above or above this limit. Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplung (7, 7a7h) die Stellgröße (5) nur ändert, wenn die über dem Steuerelement (4) abfallende Spannung U1 einen vorgegebenen Schwellwert erreicht oder überschreitet.Control module ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the feedback ( 7 . 7a - 7h ) the manipulated variable ( 5 ) only changes when the above the control ( 4 ) falling voltage U 1 reaches or exceeds a predetermined threshold. Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (1) seine Versorgungsspannung VCC aus der über dem Steuerelement (4) abfallenden Spannung U1 bezieht (8a, 8b).Control module ( 1 ) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the control module ( 1 ) its supply voltage V CC from the above the control ( 4 ) decreasing voltage U 1 ( 8a . 8b ). Steuermodul (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Tiefsetzsteller, und/oder mindestens ein regelbarer Vorwiderstand (91), zur Umwandlung der über dem Steuerelement (4) abfallenden Spannung U1 in die Versorgungsspannung VCC des Steuermoduls (1) vorgesehen ist.Control module ( 1 ) according to claim 11, characterized in that at least one buck converter, and / or at least one controllable series resistor ( 91 ), to convert the above the control ( 4 ) dropping voltage U 1 in the supply voltage V CC of the control module ( 1 ) is provided. Steuermodul (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der regelbare Vorwiderstand (91) ein Transistor (9) ist, wobei die Basis (9a) dieses Transistors (9) auf einer vorgegebenen Spannung VS stabilisiert ist und/oder wobei ein Strom IB von der Basis (9a) dieses Transistors (9) zu einem Massepotential (8b) auf einem vorgegebenen Wert IS stabilisiert ist.Control module ( 1 ) according to claim 12, characterized in that the controllable series resistor ( 91 ) a transistor ( 9 ), the base ( 9a ) of this transistor ( 9 ) is stabilized at a predetermined voltage V S and / or wherein a current I B from the base ( 9a ) of this transistor ( 9 ) to a ground potential ( 8b ) is stabilized at a predetermined value I S. Steuermodul (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis des Transistors (9) über mindestens einen weiteren Transistor (12), dessen Basis (12a) mit einer aus der vorgegebenen Spannung VS abgeleiteten Referenzspannung VR vorgespannt ist, und/oder über mindestens einer mit der Differenz zwischen dieser Referenzspannung VR und der vorgegebenen Spannung VS vorgespannte, in Sperrrichtung geschaltete Diode (13), mit einem Massepotential (8b) verbunden ist.Control module ( 1 ) according to claim 13, characterized in that the base of the transistor ( 9 ) via at least one further transistor ( 12 ), whose basis ( 12a ) is biased with a derived from the predetermined voltage V S reference voltage V R , and / or at least one biased with the difference between this reference voltage V R and the predetermined voltage V S , reverse-biased diode ( 13 ), with a ground potential ( 8b ) connected is. Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom von der Basis (9a) des Transistors (9), der als regelbarer Vorwiderstand (91) dient, zum Massepotential (8b) durch einen Stromspiegel (15) aus zwei Bipolartransistoren (12, 14) gesteuert ist, wobei der Steuerstrom IS dieses Stromspiegels (15) durch denjenigen Strom gebildet ist, den die vorgegebene Spannung VS, und/oder eine hieraus abgeleitete Referenzspannung VR, durch einen vorgegebenen Widerstand (16) zum Massepotential (8b) treibt.Control module ( 1 ) according to one of claims 13 to 14, characterized in that a stream from the base ( 9a ) of the transistor ( 9 ), which can be used as a controllable series resistor ( 91 ), to the ground potential ( 8b ) by a current mirror ( 15 ) of two bipolar transistors ( 12 . 14 ), wherein the control current I S of this current mirror ( 15 ) is formed by the current which the predetermined voltage V S , and / or a reference voltage V R derived therefrom, by a predetermined resistance ( 16 ) to the ground potential ( 8b ) drives. Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsteiler aus einem Widerstandsnetzwerk (11) und einer in Sperrrichtung gepolten Z-Diode (10) zur Erzeugung der vorgegebenen Spannung VS aus der über dem Steuerelement (4) abfallenden Spannung U1 vorgesehen ist.Control module ( 1 ) according to one of claims 13 to 15, characterized in that a voltage divider from a resistor network ( 11 ) and a reverse polarity Zener diode ( 10 ) for generating the predetermined voltage V S from the above the control ( 4 ) decreasing voltage U 1 is provided. Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung VCC des Steuermoduls (1) über einen parallelgeschalteten Energiespeicher (18) geführt ist.Control module ( 1 ) according to one of claims 1 to 16, characterized in that the supply voltage V CC of the control module ( 1 ) via a parallel-connected energy store ( 18 ) is guided. Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang (2) zur Umwandlung eines optischen Steuersignals (3) in ein elektrisches Signal für die Treiberschaltung (6) ausgebildet ist.Control module ( 1 ) according to one of claims 1 to 17, characterized in that the input ( 2 ) for converting an optical control signal ( 3 ) into an electrical signal for the driver circuit ( 6 ) is trained. Steuermodul (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang (2) zur Umwandlung des optischen Steuersignals (3) in einen Strom Iin ausgebildet ist und dass die Treiberschaltung (6) eine erste Verstärkerstufe (19) für diesen Strom Iin sowie eine Endstufe (20) zur Umwandlung des verstärkten Stroms IV in eine weiter verstärkte Ausgangsspannung als Stellgröße (5) aufweist.Control module ( 1 ) according to claim 18, characterized in that the entrance ( 2 ) for converting the optical control signal ( 3 ) is formed in a current I in and that the driver circuit ( 6 ) a first amplifier stage ( 19 ) for this current I in and a final stage ( 20 ) for converting the amplified current I V into a further amplified output voltage as manipulated variable ( 5 ) having. Steuermodul (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die erste Verstärkerstufe (19) und die Endstufe (20) ein Diskretisierer (21) für den verstärkten Strom IV geschaltet ist.Control module ( 1 ) according to claim 19, characterized in that between the first amplifier stage ( 19 ) and the final stage ( 20 ) a discretizer ( 21 ) is switched for the amplified current I V. Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplung (7) als Regelschleife (71) für die über dem Steuerelement (4) abfallende Spannung U1 ausgebildet ist, wobei der Sollwert dieser Regelschleife (71) durch das eingangsseitige Steuersignal (3) veränderbar ist.Control module ( 1 ) according to one of claims 1 to 20, characterized in that the feedback ( 7 ) as a control loop ( 71 ) for the above the control ( 4 ) falling voltage U 1 is formed, wherein the setpoint of this control loop ( 71 ) by the input-side control signal ( 3 ) is changeable. Steuerschaltung (100) zum Modulieren einer Hochspannung U0, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihenschaltung (102) aus mindestens zwei Steuermodulen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21 in den durch die Hochspannung U0 getriebenen Stromkreis (A-B) geschaltet ist.Control circuit ( 100 ) for modulating a high voltage U 0 , characterized in that a series circuit ( 102 ) from at least two control modules ( 1 ) is connected according to one of claims 1 to 21 in the driven by the high voltage U 0 circuit (AB). Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21 oder Steuerschaltung (100) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (1) oder die Steuerschaltung (100) als Schalter ausgebildet ist.Control module ( 1 ) according to one of claims 1 to 21 or control circuit ( 100 ) according to claim 22, characterized in that the control module ( 1 ) or the control circuit ( 100 ) is designed as a switch.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE2814836A1 (en) * 1977-04-13 1978-10-19 Westinghouse Electric Corp ELECTROSTATIC DC SWITCHING CIRCUIT WITH IMPROVED EFFICIENCY
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DE102013009781A1 (en) * 2012-12-18 2014-06-18 Joachim Baum Arrangement of semiconductor actuator e.g. N-channel MOSFET connected to power supply gate control stage, has semiconductor actuator whose output side is connected to input side of power supply unit in series

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