DE3630775A1

DE3630775A1 - Mosfet-hochspannungsschalter mit extrem kurzer schaltzeit

Info

Publication number: DE3630775A1
Application number: DE19863630775
Authority: DE
Inventors: Frank Behlke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-09-10
Filing date: 1986-09-10
Publication date: 1988-03-24
Also published as: DE3630775C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen MOSFET-Hochspannungsschalter mit extrem kurzer Schaltzeit, bei dem eine Vielzahl von MOSFET bezüglich ihrer Drain-Source-Strecken in Serie geschaltet sind und die MOSFET weitgehend unabhängig von deren Anzahl sowohl besonders niederimpedant als auch galvanisch hochisoliert angesteuert werden.

Schalter dieser Art können Gleichspannungen schalten, deren höchst möglicher Wert der Summe der Durchbruchsspannungen aller in Serie liegenden MOSFET entspricht. Zum Schalten von positiven und negativen Spannungen, zum Einsatz in Gegentakt- und Brückenschaltapplikationen sowie aus Sicherheitsgründen ist eine galvanisch isolierte Ansteuerung der MOSFET erforderlich. Trotzdem muß im Interesse kurzer Schaltzeiten eine möglichst niederimpedante Steuersignalübertragung gewährleistet sein.

Es ist bekannt, daß sich in Serie liegende MOSFET durch einen Impuls übertrager galvanisch isoliert ansteuern lassen, bei dem die Primär seite aus einer Wicklung, und die Sekundärseite aus so vielen Wicklungen besteht, wie MOSFET anzusteuern sind (European Patent Application, Nr. 00 48 758, Fig. 1).

Ein Nachteil des beschriebenen Impulsübertragers besteht darin, daß die Scheinwiderstände der einzelnen Sekundärwicklungen um so größer werden, je höher die Belastung des Impulsübertragers wird, also je mehr MOSFET an diesen angeschlossen werden. Da aber die Schaltzeit eines MOSFET im wesentlichen durch seinen Eingangskapazität und die Impedanz seiner Steuerspannungsquelle bestimmt wird, ist zum Beispiel die Einschaltan stiegszeit eines Schalters mit einer Vielzahl von in Serie liegenden MOSFET und solcher Impulsübertragung vergleichsweise lang. Ein weiterer Nachteil, insbesondere bei Betriebsspannungen ab einigen Kilovolt, be steht in der aufwendigen Isolation der einzelnen Wicklungen gegenein ander.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weitgehend unabhängig von der Anzahl der in Serie liegenden MOSFET, diese mit geringem Aufwand sowohl besonders niederimpedant als auch galvanisch hochisoliert anzusteuern, und dabei eine Einschaltanstiegszeit des Schalters in der Größenordnung von 1 Nanosekunde je 1 Kilovolt Nennspannung bei ohmscher Last zu er zielen. Die Erfindung ist beispielsweise bei der elektrooptischen Güte schaltung von Lasern oder bei Flugzeit-Massenspektrometern mit gepuls ten Ablenk- und Beschleunigungsgittern anwendbar.

Die Aufgabe wird gelöst durch die folgenden Merkmale:

a) jedem MOSFET ist zur Ansteuerung seines Steueranschlusses jeweils ein eigener Ferritringkern-Impulsübertrager zugeordnet, dessen Se kundärkreis zwischen den Steueranschluß und den Sourceanschluß des entsprechenden MOSFET geschaltet ist,
b) die Primärkreise der Impulsübertrager liegen in Serie und werden von einer einzigen, durchgehend für Hochspannung isolierten Leitung ge bildet, welche einmal durch sämtliche Ringkerne der Impulsübertrager geführt ist,
c) der Anfang der Leitung ist mit dem Drainanschluß eines Treiber-MOSFET verbunden, und das Ende der Leitung liegt an der Klemme einer Hilfs spannungsquelle.

Die Erfindung wird anhand dreier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 die Impulsübertrager der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel und

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel.

Bei dem Schalter nach Fig. 1 sind mindestens drei Leistungs-MOSFET T 1, T 2, T 3 in Serie geschaltet, wobei jeweils der Drainanschluß D des vor hergehenden MOSFET mit dem Sourceanschluß S des darauffolgenden MOSFET verbunden ist. Die MOSFET T 1, JT 2, T 3 werden jeweils durch eigene Ferrit ringkern-Impulsübertrager Ü _A angesteuert, deren Sekundärkreise W _S zwischen die Steueranschlüsse G und die Sourceanschlüsse S der ent sprechenden MOSFET geschaltet sind, und zwar so, daß der Sekundärkreis- Anfang am Sourceanschluß S liegt. Die Sekundärkreise W _S bestehen aus ein oder zwei Windungen ohne besondere Isolation, da diese bereits durch die räumliche Trennung der Ringkerne K und die spezielle Gestal tung der Primärkreise W _p gegeben ist. Die Primärkreise W _p liegen in Serie und werden von einer einzigen, durchgehend für Hochspannung iso lierten Leitung L _A gebildet, welche einmal durch sämtliche Ringkerne K der Impulsübertrager Ü _A geführt ist. Diese Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Die Leitung L _A ist vorzugsweise Teflon-isoliert, wodurch sich leicht einige zehn Kilovolt Isolationsspannung bei wenigen Milli metern Leitungs-Außendurchmesser erreichen lassen. Der Anfang der Lei tung L _A, also der Anfang des ersten Primärkreises W _p ist mit dem Drain anschluß D eines Treiber-MOSFET T _A elektrisch leitend verbunden, welcher mit seinem Steueranschluß G an einer Eingangsklemme E _A und mit seinem Sourceanschluß S an Masse liegt. Das Ende der Leitung L _A ist mit der Klemme einer Hilfsspannungsquelle U _H verbunden, welche eine positive Spannung liefert.

Wird an die Eingangsklemme E _A ein positiver Spannungsimpuls mit einer Amplitude von größenordnungsmäßig 10 Volt angelegt, so schaltet der Treiber-MOSFET T _A ein, und durch die in Serie liegenden Primärkreise W _p fließt ein impulsförmiger Strom. Der Verlauf und die Anstiegssteilheit des Stromes sind in allen Primärkreisen W _p gleich. Dadurch werden zeit lich gleich in allen Sekundärkreisen W _S Spannungsimpulse induziert, welche die Eingangskapazitäten C _gs der MOSFET T 1, T 2, T 3 aufladen, und so das synchrone Einschalten der MOSFET bewirken. Voraussetzung für ein schnelles und zuverlässiges Einschalten ist, daß die Hilfsspannungsquel le U _H eine Spannung von etwa 10 Volt je MOSFET liefert, und daß der Steuerspannungsimpuls an der Eingangsklemme E _A eine Anstiegszeit von weniger als 10 Nanosekunden aufweist.

Bei einem Schalter mit drei MOSFET von je 900 Volt Sperrspannung und einer Eingangskapazität von je 1,2 Nanofarad läßt sich eine Einschalt anstiegszeit von 3 bis 2 Nanosekunden erzielen, vorausgesetzt die Last ist ein ohmscher Widerstand. Wie durch MOSFET Tn angedeutet, können weitere MOSFET in Serie geschaltet werden. Dabei nimmt die Einschalt anstiegszeit des Schalters nur unwesentlich zu, da den MOSFET jeweils eigene Steuerspannungsquellen in Form der niederimpedanten Impulsüber trager Ü _A zugeordnet sind.

Die Einschaltdauer des Schalters nach Fig. 1 ist durch die Spannungs zeitfläche der Impulsübertrager Ü _A fest vorgegeben und liegt in der Größenordnung von 100 Nanosekunden. Ist eine längere Einschaltdauer er forderlich, so kann der Schalter geringfügig abgewandelt werden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Dieser Schalter weist zusätzliche Dioden V auf, welche jeweils zwischen den Steueranschlüssen G der MOSFET T 1, T 2, T 3 und den Sekundärkreisen W _S der Impulsübertrager Ü _A liegen, und bezüglich der induzierten Steuerspannung in Durchlaßrichtung gepolt sind. Weiterhin ist zwischen die Steueranschlüsse G und die Sourcean schlüsse S der MOSFET T 1, T 2, T 3 jeweils ein Widerstand R geschaltet. Werden in den Sekundärkreisen W _S Spannungsimpulse induziert so gelangen diese über die Dioden V an die Steueranschlüsse G der MOSFET T 1, T 2, T 3 und laden deren Eingangskapazitäten C _gs auf. Infolgedessen schaltet der Schalter ein. Bei nachlassender Impulsamplitude verhindern die dann gesperrten Dioden V einen Ladungsausgleich in den Eingangs kapazitäten C _gs über die Sekundärkreise W _S, so daß die Eingangskapazi täten C _gs nur durch die parallel liegenden Widerstände R entladen wer den. Das Abschalten des Schalters erfolgt erst dann, wenn in Folge der Entladung der Eingangskapazitäten C _gs durch die Widerstände R die Schwellenspannung der MOSFET T 1, T 2, T 3 unterschritten wird. Die Ein schaltdauer des Schalters kann somit durch den Wert der Widerstände R bestimmt werden, wobei der Wert aber nicht so hoch bemessen sein darf, daß zum Beispiel durch Leckströme an den MOSFET-Anschlüssen der Schal ter ungewollt einschaltet. Eine zusätzliche Möglichkeit zur Variation der Einschaltdauer besteht darin, daß die Eingangskapazitäten C _gs durch weitere Spannungsimpulse nachgeladen werden, bevor die Schwellenspan nung der MOSFET T 1, T 2, T 3 unterschritten wird. Auf diese Weise läßt sich auch eine unendlich lange Einschaltdauer erzielen.

Bei dem Schalter nach Fig. 3 ist die Ausschaltphase verhältnismäßig lang, da durch die Widerstände R die Eingangskapazitäten C _gs nur lang sam entladen werden. Um den Schalter zu einem beliebigen Zeitpunkt etwa ebenso schnell auszuschalten wie einzuschalten, können die Eingangs kapazitäten C _gs der MOSFET T 1, T 2, T 3 durch zusätzliche Hilfs-MOSFET T _H in kürzerer Zeit entladen werden, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Dabei sind jeweils die Drainanschlüsse D der Hilfs-MOSFET T _H mit den Steueranschlüssen G der MOSFET T 1, T 2, T 3 verbunden. Die Sourceanschlüsse S der MOSFET T 1, T 2, T 3 und der zugeordneten Hilfs-MOSFET T _H sind untereinander verbunden. Die Hilfs-MOSFET T _H werden durch jeweils eigene Impulsübertrager Ü _B angesteuert, deren Sekundärkreise W _S zwischen die Steueranschlüsse G und die Sourceanschlüsse S der entsprechenden Hilfs-MOSFET geschaltet sind, und war so, daß der Sekundärkreis-Anfang am Sourceanschluß S liegt. Die Sekundärkreise W _S der Impulsübertrager Ü _B bestehen aus ein- oder zwei Windungen ohne besondere Isolationsmaß nahmen. Die Primärkreise W _P der Impulsübertrager Ü _B liegen in Serie und werden von einer einzigen, durchgehend für Hochspannung isolierten Lei tung L _B gebildet, welche einmal durch sämtliche Ringkerne K der Impuls übertrager Ü _B geführt ist. Die Leitung L _B ist ebenso wie die Leitung L _A vorzugsweise Teflon-isoliert. Der Anfang des ersten Primärkreises W _P der Impulsübertrager Ü _B ist mit dem Drainanschluß D eines Treiber-MOSFET T _B verbunden, welcher mit seinem Steueranschluß G an einer Eingangs klemme E _B und mit seinem Sourceanschluß S an Masse liegt. Das Ende des letzten Primärkreises W _P ist an die Klemme der Hilfsspannungsquelle U _H angeschlossen.

Wurde der Schalter vorher durch einen oder mehrere Spannungsimpulse an der Eingangsklemme E _A eingeschaltet, so kann er durch einen weiteren Spannungsimpuls an der Eingangsklemme E _B in kurzer Zeit wieder ausge schaltet werden. Dabei wird durch den Spannungsimpuls an der Eingangs klemme E _B der Treiber-MOSFET T _B leitend gesteuert, und in den Primär kreisen W _P der Impulsübertrager Ü _B fließt ein impulsförmiger Strom. Infolgedessen werden in den Sekundärkreisen W _S der Impulsübertrager Ü _B Spannungsimpulse induziert, die an die Steueranschlüsse G der Hilfs- MOSFET T _H gelangen, und deren Einschalten bewirken. Die eingeschalteten Hilfs-MOSFET T _H entladen dann über ihre niederohmigen Drain-Source- Strecken die Eingangskapazitäten C _gs der MOSFET T 1, T 2, T 3, was zur Folge hat, daß die MOSFET T 1, T 2, T 3 abschalten. Die Einschaltdauer der Hilfs-MOSFET T _H wird durch die Spannungszeitfläche der Impulsüber trager Ü _B vorgegeben und liegt etwa bei 100 Nanosekunden. Während die ser Zeit werden Störspannungen an den Steueranschlüssen G der MOSFET T 1, T 2, T 3 wirksam unterdrückt, die beispielsweise von schnellen Last spannungsänderungen hervorgerufen und durch parasitäre Kapazitäten auf die Steueranschlüsse G der MOSFET T 1, T 2, T 3 übertragen werden. Auf grund dieser Störspannungsfestigkeit lassen sich mit dem Schalter nach Fig. 4 auch schnelle Gegentakt-und Brückenschaltungen für Hochspan nung realisieren.

Claims

1. MOSFET-Hochspannungsschalter mit extrem kurzer Schaltzeit, bei dem eine Vielzahl von MOSFET bezüglich ihrer Drain-Source-Strecken in Serie geschaltet sind, und die Ansteuerung der MOSFET weitgehend unabhängig von deren Anzahl sowohl besonders niederimpedant als auch galvanisch hochisoliert erfolgt, gekennzeichnet durch die Merkmale:

a) Jedem MOSFET (T 1, T 2, T 3 . . . Tn) ist zur Ansteuerung seines Steuer anschlusses (G) jeweils ein eigener Ferritringkern-Impulsübertrager (Ü _A) zugeordnet, dessen Sekundärkreis (W _S) zwischen den Steueran schluß (G) und den Sourceanschluß (S) des entsprechenden MOSFET ge schaltet ist,
b) die Primärkreise (W _p) der Impulsübertrager (Ü _A) liegen in Serie und werden von einer einzigen, durchgehend für Hochspannung isolierten Leitung (L _A) gebildet, welche einmal durch sämtliche Ringkerne (K) der Impulsübertrager (Ü _A) geführt ist,
c) der Anfang der Leitung (L _A) ist mit dem Drainanschluß (D) eines Treiber-MOSFET (T _A) verbunden, und das Ende der Leitung liegt an der Klemme einer Hilfsspannungsquelle (U _H).

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß zwischen die Steueranschlüsse (G) der MOSFET (T 1, T 2, T 3 . . . Tn) und die Enden der Sekundärkreise (W _S) der Impulsübertrager (Ü _A) jeweils eine Diode (V) geschaltet ist, welche bezüglich der induzierten Steuerspannung in Durchlaßrichtung gepolt ist, und daß zwischen den Steueranschlüssen (G) und den Sourveanschlüssen (S) der MOSFET (T 1, T 2, T 3 . . . Tn) jeweils ein Widerstand (R) liegt.

3. Schalter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Merkmale:

a) An dem Steueranschluß (G) eines jeden MOSFET (T 1, T 2, T 3 . . . Tn) liegt jeweils der Drainanschluß (D) eines Hilfs-MOSFET (T _H) und der Sourceanschluß (S) eines jedem MOSFET (T 1, T 2, T 3 . . . Tn) ist je weils mit dem Sourceanschluß (S) des zugeordneten Hilfs-MOSFET (T _H) verbunden,
b) jedem der Hilfs-MOSFET (T _H) ist zur Ansteuerung seines Steueran schlusses (G) jeweils ein eigener Ferritringkern-Impulsübertrager (Ü _B) zugeordnet, dessen Sekundärkreis (W _p) zwischen den Steueran schluß (G) und den Sourceanschluß (S) des entsprechenden Hilfs- MOSFET geschaltet ist,
c) die Primärkreise (W _p) der Impulsübertrager (Ü _B) liegen in Serie und werden von einer einzigen, durchgehend für Hochspannung iso lierten Leitung (L _B) gebildet, welche einmal durch sämtliche Ring kerne (K) der Impulsübertrager (Ü _B) geführt ist,
d) der Anfang der Leitung (L _B) ist mit dem Drainanschluß (D) eines Treiber-MOSFET (T _B) verbunden, und das Ende der Leitung liegt an der Klemme der Hilfsspannungsquelle (U _H).