CH697870A2

CH697870A2 - Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Impulsgenerator mit hoher Impulswiederholrate.

Info

Publication number: CH697870A2
Application number: CH01400/08A
Authority: CH
Inventors: Fengfeng Tao; Frank Jakob Mueller; Robert Carl Murray; Abdelkrim Younsi; Seyed Gholamali Saddoughi; Joseph Taher Mossoba; John Stanley Glaser
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2008-09-01
Publication date: 2009-03-13
Also published as: CH697870B1; DE102008044468A1; JP2009065663A; US8023296B2; US20090066391A1; CN101453174A

Abstract

Ein Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Impulsgenerator mit hoher Wiederholrate (30) beseitigt die Einschränkungen, die bei HF-Leistungsverstärkern mit Bezug auf die hohen Impulswiederholraten auftreten. Der Impulsgenerator (30) arbeitet mit Resonanztechniken, um Strombegrenzungsmerkmale bereitzustellen, die einen Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Dauerbetrieb mit hoher Impulswiederholrate des Impulsgenerator (30) erlauben, ohne dass der Impulsgenerator (30) während Kurzschlussbetriebsbedingungen oder während Leerlaufbetriebsbedingungen Beeinträchtigungen erfährt.

Description

Allgemeiner Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft allgemein die elektronische Leistungswandlung und insbesondere einen Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Impulsgenerator mit hoher Impulswiederholrate, der mit Weichschaltungs- und Impulsformungstechnologien arbeitet.

[0002] In Generatoren, die in der Lage sind, mit hohen Spannungen, hohen Geschwindigkeiten und hohen Impulswiederholraten zu arbeiten, sind im Allgemeinen Hochfrequenz (HF)-Leistungsverstärker und zugehörige Technologie verwendet worden, um eine Erzeugung und Übertragung mit hoher Spannung, hoher Geschwindigkeit und hoher Impulswiederholrate zu erreichen. Solche HF-Leistungsverstärker sind teuer in der Herstellung und haben aufgrund interner Wärmestaus während der Erzeugung einer hohen Impulswiederholrate Zuverlässigkeitsprobleme.

HF-Verstärker benötigen ausserdem unzweckmässigerweise erhebliche Baufläche und haben im Allgemeinen einen geringen elektrischen Wirkungsgrad. Des Weiteren eignet sich die HF-Leistungsverstärkertechnologie unter anderem aufgrund von Wärmeverlusten nicht sonderlich zur Erzeugung hoher Impulswiederholraten.

[0003] Es wäre ebenso vorteilhaft wie nützlich, einen Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Impulsgenerator mit hoher Impulswiederholrate bereitzustellen, der die Einschränkungen bezüglich der hohen Impulswiederholraten aufhebt, mit denen HF-Leistungsverstärker behaftet sind.

Es wäre des Weiteren vorteilhaft, wenn der Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Impulsgenerator mit hoher Impulswiederholrate zu einem Dauerbetrieb befähigt wäre, ohne dass der Impulsgenerator während des Kurzschlussbetriebes oder während des Leerlaufbetriebes Beeinträchtigungen erfährt.

Kurzdarstellung der Erfindung

[0004] Kurz gesagt, wird gemäss einer Ausführungsform ein Impulsgenerator zum Erzeugen von Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeitsimpulsen mit hoher Wiederholrate bereitgestellt.

Der Impulsgenerator umfasst:
einen Wechselrichter, der dafür konfiguriert ist, eine Gleichspannung in eine hochfrequente Wechselspannung umzuwandeln;
einen Wandler, der dafür konfiguriert ist, in Reaktion auf die Wechselspannung als eine Wechselstromquelle zu arbeiten; und
einen Spannungsformungsabschnitt, der dafür konfiguriert ist, in Reaktion auf einen durch die Wechselstromquelle erzeugten Eingangswechselstrom einen Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Spannungsimpuls mit hoher Wiederholrate zu erzeugen.

[0005] Gemäss einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Erzeugen eines Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Spannungsimpulses mit hoher Wiederholrate:
Umwandeln einer Gleichspannung in eine hochfrequente Wechselspannung;
Erzeugen eines Wechselstromes in Reaktion auf die Wechselspannung;

und
Erzeugen eines Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Spannungsimpulses mit hoher Wiederholrate in Reaktion auf den Wechselstrom.

[0006] Gemäss einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Impulsgenerator:
Mittel zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine hochfrequente Wechselspannung;
Mittel zum Erzeugen eines Wechselstromes in Reaktion auf die Wechselspannung;

und
Mittel zum Erzeugen eines Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Spannungsimpulses mit hoher Wiederholrate in Reaktion auf den Wechselstrom.

Kurzdarstellung der Zeichnungen

[0007] Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen immer für gleiche Teile stehen und in denen Folgendes dargestellt ist:
<tb>Fig. 1<sep>ist ein vereinfachtes Schaltbild, das einen Weichschaltungs-Impulsformungsgenerator gemäss einer Ausführungsform zeigt.

<tb>Fig. 2<sep>ist ein Flussdiagramm, das beispielhafte Schritte eines Verfahrens zum Erzeugen eines Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Spannungsimpulses mit hoher Wiederholrate gemäss einer Ausführungsform veranschaulicht.

<tb>Fig. 3<sep>ist ein Schaltbild, das in grösserer Detailliertheit einen Weichschaltungs-Impulsformungsgenerator gemäss einer Ausführungsform veranschaulicht.

<tb>Fig. 4<sep>ist ein Satz Wellenformen, der Arbeitsstromkreisspannungen und -ströme während eines Stabilzustandsbetriebes des in Fig. 3 gezeigten Generators gemäss einer Ausführungsform veranschaulicht.

<tb>Fig. 5<sep>ist ein Satz Wellenformen, der Arbeitsstromkreisspannungen und -ströme während Kurzschlusslastbedingungen für den in Fig. 3 gezeigten Generator gemäss einer Ausführungsform veranschaulicht.

<tb>Fig. 6<sep>ist ein Satz Wellenformen, der Arbeitsstromkreisspannungen und -ströme während Leerlauflastbedingungen für den in Fig. 3 gezeigten Generator gemäss einer Ausführungsform veranschaulicht.

[0008] Obgleich die oben genannten Zeichnungsfiguren alternative Ausführungsformen darlegen, werden noch weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen, wie in der Besprechung angemerkt. In allen Fällen stellt diese Offenbarung veranschaulichte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Zweck der Beschreibung und nicht der Einschränkung vor.

Durch den Fachmann können zahlreiche weitere Modifikationen und Ausführungsformen ersonnen werden, die in den Geist und Geltungsbereich der Prinzipien dieser Erfindung fallen.

Detaillierte Beschreibung

[0009] Zuerst werden die Fig. 1 und 2 beschrieben, um einen Hintergrund zu haben, der dem besseren Verstehen der Besprechung im Zusammenhang mit Fig. 3 dient, die unten beschrieben wird. Wenden wir uns nun Fig. 1 zu, wo ein vereinfachtes Schaltbild eine grundlegende Weichschaltungs-Impulsformungsschaltungsarchitektur 10 gemäss einer Ausführungsform veranschaulicht.

Die Schaltung 10 enthält einen Transkonduktanzverstärker 12, der in Reaktion auf einen Eingangsspannungsimpuls 13 als eine Stromquelle fungiert.

[0010] Ein MOSFET-Bauelement 14 in Kombination mit einer Klemmdiode 16 arbeiten zusammen als eine Impulsformungsschaltung, um einen quadratisch oder rechteckig geformten Spannungsimpuls an einer gewünschten Last 18 zu erzeugen. Die Schaltung 10 ist dank der Stromquelle, welche die Impulsformungsschaltung antreibt, gegen Kurzschluss- und Leerlauflasten stabil.

[0011] Die Gattereingangsansteuerung des MOSFET-Bauelements 14 wird in einer Weise gesteuert, die es dem MOSFET-Bauelement 14 gestattet, in einem Weichschaltungsmodus einzuschalten. Eine Weichschaltung reduziert Schaltverluste im Zusammenhang mit dem MOSFET-Schaltungsbauelement 14, wenn die Schalthäufigkeit erhöht wird.

Die Kombination aus Weichschaltung und Impulsformung erlaubt es der Schaltung 10, als ein Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Impulsgenerator mit hoher Wiederholrate zu arbeiten, der sowohl unter Leerlauf- als auch unter Kurzschlussbelastung stabil arbeitet.

[0012] Fig. 2 ist ein Flussdiagramm 20, das beispielhafte Schritte eines Verfahrens zum Erzeugen eines Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Spannungsimpulses mit hoher Wiederholrate gemäss einer Ausführungsform veranschaulicht. Das Verfahren beginnt mit der Bereitstellung einer primären Eingangsgleichspannung, wie in Block 22 dargestellt. Die Eingangsgleichspannung wird dann durch einen Wechselrichter geleitet, um eine hochfrequente (zum Beispiel 25 MHz) Wechselspannung zu erzeugen, wie dargestellt in Block 24.

Die Wechselspannung wird in eine Stromquelle umgewandelt, um Wechselstrom zu erzeugen, wie in Block 26 dargestellt. Die Stromquelle erlaubt es dem Impulsgenerator, in einer stabilen Weise zu funktionieren, indem ein Strombegrenzungsmittel bereitgestellt wird, das nicht erreicht werden kann, wenn eine reine Spannungsquelle zum Antreiben einer dynamischen Last 18 verwendet wird, wie sie zum Beispiel in Fig. 1 gezeigt ist. Der Wechselstrom treibt dann eine Spannungsformungsschaltung an, um einen quadratischen oder rechteckigen Ausgangsspannungsimpuls zu erzeugen, wie dargestellt in Block 28.

[0013] Fig. 3 ist ein Schaltbild, das in grösserer Detailliertheit einen Weichschaltungs-Impulsformungsgenerator 30 gemäss einer Ausführungsform veranschaulicht.

Die Schaltungsarchitektur des Generators 30 erlaubt es dem Generator 30, einen Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Ausgangsspannungsimpuls mit hoher Wiederholrate zu erzeugen.

[0014] Es ist zu sehen, dass der Generator 30 einen Wechselrichter 40, einen Wandler 50 und einen Impulsformungsabschnitt 60 enthält. Der Wechselrichter 40 enthält einen ersten Tankkreis, der einen Kondensator C1 und eine Induktionsspule L1 enthält, die zusammen eine Eigenresonanzfrequenz haben. Der Wechselrichter 40 enthält des Weiteren einen oberen Weichschalter 42, der an einem Ende mit einer positiven Gleichspannungsquelle 32 verbunden ist und der an seinem entgegengesetzten Ende mit dem Kondensator C1 verbunden ist, wie in Fig. 3 gezeigt. Der obere Weichschalter 42 arbeitet in einem Weichschaltungsmodus über ein Gatteransteuerungselement 43, um den Ein-Aus-Schaltbetrieb zu steuern.

Die Klemmdiode 44, welche die Spannung an dem unteren Schalter 46 begrenzt, könnte eine parasitäre Körperdiode des Schalters 42 sein. Der Wechselrichter 40 enthält des Weiteren einen unteren Weichschalter 46, der an einem Ende mit einer Generatormasse 34 verbunden ist und an seinem entgegengesetzten Ende mit dem Kondensator C1 verbunden ist, wie ebenfalls in Fig. 3 gezeigt. Der untere Weichschalter 46 arbeitet in einem Weichschaltungsmodus über ein entsprechendes Gatteransteuerungselement 47, um den Ein-Aus-Schaltbetrieb zu steuern. Die Klemmdiode 48, welche die Spannung am oberen Schalter 42 begrenzt, könnte eine parasitäre Körperdiode des Schalters 46 sein. Der obere Weichschalter 42 und der untere Weichschalter 46 sind so konfiguriert, dass der obere Weichschalter 42 eingeschaltet wird, wenn der untere Weichschalter 46 ausgeschaltet wird und umgekehrt.

Jeder Schalter 42, 46 arbeitet gemäss einer Ausführungsform in einem Weichschaltungsmodus mit einer Hochfrequenzrate, die mindestens so hoch ist wie die Eigenresonanzfrequenz des Tankkreises, der durch den Kondensator C1 und die Induktionsspule L1 gebildet wird, wie zum Beispiel 25 MHz.

[0015] Es ist zu sehen, dass der Wandler 50 ebenfalls einen Tankkreis (zweiten Tankkreis) aufweist, der einen Kondensator C2 und eine Induktionsspule L2 enthält. Der erste Tankkreis des Wechselrichters 40 und der zweite Tankkreis des Wandlers 50 sind in einer Ausführungsform so konfiguriert, dass die Resonanzfrequenz von C1 und L1 zusammen die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen wie ein Kombinationstankkreis, der C1 in Kombination mit C2 und L1 in Kombination mit L2 enthält.

Diese Konfiguration erlaubt es, dass im Wesentlichen die gesamte Energie, die in dem ersten Tankkreis, der den Kondensator C1 und die Induktionsspule L1 enthält, gespeichert ist, während des Schaltprozesses zu dem zweiten Tankkreis, der den Kondensator C2 und die Induktionsspule L2 enthält, übertragen wird. Diese Konfiguration erlaubt ausserdem eine Stromverdoppelung, dergestalt, dass während des Schaltprozesses der Spitzenstrom, der durch die Induktionsspule L2 fliesst, im Wesentlichen zweimal so gross ist wie der Spitzenstrom, der durch die Induktionsspule L1 fliesst.

Ein dritter Schalter 52 arbeitet gemäss einer Ausführungsform in einem Weichschaltungsmodus über die Gatteransteuerung 53 und in Kombination mit Diode 54, Diode 56 und dem zweiten Tankkreis, der den Kondensator C2 und die Induktionsspule L2 enthält, um einen Wechselstrom durch die Induktionsspule L2 zu erzeugen. Die Diode 54 könnte eine parasitäre Körperdiode des Schalters 52 ein, obgleich eine Zener-Diode bevorzugt ist. Die Last, RL in Fig. 3, empfängt dann ihren Strom von der Energie, die durch die Induktionsspule L2 gespeichert wird, und ist von der Gleichspannungsquelle durch den Wechselrichter 40 und den Wandler 50 getrennt.

Dieses Isolationsmerkmal erlaubt es dem Generator 30 vorteilhafterweise, eine dynamische Last anzutreiben, die zwischen einem Kurzschluss und einem Leerlauf wechseln kann und das Antreiben einer dynamischen Last während eines Stabilzustandsbetriebes in einem Bereich, der irgendwo zwischen dem Kurzschluss- und dem Leerlaufzustand liegt, enthalten kann.

[0016] Der Generator 30 enthält des Weiteren einen Impulsformungsabschnitt 60, der dafür konfiguriert ist, eine dynamisch wechselnde Last effektiv anzutreiben und ausserdem eine Quadratwelle oder einen Rechteckspannungsimpuls in Reaktion auf die durch die Induktionsspule L2 fliessende Energie zu erzeugen. Der Impulsformungsabschnitt enthält einen Weichschalter 62 und arbeitet in einem Weichschaltungsmodus über das Gatteransteuerungselement 64.

Der Weichschalter 62 funktioniert in Kombination mit der Diode 66 und der Diode 68, um während des Schaltprozesses einen quadratischen oder rechteckigen Spannungsimpuls zu erzeugen. Der oben besprochene Resonanzfrequenz-Schaltprozess ermöglicht vorteilhafterweise eine reine Spannungsschaltung bei hohen Frequenzen (MHz-Bereich) in Gegenwart dynamisch wechselnder Lastbedingungen.

[0017] Fig. 4 ist ein Satz Wellenformen, der Arbeitsstromkreisspannungen und -ströme während eines Stabilzustandsbetriebes des in Fig. 3 gezeigten Generators 30 gemäss einer Ausführungsform veranschaulicht. Die oberste Wellenform veranschaulicht einen Hochspannungs (ungefähr 1000 Volt)-Hochfrequenz (MHz-Bereich)-Ausgangsspannungsimpuls mit hoher Wiederholrate, der durch den Generator 30 erzeugt wird. Die mittlere Wellenform veranschaulicht die durch den Generator 30 erreichte Spitzenstromverdopplung.

Die untere Wellenform veranschaulicht den Wechselstrom, der während eines normalen Stabilzustandsbetriebes des Impulsgenerators 30 durch den Wechselrichter, den Wandler und die Impulsformungsschalter fliesst.

[0018] Fig. 5 ist ein Satz Wellenformen, der Arbeitsstromkreisspannungen und -ströme während Kurzschlusslastbedingungen für den in Fig. 3 gezeigten Generator 30 gemäss einer Ausführungsform veranschaulicht. Die Kurzschlussarbeitswellenformen veranschaulichen die betrieblichen Fähigkeiten des Impulsgenerators 30 selbst während einer Kurzschlussbelastung am Ausgang.

Die Wellenformen demonstrieren, dass der Impulsgenerator 30 seine Arbeit fortsetzt, ohne dass negative Auswirkungen aufgrund der Strombegrenzungsmerkmale auftreten.

[0019] Fig. 6 ist ein Satz Wellenformen, der Arbeitsstromkreisspannungen und -ströme während Leerlauflastbedingungen für den in Fig. 3 gezeigten Generator 30 gemäss einer Ausführungsform veranschaulicht. Die Leerlaufarbeitswellenformen veranschaulichen die betrieblichen Fähigkeiten des Impulsgenerators 30 selbst während einer Leerlaufbelastung am Generatorausgang.

Die Wellenformen demonstrieren, dass der Impulsgenerator 30 seine Arbeit selbst während einer Leerlaufbelastung fortsetzt, ohne dass negative Auswirkungen aufgrund der Strombegrenzungsmerkmale auftreten.

[0020] Obgleich nur bestimmte Merkmale der Erfindung im vorliegenden Text veranschaulicht und beschrieben wurden, fallen dem Fachmann viele Modifikationen und Änderungen ein. Es versteht sich darum, dass die angehängten Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen erfassen, die unter den wahren Geist der Erfindung fallen.

Claims

1. Impulsgenerator (30), der Folgendes umfasst: einen Wechselrichter (40), der dafür konfiguriert ist, eine Gleichspannung in eine hochfrequente Wechselspannung umzuwandeln; einen Wandler (50), der dafür konfiguriert ist, in Reaktion auf die Wechselspannung als eine Wechselstromquelle zu arbeiten; und einen Spannungsformungsabschnitt (60), der dafür konfiguriert ist, in Reaktion auf einen durch die Wechselstromquelle erzeugten Eingangswechselstrom einen Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Spannungsimpuls mit hoher Wiederholrate zu erzeugen.

2. Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter (40) ein Paar Hochspannungsschalter (42), (46) umfasst, wobei jeder Schalter dafür konfiguriert ist, in einem Weichschaltungsmodus in Kombination mit einer entsprechendes Klemmdiode (44), (48) zu arbeiten, um eine hochfrequente Wechselspannung zu erzeugen.

3. Impulsgenerator (30) nach Anspruch 2, wobei jeder Hochspannungsschalter (42), (46) über ein entsprechendes Gatteransteuerungselement (43), (47) dergestalt angesteuert wird, dass jeder Hochspannungsschalter (42), (46) in einem Weichschaltungsmodus arbeitet.

4. Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Wandler (50) einen Hochspannungsschalter (52) umfasst, der dafür konfiguriert ist, in einem Weichschaltungsmodus in Kombination mit einer entsprechenden Klemmdiode (54) zu arbeiten, um den Eingangswechselstrom zu erzeugen.

5. Impulsgenerator (30) nach Anspruch 4, wobei der Wandlerhochspannungsschalter (52) über ein entsprechendes Gatteransteuerungselement (53) dergestalt angesteuert wird, dass der Wandlerhochspannungsschalter (52) in einem Weichschaltungsmodus arbeitet.

6. Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Impulsformungsabschnitt (60) einen Hochspannungsschalter (62) umfasst, der dafür konfiguriert ist, in einem Weichschaltungsmodus in Kombination mit einer entsprechenden Klemmdiode (66) zu arbeiten, um den Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Spannungsimpuls mit hoher Wiederholrate zu erzeugen.

7. Impulsgenerator (30) nach Anspruch 6, wobei der Impulsformungsabschnitts-Hochspannungsschalter (62) über ein entsprechendes Gatteransteuerungselement (64) dergestalt angesteuert wird, dass der Impulsformungsabschnitts-Hochspannungsschalter (62) in einem Weichschaltungsmodus arbeitet.

8. Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter (40) und der Wandler (50) jeweils einen LC-Tankkreis umfassen, wobei die Tankkreise zusammen dafür konfiguriert sind, während Wechselrichter- und Wandler-Schaltmodi im Wesentlichen die gesamte in dem Wechselrichter-Tankkreis gespeicherte Energie in den Wandler-Tankkreis zu übertragen.

9. Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter (40) und der Wandler (50) jeweils einen LC-Tankkreis umfassen, wobei die Tankkreise zusammen so konfiguriert sind, dass der durch die Wandler-Induktionsspule L fliessende Spitzenstrom im Wesentlichen zweimal so gross ist wie der durch die Wechselrichter-Induktionsspule L fliessende Spitzenstrom.

10. Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Impulsformungsabschnitt (60) dafür konfiguriert ist, in Reaktion auf den durch die Wechselstromquelle (50) erzeugten Eingangswechselstrom einen quadratischen oder rechteckigen Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Spannungsimpuls mit hoher Wiederholrate zu erzeugen.