CS242436B1

CS242436B1 - Connection of a semiconductor high-frequency power generator

Info

Publication number: CS242436B1
Application number: CS845833A
Authority: CS
Inventors: Peter Kovacik; Kvetoslav Popelka; Jan Banik
Original assignee: Peter Kovacik; Kvetoslav Popelka; Jan Banik
Priority date: 1984-07-30
Filing date: 1984-07-30
Publication date: 1986-05-15
Also published as: CS583384A1

Abstract

Účelem zapojení generátoru je možnost plného vybuzení výkonových spínačů, které není závislé ani na velikosti zatěžovaci impedance, ani na velikosti napájecího napětí, a s tím také spojená vysoká účinnost generátoru. Dále je účelem také možnost napájení generátoru přímo usměrněným sítovým napětím. Uvedeného účelu je dosaženo tím, že mezi první napájecí bod a druhý napájecí bod je zapojen prvni kondenzátor v sérii s druhým kondenzátorem a současně první polovodičový výkonový spínač v sérii s druhým polovodičovým výkonovým spínačem přičemž mezi střed kondenzátorů a střed polovodičových výkonových spínačů je zapojeno primární vinuti proudového transformátoru v sérii se zatěžovací impedanci, přičemž sekundární vinutí proudoyého transformátoru je připojené přes usměrňovač na napáječi bod budícího oscilátoru, na který je současně připojen pomocný napájecí obvod, přičemž komplementární výstupy budícího oscilátoru jsou připojeny na řídicí vstupy prvního a druhého polovodičového spínače. Na napájecí bod budicího oscilátoru je připojeny porovnávací obvod s výstupem signalizace proudového omezení.The purpose of connecting the generator is to enable full excitation of the power switches, which is independent of either the load impedance or the supply voltage, and the associated high efficiency of the generator. Furthermore, the purpose is also to enable the generator to be powered directly by rectified mains voltage. The stated purpose is achieved by connecting a first capacitor in series with a second capacitor between the first supply point and the second supply point and at the same time a first semiconductor power switch in series with a second semiconductor power switch, while between the center of the capacitors and the center of the semiconductor power switches the primary winding of the current transformer is connected in series with the load impedance, while the secondary winding of the current transformer is connected via a rectifier to the supply point of the excitation oscillator, to which an auxiliary supply circuit is simultaneously connected, while the complementary outputs of the excitation oscillator are connected to the control inputs of the first and second semiconductor switches. A comparator circuit with a current limit signaling output is connected to the power supply point of the excitation oscillator.

Description

Vynález se týká zapojení, polovodičového výkonového vysokofrekvenčního generátoru, vhodného zejména pro vysokofrekvenční ehirurgioké přístroje. Zvyšování napájeoího napětí budícího oscilátoru polovodičových výkonových spínačů v závislosti na proudu protékajícím přes zatěžovaoí impedanci umožňuje spolehlivou činnost v širokém rozsahu zatěžovaoíoh impedanci, prakticky od stavu naprázdno až po skrat zatěžovaoí impedance, přičemž zapojení umožňuje řídit velikost výstupního vysokofrekvenčního napětí jednoduohou změnou napájeoího napětí generátoru. Zapojeni umožňuje používat výkonové polovodičové spínače na vyšších frekvenoíoh než na které byly konstruované.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a semiconductor high-power RF generator, particularly suitable for high-frequency surgical instruments. Increasing the supply voltage of the exciting oscillator of the semiconductor power switches as a function of the current flowing through the load impedance allows reliable operation over a wide load impedance range, practically from idle to short circuit of the load impedance, making it possible to control the magnitude of the RF output voltage. The circuitry allows the use of power semiconductor switches at higher frequencies than they were designed for.

Dosavadní způsoby řešení, využívající konstantní buzení výkonovýoh polovodičových spínačů, neumožňuje širokou změnu zatěžovaoíoh impedanci. Při vysoké úrovni buzení za účelem dosažení vysokého výstupního výkonu, jsou při odpojení zatěžovaoí impedanoe polovodičové výkonové spínače přebuzené, docházím nioh k velkým ztrátám, které mohou vést až k jejioh zničení. Při snížené úrovni buzení nejsou polovodičové výkonové spínače dostatečně buzené a při vélkýoh odebíraných výkonech na nioh doohází ke zbytečným ztrátám. Regulace výstupního vysokofrekvenčního napětí se provádí změnou budíoího příkonu, oož podstatně snižuje účinnost generátoru, a nebo změnou napájecího napětí při konstant ním buzení, čím doohází k přebuzeni polovodičových výkonových spínačů při sníženém napětí a zbytečným ztrátám, U samokmitajících generátorů se budící příkon mění s napájecím napětím, oož je výhodné pro stav naprázdno, při nízkém napájecím napětí však generátor vzhledem k nízkému buzení není schopen dodávat větši výstupní proudy.The prior art solutions utilizing constant excitation of the power semiconductor switches do not allow a wide variation in the load impedance. At a high level of excitation to achieve high output power, the semiconductor power switches are overloaded when the impedano load is disconnected, causing considerable losses, which can lead to its destruction. When the excitation level is lowered, the semiconductor power switches are not sufficiently excited and unnecessary losses occur at large power requirements. The control of the RF output voltage is accomplished by varying the wattage input, which significantly reduces generator efficiency, or by varying the supply voltage at constant excitation to overload the semiconductor power switches at reduced voltage and unnecessary losses. This is advantageous for the idle state, but at a low supply voltage, the generator is unable to supply more output currents due to the low excitation.

Uvedené nedostatky odstraňuje zapojení polovodičového výkonového vysokofrekvenčního generátoru podle vynálezu, jehož podsta ta spočívá v tom, že mezi první napájecí hod a druhý napájecí bod je zapojen první kondenzátor v sérii s druhým kondenzátorem a současně první polovodičový spínač v sérii s druhým polovodičovým spínačem, přičemž mezi střed kondenzátorů a střed polovodičovýchThese drawbacks are overcome by the connection of the semiconductor high-frequency power generator according to the invention, characterized in that a first capacitor in series with the second capacitor and a first semiconductor switch in series with the second semiconductor switch are connected between the first supply point and the second supply point. center of capacitors and center of semiconductors

- 2 242 436 výkonových spínačů je zapojeno primární vinutí proudového transformátoru v sérii se zatěžovací impedanoi, přičemž sekundární vinuti proudového transformátoru je připojeno přes usměrňovač na napájeoi bod budícího osoilátoru, na který je současně připojen pomooný napájeoi obvod, přičemž komplementární výstupy budioího osoilátoru jsou připojeny na řidíoí vstupy prvního a druhého výkonového polovodičového spínače. Dále je podstatou zapojení podle vynálezu také to, že na napájeoi bod budícího osoilátoru je připojen porovnávaoí obvod s výstupem signalizaoe proudového omezení.- 2,242,436 power switches are connected to the primary winding of the current transformer in series with a load impedance, wherein the secondary winding of the current transformer is connected via a rectifier to the power supply point of the excitation oscillator to which the auxiliary power supply circuit is connected. control the inputs of the first and second power semiconductor switches. Furthermore, the circuit according to the invention is also based on the fact that a comparing circuit with a current limiting signal output is connected to the supply point of the excitation oscillator.

Výhody polovodičového výkonového vysokofrekvenčního generátoru spočívají v tom, že budící oscilátor je napájený z pornooného napájecího obvodu sníženým příkonem, zabezpečujíoím dokonalé vybuzení výkonových polovodičovýoh spínačů ve stavu naprázdno.The advantages of a semiconductor high-frequency power generator are that the excitation oscillator is powered from the pornoon supply circuit by reduced power, ensuring that the power semiconductor switches are fully energized in the idle state.

Každé připojení zatěžovaol impedanoe způsobí průtok proudu přes proudový transformátor v sérii se zatěžovaoí impedancí a následné zvýšení příkonu budícího osoilátoru. Takto jsou polovodičové výkonové spínače buzené na plný rozkmit nezávisle na připojené zatěžovaoí impedanoi a též nezávislé na napájecím napětí polovodičového výkonového vysokofrekvenčního generátoru. Výstupní napětí generátoru je proto možno měnit jednoduše změnou napájeoiho napětí, Zaohová se přitom vysoká účinnost generátoru při různýoh napájeoíoh napětioh a v širokém rozsahu hodnot zfitěžovaoioh impedancí, nebo výkonové polovodičového spínače jsou buzeny v závislosti na proudu, který jimi protéká. Vzhledem na to, že při snižování zatěžovaoí Impedanoe by mohl příkon budícího osoilátoru a proud přes polovodičového výkonové spínače narůst na hodnoty, které by je mohli zničit, je potřebné, aby pomooný napájeoi obvod zabezpečil omezení napájecího napětí budioího osoilátoru, například Zenerovou diodou, na dovolenou hodnotu. Další zvyšování proudu přes zatěžovaoí impedanoi nezpůsobí zvětšení buzení, výkonové polovodičové spínače nejsou dostatečně buzené, a proto aby nedošlo ke ztrátám na nioh, zabezpečí porovnávaoí obvod zjištění tohoto stavu a přes výstup signalizace proudového omezení zabezpečí snížení napájecího napětí generátoru. Použitím galvaniokého oddělení v obvodech zatěžovaol impedanoe a budioího osoilátoru může být generátor napájený přímo usměrněným síťovým napětím, čím se odstraní nutnost rozměrného síťového transformátoru a galvanloké oddělení je možné zabezpečit například vysokofrekvenčními transformátory podstctne menšíoh rozměrů.Each connection impeded by the impedance causes the current to flow through the current transformer in series with the impedance loading and consequently increases the power consumption of the excitation oscillator. In this way, the semiconductor power switches are fully excited independently of the connected impedance load and also independent of the supply voltage of the semiconductor high-frequency generator. The output voltage of the generator can therefore be varied simply by varying the supply voltage, ensuring high efficiency of the generator at different voltage supplies and over a wide range of impedance gains, or the power semiconductor switch being excited depending on the current flowing through them. As the load impedance of the excitation oscillator and the current through the semiconductor power switches could increase to values that could destroy them, reducing the impedanoe's load, the power supply circuit needs to limit the supply voltage of the excitation oscillator, such as a Zener diode, to vacation. value. A further increase in current through the load impedance will not cause an increase in excitation, the power semiconductor switches are not sufficiently excited, and therefore, in order to avoid loss of torque, the comparator circuit will detect this condition and ensure the generator supply voltage is reduced. By using galvanic isolation in the circuits, the impedance and the excitation oscillator can be powered by a rectified line voltage, eliminating the need for a large line transformer, and galvanic isolation can be ensured by, for example, substantially smaller dimensions with high frequency transformers.

- 3 242 436- 3,242,436

Na připojeném výkrese je znázorněno zapojení polovodičového výkonového vysokofrekvenčního generátoru,The attached drawing shows the connection of a semiconductor high-frequency power generator,

K prvnímu napájecímu bodu 1 a druhému napájecímu bodu 2 je paralelně jednak připojena sériová kombinace prvního kondenzátoru a druhého kondenzátoru 4 a jednak sériové spojení prvního polovodičového výkonového spínače J5 s druhým polovodičovým výkonovým spínačem 6. Mezi střed 14 kondenzátorů a střed 15 polovodičových výkonových spínačů je zapojena sériová kombinaoe složená ze zatěžovaoí impedance 10 a primárního vinutí 18 proudového transformátoru 9. Sekundární vinutí 1? proudového transformátoru 9 je připojené přes usměrňovač £ na napájecí bod 13 budíoího oscilátoru 2.» Na napájecí bod 13 budícího oscilátoru 2 j® též připojen pomooný napájecí obvod 11, Komplementární výstupy budíoího osoilátoru 2 jsou připojeny na řídící vstupy prvního a druhého výkonového polovodičového spínače 5*6, Na napájecí bod 13 budíoího osoilátoru 2 j© připojený porovnávací obvod 12 s výstupem 16 signalizace proudového omezení,A series combination of the first capacitor and the second capacitor 4 is connected in parallel to the first supply point 1 and the second supply point 2, and a serial connection of the first semiconductor power switch J5 to the second semiconductor power switch 6 is connected in parallel. series combination consisting of impedance load 10 and primary winding 18 of current transformer 9. Secondary winding 1? The auxiliary power circuit 11 is also connected to the power point 13 of the excitation oscillator 2. The auxiliary outputs of the excitation oscillator 2 are connected to the control inputs of the first and second power semiconductor switches 5. * 6, a comparator circuit 12 with current limiting signal output 16 connected to the power point 13 of the excitation oscillator 2,

Fuhkoe polovodičového výkonového vysokofrekvenčního generátoru je následující: Budící oscilátor 7 je napájený do napájecího bodu 13 pomocným napájecím obvodem 11. Vytváří budící signál, přivedený na řídící vstup prvního polovodičového výkonového spínače £ a řídioi signál s opačnou fází, přivedený na řídíoí vstup druhého polovodičového výkonového spínače 6, Budíoi signál z budicího oscilátoru 2 ^v případě, že otvírá první polovodičový výkonový spínač jí, zavírá druhý polovodičový výkonový spínač £ a naopak. Takto střídavě připojuje zatěžovaoí impedanci 10 k prvnímu napájecímu bodu lak druhému napájecímu bodu 2, čím se napětí středu l4 kondenzátorů vůči druhému napájecímu bodu _2 udržuje na poloviční hodnotě napětí prvního napájecího bodu ^L, a takto se ha zatěžovací impedanoi 10 vytváří střídavé vysokofrekvenční napětí. Budící oscilátor 2 j® ^z pomooného napájecího obvodu 11 napájený sníženým příkonem, zabezpečujícím jen dokonalé vybuzení výkonovýoh polovodičovýohjspínačů £, 6 ve stavu naprázdno. Připojení zatěžovaoí impedance nižší hodnoty způsobí průtok vyššího proudu přes primární vinutí 18 a též přes sekundární vinutí 17 proudového transformátoru 2» který zabezpečí zvýšení příkonu budícího osoilátoru 7 na takovou hodnotu, aby znovu zabezpečil dokonalé vybuzení výkonovýoh polovodičových spínačů jí a 6°. Usměrnění proudu z proudovéhoThe Fuhkoe semiconductor power RF generator is as follows: The excitation oscillator 7 is fed to the supply point 13 by the auxiliary power circuit 11. It generates an excitation signal applied to the control input of the first semiconductor power switch 6 and a reverse phase control signal applied to the control input of the second semiconductor power switch. 6 Budíoi excitation signal from the oscillator 2 ^{in the} case of opening the first semiconductor power switch it, closes the second semiconductor power switch £ and vice versa. Thus, alternately, the load impedance 10 connects to the first supply point 2 to the second supply point 2, keeping the voltage of the capacitor center 14 relative to the second supply point 2 at half the voltage of the first supply point 15, thereby generating an alternating high frequency voltage. The excitation oscillator 20 ^{of the} power supply circuit 11 is supplied with reduced power, ensuring only a perfect excitation of the power semiconductor switches 6, 6 in the idle state. The connection of a lower impedance load causes a higher current flow through the primary winding 18 and also through the secondary winding 17 of the current transformer 2, which will increase the power consumption of the excitation oscillator 7 to such a value as to ensure perfect excitation of the semiconductor switches. Rectification of current from current

- 4 242 436 transformátoru 2 zabezpečuje usměrňovač ÍJ, Další snížení hodnoty zatčžovaoí impedance 10 způsobí zvýšení příkonu budíoího oscilátoru 2· Aby nedošlo ke zničení polovodičových výkonovýoh spínačů narůstajíoím proudem, pomocný napájeoí obvod 11*zabezpečuje omezení napájecího napětí budíoího osoilátoru 2 na dovolenou hodnotu, Při zvýšení příkonu budicího osoilátoru 2 maximální dovolenou hodnotu a při dalším snižování hodnoty zatčžovaoí impedanoa IQ nejsou polovodičové výkonová spínače dostatečné buzené a dochází na nich k zvýšeným ztrátám. Proto porovnávací obvod 12 zjišťuje tento stav a zabezpečuje snížení napájecího napětí generátoru přes výstup signalizaoe proudového omezení lť>, na takovou hodnotu, která odpovídá maximálnímu dovolenému příkonu budíoího osoilátoru 2 & tím i maximálnímu dovolenému proudu dodávanému generátorem.A further decrease in the load impedance value 10 will increase the wattage of the wake-up oscillator 2. To avoid damaging the semiconductor power switches by the incremental current, the auxiliary power circuit 11 * provides a limitation of the supply voltage of the wake-up oscillator 2. Increasing the power consumption of the excitation oscillator 2, the maximum permissible value, and further decreasing the value of the impedanoa IQ load, the semiconductor power switches are not excited enough and cause increased losses. Therefore, the comparator circuit 12 detects this condition and provides a reduction of the generator supply voltage via the current limiting output signal to a value that corresponds to the maximum permissible power input of the excitation oscillator 2 and the maximum permissible current supplied by the generator.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A semiconductor power radio frequency generator, characterized in that a first capacitor (3) is connected in series with the second condensate (4) and a first semiconductor power switch (5) between the first power point (1) and the second power point (2). ) in series with a second power semiconductor switch (6), wherein between the center (14) of the capacitors and the center (15) of the semiconductor power switches, the primary winding (18) of the current transformer (9) is connected in series with current impedance (10); the winding (17) of the current transformer (9) is connected via a rectifier (8) to the supply point (13) of the excitation oscillator (7), to which the auxiliary supply circuit (11) is simultaneously connected, the control inputs of the first and second power semiconductor switches (5 and 6),

Connection according to claim 1, characterized in that a comparing circuit (12) with a current limiting signal output (16) is connected to the supply point (13) of the excitation oscillator (7).