DD212367A1

DD212367A1 - Schaltungsanordnung zur hochspannungserzeugung

Info

Publication number: DD212367A1
Application number: DD82245740A
Authority: DD
Inventors: Martin Lenk; Alexander Mende
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1982-12-09
Filing date: 1982-12-09
Publication date: 1984-08-08
Also published as: DD212367B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines aus einer Impulsformerstufe, einer Transistorschaltstufe und einem Leistungsuebertrager bestehenden Hochspannungserzeugers fuer Hochspannungen 50 kV verhaeltnismaessig geringer Leistung, der z. B. zur Speisung von Teilchenbeschleunigern eingesetzt werden kann, und loest die Aufgabe, die Blindstroeme in der Schaltstufe und im Leistungsuebertrager stark herabzusetzen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsuebertrager im Resonanzzustand betrieben wird, wobei die von der Impulssteuerstufe gelieferten Steuerimulse fuer die Transistorschaltstufe in Frequenz und Breite so eingestellt sind, dass die Ansteuerung der Transistoren der Schaltstufe im Minimum ihrer Kollektorspannung erfolgt.

Description

Schaltungsanordnung zur Hochspannungserzeugung .. . ,.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Hochspannung £ 50 kV verhältnismäßig geringer Leistung, z.B. zur Speisung von Teilchenbeschleunigern.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Schaltungsanordnungen zur Erzeugung von Hochspannungen verhältnismäßig geringer Leistung werden im Zuge der 7/eiterentwicklung der Halbleitergleichrichter häufig als Kaskadengleichrichter, meist mit einer Speisefrequenz von 50 Hz, ausgeführt. Diese Anlagen sind wegen der Ausmaße von Uetztransformatoren und Kondensatoren relativ groß. Demgegenüber werden Netzgeräte zur Erzeugung von Yersorgungsspannungen, insbesondere von Gleichspannungen, in steigendem Maße als sogenannte Schaltnetzteile ausgelegt (Radio, Fernsehen, Elektronik 31 (1982) Heft 2, S. 79). Die Vorteile solcher ITetzteile sind kleines Volumen und kleine Masse, vor allem durch den Wegfall,des schweren Ketztransformators sowie ein hoher Wirkungsgrad· Bisher werden mit Schaltnetzteilen vor allem niedrige Spannungen erzeugt. Das Prinzip eines derartigen Schaltnetzteiles besteht darin, daß eine Impulssteuerung die Steuerimpulse für eine Schaltstufe mit Hochvolttransistoren, deren Ausgangsleistung über einen Ferritkernübertrager an eine Gleichrichterschaltung gekoppelt ist, liefert. Eine Rückkopplungsleitung dient der

Stabilisierung der Ausgangsspannung, als Stellgröße wird die Breite der Steuerimpulse benutzt. Bei den bekannten Schaltnetzteilen ist der ausgangsseitige Ferritkernübertrager weitgehend ohmisch belastet, wobei der Einfluß von Schalt- und Lastkapazitäten verhältnismäßig gering ist. Demgegenüber wird bei Hochspannungstransformatoren infolge des großen Übersetzungsverhältnisses eine erhebliche Kapazitätslast an die Schaltstufe gelegt, wodurch es zu entsprechend großen Blindströmen kommt. Schaltnetzteile werden deshalb zur Hochspannungserzeugung nur für Spannungen von einigen kV verwendet»

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Erzeugung von Hochspannungen 3* 50 kV verhältnismäßig geringer Leistung.

Darlegung des ?/esens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bekannten Schaltnetzteile, so zu verändern, daß damit auch Hochspannungen it 50 .kV erzeugt werden können·

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Hochspannung & 50 kV besteht aus einer Impulssteuerstufe, einer Transistorenschaltstufe und einem Leistungsübertrager und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsübertrager im Resonanzzustand betrieben wird, wobei die von der Impulssteuerstufe gelieferten Steuerimpulse für die Schaltstufe in Folgefrequenz und Breite so eingestellt werden, daß die Ansteuerung der Transistoren der Schaltstufe etwa im Minimum ihrer Kollektorspannung erfolgt. Der Leistungsübertrager wird bei seiner Parallelresonanzfrequenz betrieben, die sich aus der Eingangsinduktivität des Übertragers und den transformierten Schalt- und Lastkapazitäten ergibt; dadurch werden die Blindströme in der Schaltstufe und im Leistungsübertrager stark herabgesetzt.

Als iieistungsübertrager für die Hochspannung wird im allgemeinen ein Ferritkernübertrager verwendet· Wegen der Aussteuerungsabhängigkeit der Permeabilität des Kernmaterials und damit der Induktivität verschiebt sich die Resonanzfrequenz bei unterschiedlicher Belastung. Um maximale Ausgangsleistung zu erhalten, muß die Impulsfolgefrequenz entsprechend nachgeführt werden. In den meisten Anwendungsfällen ist jedoch Festfrequenzbetrieb ohne größere Leistungseinbüße möglich.

Der optimale Betrieb legt damit die Parameter für die Ansteuerimpulse relativ streng fest. Abweichungen von der optimalen Folgefrequenz lassen den Wirkungsgrad sinken und die Blindanteile steigen· Veränderungen der Impulsbreite führen schnell zu unzulässig hohen Spitzenströmen. Dadurch ist die bei herkömmlichen Schaltnetzteilen übliche Spannungseinstellung und -regelung mittels Impulsbreitenmodulation nicht möglich und muß durch andere Verfahren, z.B. durch Änderung der Kollektorspannung der Schaltstufe, vorgenommen w.erden. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise ein weiteres, konventionell aufgebautes Schaltnetzteil benutzt.

Anstelle einer Schaltstufe mit Hochvolttransistoren kann auch, besonders zur Erzeugung größerer Leistungen, eine Schaltstufe mit schnellen Thyristoren entsprechender Sperrspannung eingesetzt werden. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, die für derartige Schaltungen üblicherweise verwendeten Komm utatordrosseln zum Löschen der Thyristoren durch Hochvolttransistoren zu ersetzen. Mit diesen gelingt es, einen exakt festgelegten Löschzeitpunkt auch dann zu realisieren, wenn die Steuerfrequenz automatisch nachgeregelt wird.

Die Erfindung kann sowohl zur Erzeugung von v/echselhochspannung als auch in Verbindung mit entsprechenden Gleichrichterschaltungen von gleichgerichteter Hochspannung eingesetzt werden.

Ausführunp;abeispiel

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemä\ße Schaltungsanordnung. Fi-

gur 2 stellt die Kollektorspannung und die zugehörigen Stromimpulse dar.

Die Schaltungsanordnung besteht aus einer Impulssteuerstufe 1, einer Schaltstufe 2, einem Hochspannungsübertrager 3, einer Gleichrichterkaskade 4 und einein Schaltnetzteil 5. Die Schaltstufe 1 enthält 4 parallel geschaltene Hochvolttransistoren, während die Gleichrichterkaskade 4 aus zwölf Stufen besteht. Der Hochspannungsübertrager 3 besitzt eine Singangsinduktivität von 56 mH, ein Übersetzungsverhältnis von 1:100 und ist für eine sekundäre Spitzenspannung von 70 kV ausgelegt. Die Kaskadenkondensatoren haben eine Kapazität von je 20 ni¹· Aus der Eingangsinduktivität, und den transformierten Last- und Schaltkapazitäten ergibt sich eine Resonanzfrequenz von ca· 3 kHz, Die Dämpfung des enstehenden Schwingkreises ist verhältnismäßig gering, da die Größe des Übertragers nicht durch seine Übertragungsleistung, sondern, durch die notwendige Eingangsinduktivität und den benötigten Wickelraum bestimmt wird. Durch diese geringe Dämpfung entsteht an den Kollektoren der Schaltstufe 2 eine Wechselspannung,, deren Amplitude etwa so groß ist wie die Betriebsspannung Vq^q ¹¹^d die dieser überlagert ist. Die resultierende Kollektorspannung zeigt ]?igur 2a· Die Aussteuerung der Schaltstufe 2 erfolgt etwa im Minimum der Kollektor SOannung V_n-^ mit relativ schmalen Rechteckimpulsen, so daß in den Schaltmomenten ziemlich niedrige Spannungsamplituden anliegen, wodurch die Schaltverlustleistung erheblich gesenkt wird. Außerdem kann dadurch das sonst notwendige, schwierig zu dimensionierende SOAR-Glied entfallen·

Die Einstellung und Regelung der Hochspannung wird durch Änderung der BetriebssOannung V.^n vorgenommen, die in einem weiteren, konventionellen Schaltnetzteil 5 erzeugt wird, dessen Eingangssignal durch Vergleich mit der Hochspannung gewonnen wird.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Hochspannung ^ 50 kV, bestehend aus einer Impulssteuerstufe, einer Transistorschaltstufe und einem Leistungsübertrager, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsübertrager (3) im Resonanzzustand betrieben wird, wobei die von der Impulssteuerstufe (1) gelieferten Steuerimpulse für die Schaltstufe (2) in Folgefrequenz und Breite so eingestellt sind, daß die Ansteuerung der Transistoren der Schaltstufe (2) etwa im Minimum ihrer Kollektorspannung erfolgt.

2. Schaltungsanordnung gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsübertrarger-(3) bei seiner Parallelresonanzfrequenz betrieben wird, die sich aus der Eingangsinduktivität des Übertragers und den transformierten Sehalt- und Lastkapazitäten ergibt.

3. Schaltungsanordnung gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungsübertrager ein Ferritkernübertrager eingesetzt ist.

4. Schaltungsanordnung gemäß Punkt 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolgefrequenz in Abhängigkeit von der Belastung nachgeführt wird.

5. Schaltungsanordnung gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsübertrager mit einer Festfrequenz betrieben wird.

6. Schaltungsanordnung gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungseinstellung und -regelung ein weiteres, konventionell aufgebautes Schaltnetzteil (5) vorgesehen ist.

7. Schaltungsanordnung gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltstufe eine Thyristorsehaltstufe verwendet wird.

8· Schaltungsanordnung .gemäß Punkt 1 und 7, dadurch gekennzeichnet , daß zum Löschen der Thyristoren der. Schaltstufe Transistoren eingesetzt werden.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen.