CS248170B1

CS248170B1 - Connection of a semiconductor high-frequency power generator

Info

Publication number: CS248170B1
Application number: CS347884A
Authority: CS
Inventors: Peter Kovacik; Kvetoslav Popelka; Jan Banik
Original assignee: Peter Kovacik; Kvetoslav Popelka; Jan Banik
Priority date: 1984-05-11
Filing date: 1984-05-11
Publication date: 1987-02-12

Abstract

Očelem řešení je možnost řízení velikosti výstupního vysokofrekvenčního napětí změnou napájecího napětí generátoru a možnost připojení zatěžovacích impedanci v širokém rozsahu hodnot. Uvedeného účelu je dosaženo použitím měřičů napětí prvního a druhého spínače, prvního a druhého a třetího regulátoru, budičů prvního a druhého spínače a oscilátoru.The purpose of the solution is to be able to control the magnitude of the output high-frequency voltage by changing the generator supply voltage and to be able to connect load impedances in a wide range of values. The stated purpose is achieved by using voltage meters of the first and second switches, first and second and third regulators, exciters of the first and second switches and an oscillator.

Description

Vynález se týká zapojení polovodičového výkonového vysokofrekvenčního generátoru, vhodného zejména pro vysokofrekvenční chirurgické přístroje. Regulací budicího příkonu polovodičových výkonových spínačů v závislosti na jejich saturačním napětí umožňuje spolehlivou činnost v širokém rozsahu zatěžovacích impedancí, prakticky od stavu naprázdno až po zkrat zatěžovací impedance, přičemž umožňuje řídit velikost výstupního vysokofrekvenčního napětí jednoduše změnou napájecího napětí generátoru. Zapojení umožňuje používat výkonové polovodičové spínače na vyšších frekvencích než na které byly konstruovány.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to the connection of a semiconductor power RF generator, particularly suitable for high frequency surgical devices. By regulating the excitation power of the semiconductor power switches as a function of their saturation voltage, it enables reliable operation over a wide range of load impedances, from virtually no load to short circuit of the load impedance, while allowing the magnitude of the RF output voltage to be controlled. The wiring enables the use of power semiconductor switches at higher frequencies than they were designed for.

Dosavadní způsoby řešení, využívající konstantní buzení polovodičových výkonových spínačů, neumožňují širokou změnu zatěžovacích impedancí. Při vysoké úrovni buzení za účelem dosáhnutí vysokého výstupního výkonu, jsou při odpojení zatěžovací impedance polovodičové výkonové spínače přebuzené, dochází na nich k velkým ztrátám, které mohou vést až k jejich zničení.The prior art solutions utilizing constant excitation of the semiconductor power switches do not allow a wide variation of the load impedances. At high excitation levels to achieve high output power, the semiconductor power switches are overloaded when the load impedance is disconnected, resulting in large losses that can lead to their destruction.

Při snížené úrovni buzení a velkých odebíraných výkonech nejsou polovodičové výkonové spínače dostatečně buzeny a dochází na nich ke zbytečným ztrátám. Regulace výstupního vysokofrekvenčního napětí se provádí změnou napájecího napětí při konstantním buzení, čímž dochází při snížení napájecího napětí k přebuzení polovodičových výkonových spínačů a zbytečným ztrátám, anebo změnou budicího příkonu, čímž se podstatně snižuje účinnost.With reduced excitation and high power consumption, semiconductor power switches are not excited enough and cause unnecessary losses. The RF output voltage is controlled by varying the supply voltage at a constant excitation, thereby reducing the supply voltage to overload the semiconductor power switches and unnecessary losses, or by varying the drive input, thereby substantially reducing efficiency.

Uvedené nedostatky odstraňuje zapojení polovodičového výkonového vysokofrekvenčního generátoru podle vynálezu, jehož podstatou je to, že mezi první napájecí bod a druhý napájecí bod je zapojen první kondenzátor v sérii s druhým kondenzátorem a současně první polovodičový výkonový spínač v sérii s druhým polovodičovým spínačem. Mezi střed kondenzátorů a střed výkonových spínačů je zapojena zatěžovací impedance. Paralelně k prvnímu polovodičovému výkonovému spínači je zapojen měřič napětí prvního výkonového spínače, jehož výstup je přiveden přes první regulátor současně na řídicí vstup budiče druhého výkonového spínače. Paralelně k druhému polovodičovému výkonovému spínači je zapojen měřič napětí druhého výkonového spínače, jehož výstup je přiveden přes druhý regulátor na druhý řídicí vstup budiče druhého výkonového spínače.These drawbacks are overcome by the connection of the semiconductor power RF generator according to the invention, characterized in that a first capacitor in series with the second capacitor and a first semiconductor power switch in series with the second semiconductor switch are connected between the first supply point and the second supply point. A load impedance is connected between the center of the capacitors and the center of the power switches. In parallel to the first semiconductor power switch, a voltage meter of the first power switch is connected, the output of which is connected via the first regulator simultaneously to the driver input of the second power switch. A voltage meter of the second power switch is connected in parallel to the second semiconductor power switch, the output of which is connected via a second regulator to the second driver input of the second power switch driver.

Výstup budiče prvního výkonového spínače je spojen s řídicím vstupem prvního polovodičového výkonového spínače a výstup budiče výkonového spínače je spojen s řídicím vstupem druhého polovodičového výkonového spínače. Na taktovací vstup budiče prvního výkonového spínače je přiveden první výstup oscilátoru, na taktovací vstup budiče druhého výkonového spínače je přiveden druhý výstup oscilátoru, blokovací vstup budiče prvního výkonového spínače a blokovací vstup budiče druhého výkonového spínače jsou připojeny na blokovací vstup generátoru. V sérii s prvním polovodičovým výkonovým spínačem je zapojen první proudový transformátor, jehož výstup je připojen na první vstup třetího regulátoru a v sérii s druhým polovodičovým výkonovým spínačem je zapojen druhý proudový transformátor, jehož výstup je připojen na druhý vstup třetího regulátoru, jehož první výstup je připojen na druhý řídicí vstup prvního regulátoru. Druhý výstup třetího regulátoru je připojen na výstup proudového omezení.The driver output of the first power switch is coupled to the control input of the first semiconductor power switch and the driver output of the power switch is coupled to the control input of the second semiconductor power switch. The first oscillator output is connected to the pulse input of the first power switch, the second oscillator output is connected to the second input of the second power switch driver, the first input of the first power switch blocking input, and the second power switch exciter blocking input are connected to the generator block input. In series with the first semiconductor power switch, the first current transformer is connected, the output of which is connected to the first input of the third controller, and in series with the second semiconductor power switch, the second current transformer is connected, the output of which is connected to the second input of the third controller. connected to the second control input of the first controller. The second output of the third controller is connected to the current limit output.

Výhody polovodičového výkonového vysokofrekvenčního generátoru spočívají v tom, že pomocí měření saturačního napětí polovodičových spínačů a řízení budicího příkonu na základě jeho velikosti se zabezpečí optimální buzení polovodičových výkonových spínačů tak, aby měly konstantní minimální saturační napětí nezávislé na zatěžovací impedanci a nebo napájecím napětí generátoru. Generátor proto může pracovat v širokém rozsahu zatěžovacích impedancí a napájecích napětí při minimálních ztrátách na polovodičových výkonových spínačích, daných saturačním napětím a proudem přes polovodičový výkonový spínač.The advantages of a semiconductor high-frequency power generator are that by measuring the saturation voltage of the semiconductor switches and controlling the excitation power based on its magnitude, optimal excitation of the semiconductor power switches is ensured to have a constant minimum saturation voltage independent of the load impedance and generator power. Therefore, the generator can operate over a wide range of load impedances and supply voltages with minimum losses on the semiconductor power switches, given by the saturation voltage and current through the semiconductor power switch.

Použitím galvanického oddělení v obvodech měřičů napětí, budičů a zatěžovací impedance, může být generátor napájený přímo sítovým napětím, čímž se odstraní nutnost rozměrného sítového transformátoru a galvanické oddělení je možno zabezpečit například vysokofrekvenčními transformátory podstatně menších rozměrů.By using galvanic isolation in the circuits of voltage meters, drivers and load impedance, the generator can be powered directly by line voltage, eliminating the need for a large line transformer, and galvanic isolation can be ensured, for example, by high frequency transformers of substantially smaller dimensions.

Zapojení proudových transformátorů do série s polovodičovými výkonovými spínači umožňuje měřit proud přes ně a zabezpečit při proudovém zatížení spínačů snížení budicího příkonu až do doby, kdy nedojde ke snížení napájecího napětí generátoru a tím i proudu na dovolenou úroveň.The connection of current transformers in series with semiconductor power switches allows to measure current through them and to ensure, under current load of the switches, a reduction of excitation power until the supply voltage of the generator and hence current to the permissible level is not reduced.

Na připojeném výkrese je znázorněno zapojení polovodičového výkonového vysokofrekvenčního generátoru.The attached drawing shows the connection of a semiconductor power RF generator.

Mezi první napájecí svorku 2 a druhou napájecí svorku 2 j^e zapojen první kondenzátor 2 v sérii s druhým kondenzátorem 4_ a současně první polovodičový výkonový spínač 2 ^v sérii s druhým polovodičovým výkonovým spínačem 2· Mezi střední svorku 19 kondenzátorů a střední svorku 20 výkonových spínačů je zapojena zatěžovací impedance 13· Paralelně k prvému polovodičovému výkonovému spínači 2 j^e zapojen měřič 1_ napětí prvního výkonového spínače 2» jehož výstup 21 je přiveden přes první regulátor 2 současně na řídicí vstup 22 budiče 11 prvního výkonového spínače 2 ^a první řídicí vstup 23 budiče 12 druhého výkonového spínače 2·Between the first supply terminal 2 and a second supply terminal 2 j ^e connected capacitor 2 in series with a second capacitor 4 and the first semiconductor power switch 2 ⁱⁿ series with a second semiconductor power switch 2 · between central terminal 19 capacitors and secondary terminals 20 of the power switches is connected load impedance 13 · parallel to the first semiconductor to the power switch 2 j ^e connection Measuring 1_ voltage of the first power switch 2 »whose output 21 is coupled via the first controller 2 simultaneously to the control input 22 of driver 11, first power switch 2 ^and the first control input 23 of generator 12 second power switch 2 ·

Paralelně k druhému polovodičovému výkonovému spínači 2 j^e zapojen měřič 2 napětí druhého výkonového spínače 6_, jehož výstup 24 je přiveden přes druhý regulátor 10 na druhý řídicí vstup 25 budiče 12 druhého výkonového spínače 2· Výstup 26 budiče 11 prvního výkonového spínače 2 í^e spojen s řídicím vstupem 27 prvního polovodičového výkonového spínače 5 a výstup 28 budiče 12 druhého výkonového spínače 2 j^e spojen s řídicím vstupem 29 druhého polovodičového výkonového spínače 2· Na taktovací vstup 30 budiče 11 prvního výkonového spínače 2 3^epřiveden první výstup 43 oscilátoru 15, na taktovací vstup 31 budiče 12 druhého výkonového spínače 6 je přiveden druhý vstup 44 oscilátoru 15.In parallel to the second semiconductor the power switch 2 j ^e connected meter 2 voltage of the second power switch 6, whose output 24 is coupled via the second regulator 10 to the second control input 25 generator 12 of the second power switch 2 · The output 26 of driver 11, first power switch 2 ^te connected the control input 27 of the first semiconductor power switch 5 and the output 28 of generator 12 of the second power switch 2 j ^e connected to the control input 29 of the second semiconductor power switch 2 · the clock input 30 driver 11, first power switch 2 3 ^e is fed first output 43 of oscillator 15 a second input 44 of the oscillator 15 is applied to the clock input 31 of the exciter 12 of the second power switch 6.

Blokovací vstup 33 budiče 11 prvního výkonového spínače 2 ^a blokovací vstup 34 budiče 12 druhého výkonového spínače 2 jsou připojeny na blokovací vstup 22· V sérii s prvním polovodičovým výkonovým spínačem 2 3^e zapojen první proudový transformátor 17, jehož výstup 32 je připojen na první vstup 36 třetího regulátoru 14 a v sérii s druhým polovodičovým výkonovým spínačem 2 j^e zapojen druhý proudový transformátor 18, jehož výstup 37 je připojen na druhý vstup 38 třetího regulátoru 14, jehož první výstup 39 je připojen na druhý řídicí vstup 40 prvního regulátoru 9. Druhý výstup 41 třetího regulátoru 14 je připojen na výstup 42 proudového omezení.Blocking input 33 of driver 11, first power switch 2 ^{and the} blocking input 34 of generator 12 of the second power switch 2 are connected to blocking inputs 22 • In series with the first semiconductor power switch 2 3 ^e engaging the first current transformer 17, whose output 32 is connected to the first input 36 of the third controller 14 and in series with the second semiconductor power switch 2 ^e j connected second current transformer 18, whose output 37 is connected to a second input 38 of third controller 14, the first outlet 39 is connected to a second control input 40 of first controller 9. the second the output 41 of the third controller 14 is connected to the current limiting output 42.

Funkce polovodičového výkonového vysokofrekvenčního generátoru je následující:The function of the semiconductor power RF generator is as follows:

Oscilátor 15 vytváří taktovací impulsy, posunuté o polovinu periody. Tyto jsou přivedeny do taktovacích vstupů budiče 11·prvního výkonového spínače 2 ^a budiče 12 druhého výkonového spínače 2· ^v případě, že je uvolněný blokovací vstup 16, budič 11 prvního výkonového spínače 2 vytvoří budicí impuls, závislý na velikosti signálu na jeho řídicím vstupu 22, který je přiveden z prvního regulátoru 2· Budicí impuls otevře první polovodičový výkonový spínač 2 a tím připojení středu 20 výkonových spínačů a jeden pól zatěžovací impedance 13 k první napájecí svorce 2·Oscillator 15 generates clock pulses shifted by half a period. These are fed to the clock input driver 11 · first power switch 2 ^{and the} generator 12 of the second power switch 2 · ^{in the} event that the release of the latch input 16, driver 11, first power switch 2 produces drive pulses, dependent on the size of the signal at its control input 22 The excitation pulse opens the first semiconductor power switch 2, thereby connecting the center 20 of the power switches and one pole of the load impedance 13 to the first power terminal 2 ·

Druhý polovodičový výkonový spínač 2 j^e zavřený. V druhé polovině periody budič 12 druhého výkonového spínače 2 vytvoří budicí impuls, závislý na velikosti signálu na řídicích vstupech 23, 25, který je přiveden, z prvního regulátoru 9_ a druhého regulátoru 22.· Budicí impuls otevře druhý polovodičový výkonový spínač 6 a tím připojí střední svorku 20 polovodičových výkonových spínačů a jeden pól zatěžovací impedance 13 k druhé napájecí svorce 2_.The second semiconductor power switch 2 ^e j closed. In the second half of the period, the driver 12 of the second power switch 2 generates an excitation pulse dependent on the signal size at the control inputs 23, 25 that is supplied from the first controller 9 and the second regulator 22. The excitation pulse opens the second semiconductor power switch 6 and the middle terminal 20 of the semiconductor power switches and one pole of the load impedance 13 to the other power terminal 2.

V okamžiku otevření prvního polovodičového výkonového spínače 2 rněří měřič 1_ napětí prvního výkonového spínače 5_ jeho saturační napětí. Informace o saturačním napětí zpracovává první regulátor 2· ^v případě, že první polovodičový výkonový spínač 2 dostatečně neotvírá, zvětšuje první regulátor 2 velikost signálu na řídicím vstupu 22 budiče 11 prvního výkonového spínače 2 ^{a na} prvním řídicím vstupu 23 budiče 12 druhého výkonového spínače 2 do té doby, než první polovodičový spínač 5 nezačne otvírat na definovanou úroveň.When the first semiconductor power switch 2 is opened, the voltage meter 7 of the first power switch 5 detects its saturation voltage. Information about the saturation voltage processing the first controller 2 · ^{in the} event that the first semiconductor power switch 2 sufficiently not open, increases the first controller 2 size signal at the control input 22 of driver 11, first power switch 2 ^{and the} first control input 23 of generator 12 of the second power switch 2 until the first semiconductor switch 5 opens to a defined level.

nového spínače 6 jeho saturační napětí. Informaci o saturačním napětí zpracovává druhý regulátor 10 a řídí zvětšení anebo zmenšení budicího impulsu určeného signálem prvního regulátoru 3 a vytvářeného b^dičenj 12 druhého výkonového spínače 6 tak, aby druhý polovodičový výkonový spínač 2 otvíral na definovanou úroveň.new switch 6 its saturation voltage. The saturation voltage information is processed by the second controller 10 and controls the increase or decrease of the excitation pulse determined by the signal of the first controller 3 and generated by the second power switch 6 so that the second semiconductor power switch 2 opens to a defined level.

Střídavým připojováním zatěžovací impedance 13 k první napájecí svorce 2 ^a druhé napájecí svorce 2 se vytváří plovoucí stř.ed napětí mezi oběma napájecími napětími na středu kondenzátorů 19.. Pomocí blokovacího vstupu 16 mošno zablokovat činnost budičů 11, 12 a tím celého generátoru, co umožňuje bud vypnutí činnosti generátoru, anebo amplitudovou modulaci výstupního vysokofrekvenčního signálu.Alternating connection of the load impedance 13 to the first supply terminal 2 ^{and the} second supply terminal 2 creates a floating AC voltage between the two supply voltages at the center of the capacitors 19. Using the blocking input 16 it is possible to block the operation of the drivers 11, 12 and thereby the generator. either generator shutdown or amplitude modulation of the RF output signal.

První proudový transformátor 17 měří proud přes první polovodičový výkonový spínač 5 a druhý proudový transformátor 18 měří proud přes druhý polovodičový výkonový spínač 6, Překročení proudu nad dovolenou hodnotu indikuje třetí regulátor 14, který okamžitě snižuje přes první regulátor 3 řídicí signál pro budiče 11, 12 a tím i budicí příkon, a současně vysílá signál na výstup proudového omezení, sloužící ke snížení napájecího napětí generátoru až na úroveň, kdy poklesne proud přes polovodičové výkonové spínače 2 ^na dovolenou hodnotu.The first current transformer 17 measures the current through the first semiconductor power switch 5 and the second current transformer 18 measures the current through the second semiconductor power switch 6. Excess current above the permissible value is indicated by the third regulator 14, which immediately reduces the control signal for the drivers 11, 12. and hence the driving power, and at the same time sends a signal to the output of the current limiting, serving to reduce the generator supply voltage to a level where the current through the semiconductor power switches 2 drops ^{to the} permissible value.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

1. Connection of a semiconductor high-frequency generator with a first capacitor, a second capacitor, a first semiconductor power switch, a second semiconductor switch and a load impedance, characterized in that a first capacitor (1) is connected between the first power terminal (1) and the second power terminal (2). 3) in series with the second capacitor (4) and simultaneously the first semiconductor power switch (5) in series with the second semiconductor power switch (6), the load impedance being connected between the middle terminal (19) of the capacitors and the middle terminal (20) (13), parallel to the first semiconductor switch (5), a voltage meter (7) of the first power switch (5) is connected, the output (21) of which is connected via the first controller (9) simultaneously to the control input (22) of the exciter (11) a first power switch (5); and a first control input (23) of a second power driver (12) 6. A voltage meter (8) of a second power switch (6) is connected in parallel to the second semiconductor power switch (6), the output (24) of which is connected via a second regulator (10) to a second control input. (25) exciter (12) - a second power switch (6), wherein the output (26) of the exciter (11) of the first power switch (e) (5) is coupled to the control input (27) of the first semiconductor power switch (5); 28) the second power switch driver (12) is coupled to the control input (29) of the second semiconductor power switch (6), to the clock input (3-0) of the first power switch driver (11) is connected (3) a first output (43) of the oscillator (15) and a second output (44) of the oscillator (15) is connected to the clock input (31) of the exciter (12) of the second power switch (6) while the blocking output (33) of the exciter (11) switches (5) and exciter blocking input (34) d The power switches (6) are connected to the blocking input (16) of the generator.

Wiring according to claim 1, characterized in that a first current transformer (17) is connected in series with the first semiconductor power switch (5), the output of which (35) is connected to the first input (36) of the third regulator (14) and in series with the second semiconductor power switch (6) a second current transformer (18) is connected, the output (37) of which is connected to the second input (38) of the third controller (14), the first output (39) is connected to the second control the output (40) of the first controller (9) the second output (41) of the third controller (14) is connected to the output (42) of the current limitation.