DE102010002231A1 - Method for generating voltage pulse to specific range, involves loading output capacitors over inductor, adjusting level of voltage pulse, and addressing pockels cell with voltage pulse, where pulse level is provided in specific range - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Spannungspulses > 500 V mit konstanter Spannung, sowie eine Schaltung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for generating a voltage pulse> 500 V with constant voltage, as well as a circuit, in particular for carrying out the method.
Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise zur Ansteuerung einer Pockelszelle, müssen sehr hohe Spannungspspulse, insbesondere im Bereich > 500 V, häufiger sogar im Bereich > 3.000 V erzeugt werden. Während diese Spannungspulse an der Pockelszelle anliegen, sollte deren Spannung möglichst konstant sein. Außerdem sind steile Flanken des Spannungspulses wünschenswert. Bisher wurden zur Ansteuerung von Pockelszellen so genannte Pockelszellenschalter verwendet, die sehr aufwändig und teuer sind. Dabei wurde in der Regel die an die Pockelszelle anzulegende hohe Spannung durch eine Spannungsquelle erzeugt und über einen Schalter bei Bedarf an die Pockelszelle angelegt.For certain applications, for example for controlling a Pockels cell, very high voltage pulses, in particular in the range> 500 V, more often even in the range> 3000 V, must be generated. While these voltage pulses are applied to the Pockels cell, their voltage should be as constant as possible. In addition, steep edges of the voltage pulse are desirable. So far, so-called Pockels cell switch were used to drive Pockels cells, which are very complex and expensive. As a rule, the high voltage to be applied to the Pockels cell was generated by a voltage source and, if necessary, applied to the Pockels cell via a switch.
Eine Schaltung zur Erzeugung eines Hochspannungspulses mit einer Induktivität, einem Schalter und einer parallel zum Schalter angeordneten Kapazität, die über die Induktivität aufgeladen wird, ist aus der
Die
Die
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, beziehungsweise eine Schaltung, bereitzustellen, die geeignet sind, einen Spannungspuls > 500 V mit möglichst konstanter Spannung und steilen Flanken zu erzeugen.The object of the present invention is to provide a method or a circuit which is suitable for generating a voltage pulse of> 500 V with as constant a voltage as possible and steep edges.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass eine Spannung in Höhe des Spannungspulses nicht ständig bereit gestellt werden muss, sondern dass beispielsweise eine Gleichspannungsquelle, die eine Spannung zwischen 40 V und 90 V liefert, ausreicht, um einen sehr hohen Spannungspuls zu erzeugen. Über die Induktivität wird die Ausgangskapazität zumindest eines Halbleiterschaltes aufgeladen. Dadurch fällt eine hohe Spannung an der Kapazität ab. Sobald die Kapazität aufgeladen ist, wird ein Rückfließen von Ladung in die Induktivität und somit ein Entladen der Kapazität über die Induktivität verhindert. Dadurch wird sicher gestellt, dass die Spannung an der Ausgangskapazität während der Dauer des Spannungspulses konstant bleibt.This object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 1. This method has the advantage that a voltage at the level of the voltage pulse does not have to be constantly provided, but that, for example, a DC voltage source having a voltage between 40 V and 90 V. is sufficient to produce a very high voltage pulse. The inductance charges the output capacitance of at least one semiconductor switch. As a result, a high voltage drops in the capacity. Once the capacitance is charged, a backflow of charge into the inductor and thus a discharge of the capacitance across the inductor is prevented. This ensures that the voltage at the output capacitance remains constant during the duration of the voltage pulse.
Die Höhe des Spannungspulses wird eingestellt. Der Spannungspuls kann somit auf die jeweilige Anwendung angepasst werden.The height of the voltage pulse is set. The voltage pulse can thus be adapted to the respective application.
Vorteilhafterweise kann die Höhe des Spannungspulses über die Einschaltzeit des Halbleiterschalters eingestellt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Induktivität in Serie zu dem Halbleiterschalter angeordnet ist. Durch Einschalten des Halbleiterschalters kann ein Strom in die Induktivität fließen, so dass Energie in der Induktivität gespeichert wird. Je länger der Halbleiterschalter eingeschalten ist, desto mehr Energie kann in der Spule gespeichert werden und umso höher ist dann die Spannung über der Ausgangskapazität des Halbleiterschalters, wenn der Schalter geöffnet wird.Advantageously, the height of the voltage pulse over the turn-on of the semiconductor switch can be adjusted. In particular, it can be provided that the inductance is arranged in series with the semiconductor switch. By turning on the semiconductor switch, a current can flow into the inductor, so that energy is stored in the inductor. The longer the semiconductor switch is turned on, the more energy can be stored in the coil and the higher the voltage across the output capacitance of the semiconductor switch when the switch is opened.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Höhe des Spannungspulses über die Anzahl in Reihe geschalteter Halbleiterschalter eingestellt wird. Wenn lauter gleiche Halbleiterschalter verwendet werden, ist die Ausgangsspannung, beziehungsweise die Höhe des Spannungspulses, beliebig skalierbar.Furthermore, it can be provided that the height of the voltage pulse is set via the number of series-connected semiconductor switches. If all the same semiconductor switches are used, the output voltage, or the magnitude of the voltage pulse, can be scaled as desired.
Gemäß einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass die Höhe des Spannungspulses durch die Spannung einer Gleichspannungsversorgung und/oder das Übersetzungsverhältnis eines Übertragers eingestellt wird. Diese Vorgehensweise bietet sich insbesondere dann an, wenn die Induktivität die Sekundärwicklung eines Übertragers ist und die Primärwicklung des Übertragers an eine Gleichspannungsversorgung anschließbar ist.According to a variant of the method it can be provided that the height of the voltage pulse is adjusted by the voltage of a DC voltage supply and / or the transmission ratio of a transformer. This procedure is particularly suitable when the inductance is the secondary winding of a transformer and the primary winding of the transformer can be connected to a DC voltage supply.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Höhe des Spannungspulses nach einem Einschwingen um weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5%, besonders bevorzugt weniger als 2% variiert. Wenn die Spannung des Spannungspulses um weniger als diese Toleranzen variiert, wird die Höhe der Spannung im Sinne der Erfindung als konstant betrachtet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, auf einfache Art und Weise einen Spannungspuls konstanter Höhe zu erzeugen, der geeignet ist, eine Pockelszelle zu betreiben.It is particularly preferred if the height of the voltage pulse after settling varies by less than 10%, preferably less than 5%, particularly preferably less than 2%. If the voltage of the voltage pulse varies less than these tolerances, the magnitude of the voltage is considered constant in the sense of the invention. With the method according to the invention, it is possible in a simple manner to generate a voltage pulse of constant height, which is suitable for operating a Pockels cell.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die steigende und/oder die fallende Flanke des Spannungspulses eine Steilheit > 40 V/ns aufweist. Further advantages result if the rising and / or the falling edge of the voltage pulse has a slope> 40 V / ns.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Spannungspuls beendet wird, indem der zumindest eine Haltleiterschalter leitend geschaltet wird. Dies bedeutet, dass das Ende des Spannungspulses nicht durch Eigenschaften der Bauelemente der Schaltung eingeleitet und bestimmt wird, sondern dass aktiv das Ende des Spannungspulses mittels des Halbleiterschalters eingeleitet werden kann. Somit ist die Länge des Spannungspulses definierbar und einstellbar.In a particularly preferred embodiment of the method can be provided that the voltage pulse is terminated by the at least one semiconductor switch is turned on. This means that the end of the voltage pulse is not initiated and determined by characteristics of the components of the circuit, but that actively the end of the voltage pulse can be initiated by means of the semiconductor switch. Thus, the length of the voltage pulse is definable and adjustable.
Gemäß einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass der Spannungspuls stufenweise beendet wird, indem zumindest zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter nacheinander leitend geschaltet werden. Somit werden die Ausgangskapazitäten der Halbleiterschalter nacheinander entladen. Die Entladung erfolgt dabei über interne Widerstände der Halbleiterschalter.According to a variant of the method, it can be provided that the voltage pulse is terminated in stages, by at least two series-connected semiconductor switches being turned on successively. Thus, the output capacitances of the semiconductor switches are discharged sequentially. The discharge takes place via internal resistors of the semiconductor switch.
Zunächst kann die Energie in der Induktivität gespeichert werden und anschließend kann die gespeicherte Energie in eine oder mehrere Ausgangskapazitäten des oder der Halbleiterschalter umgeladen werden. Wie vorher bereits beschrieben, kann über diese Vorgehensweise die in der Induktivität gespeicherte Energie eingestellt werden, die anschließend den Ausgangskapazitäten zur Verfügung gestellt wird. Somit lässt sich die Höhe des Spannungspulses besonders einfach einstellen. Allerdings muss zunächst Strom in die Induktivität gespeist werden, ehe der Spannungspuls erzeugt werden kann. Das Erzeugen des Spannungspulses kann also mit einer Zeitverzögerung verbunden sein.First, the energy can be stored in the inductor and then the stored energy can be reloaded into one or more output capacitances of the semiconductor switch (s). As previously described, this procedure can be used to set the energy stored in the inductance, which is then made available to the output capacitances. Thus, the height of the voltage pulse can be adjusted particularly easily. However, current must first be fed into the inductance before the voltage pulse can be generated. The generation of the voltage pulse can therefore be associated with a time delay.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn eine Pockelszelle mit dem Spannungspuls angesteuert wird.Particular advantages arise when a Pockels cell is driven by the voltage pulse.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Schaltung, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Eine solche Schaltung hat den Vorteil, dass sie sehr kostengünstig aufgebaut werden kann. Außerdem ist sie relativ einfach. Die Schaltung kann so klein ausgeführt werden, dass sie unter Umständen in einem Laser untergebracht werden kann. Insofern ist die Schaltung besonders zur Versorgung von Pockelszellen mit einem Spannungspuls geeignet. Insbesondere können mit der Schaltung Spannungspulse von mehr als 500 V, insbesondere bis zu 20 kV erzeugt werden.In the context of the invention, in addition, a circuit, in particular for carrying out the method according to the invention, with the features of
Besonders bevorzugt ist es, wenn mehrere Halbleiterschalter in Reihe geschaltet sind. Dadurch verringert sich die Ausgangskapazität der Schaltung zum einen und zum anderen kann dadurch ein höherer Spannungspuls erzeugt werden.It is particularly preferred if a plurality of semiconductor switches are connected in series. This reduces the output capacitance of the circuit on the one hand and on the other hand can thereby generate a higher voltage pulse.
Bei einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass den Halbleiterschaltern dieselbe die jeweilige Ausgangskapazität speisende Induktivität zugeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Induktivität und die Halbleiterschalter in Reihe geschaltet sind.In one embodiment it can be provided that the semiconductor switches are assigned the same inductance supplying the respective output capacitance. This means that the inductance and the semiconductor switches are connected in series.
Bei einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Induktivitäten Sekundärwicklungen oder Sekundärwicklungsabschnitte eines Übertragers sind. Durch die Verwendung von Übertragern kann eine galvanische Trennung erfolgen. Die Sekundärwicklungsabschnitte können gebildet werden, indem die Sekundärwicklung des Übertragers mehrere Anzapfungen aufweist.In a further development it can be provided that the inductances are secondary windings or secondary winding sections of a transformer. Through the use of transformers galvanic isolation can take place. The secondary winding sections can be formed by the secondary winding of the transformer having a plurality of taps.
Insbesondere in diesem Zusammenhang, wenn also jedem Halbleiterschalter eine eigene Induktivität zugeordnet ist, ist es vorteilhaft, wenn auch jedem Halbleiterschalter ein eigener Rückflussverhinderer zugeordnet ist. Somit kann für jeden Halbleiterschalter zuverlässig verhindert werden, dass dieser über einen Stromfluss zurück zur Induktivität ungewollt entladen wird.In particular, in this context, so if each semiconductor switch is assigned its own inductance, it is advantageous if each semiconductor switch is associated with its own backflow preventer. Thus, it can be reliably prevented for each semiconductor switch that this is unintentionally discharged via a current flow back to the inductor.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der oder die Rückflussverhinderer zumindest eine Diode, insbesondere eine SiC-Diode, oder einen Schalter umfasst. Sowohl Dioden als auch (Halbleiter-)Schalter sollten so ausgebildet sein, dass sie nur sehr kleine Sperrverzögerungsladungen haben. Die Sperrschichtkapazität kann verringert werden, wenn mehrere Dioden, beziehungsweise (Halbleiter-)Schalter in Reihe geschaltet werden. Dadurch kann erreicht werden, dass die Kapazität des Rückflussverhinderers kleiner ist als die Ausgangskapazität der Schaltung.Particular advantages arise when the one or more backflow preventer comprises at least one diode, in particular a SiC diode, or a switch. Both diodes and (semiconductor) switches should be designed to have only very small reverse recovery charges. The junction capacitance can be reduced if several diodes or (semiconductor) switches are connected in series. It can thereby be achieved that the capacity of the non-return valve is smaller than the output capacity of the circuit.
Wenn diese Bedingung erfüllt wird, kann ein Rückfließen von Ladung in die Induktivität zuverlässig verhindert werden.If this condition is met, backflow of charge into the inductor can be reliably prevented.
Bei einer Ausführungsform kann zumindest ein Übertrager vorgesehen sein, zu dessen Primärwicklung ein Schalter in Serie geschaltet ist. Durch diese Maßnahme kann der Stromfluss in den Übertrager gesteuert werden.In one embodiment, at least one transformer can be provided, to whose primary winding a switch is connected in series. By this measure, the flow of current can be controlled in the transformer.
Die Primärwicklung und die Sekundärwicklung des Übertragers können gleichsinnig oder gegensinnig angeordnet sein. Bei einer gegensinnigen Anordnung von Primärwicklung und Sekundärwicklung kann zunächst die Spule aufgeladen werden und anschließend die Energie von der Spule in die Ausgangskapazität transferiert werden. Bei gleichsinnigen Wicklung kann bei Stromzufuhr zu der Primärwicklung sofort eine Aufladung der Ausgangskapazität über die Sekundärwicklung erfolgen.The primary winding and the secondary winding of the transformer can be arranged in the same direction or in opposite directions. In an opposing arrangement of the primary winding and the secondary winding, the coil can first be charged and then the energy is transferred from the coil to the output capacitance. In the same direction winding can be done with power to the primary winding immediately charging the output capacitance across the secondary winding.
Besonders bevorzugt ist es, wenn ein Schalter vorgesehen ist, über den ein oder mehrere Halbleiterschalter gleichzeitig an- und ausschaltbar (leitend und nicht leitend schaltbar) sind. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Spannungspuls mit einer großen Steilheit erzeugt wird. Beispielsweise kann der Schalter Ansteuerübertrager ansteuern, die mit den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter verbunden sind. It is particularly preferred if a switch is provided, via which one or more semiconductor switches can be switched on and off simultaneously (conductive and non-conductive switchable). This can ensure that the voltage pulse is generated with a large slope. For example, the switch can drive drive transformers, which are connected to the control terminals of the semiconductor switches.
Wie bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn die Schaltung eine Gleichspannungsversorgung aufweist. Die von der Gleichspannungsversorgung bereitgestellte Spannung kann deutlich geringer sein als die Amplitude beziehungsweise die Höhe des zu erzeugenden Spannungspulses.As already mentioned, it is advantageous if the circuit has a DC voltage supply. The voltage provided by the DC voltage supply can be significantly less than the amplitude or the height of the voltage pulse to be generated.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, with reference to the figures of the drawing, which show details essential to the invention, and from the claims. The individual features can be realized individually for themselves or for several in any combination in a variant of the invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the invention are shown schematically in the drawing and are explained below with reference to the figures of the drawing. Show it:
Die Schaltung
Die Halbleiterschalter
Ein im Ausführungsbeispiel als Transistor ausgebildeter Schalter T1 ist mit den Halbleiterschaltern
Dies ist auch aus der
Die Spannung, siehe Gerade
Aus der
Die Halbleiterschalter
Bei der Ausführungsform einer Schaltung
Die Steueranschlüsse der Halbleiterschalter
Der Schalter T1 kann wiederum zum Zeitpunkt t1 eingeschaltet werden, was durch die steigende Flanke
Wird der Schalter T1 ausgeschaltet, was durch die fallende Flanke
Die Rückflussverhinderer
Insbesondere liegt der Spannungspuls
In der
Wird im Ausführungsbeispiel der
Wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist ein Schalter T2 vorgesehen, über den die Halbleiterschalter
Die
In der
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