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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Marxgenerator zur Erzeugung eines Spannungspulses gemäß dem ersten Patentanspruch.
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Für den Aufbau einer Anlage für gepulste Elektronenstrahlen wird ein Marxgenerator mit Halbleiterschaltern benötigt, der eine bevorzugt negative Ausgangsspannung gegenüber Masse liefert. Um die Ausgangsspannung durch das selektive Zu- und Abschalten einzelner Stufen des Marxgenerators feiner einstellen zu können, wird eine große Stufenanzahl benötigt, z. B. 120 Stufen bei 1 kV Stufenladespannung. Die einzelnen Stufen werden in Serienschaltung aus einer Stromquelle geladen, wobei Dioden und MOSFETs bzw. IGBTs zur Stufenisolation während der Pulserzeugung verwendet werden. Während der Aufladung treten an diesen Elementen merkliche Spannungsabfälle von ca. 1 bis 3 V pro Stufe auf, so dass ohne weitere Maßnahmen zur Spannungsstützung auf den einzelnen Stufen die Ladespannung zu den oberen Stufen hin abnimmt.
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Leistungshalbleiter (MOSFETs und IGBTs) besitzen meist einen Steueranschluss, an den die Steuerspannung mit Bezug auf den Anschluss mit negativem Potential angelegt wird (z.B. n-Kanal MOSFETs). Zur Erzeugung einer negativen Ausgangsspannung mit einer halbleiterbasierten Marxgeneratorschaltung kommt daher meist eine Schaltung zum Einsatz, bei der bei der Pulserzeugung durch die Verschaltung eine Polaritätsumkehr der positiven Ladespannung vorgenommen wird. Die Schaltelemente des Ladekreises einer n-stufigen Schaltung müssen über eine Einrichtung zur Potentialtrennung isoliert zum jeweiligen Stufenpotential angesteuert werden, das durch das jeweilige Potential des Stufenschalters definiert ist.
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Die Abnahme der Ladespannung hin zu oberen Stufen kann ausgeglichen werden, indem auf jeder Stufe der Stufenkapazität seitens des Ladekreises ein Hochsetzsteller vorgeschaltet wird, der den Spannungsabfall ausgleicht. Dieser Hochsetzsteller muss für die maximale Stufenladespannung ausgelegt sein. Dies betrifft insbesondere den Schalttransistor, die Spule und einen vorgeschalteten Kondensator zur Spannungsstützung. Außerdem ist eine Einheit zur Schalteransteuerung und Spannungsregelung erforderlich. Diese Lösung ist vergleichsweise aufwändig und teuer, insbesondere bei hoher Stufenanzahl.
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Eine Einrichtung zur isolierten Ansteuerung des Stufenschalters ist ebenfalls vergleichsweise aufwändig, insbesondere wenn sie für eine große Stufenanzahl benötigt wird.
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Aufgabenstellung
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Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe darin, einen Marxgenerator vorzuschlagen, der die Einschränkungen und Nachteile des Standes der Technik nicht oder nur in einem geringerem Maße aufweist.
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Insbesondere besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Marxgenerator mit einem vereinfachten und kosteneinsparenden Aufbau bereitzustellen, insbesondere bei hoher Stufenanzahl des Marxgenerators.
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Lösung
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Diese Aufgabe wird im Hinblick auf den Marxgenerator durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Marxgenerator zur Erzeugung eines Spannungspulses,
umfassend
jeweils eine Anzahl N an
- – Kapazitäten Cn = C1 bis CN,
- – Pulsschaltern TPn = TP1 bis TPN (vorzugsweise Transistoren) und
- – Ladeschaltern TCn = TC1 bis TCN (vorzugsweise Transistoren), sowie jeweils eine Anzahl N – 1 an Dioden DCn = DC1 bis DCN-1,
wobei - a) jeweils eine Kapazität Cn, ein Pulsschalter TPn und ein Ladeschalter TCn jeweils zu einer Masche verbunden sind, wobei die Masche ein Teil einer Stufe n ist sowie TCn jeweils zu benachbarten TCn-1 und/oder TCn+1 in Reihe angeordnet sind,
- b) in einer Ladeschaltstellung TPn offen und TCn geschlossen sind, wobei die Cn parallel verschaltet sind und ein Ladestrom in die Maschen jeweils über eine gemeinsame Stromquelle über Anschlussleitungen zwischen einzelnen Abgriffen einer Serienschaltung mit den Dioden DCn als Rückflusssicherungen und Anschlusspunkten zwischen Cn und TPn eingespeist werden, wobei die Dioden DCn eine Ladestromrichtung vorgeben,
- c) in einer Entladeschaltstellung TPn geschlossen und TCn offen sind, wobei Cn mit TPn als Einheit zueinander miteinander zur Bereitstellung des Spannungspulses seriell geschaltet sind,
wobei - d) für n zwischen 2 und N – 1 TCn und TPn-1 jeweils elektrisch miteinander verbunden sind und dasselbe Bezugspotential für eine Steuerung aufweisen sowie TCn und TPn-1 jeweils eine gemeinsame Steuereinheit SEn aufweisen sowie
- e) die beiden Schalter TCn und TPn nie zeitgleich geschlossen sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Marxgenerator dadurch gekennzeichnet, dass nur eine der Verbindungsleitungen zwischen Cn und TCn oder zwischen TPN und TCN mit einem Erdpotential verbunden ist. Ist das Erdpotential zwischen TC1 und C1 angelegt, so dient der Marxgenerator zur Erzeugung eines positiven Spannungspulses. Ist das Erdpotential zwischen TPN und TCN angelegt, so dient der Marxgenerator zur Erzeugung eines negativen Spannungspulses.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Marxgenerator dadurch gekennzeichnet, dass
- f) die Stromquelle durch eine Induktivität L gebildet wird,
- g) eine Anzahl N an Dioden DHn = DH1 bis DHN in den jeweiligen Anschlussleitungen dem Anschlusspunkt von Cn mit TPn einspeiseseitig in Durchlassrichtung vorgeschaltet sind sowie
- h) eine hinzuschaltbare Spannungsquelle V zur Ladung der Induktivität L parallel zu der Verschaltung von TPN und DHN vorgesehen ist.
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Unter hinzuschaltbar wird eine Spannungsquelle bezeichnet, die jederzeit geöffnet oder geschlossen werden kann. Vorzugsweise wird seriell zur Spannungsquelle V ein Schalter oder Transistor TH geschaltet. Insbesondere ist der Schalter TH getaktet geschaltet mit einer Frequenz zwischen 1 bis 500 kHz vorzugsweise von 10 kHz, wobei seine Einschaltdauer entsprechend einer Pulsweitenmodulation variiert werden kann, um eine Regelung vorzunehmen.
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Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen Marxgenerator umfassend eine Spannungskompensation mit Gleichspannungsquelle VSn pro Stufe.
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Vorzugsweise ist der Marxgenerator dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle VSn pro Stufe aus der Hilfsspannung zur Versorgung der Steuerstromkreise der Stufe gespeist wird.
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Vorzugsweise ist der Marxgenerator dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzbeschaltung aus einer Parallelschaltung aus einer Diode DSn und einer Kapazität CSn parallel zur Spannungsquelle VSn geschaltet ist.
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In einer besonderen Ausgestaltung ist der Marxgenerator dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Diode DBn parallel und entgegen der Ladestromrichtung zur Serienschaltung von Spannungsquelle VSn und TCn geschaltet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Marxgenerator dadurch gekennzeichnet, dass eine Zentralsteuereinheit für eine Ansteuerung der Steuereinheiten SEn mittels Steueranweisungen besteht und die Steuereinheiten SEn über Kommunikationsverbindungen mit der Zentralsteuereinheit verbunden sind.
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Vorzugsweise ist der Marxgenerator dadurch gekennzeichnet, dass separate Kommunikationsverbindungen von der Zentralsteuereinheit zu jeder Steuereinheit SEn bestehen. Die Steuereinheiten der einzelnen Stufen SEn werden von einer Zentralsteuereinheit mittels Steuersignalen angesteuert. Dies erfolgt über je eine uni- oder vorzugsweise bidirektionale Kommunikationsverbindung zwischen der Zentralsteuereinheit und jeder Stufensteuereinheit. Diese Verbindung erfolgt vorzugsweise per Funk, durch induktive Kopplung über ein Spulensystem in der Art eines Transformators oder mittels einer Lichtwellenleiterverbindung.
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Insbesondere ist der Marxgenerator dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsverbindungen zwischen Zentralsteuereinheit und Steuereinheiten SEn entweder direkt oder indirekt über benachbarte Steuereinheiten SEn+1 bzw. SEn-1 bestehen. Die Steuersignale sind Steueranweisungen, die über die Kommunikationsverbindung seriell von der Zentralsteuereinheit zu den Steuereinheiten auf den Stufen übertragen werden, dort dekodiert werden und eine Aktion der Steuereinheit auslösen. In der Gegenrichtung können Statuswerte der Steuereinheit und/oder Messwerte (Stufenspannung, Schaltertemperatur etc.) übertragen werden. Eine Lichtwellenleiterverbindung erfordert eine uni- oder bidirektionale Lichtwellenleiterstrecke zwischen der Steuereinheit jeder Stufe und der Zentralsteuereinheit. Insbesondere bei hoher Stufenanzahl ist diese Ausführung wegen der großen Anzahl an Lichtwellenleiterverbindungen teuer. Statt jede Stufe über eine separate Kommunikationsverbindung mit der Zentralsteuereinheit zu verbinden, werden die Kommunikationssignale auch zwischen benachbarten Stufen von Stufe zu Stufe weitergegeben. Dann ist nur eine oder sind wenige Steuereinheiten der Stufen direkt mit der Zentralsteuereinheit verbunden.
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Vorzugsweise ist im Fall von nur einer mit der Zentralsteuereinheit direkt verbundenen Stufensteuereinheit dies diejenige der mittleren Stufe des Stapels (der Stufen und damit der Maschen), um durch eine Signalausbreitung entlang des Stapels zu beiden Enden hin die Signalweglänge zu den Steuereinheiten in allen Stufen kurz zu halten. Wird mehr als eine Steuereinheit der Stufen direkt mit der Zentralsteuereinheit verbunden, so sitzen diese für eine kurze Signalweglänge bevorzugt mittig in dem Abschnitt von Stufen, für den sie die Kommunikation mit der Zentralsteuereinheit weiterleiten.
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Bei bevorzugter optischer Signalübertragung übertragen optisch direkt gekoppelte Sende- und Empfangsdiodenpaare (LED und Photodiode) ohne zwischengeschalteten Lichtwellenleiter die Signale zwischen benachbarten Stufen. Sie werden dazu beispielsweise mittels eines elektrisch isolierenden Röhrchens, an dessen beiden Enden je eine Sende- und Empfangsdiode montiert ist, mechanisch fixiert. Das Röhrchen ist außen geschwärzt und innen reflektierend ausgekleidet, um die Übertragungsstrecke einerseits gegen Fremdlichteinfluss zu schützen und andererseits eine gute optische Kopplung zu ermöglichen. Alternativ ist eine induktive Übertragung im Nahfeld zweier benachbarter Spulen oder eine kapazitive Signalübertragung zwischen benachbarten Stufen möglich. Dies erfordert jedoch eine gute Entkopplung sowohl beider Pfade unterschiedlicher Signalrichtungen zwischen zwei Stufen als auch gegenüber der Signalübertragung zwischen anderen benachbarten Stufenpaaren. Außerdem muss eine solche Verbindung immun gegenüber Störungen aufgrund der Schaltvorgänge ausgelegt sein. Wenn die Steuersignale von Stufe zu Stufe weitergegeben werden, ist es erforderlich, jede Steuereinheit auf einer Stufe separat ansprechen zu können. Dazu kommt ein Bussystem zum Einsatz, das mittels einer Adressierung die Anwahl einer einzelnen Steuereinheit oder einer Gruppe von Steuereinheiten zur Signalübertragung zwischen der Zentralsteuereinheit und der bzw. den angewählten Steuereinheiten ermöglicht.
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Je eine Steueranweisung ermöglicht das Zu- und Abschalten des Lademodus, bei dem alle Ladeschalter TCn geschlossen und alle Pulsschalter TPn geöffnet sind. Zur Erzeugung insbesondere von kurzen Pulsen mit Pulslängen von wenigen Mikrosekunden bis unter einer Mikrosekunde, beispielsweise zwischen 100 ns und 100 µs, bei denen nicht alle Pulsschalter TPn gleichzeitig sondern zur Erzeugung eines stufig beliebigen Ausgangsspannungsverlaufs in einer vorher definierten zeitlichen Abfolge geschaltet werden, ist das Bussystem zu langsam, um jeder Steuereinheit während der Pulserzeugung einzeln den Schaltbefehl für den Schalter TPn zu übermitteln. Daher wird vor der Pulserzeugung in der Steuereinheit jeder Stufe das individuelle Schaltmuster als festgelegte zeitliche Abfolge von Schließungen und Öffnungen des Stufenschalters TPn zur Pulserzeugung hinterlegt. Auf ein gemeinsames Startsignal hin starten dann alle Stufen synchron zueinander den Ablauf des hinterlegten Schaltmusters und schalten ihren Pulsschalter TPn dem entsprechend. Dazu wird zunächst eine Steueranweisung gleichzeitig an alle Stufen gesendet, die die Pulsauslösung vorbereitet. Auf diese Steueranweisung hin überwachen die Steuereinheiten aller Stufen die Kommunikationsstrecke auf ein einzelnes Schaltsignal, mit dessen Auftreten dann der Ablauf der Schaltmuster zur Pulserzeugung gestartet wird. Die Steuereinheiten der Stufen führen die Pulserzeugung entsprechend dem hinterlegten Schaltmustern so lange fort, wie das Schaltsignal anliegt, oder bis das Schaltmuster vollständig abgelaufen ist. Durch ein vorzeitiges Beenden des Schaltsignals wird die Pulserzeugung vorzeitig beendet, wenn beispielsweise von der Zentralsteuereinheit ein Überstrom oder ein anderer Fehler erkannt wird.
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Über den freien Rückkanal bei einer bidirektionalen Kommunikation können auch die Steuereinheiten auf den Stufen durch ein Schaltsignal der Zentralsteuereinheit einen Fehlerzustand signalisieren, der ein vorzeitiges Abschalten der Pulserzeugung durch die Zentralsteuereinheit bewirkt.
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Die Signallaufzeit der Kommunikationssignale durch die einzelnen Stufen sollte so kurz wie möglich sein, um die Signalverzögerung gering zu halten, wenn ein Kommunikationssignal und insbesondere das Schaltsignal zum Start der Pulserzeugung eine Kette von Stufen durchläuft. Die Signallaufzeit durch eine Stufe liegt bevorzugt zwischen 1 ns und 20 ns.
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Um einen gleichzeitigen Start der Schaltmuster der einzelnen Steuereinheiten der Stufen zu ermöglichen, wird die Signallaufzeit zu jeder Steuereinheit wir folgt bestimmt und berücksichtigt: Nach dem Einschalten der Steuerspannung sowie auch nach längerer kontinuierlicher Betriebszeit werden die Signallaufzeiten entlang des Stufenstapels nacheinander zwischen jeder indirekt über mindestens eine weitere Stufe mit der Zentralsteuereinheit verbundenen Stufe und der korrespondierenden Stufe mit direkter Kommunikationsverbindung zur Zentralsteuereinheit, der so genannten Signaleinspeisestelle, ausgemessen. Dazu wird ein Schaltsignal zwischen einer Stufe entlang des Stufenstapels bis zur Signaleinspeisestelle gesendet und von dort wieder zurück zur der Steuereinheit, die das Schaltsignal initiiert hat. Diese Steuereinheit misst die Zeitdauer zwischen dem Absenden und dem Empfang des Schaltsignals. Unter der Voraussetzung, dass die Signalausbreitung in beiden Richtungen sowie durch alle Stufen annähernd gleich schnell erfolgt, lässt sich die einfache Signallaufzeit durch Halbierung der gemessenen Zeit bestimmen. Gegebenenfalls muss noch eine Konstante für die Zeitdauer zur Signalerzeugung und zum Signalempfang sowie die Signalrückleitung an der Signaleinspeisestelle in Abzug gebracht werden.
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Wenn die Signallaufzeit zu jeder Stufe somit bekannt ist, kann die Zentralsteuereinheit in der Steuereinheit jeder Stufe individuell eine Zeitverzögerung zwischen dem Empfang des Schaltsignals zum Beginn der Pulserzeugung und dem tatsächlichen Start des Ablaufs des Schaltmusters zur Pulserzeugung so einstellen, dass der Ablauf des Schaltmusters zur Pulserzeugung in allen Steuereinheiten der Stufen gleichzeitig startet. Der Beginn wird also bei Steuereinheiten mit geringer Signallaufzeit länger intern verzögert als bei Steuereinheiten mit längerer Signallaufzeit. Abhängig von der Last wird es insbesondere bei variablem ohmschen Anteil der Last erforderlich, während der Pulserzeugung einzelne Stufen selektiv zu- oder abzuschalten, ohne dass dies dem hinterlegten Schaltmuster entspräche. So ist eine schnelle Anpassung der Ausgangsspannung beispielsweise im Zuge eines Regelvorgangs möglich.
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Eine schnelle Übertragung der Signale zur Zu- und Abschaltung von einzelnen Stufen oder von Gruppen von Stufen kann durch ein wiederholtes kurzes Pulsen des Schaltsignals zur Pulserzeugung geschehen, indem pro Puls je eine vorher bestimme Stufe oder Stufengruppe zu- oder abschaltet. Dabei bestimmt die Länge des Pulses in der Art einer Pulsweitenmodulation ob eine Stufe oder Stufengruppe zu- oder abgeschaltet werden soll. Für diese Funktion enthalten die Steuereinheiten der Stufen je einen Zähler, der durch diese Schaltimpulse inkrementiert oder dekrementiert wird und beim Erreichen eines bestimmten, für jede Stufe vor dem Puls individuell festgelegten Zählerstands die Zu- oder Abschaltung dieser Stufe bewirkt.
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Der Begriff Stapel bezeichnet die Serienschaltung aller Stufen, die beim mechanischen Aufbau als einzelne Baugruppen aufeinandergestapelt angeordnet sind. Jede Stufe umfasst eine der vorgenannten Maschen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Marxgenerator dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinrichtungen ein Bussystem zwischen der Zentralsteuereinheit und den Steuereinheiten der Stufen beinhalten.
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Die an den Marxgenerator angeschlossene Last ist allgemein als Impedanz Z bezeichnet (vgl. 1 bis 4). Sie kann als eine Serienschaltung aus einem ohmschen Widerstand und einer Induktivität betrachtet werden. Die Induktivität beinhaltet auch die Zuleitungsinduktivität zwischen Marxgenerator und Last. Parallel zum ohmschen Widerstand kann auch eine Kapazität angeordnet sein, die einer Streukapazität entspricht. Der ohmsche Anteil modelliert die Wirkleistungsaufnahme der Last. In einer Anlage für gepulste Elektronenstrahlen ist dieser Wert im Allgemeinen nicht zeitlich konstant. Er beträgt bei einer solchen Anlage beispielsweise zwischen 500 und 1500 Ohm.
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Wenn am Ende eines Pulses alle Pulsschalter TPn sperren, kann der induktive Anteil der Last kurzzeitig weiterhin einen Strom durch den Marxgenerator treiben. Dieser Strom wird durch die Dioden DBn an den Stufen vorbei geleitet, um eine induktive Überspannung zu vermeiden. Wenn bei der Pulserzeugung die Pulsschalter TP einzelner Stufen selektiv abgeschaltet werden, leiten die Dioden DB dieser abgeschalteten Stufen den von anderen Stufen getriebenen Pulsstrom an den abgeschalteten Stufen vorbei. Ohne eingebaute Spannungskompensation liegen die Dioden DBn antiparallel zu den Ladeschaltern TLn und können auch in die Gehäuse der Schalter TLn integriert sein. Wenn eine Stufe mit einer Spannungskompensation ausgestattet ist (vgl. 5 oder 6), so wird die Diode DB dieser Stufe parallel zu Vs und TC verschaltet, so dass sie in Durchlassrichtung einen Strom an der Serienschaltung von Vs und TC vorbeileitet und diesen Strom so auch von Vs fern hält.
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Vorzugsweise ist der Marxgenerator dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsschalter TPn und die Ladeschalter TCn Halbleiterschalter, besonders bevorzugt Transistoren, sind.
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Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin eine Verwendung des erfindungsgemäßen Marxgenerators in einer Anlage zur Erzeugung gepulter Elektronenstrahlen, vorzugsweise zur Erzeugung von negativen oder positiven Spannungspulse bei Elektroporationsanlagen oder bei Elektrofiltern zur Rauchgasreinigung. Bei letzterem werden gepulste negative Spannungen (negative Spannungspulse) eingesetzt, die einer Gleichspannung überlagert sind. Dabei werden Elektrofilter nahe der Durchschlagsgrenze betrieben. Der erfindungsgemäße Marxgenerator wird zur Erzeugung der überlagerten Pulse eingesetzt.
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Besondere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind eine Kosteneinsparung durch einen vereinfachten Aufbau des Marxgenerators, insbesondere bei hoher Stufenanzahl, sowie eine einfache Kompensation des Spannungsabfalls im Ladepfad zur Aufladung der Stufenkapazitäten auf die gleiche Spannung. Der Einbau der Dioden DHn vermeidet Ausgleichsvorgänge mit hohen Ausgleichsströmen beim Einschalten der Ladeschalter TLn, die auftreten, wenn die Stufenkapazitäten der oberen Stufen stärker entladen sind als die unteren Stufenkapazitäten, die sich näher an der Ladestromquelle befinden, und somit abrupt nachgeladen werden. Beim Betrieb an einer Anlage zur Erzeugung gepulster Elektronenstrahlen ermöglicht der Einsatz des erfindungsgemäßen Marxgenerators einen einfachen Betrieb mit variablen Pulsparametern.
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Ausführungsbeispiele
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Marxgenerators zur Erzeugung positiver Pulsspannung mit gesteuerten Puls- und Ladeschaltern,
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2 eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Marxgenerators zur Erzeugung positiver Pulsspannung mit Transistoren,
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3 eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Marxgenerators zur Erzeugung negativer Pulsspannung mit gesteuerten Puls- und Ladeschaltern,
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4 eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Marxgenerators zur Erzeugung negativer Pulsspannung mit Transistoren,
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5 eine Ausgestaltung einer Spannungskompensation bei Spannungsabfall in Ladeschaltstellung durch Serienschaltung einer Kleinspannungsquelle Vs mit Schaltern TCn und
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6 eine Ausgestaltung einer Spannungskompensation bei Spannungsabfall in Ladeschaltstellung durch Serienschaltung einer Kleinspannungsquelle Vs mit Transistoren TCn.
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In 1 und 2 ist eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Marxgenerators zur Erzeugung positiver Pulsspannungen schematisch dargestellt.
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Zur Erzeugung einer negativen Ausgangsspannung bezüglich Masse kommt die Schaltung nach 3 und 4 zum Einsatz, die bekanntermaßen zur Erzeugung einer positiven Ausgangsspannung verwendet wird.
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Die Topologien beider Schaltungen sind zur Pulserzeugung identisch und unterscheiden sich nur im Bezug auf den Anschlusspunkt des Erdpotentials.
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Üblicherweise werden die Schaltungen so in einzelne Stufen eingeteilt, dass der Halbleiterschalter des Pulskreises der Stufe n und der Halbleiterschalter des Ladekreises der Folgestufe n+1 zum gleichen Bezugspotential hin angesteuert werden können. Die Zuordnung der Steuereinheiten zu den Halbleiterbauelementen wird vorteilhaft so ausgeführt, dass die Ansteuerung von jeweils zwei Leistungshalbleitern aus einer gemeinsamen Steuereinheit ohne zusätzliche Potentialtrennung durchgeführt werden kann, wie es 1 und 2 zeigen.
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Die Steuereinheit der ersten Stufe (SE1) steuert nur den Ladeschalter TC1 und eine zusätzliche Steuereinheit an der obersten Stufe (SEN+1) steuert den Pulsschalter der obersten Stufe. Eine Steuereinheit enthält einen oder zwei Treiber für die Leistungshalbleiter, eine Hilfsspannungsversorgung zur Versorgung dieser Treiber, sowie eine Einrichtung zur Übertragung der Ansteuersignale von einer zentralen Steuereinheit an jede Stufe. Dies kann potentialgetrennt beispielsweise optisch über Lichtwellenleier oder induktiv über einen Trenntransformator erfolgen. Auch eine kapazitive Kopplung über kleine Koppelkondensatoren ist möglich.
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Um eine negative Ausgangsspannung bezüglich Masse zu erzeugen, kommt erfindungsgemäß die Schaltung nach 3 und 4 zum Einsatz. Die Schaltung wird am Ausgang der ursprünglich obersten Stufe (Emitter des Pulstransistors TPn) mit Masse verbunden. Die Spannungsversorgung zur Aufladung erfolgt aus der Spannungsquelle V, die vorzugsweise eine Gleichspannungsquelle ist. Während der Aufladung sind die Transistoren des Ladekreises TC1 bis TCn, geschlossen, die Transistoren des Pulskreises TP1 bis TPn offen. Zur Aufladung taktet der Transistor TH. Bei geschlossenem Transistor TH fließt ein ansteigender Strom durch TCn, die Induktivität L, die Ladekreisdioden DC1 bis DCN-1 und TH zur Spannungsquelle V zurück. In L wird magnetische Energie gespeichert. Die Dioden DH1 bis DHn verhindern dabei eine Entladung der Kapazitäten C1 bis Cn über L oder die Spannungsquelle V. Wenn TH öffnet, treibt die Induktivität L einen Strom über die Ladekreiselemente DC1 bis DCN-1, DH1 bis DHN, TC1 bis TCN-1 durch die parallel geschalteten Stufenkapazitäten C1 bis CN. Der Strom teilt sich dabei auf die einzelnen Stufen gleichmäßig auf. Während der Entladung von L nimmt der Ladestrom ab, bis TH erneut schließt und L erneut nachgeladen wird. Die Dioden DH1 bis DHN verhindern außerdem Ausgleichsvorgänge, die beim Einschalten des Ladekreises auftreten könnten, wenn Stufenkapazitäten von höheren Stufen durch längere Einschaltzeiten stärker entladen worden sind als die Kapazitäten der unteren Stufen. Dann käme es zu einer sofortigen Nachladung der weiter entladenen Kapazitäten, bis eine Spannungsangleichung oder bei merklichen Kreisinduktivitäten sogar eine Überladung stattgefunden hätte. Dies wäre mit hohen Ausgleichsströmen verbunden.
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5 und 6 zeigen eine Ausgestaltung einer Spannungskompensation bei Spannungsabfall in Ladeschaltstellung durch Serienschaltung einer Kleinspannungsquelle Vs. Die Spannungsabfälle an den Elementen des Ladekreises können ausgeglichen werden, wenn gemäß 5 und 6 auf jeder Stufe eine Gleichspannungsquelle VS im Ladekreis in Serie zum Ladeschalter TC eingesetzt wird. Diese Spannungsquelle gleicht den Spannungsabfall an den Elementen des Ladekreises dieser Stufe aus. Zusammen mit den gleichartigen Spannungsquellen VS der anderen Stufen können die Spannungsabfälle im gesamten Ladekreis kompensiert werden. Die parallel zu VS liegenden Elemente CS und DS schützen die Spannungsquelle Vs gegen transiente Ströme und Verpolung. Statt jede Stufe mit einer Spannungsquelle VS auszustatten, können auch weniger Stufen mit einer solchen Spannungsquelle bestückt werden. Diese bestückten Stufen übernehmen dann auch die Kompensation für die bei der Aufladung nachgeschalteten Stufen. Die mit VS bestückten Stufen werden gleichmäßig über die Länge des Marxgenerators verteilt. Eine nur teilweise Bestückung spart zwar Aufwand, jedoch variieren die Ladespannungen der Stufenkondensatoren mehr als bei der Bestückung von jeder Stufe mit einer Gleichspannungsquelle VS. Die Energieversorgung der Gleichsspannungsquellen erfolgt aus der Hilfsspannungsversorgung der Stufen, die auch die Treiberschaltungen versorgt. Durch die vergleichsweise geringe Spannung von wenigen Volt (z.B. 1,5 V) pro Stufe, die VS liefern muss, ist der Leistungsbedarf gering.
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Als Gleichspannungsquellen kompensieren Spannungsquellen VS den Ladespannungsabfall der Stufe sowohl während der Aufladephase von L bei geschlossenem Schalter TH als auch während der Entladephase bei offenem Schalter TH. Es kann Hilfsenergie zur Versorgung von VS eingespart werden, wenn die Spannungsquellen VS nur während der Entladephase von L bei offenem Schalter TH Spannung liefern. Der Spannungsabfall während der Ladephase von L kann bei geschlossenem Schalter TH auch direkt durch die Spannungsquelle V zusätzlich geliefert und dadurch ausgeglichen werden. Für diesen Betrieb werden die Spannungsquellen VS entweder in der Spannung steuerbar, abschaltbar, oder mittels eines Schalters trennbar ausgeführt. Die Ansteuerung erfolgt dann über die Steuereinheiten der Stufen derart, dass die Spannungsquellen nur bei offenem Schalter TH während der Entladung von L und der eigentlichen Aufladung der Stufenkapazitäten Spannung liefern.
