CH697870B1

CH697870B1 - Hochspannungs-Impulsgenerator.

Info

Publication number: CH697870B1
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: 2012-03-15
Also published as: US20090066391A1; CH697870A2; CN101453174A; US8023296B2; DE102008044468A1; JP2009065663A

Abstract

Ein Hochspannungs-Impulsgenerator (30) beseitigt die Einschränkungen, die bei HF-Leistungsverstärkern mit Bezug auf die hohen Impulswiederholraten auftreten. Der Hochspannungs-Impulsgenerator (30) arbeitet mit Resonanztechniken, um Strombegrenzungsmerkmale bereitzustellen, die einen Hochspannungs-Dauerbetrieb des Hochspannungs-Impulsgenerators (30) erlauben, ohne dass der Hochspannungs-Impulsgenerator (30) während Kurzschlussbetriebsbedingungen oder während Leerlaufbetriebsbedingungen Beeinträchtigungen erfährt. Der Hochspannungs-Impulsgenerator (30) umfasst einen Wechselrichter (40), einen Wandler (50) und einen Hochspannungs-Impulsformungsteil (60).

Description

Allgemeiner Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft allgemein einen Hochspannungs-Impulsgenerator. Es werden Technologien zur Weichschaltung und zur Hochspannungs-Impulsformung beschrieben.

[0002] In Generatoren, die in der Lage sind, mit hohen Spannungen (z.B. im Bereich >1kV) zu arbeiten, sind im Allgemeinen Hochfrequenz (HF)-Leistungsverstärker und zugehörige Technologie verwendet worden, um eine Erzeugung und Übertragung mit hoher Spannung zu erreichen.

[0003] Es besteht ein Nachteil darin, dass solche HF-Leistungsverstärker (z.B. im Bereich von 3–30 MHz) teuer in der Herstellung sind und aufgrund interner Wärmestaus während der Erzeugung einer hohen Impulswiederholrate Zuverlässigkeitsprobleme haben. HF-Verstärker benötigen nachteilhafterweise ausserdem eine relativ grosse 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.

[0004] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochspannungs-Impulsgenerator bereitzustellen, der die Einschränkungen bezüglich der hohen Impulswiederholraten aufhebt, mit denen HF-Leistungsverstärker behaftet sind. Es wäre des Weiteren vorteilhaft, wenn der Hochspannungs-Impulsgenerator zu einem Dauerbetrieb befähigt wäre, ohne dass der Hochspannungs-Impulsgenerator während des Kurzschlussbetriebes oder während des Leerlaufbetriebes Beeinträchtigungen erfährt.

Kurzdarstellung der Erfindung

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Hochspannungs-Impulsgenerator gelöst, welcher 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 Hochspannungs-Impulsformungsteil, der dafür konfiguriert ist, in Reaktion auf einen durch die Wechselstromquelle erzeugten Eingangswechselstrom einen Hochspannungsimpuls zu erzeugen.

Kurzdarstellung der Zeichnungen

[0006] 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 einer beispielhaften weich schaltenden Hochspannungs-Impulsformungsschaltung; <tb>Fig. 2<sep>ist ein kombiniertes Block-/Fluss-Diagramm, das beispielhafte Funktionselemente/Verfahrensschritte zum Erzeugen eines Hochspannungs-Spannungsimpulses veranschaulicht; <tb>Fig. 3<sep>ist ein detailliertes Schaltbild eines beispielhaften weich schaltenden, pulsformenden Hochspannungs-Impulsgenerators; <tb>Fig. 4<sep>ist ein Satz beispielhafter Wellenformen, der Arbeitsstromkreisspannungen und -ströme während eines Stabilzustandsbetriebes des in Fig. 3 gezeigten Hochspannungs-Impulsgenerators veranschaulicht; <tb>Fig. 5<sep>ist ein Satz beispielhafter Wellenformen, der Arbeitsstromkreisspannungen und -ströme während Kurzschlusslastbedingungen für den in Fig. 3 gezeigten Hochspannungs-Impulsgenerator veranschaulicht; <tb>Fig. 6<sep>ist ein Satz beispielhafter Wellenformen, der Arbeitsstromkreisspannungen und -ströme während Leerlauflastbedingungen für den in Fig. 3 gezeigten Hochspannungs-Impulsgenerator veranschaulicht.

Detaillierte Beschreibung

[0007] Zuerst werden die Fig. 1und 2 beschrieben, um einen besseren Hintergrund für das Verstehen der unten beschriebenen Fig. 3zu erhalten.

[0008] Wenden wir uns nun Fig. 1zu, wo ein vereinfachtes Schaltbild eine beispielhafte grundlegende Architektur einer weich schaltenden Hochspannungs-Impulsformungsschaltung 10 zeigt. Die Hochspannungs-Impulsformungsschaltung 10 enthält einen Transkonduktanzverstärker 12, der in Reaktion auf einen Eingangsspannungsimpuls 13 als eine Stromquelle fungiert.

[0009] Ein MOSFET-Bauelement 14 in Kombination mit einer Freilaufdiode (Klemmdiode) 16 arbeiten zusammen als eine Hochspannungs-Impulsformungsschaltung, um einen quadratisch oder rechteckig geformten Spannungsimpuls an einer gewünschten Last 18 zu erzeugen. Die Hochspannungs-Impulsformungsschaltung 10 ist dank der Stromquelle, welche die Hochspannungs-Impulsformungsschaltung 10 antreibt, gegen Kurzschluss- und Leerlauflasten stabil.

[0010] Die Gattereingangsansteuerung des MOSFET-Bauelements 14 wird in einer Weise gesteuert, die es dem MOSFET-Bauelement 14 gestattet, in einen weich schaltenden Betriebsmodus zu schalten. Ein (sanftes) weiches Schalten reduziert Schaltverluste im Zusammenhang mit dem MOSFET-Bauelement 14, wenn die Schalthäufigkeit erhöht wird. Die Kombination aus Weichschaltung und Impulsformung erlaubt es der Hochspannungs-Impulsformungsschaltung 10, als ein Hochspannungs-Impulsgenerator zu arbeiten, der sowohl unter Leerlauf- als auch unter Kurzschlussbelastung stabil arbeitet.

[0011] Fig. 2 ist ein kombiniertes Block-/Flussdiagramm 20, das beispielhafte Funktionselemente/Verfahrensschritte eines Hochspannungs-Impulsgenerators zum Erzeugen eines Hochspannungs-Spannungsimpulses 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 Hochspannungs-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 Hochspannungs-Impulsformungsschaltung an, um einen quadratischen oder rechteckigen Ausgangsspannungsimpuls zu erzeugen, wie dargestellt in Block 28.

[0012] Fig. 3 ist ein Schaltbild, das in grösserer Detailliertheit einen beispielhaften weich schaltenden, pulsformenden Hochspannungs-Impulsgenerator 30 veranschaulicht. Die Schaltungsarchitektur des Hochspannungs-Impulsgenerators 30 erlaubt es, einen Hochspannungs-Spannungsimpuls zu erzeugen.

[0013] Es ist zu sehen, dass der Hochspannungs-Impulsgenerator 30 einen Wechselrichter 40, einen Wandler 50 und einen Hochspannungs-Impulsformungsteil 60 enthält. Der Wechselrichter 40 enthält einen ersten Schwingkreis, der einen Kondensator C1 und eine Induktionsspule L1 enthält, die zusammen eine Eigenresonanzfrequenz haben. Der Wechselrichter 40 enthält des Weiteren einen oberen weich schaltenden Schalter 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. 3gezeigt. Der obere weich schaltende Schalter 42 arbeitet in einem Weichschaltmodus über eine Gatteransteuerung 43, um den Ein-Aus-Schaltbetrieb zu steuern. Eine Klemmdiode 44, welche die Spannung an dem unteren Schalter 46 begrenzt, kann als (den an sich bekannten «body effect» berücksichtigende) parasitäre Klemmdiode des oberen weich schaltenden Schalters 42 ausgebildet sein. Der Wechselrichter 40 enthält des Weiteren einen unteren weich schaltenden Schalter 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 weich schaltenden Schalter 46 arbeitet in einem Weichschaltmodus über eine entsprechende Gatteransteuerung 47, um den Ein-Aus-Schaltbetrieb zu steuern. Eine Klemmdiode 48, welche die Spannung am oberen weich schaltenden Schalter 42 begrenzt, könnte eine parasitäre Klemmdiode des unteren weich schaltenden Schalters 46 sein. Der obere weich schaltende Schalter 42 und der untere weich schaltende Schalter 46 sind so konfiguriert, dass der obere weich schaltende Schalter 42 eingeschaltet wird, wenn der untere weich schaltende Schalter 46 ausgeschaltet wird, und umgekehrt. Jeder Schalter 42, 46 arbeitet in dem vorliegenden Beispiel in einem Weichschaltmodus mit einer Hochfrequenzrate, die mindestens so hoch ist wie die Eigenresonanzfrequenz des Schwingkreises, der durch den Kondensator C1 und die Induktionsspule L1 gebildet wird, wie zum Beispiel 25 MHz.

[0014] Es ist zu sehen, dass der Wandler 50 ebenfalls einen Schwingkreis (zweiten Schwingkreis) aufweist, der einen Kondensator C2 und eine Induktionsspule L2 enthält. Der erste Schwingkreis des Wechselrichters 40 und der zweite Schwingkreis des Wandlers 50 sind in dem Beispiel so konfiguriert, dass die Resonanzfrequenz von C1 und L1 zusammen die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen wie ein Kombinationsschwingkreis, 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 Schwingkreis, der den Kondensator C1 und die Induktionsspule L1 enthält, gespeichert ist, während des Schaltprozesses zu dem zweiten Schwingkreis, 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 in dem vorliegenden Beispiel in einem Weichschaltmodus über die Gatteransteuerung 53 und in Kombination mit einer Zener-Klemmdiode 54, einer Diode 56 und dem zweiten Schwingkreis, der den Kondensator C2 und die Induktionsspule L2 enthält, um einen Wechselstrom durch die Induktionsspule L2 zu erzeugen. In dem vorliegenden Beispiel wird die Zener-Klemmdiode 54 mit Vz = 1000 V betrieben. 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 Hochspannungs-Impulsgenerator 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.

[0015] Der Hochspannungs-Impulsgenerator 30 enthält des Weiteren einen Hochspannungs-Impulsformungsteil 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 Hochspannungs-Impulsformungsteil 60 enthält einen vierten, weich schaltenden Schalter 62 und arbeitet in einem Weichschaltmodus über die Gatteransteuerung 64. Der Schalter 62 funktioniert in Kombination mit einer Klemmdiode 66 und einer 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.

[0016] Fig. 4 ist ein Satz Wellenformen, der beispielhaft Arbeitsstromkreisspannungen und -ströme während eines Stabilzustandsbetriebes des in Fig. 3 gezeigten Hochspannungs-Impulsgenerators 30 veranschaulicht. Die oberste Wellenform veranschaulicht einen Hochspannungs-Hochfrequenz Ausgangsspannungsimpuls (ungefähr 1000 Volt; MHz-Bereich), der durch den Hochspannungs-Impulsgenerator 30 erzeugt wird. Die mittlere Wellenform veranschaulicht die durch den Hochspannungs-Impulsgenerator 30 erreichte Spitzenstromverdopplung. Die untere Wellenform veranschaulicht den Wechselstrom, der während eines normalen Stabilzustandsbetriebes des Hochspannungs-Impulsgenerators 30 durch den Wechselrichter, den Wandler und die Impulsformungsschalter fliesst.

[0017] Fig. 5 ist ein Satz beispielhafter Wellenformen, der Arbeitsstromkreisspannungen und -ströme während Kurzschlusslastbedingungen für den in Fig. 3 gezeigten Hochspannungs-Impulsgenerator 30 veranschaulicht. Die Kurzschlussarbeitswellenformen veranschaulichen die betrieblichen Fähigkeiten des Hochspannungs-Impulsgenerators 30 selbst während einer Kurzschlussbelastung am Ausgang. Die Wellenformen demonstrieren, dass der Hochspannungs-Impuls-generator 30 seine Arbeit fortsetzt, ohne dass negative Auswirkungen aufgrund der Strombegrenzungsmerkmale auftreten.

[0018] Fig. 6 ist ein Satz beispielhafter Wellenformen, der Arbeitsstromkreisspannungen und -ströme während Leerlauflastbedingungen für den in Fig. 3 gezeigten Hochspannungs-Impulsgenerator 30 veranschaulicht. Die Leerlaufarbeitswellenformen veranschaulichen die betrieblichen Fähigkeiten des Hochspannungs-Impulsgenerators 30 selbst während einer Leerlaufbelastung am Generatorausgang. Die Wellenformen demonstrieren, dass der Hochspannungs-Impulsgenerator 30 seine Arbeit selbst während einer Leerlaufbelastung fortsetzt, ohne dass negative Auswirkungen aufgrund der Strombegrenzungsmerkmale auftreten.

Claims

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

2. Hochspannungs-Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter (40) einen ersten und zweiten Hochspannungsschalter (42, 46) umfasst, wobei jeder Hochspannungsschalter (42, 46) dafür konfiguriert ist, in einem Weichschaltmodus mit einer entsprechenden Klemmdiode (44, 48) zusammenzuarbeiten, um eine hochfrequente Wechselspannung zu erzeugen.

3. Hochspannungs-Impulsgenerator (30) nach Anspruch 2, wobei jeder Hochspannungsschalter (42, 46) mit einer Gatteransteuerung (43, 47) verbunden ist, welche den jeweiligen Hochspannungsschalter (42, 46) so ansteuert, dass der Hochspannungsschalter (42, 46) in einem Weichschaltmodus arbeitet.

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

5. Hochspannungs-Impulsgenerator (30) nach Anspruch 4, wobei der dritte Hochspannungsschalter (52) des Wandlers (50) mit einer Gatteransteuerung (53) verbunden ist, welche den Hochspannungsschalter (52) so ansteuert, dass der Hochspannungsschalter (52) in einem Weichschaltmodus arbeitet.

6. Hochspannungs-Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Hochspannungs-Impulsformungsteil (60) einen vierten Hochspannungsschalter (62) umfasst, der dafür konfiguriert ist, in einem Weichschaltmodus in Kombination mit einer entsprechenden Klemmdiode (66) zu arbeiten, um den Hochspannungsimpuls zu erzeugen.

7. Hochspannungs-Impulsgenerator (30) nach Anspruch 6, wobei der vierte Hochspannungsschalter (62) des Hochspannungs-Impulsformungsteils (60) mit einer Gatteransteuerung (64) verbunden ist, welche den vierten Hochspannungsschalter (62) des Hochspannungs-Impulsformungsteils (60) so ansteuert, dass der vierte Hochspannungsschalter (62) des Hochspannungs-Impulsformungsteils (60) in einem Weichschaltmodus arbeitet.

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

9. Hochspannungs-Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter (40) und der Wandler (50) jeweils einen LC-Schwingkreis umfassen, wobei die Schwingkreise zusammen so konfiguriert sind, dass der durch die Wandler-Induktionsspule (L2) fliessende Spitzenstrom im Wesentlichen zweimal so gross ist wie der durch die Wechselrichter-Induktionsspule (L1) fliessende Spitzenstrom.

10. Hochspannungs-Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Hochspannungs-Impulsformungsteil (60) dafür konfiguriert ist, in Reaktion auf den durch den Wandler (50) erzeugten Eingangswechselstrom einen quadratischen oder rechteckigen Hochspannungs-Spannungsimpuls zu erzeugen.