DE3912704A1 - Schaltung zur erzeugung von kurzen leistungsimpulsen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Erzeugung von kurzen Leistungsimpulsen für eine Last, insbesondere zur Auf- und Zutastung einer diese Last bildenden Laufzeitröhre im Sender eines Radargeräts, unter Verwendung mehrerer Power-MOS- Feldeffekt-Transistorschalter, die jeweils in ihrem Gate- Source-Eingangskreis über einen Eingangsübertrager transforma­ torisch mit Steuerimpulsen beaufschlagt werden und über deren während der Steuerimpulsdauer jeweils leitend geschaltete Source-Drain-Ausgangskreise in Kaskade geschaltete, während der jeweils zu einer Sperrung der Source-Drain-Ausgangskreise führenden Steuerimpulspausen von einer Gleichspannungsquelle aufgeladene Energiespeicher-Kondensatoren auf die Last teilweise entladen werden.

Für die Erzeugung von Leistungsimpulsen sind aus der Radartech­ nik zwei unterschiedliche Prinzipien bekannt. Im einen Fall ist eine Laufzeitkette oder ein Verzögerungsnetzwerk als Speicher­ element vorgesehen, da dieses einen Rechteckimpuls erzeugen und durch eine gasgefüllte Röhre (Thyraton) oder einen Thyristor betrieben werden kann. Diese Kombination, bestehend aus der Laufzeitkette und der Gasröhre bzw. dem Thyristor, wird gewöhnlich als Leitungstyp-Modulator bezeichnet. Sie hat zwar einen weiten Anwendungsbereich in der Radartechnik wegen ihrer Einfachheit, der kompakten Abmessungen und der Fähigkeit, abnormale Belastungszustände zu überstehen, wie sie beispiels­ weise durch Funkenüberschläge beim Magnetron verursacht werden können. Pulsgeneratoren, die nach diesem Speicher-Endlade­ prinzip arbeiten, weisen allerdings den Nachteil auf, daß sich nur feste Impulslängen erzeugen lassen und sich somit Schwierigkeiten bei einer Änderung der Impulsbreiten ergeben. Die Ursache für diesen Nachteil beim Laufzeitketten-Pulsmodu­ latortyp liegt darin, daß der durch die Gasröhre oder den Thyristor realisierte Schalter nur jeweils den Anfang der Impulse steuert. Außerdem benötigt der Laufzeitketten-Puls­ modulator einen Hochspannungstransformator, der verhältnis­ mäßig hohe Verluste, Kapazitätsprobleme und Impulsverzerrun­ gen hervorruft.

Beim zweiten Prinzip zur Bildung von Leistungsimpulsen wird mit einem Schalter gearbeitet, der sowohl den Anfang als auch das Ende der Impulse steuert. Das Energiespeicherelement ist hierbei ein Kondensator. Als Schalter wird eine Vakuumröhre oder ein gesteuertes Halbleiterbauelement verwendet. Um einen stärkeren Abfall in der Pulsform aufgrund der Exponential­ funktion der Kondensatorentladung zu vermeiden, wird nur ein kleiner Anteil der gespeicherten Energie zur Impulslieferung an die Last herangezogen. Dieser sogenannte Hard-Tube-Modulator oder auch als Active-Switch-Modulator bezeichnete Impulsgene­ rator gestattet mehr Flexibilität und Genauigkeit als ein Laufzeitketten-Pulsmodulator. Es ist möglich, mit unterschied­ lichen Pulsbreiten und verschiedenen Pulswiederholfrequenzen zu arbeiten, und es lassen sich dicht aufeinander folgende Impulse erzeugen. Im Zusammenhang mit den erwähnten bekannten Impuls­ generatoren wird auf das Buch von M. Skolnik: "Introduction to Radar Systems", Mac Graw-Hill Book Company, 1962, Seiten 216 und 217 und auf das Buch von M. Skolnik: "Radar Handbook", Mac Graw-Hill Book Company, 1970, Seiten 7-78 bis 7-87 hingewiesen.

Aus der DE-PS 34 11 712 ist eine Schaltung zur Erzeugung von sehr kurzen Leistungsimpulsen unter Verwendung eines Power-MOS- Feldeffekttransistorschalters bekannt, der in seinem Eingangs­ kreis zur Ansteuerung eine Impulssteuerquelle und in seinem Ausgangskreis außer der Last als Energiespeicherelement einen Kondensator aufweist, der sich jeweils während einer Impuls­ dauer teilweise auf die Last entlädt und der während der Impulspausen von einer Gleichspannungsquelle wieder aufgeladen wird. Zur Erreichung extrem kurzer Schaltzeiten weist der Power-MOS-Feldeffekttransistorschalter in seinem Eingangskreis einen an seiner mit einer größeren Anzahl von Windungen versehenen Primärwicklung von der Impulssteuerquelle beaufschlagten Eingangsübertrager auf, dessen Sekundärwicklung aus einer Mehrzahl von parallel geschalteten Windungen, aus einer einzigen Windung oder aus nur wenigen in Reihe geschal­ teten Windungen besteht, wobei die beiden Sekundärwicklungs­ enden unmittelbar mit den beiden Eingangselektroden des Power-MOS-Feldeffekttransistors verbunden sind. Aus der DE-PS 34 11 712 ist es auch bekannt, mehrere MOS-Feldeffekt­ transistoren parallel zu schalten. Die Parallelschaltung der MOS-Transistoren läßt sich dabei in verschiedener Weise reali­ sieren. Es können z.B. nur die im Ausgangskreis liegenden Elektroden mehrerer MOS-Transistoren zueinander parallel geschaltet werden, wobei dann in jedem Eingangskreis dieser Transistoren jeweils ein Eingangsübertrager liegt, und die Primärseiten aller Übertrager parallel geschaltet sind. Eine andere Möglichkeit der Parallelschaltung besteht darin, mehrere Power-MOS-Feldeffekttransistoren mit ihren sich entsprechenden Elektroden zueinander parallel zu schalten und für mehrere dieser parallel geschalteten Transistoren nur einen einzigen Eingangsübertrager zur Ansteuerung vorzusehen. Auch zwei im Gegentakt betriebene Transistorschalter können vorgesehen sein, die in ihrem Eingangskreis von einer ebenfalls im Gegentakt arbeitenden Impulssteuerquelle beaufschlagt werden. Jeder der beiden erwähnten Transistorschalter kann dabei aus einer Parallelschaltung mehrerer Power-MOS-Feldeffekttransistoren bestehen. Es ist auch eine Kaskadenschaltung der Ausgangskreise mehrerer Power-MOS-Feldeffekttransistoren aus der DE-PS 34 11 712 bekannt. Hierbei werden die Power-MOS-Feldeffekttran­ sistorschalter jeweils in ihrem Gate-Source-Eingangskreis über einen Eingangsübertrager transformatorisch mit Steuerimpulsen beaufschlagt. Über die während der Steuerimpulsdauer jeweils leitend geschalteten Source-Drain-Ausgangskreise werden in Kaskade geschaltete, während der jeweils zu einer Sperrung der Source-Drain-Ausgangskreise führenden Steuerimpulspausen von einer Gleichspannungsquelle aufgeladene Energiespeicherkonden­ satoren auf die Last teilweise entladen. Die transformatorische Ansteuerung der Power-MOS-Feldeffektransistoren erfolgt hier von einer zentralen Treiberstufe.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leistungsimpulserzeuger, der eine Vielzahl von kaskadenartig mittels Power-MOS-Feldef­ fekttransistoren auf die Last zu entladende Kondensatoren enthält, so auszubilden, daß aufgrund einer verbesserten Ansteuerung der MOS-Feldeffekttransistoren die Bildung extrem schneller Hochspannungs-Leistungsimpulse bei sehr gutem Wirkungsgrad ohne Verwendung eines Hochspannungstransformators erreicht wird.

Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Schaltung der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß alle oder mehrere jeweils parallel gespeisten Gruppen angehö­ renden Power-MOS-Feldeffekt-Transistoren in Kette geschaltet sind und zwar derart, daß der Eingangsübertrager des jeweils in einer Kette nachfolgenden MDS-Feldeffekt-Transistorschalters mit seiner Primärseite im Ausgangskreis des vorhergehenden Transistorschalters liegt, so daß die Steuerimpulsansteuerung der jeweils in einer Kette aufeinander folgenden Transistor­ schalter kaskadenartig erfolgt. Durch die angegebene Serien­ schaltung von Power-MOS-Feldeffekttransistoren läßt sich ein Hochspannungsmodulator für extrem schnelle Leistungsimpulse, z.B. 12 kV, 10 A, 50 ns, aufbauen, der keinen Hochspannungs­ transformator benötigt und dadurch erheblich verbesserten Wirkungsgrad sowie kurze Schaltzeiten erreicht. Die Besonder­ heit der nach der Erfindung angewendeten Kettenschaltung der Transistoren besteht darin, daß die transformatorische Ansteuerung der einzelnen in Reihe geschalteten MOS-Feldeffekt­ transistoren nicht von einer zentralen Treiberstufe, sondern kaskadenartig erfolgt, d.h. die Transistoren schalten jeweils ihre Nachfolger einzeln oder in Gruppen ein.

Auf diese Weise läßt sich eine Kaskade aufbauen, deren Span­ nungsniveau von Stufe zu Stufe allmählich steigt. Hierdurch wird insbesondere der Nachteil vermieden, daß bei der An­ steuerung der letzten Stufen durch die hohe Spannungsdifferenz Isolationsprobleme auftreten. Außerdem bewirkt diese Art der Ansteuerung eine erhebliche Reduzierung der Streukapazität. Darüber hinaus ermöglicht es die bei der Schaltung nach der Erfindung eingesetzte Kaskade, derartige Hochspannungsimpulse, z.B. 12 kV, mit einer vergleichsweise niedrigen Versorgungs­ gleichspannung von z.B. 500 V zu erzeugen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die von einer Impulssteuerquelle kommenden Steuerimpulse über eine MOS-FET-Treibertransistorstufe oder mehrere derartige parallel betriebene Treibertransistorstufen an die Eingangs­ übertrager des jeweils ersten Transistors der in Kette geschalteten Power-MOS-Feldeffekt-Transistorschalter geleitet.

Die Schaltung läßt sich entweder so auslegen, daß die Treiber­ transistorstufen zur Erzeugung der Ausgangsimpulse mitgenutzt oder nicht zu deren Bildung verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Figuren erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild einer Schaltung zur Erzeugung von sehr kurzen Leistungsimpulsen nach der Erfindung ohne Nutzung der Treibertransistoren zur Erzeugung des Ausgangspulses, und

Fig. 2 das Schaltbild einer Schaltung zur Erzeugung von sehr kurzen Leitungsimpulsen nach der Erfindung mit Nutzung der Treibertransistoren zur Bildung des Ausgangspulses.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Erzeugung von sehr kurzen Hochspannungs-Leistungsimpulsen nach der Erfindung. Hierbei sollen unter Verwendung einer Betriebs­ gleichspannung von 500 V Impulse mit einer Pulsspannung von 6 kV auf eine Last RL geschaltet werden. Eine derartige Schaltung läßt sich zur Auf- und Zutastung einer Laufzeitröhre im Sender eines Radargerätes verwenden, wobei die Last RL durch die Laufzeitröhre gebildet wird. Ohne das Prinzip dieses Ausführungsbeispiels und der Erfindung zu verlassen, läßt sich bei einem solchen Anwendungszweck die Pulsspannung durch Verdoppelung der Schalterstufenzahl und der Anzahl der Energie­ speicher-Kondensatoren auf 12 kV erhöhen. Im Ausführungs­ beispiel werden 12 Power-MOS-Feldeffekttransistoren T 1 bis T 12 verwendet, die jeweils in ihrem Gate-Source-Eingangskreis über einen Eingangsübertrager Ü 1 bis Ü 12 transformatorisch mit Steuerimpulsen beaufschlagt werden. Die Steuerimpulse stammen von einer Impulssteuerquelle, die an einen Eingang E eines Verstärkers V angeschlossen ist. Vom Verstärker V gelangen die Steuerimpulse parallel über zwei Treiberübertrager ÜT 1 und ÜT 2 an zwei Treibertransistorstufen mit den beiden MOS-Feldeffekt­ transistoren TT 1 und TT 2. Der mittels des Treibertransistors TT 1 verstärkte Steuerimpuls wird jeweils der Primärseite der beiden Eingangsübertrager Ü 1 und Ü 2 zugeführt. Die im Treiber­ transistor TT 2 verstärkten Steuerimpulse gelangen dagegen an die Primärwicklungen der beiden Eingangsübertrager Ü 3 und Ü 4. Die Sekundärwicklung der Eingangsübertrager Ü 1 bis Ü 4 liegt jeweils im Source-Gate-Eingangskreis der Power-MOS-Feldeffekt­ transistoren T 1 bzw. T 2 bzw. T 3 bzw. T 4. Es sind jeweils drei Power-MOS-Feldeffekttransistoren in Kette geschaltet, wobei jeweils zwei Ketten von einem der beiden Treibertransistoren TT 1 bzw. TT 2 steuerimpulsmäßig versorgt werden. Die erste Kette besteht aus den Power-MOS-Feldeffekttransistoren T 1, T 5 und T 9, die zweite Kette aus den Transistoren T 2, T 6 und T 10. Diese beiden Ketten werden vom Treibertransistor TT 1 steuerimpuls­ mäßig versorgt. Die dritte Kette besteht aus den Feldeffekt­ transistoren T 3, T 7 und T 11, wogegen sich die vierte Kette aus den Transistoren T 4, T 8 und T 12 zusammensetzt. Die beiden letztgenannten Ketten werden vom Treibertransistor TT 2 steuerimpulsmäßig gespeist. Der Eingangsübertrager eines jeweils in einer Kette nachfolgenden Feldeffekt-Transistors liegt mit seiner Primärseite im Ausgangskreis, d.h. im Drain-Source-Kreis des vorhergehenden Transistorschalters. So liegt z.B. der mit seiner Sekundärwicklung im Source-Gate- Eingangskreis des Transistors T 5 liegende Eingangsübertrager U 5 mit seiner Primärseite im Ausgangskreis der in der Kette vorhergehenden Transistorstufe mit dem Feldeffekttransistor T 1.

Entsprechend liegt die Sekundärwicklung des Eingangsübertragers Ü 9 im Source-Gate-Eingangskreis des Feldeffekttransistors T 9 und die Primärseite dieses Übertragers Ü 9 im Ausgangskreis des Transistorschalters mit dem Feldeffekttransistor T 5. Für die anderen Ketten gilt entsprechendes. Die Steuerimpulsan­ steuerung der jeweils in einer Kette aufeinander folgenden Transistorschalter, z.B. also der Transistoren T 1, T 5 und T 9, erfolgt kaskadenartig. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind also vier parallel angeordnete Kaskadenketten vorhanden. Die Source-Drain-Ausgangskreise der Feldeffekttransistoren T 1 bis T 12 werden während der Steuerimpulsdauer leitend geschaltet, wogegen sie während der Steuerimpulspausen gesperrt sind. Jedem der Transistoren T 1 bis T 12 sind je zwei parallel geschaltete Energiespeicher-Kondensatoren C 1, C 1′ bis C 12, C 12′ zugeordnet. Für die weitere Erklärung seien die in Fig. 1 dargestellten Drosseln Dr zunächst außer acht gelassen. Der erste Energiespeicher-Kondensator C 1 liegt mit seinen beiden Anschlüssen direkt an den Polen der Gleichspannungsquelle von 500 V, von welcher die beiden Treibertransistoren TT 1 und TT 2 separat versorgt werden. Die Kondensatoren C 1, C 1′ bis C 12, C 12′ werden während der Steuerimpulspausen von der Gleichspannungs­ quelle mit jeweils 500 V bei Sperrung der Transistoren TT 1, TT 2 und T 1 bis T 12 nachgeladen. Jeweils während der Steuerimpuls­ dauer sind die Kondensatoren C 1, C 1′ bis C 12, C 12′ über die leitend geschalteten Drain-Source-Strecken der Transistoren T 1 bis T 12 in Kaskade geschaltet und entladen sich insgesamt mit 6 kV teilweise auf die Last RL. Diese Kaskadenschaltung er­ möglicht es somit, Hochspannungsimpulse von z.B. 6 kV mit einer vergleichsweise niedrigen Versorgungsgleichspannung von z.B. 500 V zu erzeugen. Versorgen die Treibertransistoren TT 1 und TT 2 nicht wie im Ausführungsbeispiel jeweils zwei Feld­ effekttransistorketten, sondern z.B. vier, dann lassen sich Hochspannungsimpulse von 12 kV erzeugen, wie sie z.B. zur Versorgung eines Magnetrons erforderlich sein können. Die Eingangsübertrager Ü 1 bis Ü 12 weisen je zwei Primärwick­ lungen mit gleicher Windungszahl und eine Sekundärwicklung auf. Diese Übertrager haben eine doppelte Funktion. Sie dienen erstens zur transformatorischen Ansteuerung der zugeordneten nachfolgenden Transistoren und zweitens zur kaskadenartigen Durchschleifung der Betriebsgleichspannung an die in der Kaskade jeweils nachfolgenden Transistoren. Diese Art der Durchschleifung bewirkt, daß sich die Gleichströme in den Primärwicklungen der Übertrager vorteilhaft kompensieren. An den Ausgängen der Power-MOS-Feldeffekttransistorschalter T 1 bis T 12 und auch der Treibertransistoren TT 1 und TT 2 ist noch jeweils eine Überspannungs-Schutzschaltung in Form einer Diode DS vorgesehen, die parallel zur einen Primärwicklung des jeweils folgenden Übertragers liegt. Zu dieser Schutzschaltung gegen Spikes, die bei induktiver Last oder Funkenüberschlag entstehen können, gehören auch die Drosseln Dr. Durch diese Schutzelemente werden die Transistoren gegen Rückschlag­ spannungen sowie Unsymmetrien der Spannungsverteilung ge­ schützt. Diese Drosseln Dr dienen außerdem zum Schutz gegen einen zu schnellen Stromanstieg, was bei der Pulserzeugung zu einer gewissen Verschleifung der jeweiligen Impulse führt. In den Source-Gate-Eingangskreisen der Transistoren TT 1, TT 2 sowie T 1 bis T 12 liegt noch jeweils ein niederohmiger Wider­ stand R, der den jeweiligen Transistor aufgrund seiner Steuer­ kreisgegenkopplung z.B. im Falle eines Funkenüberschlags auf seiten der Last RL, die z.B. ein Magnetron sein kann, schützt.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Erzeugung von sehr kurzen Leistungsimpulsen nach der Erfindung ebenfalls unter Verwendung von 12 Power-MOS-Feld­ effekttransistoren T 1 bis T 12. Dieses Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit demjenigen nach Fig. 1 überein. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß bei der Bildung der Ausgangsimpulse die Treibertransistoren TT 1 und TT 2 mit ein­ geschlossen sind. Da auch die Treibertransistoren TT 1 und TT 2 mit ihren Energiespeicher-Kondensatoren CT 1, CT 1′ und CT 2, CT 2′ in die Ausgangsimpulsbildung miteinbezogen sind, ergibt sich in diesem Falle eine Ausgangsimpulsspannung von 7 kV.

Claims (6)

1. Schaltung zur Erzeugung von kurzen Leistungsimpulsen für eine Last, insbesondere zur Auf- und Zutastung einer diese Last bildenden Laufzeitröhre im Sender eines Radargeräts, unter Verwendung mehrerer Power-MOS-Feldeffekt-Transistorschalter, die jeweils in ihrem Gate-Source-Eingangskreis über einen Eingangsübertrager transformatorisch mit Steuerimpulsen beaufschlagt werden und über deren während der Steuerimpuls­ dauer jeweils leitend geschaltete Source-Drain-Ausgangskreise in Kaskade geschaltete, während der jeweils zu einer Sperrung der Source-Drain-Ausgangskreise führenden Steuerimpulspausen von einer Gleichspannungsquelle aufgeladene Energiespeicher- Kondensatoren auf die Last teilweise entladen werden, dadurch gekennzeichnet, daß alle oder mehrere jeweils parallel gespeisten Gruppen angehörenden Power-MOS-Feldeffekt-Transistoren (T 1 bis T 12) in Kette geschaltet sind und zwar derart, daß der Eingangsüber­ trager (Ü 1 bis Ü 12) des jeweils in einer Kette nachfolgenden MOS-Feldeffekt-Transistorschalters mit seiner Primärseite im Ausgangskreis des vorhergehenden Transistorschalters liegt, so daß die Steuerimpulsansteuerung der jeweils in einer Kette aufeinander folgenden Transistorschalter (T 1, T 5, T 9; T 2, T 6, T 10; T 3, T 7, T 11; T 4, T 8, T 12) kaskadenartig erfolgt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer Impulssteuerquelle (E, V) kommenden Steuer­ impulse über eine MOS-FET-Treibertransistorstufe oder mehrere derartige, parallel betriebene Treibertransistorstufen (TT 1, TT 2) an die Eingangsübertrager (Ü 1 bis Ü 4) des jeweils ersten Transistors (T 1 bis T 4) der in Kette geschalteten Power-MOS-Feldeffekt-Transistorschalter geleitet werden.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsübertrager (Ü 1 bis Ü 12) je zwei Primärwick­ lungen mit gleicher Windungszahl und eine Sekundärwicklung aufweisen, was zum einen der transformatorischen Ansteuerung der zugeordneten nachfolgenden Transistoren und zum anderen der kaskadeartigen Durchschleifung der Betriebsgleichspannung an die in der Kaskade jeweils nachfolgenden Transistoren dient.

4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgängen der Power-MOS-Feldeffekttransistor­ schalter (T 1 bis T 12, TT 1, TT 2) noch jeweils eine Überspan­ nungs-Schutzschaltung in Form einer Diode (DS) vorgesehen ist, die parallel zu einer Primärwicklung des jeweils folgenden Übertragers (Ü 1 bis Ü 16) liegt.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis eines oder mehrerer der MOS-FET-Treiber­ transistorstufen (TT 1, TT 2) bei der Leistungsimpulsbildung mitbenutzt ist, derart, daß bei dessen stets während der Steuerimpulsdauer erfolgenden Durchschaltung ein oder mehrere in Reihe zur Source-Drain-Strecke liegende Energiespeicher- Kondensatoren (CT 1, CT 1′, CT 2, CT 2′), die stets während der Impulspausen von der Gleichspannungsquelle nachgeladen werden, zu den anderen Energiespeicher-Kondensatoren (C 2 bis C 12) in Kaskade geschaltet werden.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz gegen zu schnellen Stromanstieg bei der puls­ förmigen Teilentladung der Kondensatoren (C 1, C 1′ bis C 12, C 12′) an deren Anschlüssen Drosseln (Dr) vorgesehen sind.