DE4040164A1 - Hochspannungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsschalter, der aus einer Schaltstrecke bzw. aus mehreren solcher hintereinander­ geschalteter Schaltstrecken besteht. Parallel zu jeder sind Symmetrierwiderstände geschaltet. Die Ansteuerung der Schalt­ strecke erfolgt über Optokoppler.

In der Hochspannungselektronik wurden früher die Schalt­ strecken von Hochspannungsschaltern mit Elektronenröhren z. B. Thyratrons oder anderen Röhrentypen aufgebaut. Hierzu waren aufwendige Einrichtungen wie Heizung und Gitterversorgung nö­ tig, die ständig einen Wartungsaufwand erfordern. Außerdem un­ terlagen sie starkem Verschleiß.

Schaltzeiten, insbesondere Abschaltzeiten langer Dauer mußten aufgrund der Geometrie des Schalters bzw. der zu beherrschen­ den Spannung in Kauf genommen werden.

Bessere Schaltzeiten erzielt man mit Halbleiterbauelementen. Sie lassen sich einfach ansteuern und sind praktisch wartungs­ frei. Allerdings müssen sie zur Beherrschung hoher Spannung kaskadiert werden und darum mit unterschiedlichen, eben ver­ träglichen Spannungsniveaus angesteuert werden. Dies kann ein­ mal durch Trenntransformatoren geschehen. Damit ist aber nur eine Wechselspannungsanteuerung möglich. Zum andern, bei Gleichstromansteuerung müssen Optokoppler verwendet werden. Diese benötigen eine Betriebsspannung, die je nach zu beherr­ schender Schaltstreckenpotentialdifferenz kaskadiert werden muß. Die Betriebsspannung ist durch Trenntransformatoren ein­ stellbar. Hierüber handelt man sich aber kapazitive und induk­ tive Verkopplungen zwischen den Kaskadenstufen ein, die zu Störungen, wie parasitäre Schwingungen führen und ein solches System enorm verkomplizieren, ja unter Umständen unbrauchbar machen.

Die Siemens AG beschritt einen ersten Weg, um solche Poblema­ tiken zu umgehen und entwickelte hierzu Feldeffekttran­ sistortreiber, die unter der Bezeichnung BSA 21 und BSA 22 ge­ führt werden. Diese Bauelemente sind für gewisse Belange je­ doch zu langsam. Darüber hinaus haben sie nur eine Isolations­ prüfspannung von 2800 Volt, wodurch Schaltstreckenkaskaden auf einige hundert Volt begrenzt bleiben müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Potentiale hoch­ genauer, bipolarer Hochspannungsgeräte, deren Werte innerhalb kürzester Zeit eingestellt bzw. auf einen neuen Wert ein­ gestellt werden können, über sehr schnelle Hochspannungsschal­ ter an eine kapazitive Last zu legen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hoch­ spannungsschalter zwischen der Last und dem oder den Hochspan­ nungsnetzgeräten die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 aufweisen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Hochspan­ nungsschalters geben die Ansprüche 2 bis 7 wieder, mit denen dann das in der Aufgabe geforderte Multiplexsystem gelöst wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß ein kaskadenartig aufgebauter Hochspannungsschalter über Opto­ koppler angesteuert wird. Die Betriebsspannung der Optokoppler wird über einen externen Strompuls erzeugt. Dadurch ist die Hochspannung schnell, zuverlässig und rückwirkungsfrei schalt­ bar.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Hochspannungsschalter mit einer Schaltstrecke;

Fig. 2 Hochspannungsschalter aus kaskadierten Schaltstrecken;

Fig. 3 Hochspannungsmultiplexsystem mit einer Driftröre als Last.

Der Hochspannungsschalter nach Fig. 1 setzt sich grundsätz­ lich aus drei Baugruppen zusammen.

• 1. Die Schaltstrecke I-II mit ihrer Ansteuermöglichkeit G und den zur Schaltstrecke I-II parallel geschalteten Widerstän­ den R1 und R2 sowie den Spannungsbegrenzungselementen Z₁ und Z₂. Die Widerstände R₁ und R₂ dienen zur definierten Einstellung der Potentialdifferenz zwischen den Klemmen I und II.
• 2. Der externen Betriebsspannungserzeugung über einen Ringkern RK.
• 3. Die Ansteuerung der Schaltstrecke I-II am Punkt G über Op­ tokoppler OK1 und OK2, wobei die Optokoppler OK1 und OK2 antivalent betätigt werden.

Im Durchführungsbeispiel ist der Hochspannungsschalter ein Feldeffekttransistor T, der über sein Gate G durch Anlegen der Betriebsspannungen U_B in dem leitenden Zustand gesteuert wird. Die Ansteuerung erfolgt, vom elektrischen Hochspannungs­ potential getrennt, durch die Erregung der Photodiode im Opto­ koppler OK1. Gleichzeitig ist die Photodiode im Optokoppler OK2 nicht erregt. Sie wird allerdings erregt, wenn der Wechsel von leitend nach sperrend erfolgt und bewirkt dann eine Entla­ dung der gate-Source-Kapazität CGS. Hierdurch sind klare Schaltzustände erreicht. Das Begrenzungselement R_GS dient zum Schutz der gate-source-Strecke.

Die Betriebsspannung U_B, abgegriffen an dem Kondensator C1, wird extern erzeugt. Dazu ist durch den Ringkern eine Strom­ schleife gelegt, durch die ein Stromimpuls mit bestimmtem Tastverhältnis fließt. Der Strompuls induziert in einer zwei­ ten Wicklung um den Ringkern eine Spannung entsprechend der abfallenden Flanke des Stromes. Durch entsprechende Be­ schaltung der zweiten Wicklung wird der entstehende Spannungs­ sprung zur Erzeugung der Betriebsspannung U_B in dem Kondensa­ tor C8 ausgenützt. Die externe Impulsstromschleife ist iso­ liert von Hochspannungspotential durch den Ringkern geführt. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn aufgrund hoher zu beherrschender Potentialdifferenzen U_HS der Hochspannungs­ schalter aus einer Hintereinanderschaltung oder Kaskadierung solcher einfacher Hochspannungsschalter bestehen muß. Die ein­ fache Schaltstrecke I-II beherrscht etwa 700 V Potentialdiffe­ renz.

In Fig. 2 ist eine Kaskadierung von mehreren Schaltstrecken I-II elektrisch dargestellt. Dort wird die Stromschleife, die den externen Strompuls führt gleichmals, im Beispiel einmal, durch den zur Schaltstrecke gehörenden Ringkern RK gefädelt, wodurch dann, wie oben beschrieben, für jede Stufe die zugehö­ rige Betriebsspannung U_B zur Ansteuerung in den zugehörigen Kondensator C1 bereitgestellt wird. Es ist also eine Isolation des jeweiligen Hochspannungspotentials erreicht und eine kapa­ zitive bzw. induktive Verkopplung der Stufen untereinander weitgehend vermieden.

Wie die Fig. 2 weiter zeigt, sind die Dioden in den Optokopp­ lern OK1-OK2 gleichzeitig erregt oder nicht, d. h. die Transistoren sind immer in einem gleichartigen Zustand.

Die Entladung der jeweiligen gate-source-Kapazität CGS beim Übergang von dem leitenden in den sperrenden Zustand erfolgt durch Erregung der Photodioden in den Optokopplern OK2. Wie oben schon erwähnt, dient das Begrenzungselement R_GS zum Schutz der gate-source-Strecke.

Der Einfachheit halber sind die Überspannungsableiter Z1, Z2 über der jeweiligen Schaltstrecke in Fig. 2 weggelassen.

Der Aufbau einer gem. der Aufgabenstellung geforderten Hoch­ spannungs-Multiplex-Anlage ist in Fig. 3 dargestellt.

Hierzu sind mehrere Netzgeräte N_i+, N_i- über Hochspannungs­ schalter I-II und II-I an eine kapazitive Last I, die Drift­ röhre I, geschaltet. im Durchführungsbeispiel wird von insge­ samt 18 Netzgeräten ausgegangen. Dazu kommen 18 Hochspannungs­ schalter I-II und II-I, dimensioniert auf 10 kV, die aus den oben geschilderten Halbleiterschaltstrecken I-II aufgebaut sind. Ein Nullschalter Nu und drei weitere Schalter N_E1, N_E2, N_E3 dienen als Entladehilfe für fallende Treppenstufen. Die Anlage enthält ein Rechnerinterface mit 18 Digital-Analog-Con­ verter von 18 Bit und 2 Analog-Digital-Converter von 18 Bit sowie Informationsstrukturen zur Steuerung der Hochspannungs­ schalter. In der Infrastruktur der Anlage sind außerdem Rech­ nerinterface, Betriebsschaltungen und ein Servicesystem vorge­ sehen.

Die Hochspannungsschalter arbeiten im Mikrosekunden-Bereich, so daß die Schaltzeit der Treppenstufen nur von der kapaziti­ ven Last und dem maximalen Strom des Netzgerätes bestimmt wer­ den.

Mit einem Standardrechnerprogramm können 8 steigende oder 8 fallende sowie 18 Positiv-Negativ-Mäander pro Sekunde gefahren werden. Wird das Rechnerprogramm so erweitert, daß der Rechner - unter Berücksichtigung der Zeitbedingungen so wie sie vorste­ hend beschrieben wurden - jedes Netzgerät, nachdem es von der Driftröhre weggeschaltet wurde, auf einen neuen Wert stellt, können bei steigenden Treppenstufen und bei steigenden Mäan­ derstufen ca. 40 Stufen pro Sekunde erzeugt werden.

Bezugszeichenliste

I-II Schaltstrecke
RK Ringkern
ip Impulsstrom
U_B Betriebsspannung
D1 Stromventil, Diode
Z3 Spannungsbegrenzungselement, Zenerdiode
C1 Kondensator
OK1 Optokoppler
OK2 Optokoppler
CGS Kapazität, gate-source-Kapazität
G Schaltstreckenansteuerungspol, gate, Ansteuermöglichkeit
S Schaltstreckenausgangspol
Z₁, Z₂ Spannungsbegrenzungselemente, Überspannungsableiter
I Impedanz, Driftröhre, kapazitive Last
T Schaltelement, Feldeffekttransistor
U_HS Potentialdifferenz, Hochspannung
Ni Netzgeräte
N_E1, N_E2, N_E3 Schalter
N_u Nullschalter
R_GS Begrenzungselement

Claims (7)

1. Hochspannungsschalter, bestehend aus mindestens einer Schaltstrecke, wobei zur Spannungssymmetrierung an kaska­ denartig aneinander gereihte Schaltstrecken parallel zu je­ der Schaltstrecke Symmetrierelemente geschaltet sind, und die Ansteuerung der Schaltstrecke über einen Optokoppler erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zu jeder Schaltstrecke (I-II) eine Stromschleife durch einen ihr zugehörigen Ringkern (RK) führt und durch diese Stromschleife ein Impulsstrom (ip) vorgegebener Amplitude und vorgegebener Pulsfrequenz fließt, der über eine andere um den Ringkern (RK) gelegte, mit einem Stromventil (D1) und einem Spannungsbegrenzungselement (Z3) beschaltete Wicklung mit vorbestimmter Windungszahl, durch das Umschal­ ten des Stromes in einem an die Wicklung angeschlossenen Kondensator (C1) eine unabhängige, ausreichend hohe Be­ triebsspannung (U_B) für den potentieltrennenden Optokoppler (OK1) erzeugt, die zur Ansteuerung der zugehörigen Schalt­ strecke (I-II) dient, und im Falle des kaskadenartigen Auf­ baus des Hochspannungsschalters aus einzelnen solchen Schaltstrecken (I-II) alle diese gleichzeitig gleichartig und rückwirkungsfrei ansteuerbar sind.

2. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß jede Schaltstrecke (I-II) mit vernachlässigbarem Energie­ aufwand vom sperrenden in den leitenden Zustand und umge­ kehrt über den potentialtrennenden Optokoppler (OK1) steu­ erbar ist.

3. Hochspannungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß pro Schaltstrecke (I-II) ein zweiter Optokoppler (OK2) zwi­ schen der Schaltstreckenansteuerung (G), und dem Schaltstreckenausgang (S), geschaltet ist, damit beim über­ führen der Schaltstrecke (I-II) in den sperrenden Zustand die Kapazität (GS) zwischen Schaltstreckenansteuerungspol (G) und Schaltstreckenausganspol (S) entladbar ist.

4. Hochspannungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß Schaltstreckenansteuerung (G) bis Schaltstreckenausgang über ein Begrenzungselement R_GS geschützt sind.

5. Hochspannungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß jede Schaltstrecke (I-II) darin durch Spannungsbegrenzungs­ elemente (Z₁, Z₂) auf eine definierte Spannung begrenzt wird.

6. Hochspannungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß darüber schnelle Spannungsänderungen unverändert an eine Impedanz übertragbar sind.

7. Hochspannungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß darüber hochgenau eingestellte Spannungspotentiale an eine Impedanz anlegbar sind.