DE3917176A1 - Hochspannungsschalter mit in reihe geschalteten halbleitern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Hochspannungsschalter, in denen in Reihe geschaltete Halbleiter verwendet werden, die vielseitig Anwendung finden, insbesondere als transisto­ risierte Hochspannungsimpulsgeneratoren.

In den bekannten Schaltvorrichtungen mit Ketten von in Reihe geschalteten Halbleitern werden die Halbleiter im allgemeinen in linearen Ketten angeordnet. Jede der aus einem Halbleiter bestehenden Stufen dieser Kette wird über einen Ringtransformator angesteuert, dessen Primär­ seite, die in der Regel aus nur einer Windung besteht, allen Transformatoren gemeinsam ist.

Die geradlinige Anordnung weist zahlreiche Nachteile auf, und zwar: was die Funktionstüchtigkeit betrifft, die Tatsache, daß die Vorderflanken der Steuerimpulse der Transistoren zu langsam sind und daß die Intensität durch die zu hohe Induktivität der Primärseite der Transformatoren begrenzt wird; vom praktischen Stand­ punkt her die Tatsache, daß diese lineare Anordnung nicht kompakt ist und die hohen Kosten der Herstellung der Transformatoren.

Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteilen Abhilfe zu schaffen.

Zu diesem Zweck ist der hauptsächliche Gegenstand der Erfindung ein Hochspannungsschalter mit in Reihe geschalteten Halbleitern, bestehend aus:

• - N Halbleitern, die mittels der beiden Elektroden, an denen man das Ausgangssignal abgreift, in Reihe geschaltet sind und einen zwischen zwei Ausgangsan­ schlüssen angeordneten Schalter darstellen,
• - derselben Anzahl N von Ringtransformatoren, von denen jeder eine Primärseite, einen Kern und eine Sekundär­ seite aufweist, wobei Kern und Primärseite allen Transformatoren gemeinsam sind, die Primärseite die Rolle eines Steuerkreises spielt und die Sekundärseite mit den Anschlüssen der Steuerelektrode und einer der Elektroden verbunden ist, an deren Anschlüssen das Ausgangssignal des entsprechenden Halbleiters abge­ griffen wird,
• - derselben Anzahl N von Ausgleichselementen, die an Anschlüssen der Elektroden, an deren Anschlüssen das Ausgangssignal des Halbleiters abgegriffen wird, angeordnet werden.

Ein hauptsächliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Halbleiter in Form eines Kreises, der den ringförmigen Kern umgibt, angeordnet sind. Einer der wesentlichen Vorteile eines derartigen Schalters besteht darin, daß er es möglich macht, die Streuinduktivität erheblich zu verringern. Diese Anordnung erlaubt es nämlich, eine hervorragende Symmetrie der Wicklungen der Primär- und der Sekundärseiten herzustellen.

In einer bevorzugten Ausführungsform eines derartigen Schalters werden die Primär- und Sekundärseiten der Transformatoren durch eine Reihe von zwischen zwei Platinen mit gedruckten Schaltungen derart, daß sie den Kern umgeben, angeordneten Stäben hergestellt, wobei die Platinen mit gedruckten Schaltungen Kupferbahnen aufwei­ sen, die auf der einen Platine in umgekehrter Richtung, als auf der anderen angeordnet sind, um den durchgehen­ den Verlauf der sich in einander abwechselnden Primär- und Sekundärseiten sicherzustellen.

In diesem Fall können die Halbleiter direkt auf mindestens einer der beiden gedruckten Schaltungen verdrahtet werden. Befinden sich die Halbleiter in Gehäusen vom Typ "prespack", so werden sie zwischen die beiden Platinen mit gedruckten Schaltungen geklemmt.

Die Ausgleichselemente werden auf einen Teil der gedruckten Schaltungen montiert.

Entsprechend einem Merkmal der Erfindung wird der Kern des Transformators aus einem Streifen aus amorphem, ferromagnetischem Material hergestellt.

Zur Verbesserung der Funktionstüchtigkeit eines derarti­ gen Schalters ist die Gesamtzahl der Windungen der Primärseiten ein Vielfaches der Anzahl der Halbleiter.

Als eine Anwendung dieses Schalters ist die bei der Herstellung eines transistorisierten Hochspannungs­ impulsgenerators vorgesehen.

Der erfindungsgemäße Schalter ist leicht herzustellen und zu montieren, sein Preis wird dadurch verringert. Die kreisförmige Anordnung der Halbleiter erhöht die große Kompaktheit des Schalters.

Die Erfindung und ihre technischen Kennzeichen werden durch die folgende Beschreibung und anhand der beigefüg­ ten Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen:

Fig. 1 ein Funktionsschema eines erfindungsgemäßen Schalters;

Fig. 2 eine Teilansicht mit Ausbruch einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalters;

Fig. 3 eine Teilansicht mit Ausbruch einer zweiten Ausführungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Schal­ ters;

Fig. 4A, 4B und 4C drei Schemata möglicher Ausfüh­ rungen der im erfindungsgemäßen Schalter verwendeten Ausgleichselemente.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen, enthält der Hochspannungs­ schalter mit Halbleitern funktionelle Bauteile, die schon in den Schaltern bekannter Bauart verwendet werden. Er enthält inbesondere N in Reihe geschaltete Halbleiter 2, dieselbe Anzahl N von Schaltern 10 zur Steuerung der Halbleiter 2 und dieselbe Anzahl N von Ausgleichselementen 20 für die Halbleiter 2. Die Halb­ leiter werden über die Elektroden 4 und 6, an denen das Ausgangssignal abgegriffen wird, in Reihe geschaltet.

Jeder Transformator 20 umfaßt eine Primärseite 14, einen Kern 16 und eine Sekundärseite 18. Der Kern der Trans­ formatoren ist ein einziger Kern 16, wobei die Halblei­ ter 2 in Reihe geschaltet sind. Ebenso bilden die Primärseiten 14 aller Transformatoren 10 einen einzigen Primärkreis 12, indem die Primärseiten 14 miteinander verbunden sind. Die Anschlüsse dieser Gesamtheit 12 der Primärseiten 14 werden mit C und D bezeichnet. Diese Gesamtheit 12 der Primärseiten 14 stellt einen Steuer­ kreis zum Schalten aller Halbleiter 2 dar. Jede Sekun­ därseite 18 ist einerseits mit der Steuerelektrode 8 und andererseits mit einer Elektrode 6 verbunden, die zu den beiden Elektroden gehört, an denen das Ausgangssignal des Halbleiters 2 abgegriffen wird. Um die Symmetrie jeder Halbleiterstufe sicherzustellen, weisen alle Primärseiten 14 der Gesamtheit 12 dieselbe Anzahl von P Wicklungen oder Windungen auf. Die Gesamtheit weist also eine Gesamtzahl von N × P Wicklungen auf. Ebenso wird vorgesehen, daß die Sekundärseiten 18 alle dieselbe Anzahl von S Wicklungen oder Windungen aufweisen. Zum Ausgleichen der Spannungen zwischen allen Halbleitern 2 wird zwischen den Elektroden 6 und 4, an denen das Ausgangssignal abgegriffen wird, ein Ausgleichselement 20 angeordnet. Ein derartiges Element arbeitet ebenso in der Phase der Öffnung, wie in der des Schließens. Der durch die Verbindung aller Halbleiter 2 über ihre Elek­ troden 4 und 6 entstehende Kreis wird durch zwei mit A und B bezeichnete Anschlüsse abgeschlossen.

Um die Gesamtheit der Kreise zwischen A und B leitend zu machen oder zu schließen, genügt es, daß ein geeigneter Impuls an die Anschlüsse C, D der Gesamtheit 12 der Primärkreise 14 angelegt wird. Die Halbleiter 2 empfan­ gen dann durch ihre Steuerelektrode 8 einen Impuls und werden leitend.

In Fig. 1 sind die Halbleiter 2 als Transistoren darge­ stellt worden. Diese Darstellung ist nicht einschrän­ kend; auf gleiche Weise können Thyristoren, Dioden etc. verwendet werden.

Um mit Halbleitern hoher Eingangskapazität wie bei­ spielsweise MOS (metal oyde silicium)-Kreisen oder Kreisen, in denen sehr hohe Änderungen der Stromstärke (Di/Dt) auftreten, einen schnellen Schaltvorgang zu erhalten, müssen an die Steuerelektroden, d.h. die Basen, Gates oder sonstigen Steueranschlüsse, Impulse mit kurzer Vorderflanke und einem Strom sehr hoher Dichte gesandt werden. Die Ausführungsform, die in Fig. 2 dargestellt ist, erlaubt diesen schnellen Schaltvor­ gang. Die Streuinduktivität des im dargestellten Schalter verwendeten Steuertransformators ist nämlich relativ gering, da die Primär- und Sekundärwicklungen identische Geometrie haben.

Der so in Fig. 2 dargestellte Schalter wird unter Ver­ wendung zweier Platinen 22 und 24, die aus Kupferbahnen bestehende, gedruckte Schaltungen tragen, hergestellt. Sie bilden unter anderem die in dieser Figur nicht sichtbaren Ausgleichselemente, die Teile 30, 32 der Wicklungen der Primär- und Sekundärseiten und die Ver­ bindungen 42 und 44 der Halbleiter 2 mit den Wicklungen der Sekundärseiten. Diese letzteren, sowie die Wicklun­ gen der Primärseiten, werden von Stäben 26 vervollstän­ digt, die die beiden Platinen 22 und 24 miteinander verbinden und mit den Kupferbahnen 30 und 32 verbunden sind. Die Platinen 22 und 24 sind kreisförmige Bahnen, um der gemäß Fig. 1 festgelegten Form des Schalters Rechnung zu tragen; die Kupferbahnen 30 und 32 sind relativ zum der Peripherie dieser beiden Platinen 22 und 24 entsprechenden Radius leicht geneigt. Um sich nach jeder Windung abwechselnde Wicklungen zu bilden, ist die Neigungsrichtung der Bahnen 30 und 32 auf der ersten, oberen Platine 22 entgegengesetzt zu der Neigungsrich­ tung dieser Bahnen auf der unteren Platine 24. Auf diese Weise liegt jede Windung der Wicklung einer Primärseite neben zwei Windungen der Wicklung einer Sekundärseite, indem sich die Wicklungen der Primär- und Sekundärseiten zwischen einander einschieben. In dieser Ausführungsform liegt der Ringkern 16 zwischen den zwei Platinen 22 und 24 und zwischen den zwei Reihen von Stäben 26. Dement­ sprechend hat er einen rechteckigen Querschnitt, der sich der durch die beiden Platinen 22 und 24 und die Stäbe 26 begrenzten Form anpaßt. Die Halbleiter sind auf mindestens einer der beiden Platinen 22 und 24 verdrah­ tet.

Der Kern 16 der Transformatoren des Schalters kann aus einem Streifen amorphen, ferromagnetischen Materials hergestellt werden.

Im Folgenden wird auf die Fig. 3 Bezug genommen. Wenn die Halbleiter 46 sich in Gehäusen des Typs "prespack" befinden, können sie zwischen den beiden Platinen 22 und 24 angeordnet werden. Sie werden auf ähnliche Art ange­ schlossen, wie bei Fig. 2 beschrieben. Der wesentliche Vorteil dieser besonderen Anordnung betrifft vor allem die Stäbe 26 und besteht darin, daß es möglich ist, auf sehr präzise Weise diese Stäbe auf mit dem Kern konzen­ trischen Kreisen anzuordnen. Die Primär- und Sekundär­ seiten, die so in unabhängige Wicklungen zerlegt werden, liegen nämlich an exakt derselben Stelle und weisen symmetrische Geometrie auf. Diese Anordnung begünstigt darüber hinaus die Verteilung der Streukapazitäten, die in allen Stufen der Halbleiter 46 aufgrund der perfekten Symmetrie des Kreises dieselben sind. Dies ist von großer Bedeutung für einen guten Ausgleich der Spannun­ gen aller Stufen der Halbleiter 46 während des Schließens des Kreises.

Bei Betrachtung der Fig. 3 fällt insbesondere die große Kompaktheit eines derartigen Schalters und die Einfach­ heit der Herstellung und der Montage und als Folge davon sein geringer Preis auf.

Die Ausgleichskreise 20 können auf verschiedene Weisen aufgebaut sein. Eine erste, in Fig. 4A dargestellte Ausführungsform besteht einfach in der Verwendung von Widerständen. Eine zweite, in Fig. 4B dargestellte Aus­ führungsform verwendet Zener-Dioden oder Dioden, die unter den Markennamen "Transil", "Transorb" bekannt sind. Wie in Fig. 4C dargestellt, kann ebenfalls ein in Reihe geschaltetes RC-Glied verwendet werden. Schließ­ lich können diese Ausgleichselemente auch aus Verbindun­ gen dieser verschiedenen Elementarkreise gebildet werden.

Die Erfindung kann in allen Anordnungen verwendet wer­ den, die Gasthyratrone, Ignitrone, Entlader und andere Schaltröhren verwenden. Diese Kreise können als Radarmo­ dulatoren, Impulsgeneratoren zur Speisung von Induk­ tionsbeschleunigern, Lasern, Röntgenröhren, Beschleuni­ gern für industrielle oder Lebensmittelbestrahlung etc. verwendet werden. Als besondere Anwendung der Erfindung ist die bei der Herstellung von transistorisierten Hoch­ spannungsimpulsgeneratoren vorgesehen.

Claims (9)

1. Hochspannungsschalter mit in Reihe geschalteten Halb­ leitern, bestehend aus:

• - derselben Anzahl von N Halbleitern (2, 46), die mittels der beiden Elektroden (4, 6), an denen das Ausgangssignal abgegriffen wird, in Reihe geschal­ tet sind und einen zwischen zwei Ausgangsanschlüs­ sen (A, B) angeordneten Schalter darstellen,
• - derselben Anzahl N von Ringtransformatoren (10), von denen jeder eine Primärseite (14), einen Kern (16) und eine Sekundärseite (18) aufweist, wobei Kern (16) und Primärseite (14) allen Transformato­ ren (10) gemeinsam sind, und die Primärseite (14) die Rolle eines Steuerkreises spielt und die Sekun­ därseite (18) mit den Anschlüssen der Steuerelek­ trode (8) und einer der Elektroden (6) verbunden ist, an deren Anschlüssen das Ausgangssignal des entsprechenden Halbleiters (2, 46) abgegriffen wird und
• - derselben Anzahl N von Ausgleichselementen (20), die an Anschlüssen der Elektroden (4, 6), an deren Anschlüssen das Ausgangssignal des Halbleiters abgegriffen wird, angeordnet werden,

wobei der Schalter dadurch gekennzeichnet ist, daß die Halbleiter (2, 46) in Form eines Kreises, der den ringförmigen Kern (16) umgibt, angeordnet sind.

2. Schalter gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Primärseiten (14) und die Sekundärseiten (18) der Transformatoren (10) Wicklungen aufweisen, die aus zwischen zwei Platinen (22, 24) derart, daß sie den Kern (16) umgeben, angeordneten Stäben (26) gebildet werden, wobei die genannten Platinen Kupfer­ bahnen (30, 32) aufweisen, die auf einer Platine in der zur auf der anderen Platine angewandten Richtung entgegengesetzten Richtung angeordnet sind, um den durchgehenden Verlauf der Primärseiten (14) und der Sekundärseiten (18) sicherzustellen, die abwechselnd in einander eingeschoben sind.

3. Schalter gemäß Patentanspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Halbleiter (2, 46) direkt auf mindestens einer der Platinen (22, 24) verdrahtet sind.

4. Schalter gemäß Patentanspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Halbleiter (46) Gehäuse vom Typ "Prespack" aufweisen und zwischen die beiden Platinen (22, 24) geklemmt werden.

5. Schalter nach irgendeinem der Patentansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichselemente durch einen Teil der gedruckten Schaltungen auf einer der beiden Platinen (22) gebildet werden.

6. Schalter nach irgendeinem der vorangehenden Patentan­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (16) der Transformatoren (10) aus einem Streifen aus amorphem, ferromagnetischem Material hergestellt wird.

7. Schalter nach irgendeinem der vorangehenden Patentan­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl (N × P) der Windungen der Wicklungen der Primärkreise (14) ein Vielfaches der Anzahl (N) der Halbleiter (2, 46) ist.

8. Schalter nach irgendeinem der vorangehenden Patentan­ sprüche, angewandt als transistorisierter Hochspan­ nungsimpulsgenerator.