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Die
Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zum Schalten einer hohen
Betriebsspannung. Diese umfasst eine erste Schaltanordnung mit einem
ersten selbstleitenden Schaltelement, das einen Steueranschluss
und einen ersten und einen zweiten Hauptanschluss zur Ausbildung
einer Schaltstrecke aufweist. Die Schalteinrichtung umfasst ferner
eine zweite Schaltanordnung, welche einen ersten und einen zweiten
Anschluss zur Ausbildung einer Schaltstrecke aufweist, die seriell
zu der Schaltstrecke der ersten Schaltanordnung verschaltet ist.
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Eine
Schalteinrichtung zum Schalten bei einer hohen Betriebsspannung
ist aus der
DE 101
35 835 C1 bekannt. Die dort offenbarte Schalteinrichtung
basiert auf einer Zusammenschaltung eines Niedervolt(NV)- und zumindest
eines Hochvolt(HV)-Schaltelements. Die spezielle Art der Zusammenschaltung
wird als Kaskoden-Schaltung bezeichnet. Die Schalteinrichtung dient
zum Schalten eines hohen elektrischen Stroms und ist auch in der Lage,
eine hohe Betriebsspannung sicher zu sperren. Das Niedervolt-Schaltelement
ist in Form eines selbstsperrenden MOSFETs ausgebildet. Eine Anzahl
an seriell miteinander verschalteten Hochvolt-Schaltelementen (sog.
Kaskaden-Schaltung) ist in Form von selbstleitenden Sperrschicht-Feldeffekttransistoren
(JFET) realisiert.
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Die
Spannungsfestigkeit der Schalteinrichtung wird durch das serielle
Verschalten der Anzahl an Hochvolt-Schaltelementen erreicht. Hierbei
ist zwischen jeweiligen Steueranschlüssen der Hochvolt-Schaltelemente
ein Schutzelement vorgesehen, welches einen automatischen Mitnahmeeffekt
bewirkt. Das Schutzelement ist so zwischen die beiden Hochvolt-Steueranchlüsse
geschaltet, dass es in Richtung vom ersten zum zweiten Steueranschluss ein
Durchlassverhalten und in umgekehrter Richtung ein Sperrverhalten
aufweist. Sobald das erste Hochvolt-Schaltelement über
das extern angesteuerte Niedervolt-Schaltelement in seinen sperrenden
Zustand versetzt wird, geht auch das weitere Hochvolt-Schaltelement
in den Sperrzustand über.
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Wird
eine Schalteinrichtung für eine höhere Sperrspannung
im Bereich von mehr als 50 kV benötigt, so kann diese mit
der eingangs beschriebenen Schalteinrichtung geschaltet werden.
Allerdings weist die in der
DE 101 35 835 C1 beschriebene Schalteinrichtung
den Nachteil auf, dass das Einschalten der seriell miteinander verschalteten
Hochvolt-Schaltelemente schrittweise durch den Durchbruch der in
Serie geschalteten Schutzelemente erfolgt. Damit kann diese Schalteinrichtung
nicht in solchen Anwendungen zum Einsatz gelangen, bei denen eine
gleichzeitige Öffnung der Schaltelemente notwendig ist.
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Das
Erfordernis, dass alle in Serie verschalteten Hochvolt-Schaltelemente
gleichzeitig oder zumindest nahezu gleichzeitig synchron zueinander sich öffnen
oder schließen, besteht beispielsweise beim Betrieb von
Röntgenröhren in Computertomographen. Bei diesen
wird mittels eines Hochspannungsnetzteiles eine Gleichspannung von
ca. 55 kV erzeugt. Zur Reduzierung der Strahlenbelastung wird die
Spannungsquelle gepulst betrieben, wobei eine schnelle Entladung
der vorhandenen Kapazitäten erfolgen muss. Die vollständige
Entladung der (Hochvolt-)Kapazitäten (Kondensatoren und
Leitungen, wie z. B. Kabel) mittels der Schalteinrichtung sollte
innerhalb von 100 bis 200 μs erfolgen.
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Schalteinrichtungen
für eine derartige Anwendung umfassen die Serienschaltung
einer Anzahl von Thyristoren oder IGBTs (Insulated Gate Bipolartransistor),
welche jeweils mit einer eigenen Ansteuerschaltung gekoppelt sind.
Problematisch ist hierbei, dass diese aktiven Ansteuerungen auf
unterschiedlichem elektrischem Potenzial liegen. Hierdurch ergibt
sich ein nicht unerheblicher schaltungstechnischer Aufwand, der
auch zu höheren Kosten führt.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schalteinrichtung
sowie eine Schaltungsanordnung der eingangs bezeichneten Art anzugeben,
die eine hohe Sperrspannung aufweisen und gleichzeitig mit geringem
schaltungstechnischen Aufwand realisiert werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schalteinrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruches 1 sowie eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 10 oder 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich jeweils aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die
Erfindung schafft eine Schalteinrichtung zum Schalten einer hohen
Betriebsspannung, welche eine erste Schaltanordnung mit einem ersten selbstleitenden
Schaltelement aufweist, das einen Steueranschluss und einen ersten
und einen zweiten Hauptanschluss zur Ausbildung einer Schaltstrecke umfasst.
Die Schalteinrichtung umfasst ferner eine zweite Schaltanordnung,
welche einen ersten und einen zweiten Anschluss zur Ausbildung einer
Schaltstrecke aufweist, die seriell zu der Schaltstrecke der ersten
Schaltanordnung verschaltet ist. Hierbei umfasst die zweite Schaltanordnung
ein optisch triggerbares Schaltelement zum Leitendschalten der Schaltstrecke
der zweiten Schaltanordnung. Ferner ist der zweite Anschluss der
zweiten Schaltanordnung mit dem Steueranschluss des ersten selbstleitenden
Schaltelements verbunden.
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Die
Erfindung basiert damit auf der in der
DE 101 35 835 C1 bekannten
Kaskode mit einem Niedervolt-MOSFET und einem oder mehreren seriell verschalteten
Hochvolt-MOSFETs. Entsprechend der lediglich für den Niedervolt-MOSFET
benötigten Ansteuerung, braucht bei der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung
lediglich eine Ansteuerung der zweiten Schaltanordnung erfolgen.
Die Ansteuerung erfolgt auf einfache Weise mittels des optisch triggerbaren
Schaltelements potenzialgetrennt. Insbesondere entfällt
eine Energieversorgung für eine hierzu notwendige Triggerschaltung.
Von besonderem Vorteil ist hierbei, dass sich die zweite Schaltanordnung mit
minimalem Bauelementeaufwand realisieren lässt.
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Gemäß einer
Ausgestaltungsvariante umfasst die erste Schaltanordnung zumindest
ein zweites Schaltelement, das einen Steueranschluss und einen ersten
und einen zweiten Hauptanschluss zur Ausbildung einer Schaltstrecke
aufweist, wobei zur Ausbildung einer Schaltstrecke der ersten Schaltanordnung
die Schaltstrecke des ersten Schaltelements und die Schaltstrecke
des zumindest einen zweiten Schaltelements seriell miteinander verschaltet
sind und wobei zwischen die Steueranschlüsse des ersten
und des zweiten selbstleitenden Schaltelements ein Schutzelement
geschaltet ist.
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Durch
die Serienschaltung einer prinzipiell beliebigen Anzahl an zweiten
Schaltelementen kann über die Anzahl der in Serie geschalteten
zweiten Schaltelemente eine Schalteinrichtung realisiert werden,
die sich zum Betrieb einer hohen Betriebsspannung eignet und die
insbesondere auch eine hohe Sperrspannung aufweist. Unter einer
hohen Spannung wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung insbesondere
eine Spannung von mehr als 50 kV, insbesondere 55 kV, verstanden.
Durch die kaskadierte Verschaltung der Anzahl an zweiten, selbstleitenden
Schaltelementen erfolgt ein schrittweises Ein- und Ausschalten des
ersten und der zweiten Schaltelemente der ersten Schaltanordnung.
Ein Vorteil der Kaskadierung der Schaltelemente der ersten Schaltanordnung
besteht darin, dass der erforderliche Schaltungsaufwand gegenüber
einer Serienschaltung bipolarer Schaltelemente inklusive deren Ansteuerschaltungen
deutlich reduziert ist. Hierdurch reduziert sich ebenfalls der Platzbedarf
für die Schalteinrichtung.
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Die
Beschaltung mit dem Schutzelement bewirkt einen automatischen Mitnahmeeffekt,
so dass eine gesonderte Ansteuerung des zweiten Schaltelements nicht
notwendig ist. Das zweite Schaltlement geht in einen Sperrzustand über,
sobald das erste Schaltelement der ersten Schaltanordnung über
die zweite Schaltanordnung in seinen sperrenden Zustand versetzt
wird und über dem Schutzelement eine ausreichend hohe Sperrspannung
anliegt. Das Schutzelement ist dabei insbesondere so zwischen die
beiden Steueranschlüsse des ersten und zweiten Schaltelements
der ersten Schaltanordnung geschaltet, dass es in Richtung vom ersten
zum zweiten Steueranschluss ein Durchlassverhalten und in umgekehrter
Richtung ein Sperrverhalten aufweist.
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Das
Schutzelement weist in Sperrrichtung ab einer bestimmten, am Schutzelement
anliegenden Spannung ein Durchbruchverhalten auf. Ab dieser sog.
Schutzelement-Durchbruchspannung wird der Strom nicht mehr gesperrt,
sondern es kommt auch in Sperrrichtung zu einem Stromfluss über
das Schutzelement. Dieses Durchbruchverhalten ist insbesondere deshalb
vorteilhaft, da gerade der ab dieser Schutzelement-Durchbruchspannung
fließende Sperrstrom das oder die zweiten Schaltelemente
der ersten Schaltanordnung dazu veranlasst, vom leitenden in den
sperrenden Zustand umzuschalten. Eine besonders einfache Ausführungsform
des Schutzelements ergibt sich in Form einer Diode. Möglich
ist hierbei der Einsatz einer Zener-Diode aus Silizium. Insbesondere
eine Avalanche-Diode aus Silizium weist das beschriebene vorteilhafte
Durchbruchverhalten auf. Derartige Avalanche-Dioden sind für
verschiedene Schutzelement-Durchbruchspannungen erhältlich.
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In
der einfachsten Ausgestaltungsvariante umfasst die zweite Schaltanordnung
ausschließlich das optisch triggerbare Schaltelement. Dies
bedeutet, dass dieses Teil der Schaltstrecke der Schalteinrichtung
ist und dann dazu in der Lage sein muss, den Laststrom zu tragen.
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Ist
das optisch triggerbare Schaltelement nicht in der Lage, den über
die Schaltstrecke fließenden Strom zerstörungsfrei
zu tragen, so ist gemäß einer alternativen Ausgestaltung
in der Schaltstrecke der zweiten Schaltanordnung ein steuerbares
Schaltelement, insbesondere ein Bipolartransistor, angeordnet, welches
durch das optisch triggerbare Schaltelement leitend oder sperrend
schaltbar ist. Jedoch bleibt die einfache, insbesondere potenzialgetrennt mögliche
Ansteuerung bestehen. Zum anderen ist in der Schaltstrecke ein Schaltelement
interiert, welches problemlos darin fließende, hohe Ströme
tragen kann.
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Insbesondere
ist ein erster Widerstand mit dem steuerbaren Schaltelement seriell
verschaltet und das optisch triggerbare Schaltelement ist mit einem
zweiten Widerstand seriell verschaltet, wobei diese Serienschaltung
der Serienschaltung aus dem ersten Widerstand und dem steuerbaren
Schaltelement parallel geschaltet ist. Ein Knotenpunkt der Serienschaltung
aus dem optisch triggerbaren Schaltelement und dem ersten Widerstand
ist mit einem Steueranschluss des steuerbaren Schaltlements verbunden.
Der erste Widerstand dient dazu,, das steuerbare Schaltelement in
einem leitenden Zustand zu halten, wodurch ein Basisstrom in den
Steueranschluss des steuerbaren Schaltelements fließen kann.
Der zweite Widerstand dient zum Einstellen des Arbeitspunktes des
steuerbaren Schaltelements.
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Alternativ
zu dieser Ausgestaltungsvariante sind ein Kondensator und eine Serienschaltung
aus dem zweiten Widerstand mit dem optisch triggerbaren Schaltelement
einander parallel geschaltet und diese Parallelschaltung ist mit
dem zweiten Hauptanschluss des steuerbaren Schaltelements sowie über ein
Entkoppelungselement mit dem ersten Hauptanschluss des steuerbaren
Schaltelements verbunden. Ein Knotenpunkt der Serienschaltung aus
dem optisch triggerbaren Schaltelement und dem zweiten Widerstand
ist mit einem Steueranschluss des steuerbaren Schaltelements verbunden.
Hierdurch wird ein Zwischenkreiskondensator bereitgestellt, aus welchem
die zum Leitendschalten des steuerbaren Schaltelements notwendige
Energie bereitgestellt werden kann. Hierdurch kann auf den in der
Schaltstrecke befindlichen Widerstand verzichtet werden, wodurch
Durchleitungsverluste verringert sind.
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Das
erste selbstleitende Schaltelement und/oder das zumindest eine zweite
selbstleitende Schaltelement können durch einen JFET (Junction Field
Effect Transistor) gebildet sein. Ebenso können das erste
selbstleitende Schaltelement und/oder das zumindest eine zweite
selbstleitende Schaltelement ein MOSFET sein, dessen Gate-Anschluss über
eine jeweilige Diode mit dessen Source-Anschluss verbunden ist.
Durch das Vorsehen der Diode wird eine Überspannung im
Sperrfall verhindert.
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Es
wird ferner eine Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl an seriell
miteinander verschalteten Schalteinrichtungen vorgeschlagen, die
jeweils gemäß der oben beschriebenen Art ausgebildet
sind. Die Schaltungsanordnung umfasst damit eine Mehrzahl an seriell
miteinander verschalteten Schalteinrichtungen, welche jeweils eine
erste und eine zweite Schaltanordnung der oben beschriebenen Art
aufweisen. Damit ist in jeder der zweiten Schaltanordnungen ein
optisch triggerbares Schaltelement zum Leitendschalten der Schaltstrecke
der zweiten Schaltanordnung vorgesehen. Die jeweilige erste Schaltanordnung
kann jeweils lediglich das erste selbstleitende Schaltelement umfassen.
Ebenso kann die Schaltanordnung derart ausgestaltet sein, dass eine jeweilige
erste Schaltanordnung neben dem ersten selbstleitenden Schaltelement
eine (beliebige) Anzahl an zweiten selbstleitenden Schaltelementen
aufweist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Zeit für
das Einschalten der gesamten Schaltanordnung verkürzt werden
kann, da aufgrund der Mehrzahl an zweiten Schaltanordnungen mit
jeweiligen optisch triggerbaren Schaltelementen eine Parallelität
bereitgestellt werden kann.
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Die
Erfindung schafft ferner eine Schaltungsanordnung mit einem Hochvolt
(HV)-Schaltelement und einer Schalteinrichtung zur Ansteuerung des HV-Schaltelements,
wobei die Schalteinrichtung entsprechend der oben beschriebenen
Art und Weise ausgebildet ist. Bei dem HV-Schaltelement handelt es
sich insbesondere um ein spannungsgesteuertes, selbstsperrendes
Bauelement, wie z. B. einen Leistungs-MOSFET zum Leiten großer
Ströme.
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In
einer Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung weist das HV-Schaltelement einen Steueranschluss
und einen ersten und einen zweiten Hauptanschluss zur Ausbildung
einer Schaltstrecke auf. Die Schalteinrichtung und ein zu dieser
seriell verschalteter Widerstand sind parallel zu einem Kondensator
verschaltet. Ein Knotenpunkt zwischen der Schalteinrichtung und dem
Widerstand ist mit dem Steueranschluss des HV-Schaltelements verbunden.
Die Parallelschaltung aus dem Kondensator und der Serienschaltung
aus der Schalteinrichtung und dem Widerstand ist über ein
Entkoppelungselement mit dem ersten Hauptanschluss des HV-Schaltlements
verbunden. Die zum Ansteuern des HV-Schaltelements notwendige Energie,
die von der Schalteinrichtung benötigt wird, wird dem Kondensator
entnommen, welcher einen Hilfs-Zwischenkreis ausbildet.
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Zweckmäßigerweise
ist zwischen dem Steueranschluss und dem zweiten Hauptanschluss
des HV-Schaltelements ein Überspannungsschutzelement geschaltet.
Dieses ermöglicht es, die zwischen dem Steueranschluss
und dem zweiten Hauptanschluss des HV-Schaltelements anliegende
Spannung während des Leitendschaltens auf einen vorgegebenen
Wert zu begrenzen, so dass eine Beschädigung des HV-Schaltelements
ausgeschlossen werden kann.
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Das
HV-Schaltelement ist ein spannungsgesteuertes, selbstsperrendes
Halbleiterbauelement, insbesondere ein MOSFET oder ein IGBT.
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Die
Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen
in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1A, 1B eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung,
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2A, 2B eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung, bei der eine erste Schaltanordnung ein erstes
und ein zweites Schaltelement umfasst,
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3A eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung mit einer ersten Variante einer zweiten Schaltanordnung,
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3B eine
schematische Darstellung einer Anordnung zum optischen Triggern
der zweiten Schaltanordnung,
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4 eine
Darstellung der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung
mit einer zweiten Variante der zweiten Schaltanordnung,
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5 eine
Darstellung der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung
mit einer dritten Variante der zweiten Schaltanordnung,
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6 eine
erste Ausgestaltungsvariante einer Schaltungsanordnung mit einer
erfindungsgemäßen Schalteinrichtung zur Ansteuerung
eines Hochvolt-Schaltelements,
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7 eine
zweite Ausgestaltungsvariante einer Schaltungsanordnung mit einer
erfindungsgemäßen Schalteinrichtung zur Ansteuerung
des Hochvolt-Schaltelements,
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8 eine
dritte Ausgestaltungsvariante einer Schaltungsanordnung mit einer
erfindungsgemäßen Schalteinrichtung zur Ansteuerung
des Hochvolt-Schaltelements, und
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9 eine
Schaltungsanordnung einer Reihenschaltung einer Anzahl an erfindungsgemäßen Schalteinrichtungen.
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In
den 1A und 1B ist
der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung SE dargestellt. Die Schalteinrichtung SE umfasst eine
erste Schaltanordnung SA1, welche seriell mit einer zweiten Schaltanordnung
SA2 verschaltet ist.
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Die
Schalteinrichtung SA1 weist in ihrer einfachsten Ausgestaltung ein
einziges selbstleitendes Schaltelement T1 auf, welches in 1A als
JFET ausgebildet ist. Der JFET weist einen Steueranschluss (Gate-Anschluss),
einen ersten Hauptanschluss (Drain-Anschluss D) und einen zweiten Hauptanschluss
(Source-Anschluss S) auf. Der Gate-Anschluss G des JFETs T1 bildet
gleichzeitig den Steueranschluss der ersten Schaltanordnung. Der
Source-Anschluss S des JFETs T1 bildet den zweiten Hauptanschluss
der Schaltanordnung. Weist die erste Schaltanordnung SA1, wie in
dem Ausführungsbeispiel der 1A lediglich
ein erstes Schaltelement auf, so bildet der Drain-Anschluss D des JFETs
den ersten Hauptanschluss der ersten Schaltanordnung SA1.
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Die
Schalteinrichtung in 1B unterscheidet sich von der
Schalteinrichtung in 1A dadurch, dass der JFET durch
einen MOSFET ersetzt ist. In entsprechender Weise weist das als
MOSFET ausgebildete Schaltelement T1 einen Steueranschluss (Gate-Anschluss
G), einen ersten Hauptanschluss (Drain-Anschluss D) und einen zweiten Hauptanschluss
(Source-Anschluss S) auf. Der als selbstleitendes Schaltelement
in 1B gezeigte MOSFET weist zwischen seinem Gate-Anschluss
G und seinem Source-Anschluss S eine Diode D1 auf, deren Anodenanschluss
mit dem Gate-Anschluss verbunden ist. Der Kathodenanschluss ist
mit dem Source-Anschluss S verbunden.
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Die
Schaltanordnung SA2, die auf unterschiedliche Weise realisiert werden
kann, stellt einen Schalter mit einer Klemme KL1 als ersten Anschluss und
einer Klemme KL2 als zweiten Anschluss dar.
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Die
erste Schaltanordnung SA1 und die zweite Schaltanordnung SA2 sind
nach Art einer Kaskode miteinander verschaltet. Dies bedeutet, die Klemme
KL1 ist mit dem Source-Anschluss des JFETs T1 bzw. MOSFETs T1 verbunden.
Die Klemme KL2 ist mit dem Gate-Anschluss G des JFETs T1 bzw. MOSFETs
T1 verbunden.
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Im
Ausführungsbeispiel gemäß 2A weist
die erste Schaltanordnung SA1 neben dem ersten Schaltelement T1
ein ebenfalls als JFET ausgebildetes zweites Schaltelement T2 auf.
Hierbei ist der Source-Anschluss S des zweiten JFETs T2 mit dem Drain-Anschluss
des ersten JFETs T1 verbunden, so dass deren Schaltstrecken seriell
zueinander verschaltet sind. Der Drain-Anschluss D des zweiten JFETs
T2 bildet den ersten Hauptanschluss der ersten Schaltanordnung SA1
aus. Die Gate-Anschlüsse G des ersten und des zweiten JFETs
sind über ein Schutzelement PE miteinander verbunden.
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Das
Schutzelement PE ist als Z-Diode ausgebildet. Deren Anodenanschluss
ist mit dem Gate-Anschluss G des ersten JFETs T1 verbunden, während
der Kathodenanschluss mit dem Gate-Anchluss G des zweiten JFETs
T2 verbunden ist. Das Schutzelement PE ist damit so zwischen die Gate-Anschlüsse
G des ersten und zweiten JFETs geschaltet, dass es in Richtung vom
ersten zum zweiten JFET ein Durchlassverhalten und in umgekehrter
Richtung ein Sperrverhalten aufweist. Das Schutzelement PE bewirkt
den in der
DE 101
35 835 C1 beschriebenen automatischen Mitnahmeeffekt, gemäß dem
der zweite JFET in den Sperrzustand übergeht, sobald der
erste JFET über die zweite Schaltanordnung in seinen sperrenden
Zustand versetzt wird.
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Der
erste und der zweite JFET T1, T2 sind in einer Kaskadenschaltung
miteinander verschaltet. Je nach geforderter Sperrspannung kann
die erste Schaltanordnung auf eine höhere Anzahl an zweiten Schaltelementen
T2 aufweisen, wobei diese in der in
2A gezeigten
Weise miteinander verschaltet sind. Genaue Einzelheiten hinsichtlich
der Verschaltung und der Funktionsweise können der
DE 101 35 835 C1 der
Anmelderin entnommen werden.
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Die
Ausführungsvariante gemäß 2B unterscheidet
sich von der in 2A gezeigten lediglich dadurch,
dass anstatt der JFETs als erstes und zweites Schaltelement T1,
T2 MOSFETs T1, T2 vorgesehen sind. Bei jedem der MOSFETs T1, T2
ist jeweils zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Source-Anschluss
S die Diode D1 bzw. eine Diode D2 verschaltet. Zwischen den Gate-Anschlüssen
G der MOSFETs T1, T2 ist wiederum das Schutzelement PE verschaltet.
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Der
erfindungsgemäßen Schalteinrichtung, wie diese
in einer der 1A, 1B, 2A oder 2B gezeigt
ist, liegt das Prinzip zugrunde, die erste und die zweite Schaltanordnung
nach Art einer Kaskode miteinander zu verschalten. Wie aus der vorangegangenen
Beschreibung ersichtlich wurde, ist es hierbei unerheblich wie viele
Schaltelemente T1, T2 die erste Schaltanordnung SA1 umfasst. Kennzeichnend
für die erfindungsgemäße Schalteinrichtung
ist, dass die zweite Schaltanordnung SA2 ein optisch triggerbares
Schaltelement zum Leitendschalten der Schaltstrecke zwischen den
Klemmen KL1 und KL2 der zweiten Schaltanordnung umfasst, um somit
das erste Schaltelement T1 der ersten Schaltanordnung leitend schalten
zu können.
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In
der einfachsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung umfasst die zweite Schaltanordnung lediglich das
optisch triggerbare Schaltelement PD (vgl. 3).
Das optisch triggerbare Schaltelement PD kann beispielsweise als
Photodiode ausgebildet sein, deren Kathodenanschluss mit der Klemme
KL1 und deren Anodenanschluss mit der Klemme KL2 verbunden ist.
Durch Bestrahlung der Photodiode PD mit Licht wird diese leitend,
so dass eine niederohmige Verbindung wischen dem Gate-Anschluss
G und Source-Anschluss S des ersten Schaltelements T1 der ersten
Schaltanordnung SA1 hergestellt wird, so dass die erste Schaltanordnung
SA1 in den leitenden Zustand übergeht. In der in 3 gezeigten Ausführungsvariante
muss das optisch triggerbare Schaltelement PD jedoch dazu in der
Lage sein, den über die Schaltstrecke fließenden Strom
zu tragen.
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3B zeigt
eine schematische Darstellung einer Anordnung zum optischen Triggern
der Photodiode PD. Diese Anordnung umfasst ein Sendeelement PS,
einen Widerstand R30 sowie einen Signalgenerator SG. Der Anodenanschluss
des Sendeelements PS ist mit dem zur Strombegrenzung vorgesehenen
Widerstand R30 verbunden. Der Kathodenanschluss des Sendeelements
PS ist mit einem Bezugspotential gekoppelt. Durch entsprechende
Ansteuerung des Signalgenerators SG wird durch den Widerstand R30
und das Sendeelement PS ein Strom erzeugt, so dass das Sendeelement
zur Abgabe elektromagnetischer Strahlung angeregt wird. Beim Empfang
dieser elektromagnetischen Strahlung durch die Photodiode PD wird
diese leitend, so dass die niederohmige Verbindung zwischen dem Gate-Anschluss
G und dem Source-Anschluss S des ersten Schaltelements T1 der ersten
Schaltanordnung SA hergestellt wird und diese in den leitenden Zustand übergeht.
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4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Schaltanordnung SA2. Bei dieser ist zwischen den Klemmen KL1 und
KL2 ein Widerstand R21 mit einem dazu seriell verschalteten Bipolartransistor
T21 angeordnet. Parallel hierzu ist eine Serienschaltung aus dem
optisch triggerbaren Bauelement PD und einem Widerstand R22 vorgesehen.
Ein Knotenpunkt KP21 dieser Serienschaltung ist mit dem Basisanschluss
des Bipolartransistors T21 verschaltet. Ist das optisch triggerbare
Schaltelement PD als Phototransistor ausgebildet, so kann ein weiterer
Widerstand zur Stromeinstellung vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Durch das Leitendschalten der Photodiode PD kann ein Basisstrom
in den Transistor T21 fließen, wodurch dieser leitend wird. Hierdurch
kann die Ansteuerung des ersten Schaltelements T1 der ersten Schaltanordnung
SA1 (hier nicht gezeigt) erfolgen. Der Widerstand R21 dient dazu,
den Bipolartransistor T21 im leitenden Zustand zu halten, damit
dieser trotz Ansteuerung der Photodiode PD nicht in den sperrenden
Zustand übergeht. Der Widerstand R22 dient zum Einstellen
des Arbeitspunkts des Bipolartransistors T21.
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Eine
weiter verbesserte Ausgestaltung der zweiten Schaltanordnung SA2
ist in 5 gezeigt. Zwischen den Klemmen KL1 und KL2 der
Schaltanordnung SA2 ist lediglich der Bipolarransistor T21 verschaltet.
Parallel zu der Photodiode PD und dem seriell dazu verschalteten
zweiten Widerstand R22 ist ein Kondensator C21 verschaltet. Eine
Entkoppelungsdiode EE21 ist zwischen der Klemme KL1 und dem Kathodenanschluss
der Photodiode PD bzw. dem Kondensator C21 verschaltet. Über
den durch den Kondensator C21 gebildeten Spannungszwischenkreis
kann der Bipolartransistor T21 bei Bestrahlung der Photodiode RD
leitend gehalten werden. Hierbei können die über
die Schaltstrecke der zweiten Schaltanordnung SA2 auftretenden Verluste minimiert
werden, da der in dem Ausführungsbeispiel der 4 vorgesehene
Widerstand R21 entfallen kann. Die Entkoppelungsdiode EE21 dient
dazu, eine Entladung des Kondensators C21 zu verhindern.
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In
den in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen
dient das optisch triggerbare Schaltelement PD als Steuerelement
für den Bipolartransistor T21. Auf diese Weise ist eine
einfache, potenzialgetrennte Ansteuerung des zweiten Schaltelements
SA2 zur Ansteuerung der ersten Schaltanordnung SA1 möglich.
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Die
erfindungsgemäße Schalteinrichtung SE kann weiterhin
als Steuerelement für einen Leistungshalbleiterschalter
eingesetzt werden. Die Energieversorgung des Schaltelements erfolgt
in diesem Fall aus einem Spannungszwischenkreis. Ausführungsbeispiele
zu dieser Variante sind in den 6 bis 8 dargestellt.
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In 6 ist
eine Schalteinrichtung, beispielsweise gemäß einer
der Ausgestaltungsvarianten der 3, 4 oder 5,
seriell mit einem Widerstand R61 verschaltet. Parallel zu der Schalteinrichtung
und dem Widerstand R61 ist ein Kondensator C61 zur Bereitstellung
eines Spannungszwischenkreises verschaltet. Die Parallelschaltung
ist über eine Entkoppelungs diode EE61 mit dem Drain-Anschluss
D eines Leistungs-Halbeiterschaltelements T61 in Gestalt eines MOSFETs
verbunden. Bei dem Leistungs-MOSFET T61 handelt es sich um ein selbstsperrendes
Hochvolt-Bauelement zum Führen großer Ströme.
Der andere Anschluss des Widerstandes R61 ist mit dem Source-Anschluss
S des MOSFETs T61 verbunden. Ein Knotenpunkt KP61, welcher zwischen
der Schalteinrichtung SE und dem Widerstand R61 gebildet ist, ist
mit dem Gate-Anschluss G des MOSFETs T61 verbunden. Zur Begrenzung
der zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Source-Anschluss S anliegenden
Spannung im Betrieb ist ferner ein Überspannungsschutzelement US61
in Gestalt einer Z-Diode vorgesehen. Hierbei sind der Kathodenanschluss
mit dem Gate-Anschluss G und der Anodenanschluss mit dem Source-Anschluss
S des MOSFETs T61 verbunden.
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Wird
die Schalteinrichtung SE leitend geschaltet (durch Bestrahlen des
optisch triggerbaren Bauelements), so kann durch Entladung des Kondensators
C61 ein Strom über den Widerstand R61 fließen,
wodurch sich aufgrund der zwischen dem Gate-Anschluss G und Source-Anschluss
S einstellenden Spannung ein Aufsteuern des MOSFETs ergibt.
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In 7 und 8 ist
jeweils eine Ausgestaltungsvariante der Schalteinrichtung dargestellt. 7 zeigt
eine Ausführungsform, bei der die Schalteinrichtung p-Kanal
MOSFETs als Schaltelemente der ersten Schaltanordnung umfasst. Im
Gegensatz dazu zeigt die in 8 gezeigte
Variante der Schalteinrichtung n-Depletion MOSFETs der ersten Schaltanordnung
zur Ansteuerung des Leistungs-MOSFETs T61.
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In 9 ist
eine Schaltungsanordnung einer Reihenschaltung einer Anzahl an erfindungsgemäßen
Schalteinrichtungen SE1, ..., SEn-1, SEn dargestellt, welche über
einen Widerstand R90 mit einem Hochvolt-Kondensator C90 verbunden
sind. Jede der' Schalteinrichtungen SE1, ..., SEn kann gemäß einer
der in den 1 bis 5 dargestellten
und beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgebildet sein.
Da jede der Schalteinrichtungen SE1, ..., SEn eine zweite Schaltanordnung
SA2 mit einem optisch triggerbaren Bauelement umfasst, ist jeder
der Schalteinrichtungen SE1, ..., SEn ein entsprechendes Sendeelement
PS1, ..., PSn zugeordnet. Die Sendeelemente PS1, ..., PSn sind seriell
miteinander verschaltet, wobei der Anodenanschluss des Sendeelements
PSn über einen Widerstand R30 mit dem Signalgenerator SG
verbunden ist. Ein jeweiliger Kathodenanschluss eines der Sendeelemente
ist mit einem Anodenanschluss eines darauffolgenden Sendeelements
verbunden. Der Kathodenanschluss des Sendeelements PS1 ist mit Bezugspotential
gekoppelt.
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Wird
durch den Signalgenerator SG ein Strom durch die Reihenschaltung
der Sendeelemente PS1, ..., PSn erzeugt, so werden gleichzeitig
alle optisch triggerbaren Bauelemente der zweiten Schaltanordnungen
SA2 der Schalteinrichtungen SE1, ..., SEn leitend geschaltet, wodurch
das Leitendschalten der jeweiligen Schalteinrichtung SE1, ..., SEn
initiiert wird. Aufgrund des parallelen Leitendschaltens jeweiliger
Schaltelemente der ersten Schaltanordnung SA1 der Schalteinrichtungen
SE1, ..., SEn kann die Zeit für das Einschalten der gesamten
Schaltungsanordnung verkürzt werden. Ein quasi gleichzeitiges Einschalten
der Schalteinrichtungen SE1, ..., SEn ist dann möglich,
wenn die erste Schaltanordnung SA1 einer jeweiligen Schalteinrichtung
SE1, ..., SEn lediglich das erste selbstleitende Schaltelement T1
umfasst.
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Die
erfindungsgemäße Schalteinrichtung weist eine
Reihe von Vorteilen auf. Die Möglichkeit, die Schalteinrichtung
optisch triggern zu können, zieht einen minimalen Bauelementaufwand
nach sich. Insbesondere kann eine Energieversorgung für die
Triggerschaltung entfallen.
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Es
können optische Bauelemente mit geringer Sperrfähigkeit,
z. B. im Bereich von 30–40 Volt, eingesetzt werden.
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Bei
einer Ausführungsvariante gemäß den 3 oder 4 kann der
Strom durch die Kaskade über den Bipolartransistor T21
in einem weiten Bereich eingestellt werden.
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Die
Schaltelemente der ersten Schaltanordnung der Schalteinrichtung
können mit jedem selbstleitenden Bauelement, insbesondere
auch mit kostengünstigem depletion-n-Kanal oder -p-Kanal
MOSFETs realisiert werden.
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Sofern
das optisch triggerbare Schaltelement in der Lage ist, den Laststrom
selbst zu tragen, kann die zweite Schaltanordnung ausschließlich
das optisch triggerbare Schaltelement umfassen. Hierdurch ergibt
sich eine einfache Schalteinrichtung.
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Die
Schalteinrichtung kann wiederum als Steuerelement für einen
Leistungs-Halbleiterschalter eingesetzt werden, wobei deren Energieversorgung aus
einem Hilfs-Zwischenkreis erfolgen kann. Besteht die Forderung nach
einem rückwärtsleitenden Bauelement, dann kann
dem in den 3 und 4 dargestellten
Bipolartransistor D21 eine Freilaufdiode parallel geschaltet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10135835
C1 [0002, 0004, 0010, 0042, 0043]