DE102015013931A1 - Feedback control module for modulating a high voltage - Google Patents
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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 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:
Jedes Steuermodul
Weiterhin sind auch die Eingänge
Jedes Steuermodul
Die Versorgungsspannung VCC wird von einem NPN-Bipolartransistor
Ein Widerstandsnetzwerk
Zugleich erzeugt die vorgegebene Spannung VS auch einen Strom IS, der über den aus den PNP-Bipolartransistoren
Die Transistoren
Die Stabilisierung der Versorgungsspannung VCC unabhängig von der Eingangsspannung U1 mit Hilfe der Z-Diode
Die Versorgungsspannung VCC ist über eine weitere Diode vom Typ 1N4007 auf den parallelgeschalteten Kondensator
Die Spannung U1 fällt zwischen den Abgriffen
Die über der Diode
Zugleich wird über die Zusatzschaltung
Um in der Treiberschaltung
Die Beschaltungswiderstände des Transistors
Dies ist in
Zu dem Gehäuse
Typische Lichtleistungen, die von einem Eingang
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Steuermodulcontrol module
- 22
-
Eingang des Steuermoduls
1 Input of the control module1 - 33
- Steuersignalcontrol signal
- 44
-
Steuerelement im Steuermodul
1 Control in the control module1 - 55
-
Stellgröße für Steuerelement
4 Control value forcontrol 4 - 66
-
Treiberschaltung für Steuerelement
4 Driver circuit forcontrol 4 - 7, 7a–7h7, 7a-7h
-
Rückkopplung der Spannung U1 im Steuermodul
1 Feedback of the voltage U 1 in the control module1 - 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 thepower amplifier 20 - 7d7d
-
Additive Überlagerung der Rückkopplung auf die Stellgröße
5 Additive superposition of the feedback on the manipulatedvariable 5 - 7e7e
-
Unterdrückung des Steuersignals
3 in der Treiberschaltung6 Suppression of thecontrol signal 3 in thedriver 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 thechain 7f - 7h7h
-
Transistor für Unterdrückung
7e Transistor forsuppression 7e - 8a, 8b8a, 8b
-
Abgriff der Spannung U1 zur Versorgung des Steuermoduls
1 Tapping the voltage U 1 to supply the control module1 - 99
- Transistortransistor
- 9a, 9b, 9c9a, 9b, 9c
-
Basis, Kollektor bzw. Emitter des Transistors
9 Base, collector or emitter of thetransistor 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 ofZener diode 10 - 1212
-
erster Transistor im Stromspiegel
15 first transistor in thecurrent mirror 15 - 1313
- Diodediode
- 1414
-
zweiter Transistor im Stromspiegel
15 second transistor in thecurrent mirror 15 - 1515
- Stromspiegelcurrent mirror
- 1616
-
Widerstand zwischen Stromspiegel
15 und Massepotential8b Resistance betweencurrent mirror 15 and ground potential8b - 1717
-
Widerstandsnetzwerk vor Basis
9a Resistor network beforebase 9a - 1818
- Kondensator als EnergiespeicherCapacitor as energy storage
- 1919
-
stromverstärkende Verstärkerstufe in Treiberschaltung
6 current amplifying amplifier stage indriver circuit 6 - 2020
-
Endstufe in Treiberschaltung
6 Power amplifier indriver circuit 6 - 2121
-
Diskretisierer in Treiberschaltung
6 Discretizer indriver circuit 6 - 2222
- Kondensatorcapacitor
- 2323
- Diodediode
- 2424
-
Stromspiegel in Treiberschaltung
6 Current mirror indriver circuit 6 - 3030
-
zentraler Sender für Steuersignal
3 central transmitter forcontrol signal 3 - 3131
-
zentrale Steuerung für Steuerelemente
1 central control for controls1 - 3232
-
Lichtquelle des Senders
30 Light source of thetransmitter 30 - 3333
-
Reflektor des Senders
30 Reflector of thetransmitter 30 - 4141
-
Platine mit Steuerelementen
4 Board withcontrols 4 - 4242
-
Steckverbinder zwischen Platinen
41 und61 Connectors betweenboards 41 and61 - 6161
-
Platine mit der Treiberschaltung
6 Board with thedriver circuit 6 - 6262
- Gehäusecasing
- 63, 6463, 64
-
Stege im Gehäuse
62 Webs in thehousing 62 - 6565
-
Deckel des Gehäuses
62 Cover of thehousing 62 - 7171
- Regelschleifecontrol loop
- 9191
- regelbarer Vorwiderstandadjustable series resistor
- 100100
-
Steuerschaltung aus Steuerelementen
1 Control circuit of controls1 - 101101
-
zentrale Energieversorgung für Steuerelemente
1 central power supply for controls1 - 102102
-
Reihenschaltung der Steuerelemente
1 Series connection of the controls1 - 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 Stromfrombase 9a outgoing electricity - Iin I in
-
aus optischem Ansteuersignal
3 gebildeter Stromfromoptical 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 Diskretisierer21 Current indriver circuit 6 after thediscretizer 21 - U0 U 0
-
gesamte Hochspannung über Steuerschaltung
100 entire high voltage viacontrol circuit 100 - U1 U 1
-
über einzelnem Steuerelement
4 abfallende Spannungoversingle control 4 falling voltage - VCC V CC
-
Versorgungsspannung für Treiberschaltung
6 Supply voltage fordriver circuit 6 - VS V S
-
vorgegebene Spannung zur Stabilisierung der Basis
9a predetermined voltage to stabilize thebase 9a - VR V R
- aus der Spannung VS gebildete Referenzspannungfrom the voltage VS formed reference voltage
Claims (23)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015013931.2A DE102015013931A1 (en) | 2015-10-28 | 2015-10-28 | Feedback control module for modulating a high voltage |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015013931.2A DE102015013931A1 (en) | 2015-10-28 | 2015-10-28 | Feedback control module for modulating a high voltage |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102015013931A1 true DE102015013931A1 (en) | 2017-05-04 |
Family
ID=58545448
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102015013931.2A Withdrawn DE102015013931A1 (en) | 2015-10-28 | 2015-10-28 | Feedback control module for modulating a high voltage |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102015013931A1 (en) |
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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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- 2015-10-28 DE DE102015013931.2A patent/DE102015013931A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: MAIWALD PATENTANWALTS GMBH, DE Representative=s name: MAIWALD PATENTANWALTS- UND RECHTSANWALTSGESELL, DE |
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R163 | Identified publications notified | ||
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