WO2003081776A1 - Driver circuit for controlling elements with capacitive control characteristics - Google Patents

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WO2003081776A1
WO2003081776A1 PCT/EP2003/050067 EP0350067W WO03081776A1 WO 2003081776 A1 WO2003081776 A1 WO 2003081776A1 EP 0350067 W EP0350067 W EP 0350067W WO 03081776 A1 WO03081776 A1 WO 03081776A1
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Ekkehard Kress
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Ekkehard Kress
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/12—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac
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    • G05F1/44—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac using discharge tubes or semiconductor devices as final control devices semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
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    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
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    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/689—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit
    • H03K17/691—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit using transformer coupling

Definitions

  • the invention is based on a driver circuit for driving
  • driver circuits are used in particular for the control of MOSFET or IGBT semiconductor switches in high-frequency circuits in power electronics, e.g. in switching power supplies or frequency inverters for motor drives.
  • Another area of application is the control of opto-electronic crystals for switching high-energy laser beams.
  • a pulse control transformer is usually used for the electrical isolation between the control circuit and the element to be controlled.
  • a corresponding driver circuit according to the prior art is shown in FIG. 1.
  • a semiconductor switch LH is driven directly via a pulse control transformer TR.
  • a further known variant charges the gate of a power semiconductor switch LH via a pulse control transformer TR1 and the diode D1.
  • transistor T3 is estimated.
  • the Transistor T3 discharges the gate and turns off the power semiconductor switch LH.
  • This driver circuit enables a wide duty cycle range from 0 to almost 100%.
  • the driver transistors T1 and T2 are only activated with short pulses for switching on (T1) and switching off (T2).
  • the driver circuit causes high manufacturing costs.
  • driver circuit for driving elements with capacitive driving characteristics, in particular MOSFET and IGBT semiconductor switches, but also opto-electronic crystals, so that even at low manufacturing costs, duty cycles from 0 to almost 100% can be realized.
  • the object is achieved by a driver circuit with the characterizing features of claim 1 or claim 3.
  • a driver circuit with the characterizing features of claim 1 or claim 3.
  • a pulse control transformer which has as many secondary windings as elements which are to be electrically isolated from one another are to be controlled.
  • Zener diodes In series with the gate of a power semiconductor switch there are advantageously two Zener diodes which are connected to one another, but which can also be replaced by a bidirectional Zener diode. Suppressor diodes with the same effect can also be used. In order to be able to switch off the power semiconductor switches accordingly, the negative and positive control pulses must each have the same voltage time area.
  • a planar transformer is preferably used.
  • FIG. 7 shows an embodiment according to the invention with two pulse control transformers
  • FIG. 8 shows a driver circuit according to the invention
  • Fig. 6 which can be operated with independent, oppositely polarized voltages.
  • a positive voltage pulse is switched to the primary side of the pulse control transformer TR (FIGS. 3, 4, 5, 6 and 8).
  • This pulse is brought to a voltage level by the transformation ratio of the pulse control transformer TR, which is the breakdown voltage of the Zener diodes (or bidirectional Zener diodes) plus the required Gate control voltage corresponds.
  • the control pulse only has to be long enough that the gate of the power semiconductor switch or switches LH can be charged.
  • the breakdown voltage of the Zener diode is slightly higher than the gate voltage of the power semiconductor switch. Thus, the gate cannot discharge through the pulse control transformer.
  • a negative voltage pulse is applied to the primary side of the pulse control transformer TR.
  • This pulse is brought to a voltage level via the transformation ratio of the pulse control transformer, which corresponds to the sum of the breakdown voltage of the blocking Zener diode or diodes and the required negative gate voltage.
  • the switch-off pulse only has to be long enough for the gate of the power semiconductor switch to be recharged to the required negative voltage.
  • FIGS 3 and 4 show two embodiments that can be found both on the
  • Both circuits are designed for two power semiconductor switches LH that are electrically isolated from each other but switch synchronously. This is a typical arrangement for a half-bridge circuit, or in a double version for a full-bridge circuit. 3 and 4, two possible circuit arrangements of the Zener diodes ZD1 to ZD4 for controlling the power semiconductor switch LH are shown in the secondary circuit of the pulse control transformer TR.
  • the voltage time area of the positive and negative control pulses is the same in order to prevent DC biasing of the pulse control transformer TR.
  • the driver circuit is suitable for all electronic components, the control connection of which has a charge storage behavior and the discharge time constant of which is greater than the period of the switching frequency. It is also possible to improve the storage behavior by an additional capacitor, not shown here.
  • the pulse control transformer is ideally designed as a planar transformer. This results in an optimal coupling with the highest possible dielectric strength.
  • the power semiconductor switches LH are usually pulse width modulated.
  • the advantage lies in the wide controllability of the duty cycle from 0 to almost 100% with a simple circuit implementation with galvanic isolation between the semiconductor switch and the control circuit.
  • FIG. 5a shows an application example of the driver circuit according to the invention, in which 11 power semiconductor switches connected in series, in this case the 11 Mosfet switches MS1 to MS11, are controlled.
  • a secondary winding of the pulse control transformer TR is assigned to each of the Mosfets MS1 to MS11, each of which has a reverse voltage of 1000 V.
  • the arrangement of the pulse control transformer TR and the 11 Mosfets MS1 to MS11 controlled according to the invention can be regarded as a functional switch, that is to say as a two-pole connection A and B, which connects a high-voltage source HU to a load R.
  • the gate capacitance of the Mosfets MS1 to MS11 is charged with a positive control pulse, which is generated with the transistor T1 via the primary winding with the auxiliary voltage U +, and the Mosfets are thus switched on.
  • the blocking elements ZD1, ZD3, ZD5, etc. prevent the gate charge from flowing into the secondary windings of the transformer TR.
  • a second subsequent, time-independent, negative pulse generated with the transistor T2 charges the gates of the Mosfets MS1 to MS11 with reversed polarity and thus switches the Mosfets off.
  • the load R is again disconnected from the high voltage source HU. In this state, the blocking elements ZD2, ZD4, ZD6, etc. prevent the gate charge from flowing into the secondary windings.
  • This arrangement thus represents a static switch which, like a bipolar relay, is switched on with a positive pulse and switched off with a second negative pulse. In contrast to a bipolar relay, switching times of a few nanoseconds can be achieved with this arrangement.
  • FIG. 5a For reasons of clarity, all components which are shown in FIG. 5a to the left of switching points A and B are only shown as switches S1 and S2 in FIGS. 5b and 5c.
  • the load from FIG. 5a has a capacitive component or is purely capacitive.
  • a second switch arrangement S2 is connected in parallel with the load.
  • FIG. 5b shows an application example for a driver circuit according to the invention, with which a high-voltage source can not only be connected and disconnected to a load R in the nanosecond range, but also with which the high voltage applied to the load R can be reversed.
  • a positive pulse is generated by transistor T1 (FIG. 5a)
  • switch S1 closes and the voltage of high-voltage source HU1 is applied to load R.
  • switch S1 is opened again (as described under FIG. 5a) and switch S2 is closed, the voltage of high-voltage source HU2 is applied to load R with reverse polarization.
  • the driver circuit according to the invention can also be used to directly switch high voltages on elements with a capacitive control characteristic. If, for example, a piezo actuator or an optoelectronic crystal is to be activated, only the arrangement for separating the secondary winding from the element to be activated has to be designed accordingly.
  • bidirectional Zener diodes are connected in series as separating elements in order to be able to maintain the required high voltage on an opto-electronic crystal.
  • FIG. 6 shows such an arrangement for a bipolar voltage on an electro-optical switch shown as a load capacitor C.
  • this crystal requires a switching voltage of 10 KV
  • 10 bidirectional Zener diodes BZD1 to BZD10 with a breakdown voltage of 1 KV each are connected in series. A voltage of over 20 KV is generated via the secondary winding of the pulse control transformer TR. Since 10 KV drop across the connected diodes, a voltage of more than 10 KV is then present at the switch, which is sufficient to switch the crystal. Since the bidirectional Zener diodes also block 10 KV in the discharge direction, the necessary switching voltage is maintained on the capacitive switching element.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment with two pulse control transformers TR1 and TR2, in which a voltage of, for example, again 10 KV, but also a correspondingly reversed polar voltage at the same or a different level can be applied to the switching crystal.
  • the pulse control transformer TR1 operated with the voltage U1 generates a positive pulse via the transistor T1, which generates a voltage of 20 KV again in the secondary winding.
  • a voltage of 10 KV is present at the switching crystal.
  • a discharge of the charge into the secondary windings of the two pulse control transformers is prevented by the diode D1 and the Zener diodes ZD11 to ZD20.
  • the pulse control transformer TR2 operated with the voltage U2 generates a pulse via the transistor T2, which generates a voltage of opposite amplitude in the secondary winding, which switches the crystal accordingly.
  • a discharge of the charge from the capacitance of the crystal into the two secondary windings is prevented by the diode D2 and the Zener diodes ZD1 to ZD 10.
  • the positive voltage and the negative voltage of U2 can be adjusted independently of one another to the capacitive properties of the switching crystal by changing U1.
  • FIG. 8 shows an example with only one pulse control transformer TR, but which can be operated with two independent, oppositely polarized voltages U1 and U2.
  • the secondary arrangement of the Components correspond to the arrangement according to the exemplary embodiment according to FIG. 6.
  • the bridge circuit for controlling the pulse transformer is also divided into two adjustable supply voltages. If the transistors T1 and T2 receive a control pulse at the same time, a voltage proportional to the voltage U1 is applied to the load capacitance.
  • the time interval between these pulses is considerably smaller than the discharge time constant of the load capacitor.

Abstract

The invention relates to a driver circuit for controlling elements with capacitive control characteristics, comprising an impulse control transformer with at least one secondary winding. According to the invention, an arrangement for separating the secondary winding from the element to be controlled is provided which has a given breakdown voltage.

Description

Treiberschaltung zur Ansteuerung von Elementen mit kapazitiver Ansteuercharakteristik Driver circuit for controlling elements with capacitive control characteristics
Die Erfindung geht aus von einer Treiberschaltung zur Ansteuerung vonThe invention is based on a driver circuit for driving
Elementen mit kapazitiver Ansteuercharakteristik nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. Anspruch 3.Elements with capacitive control characteristics according to the preamble of claim 1 or claim 3.
Solche Treiberschaltungen werden insbesondere für die Ansteuerung von MOSFET oder IGBT Halbleiter-Schaltern in hochfrequenten Schaltungen in der Leistungselektronik z.B. in Schaltnetzteilen oder Frequenzumrichtern für motorische Antriebe benötigt. Ein weiterer Einsatzbereich ist die Ansteuerung von opto-elektronischen Kristallen zum Schalten von energiereichen Laserstrahlen.Such driver circuits are used in particular for the control of MOSFET or IGBT semiconductor switches in high-frequency circuits in power electronics, e.g. in switching power supplies or frequency inverters for motor drives. Another area of application is the control of opto-electronic crystals for switching high-energy laser beams.
Für die galvanische Trennung zwischen Ansteuerschaltung und anzu- steuerndem Element wird üblicherweise ein Impulssteuertransformator verwendet. Eine entsprechende Treiberschaltung nach dem Stand der Technik ist in Fig. 1 dargestellt. Hier wird ein Halbleiter-Schalter LH direkt über einen Impulssteuertransformator TR angesteuert.A pulse control transformer is usually used for the electrical isolation between the control circuit and the element to be controlled. A corresponding driver circuit according to the prior art is shown in FIG. 1. Here, a semiconductor switch LH is driven directly via a pulse control transformer TR.
Mit dieser Treiberschaltungen können aber nur Tastverhältnisse von max. 50% wegen der Magnetisierung des Transformatormaterials erreicht werden.With these driver circuits, however, only duty cycles of max. 50% due to the magnetization of the transformer material.
Eine weitere bekannte Variante, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, lädt über einen Impulssteuertransformator TR1 und die Diode D1 das Gate eines Leistungs-Halbleiter-Schalters LH. Dadurch wird der Transistor T3 eingeschä- tet. Über einen zweiten Impulssteuertransformator TR2 wird mittels des Transistors T3 das Gate entladen und der Leistungs-Halbleiter-Schalter LH abgeschaltet. Diese Treiberschaltung ermöglicht einen weiten Tastverhältnisbereich von 0 bis nahezu 100%. Die Treibertransistoren T1 und T2 werden nur jeweils mit kurzen Impulsen für Ein- (T1) und Ausschalten (T2) an- gesteuert. Die Treiberschaltung verursacht jedoch hohe Herstellungskosten.A further known variant, as shown in FIG. 2, charges the gate of a power semiconductor switch LH via a pulse control transformer TR1 and the diode D1. As a result, transistor T3 is estimated. Via a second pulse control transformer TR2, the Transistor T3 discharges the gate and turns off the power semiconductor switch LH. This driver circuit enables a wide duty cycle range from 0 to almost 100%. The driver transistors T1 and T2 are only activated with short pulses for switching on (T1) and switching off (T2). However, the driver circuit causes high manufacturing costs.
Es war deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine Treiberschaltung zur Ansteuerung von Elementen mit kapazitiver Ansteuercharakteristik, insbesondere von MOSFET und IGBT Halbleiter-Schaltern aber auch von op- to-elektronischen Kristallen, so auszubilden, dass auch bei geringen Her- stellkosten Tastverhältnisse von 0 bis nahezu 100% verwirklicht werden können.It was therefore the object of the invention to design a driver circuit for driving elements with capacitive driving characteristics, in particular MOSFET and IGBT semiconductor switches, but also opto-electronic crystals, so that even at low manufacturing costs, duty cycles from 0 to almost 100% can be realized.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Treiberschaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 , bzw. Anspruch 3. Durch die Verwendung einer Anordnung, die die Gate-Spannung von der Sekundärwick- lung des Impulssteuertransformators abtrennt, lässt sich eine galvanische Trennung durch einen zweiten Impulssteuertransformator vermeiden. Bei der erfindungsgemäßen Treiberschaltung ist - trotz einfachem Aufbaus - die Funktionsweise ähnlich der Variante nach Fig. 2.The object is achieved by a driver circuit with the characterizing features of claim 1 or claim 3. By using an arrangement that separates the gate voltage from the secondary winding of the pulse control transformer, galvanic isolation by a second pulse control transformer can be avoided , In the driver circuit according to the invention - despite its simple construction - the mode of operation is similar to the variant according to FIG. 2.
In vorteilhafter Weise wird ein Impulssteuertransformator verwendet, der so viele Sekundärwicklungen aufweist wie galvanisch voneinander getrennt zu schaltende Elemente angesteuert werden sollen.In an advantageous manner, a pulse control transformer is used which has as many secondary windings as elements which are to be electrically isolated from one another are to be controlled.
In Serie zum Gate eines Leistungs-Halbleiter-Schalters liegen vorteilhafterweise zwei gegeneinander geschaltete Zener-Dioden, die aber auch durch eine bidirektionale Zener-Diode ersetzt werden können. Ebenso kön- nen Suppressordioden mit der gleichen Wirkung verwendet werden. Um die Leistungs-Halbleiter-Schalter auch entsprechend ausschalten zu können müssen die negativen und positiven Ansteuerimpulse jeweils die gleiche Spannungszeitfläche aufweisen.In series with the gate of a power semiconductor switch there are advantageously two Zener diodes which are connected to one another, but which can also be replaced by a bidirectional Zener diode. Suppressor diodes with the same effect can also be used. In order to be able to switch off the power semiconductor switches accordingly, the negative and positive control pulses must each have the same voltage time area.
Für eine optimale Kopplung bei höchstmöglicher Spannungsfestigkeit wird bevorzugt ein Planartransformator verwendet.For optimal coupling with the highest possible dielectric strength, a planar transformer is preferably used.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing.
Es zeigen:Show it:
- Fig. 1 und Fig. 2 Ausführungsformen nach dem Stand der Technik,1 and 2 embodiments according to the prior art,
- Fig. 3 und Fig. 4 erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele mit je- weils zwei Sekundärwicklungen des Impulssteuertransformators3 and 4, exemplary embodiments according to the invention, each with two secondary windings of the pulse control transformer
- Fig. 5a bis 5c ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen5a to 5c show an application example of the invention
Treiberschaltung in einem Schalter zum Schalten einer Hochspannungsquelle an einer Last, - Fig. 6 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßenDriver circuit in a switch for switching a high voltage source on a load, - Fig. 6 embodiments of the invention
Treiberschaltung zum Ansteuern eines elektro- optischen Kristalls,Driver circuit for driving an electro-optical crystal,
- Fig. 7 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit zwei Impulssteuertransformatoren und - Fig. 8 eine erfindungsgemäße Treiberschaltung nach7 shows an embodiment according to the invention with two pulse control transformers, and FIG. 8 shows a driver circuit according to the invention
Fig. 6, die mit unabhängigen, entgegengesetzt polarisierten Spannungen betrieben werden kann.Fig. 6, which can be operated with independent, oppositely polarized voltages.
Zum Einschalten wird auf die Primärseite des Impulssteuertransformators TR ein positiver Spannungsimpuls geschaltet (Fig. 3, 4, 5, 6 und 8). Die- ser Puls wird durch das Übersetzungsverhältnis des Impulssteuertransformators TR auf eine Spannungshöhe gebracht, die der Durchbruchsspannung der Zener-Dioden (oder bidirektionalen Zener-Dioden) plus der erforderlichen Gatesteuerspannung entspricht. Der Steuerimpuls muss nur so lang sein, dass das Gate des oder der Leistungs-Halbleiter-Schalter LH aufgeladen werden kann. Die Durchbruchspannung der Zener-Diode liegt etwas höher als die Gatespannung des Leistungs-Halbleiter-Schalters. Somit kann sich das Gate nicht über den Impulssteuertransformator entladen.To switch on, a positive voltage pulse is switched to the primary side of the pulse control transformer TR (FIGS. 3, 4, 5, 6 and 8). This pulse is brought to a voltage level by the transformation ratio of the pulse control transformer TR, which is the breakdown voltage of the Zener diodes (or bidirectional Zener diodes) plus the required Gate control voltage corresponds. The control pulse only has to be long enough that the gate of the power semiconductor switch or switches LH can be charged. The breakdown voltage of the Zener diode is slightly higher than the gate voltage of the power semiconductor switch. Thus, the gate cannot discharge through the pulse control transformer.
Zum Abschalten, d.h. zum Entladen des Gates des Leistungs-Halbleiter-Schalters wird auf der Primärseite des Impulssteuertransformators TR ein negativer Spannungsimpuls angelegt. Dieser Puls wird über das Übersetzungsverhältnis des Impulssteuertransformators auf eine Span- nungshöhe gebracht, die der Summe der Durchbruchspannung der sperrenden Zener-Diode oder -Dioden und der erforderlichen negativen Gatespannung entspricht. Der Ausschaltimpuls muss nur so lang sein, dass das Gate des Leistungs-Halbleiter-Schalters auf die erforderliche negative Spannung umgeladen wird.To switch off, i.e. to discharge the gate of the power semiconductor switch, a negative voltage pulse is applied to the primary side of the pulse control transformer TR. This pulse is brought to a voltage level via the transformation ratio of the pulse control transformer, which corresponds to the sum of the breakdown voltage of the blocking Zener diode or diodes and the required negative gate voltage. The switch-off pulse only has to be long enough for the gate of the power semiconductor switch to be recharged to the required negative voltage.
Figur 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsbeispiele die sich sowohl auf derFigures 3 and 4 show two embodiments that can be found both on the
Primär-, als auch auf der Sekundärseite unterscheiden. Beide Schaltungen sind für zwei, von einander galvanisch getrennte aber synchron schaltende Leistungs-Halbleiter-Schalter LH ausgelegt. Dies ist eine typische Anordnung für eine Halbbrückenschaltung, bzw. in doppelter Ausführung für eine Voll- brückenschaltung. Im Sekundärkreis des Impulssteuertransformators TR sind in den Fig. 3 und 4 zwei mögliche Schaltungsanordnungen der Zener-Dioden ZD1 bis ZD4 zur Ansteuerung der Leistungs-Halbleiter-Schalter LH aufgezeigt.Distinguish primary, as well as on the secondary side. Both circuits are designed for two power semiconductor switches LH that are electrically isolated from each other but switch synchronously. This is a typical arrangement for a half-bridge circuit, or in a double version for a full-bridge circuit. 3 and 4, two possible circuit arrangements of the Zener diodes ZD1 to ZD4 for controlling the power semiconductor switch LH are shown in the secondary circuit of the pulse control transformer TR.
Die Spannungszeitfläche des positiven und negativen Steuerimpulses ist gleich, um eine Gleichstromvormagnetisierung des Impulssteuertransformators TR zu verhindern. Die Treiberschaltung ist für alle elektronischen Bauelemente geeignet, deren Steueranschluß ein Ladungsspeicherverhalten hat und deren Entladungszeitkonstante größer als die Periodendauer der Schaltfrequenz ist. Es ist auch möglich das Speicherverhalten durch einen zusätzlichen, hier nicht gezeigten Kondensator noch zu verbessern.The voltage time area of the positive and negative control pulses is the same in order to prevent DC biasing of the pulse control transformer TR. The driver circuit is suitable for all electronic components, the control connection of which has a charge storage behavior and the discharge time constant of which is greater than the period of the switching frequency. It is also possible to improve the storage behavior by an additional capacitor, not shown here.
In idealer Weise ist der Impulssteuertransformator als Planartransfor- mator ausgeführt. Dadurch ergibt sich eine optimale Kopplung bei höchstmöglicher Spannungsfestigkeit.The pulse control transformer is ideally designed as a planar transformer. This results in an optimal coupling with the highest possible dielectric strength.
Die Leistungs-Halbleiter-Schalter LH werden in der Regel pulsweiten- moduliert. Der Vorteil liegt in der weiten Steuerbarkeit des Tastverhältnisses von 0 bis nahezu 100 % bei einer einfachen Schaltungsrealisierung mit galvanischer Trennung zwischen Halbleiter-Schalter und Ansteuerschaltung.The power semiconductor switches LH are usually pulse width modulated. The advantage lies in the wide controllability of the duty cycle from 0 to almost 100% with a simple circuit implementation with galvanic isolation between the semiconductor switch and the control circuit.
Fig. 5a zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Treiberschaltung, in dem 11 in Serie geschaltete Leistungs-Halbleiter-Schalter, in diesem Fall die 11 Mosfet-Schalter MS1 bis MS11 angesteuert werden. Jedem der Mosfets MS1 bis MS11, die jeweils eine Sperrspannung von 1000 V aufweisen, ist dabei eine Sekundärwicklung des Impulssteuertransformators TR zugeordnet. Die Anordnung aus Impulssteuertransformator TR und den 11 erfindungsgemäß angesteuerten Mosfets MS1 bis MS11 kann als ein funktioneller Schalter, also als Zweipol mit den Anschlüssen A und B betrachtet werden, der eine Hochspannungsquelle HU an eine Last R legt.5a shows an application example of the driver circuit according to the invention, in which 11 power semiconductor switches connected in series, in this case the 11 Mosfet switches MS1 to MS11, are controlled. A secondary winding of the pulse control transformer TR is assigned to each of the Mosfets MS1 to MS11, each of which has a reverse voltage of 1000 V. The arrangement of the pulse control transformer TR and the 11 Mosfets MS1 to MS11 controlled according to the invention can be regarded as a functional switch, that is to say as a two-pole connection A and B, which connects a high-voltage source HU to a load R.
Wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wird mit einem positiven AnSteuerimpuls, der mit dem Transistor T1 über die Primärwicklung mit der Hilfsspannung U+ erzeugt wird, die Gatekapazität der Mosfets MS1 bis MS11 geladen und die Mosfets damit eingeschaltet. Die sperrenden Elemente ZD1, ZD3, ZD5, etc. verhindern ein Abfliessen der Gate-Ladung in die Sekundärwicklungen des Transformators TR. Ein zweiter nachfolgender, zeitlich unabhängiger, negativer, mit dem Transistor T2 erzeugter Impuls lädt die Gates der Mosfets MS1 bis MS11 mit umgekehrter Polarität und schaltet die Mosfets damit aus. Die Last R ist wieder von der Hochspannungsquelle HU abgetrennt. In diesem Zustand ver- hindern die dann sperrenden Elemente ZD2, ZD4, ZD6, etc. ein Abfließen der Gate-Ladung in die Sekundärwicklungen.As in the previous exemplary embodiments, the gate capacitance of the Mosfets MS1 to MS11 is charged with a positive control pulse, which is generated with the transistor T1 via the primary winding with the auxiliary voltage U +, and the Mosfets are thus switched on. The blocking elements ZD1, ZD3, ZD5, etc. prevent the gate charge from flowing into the secondary windings of the transformer TR. A second subsequent, time-independent, negative pulse generated with the transistor T2 charges the gates of the Mosfets MS1 to MS11 with reversed polarity and thus switches the Mosfets off. The load R is again disconnected from the high voltage source HU. In this state, the blocking elements ZD2, ZD4, ZD6, etc. prevent the gate charge from flowing into the secondary windings.
Diese Anordnung stellt damit einen statischen Schalter dar, der, ähnlich einem bipolaren Relais, mit einem positiven Impuls ein- und einem zweiten negativen Impuls ausgeschaltet wird. Im Gegensatz zu einem bipolaren Re- lais lassen sich mit dieser Anordnung jedoch Schaltzeiten von einigen Nano- sekunden erreichen.This arrangement thus represents a static switch which, like a bipolar relay, is switched on with a positive pulse and switched off with a second negative pulse. In contrast to a bipolar relay, switching times of a few nanoseconds can be achieved with this arrangement.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Fig. 5b und 5c alle Bauteile, die in Fig. 5a links von den Schaltpunkten A und B dargestellt sind, nur noch als Schalter S1 und S2 gezeigt. In Fig. 5c hat die Last aus Fig. 5a eine kapa- zitive Komponente oder ist rein kapazitiv. Um diese Kapazität C möglichst schnell wieder entladen zu können, ist eine zweite Schalteranordnung S2 parallel zur Last geschaltet.For reasons of clarity, all components which are shown in FIG. 5a to the left of switching points A and B are only shown as switches S1 and S2 in FIGS. 5b and 5c. In FIG. 5c, the load from FIG. 5a has a capacitive component or is purely capacitive. In order to be able to discharge this capacitance C again as quickly as possible, a second switch arrangement S2 is connected in parallel with the load.
Fig. 5b zeigt ein Anwendungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Treiberschaltung, mit der sich eine Hochspannungsquelle nicht nur mit einer Last R im Nanosekunden-Bereich verbinden und wieder abtrennen lässt, sondern mit der die an der Last R anliegende Hochspannung umgepolt werden kann. Wird also durch den Transistor T1 (Fig. 5a) ein positiver Impuls generiert, schließt sich der Schalter S1 und die Spannung der Hochspannungsquelle HU1 liegt an der Last R an. Wird dagegen der Schalter S1 wie- der geöffnet (wie unter Fig. 5a beschrieben) und der Schalter S2 geschlossen, so liegt die Spannung der Hochspannungsquelle HU2 an der Last R mit umgekehrter Polarisierung an. Mit der erfindungsgemäßen Treiberschaltung lassen sich aber auch direkt hohe Spannungen an Elementen mit kapazitiver Ansteuercharakteristik schalten. Soll beispielsweise ein Piezoaktuator oder ein opto-elektronischer Kristall angesteuert werden, muss nur die Anordnung zum Trennen der Se- kundärwicklung von dem anzusteuernden Element entsprechend ausgelegt werden.5b shows an application example for a driver circuit according to the invention, with which a high-voltage source can not only be connected and disconnected to a load R in the nanosecond range, but also with which the high voltage applied to the load R can be reversed. If a positive pulse is generated by transistor T1 (FIG. 5a), switch S1 closes and the voltage of high-voltage source HU1 is applied to load R. If, on the other hand, switch S1 is opened again (as described under FIG. 5a) and switch S2 is closed, the voltage of high-voltage source HU2 is applied to load R with reverse polarization. However, the driver circuit according to the invention can also be used to directly switch high voltages on elements with a capacitive control characteristic. If, for example, a piezo actuator or an optoelectronic crystal is to be activated, only the arrangement for separating the secondary winding from the element to be activated has to be designed accordingly.
Es werden beispielsweise mehrere bidirektionale Zener-Dioden als trennende Elemente in Reihe geschaltet um die erforderliche hohe Spannung an einem opto-elektronischen Kristall halten zu können.For example, several bidirectional Zener diodes are connected in series as separating elements in order to be able to maintain the required high voltage on an opto-electronic crystal.
Fig.6 zeigt eine derartige Anordnung für eine bipolare Spannung an einem als Lastkondensator C dargestellten elektro-optischen Schalter. Benötigt dieser Kristall beispielsweise eine Schaltspannung von 10 KV, so werden 10 bidirektionale Zener-Dioden BZD1 bis BZD10 mit einer Durchbruchspannung von jeweils 1 KV in Reihe geschaltet. Über die Sekundärwicklung des Impulssteuertransformators TR wird eine Spannung von über 20 KV generiert. Da an den durchgeschalteten Dioden 10 KV abfallen, liegt an dem Schalter dann noch eine Spannung von über 10 KV an, die zum Umschalten des Kristalls ausreicht. Da die bidirektionalen Zener-Dioden in der Abflussrichtung ebenfalls 10 KV sperren, wird an dem kapazitiven Schaltelement die notwendige Schaltspannung aufrechterhalten.6 shows such an arrangement for a bipolar voltage on an electro-optical switch shown as a load capacitor C. For example, if this crystal requires a switching voltage of 10 KV, 10 bidirectional Zener diodes BZD1 to BZD10 with a breakdown voltage of 1 KV each are connected in series. A voltage of over 20 KV is generated via the secondary winding of the pulse control transformer TR. Since 10 KV drop across the connected diodes, a voltage of more than 10 KV is then present at the switch, which is sufficient to switch the crystal. Since the bidirectional Zener diodes also block 10 KV in the discharge direction, the necessary switching voltage is maintained on the capacitive switching element.
Soll erneut umgeschaltet werden, muss die Kapazität entgegengesetzt geladen werden. Hierzu wird durch die Sekundärwicklung eine entgegengesetzt polarisierte Spannung von über 20 KV generiert. Damit wird wiederum die Durchbruchspannung der bidirektionalen Zener-Dioden BZD1 bis BZD10 erreicht und die Kapazität kann sich entgegengesetzt aufladen, so dass der Kristall wieder rückschaltet. Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei Impulssteuertransformatoren TR1 und TR2, in der an den Schaltkristall eine Spannung von z.B. wiederum 10 KV, aber auch eine entsprechend umgekehrt polare Spannung in gleicher oder anderer Höhe angelegt werden kann.If you want to switch again, the capacity must be charged in the opposite direction. For this purpose, an oppositely polarized voltage of over 20 KV is generated by the secondary winding. This in turn achieves the breakdown voltage of the bidirectional Zener diodes BZD1 to BZD10 and the capacitance can charge in the opposite direction, so that the crystal switches back again. 7 shows an exemplary embodiment with two pulse control transformers TR1 and TR2, in which a voltage of, for example, again 10 KV, but also a correspondingly reversed polar voltage at the same or a different level can be applied to the switching crystal.
Der mit der Spannung U1 betriebene Impulssteuertransformator TR1 erzeugt über den Transistor T1 einen positiven Impuls, der in der Sekundärwicklung eine Spannung von beispielsweise wieder 20 KV generiert. Nach dem Durchschalten der Zener-Dioden ZD1 bis ZD10 liegt an dem Schaltkristall eine Spannung von 10 KV an. Ein Abfließen der Ladung in die Sekun- därwicklungen der beiden Impulssteuertransformatoren wird durch die Diode D1 und die Zener-Dioden ZD11 bis ZD20 verhindert.The pulse control transformer TR1 operated with the voltage U1 generates a positive pulse via the transistor T1, which generates a voltage of 20 KV again in the secondary winding. After switching through the Zener diodes ZD1 to ZD10, a voltage of 10 KV is present at the switching crystal. A discharge of the charge into the secondary windings of the two pulse control transformers is prevented by the diode D1 and the Zener diodes ZD11 to ZD20.
Zum Umschalten des Kristalls erzeugt der mit der Spannung U2 betriebene Impulssteuertransformator TR2 über den Transistor T2 einen Impuls, der in der Sekundärwicklung eine Spannung mit entgegengesetzter Amplitu- de generiert, die den Kristall entsprechend umschaltet. In diesem Zustand wird ein Abfließen der Ladung von der Kapazität des Kristalls in die beiden Sekundärwicklungen durch die Diode D2 und die Zener-Dioden ZD1 bis ZD 10 verhindert.To switch the crystal, the pulse control transformer TR2 operated with the voltage U2 generates a pulse via the transistor T2, which generates a voltage of opposite amplitude in the secondary winding, which switches the crystal accordingly. In this state, a discharge of the charge from the capacitance of the crystal into the two secondary windings is prevented by the diode D2 and the Zener diodes ZD1 to ZD 10.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.7 werden folglich 2 getrennte Schaltkreise für die positive und negative Spannung verwendet.7, 2 separate circuits are consequently used for the positive and negative voltage.
Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 lassen sich bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 durch Ändern von U1 die positive und von U2 die negative Spannung jeweils unabhängig voneinander auf die kapazitiven Eigenschaften des Schaltkristalles einstellen.In contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 6, in the exemplary embodiment according to FIG. 7, the positive voltage and the negative voltage of U2 can be adjusted independently of one another to the capacitive properties of the switching crystal by changing U1.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel mit nur einem Impulssteuertransformator TR, der aber mit zwei unabhängigen, entgegengesetzt polarisierten Spannungen U1 und U2 betrieben werden kann. Die sekundärseitige Anordnung der Bauelemente entspricht der Anordnung nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6.8 shows an example with only one pulse control transformer TR, but which can be operated with two independent, oppositely polarized voltages U1 and U2. The secondary arrangement of the Components correspond to the arrangement according to the exemplary embodiment according to FIG. 6.
Die Brückenschaltung zur Ansteuerung des Impulstransformators wird ebenfalls auf zwei einstellbare Versorgungsspannungen aufgeteilt. Wenn die Transistoren T1 und T2 gleichzeitig einen Steuerimpuls erhalten, gelangt an die Lastkapazität eine der Spannung U1 proportionale Spannung.The bridge circuit for controlling the pulse transformer is also divided into two adjustable supply voltages. If the transistors T1 and T2 receive a control pulse at the same time, a voltage proportional to the voltage U1 is applied to the load capacitance.
Gleiches gilt für die negative Spannung mit U2, T3 und T4.The same applies to the negative voltage with U2, T3 and T4.
Damit ist es möglich an der kapazitiven Last C beliebige positive und negative Spannungen im Rahmen des Transformatorübersetzungsverhält- nisses und der Spannung der trennenden Elemente einzustellen.This makes it possible to set any positive and negative voltages on the capacitive load C within the scope of the transformer transmission ratio and the voltage of the isolating elements.
Mit den oben dargestellten Verfahren lassen sich in der Praxis je nach Spannungshöhe und den damit einhergehenden Kriech- bzw. Leckströmen die zur Entladung des Last-Kondensators führen, nur endlich lange Span- nungshaltezeiten, die im Bereich von einigen hundert Mikrosekunden liegen erreichen. Für Mosfet-Treiber in Schaltnetzteil Anwendungen ist dies vollkommen ausreichend. Auch ein etwaiger Spannungsabfall ist in dieser Zeit tolerierbar, solange die Spannung hinreichend weit über der Schaltspan- nugsschwelle des zu steuernden Mosfets oder IGBTs liegt.In practice, depending on the voltage level and the associated leakage or leakage currents that lead to the discharge of the load capacitor, the above-described methods can only finally achieve long voltage holding times in the range of a few hundred microseconds. For Mosfet drivers in switching power supply applications, this is completely sufficient. A possible voltage drop is also tolerable during this time as long as the voltage is sufficiently far above the switching voltage threshold of the Mosfet or IGBT to be controlled.
Speziell bei Treibern für Piezoaktuatoren oder Kristalle für optische Schalter, die die Lastkapazität darstellen, sind höhere Anforderungen hinsichtlich der zeitlichen Spannungskonstanz gegeben. Zusätzliche Schwierigkeiten ergeben sich hier durch die hohen Spannungen von 1 bis 10 KV, die zum Schalten des Kristalls benötigt werden und an der Lastkapazität anliegen. Bei dieser hohen Spannung ist eine zusätzliche parasitäre Entladung durch Leckströme zu berücksichtigen. Eine Kompensation dieser Effekte lässt sich dadurch erreichen, dass ständig Spannungsimpulse gleicher Polarität die Ladung der Lastkapazität aufrecht erhalten.Especially with drivers for piezo actuators or crystals for optical switches, which represent the load capacity, there are higher requirements with regard to the constant voltage over time. Additional difficulties arise due to the high voltages of 1 to 10 KV, which are required to switch the crystal and are applied to the load capacity. At this high voltage, an additional parasitic discharge due to leakage currents must be taken into account. These effects can be compensated for by the fact that voltage pulses of the same polarity constantly maintain the charge of the load capacitance.
Mit den beschriebenen Schaltungsvarianten ist dies dadurch erreichbar, dass die Transformatortreibertransistoren (je nach Ausführungsbeispiel T1 bis T4) statt mit einem Einzelimpuls mit einer Impulskette solange angesteuert werden, wie die jeweilige Spannungspolarität an der Lastkapazität bestehen bleiben soll. Dabei ist der zeitliche Abstand dieser Impulse wesentlich kleiner als die Entladezeitkonstante des Lastkondensators.With the circuit variants described, this can be achieved in that the transformer driver transistors (depending on the exemplary embodiment T1 to T4) are controlled with a pulse chain instead of with a single pulse as long as the respective voltage polarity on the load capacitance is to remain. The time interval between these pulses is considerably smaller than the discharge time constant of the load capacitor.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 5 sheets of drawings

Claims

Ansprüche Expectations
1. Treiberschaltung zur Ansteuerung von Elementen mit kapazitiver Ansteu- ercharkteristik, mit einem Impulstransformator mit wenigstens einer Sekundärwicklung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung zum Trennen der Sekundärwicklung von dem anzusteuernden Element vorgesehen ist, die eine definierte Durchbruchspannungen aufweist.1. Driver circuit for controlling elements with capacitive control characteristics, with a pulse transformer with at least one secondary winding, characterized in that an arrangement is provided for separating the secondary winding from the element to be controlled, which has a defined breakdown voltages.
2. Treiberschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zum Trennen der Sekundärwicklung von dem anzusteuernden2. Driver circuit according to claim 1, characterized in that the arrangement for separating the secondary winding from the one to be controlled
Element in beiden Stromflussrichtungen eine definierte Durchbruchspannung aufweist.Element has a defined breakdown voltage in both current flow directions.
3. Treiberschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbruchspannungen der Anordnung symetrisch sind.3. Driver circuit according to claim 2, characterized in that the breakdown voltages of the arrangement are symmetrical.
4. Treiberschaltung zur Ansteuerung von Elementen mit kapazitiver Ansteu- ercharkteristik, mit zwei Impulstransformatoren, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in entgegengesetzter Stromflussrichtung wirkende Anordnungen zum Trennen der Sekundärwicklungen der beiden Impulstransformatoren von dem anzusteuernden Element vorgesehen sind, die jeweils eine Stromflussrichtung sperren und in der anderen Stromflussrichtung eine definierte Durchbruchspannung aufweisen.4. Driver circuit for controlling elements with capacitive control characteristics, with two pulse transformers, characterized in that two arrangements acting in opposite current flow direction are provided for separating the secondary windings of the two pulse transformers from the element to be controlled, each of which blocks one current flow direction and the other Current flow direction have a defined breakdown voltage.
5. Treiberschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die an den beiden Impulstransformatoren anliegenden Spannungen getrennt einstellbar sind. 5. Driver circuit according to claim 4, characterized in that the voltages applied to the two pulse transformers are separately adjustable.
6. Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Sekundärwicklungen des Impulssteuertransformators der Anzahl der gleichzeitig und voneinander galvanisch getrennt zu schaltenden Elementen mit kapazitiver Ansteuercharakteristik entspricht.6. Driver circuit according to claim 1 or 4, characterized in that the number of secondary windings of the pulse control transformer corresponds to the number of elements to be switched simultaneously and galvanically separated from each other with capacitive control characteristics.
7. Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zum Trennen der Sekundärwicklung von dem anzusteuernden Element Zenerdioden oder Suppressordioden aufweist.7. Driver circuit according to claim 1 or 4, characterized in that the arrangement for separating the secondary winding from the element to be controlled has zener diodes or suppressor diodes.
8. Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Bauteile der Anordnung zum Trennen der Sekundärwick- lung von dem anzusteuernden Element so aufeinander abgestimmt sind, dass die Spannungszeitflächen der Ansteuerimpulse bei positiver und negativer Ansteuerung in etwa gleich sind.8. Driver circuit according to claim 1 or 4, characterized in that the individual components of the arrangement for separating the secondary winding from the element to be controlled are matched to one another in such a way that the voltage time areas of the control pulses with positive and negative control are approximately the same.
9. Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulssteuertransformator als Planartransformator ausgeführt ist.9. Driver circuit according to claim 1 or 4, characterized in that the pulse control transformer is designed as a planar transformer.
10. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekem- zeichnet, dass das anzusteuernde Element mit kapazitiver Ansteuercharakteristik ein Leistungs-Halbleiter-Schalter ist.10. Driver circuit according to one of claims 1 to 4, characterized gekem- characterized in that the element to be controlled with a capacitive control characteristic is a power semiconductor switch.
11.Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das anzusteuernde Element mit kapazitiver Ansteuercha- rakteristik ein elektro-optischer Kristall ist.11. Driver circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the element to be controlled with a capacitive control characteristic is an electro-optical crystal.
12. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Sekundärwicklung des Impulssteuertransformators eine Spannung generiert wird die etwa doppelt so hoch wie die zum Ansteuern des Elements benötigte Spannung ist. 12. Driver circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that a voltage is generated by the secondary winding of the pulse control transformer which is approximately twice as high as the voltage required to drive the element.
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