DE102008044468A1

DE102008044468A1 - Schneller Hochspannungsimpulsgenerator mit hoher Impulsfolgefrequenz

Info

Publication number: DE102008044468A1
Application number: DE102008044468A
Authority: DE
Inventors: Fengfeng Tao; Frank Jakob John Mueller; Robert Carl Murray; Abdelkrim Younsi; Seyed Gholamali Saddoughi; Joseph Taher Mossoba; John Stanley Glaser
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2009-03-12
Also published as: JP2009065663A; US20090066391A1; US8023296B2; CH697870B1; CH697870A2; CN101453174A

Abstract

Ein schneller Hochspannungsimpulsgenerator (30) mit hoher Impulsfolgefrequenz beseitigt Einschränkungen bezüglich hoher Impulsfolgefrequenzen in Verbindung mit HF-Leistungsverstärkern. Der Impulsgenerator (30) verwendet Resonanztechniken, um Strombegrenzungsmerkmale zu schaffen, die einen ständigen Betrieb bei hoher Spannung, hoher Geschwindigkeit und hoher Impulsfolgefrequenz des Impulsgenerators (30) ohne Beeinträchtigung des Impulsgenerators (30) sowohl während Kurzschluss- als auch Leerlauflastzuständen ermöglicht.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft im Wesentlichen elektronische Energieumwandlung und insbesondere einen schnellen Hochspannungsimpulsgenerator mit hoher Impulsfolgefrequenz unter Anwendung sanfter Umschaltungs- und Impulsformungstechnologien.
Generatoren, die bei hohen Spannungen, hohen Drehzahlen und hohen Impulsfolgefrequenzen arbeiten können, haben im Wesentlichen Hochfrequenz-Leistungsverstärker und die entsprechende Technologie genutzt, um eine schnelle Hochspannungsimpulserzeugung mit hoher Impulsfolgefrequenz und Übertragung zu erzielen. Derartige HF-Leistungsverstärker sind in der Herstellung teuer und weisen aufgrund der internen Wärmeentwicklung die hohe Impulswiederholfrequenz eine geringe Zuverlässigkeit auf. HF-Verstärker benötigen auch unerwünschterweise erhebliche Stellfläche und weisen im Allgemeinen einen geringen elektrischen Wirkungsgrad auf. Ferner ist die HF-Leistungsverstärkertechnologie unter anderem aufgrund thermischer Verluste nicht besonders gut für die Erzeugung von hohen Impulsfolgefrequenzen geeignet.
Es wäre sowohl vorteilhaft als auch nutzbringend, einen schnellen Hochspannungsimpulsgenerator mit hoher Impulsfolgefrequenz zu schaffen, welcher die Einschränkungen bezüglich hoher Impulsfolgefrequenzen in Verbindung mit HF-Leistungsverstärkern beseitigt. Es wäre ferner vorteilhaft, wenn der schnelle Hochspannungsimpulsgenerator mit hoher Impulsfolge frequenz für einen Dauerbetrieb ohne Beeinträchtigung des Impulsgenerators sowohl während Kurzschluss- als auch Leerlauflastzuständen fähig wäre.
KURZBESCHREIBUNG
Kurz gesagt, wird in einer Ausführungsform ein Impulsgenerator für die Erzeugung von schnellen Hochspannungsimpulsen mit hoher Impulsfolgefrequenz geschaffen. Der Impulsgenerator weist auf:
einen Wechselrichter, der für die Umwandlung einer Gleichspannung in eine Hochfrequenzwechselspannung eingerichtet ist;
einen Wandler, der dafür eingerichtet ist, von der Wechselspannung gespeist als eine Wechselstromquelle zu arbeiten; und
einen Spannungsformungsabschnitt, der dafür eingerichtet ist, in Reaktion auf einen durch die Wechselstromquelle erzeugten Eingangswechselstrom einen schnellen Hochspannungsimpuls mit hoher Impulsfolgefrequenz zu erzeugen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Verfahren zum Erzeugen eines schnellen Hochspannungsimpulses mit hoher Impulsfolgefrequenz die Schritte auf:
Umwandeln einer Gleichspannung in eine Hochfrequenzwechselspannung;
Erzeugen eines Wechselstroms in Reaktion auf die Wechselspannung; und
Erzeugen eines schnellen Hochspannungsimpulses mit hoher Impulsfolgefrequenz in Reaktion auf den Wechselstrom.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform weist ein Impulsgenerator auf:
Mittel zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Hochfrequenzwechselspannung;
Mittel zum Erzeugen eines Wechselstroms in Reaktion auf die Wechselspannung; und
Mittel zum Erzeugen eines schnellen Hochspannungsimpulses mit hoher Impulsfolgefrequenz in Reaktion auf den Wechselstrom.
ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, in welchen:
1 ein vereinfachtes Schaltbild ist, das einen sanft schaltenden impulsformenden Generator gemäß einer Ausführungsform darstellt:
2 ein Flussdiagramm ist, das exemplarische Schritte eines Verfahrens zum Erzeugen eines schnellen Hochspannungsimpulses mit hoher Impulsfolgefrequenz gemäß einer Ausführungsform darstellt;
3 ein Schaltbild ist, das einen sanft schaltenden impulsformenden Generator gemäß einer Ausführungsform detaillierter darstellt;
4 ein Satz von Wellenformen ist, die Spannungen und Ströme der arbeitenden Schaltung während eines stabilen Betriebs des in 3 dargestellten Generators gemäß einer Ausführungsform darstellen;
5 ein Satz von Wellenformen ist, die Spannungen und Ströme der arbeitenden Schaltung während Kurzschlusslastzuständen für den in 3 dargestellten Generators gemäß einer Ausführungsform darstellen;
6 ein Satz von Wellenformen ist, die Spannungen und Ströme der arbeitenden Schaltung während Leerlauflastzuständen für den in 3 dargestellten Generators gemäß einer Ausführungsform darstellen;
Obwohl die vorstehend angegebenen Zeichnungsfiguren alternative Ausführungsformen darstellen, werden auch weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie in der Diskussion angemerkt, in Betracht gezogen. In allen Fällen präsentiert diese Offenbarung dargestellte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Rahmen einer Darstellung und nicht einer Einschränkung. Zahlreiche weitere Modifikationen und Ausführungsformen können vom Fachmann auf diesem Gebiet erdacht werden, welche in den Schutzumfang und Erfindungsgedanken der Prinzipien dieser Erfindung fallen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 und 2 werden zuerst beschrieben, um einen Hintergrund zu schaffen, der für ein besseres Verständnis der Dis kussion in Verbindung mit 3, die nachstehend beschrieben wird, hilfreich ist. 1 veranschaulicht ein vereinfachtes Schaltbild einen grundsätzlichen Aufbaus 10 einer sanft schaltenden Impulsformungsschaltung. Der Schaltkreis 10 enthält einen Transkonduktanz-Verstärker 12, der als eine von einem Eingangsspannungsimpuls 13 gesteuerte Stromquelle wirkt.
Ein MOSFET-Bauelement 14 arbeitet in Kombination mit einer Klemmdiode 16 als ein Impulsformungsschaltkreis, um an einer gewünschten Last 18 einen quadratisch oder rechteckig geformten Spannungsimpuls zu erzeugen. Der Schaltkreis 10 ist aufgrund der Stromquelle, die die Impulsformungsschaltung antreibt, gegenüber Kurzschluss- und Leerlauflasten robust.
Die Gate-Eingangsansteuerung des MOSFET-Bauteils 14 wird in einer Weise gesteuert, die es dem MOSFET-Bauteil 14 ermöglicht, in einer sanft schaltenden Art einzuschalten. Sanftes Schalten verringert Schaltverluste in Verbindung mit dem MOS-FET-Schaltbauteil 14, wenn die Schaltfrequenz erhöht wird. Die Kombination von sanftem Schalten und Impulsformen ermöglicht der Schaltung 10, als ein schneller Hochspannungsimpulsgenerator mit hoher Impulsfolgefrequenz zu arbeiten, der sowohl gegen Leerlauf- als auch Kurzschlussbelastung robust ist.
2 ist ein Flussdiagramm 20, das exemplarische Schritte eines Verfahrens zum Erzeugen eines schnellen Hochspannungsimpulses mit hoher Impulsfolgefrequenz gemäß einer Ausführungsform darstellt. Das Verfahren beginnt mit dem Bereitstellen einer primären Eingangsgleichspannung gemäß Darstellung im Block 22. Die Eingangsgleichspannung wird dann durch einen Wechselrichter geführt, um eine Hochfrequenz-Wechselspannung (z. B. 25 MHz) zu erzeugen, wie es im Block 24 dargestellt ist. Die Wechselspannung wird in eine Stromquelle umgewandelt, um Wechselstrom zu erzeugen, wie es in im Block 26 dargestellt ist. Die Stromquelle ermöglicht es dem Impulsgenerator, in einer robusten Weise zu funktionieren, indem sie ein Mittel zur Strombegrenzung bereitstellt, das nicht erzielbar ist, wenn eine reine Spannungsquelle verwendet wird, um eine dynamische Last 18 anzusteuern, wie es in 1 dargestellt ist. Der Wechselstrom treibt dann eine Spannungsformungsschaltung an, um einen quadratischen oder rechteckigen Ausgangsspannungsimpuls gemäß Darstellung im Block 28 zu erzeugen.
3 ist ein Schaltbild, das detaillierter einen sanft schaltenden impulsformenden Generator 30 gemäß einer Ausführungsform darstellt. Der Schaltkreisaufbau des Generators 30 ermöglicht dem Generator 30, einen schnellen Hochspannungsausgangsimpuls mit hoher Impulsfolgefrequenz zu erzeugen.
Es ist zu sehen, dass der Generator 30 einen Wechselrichter 40, einen Wandler 50 und einen Impulsformungsabschnitt 60 enthält. Der Wechselrichter 40 enthält einen Reihenschwingkreis mit einem Kondensator C1 und einer Induktionsspule L1, die zusammen eine Eigenresonanzfrequenz aufweisen. Der Wechselrichter 40 enthält auch einen oberen sanften Schalter 42, der mit einem Ende mit einer positiven Gleichspannungsquelle 32 verbunden ist und an seinem gegenüberliegenden Ende mit dem Kondensator C1 verbunden ist, wie es in 3 dargestellt ist. Der obere sanfte Schalter 42 arbeitet in einem Sanftschaltmodus über ein Gate-Treiberelement 43, um den Ein/Aus-Schaltbetrieb zu steuern. Die Klemmdiode 44, die die Spannung über dem unteren Schalter 46 begrenzt, könnte eine parasitäre Substratdiode des Schalters 42 sein. Der Wechselrichter 40 enthält ferner einen unteren sanften Schalter 46, der mit einem Ende mit einer Generatorerde 34 und mit seinem gegenüberliegenden Ende mit dem Kondensator C1 gemäß Darstellung in 3 verbunden ist. Der untere sanfte Schalter 46 arbeitet über ein entsprechendes Gate-Treiberelement 47 in einem Sanft schaltmodus, um den Ein/Aus-Schaltbetrieb zu steuern. Die Klemmdiode 48, die die Spannung über dem oberen Schalter 42 begrenzt, könnte eine parasitäre Substratdiode des Schalters 46 sein. Der obere sanfte Schalter 42 und der untere sanfte Schalter 46 sind so eingerichtet, dass der obere sanfte Schalter 42 eingeschaltet ist, wenn der untere sanfte Schalter 46 ausgeschaltet ist und umgekehrt. Jeder Schalter 42, 46 arbeitet einer Ausführungsform in einem Sanftschaltmodus bei einer hohen Frequenz, die gleich oder höher als die Eigenresonanzfrequenz der Tankschaltung ist, die durch den Kondensator C1 und die Induktionsspule L1 gebildet wird, wie z. B. bei 25 MHz.
Es ist zu sehen, dass auch der Wandler 50 einen Reihenschwingkreis mit einem Kondensator C2 und einer Induktionsspule L2 enthält. Der erste Reihenschwingkreis des Wechselrichters 40 und der zweite Reihenschwingkreis des Wandlers 50 sind in einer Ausführungsform so eingerichtet, dass C1 und L1 zusammen dieselbe Resonanzfrequenz wie ein Kombinationstankreis aufweisen, der C1 kombiniert mit C2 und L1 kombiniert mit L2 enthält. Diese Konfiguration ermöglicht, dass im Wesentlichen die gesamte in dem den Kondensator C1 und die Induktionsspule L1 beinhaltenden ersten Reihenschwingkreis gespeicherte Energie an den den Kondensator C2 und die Induktionsspule L2 beinhaltenden zweiten Reihenschwingkreis während des Schaltvorgangs übertragen wird. Diese Konfiguration ermöglicht auch eine Stromverdoppelung dergestalt, dass der durch die Induktionsspule L2 fließende Spitzenstrom im Wesentlichen das Doppelte des durch die Induktionsspule L1 fließenden Spitzenstroms während des Schaltvorgangs ist. Ein dritter Schalter 52 arbeitet gemäß einer Ausführungsform in einem Sanftschaltmodus über den Gate-Treiber 53 und in Kombination mit einer Diode 54, Diode 56 und dem den Kondensator C2 und die Induktionsspule L2 beinhaltenden zweiten Reihenschwingkreis, um einen Wechselstrom durch die Induktionsspule L2 zu erzeugen. Die Diode 54 könnte eine parasitäre Substratdiode des Schalters 52 sein, obwohl eine Zenerdiode bevorzugt wird. Die Last RL in 3 empfängt dann ihre Leistung aus der Energie, die durch die Induktionsspule L2 gespeichert wird und ist von der Gleichspannungsquelle durch den Wechselrichter 40 und den Wandler 50 isoliert. Diese Isolationsmerkmal ermöglicht es dem Generator 30 ferner, vorteilhaft eine dynamische Last zu betreiben, die sich zwischen einem Kurzschluss und einem Leerlauf verändern kann und kann das Betreiben einer dynamischen Last während eines stetigen Betriebs in einem Bereich beinhalten, der sich irgendwo zwischen Kurzschluss- und Leerlaufzuständen befindet.
Der Generator 30 enthält ferner einen Impulsformungsabschnitt 60, der dafür eingerichtet ist, effizient eine sich dynamisch verändernde Last anzusteuern, und auch eine Rechteckwelle oder einen rechteckigen Spannungsimpuls in Reaktion auf die durch die Induktionsspule L2 fließende Energie zu erzeugen. Der Impulsformungsabschnitt enthält einen sanften Schalter 62 und arbeitet über das Gate-Treiberelement 64 in einem Sanftschaltmodus. Der sanfte Schalter 62 funktioniert in Kombination mit der Diode 66 und Diode 68, um einen quadratischen oder rechteckigen Spannungsimpuls während des Schaltvorgangs zu erzeugen. Der vorstehende Resonanzfrequenzschaltvorgang erzeugt in vorteilhafter Weise eine reine Spannungsschaltung bei hohen Frequenzen (MHz-Bereich) bei Vorliegen von sich dynamisch verändernden Lastzuständen.
4 ist ein Satz von Wellenformen, welcher Spannungen und Ströme der arbeitenden Schaltung während eines stabilen Betriebszustandes des in 3 dargestellten Generators 30 gemäß einer Ausführungsform darstellen. Die obere Wellenform stellt einen Impuls mit hoher Spannung (angenähert 1000 Volt), hoher Frequenz (MHz-Bereich) und hoher Impulsfolgefrequenz dar, der durch den Generator 30 erzeugt wird. Die mittlere Wellenform stellt die durch den Generator 30 erzielte Spitzenstromverdoppelung dar. Die untere Wellenform stellt den durch den Wechselrichter, Wandler und die Impulsformungsschalter fließenden Wechselstrom während eines Normalzustandbetriebs des Impulsgenerators 30 dar.
5 ist ein Satz von Wellenformen, der Spannungen und Ströme der arbeitenden Schaltung während Kurzschlusslastzuständen für den in 3 dargestellten Generator 30 gemäß einer Ausführungsform darstellt. Die Kurzschlussbetrieb-Wellenformen veranschaulichen die Betriebsfähigkeiten des Impulsgenerators 30 selbst während einer Kurzschlussbelastung am Ausgang. Die Wellenformen zeigen, dass der Impulsgenerator 30 ohne irgendwelche nachteiligen Auswirkungen aufgrund der Strombegrenzungsmerkmale weiterarbeitet.
6 ist ein Satz von Wellenformen, der Spannungen und Ströme der arbeitenden Schaltung während Leerlauflastzuständen für den in 3 dargestellten Generator 30 gemäß einer Ausführungsform darstellt. Die Leerlaufbetrieb-Wellenformen veranschaulichen die Betriebsfähigkeiten des Impulsgenerators 30 selbst während einer Leerlaufbelastung am Generatorausgang. Die Wellenformen zeigen, dass der Impulsgenerator 30 selbst während Leerlauflast ohne irgendwelche nachteiligen Auswirkungen aufgrund der Strombegrenzungsmerkmale weiterarbeitet.
Obwohl nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden viele Modifikationen und Änderungen für den Fachmann auf diesem Gebiet möglich erscheinen. Es dürfte sich daher verstehen, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen, sofern sie in den tatsächlichen Erfindungsgedanken der Erfindung fallen, abdecken sollen.
Ein schneller Hochspannungsimpulsgenerator 30 mit hoher Impulsfolgefrequenz beseitigt Einschränkungen bezüglich hoher Impulsfolgefrequenzen in Verbindung mit HF-Leistungsverstärkern. Der Impulsgenerator 30 verwendet Resonanztechniken, um Strombegrenzungsmerkmale zu schaffen, die einen ständigen Betrieb bei hoher Spannung, hoher Geschwindigkeit und hoher Impulsfolgefrequenz des Impulsgenerators 30 ohne Beeinträchtigung des Impulsgenerators 30 sowohl während Kurzschluss- als auch Leerlauflastzuständen ermöglicht.

10: sanft schaltende, impulsformende Schaltung
12: Transkonduktanz-Verstärker
13: Eingangsspannungsimpuls
14: MOSFET-Bauteil
16: Klemmdiode
18: Last
20: Flussdiagramm
22: Bereitstellen der Primäreingangsgleichspannung
24: Durchleiten der Eingangsgleichspannung durch den Wechselrichter zum Erzeugen einer Hochfrequenzwechselspannung
26: Umwandeln der Wechselspannung in eine Stromquelle zum Erzeugen von Wechselstrom
28: Erzeugen eines Ausgangsspannungsimpulses mittels Spannungsformung in Reaktion auf den Wechselstrom
30: Sanft schaltender impulsformender Generator
32: Gleichstromspannungsquelle
34: Generatorerde
40: Wechselrichter
42: oberer sanfter Schalter
43: Gate-Treiberelement
44: Klemmdiode
46: unterer sanfter Schalter
47: Gate-Treiberelement
48: Klemmdiode
50: Wandler
52: dritter Schalter
53: Gate-Treiberelement
54: Z-Diode
56: Diode
60: Impulsformungsabschnitt
62: sanfter Schalter
64: Gate-Treiberelement
66: Diode
68: Diode

Claims

Impulsgenerator (30), aufweisend: einen Wechselrichter (40), der für die Umwandlung einer Gleichspannung in eine Hochfrequenzwechselspannung eingerichtet ist; einen Wandler (50), der dafür eingerichtet ist, von der Wechselspannung gesteuert als eine Wechselstromquelle zu arbeiten; und einen Spannungsformungsabschnitt (50), der dafür eingerichtet ist, in Reaktion auf einen durch die Wechselstromquelle erzeugten Eingangswechselstrom einen schnellen Hochspannungsimpuls mit hoher Impulsfolgefrequenz zu erzeugen.
Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter (40) ein Paar Hochspannungsschalter (42), (46) aufweist, wovon jeder Schalter dafür eingerichtet ist, in einem Sanftschaltmodus in Kombination mit einer entsprechenden Klemmdiode (44), (48) zu arbeiten, um eine Hochfrequenzwechselspannung zu erzeugen.
Impulsgenerator (30) nach Anspruch 2, wobei jeder Hochspannungsschalter (42), (46) durch ein entsprechendes Gate-Treiberelement (43), (47) so angesteuert wird, dass jeder Hochspannungsschalter (42), (46) in einem Sanftschaltmodus arbeitet.
Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Wandler (50) einen Hochspannungsschalter (52) aufweist, der dafür eingerichtet ist, in einem Sanftschaltmodus in Kombination mit einer entsprechenden Klemmdiode (54) zu arbeiten, um den Eingangswechselstrom zu erzeugen.
Impulsgenerator (30) nach Anspruch 4, wobei der Wandler-Hochspannungsschalter (52) über ein entsprechendes Gate-Treiberelement (53) so angesteuert wird, dass der Wandler-Hochspannungsschalter (52) in einem Sanftschaltmodus arbeitet.
Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Impulsformungsabschnitt (60) einen Hochspannungsschalter (62) aufweist, der dafür eingerichtet ist, in einem Sanftschaltmodus in Kombination mit einer entsprechenden Klemmdiode (66) zu arbeiten, um den schnellen Hochspannungsausgangsimpuls mit hoher Impulsfolgefrequenz zu erzeugen.
Impulsgenerator (30) nach Anspruch 6, wobei der Hochspannungsschalter (62) des Impulsformungsabschnittes mit einem entsprechenden Gate-Treiberelement (64) so angesteuert wird, dass der Hochspannungsschalter (62) des Impulsformungsabschnittes in einem Sanftschaltmodus arbeitet.
Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter (40) und der Wandler (50) jeweils einen LC-Reihenschwingkreis aufweisen, wobei die Reihenschwingkreise zusammen so eingerichtet sind, dass sie im Wesentlichen die gesamte in dem Umrichterreihenschwingkreis gespeicherte Energie in den Wandlerreihenschwingkreis während Wechselrichter- und Wandler-Schaltmodi übertragen.
Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter (40) und der Wandler (50) jeweils einen LC-Reihenschwingkreis aufweisen, wobei die Reihenschwingkreise zusammen so eingerichtet sind, dass der durch die Wandler-Induktions spule L fließende Spitzenwechselstrom im Wesentlichen das Doppelte des durch die Wechselrichter-Induktionsspule L fließenden Spitzenstroms ist.
Impulsgenerator (30) nach Anspruch 1, wobei der Impulsformungsabschnitt (60) dafür eingerichtet ist, einen quadratischen oder rechteckigen schnellen Hochspannungsausgangsimpuls mit hoher Impulsfolgefrequenz in Antwort auf den durch die Wechselstromquelle (50) erzeugten Wechselstromeingangsstrom eingerichtet ist.