DE102013205656A1

DE102013205656A1 - Induktive Spannungsadditionseinrichtung

Info

Publication number: DE102013205656A1
Application number: DE201310205656
Authority: DE
Inventors: Werner Hartmann; Martin Hergt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-10-02
Also published as: EP2957033A1; WO2014154414A1

Abstract

Induktive Spannungsadditionseinrichtung (1), aufweisend eine koaxiale Leiterstruktur mit einem Innenleiter (2) und einem in mehrere, jeweils einer Verstärkungsstufe entsprechende Außenleiterabschnitte (4) unterteilten Außenleiter (3), wobei die Außenleiterabschnitte (4) durch die zu addierenden Spannungspulse liefernde Spannungsquellen (8) gekoppelt sind und die Außenleiterabschnitte (4) gemeinsam mit einer Impedanzstruktur (9) eine einen Kurzschluss zwischen zwei Spannungsquellen (8) bei gegebenen, zu verstärkenden Spannungspulsen vermeidende Impedanz bilden, wobei der Außenleiterabschnitt (4) an wenigstens einer Stelle (11) komplett nichtleitend zur Bildung von zwei Anteilen durchbrochen ist und die Anteile des Außenleiterabschnitts (4) durch die für ein die durch die Länge und Form der Spannungspulse definierte Frequenz enthaltendes Frequenzband eine Sperrwirkung entfaltende Impedanzstruktur (9) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine induktive Spannungsadditionseinrichtung, aufweisend eine koaxiale Leiterstruktur mit einem Innenleiter und einem in mehrere, jeweils einer Verstärkungsstufe entsprechende Außenleiterabschnitte unterteilten Außenleiter, wobei die Außenleiterabschnitte durch die zu addierenden Spannungspulse liefernde Spannungsquellen gekoppelt sind. Die Außenleiterabschnitte bilden gemeinsam mit einer Impedanzstruktur zwischen je zwei benachbarten Spannungsquellen eine einen Kurzschluss für die zu verstärkenden Spannungspulse vermeidende Impedanz.
Pulsgeneratoren zur Erzeugung von Spannungs-/Strompulsen sind im Stand der Technik bereits bekannt. In der Elektrotechnik werden auf dem Gebiet der Leistungsimpulstechnik (englisch „pulsed power“) Hochspannungs- und Hochleistungspulse von einigen Kilowatt bis hin zu mehreren hundert Terawatt für wissenschaftliche und industrielle Zwecke benötigt, deren Impulsdauern in Nanosekunden- bis Mikrosekundenbereich liegen.
Als Beispiel für die Anwendungsgebiete solcher Pulsgeneratoren sei die Elektroporation genannt, eine industrielle Anwendung. Dort wird ein Pulsgenerator benötigt, der Spannungen von typischerweise 250 kV und Ströme von einigen 10 kA in Pulsen mit einer Pulsdauer von 1 µs bis 2 µs erzeugt. Ein derartiger Pulsgenerator kann als eine induktive Spannungsadditionseinrichtung („inductive voltage adder“, IVA) realisiert werden. Induktive Spannungsadditionseinrichtungen bieten einen kompakten Aufbau, da sie sich während der Pulsgenerierung als eine Serienschaltung von n diskreten Spannungsquellen zusammensetzen.
Induktive Spannungsadditionseinrichtungen sind im Stand der Technik bereits seit längerem bekannt, wobei beispielsweise auf das Buch von Hansjoachim Bluhm, „Pulsed Power Systems“, Springer-Verlag, 2006, verwiesen sei, wo das Prinzip der Spannungsaddition und insbesondere der Spannungsaddition durch induktive Isolation im Kapitel 7.2 ausführlich erläutert ist, welche Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen ist. Kurz zusammengefasst bietet eine induktive Spannungsadditionseinrichtung im stationären Zustand während der Aufladung parallel verdrahtete Speicherkondensatoren als Spannungsquellen, die während der Impulsphase über eine Induktivität entkoppelt werden und bedingt durch die Topologie der induktiven Spannungsadditionseinrichtung zu einer Reihenschaltung zusammengesetzt werden, wobei die Welleneigenschaften, bedingt durch die Reflektionsfaktoren, während des Einschaltvorgangs und im stationären Zustand zur Erhöhung der Spannungsamplitude genutzt werden.
Im Einzelnen bedeutet dies, dass sich ähnlich wie bei einer seriellen Anordnung von Spannungsquellen Impulsleitungen als Spannungsvervielfacherschaltungen realisieren lassen, indem der positive Leiter der einen Leitung mit dem negativen der anderen verbunden wird. Damit bei der alternierenden Verbindung der Leiter kein Kurzschluss entsteht, muss die Verbindung für die Dauer des Impulses isoliert sein. Während Kabeltransformatoren zu diesem Zweck ausreichend lange Übertragungsleitungen mithilfe einer Laufzeitentkopplung nutzen, ist bei einer induktiven Spannungsadditionseinrichtung eine Kopplung mit hinreichend hohen Koppelinduktivitäten vorgesehen. Das bedeutet, durch die Koppelinduktivitäten wird bei den Frequenzen der Spannungspulse eine hohe Impedanz erzeugt, die den Kurzschluss vermeidet, so dass die Koppelinduktivitäten auch als Impedanzstrukturen aufgefasst werden können. Durch die Verwendung der Koppelinduktivitäten folgt ein kompakter Aufbau, denn die induktive Isolation ersetzt die Laufzeit bei der Verwendung von Kabeltransformatoren.
Eine induktive Spannungsadditionseinrichtung weist üblicherweise zunächst eine koaxiale Leiterstruktur mit einem Innenleiter und einem Außenleiter auf. Der Außenleiter ist in mehrere, jeweils einer Additionsstufe beziehungsweise Einkopplungsstufe (Verstärkungsstufe) entsprechende Außenleiterabschnitte unterteilt, welche üblicherweise so geformt sind, dass sie einen durch die Außenleiterabschnitte wenigstens teilweise umschlossenen Innenraum, also eine Kavität, bilden. Dabei umgeben die Außenleiterabschnitte also ringartig den zylindrischen, insbesondere bezüglich sich verkleinernder Radien, für aufeinanderfolgende Außenleiterabschnitte gestuft ausgeführten Innenleiter, auf dem sich die Spannungen zu dem Ausgangspuls addieren. Durch die gestufte Ausführung entsteht eine stufenweise Impedanzanpassung, so dass der Strom in der Struktur in allen Stufen konstant bleibt.
Innenleiter und Außenleiter der koaxialen Leiterstruktur können dabei durch Vakuum isoliert sein, denkbar sind jedoch auch Isoliergase, deionisiertes Wasser und dergleichen. Gekoppelt sind die Außenleiterabschnitte aneinander über die Spannungsquellen, die die zu addierenden Spannungspulse liefern und meist außerhalb der Außenleiterabschnitte angeordnet sind, so dass die Außenleiterabschnitte beispielsweise radial gespeist werden. Betrachtet man die beispielhaft genannten Anwendungen im Bereich der Elektroporation, kann beispielsweise jede der Spannungsquellen (und mithin Verstärkungsstufen) einen Spannungspuls von typischerweise 0,5–5 µs Dauer mit einer Spannungsamplitude von einigen (typisch 3–10) kV und einer maximalen Stromamplitude von einigen kA bis hin zu > 10 kA liefern. Um allgemein die Addition der Spannungspulse und mithin der Spannungsamplitude zu erreichen, wird die Vektoraddition der elektromagnetischen Felder im Übergangsbereich zur koaxialen Transmissionsleitung ausgenutzt. Somit generiert die Spannungsadditionseinrichtung einen Ausgangspuls, der sich aus der Summe der n (Anzahl der Stufen) einzelnen Spannungsquellen überlagert.
Um die Addition der Spannungsamplituden zu erreichen, wird, wie bereits beschrieben wurde, der positive Leiter einer Spannungsquelle mit dem negativen der folgenden verbunden. Die Außenleiterabschnitte stellen mithin eine leitende Verbindung zwischen den jeweiligen Anschlüssen der Spannungsquellen dar, so dass ein Kurzschluss durch eine Impedanz verhindert werden soll.
Dazu ist es im Stand der Technik bekannt, die relative Permeabilität für die durch den Außenleiterabschnitt gebildete Struktur stark zu erhöhen. Dazu wird ein Teilvolumen des Innenraums mit einem ferromagnetischen Material, beispielsweise unter Verwendung von Ringbandkernen, aufgefüllt, wozu meist Eisenkerne eingesetzt werden. Auf diese Weise wird auf der Außenseite des Außenleiters eine Hochfrequenzdrossel geschaffen, deren Eigenschaften von dem ferromagnetischen Material und der Dauer der Spannungspulse abhängig sind. Die Dauer, für die die Hochfrequenzdrossel als wirksam angesehen werden kann (Volt·Sekunde-Produkt, Vs-Produkt), ist durch den Querschnitt des Ringkerns sowie die Summe von remanenter und Sättigungsinduktivität gegeben. Ein geeignetes ferromagnetisches Material muss eine hohe Sättigungsinduktivität sowie eine steile Hysteresekurve besitzen. Da in den bekannten, beschriebenen Ausführungsformen einer induktiven Spannungsadditionseinrichtung die Außenleiterabschnittsgeometrie nur eine einzige Windung aufspannt, muss die Querschnittsfläche ausreichend groß sein, um mit Hilfe dieser einen Windung eine ausreichend große Induktivität zu erzeugen, die die gewünschte hohe Impedanz im durch die Spannungspulse definierten Frequenzbereich aufweist. Eine weitere Bedingung, die gefordert ist, ist, dass das ferromagnetische Material, welches hier als Impedanzstruktur wirkt, nicht in die Sättigung gelangt, da ansonsten die Induktivität schlagartig auf niedrige Werte absinkt.
Konsequenz dieser Erwägungen ist, dass sehr große Volumina mit ferromagnetischem Material zu füllen sind, was erhebliche Materialkosten, aber auch Bauvolumen und konstruktiven Aufwand zur Beherrschung der großen Masse der Gesamteinrichtung mit sich bringt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine induktive Spannungsadditionseinrichtung anzugeben, die ein geringeres Bauvolumen und geringere Fertigungskosten erlaubt und insbesondere auch längere Pulsdauern ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer induktiven Spannungsadditionseinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Außenleiterabschnitt an wenigstens einer Stelle komplett nichtleitend zur Bildung von zwei Anteilen durchbrochen ist und die Anteile des Außenleiterabschnitts durch die für ein die durch die Länge und Form der Spannungspulse definierte Frequenz enthaltendes Frequenzband eine Sperrwirkung entfaltende Impedanzstruktur verbunden sind.
Die Erfindung schlägt mithin eine Modifikation der Impedanzstruktur, also der induktiven Isolation der einzelnen Verstärkungsstufen, in der Spannungsadditionseinrichtung vor. Konkret wird dabei vorgeschlagen, jeden Außenleiterabschnitt an einer Stelle komplett nichtleitend zu durchbrechen, mithin einen Durchbruch zu schaffen, der einen Stromfluss über die Impedanzstruktur erzwingt, wobei diese, wie im Folgenden noch dargelegt wird, nicht zwangsläufig an der Stelle des Durchbruchs angeschlossen werden muss. Die Erkenntnis, die dem zugrunde liegt, ist, dass Pulsverstärker, wie auch die induktive Spannungsadditionseinrichtung, häufig für bestimmte Zwecke erschaffen werden, mithin mit bestimmten Spannungspulsen betrieben werden, die wiederum bestimmte Frequenzbänder definieren, in denen die Impedanz hinreichend hoch sein muss, um die induktive Isolation zu erzeugen. Entsprechend wird eine vom Strom tatsächlich durchflossene Impedanzstruktur vorgeschlagen, die (nur) für dieses Frequenzband sperrt.
Insbesondere bedeutet dies, dass die Impedanzstruktur bei der durch die Länge und Form der Spannungspulse definierten Frequenz einen gegenüber anderen Frequenzen erhöhten Impedanzwert aufweist, welcher insbesondere um höchstens 20 % von dem Impedanzmaximum der Impedanzstruktur abweicht.
Eine Anforderung kann auch relativ zu der Anordnung ohne Impedanzstruktur formuliert werden, wonach dann die Impedanzstruktur bei der durch die Länge und Form der Spannungspulse definierten Frequenz einen Impedanzwert aufweist, der den Impedanzwert der Außenleiter ohne Impedanzstruktur wenigstens um den Faktor 10 übersteigt. Das bedeutet, der Impedanzwert bei der relevanten Frequenz liegt um mindestens eine Größenordnung über dem der unbeeinflussten Anordnung.
Nachdem man sich auf die durch die Länge und Form der Spannungspulse definierte Frequenz beziehungsweise das Frequenzband einschränkt, was die Sperrwirkung betrifft, muss keine aufwendige Hochfrequenzdrossel mehr realisiert werden, sondern es ist möglich, andere Bauteile beziehungsweise Strukturen zu verwenden, die über den Durchbruch angekoppelt werden und es mithin ermöglichen, eine induktive Spannungsadditionseinrichtung sowohl kleiner als auch masseärmer, insbesondere jedoch auch kostengünstiger, zu realisieren. Anstelle des im Stands der Technik bekannten ferromagnetischen Materials werden andere Impedanzstrukturen räumlich so angeordnet, dass der Strom auf dem Außenbereich des jeweiligen Leiterabschnitts verringert wird und der Gesamtstrom daher gezwungen wird, in der inneren Wellenleiterstruktur zu fließen. Dennoch lässt sich eine sehr hohe Sperrwirkung für schmalbandige Spannungspulse erreichen. Auch eine Vergrößerung der verwendeten Induktivitäten und somit eine Verringerung der Verluste ist möglich, insbesondere bei langen Impulsdauern, so dass sich auch derartige lange Impulsdauern, beispielsweise größer als der Mikrosekundenbereich, ermöglichen lassen. Eine Sättigungswirkung ist nicht zu befürchten. Insgesamt ist eine kostengünstigere, kompaktere Bauform gegeben, die eine Massenreduktion erlaubt.
Dabei sei angemerkt, dass die hier beschriebene induktive Isolation über die Impedanzstruktur trotz der hohen Impedanzen für die Spannungspulse für den Gleichtaktanteil weiterhin äußerst niedrige Impedanzen bietet, was für den Niederfrequenzaufladebereich von beispielsweise als Spannungsquellen verwendeten Kondensatoren (Gleichtaktanteil) benötigt wird.
Dabei ergibt sich auch bei der induktiven Spannungsadditionseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die grundsätzlich bekannte Struktur, in der die Außenleiterabschnitte ringartig den zylindrischen, insbesondere bezüglich sich verkleinernder Radien für aufeinanderfolgende Außenleiterabschnitte gestuft ausgeführten Innenleiter ergeben. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sich die gestufte Ausbildung des Innenleiters hauptsächlich aus Gründen der Impedanzanpassung ergibt, nachdem die Reflektion der Spannungspulse an den Einspeispunkten der Spannungsquellen vermieden werden muss, so dass die Impedanz der koaxialen Leiterstruktur schrittweise in Richtung Last steigen muss. Insbesondere kann dann jeder Außenleiterabschnitt mit dem entsprechenden Anteil des Innenleiters als ein Generator der Impedanz nZ₀ aufgefasst werden, wobei n die Stufe ist, so dass die durch die Gesamtanordnung propagierenden Wellen immer eine angepasste Last sehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Außenleiterabschnitt wenigstens einen radial nach außen zu der Spannungsquelle hin verlaufenden Radialanteil aufweist, welcher insbesondere eine radiale Einspeisung von der Spannungsquelle ermöglicht. Beispielsweise kann eine Art Topfstruktur realisiert werden, welche im Übrigen auch einen von dem Außenleiterabschnitt umschlossenen Innenraum definiert, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden soll. Radialanteile aneinander grenzender Außenleiterabschnitte verlaufen dabei weitgehend parallel, so dass sich eine „transmission line“ ergibt. Derartig parallel verlaufende, benachbarte Radialanteile können durch ein Beabstandungselement getrennt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Durchbruch an einem Übergang von einem parallel zu dem Innenleiter verlaufenden Koaxialabschnitt zu einem radial verlaufenden Radialanteil des Außenleiterabschnitts vorgesehen ist. Es hat sich gezeigt, dass sich auf diese Weise eine dennoch mechanisch äußerst stabile Gesamtanordnung schaffen lässt, insbesondere dann, wenn ohnehin Beabstandungselemente zur Beabstandung radial verlaufender Radialanteile des Außenleiterabschnitts vorgesehen sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Lokalisierung des Durchbruchs beziehungsweise Spalts nicht unbedingt Einfluss auf die Lokalisierung von Ankopplungen für die Impedanzstruktur haben muss. Ströme fließen an den äußeren Oberflächen des Außenleiterabschnitts, welche häufig aufgrund der mechanischen Stabilität eine Dicke von einigen Millimetern, beispielsweise 5 mm, aufweisen, wobei die Eindringtiefe äußerst gering ist, so dass es durchaus möglich ist, dass ein Strom auf der dem Innenleiter zugewandten Oberfläche des sich parallel zum Innenleiter erstreckenden Anteil des Außenleiterabschnitts bis zu dem Durchbruch hin fließt, auf der anderen Oberfläche jedoch zurück, bis er zur Impedanzstruktur gelangen kann. Doch auch bei Radialanteilen oder sonstigen Anteilen des Außenleiterabschnitts kann ein Stromfluss in mehrere Richtungen realisiert werden. Dies ermöglicht es, die Impedanzstruktur an im Hinblick auf die Gesamtanordnung sinnvollen Positionen elektrisch an den Außenleiterabschnitt anzukoppeln.
Entsprechend kann, allgemein gesagt, vorgesehen sein, dass die Außenleiterabschnitte zur Definition eines durch sie wenigstens teilweise umschlossenen Innenraums geformt sind, wobei die Impedanzstruktur in dem Innenraum, insbesondere zwei Radialanteile verbindend, angeordnet ist. Besonders bei im Querschnitt topfartig ausgebildeten Außenleiterabschnitten, wobei der Durchbruch, wie beschrieben wurde, in einer „Ecke“ vorgesehen sein kann, kann es zweckmäßig sein, die Impedanzstruktur zwischen den Radialanteilen anzuordnen, so dass sie gegebenenfalls auch zur Gesamtstabilität der induktiven Spannungsadditionseinrichtung beitragen kann, in jedem Fall jedoch eine Bauraum nutzende, einfach realisierbare Ausführung bietet.
Zur konkreten Realisierung der Impedanzstruktur gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, von denen einige vorteilhafte Ausführungsbeispiele nun genauer dargestellt werden sollen.
In einem erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die Impedanzstruktur als ein getrennte Bauteile umfassender Sperrkreis mit einer Induktivität, insbesondere einer Spule, und einer parallel dazu geschalteten Kapazität, insbesondere einem Kondensator, ausgebildet ist. In diesem Fall ist die induktive Isolation der einzelnen Verstärkerstufen in der induktiven Spannungsadditionseinrichtung also durch einen diskreten Sperrkreis, hier einen LC-Parallelschwingkreis, realisiert. Ein derartiger Parallelschwingkreis besitzt bei seiner Resonanzfrequenz eine hohe Impedanz, die real durch die Güte der Spule bestimmt wird. Besonders vorteilhaft bei dieser Anordnung ist es, dass mit geringem schaltungstechnischen Aufwand mit nur einer einzigen zusätzlichen, kommerziell verfügbaren Komponente, insbesondere einem die Kapazität bildenden Kondensator, bereits sehr hohe Impedanzen im entsprechenden Frequenzband realisiert werden können, für welche sonst vergleichsweise große Spulen notwendig wären.
Wird in einem Beispiel bei niedrigeren Frequenzen, beispielsweise 100 kHz, entsprechend Impulsbreiten von typisch 5 µs, gearbeitet, benötigt man im Stand der Technik bei der Verwendung eines ferromagnetischen Materials im Innenraum, also bei einer Windungszahl von 1 mit einem ferromagnetischen Kern, einen Spulenquerschnitt von 100 cm², um eine Impedanz > 150 Ohm zu erreichen. Bei einer Luftspule mit einem Spulenquerschnitt von 10 cm² entspräche dies einer Windungszahl von 100. Allerdings reichen Luftspulen mit nur 10 cm² Querschnitt und lediglich 30 Windungen aus, wenn ein Kondensator von 300 nF parallel geschaltet wird. Kerne aus ferromagnetischem Material würden jedoch das 10-fache Volumen und damit etwa 10-fache Masse und Kosten beanspruchen. Denkbar ist es im Übrigen auch, die Impedanz einer einfachen Luftspule durch Ergänzung mit einem parallel geschalteten Kondensator zu erheblich höheren Impedanzen zu führen, so dass beispielsweise bei einer Luftspule mit einem Spulenquerschnitt von 10 cm² und einer Windungszahl von 100 das Hinzufügen eines Kondensators mit 33 nF zu einer Impedanz im Bereich von 600 Ohm führt, so dass eine deutliche Verringerung der Verluste möglich ist.
Als Bauteil kann eine Luftspule oder eine Spule mit einem Eisenkern vorgesehen werden. Die Verwendung von ein- oder mehrwindigen Eisenkernspulen mit einem Parallelkondensator führt dazu, dass die Induktivität deutlich erhöht wird, so dass auch mit kleineren Eisenkernen lange Pulsdauern für die Spannungspulse möglich sind.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann wenigstens ein Teil der Kapazität in der Spule realisiert sein. Hierzu gibt es mehrere Möglichkeiten, wobei zum einen vorgesehen sein kann, dass die Spulenleiter aus einem Kupferband bestehen, so dass eine Koppelkapazität zwischen den Spulenwindungen entsteht, mithin die Kapazität entweder durch die Spule realisiert werden kann oder zumindest teilweise, so dass ein verwendeter Kondensator kleiner dimensioniert werden kann. Eine andere Möglichkeit, eine Spule mit einer intrinsischen Kapazität zu versehen, ist die Verwendung von Keramikelementen, beispielsweise Keramikringen, in der Spule.
Wie bereits dargelegt wurde, bezieht sich die erfindungsgemäß konstruktiv einfache, Bauvolumen und -masse reduzierende Ausgestaltung der Impedanzstruktur auf ein bestimmtes Frequenzband. Zweckmäßig ist es, wenn abhängig von den zu erzeugenden Ausgangspulsen eine Anpassung möglich wäre, so dass vorteilhaft vorgesehen sein kann, dass die Kapazität wenigstens teilweise über eine Einstellvorrichtung in Abhängigkeit von der Pulslänge und/oder Pulsform der Spannungspulse veränderbar ist, was beispielsweise dadurch realisiert werden kann, dass als Bauteil für die Kapazität ein Varaktor verwendet wird. Dies ermöglicht es also, indem Kenngrößen des Sperrkreises angepasst werden, die induktive Spannungsadditionseinrichtung für unterschiedliche Konfigurationen und Ausgangspulse einzusetzen.
Ein alternatives, zweites Ausführungsbeispiel einer induktiven Spannungsadditionseinrichtung sieht vor, dass die Impedanzstruktur eine insbesondere durch einen Kondensator verkürzte Lambda/4-Leitung ist. Derartige Sperrstrukturen sind im Stand der Technik ebenso bereits bekannt und können eingesetzt werden, um bei recht engen Frequenzbändern hohe Impedanzen zu erzeugen. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Länge der Lambda/4-Leitung über eine Einstellvorrichtung in Abhängigkeit von der Pulslänge und/oder Pulsform der Spannungspulse veränderbar ist und/oder der Kondensator als ein Varaktor ausgebildet ist. Beispielsweise kann ein Abgriffspunkt vorgesehen werden, der verschiebbar ist oder dergleichen. Analog der Ausgestaltung beim Sperrkreis kann auch über einen Varaktor eine Anpassung der effektiven Länge und somit Wirkung der Lambda/4-Leitung erfolgen. Somit ist auch in diesem Fall eine Anpassung der Sperrwirkung für verschiedene gewünschte Ausgangspulse denkbar.
Schließlich ist es in einem dritten Ausführungsbeispiel einer induktiven Spannungsadditionseinrichtung denkbar, dass die Impedanzstruktur ein Sperrtopf ist, insbesondere bei einer durch die Länge und Form der Spannungspulse definierten Frequenz von mehr als 100 MHz. Auch Sperrtöpfe sind im Stand der Technik bereits bekannt, so dass beispielsweise eine Realisierung als ein Zylinderleiter denkbar ist, der mit Material passender Permeabilität oder Dielektrizitätskonstante gefüllt ist, wofür sich beispielsweise Eisen anbietet. Diese Ausgestaltung bietet sich besonders für höhere Frequenzen an, wobei bei einer Verwendung von Eisen als Füllmaterial auch ein Einsatz bei niedrigeren Frequenzen denkbar ist. Ein solcher Sperrtopf ist eine breitbandigere Realisierung einer Impedanzstruktur.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 die grundsätzliche Struktur einer erfindungsgemäßen induktiven Spannungsadditionseinrichtung,
2 einen Querschnitt durch einen Teil der in 1 dargestellten induktiven Spannungsadditionseinrichtung,
3 eine den Durchbruch zeigende Schnittdarstellung,
4 eine erste konkrete Ausgestaltung einer Impedanzstruktur,
5 eine Modifikation des Ausführungsbeispiels nach 4,
6 ein Ersatzschaltbild für die erfindungsgemäße induktive Spannungsadditionseinrichtung mit einer Impedanzstruktur nach 4 oder 5,
7 eine zweite konkrete Ausgestaltung einer Impedanzstruktur und
8 eine dritte konkrete Ausgestaltung einer Impedanzstruktur.
Mit Hilfe der 1 bis 3 soll nun zunächst die grundsätzliche Struktur einer erfindungsgemäßen induktiven Spannungsadditionseinrichtung 1, also eines „inductive voltage adders“, genauer erläutert werden, wobei vorliegend drei Verstärkungsstufen genutzt werden. Kernstück der induktiven Spannungsadditionseinrichtung 1 ist eine koaxiale Leiterstruktur mit einem lediglich in den Schnittansichten der 2 und 3 dargestellten Innenleiter 2 und einem Außenleiter 3, der in verschiedene, jeweils einer Verstärkerstufe entsprechende Außenleiterabschnitte 4 unterteilt ist. Dabei sind die Außenleiterabschnitte 4 hier topfartig ausgebildet, das bedeutet, sie weisen, vgl. insbesondere 2 und 3, einen parallel zum Innenleiter 2 verlaufenden Koaxialanteil 5 und zwei radial verlaufende Radialanteile 6 auf. Wie besonders gut aus 2 ersichtlich ist, bilden die durch ein Beabstandungselement 7 getrennten Radialanteile 6 benachbarter Außenleiterabschnitte 4 eine „transmission line“.
Aneinander gekoppelt sind die Außenleiterabschnitte 4, wie grundsätzlich bekannt, durch in 1 angedeutete Spannungsquellen 8, die mithin radial in die Außenleiterabschnitte einspeisen.
Dabei ist jeweils der positive Leiter einer der Spannungsquellen 8 über den Außenleiterabschnitt 4 mit dem negativen Leiter der folgenden Spannungsquelle 8 verbunden, so dass grundsätzlich eine leitende Verbindung besteht. Soll nun ein Ausgangspuls erzeugt werden, der eine Summe der von den Spannungsquellen 8 gelieferten Pulse ist, muss ein Kurzschluss vermieden werden, weshalb eine Impedanzstruktur 9 verwendet wird, die eine Induktivität bereitstellt, welche bei einem Spannungspuls für eine hohe Impedanz sorgt, was das Grundprinzip der induktiven Spannungsaddierung ist. Während es aus dem Stand der Technik nun bekannt war, aufwendig eine nicht stromdurchflossene Impedanzstruktur durch Auffüllen des von den Außenleiterabschnitten 4 jeweils gebildeten Innenraums 10 mit einem ferromagnetischen Material zu realisieren, schlägt die Erfindung eine andere Lösung vor, bei der der Außenleiterabschnitt 4 an einer Stelle vollständig nicht leitend durchbrochen ist, vorliegend, wie in 2 und 3 deutlich ersichtlich, durch einen am Übergang vom Parallelanteil 5 zum Radialanteil 6 vorgesehenen Durchbruch 11 (Spalt).
Liegt nunmehr ein Spannungspuls vor, findet ein Stromfluss auf der zum Innenleiter 2 hingewandten Seite des Parallelanteils 5 bis zum Durchbruch 11 statt, wo der Strom auf der dem Innenraum 10 zugewandten Seite zurückfließt, die Impedanzstruktur 9 durchquert und in die auf der anderen Seite gebildete „transmission line“ gelangt.
Die Erkenntnis, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, ist, dass sich derartige Impedanzstrukturen 9 leicht als diskrete Bauteile realisieren lassen, die kostengünstig und wenig Bauraum verbrauchend realisiert werden können, wenn berücksichtigt wird, dass die hohe Impedanz, also die Sperrwirkung, nur für die durch die Länge und die Form der Spannungspulse definierten Frequenzen benötigt wird. Mithin ist die Impedanzstruktur 9 so gewählt, dass sie in einem Frequenzband sperrt, dass die verwendete, durch die Spannungspulse definierte Frequenz enthält. Für nicht genutzte Frequenzen muss diese Sperrwirkung nicht vorliegen.
Das bedeutet jedoch, dass im Gleichtaktbetrieb, also beispielsweise beim Aufladen der beispielsweise durch Kondensatoren realisierten Spannungsquellen 8, die Impedanzstruktur 9 keinen nennenswerten Widerstand darstellt. Werden jedoch die Spannungspulse ausgegeben, tritt die induktive Wirkung der Impedanzstruktur 9 ein. Es liegt eine äußerst hohe Impedanz vor und die Amplituden der Spannungspulse können sich aufaddieren, wobei wie üblich durch die gestufte Struktur des Innenleiters 2, die den Figuren zu entnehmen ist, eine Impedanzanpassung zur Vermeidung von Reflektionen erzielt wird. Die Nutzlast für die Spannungspulse wird dann an der Seite 12 (1) der induktiven Spannungsadditionseinrichtung 1 angeschlossen und zwar zwischen dem Außenleiter 3 und dem Innenleiter 2 der Leiterstruktur.
Bevorzugt ist die Impedanzstruktur 9 dabei so gestaltet, dass bei der durch die Länge und Form der Spannungspulse definierten Frequenz ein Impedanzmaximum gegeben ist.
Zur konkreten Ausgestaltung der Impedanzstruktur 9 gibt es mehrere Möglichkeiten, wobei eine bevorzugte Ausführungsform den 4 und 5 zu entnehmen ist. Dort ist die Impedanzstruktur 9 als ein Sperrkreis 13 realisiert, dessen Resonanzfrequenz bei der durch die Länge und Form der Spannungspulse definierten Frequenz liegt. Im Sperrkreis 13 sind eine durch eine Spule 14 realisierte Induktivität L und eine gemäß Fig. 4 durch einen Kondensator 15 realisierte Kapazität C parallel geschaltet, wie die den Stromeingang und den Stromausgang anzeigenden Pfeile 16 darlegen. Die Spule 14 weist dabei vorliegend zur Erhöhung ihrer Induktivität einen Eisenkern 17 auf, und die Kapazität C ist gemäß 4 durch ein eigenes, diskretes Bauteil, nämlich einen Kondensator 15, realisiert. Weniger bevorzugt können auch Luftspulen verwendet werden.
Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass ein Teil der Kapazität C oder gar die ganze Kapazität C auch in der Spule 14 selbst realisiert werden kann, indem die Spulenleiter aus einem Kupferband bestehen, so dass eine Koppelkapazität zwischen den Spulenwindungen entsteht, und/oder in dem die Spule 14 wenigstens ein Keramikelement zur Erzeugung einer intrinsischen Kapazität umfasst.
In einem zweckmäßigen, modifizierten Ausführungsbeispiel ist gemäß 5 der Kondensator 15 durch einen Varaktor 18 ersetzt, der Teil einer Einstellvorrichtung 19 ist. Über diese kann abhängig von konkret zu gebenden Spannungspulsen eine Einstellung der Resonanzfrequenz des Sperrkreises und somit des Frequenzbandes derart erfolgen, dass beim Spannungspuls die magnetische Isolation durch den Sperrkreis 13 erreicht wird.
6 zeigt einen Ersatzschaltplan einer mit einem Sperrkreis 13 als Impedanzstruktur 9 realisierten induktiven Spannungsadditionseinrichtung 1. Deutlich erkennbar sind die durch die Spannungsquellen 8 mit dem Innenwiderstand R verbundenen Außenleiterabschnitte 4, die den Durchbruch 11 aufweisen. Die Verbindung zwischen den Anteilen wird durch den Sperrkreis 13 hergestellt. Liefern die Spannungsquelle 8 jeweils eine Spannung von U₀, entsteht in diesem dreistufigen Ausführungsbeispiel ein Spannungspuls einer Spannung von 3·U₀ zwischen dem Innenleiter 2 und dem Außenleiter 3.
7 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der Impedanzstruktur 9, dort als Sperrtopf 20, der in einem Schnitt dargestellt ist. Dieser wird gebildet durch einen Zylinderleiter 21, der vorliegend mit Eisen 22 gefüllt ist.
Eine weitere, in 8 näher dargestellte Möglichkeit zur Realisierung der Impedanzstruktur 9 ist die Verwendung einer Lambda/4-Leitung 23, die durch einen Kondensator 24 verkürzt gegenüber einer ohne den Kondensator nötigen Länge, welche durch die Strichelung 25 angedeutet ist, ausgebildet werden kann. Ist der Kondensator 24 als ein Varaktor ausgebildet, ist auch hier eine Einstellung auf verschiedene Frequenzen und mithin verschiedene zu erzeugende Pulse möglich.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Induktive Spannungsadditionseinrichtung (1), aufweisend eine koaxiale Leiterstruktur mit einem Innenleiter (2) und einem in mehrere, jeweils einer Verstärkungsstufe entsprechende Außenleiterabschnitte (4) unterteilten Außenleiter (3), wobei die Außenleiterabschnitte (4) durch die zu addierenden Spannungspulse liefernde Spannungsquellen (8) gekoppelt sind und die Außenleiterabschnitte (4) gemeinsam mit einer Impedanzstruktur (9) eine einen Kurzschluss zwischen zwei Spannungsquellen (8) bei gegebenen, zu verstärkenden Spannungspulsen vermeidende Impedanz bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenleiterabschnitt (4) an wenigstens einer Stelle (11) komplett nichtleitend zur Bildung von zwei Anteilen durchbrochen ist und die Anteile des Außenleiterabschnitts (4) durch die für ein die durch die Länge und Form der Spannungspulse definierte Frequenz enthaltendes Frequenzband eine Sperrwirkung entfaltende Impedanzstruktur (9) verbunden sind.
Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzstruktur (9) bei der durch die Länge und Form der Spannungspulse definierten Frequenz einen gegenüber anderen Frequenzen erhöhten Impedanzwert aufweist, welcher insbesondere um höchstens 20% von dem Impedanzmaximum der Impedanzstruktur abweicht, aufweist.
Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenleiterabschnitt (4) wenigstens einen radial nach außen zu der Spannungsquelle (9) hin verlaufenden Radialanteil (6) aufweist.
Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruch (11) an einem Übergang von einem parallel zu dem Innenleiter (2) verlaufenden Koaxialanteil (5) zu einem radial verlaufenden Radialanteil (6) des Außenleiterabschnitts (4) vorgesehen ist.
Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenleiterabschnitte (4) zur Definition eines durch sie wenigstens teilweise umschlossenen Innenraums (10) geformt sind, wobei die Impedanzstruktur (9) in dem Innenraum (10), insbesondere zwei Radialanteile (6) verbindend, angeordnet ist.
Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzstruktur (9) als ein getrennte Bauteile umfassender Sperrkreis (13) mit einer Induktivität, insbesondere einer Spule (14), und einer parallel dazu geschalteten Kapazität, insbesondere einem Kondensator (15), ausgebildet ist.
Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil eine Luftspule oder eine Spule (14) mit einem Eisenkern (17) vorgesehen ist.
Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Kapazität in der Spule (14) realisiert ist.
Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenleiter aus einem Kupferband bestehen, so dass eine Koppelkapazität zwischen den Spulenwindungen entsteht, und/oder die Spule (14) wenigstens ein Keramikelement zur Erzeugung einer intrinsischen Kapazität umfasst.
Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität wenigstens teilweise über eine Einstellvorrichtung (19) in Abhängigkeit von der Pulslänge und/oder Pulsform der Spannungspulse veränderbar ist, insbesondere als Bauteil für die Kapazität ein Varaktor (18) verwendet wird.
Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzstruktur (9) eine insbesondere durch einen Kondensator (24) verkürzte Lambda/4-Leitung (23) ist.
Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Lambda/4-Leitung über eine Einstellvorrichtung (19) in Abhängigkeit von der Pulslänge und/oder Pulsform der Spannungspulse veränderbar ist.
Induktive Spannungsadditionseinrichtung nach einem der Sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzstruktur (9) ein Sperrtopf (20) ist, insbesondere bei einer durch die Länge und Form der Spannungspulse definierten Frequenz von mehr als 100 MHz.