-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochspannungsimpulsgenerator und ein Verfahren zum Erzeugen von Hochspannungsimpulsen in einem Hochspannungsimpulsgenerator.
-
Stand der Technik
-
Hochspannungs- und Hochleistungsimpulse im Bereich von einigen Kilowatt bis zu mehreren hundert Terrawatt werden auf dem Gebiet der Leistungselektronik sowohl für wissenschaftliche Zwecke, als auch für industrielle Anwendungen genutzt. Die dabei erzeugten Energieimpulse haben üblicherweise eine Impulsdauer im Bereich von wenigen Pikosekunden bis zu einigen Millisekunden. Im industriellen Bereich finden solche Pulsgeneratoren beispielsweise Anwendung zur Sterilisation von Früchten, Milchprodukten und vielen mehr. In einer typischen Anwendung für die Elektroporation werden beispielsweise Pulse mit einer Spannung von 250 kV, Strömen von einigen 10 kA mit einer Pulsdauer von 1–2 µs erzeugt.
-
Solche Pulse können beispielsweise mittels eines Inductive Voltage Adder erzeugt werden, wie er in 1 dargestellt ist. Hierbei handelt es sich um eine koaxiale Leiteranordnung aus einem Außenleiter 11 und einem Innenleiter 12. Um diese koaxiale Leiteranordnung sind mehrere Spannungsquellen 21-i bis 26-i angeordnet. In dem dargestellten Beispiel handelt es sich um einen sechsstufigen Inductive Voltage Adder (IVA). Die sechs Stufen sind dabei axial, also in x-Richtung nebeneinander angeordnet. Jede dieser Stufen kann dabei durch eine oder mehrere parallel geschaltete Spannungsquellen gespeist werden. Im dargestellten Beispiel wird jede Stufe durch zwei Spannungsquellen, zum Beispiel 21-1 und 21-2 gespeist. Diese einzelnen Spannungsquellen sind dabei azimutal, vorzugsweise äquidistant um den koaxialen Innenleiter angeordnet. Zur Erzeugung eines Energieimpulses geben dabei alle Spannungsquellen 21-i bis 26-i zeitlich synchronisiert einen Energieimpuls ab. Diese Energieimpulse wandern daraufhin als elektromagnetische Welle in die Kavität 13 des koaxialen Leiters zwischen Außenleiter 11 und Innenleiter 12. Dabei addieren sich die Spannungen der axial nebeneinander angeordneten Spannungsquellen. Bei n nebeneinander angeordneten Spannungsquellen mit der Ausgangsspannung U0 ergibt sich somit ein Spannungsimpuls der Gesamtspannung n × U0. Im in 1 dargestellten Beispiel erhält man somit einen Spannungspuls der sechsfachen Spannung einer einzelnen Spannungsquelle.
-
2 zeigt schematisch das Schaltbild gemäß dem Grundprinzip eines IVA. Durch eine serielle Anordnung in den Spannungsquellen 21-i bis 26-i lassen sich die Impulsleitungen als Spannungsvervielfachungsschaltungen realisieren. Dabei wird der positive Leiter der einen Leitung mit der negativen Leitung der darauffolgenden Stufe verbunden. Damit bei der alternierenden Verbindung der Leiter kein Kurzschluss entsteht, muss die Verbindung für die Dauer des Impulses isoliert sein. In der Praxis lässt sich dies mit Hilfe von ausreichend langen Übertragungsleitungen oder über die Kopplung mit hinreichend hohen Koppelinduktivitäten erreichen. Entsprechend 1 wird dies bei einem IVA durch die magnetischen Kerne 31–36 erzielt. Hierdurch wird die relative Permeabilität in diesem Abschnitt stark vergrößert, wodurch sich die Impedanz in der Verbindung erhöht und sich auf diese Weise ein Kurzschluss vermeiden lässt.
-
Für eine Überlagerung der Hochspannungsimpulse innerhalb der Kavität 13 müssen die Spannungsquellen 21-1, 21-2 bis 26-1, 26-2 sehr präzise zeitlich synchronisiert ihren Energieimpuls abgeben. Hierzu ist jede Spannungsquelle mit einem Schaltelement ausgestattet, das es erlaubt, die gewünschte Hochspannung genau zum gewünschten Zeitpunkt in die Kavität 13 des IVA einzukoppeln. Bei diesen Schaltelementen kann es sich beispielsweise um Gasentladungsschalter oder aber auch um spannungsfeste Halbleiterschalter handeln. Gasentladungsschalter besitzen eine relativ große Spannungsfestigkeit. Halbleiterschalter dagegen weisen im Vergleich zu Gasentladungsschaltern eine höhere Lebensdauer auf und erfordern einen geringeren Serviceaufwand als Gasentladungsschalter.
-
Die begrenzte Spannungsfestigkeit von Halbleiterschaltern beeinflusst dabei wesentlich den Aufbau eines IVA. Derzeit verfügbare kommerzielle Halbleiterschalter besitzen eine Durchbruchspannung von maximal 6,5 kV. Für die Praxis ergibt sich somit eine maximale Betriebsspannung von etwa 4,5 kV. Diese Betriebsspannung liegt deutlich unterhalb der für den Betrieb eines typischen IVA erforderlichen Hochspannung von beispielsweise 250 kV. Um dennoch einen Hochspannungsimpuls mit der gewünschten Ausgangsspannung zu erhalten, sind grundsätzlich zwei Ansätze möglich. Einerseits kann durch eine entsprechende Erhöhung der Anzahl von sequentiell angeordneten Spannungsstufen des IVA die resultierende Ausgangsspannung gesteigert werden. Ferner kann die Spannungsfestigkeit der Schaltelemente auch durch eine Reihenschaltung der Halbleiterschalter gesteigert werden.
-
Durch die Steigerung der sequentiellen Spannungsstufen erhöhen sich die Anzahl der erforderlichen Komponenten und das Volumen des Gesamtsystems, was zu einer signifikanten Kostensteigerung führt. Bei einer Reihenschaltung von mehreren diskreten Halbleiterschaltern kann die Spannungsfestigkeit für das Schaltelement ebenfalls erhöht werden. In der Praxis ist jedoch bei einer solchen Reihenschaltung mehrerer Halbleiterschalter ein aufwändiges Symmetrisierungsnetzwerk erforderlich, welches die Schaltungskomplexität erhöht und somit die Verluste und die Kosten des Gesamtsystems ebenfalls steigert.
-
Es besteht daher ein Bedarf nach einem vereinfachten und kostengünstigen Aufbau für einen Hochspannungsimpulsgenerator mit Halbleiterschaltelementen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Gemäß eines Aspektes schafft die vorliegende Erfindung einen Hochspannungsimpulsgenerator mit einer koaxialen Leiteranordnung, in die über mindestens eine Hochspannungsstufe ein Hochspannungsimpuls eingekoppelt wird, wobei die Hochspannungsstufe eine Hochspannungsquelle, ein schaltbares Steuerelement und einen Impulstransformator umfasst.
-
Gemäß eines weiteren Aspekts schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen in einem Hochspannungsimpulsgenerator mit einer koaxialen Leiteranordnung, in die über mindestens eine Hochspannungsstufe ein Hochspannungsimpuls eingekoppelt wird, wobei die Hochspannungsstufe einen von eine Hochspannungsquelle bereitgestellte erste Hochspannung in eine zweite Hochspannung transformiert und die transformierte zweite Hochspannung in die koaxiale Leiteranordnung einkoppelt.
-
Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, in einem Hochspannungsimpulsgenerator zunächst eine im Vergleich zur der Spannung einer Spannungsstufe relativ geringe Hochspannung zu erzeugen, diese relativ geringe Hochspannung daraufhin über einen geeigneten Transformator auf ein höheres Spannungsniveau zu transformieren, und die transformierte Hochspannung in den Hochspannungsimpulsgenerator einzuspeisen. Dabei können die Schaltvorgänge im Impulsgenerator auf der Primärseite des Transformators ausgeführt werden. Da auf dieser Primärseite das Spannungsniveau geringer ist als auf der Sekundärseite des Transformators, können die Schaltelemente mit entsprechend geringerer Spannungsfestigkeit verwendet werden.
-
Aufgrund des geringeren Spannungsniveaus auf der Primärseite des Transformators können somit auch sehr gut Halbleiterschalter eingesetzt werden, die im Vergleich zu Gasentladungsschaltern zwar eine geringere Spannungsfestigkeit besitzen, dafür aber weniger Serviceaufwand erfordern und eine höhere Lebensdauer besitzen.
-
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Halbleiterschalter zwar eine relativ geringe Spannungsfestigkeit besitzen, jedoch eine sehr große Stromtragfähigkeit aufweisen, die bei konventionellem Einsatz in der Regel nicht ausgeschöpft wird. Durch geeignete Dimensionierung des Transformators in dem erfindungsgemäßen Hochspannungsimpulsgenerator können somit Strom und Spannung gut auf den Arbeitsbereich des verwendeten Halbleiter-Schaltelementes der Hochspannungsstufe angepasst werden. Das Schaltelement kann daher in einem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der Impulstransformator dazu ausgelegt, eine von der Hochspannungsquelle bereitgestellte erste Hochspannung in eine zweite Hochspannung zu transformieren und die transformierte zweite Hochspannung in die koaxiale Leiteranordnung einzukoppeln. Vorzugsweise ist dabei die erste Hochspannung auf der Primärseite des Impulstransformators geringer als die zweite Hochspannung auf der Sekundärseite des Impulstransformators. Durch eine geeignete Dimensionierung des Impulstransformators ist es dabei möglich Hochspannungsimpulse mit einer gewünschten hohen Hochspannung zu generieren und dabei auf der Primärseite des Impulstransformators einer geringeren Spannungsfestigkeit der verwendeten Steuerelemente Rechnung zu tragen.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist das steuerbare Schaltelement ein Halbleiterschalter. Halbleiterschalter sind besonders langlebige und servicearme Schaltelemente mit hoher Stromtragfähigkeit. Daher sind solche Halbleiterschalter für eine Steuerung eines erfindungsgemäßen Hochspannungsimpulsgenerators besonders geeignet.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das steuerbare Schaltelement eine Mehrzahl von parallel geschalteten Halbleiterschaltelementen. Durch die Parallelschaltung mehrerer Halbleiterschalter kann die Stromtragfähigkeit des Schaltelements noch weiter gesteigert werden. Somit können besonders energiereiche Hochspannungsimpulse erzeugt werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die erste Hochspannung auf der Primärseite des Impulstransformators maximal 6,5 kV, vorzugsweise maximal 4,5 kV. Durch die Beschränkung der primärseitigen Hochspannung auf diese Werte kann die Spannungsfestigkeit von Halbleiterschaltern eingehalten werden.
-
Eine Ausführungsform umfasst eine Mehrzahl von Hochspannungsstufen, die an einer axialen Position azimutal voneinander beabstandet jeweils einen Hochspannungsimpuls in die koaxiale Leiteranordnung einkoppeln. Hierdurch kann die eingekoppelte Energie erhöht werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Mehrzahl von Hochspannungsstufen, die axial beabstandet Hochspannungsimpulse in die koaxiale Leiteranordnung eingekoppelt. Hierdurch addieren sich die eingekoppelten Spannungen woraus eine erhöhte Ausgangsspannung resultiert.
-
Gemäß einer Ausführungsform werden die steuerbaren Schaltelemente der verschiedenen Hochspannungsquellen zeitsynchron durch eine Steuerschaltung geschaltet. Durch eine solche Steuerschaltung ist es möglich, alle Schaltelemente der einzelnen Hochspannungsstufen zu synchronisieren und somit die Energieabgabe der einzelnen Stufe so zu steuern, dass sich die Hochspannungsimpulse korrekt addieren.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird die koaxiale Leiteranordnung eingekoppelte Hochspannung über eine Hochspannungsführung an eine Last abgeleitet. Auf diese Weise ist es möglich, den erzeugten Hochspannungsimpuls gezielt abzugeben.
-
In einer Ausführungsform ist die Last eine Elektroporationsvorrichtung.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist die Last eine Anordnung zur Erzeugung von kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, Elektronen- oder Ionenstrahlen.
-
In noch einer weiteren Ausführungsform ist die Last eine Anordnung zur elektrodynamischen oder elektrohydraulischen Zerkleinerung von mineralischen und/oder biologischen Stoffen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1: eine schematische Darstellung eines Inductive Voltage Adder;
-
2: eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Inductive Voltage Adders;
-
3: eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Hochspannungsimpulsgenerators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
4: eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Hochspannungsimpulsgenerators gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
5: eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Hochspannungsimpulsgenerators gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
6: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Hochspannungsimpulsgenerators, wie beispielsweise eines Inductive Voltage Adders, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Hochspannungsimpulsgenerator umfasst dabei drei Hochspannungsstufen 1, 2, 3. Jede dieser Hochspannungsstufen i umfasst eine Hochspannungsquelle 1-i, ein schaltbares Steuerelement 2-i und einen Impulstransformator 3-i. Die Hochspannungsquellen 1-i erzeugen dabei eine Hochspannung mit einem ersten Spannungswert U0. Vorzugsweise ist der erste Spannungswert aller Hochspannungsquellen 1-i dabei gleich. Die Hochspannungsquellen 1-i sind über die steuerbaren Schaltelemente 2-i mit der Primärseite der Impulstransformatoren 3-i verbunden. Als Schaltelemente 2-i sind dabei zunächst grundsätzlich alle Schaltelemente möglich, die eine ausreichende Spannungsfestigkeit, sowie eine erforderliche Stromtragfähigkeit bezüglich der von der Hochspannungsquelle 1-i bereitgestellten Energie aufweisen. Dabei kann es sich neben bekannten Gasentladungsfunkenstrecken insbesondere auch um Halbleiterschaltelemente handeln. Beispielsweise kann es sich bei einem solchen Halbleiterschaltelement um einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) handeln.
-
Zur gezielten und zeitsynchronen Ansteuerung aller Schaltelemente 2-i sind die Schaltelemente 2-i mit einer Steuerschaltung 5 verbunden. Diese Steuerschaltung 5 steuert alle Schaltelemente 2-i derart an, dass sich die von den einzelnen Hochspannungsquellen 1-i abgegebenen Energien in dem Hochspannungsimpulsgenerator überlagern.
-
Zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses wird durch die Hochspannungsquelle 1-i die erforderliche Hochspannung U0 erzeugt. Hierzu wird die Hochspannungsspannung 1-i auf die gewünschte Hochspannung U0 aufgeladen. Anschließend können die Schaltelemente 2-i durch die Steuerschaltung 5 gezielt zeitsynchron geschlossen werden. Daraufhin liegt an der Primärseite der Impulstransformatoren 3-i die Hochspannung U0 der Spannungsquellen 1-i an. Es beginnt ein Strom I0 durch die die Schaltelemente 2-i und die Impulstransformatoren 3-i zu fließen.
-
Jeder der Impulstransformatoren 3-i besitzt dabei vorzugsweise ein identisches Übertragungsverhältnis von 1:n. Das heißt, wenn an der Primärseite die Eingangsspannung U0 anliegt, so liegt an dem Impulstransformator 3-i eine sekundärseitige Leerlaufspannung von U1 = n·U0 an. Die sekundärseitige Ausgangsspannung U1 der Impulstransformatoren 3-i wird daraufhin in eine koaxiale Leiteranordnung 4 des Hochspannungsimpulsgenerators eingespeist. Hierzu kann beispielsweise die von den Impulstransformatoren 3-i bereitgestellte Energie über einen Bandleiter in die koaxiale Leiteranordnung 4 eingekoppelt werden.
-
Die koaxiale Leiteranordnung des Hochspannungsimpulsgenerators weist dabei einen Außenleite 4-a und einen Innenleiter 4-b auf. Werden dabei in axiale Richtung mehrere Einspeisungen vorgenommen, wie dies in 3 beispielsweise durch die Hochspannungsstufen 1, 2 und 3 dargestellt ist, so wird mit jeder Einspeisung der Abstand zwischen Innenleiter 4-b und Außenleiter 4-a angepasst, um somit die Impedanz der koaxialen Leiteranordnung 4 anzupassen. Durch diese Impedanzanpassung wird erreicht, dass sich bei der eingespeisten Energie jeweils die Spannungen addieren und dabei die Stromstärke konstant bleibt. Wie in 3 zu sehen ist, ist es hierzu erforderlich, da sich mit jeder sich in axiale Richtung (x-Richtung) anschließenden Einspeisestufe der Abstand zwischen Innenleiter und Außenleiter vergrößert.
-
Am ausgangsseitigen Ende der koaxialen Leiteranordnung 4 schließt sich, wie in 3 rechts dargestellt, eine Hochspannungsführung 6 an. Über diese Hochspannungsführung 6 kann die in die koaxiale Leiteranordnung 4 eingekoppelte Hochspannungsenergie abgeführt werden. Am Ausgang dieser Hochspannungsführung kann eine Last angeschlossen werden. Beispielsweise kann es sich bei dieser Last um eine Elektroporationsvorrichtung handeln.
-
Elektroporationsvorrichtungen werden häufig in der Lebensmittel- oder Bioverfahrenstechnik eingesetzt. Sie dienen beispielsweise zur Inaktivierung von Mikroorganismen. Für solche Elektroporationsvorrichtungen sind energiereiche Hochspannungsimpulse erforderlich.
-
Es sind aber auch andere Anwendungen möglich. Beispielsweise ist auch eine Fragmentierung von mineralischen oder biologischen Feststoffen denkbar. Auch Anwendungen bei der eine Energieeinkopplung in Strahlungsquellen wie Elektronen- und Ionenstrahlenerzeugern, oder plasmabasierten Quellen kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung (UV-, extrem-UV-, Röntgenstrahlung) erfolgt, ist möglich. Ebenso denkbar ist die Anwendung bei hochenergetischen elektromagnetischen Strahlungsquellen wie Radar, bei entladungsgespeisten Lasern, oder bei intensiven Mikrowellenstrahlungsquellen.
-
Zum Betrieb einer Elektroporationsvorrichtung oder einer anderen oben beschriebenen Last kann durch den zuvor beschriebenen Hochspannungsimpulsgenerator beispielsweise ein Hochspannungsimpuls mit einer Spannung von typisch 250 kV und einer Stromstärke von einigen 10 kA mit einer Pulsdauer von 1–2 µs erzeugt werden. Je nach Anwendungsfall können diese Werte jedoch stark variieren. So sind Spannungsimpulse auch von 0,05µs–50µs möglich. Die Stromstärke kann von einigen wenigen kA bis zu mehreren 10 kA variieren. Die Spannungshöhe der Hochspannungsimpulse kann dabei durch Wahl der verwendeten Hochspannungsimpulsstufen in einem breiten Bereich variiert werden. Üblicherweise liefert dabei jede einzelne Spannungsstufe einen Beitrag von einigen wenigen kV bis hin zu einigen 10 kV und mehr.
-
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochspannungsimpulsgenerators. Zur Steigerung der Energie pro Spannungsstufe des Hochspannungsimpulsgenerators erfolgt hierzu an einer axialen Position x mehrere Einkopplungen von Hochspannungsquellen über entsprechende Impulstransformatoren. Hierzu erfolgt die Einkopplung in jeder Spannungsstufe vorzugsweise äquidistant azimutal verteilt am Außenleiter 4-a.
-
Vorzugsweise erfolgen hierbei alle Einkopplungen über separate Impulstransformatoren. Jeder der Impulstransformatoren wird dabei bevorzugt von einer separaten Hochspannungsquelle gespeist.
-
Durch die erfindungsgemäße Transformation der primärseitigen Hochspannung U0 auf das höhere sekundärseitige Spannungsniveau U1 kann ein Hochspannungsimpuls mit einer relativ hohen Spannung in die koaxiale Leiteranordnung 4 eingekoppelt werden, wobei das Schaltelement 2-i auf der Primärseite des Impulstransformators 3-i nur eine geringere Spannungsfestigkeit aufweisen muss. Somit ist es möglich, in den Hochspannungsimpulsgenerator Spannungsimpulse mit einer sehr hohen Spannung einzukoppeln und dabei gleichzeitig die Schalt- und Steuervorgänge in dem Hochspannungsimpulsgenerator durch Schaltelemente 2-i mit einer deutlich niedrigeren Spannungsfestigkeit auszuführen.
-
Da bei einer Transformation durch die Impulstransformatoren 3-i das Verhältnis der Stromstärken umgekehrt proportional zum Verhältnis der transformierten Spannungen ist, muss auf der Primärseite der Impulstransformatoren 3-i eine entsprechend höhere Stromstärke bereitgestellt werden. Bei dem zuvor beschriebenen Übertragungsverhältnis von 1:n muss daher für eine sekundärseitige Stromstärke von I1 auf der Primärseite die n-fache Stromstärke I0 = I1·n durch die Spannungsquelle 1-i bereitgestellt werden. Darüber hinaus müssen auch die Schaltelemente 2-i eine entsprechend große Stromtragfähigkeit von I0 = I1·n aufweisen.
-
5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochspannungsimpulsgenerators. Zur Vergrößerung der Stromtragfähigkeit der Schaltelemente 2-i sind dabei jeweils mehrere Schaltelemente parallel angeordnet. Somit verteilt sich auf der Primärseite der zu fließende Strom auf alle Schaltelemente einer Spannungsstufe.
-
In diesem Fall muss jedes der verwendeten Schaltelemente nur die einfache Spannungsfestigkeit entsprechend der Hochspannungsquellen 1-i aufweisen. Eine solche Parallelschaltung von mehreren Halbleiterschaltern lässt sich deutlich einfacher realisieren, als eine Reihenschaltung von Halbleiterschaltern zur Erhöhung der Spanungsfestigkeit.
-
6 zeigt ein Verfahren 100 zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen in einem Hochspannungsimpulsgenerator. Hierzu wird in Schritt 110 ein Hochspannungsimpulsgenerator mit einer koaxialen Leiteranordnung bereitgestellt, in die über mindestens eine Hochspannungsstufe ein Hochspannungsimpuls eingekoppelt wird. Schritt 120 stellt eine Hochspannungsquelle eine erste Hochspannung bereit, die in Schritt 130 von einem Impulstransformator in eine zweite Hochspannung transformiert wird. In Schritt 140 wird die transformierte zweite Hochspannung in die koaxiale Leiteranordnung eingekoppelt.
-
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Hochspannungsimpulsgenerator, bei dem die bereitgestellten Hochspannungsimpulse über ein Transformationsnetzwerk auf ein höheres Spannungsniveau transformiert werden, bevor die Hochspannungsimpulse in eine koaxiale Leiteranordnung eingekoppelt werden, in der sich die einzelnen Hochspannungsimpulse überlagern. Durch dieses Transformationsnetzwerk ist es möglich, die Schaltvorgänge im Hochspannungsimpulstransformator auf einem niedrigeren Spannungsniveau auszuführen und somit Schaltelemente mit geringerer Spannungsfestigkeit einzusetzen.
