DD212367A1

DD212367A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR HIGH VOLTAGE GENERATION

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.The invention relates to a method for operating a consisting of a Impulsformerstufe, a transistor switching stage and a Leistungsuebertrager high voltage generator for high voltages 50 kV behhaeltnismaessig low power, the z. B. can be used to feed particle accelerators, and solves the task of greatly reducing the reactive currents in the switching stage and Leistungsuebertrager. The method is characterized in that the Leistungsuebertrager is operated in the resonant state, wherein the control pulses supplied by the pulse control stage for the transistor switching stage in frequency and width are set so that the control of the transistors of the switching stage takes place in the minimum of their collector voltage.

Description

Schaltungsanordnung zur Hochspannungserzeugung .. . ,. Circuit arrangement for high voltage generation ... .

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Hochspannung £ 50 kV verhältnismäßig geringer Leistung, z.B. zur Speisung von Teilchenbeschleunigern.The invention relates to a circuit arrangement for generating a high voltage £ 50 kV of relatively low power, e.g. for feeding particle accelerators.

Characteristic of the known technical solutions

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 derCircuit arrangements for the generation of high voltages of relatively low power are often carried out in the course of the development of the semiconductor rectifier as a cascade rectifier, usually with a supply frequency of 50 Hz. These systems are relatively large because of the size of Uetz transformers and capacitors. In contrast, power supplies for generating Yersorgungsspannungen, especially DC voltages, increasingly designed as a so-called switching power supplies (Radio, television, electronics 31 (1982) No. 2, p 79). The advantages of such ITetzteile are small volume and small mass, especially by eliminating the heavy power transformer and high efficiency · So far, low voltages are mainly generated with switching power supplies. The principle of such a switching power supply is that a pulse control, the control pulses for a switching stage with high-voltage transistors whose output power is coupled via a ferrite core transformer to a rectifier circuit provides. A feedback line is the

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»Stabilization of the output voltage, the manipulated variable used is the width of the control pulses. In the known switching power supplies of the output side ferrite core transformer is largely loaded ohmic, the influence of switching and load capacities is relatively low. In contrast, in high-voltage transformers due to the large transmission ratio, a significant capacity load is applied to the switching stage, resulting in correspondingly large reactive currents. Switching power supplies are therefore used for high voltage generation only for voltages of a few kV »

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung ist die Erzeugung von Hochspannungen 3* 50 kV verhältnismäßig geringer Leistung.The object of the invention is the generation of high voltages 3 * 50 kV relatively low power.

Explanation of the invention of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bekannten Schaltnetzteile, so zu verändern, daß damit auch Hochspannungen it 50 .kV erzeugt werden können·The object of the invention is to modify the known switched-mode power supply units such that d a can also be generated with high voltages of 50 .kV.

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.The circuit arrangement according to the invention for generating high voltage & 50 kV consists of a pulse control stage, a transistor switching stage and a power transformer and is characterized in that the power transformer is operated in the resonant state, wherein the control pulses supplied by the pulse control stage for the switching stage in repetition frequency and width are set in that the control of the transistors of the switching stage takes place approximately in the minimum of their collector voltage. The power transformer is operated at its parallel resonant frequency resulting from the input inductance of the transformer and the transformed switching and load capacitances; As a result, the reactive currents in the switching stage and in the power transformer are greatly reduced.

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.As a power transformer for the high voltage, a ferrite core transformer is generally used. Because of the modulation dependence of the permeability of the core material and hence the inductance, the resonance frequency shifts under different load conditions. In order to obtain maximum output power, the pulse repetition frequency must be adjusted accordingly. In most applications, however, fixed frequency operation is possible without major power losses.

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.The optimum operation thus sets the parameters for the drive pulses relatively strict. Deviations from the optimum repetition frequency lower the efficiency and the reactive components increase · Changes in the pulse width quickly lead to impermissibly high peak currents. As a result, the voltage adjustment and regulation by means of pulse width modulation which is customary in conventional switched-mode power supplies is not possible and must be achieved by other methods, e.g. by changing the collector voltage of the switching stage, made w.erden. For this purpose, another, conventionally constructed switching power supply is preferably used.

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.Instead of a switching stage with high-voltage transistors, a switching stage with fast thyristors corresponding blocking voltage can also be used, especially for generating larger power. It proves to be advantageous to replace the commutator throttles commonly used for such circuits for erasing the thyristors by high-voltage transistors. With these it is possible to realize a precisely defined extinguishing time, even if the control frequency is readjusted automatically.

Die Erfindung kann sowohl zur Erzeugung von v/echselhochspannung als auch in Verbindung mit entsprechenden Gleichrichterschaltungen von gleichgerichteter Hochspannung eingesetzt werden.The invention can be used both for generating v / echselhochspannung as well as in conjunction with corresponding rectifier circuits of rectified high voltage.

Ausführunp; abeispiel

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemä\ße Schaltungsanordnung. Fi-FIG. 1 shows a circuit arrangement according to the invention. fi

gur 2 stellt die Kollektorspannung und die zugehörigen Stromimpulse dar.gur 2 represents the collector voltage and the associated current pulses.

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·The circuit arrangement consists of a pulse control stage 1, a switching stage 2, a high-voltage transformer 3, a rectifier cascade 4 and a switched-mode power supply 5. The switching stage 1 contains 4 parallel-connected high-voltage transistors, while the rectifier cascade 4 consists of twelve stages. The high-voltage transformer 3 has a Singangsinduktivität of 56 mH, a gear ratio of 1: 100 and is designed for a secondary peak voltage of 70 kV. The cascade capacitors have a capacity of 20 ni ¹ · From the input inductance, and the transformed load and switching capacitances results in a resonant frequency of about 3 kHz, the attenuation of the resulting resonant circuit is relatively low, since the size of the transformer is not by its transmission power , But, by the necessary input inductance and the required winding space is determined. Due to this low attenuation arises at the collectors of the switching stage 2, an AC voltage whose amplitude is about as large as the operating voltage Vq ^ q ¹¹ ^ d which is superimposed on this. The resulting collector voltage is shown in FIG. 2. The modulation of the switching stage 2 takes place approximately in the minimum of the collector SO voltage V _n -1 with relatively narrow rectangular pulses, so that quite low voltage amplitudes are applied in the switching moments, as a result of which the switching power loss is considerably reduced. In addition, this can eliminate the otherwise necessary, difficult-to-dimension SOAR element.

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.The adjustment and regulation of the high voltage is made by changing the BetriebssOannung V. ^ n , which is generated in a further conventional switching power supply 5, the input signal is obtained by comparison with the high voltage.

Claims

1. Circuit arrangement for generating high voltage ^ 50 kV, consisting of a pulse control stage, a transistor switching stage and a power transformer, characterized in that the power transformer (3) is operated in the resonant state, wherein the pulse control stage (1) delivered control pulses for the switching stage (1) 2) in repetition frequency and width are set so that the control of the transistors of the switching stage (2) takes place approximately in the minimum of their collector voltage.

2. A circuit arrangement according to item 1, characterized in that the Leistungsübertrarger- (3) is operated at its parallel resonance frequency, which results from the input inductance of the transformer and the transformed Sehalt- and load capacities.

3. Circuit arrangement according to item 1, characterized in that a ferrite core transformer is used as a power transformer.

4. Circuit arrangement according to item 1 and 3, characterized in that the pulse repetition frequency is tracked in dependence on the load.

5. Circuit arrangement according to item 1, characterized in that the power transformer is operated at a fixed frequency.

6. Circuit arrangement according to item 1, characterized in that for voltage adjustment and control another, conventionally constructed switching power supply (5) is provided.

7. Circuit arrangement according to item 1, characterized in that a Thyristorsehaltstufe is used as the switching stage.

8 · Circuit arrangement according to points 1 and 7, characterized in that for extinguishing the thyristors the. Switching stage transistors are used.

For this 2 pages drawings.