DE4040165A1 - Electronic HV switch using opto-coupler switch path control - with operating voltage for opto-coupler provided by capacitor in parallel with switch path - Google Patents

Electronic HV switch using opto-coupler switch path control - with operating voltage for opto-coupler provided by capacitor in parallel with switch path

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Abstract

The switch has at least one switch path (I-II), with a symmetry element (R8,R9) connected in parallel across each switch path (I-II) to ensure voltage symmetry in series with a voltage limiting element (23) in parallel with a capacitor (C1) and a diode (D1). The capacitor (C1) provides an operating voltage in response to the p.d. across the switch path (I-II), controlling an optocoupler (OKI), used to switch the switch path (I-II) between its blocking and conductive states. When several switch paths (I-II) are connected in cascade, all are operated simultaneously. ADVANTAGE - Requires no external voltage supply.

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.The invention relates to a high-voltage switch that consists of a switching path or from several such in a row switched switching distances exists. Are parallel to everyone Balancing resistors switched. The control of the switching route takes place via optocouplers.

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 erforderten. Außerdem unterlagen sie ganz einfach starkem Verschleiß.Switching used to be used in high-voltage electronics stretch high voltage switches with electron tubes z. B. Thyratrons or other types of tubes built. For this were elaborate facilities such as heating and grid supply nö that constantly required maintenance. Furthermore they were simply subject to heavy wear.

Schaltzeiten, insbesondere Abschaltzeiten langer Dauer mußten aufgrund der Geometrie des Schalters bzw. der zu beherrschen­ den Spannung in Kauf genommen werden.Switching times, especially switch-off times of long duration, had to be due to the geometry of the switch or the the tension will be accepted.

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 Wechselspannungsansteuerung möglich. Zum andern, bei Gleichstromansteuerung müssen Optokoppler verwendet werden. Diese benötigen eine Betriebsspannung, die je nach Schalt­ streckenpotential kaskadiert werden muß. Die Betriebsspannung ist durch Trenntransformatoren einstellbar. Hierüber handelt man sich aber kapazitive und induktive Verkopplungen zwischen den Kaskadenstufen ein, die zu Störungen, wie parasitäre Schwingungen führen und ein solches System enorm verkomplizie­ ren, ja unter Umständen unbrauchbar machen.Better switching times are achieved with semiconductor components. They can be controlled easily and are practically maintenance-free free. However, they need to master high tension be cascaded and therefore with different, ver inert voltage levels can be controlled. This can be a sometimes done by isolating transformers. But that's only AC voltage control possible. The other, at DC control must use optocouplers. These require an operating voltage that depends on the switching route potential must be cascaded. The operating voltage is adjustable by isolating transformers. This is about but you have capacitive and inductive couplings between the cascade levels leading to interference such as parasitic  Cause vibrations and complicate such a system enormously ren, may make it unusable.

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 von nur einigen hundert Volt möglich sind.Siemens AG took the first step to address such problems bypassing techniques and developed field effect trans sistortreiber, which under the designation BSA 21 and BSA 22 ge leads. These components are for certain needs but too slow. In addition, they have only one insulation test voltage of 2800 volts, whereby switching path cascades of only a few hundred volts are possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Potentiale hoch­ genauer, bipolarer Hochspannungsgeräte, deren Werte innerhalb kürzester Zeit eingestellt bzw. auf einen neuen Wert einge­ stellt werden können, über sehr schnelle Hochspannungsschalter an eine kapazitive Last zu legen.The invention is based, the potential high more accurate, bipolar high voltage devices, their values within set in the shortest possible time or set to a new value can be set using very fast high-voltage switches to be placed on a capacitive load.

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.The object is achieved in that the high voltage switch between the load and the high voltage or high voltage nungsnetzgeräte the characterizing features of claim 1 exhibit.

Die weiteren Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hochspannungsschalters wieder.The further claims give advantageous refinements of the high-voltage switch according to the invention again.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß ein kaskadenartig aufgebauter Hochspannungsschalter über Opto­ koppler angesteuert wird, deren Betriebsspannung unmittelbar an der Beschaltung der zugehörigen Schaltstrecke abgegriffen wird, so daß der Hochspannungsschalter schnell, zuverlässig und rückwirkungsfrei schaltbar ist.The advantages achieved by the invention are that a cascaded high-voltage switch via opto coupler is driven, its operating voltage immediately tapped on the wiring of the associated switching path is so that the high voltage switch quickly, reliably and can be switched without feedback.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to the drawing illustrated embodiment explained.  It shows

Fig. 1 Hochspannungsschalter mit einer Schaltstrecke; Fig. 1 high-voltage switch with a switching path;

Fig. 2 Hochspannunggschalter aus kaskadierten Schaltstrecken. Fig. 2 high voltage switch from cascaded switching paths.

Den gundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen, elektroni­ schen Hochspannungsschalters bzw. einer Schaltstrecke I-II zeigt Fig. 1. Die positive Potentialdifferenz UHS liegt zunächst bei sperrendem Feldeffekttransistor T an den Klemmen I und II an bzw. wird darüber auf- oder abgebaut, wofür die Reihenschaltung der Widerstände R1 und R2 mit der Kapazität C2 eine bestimmende Zeitkonstante bilden. Die Schaltstrecke I-II ist durch die Bauelemente Z1 und Z2 auf eine definierte Poten­ tialdifferenz zwischen den Klemmen I und II begrenzt.The basic structure of an electronic high-voltage switch or a switching path I-II according to the invention is shown in FIG. 1. The positive potential difference U HS is initially applied to the terminals I and II when the field effect transistor T is blocking or is built up or down, for which the Series connection of the resistors R 1 and R 2 with the capacitance C 2 form a determining time constant. The switching path I-II is limited by the components Z 1 and Z 2 to a defined potential difference between the terminals I and II.

Der Abgriff an der Zenerdiode Z3 lädt den Kondensator C1 auf die für die Schaltstrecke I-II notwendige Betriebsspannung UB auf.The tap on the Zener diode Z 3 charges the capacitor C 1 to the operating voltage U B necessary for the switching path I-II.

Durch potentialgetrennte Erregung der Photodiode in dem Opto­ koppler K1 wird der Phototransistor darin leitend, wodurch das Gate G des Feldeffekttransistors T an das Betriebsspannungspo­ tential UB zu liegen kommt und die Schaltstrecke I-II leitend wird.By electrically isolated excitation of the photodiode in the opto-coupler K 1 , the phototransistor becomes conductive therein, as a result of which the gate G of the field effect transistor T comes to lie at the operating voltage potential U B and the switching path I-II becomes conductive.

Während der Erregung der Photodiode in dem Optokoppler K1 bleibt die Photodiode in dem Optokoppler OK2 unerregt. Diese wird potentialgetrennt erregt, wenn die Schaltstrecke I-II in den gesperrten Zustand gesteuert wird. Dann nämlich wird die gate-source-Kapazität CGS über den Optokoppler OK2 entladen. Das Begrenzungselement RGS dient zum Schutz der gate-source- Strecke. During the excitation of the photodiode in the optocoupler K 1 , the photodiode in the optocoupler OK 2 remains unexcited. This is excited electrically isolated when switching path I-II is controlled in the locked state. Then the gate-source capacitance CGS is discharged via the optocoupler OK 2 . The limiting element R GS serves to protect the gate-source route.

Bei diesen Umschaltvorgängen vermeidet die Diode D1 in Reihe zu dem Symmetrierwiderstand R8, R9 einen Stromrückfluß aus dem Kondensator C1.During these switching processes, the diode D 1 in series with the balancing resistor R 8 , R 9 avoids a current backflow from the capacitor C 1 .

Durch die Optokoppler K1 und K2 ist eine elektrische Entkopp­ lung zwischen Ein- und Aus-Betätigung und Ansteuerung des Feldeffekttransistor T rückwirkungsfrei erreicht.The optocouplers K 1 and K 2 achieve an electrical decoupling between on and off actuation and control of the field effect transistor T without reaction.

Die Schaltstrecke I-II ist ausgelegt, etwa 700 Volt an elektrischer Potentialdifferenz UHS aufrechtzuerhalten. Hö­ here Potentialdifferenzen werden durch Hintereinanderschalten mehrerer solcher Hochspannungschalter möglich. Den schaltungs­ technischen Aufbau zeigt Fig. 2.The switching path I-II is designed to maintain about 700 volts of electrical potential difference U HS . Higher potential differences are possible by connecting several such high-voltage switches in series. The circuit technical structure of FIG. 2 shows.

Durch gleichzeitig gleichartiges Erregen der jeweiligen Photo­ dioden in den Optokopplern OK1 werden die Schaltstrecken I-II in den Transistoren leitend. Gleichzeitig sind die Photodioden in den jeweiligen Photodioden der Optokoppler OK2 nicht er­ regt. Für das Sperren der Schaltstrecken I-II ist die Erregung der Photodioden in den Optokopplern umgekehrt. Es gilt das für Fig. 1 beschriebene entsprechend für die Transistoren T.By simultaneously exciting the respective photo diodes in the optocouplers OK 1 , the switching paths I-II in the transistors become conductive. At the same time, the photodiodes in the respective photodiodes of the optocouplers OK 2 are not excited. The excitation of the photodiodes in the optocouplers is reversed to block the switching paths I-II. The same applies to the transistors T described for FIG. 1 .

Die Ableitung der Betriebsspannung UB erfolgt in jeder Stufe direkt für die zugehöroge Schaltstrecke I-II bzw. den zugehö­ rigen Transistor T. Auch bei der Kaskadierung ist so eine Ent­ kopplung zwischen den Betriebsspannungen und den Ein- und Ausschaltströmen durch die Photodioden in den Optokoppler OK1 rückwirkungsfrei erreicht.The derivation of the operating voltage U B takes place in each stage directly for the associated switching path I-II or the associated transistor T. Also in cascading there is a decoupling between the operating voltages and the on and off currents through the photodiodes in the optocoupler OK 1 achieved without retroactive effect.

BezugszeichenlisteReference symbol list

I-II Schaltstrecke
R8, R9 Symmetrierelement, Symmetrierwiderstand, Widerstand
UB Betriebsspannung
D1 Stromventil, Diode
Z3 Spannungsbegrenzungselement, Zenerdiode
C1 Kondensator
OK1 Optokoppler
OK2 Optokoppler
CGS Kapazität, gate-source-Kapazität
G Schaltstreckenansteuerungspol, gate, Ansteuermöglichkeit
S Schaltstreckenausgangspol, Source
Z₁, Z₂ Spannungsbegrenzungselemente, Überspannungsableiter
T Schaltelement, Feldeffekttransistor
RGS BegrenzungselementI-II switching path
R 8 , R 9 balancing element, balancing resistance, resistance
U B operating voltage
D 1 current valve, diode
Z 3 voltage limiting element, Zener diode
C 1 capacitor
OK 1 optocoupler
OK 2 optocouplers
CGS capacity, gate-source capacity
G Switching path control pole, gate, control option
S Switching path output pole, source
Z₁, Z₂ voltage limiting elements, surge arresters
T switching element, field effect transistor
R GS limiting element

Claims (7)

1. Hochspannungsschalter, bestehd aus mindestens einer Schalt­ strecke, wobei zur Spannungssymmetrierung an kaskadenartig aneinander gereihten Schaltstrecken parallel zu jeder Schaltstrecke Symmetrierelemente geschaltet sind, und die Ansteuerung der Schaltstrecke über einen Optokoppler er­ folgt, dadurch gekennzeichnet, daß zu jeder Schaltstrecke (I-II) ein Spannungsbegrenzungsele­ ment (Z3) mit zu ihm parallelem Kondensator (C1) in Reihe zu einem Symmetrierelement (R8, R9) und einem Stromventil (D1) geschaltet ist, wodurch bei ausreichender Potential­ differenz über der Schaltstrecke (I-II) durch sie in dem Kondensator (C1) eine Betriebsspannung bereitgestellt wird und dadurch das Schaltelement T durch Anlegen der Betriebs­ spannung (UB) an seinen Ansteuerpol (G) über den potenti­ altrennenden Optokoppler (OK1) vom sperrenden in den lei­ tenden Zustand und umgekehrt steuerbar ist und im Falle des kaskadenartigen Aufbaus des Hochspannungsschalters aus ein­ zelnen Schaltstrecken (I-II) alle diese Schaltstrecken (I- II) gleichzeitig gleichartig und rückwirkungsfrei ansteuer­ bar sind.1. High-voltage switch, consisting of at least one switching path, symmetry elements are connected in parallel to each switching path for voltage symmetry on cascade-like switching paths, and the switching path is controlled via an optocoupler, characterized in that for each switching path (I-II) a voltage limiting element (Z 3 ) with a capacitor (C 1 ) parallel to it in series with a symmetrizing element (R 8 , R 9 ) and a current valve (D 1 ) is connected, so that with sufficient potential difference across the switching path (I-II ) it provides an operating voltage in the capacitor (C 1 ) and thereby the switching element T by applying the operating voltage (U B ) to its control pole (G) via the potential-isolating optocoupler (OK 1 ) from the blocking to the conductive state and vice versa is controllable and in the case of the cascade-like construction of the high-voltage switch from an individual switching strut cken (I-II) all these switching paths (I-II) can be controlled in the same way and without feedback. 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. 2. High-voltage switch according to claim 1, characterized in that each switching path (I-II) with negligible energy expenditure from the blocking to the conductive state and vice versa via the potential-isolating optocoupler (OK 1 ) is controllable. 3. Hochspannungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß pro Schaltstrecke (I-II) ein zweiter Optokoppler (OK2) zwi­ schen der Schaltstreckenansteuerung (G) und dem Schalt­ streckenausgang (S) geschaltet ist, damit beim Überführen der Schaltstrecke (I-II) in den sperrenden Zustand die Ka­ pazität (CGS) zwischen Schaltstreckenansteuerungspol (G) und Schaltstreckenaussteuerungspol (S) entladbar ist.3. High-voltage switch according to claim 2, characterized in that per switching path (I-II), a second optocoupler (OK 2 ) between the switching path control (G) and the switching path output (S) is switched, so when transferring the switching path (I -II) in the blocking state, the capacitance (CGS) between the switching path control pole (G) and the switching path control pole (S) can be discharged. 4. Hochspannungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß jede Schaltstrecke (I-II) durch Spannungsbegrenzungsele­ mente (Z₁, Z₂) auf eine definierte Spannung begrenzt wird.4. High-voltage switch according to claim 3, characterized net that each switching distance (I-II) by voltage limiting elements elements (Z₁, Z₂) is limited to a defined voltage. 5. Hochspannungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß zu den Symmetrierwiderständen einer Schaltstufe Dioden (D1) in Reihe geschaltet sind, die einen Stromrückfluß, getrie­ ben durch die am Kondensator erzeugte Betriebsspannung, beim Schalten verhindert.5. High-voltage switch according to claim 4, characterized in that to the balancing resistors of a switching stage diodes (D 1 ) are connected in series, a current reflux, driven by the operating voltage generated on the capacitor, prevents switching. 6. Hochspannungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strom für das Betreiben der Schaltstrecke (I-II) ein Bruchteil des Stromes durch den zugehörigen Symmetrierwi­ derstand (R8, R9) ist.6. High-voltage switch according to claim 5, characterized in that the current for operating the switching path (I-II) is a fraction of the current through the associated Symmetrierwi resistance (R 8 , R 9 ). 7. Hochspannungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß im leitenden Zustand Hochspannungspotentiale damit unverän­ dert übertragbar sind.7. High-voltage switch according to claim 6, characterized net that In the conductive state, high voltage potentials remain unchanged are transferable.
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