DE102016004332A1 - Power supply, in particular for operating a plasma - Google Patents
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Abstract
Eine Stromversorgung (1) hat mindestens zwei in Reihe geschaltete Schaltungsanordnungen (2) zum Schalten von hohen Spannungen. Die Schaltungsanordnungen (2) haben jeweils einen Eingang (3), einen über einen Laststrompfad (4) damit verbundenen Ausgang (5), einen als Längsregler in den Laststrompfad (4) geschalteten ersten Transistor (6), eine Spannungsbegrenzungseinrichtung zur Begrenzung der in dem Laststrompfad am ersten Transistor (6) abfallenden Spannung sowie eine Strombegrenzungseinrichtung zur Begrenzung des Laststroms. Jede Schaltungsanordnung (2) hat Steueranschlüsse (9, 10), an die über eine Hilfsspannungsquelle (11) eine Steuerspannung anlegbar ist, mittels welcher die Schaltungsanordnung (2) zwischen einem Betriebszustand, der einen Stromfluss vom Eingang (3) zum Ausgang (5) ermöglicht, und einem Ruhezustand, in dem der Stromfluss unterbrochen ist, umschaltbar ist. Die Hilfsspannungsquellen (11) werden über eine aktive Kettenschaltung, die in Reihe geschaltete Übertrager aufweist, gesteuert und mit elektrischer Energie versorgt.A power supply (1) has at least two series-connected circuit arrangements (2) for switching high voltages. The circuit arrangements (2) each have an input (3), an output (5) connected thereto via a load current path (4), a first transistor (6) connected as a series regulator in the load current path (4), a voltage limiting device for limiting the voltage in the Load current path at the first transistor (6) falling voltage and a current limiting device for limiting the load current. Each circuit arrangement (2) has control terminals (9, 10), to which a control voltage can be applied via an auxiliary voltage source (11), by means of which the circuit arrangement (2) switches between an operating state which causes a current flow from the input (3) to the output (5). allows, and a sleep state in which the current flow is interrupted, is switchable. The auxiliary voltage sources (11) are controlled and supplied with electrical energy via an active derailleur, which has series-connected transformers.
Description
Die Erfindung betrifft eine Stromversorgung, insbesondere zum Betreiben eines Plasmas, die mindestens zwei in Reihe geschaltete Schaltungsanordnungen zum Schalten von hohen Spannungen aufweist, wobei die Schaltungsanordnungen jeweils einen Eingang und einen über einen Laststrompfad damit verbundenen Ausgang, einen als Längsregler in den Laststrompfad geschalteten ersten Transistor, eine Spannungsbegrenzungseinrichtung zur Begrenzung der in dem Laststrompfad am ersten Transistor abfallenden Spannung sowie eine Strombegrenzungseinrichtung zur Begrenzung des Laststroms im ersten Transistor haben, wobei jede Schaltungsanordnung Steueranschlüsse hat, an die eine Steuerspannung anlegbar ist, mittels welcher die Schaltungsanordnung zwischen einem Betriebszustand, der einen Stromfluss vom Eingang zum Ausgang ermöglicht, und einem Ruhezustand, in dem der Stromfluss unterbrochen ist, umschaltbar ist.The invention relates to a power supply, in particular for operating a plasma, which has at least two series-connected circuit arrangements for switching high voltages, wherein the circuit arrangements each have an input and an output connected thereto via a load current path, a first transistor connected as a longitudinal regulator in the load current path , a voltage limiting device for limiting the voltage dropping in the load current path at the first transistor and a current limiting device for limiting the load current in the first transistor, each circuit having control terminals, to which a control voltage can be applied, by means of which the circuit arrangement between an operating state, the current flow from the input to the output, and a sleep state in which the current flow is interrupted, is switchable.
Eine derartige Stromversorgung ist aus
Die einzelnen Schaltungsanordnungen haben jeweils einen selbstsperrenden Feldeffekttransistor als ersten Transistor. Der Source-Anschluss des ersten Transistors der am Ende der Reihenschaltung angeordneten Schaltungsanordnung bildet den Ausgangsanschluss der Stromversorgung und der Drain-Anschluss des ersten Transistors der am Anfang der Reihenschaltung angeordneten Schaltungsanordnung den Eingangsanschluss der Stromversorgung. Der Gate-Anschluss des ersten Transistors bildet jeweils den Steueranschluss der betreffenden Schaltungsanordnung. Der Steueranschluss der am Ende der Reihenschaltung angeordneten Schaltungsanordnung ist mit einem Signalgeber verbunden.The individual circuit arrangements each have a self-locking field-effect transistor as the first transistor. The source terminal of the first transistor of the arranged at the end of the series circuit arrangement forms the output terminal of the power supply and the drain terminal of the first transistor of the arranged at the beginning of the series circuit arrangement the input terminal of the power supply. The gate terminal of the first transistor in each case forms the control terminal of the relevant circuit arrangement. The control terminal of the arranged at the end of the series circuit arrangement is connected to a signal generator.
Mit Ausnahme der am Anfang der Reihenschaltung angeordneten Schaltungsanordnung hat jede Schaltungsanordnung der Stromversorgung jeweils eine schaltbare Stromsenke, die einen Stromeingangsanschluss, einen Stromausgangsanschluss und einen Stromsteueranschluss aufweist. Letzterer ist über eine Zenerdiode mit dem Drain-Anschluss der betreffenden Schaltungsanordnung verbunden.Each circuit arrangement of the power supply has a switchable current sink, which has a current input connection, a current output connection and a current control connection, with the exception of the circuit arrangement arranged at the beginning of the series connection. The latter is connected via a Zener diode to the drain terminal of the relevant circuit arrangement.
Die Stromeingangsanschlüsse der Stromsenken sind jeweils mit dem Gate-Anschluss des ersten Transistors der Schaltungsanordnung verbunden, der in der Reihenschaltung vor der Schaltungsanordnung angeordnet ist, der die Stromsenke aufweist. Der Stromeingangsanschluss der Stromsenke der letzten in der Reihenschaltung angeordneten Schaltungsanordnung ist also mit dem Gate-Anschluss des ersten Transistors der vorletzten Schaltungsanordnung der Reihenschaltung verbunden. Der Stromeingangsanschluss der vorletzten in der Reihenschaltung angeordneten Stromsenke ist mit dem Anschluss des ersten Transistor der drittletzten Schaltungsanordnung der Reihenschaltung verbunden usw.The current input terminals of the current sinks are each connected to the gate terminal of the first transistor of the circuit arrangement, which is arranged in the series circuit before the circuit arrangement having the current sink. The current input terminal of the current sink of the last circuit arranged in the series circuit is therefore connected to the gate terminal of the first transistor of the penultimate circuit arrangement of the series circuit. The current input terminal of the next-to-last current sink arranged in the series connection is connected to the terminal of the first transistor of the third-last circuit arrangement of the series connection, etc.
Die Stromausgangsanschlüsse der Stromsenken sind jeweils mit dem Source-Anschluss des ersten Transistors verbunden, dessen Drain-Anschluss mit dem Stromsteueranschluss der betreffenden Stromsenke verbunden ist.The current output terminals of the current sinks are each connected to the source terminal of the first transistor whose drain terminal is connected to the current control terminal of the respective current sink.
Zum Einschalten der Stromversorgung wird mittels des Signalgebers ein Signal an den Steueranschluss der am Ende der Reihenschaltung angeordneten Schaltungsanordnung angelegt, durch welches der erste Transistor dieser Schaltungsanordnung leitend wird. Dabei fällt das Potential am Drain des ersten Transistors und somit am Stromsteueranschluss der Stromsenke dieser Schaltungsanordnung ab. Hierdurch sperrt die Stromsenke der am Ende der Reihenschaltung angeordneten Schaltungsanordnung.For switching on the power supply, a signal is applied to the control terminal of the arranged at the end of the series circuit arrangement by means of the signal generator, through which the first transistor of this circuit arrangement becomes conductive. In this case, the potential drops at the drain of the first transistor and thus at the current control terminal of the current sink of this circuit arrangement. As a result, the current sink blocks the circuit arrangement arranged at the end of the series connection.
Dadurch dass die Stromsenke sperrt, wird dem Gate-Anschluss des ersten Transistors der vorletzten Schaltungsanordnung der Reihenschaltung kein Strom mehr entzogen, so dass die Spannung an dessen Gate-Anschluss ansteigt. Dadurch wird auch der erste Transistor der vorletzten Schaltungsanordnung der Reihenschaltung leitend. Danach werden in entsprechender Weise die ersten Transistoren der verbleibenden Schaltungsanordnung nacheinander durchgeschaltet.As a result of the fact that the current sink is blocked, no current is withdrawn from the gate connection of the first transistor of the penultimate circuit arrangement of the series connection, with the result that the voltage at the gate terminal thereof rises. As a result, the first transistor of the penultimate circuit arrangement of the series circuit becomes conductive. Thereafter, the first transistors of the remaining circuit are successively switched through in a corresponding manner.
Da die ersten Transistoren nicht für die volle, zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss der Stromversorgung anliegenden Spannung dimensioniert sind und beim Durchschalten des ersten Transistors der am Ende der Reihenschaltung angeordneten Schaltungsanordnung die an den Drain-Source-Strecken der zunächst noch gesperrten ersten Transistoren der restlichen Schaltungsanordnungen der Reihenschaltung ansteigt, weisen die Schaltungsanordnungen jeweils eine Spannungsbegrenzungseinrichtung auf, welche die Drain-Source-Spannung des ersten Transistors der betreffenden Schaltungsanordnung auf einen Wert begrenzt, der kleiner ist als die maximal zulässige Drain-Source-Spannung der ersten Transistors. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung hat zu diesem Zweck eine Reihenschaltung aus drei Zenerdioden und einem Widerstand, welche den Drain-Anschluss mit dem Gate-Anschluss des betreffenden ersten Transistors verbindet.Since the first transistors are not dimensioned for the full, applied between the input terminal and the output terminal of the power supply voltage and when switching through the first transistor of the arranged at the end of the series circuit arranged at the drain-source paths of the first still locked first transistors of the remaining Circuit arrangements of the series circuit increases, the circuit arrangements each have a voltage limiting device, which the drain-source voltage of the first transistor the circuit concerned limited to a value which is smaller than the maximum allowable drain-source voltage of the first transistor. The voltage limiting device has for this purpose a series circuit of three zener diodes and a resistor which connects the drain terminal to the gate terminal of the respective first transistor.
Da beim Betrieb des Plasmas ein sogenannter ARC oder Überschlag im Plasma auftreten kann, der einen plötzlichen Anstieg des Laststroms zur Folge haben kann, weisen die einzelnen Schaltungsanordnungen jeweils eine Strombegrenzung auf, welche den Laststrom im ersten Transistor der betreffenden Schaltungsanordnung auf einen Wert begrenzt, der kleiner ist als der maximal zulässige Drain-Source-Strom des ersten Transistors. Die Strombegrenzung hat einen zweiten Transistor, dessen Basis-Emitter-Strecke parallel zu einem in den Laststrompfad geschalteten Shunt angeordnet ist. Der Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors ist über einen Widerstand mit dem Gate des ersten Transistors der betreffenden Schaltungsanordnung verbunden. Wenn der Laststrom am Shunt einen Spannungsabfall bewirkt, der groß genug ist, um den Transistor durchzuschalten, fließt über den Widerstand ein Strom, der das Potential am Gate-Anschluss des ersten Transistors reduziert und damit die Leitfähigkeit der Drain-Source-Strecke des ersten Transistors herabsetzt. Dadurch wird der Laststrom begrenzt.Since during operation of the plasma a so-called ARC or flashover in the plasma can occur, which can result in a sudden increase in the load current, the individual circuit arrangements each have a current limit which limits the load current in the first transistor of the relevant circuit arrangement to a value which is smaller than the maximum allowable drain-source current of the first transistor. The current limiting has a second transistor whose base-emitter path is arranged parallel to a shunt connected in the load current path. The collector terminal of the second transistor is connected via a resistor to the gate of the first transistor of the relevant circuit arrangement. When the load current at the shunt causes a voltage drop which is large enough to turn on the transistor, a current flows through the resistor, which reduces the potential at the gate terminal of the first transistor and thus the conductivity of the drain-source path of the first transistor decreases. This limits the load current.
Ein Nachteil der Stromversorgung besteht noch darin, dass diese aufgrund des sequentiellen Schaltens der ersten Transistoren nur eine begrenzte Schaltgeschwindigkeit ermöglicht. Dies kann zu Prozessstörungen sowie Fehlern an einem mit dem Plasma zu bearbeitenden Werkstück führen, insbesondere wenn aufgrund der geringen Schaltgeschwindigkeit zu viel Energie in das Plasma eingebracht wird.A disadvantage of the power supply is that it allows only a limited switching speed due to the sequential switching of the first transistors. This can lead to process disturbances and errors on a workpiece to be machined with the plasma, in particular if too much energy is introduced into the plasma due to the low switching speed.
Ungünstig ist außerdem, dass nach dem Ausschalten des Laststroms noch ein Ruhestrom im Laststrompfad fließen muss, um den Schaltzustand zu halten. Dies kann zu Problemen bei verschiedenen Lastzuständen führen.Unfavorable is also that after switching off the load current still a quiescent current must flow in the load current path to maintain the switching state. This can lead to problems with different load conditions.
Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Stromversorgung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine hohe Schaltgeschwindigkeit ermöglicht und bei der im ausgeschalteten Zustand ein Ruhestrom im Laststrompfad vermieden wird. Außerdem soll die Stromversorgung einen kompakten Aufbau ermöglichen.It is therefore an object to provide a power supply of the type mentioned, which allows a high switching speed and in the off state, a quiescent current in the load current path is avoided. In addition, the power supply should allow a compact design.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese sehen vor, dass die Stromversorgung zumindest eine erste und eine zweite Hilfsspannungsquelle aufweist, die jeweils Eingangsanschlüsse für eine Wechselspannung und Ausgangsanschlüsse für eine mittels einer Gleichrichterschaltung aus der Wechselspannung erzeugte Steuerspannung aufweist, dass die Ausgangsanschlüsse der ersten Hilfsspannungsquelle mit den Steueranschlüssen mindestens einer ersten Schaltungsanordnung und die Ausgangsanschlüsse der zweiten Hilfsspannungsquelle mit den Steueranschlüssen mindestens einer zweiten Schaltungsanordnung verbunden sind, dass jede Hilfsspannungsquelle jeweils einen Steuersignaleingang zum Anlegen eines Steuersignals hat und derart ausgestaltet ist, dass die Steuerspannung in Abhängigkeit von dem Steuersignal an den Ausgangsanschlüssen der betreffenden Hilfsspannungsquelle aktivierbar und deaktivierbar ist, dass die Stromversorgung eine Kettenschaltung hat, die zumindest einen ersten und einen zweiten Übertrager umfasst, der jeweils eine Eingangswicklung und eine induktiv damit gekoppelte Ausgangswicklung hat, dass Wicklungsanschlüsse der Eingangswicklung des ersten Übertragers der Kettenschaltung mit einer Wechselspannungsquelle und Wicklungsanschlüsse der Ausgangswicklung des ersten Übertragers mit den Eingangsanschlüssen der ersten Hilfsspannungsquelle sowie Wicklungsanschlüssen der Eingangswicklung eines zweiten Übertragers der Kettenschaltung verbunden sind, dass Wicklungsanschlüsse der Ausgangswicklung des zweiten Übertragers mit den Eingangsanschlüssen der zweiten Hilfsspannungsquelle verbunden sind, dass die Stromversorgung einen Koppler aufweist, der einen Eingang und einen galvanisch davon getrennten Ausgang für ein veränderliches Steuersignal hat, und dass der Eingang mit einem Steuersignalgeber in Steuerverbindung steht und mit dem Steuersignaleingang der ersten Hilfsspannungsquelle verbunden ist, und dass der Ausgang mit dem Steuersignaleingang der zweiten Hilfsspannungsquelle verbunden ist.This object is achieved with the features of claim 1. These provide that the power supply has at least a first and a second auxiliary voltage source, each having input terminals for an AC voltage and output terminals for a generated by means of a rectifier circuit from the AC voltage control voltage that the output terminals of the first auxiliary voltage source to the control terminals at least one first circuit and the output terminals of the second auxiliary voltage source are connected to the control terminals of at least one second circuit arrangement, each auxiliary voltage source has a control signal input for applying a control signal and is designed such that the control voltage can be activated and deactivated in dependence on the control signal at the output terminals of the relevant auxiliary voltage source, that the power supply has a derailleur comprising at least a first and a second transformer, each an input winding and an inductively coupled output winding has winding terminals of the input winding of the first transformer of the derailleur connected to an AC voltage source and winding terminals of the output winding of the first transformer to the input terminals of the first auxiliary voltage source and winding terminals of the input winding of a second transformer of the derailleur that winding terminals of Output winding of the second transformer are connected to the input terminals of the second auxiliary voltage source, that the power supply has a coupler having an input and a galvanically separated therefrom output for a variable control signal, and that the input is in control connection with a control signal generator and the control signal input of first auxiliary voltage source is connected, and that the output is connected to the control signal input of the second auxiliary voltage source is t.
In vorteilhafter Weise müssen aufgrund der durch die Übertrager und den Koppler gebildeten aktiven Kettenschaltung nur die Eingangs- und Ausgangswicklungen des ersten Übertragers der Kettenschaltung gegen die volle an dem Laststrompfad und der damit in Reihe geschalteten Last abfallende Hochspannung isoliert werden. Der mindestens eine weitere Übertrager der Kettenschaltung muss dagegen nur gegen die an der ihm zugeordneten Schaltungsanordnung abfallende Spannung isoliert werden. Diese ermöglicht kleine Isolationsabstände und somit einen platzsparenden Aufbau der Stromversorgung.Advantageously, due to the active derailleur formed by the transformers and the coupler, only the input and output windings of the first transformer of the derailleur must be isolated from the full high voltage dropped across the load current path and the load connected in series therewith. On the other hand, the at least one further transformer of the derailleur must only be isolated from the voltage dropping across its associated circuitry. This allows small insulation distances and thus a space-saving construction of the power supply.
Da das den Schaltvorgang der ersten Transistoren auslösende Steuersignal über den Koppler oder – wenn die Stromversorgung mehr als zwei Hilfsspannungsquellen bzw. mehr als zwei in Reihe geschaltete Schaltungsanordnungen aufweist – über eine Reihenschaltung aus mehreren in Reihe geschalteten Kopplern schnell an die Steuereingänge angelegt werden kann, tritt beim Schalten des Laststroms zwischen den an den Gate-Anschlüssen der in Reihe geschalteten ersten Transistoren anliegenden Gatespannungen nur eine sehr geringe Phasen- bzw. Signalverschiebung auf. Dies ermöglicht ein schnelles Ein- und Ausschalten des Laststroms.Since the control signal triggering the switching operation of the first transistors can be applied via the coupler or, if the power supply has more than two auxiliary voltage sources or more than two series-connected circuit arrangements, to the control inputs via a series connection of several series-connected couplers when switching the Load current between the voltage applied to the gate terminals of the series-connected first transistors gate voltages only a very small phase or signal shift on. This allows a fast switching on and off of the load current.
Dadurch, dass die zum Ein- und Ausschalten des Laststroms benötigten Steuerspannungen von Hilfsspannungsquellen erzeugt werden, die von einer vom Stromfluss in dem Laststrompfad unabhängigen Wechselspannungsquelle gespeist werden, ermöglicht die Stromversorgung ein vollständiges Abschalten des Laststroms. Ein Ruhestrom im Laststrompfad wird vermieden.The fact that the control voltages required for switching the load current on and off are generated by auxiliary voltage sources, which are fed by an AC voltage source independent of the current flow in the load current path, enables the power supply to completely switch off the load current. A quiescent current in the load current path is avoided.
Bei Bedarf kann der Steuersignalgeber in eine der in Reihe geschalteten Schaltungsanordnungen integriert sein und insbesondere galvanisch leitend mit Bauelementen dieser Schaltungsanordnung verbunden sein. So ist es beispielsweise denkbar, dass der Steuersignalgeber ein Monoflop aufweist, das beim Detektieren eines Überstroms im Laststrompfad getriggert wird, um den Laststrom für ein vorbestimmte Zeitdauer abzuschalten. Hierdurch kann beim Auftreten eines ARC in dem von der Stromversorgung gespeisten Plasma, Lichtbogen oder Elektronenstrahl der Energieeintrag in das Plasma, den Lichtbogen bzw. den Elektronenstrahl reduziert werden.If required, the control signal generator can be integrated into one of the series-connected circuit arrangements and, in particular, can be connected in an electrically conductive manner to components of this circuit arrangement. For example, it is conceivable that the control signal generator has a monoflop, which is triggered upon detection of an overcurrent in the load current path in order to switch off the load current for a predetermined period of time. As a result, when an ARC occurs in the plasma, arc or electron beam fed by the power supply, the energy input into the plasma, the arc or the electron beam can be reduced.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Steuersignaleingang der ersten Hilfsspannungsquelle indirekt über einen weiteren Koppler mit dem Steuersignalgeber verbunden ist, wobei der weitere Koppler einen mit dem Steuersignalgeber verbundenen Eingang und einen galvanisch davon getrennten Ausgang hat, der mit dem Steuersignaleingang der ersten Hilfsspannungsquelle verbunden ist. Der Steuersignalgeber ist dann über den weiteren Koppler galvanisch gegen die an dem Laststrompfad und der damit in Reihe geschalteten Last abfallende Hochspannung isoliert. Dadurch ist es möglich, den Laststrom auf einfache Weise mittels eines externen Signals ein- oder auszuschalten.In a preferred embodiment of the invention, the control signal input of the first auxiliary voltage source is indirectly connected via a further coupler to the control signal generator, wherein the further coupler has an input connected to the control signal generator and a galvanically separate output, which is connected to the control signal input of the first auxiliary voltage source , The control signal generator is then galvanically isolated via the further coupler against the high voltage dropping across the load current path and the load connected in series therewith. This makes it possible to turn on or off the load current in a simple manner by means of an external signal.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Koppler als Optokoppler ausgestaltet. Dies ermöglicht geringe Laufzeiten in der Signalübertragung zwischen dem Steuersignalgeber und dem Steuersignaleingang und somit ein schnelles Schalten des Laststroms. Außerdem ergeben sich kompakte Abmessungen der Koppler.In an advantageous embodiment of the invention, the at least one coupler is designed as an optocoupler. This allows low transit times in the signal transmission between the control signal generator and the control signal input and thus a fast switching of the load current. In addition, compact dimensions of the coupler arise.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Transistor als Feldeffekttransistor mit einem Drain-, einem Source- und einem Gate-Anschluss ausgebildet ist, dass die Strombegrenzungseinrichtungen der Schaltungsanordnungen jeweils einen zweiten Transistor aufweisen, der einen Stromeingang, einen Stromausgang und einen Steuereingang hat, dass der Drain-Anschluss mit dem Eingang der betreffenden Schaltungsanordnung verbunden ist, der Gate-Anschluss mit dem Stromeingang des zweiten Transistors und der Stromausgang des zweiten Transistors mit dem Ausgang der betreffenden Schaltungsanordnung verbunden ist, dass die Strombegrenzungseinrichtungen der Schaltungsanordnungen jeweils eine Stromsenke mit einem Stromeingangsanschluss und einem Stromausgangsanschluss aufweist, dass der Stromeingangsanschluss mit dem Source-Anschluss des ersten Transistors der betreffenden Schaltungsanordnung und der Stromausgangsanschluss mit dem Stromeingang des zweiten Transistors der betreffenden Schaltungsanordnung verbunden ist, und dass die Stromsenke über eine Rückkopplung derart mit dem Gate-Anschluss des ersten Transistors der betreffenden Schaltungsanordnung in Steuerverbindung steht, dass bei einem Anstieg des vom Source-Anschluss über die Stromsenke zum Ausgang der Schaltungsanordnung fließenden Stroms das Potential am Gate-Anschluss des ersten Transistors im Sinne einer Abnahme der Leitfähigkeit der Drain-Source-Strecke des ersten Transistors verändert wird. Dies ermöglicht einen einfachen und robusten Aufbau der Stromversorgung.In a development of the invention, it is provided that the first transistor is designed as a field-effect transistor with a drain, a source and a gate connection, that the current-limiting devices of the circuit arrangements each have a second transistor having a current input, a current output and a control input has, that the drain terminal is connected to the input of the respective circuit arrangement, the gate terminal is connected to the current input of the second transistor and the current output of the second transistor is connected to the output of the relevant circuit arrangement, that the current limiting devices of the circuit arrangements each having a current sink a current input terminal and a current output terminal, that the current input terminal with the source terminal of the first transistor of the respective circuit arrangement and the current output terminal with the current input of the second transistor of the relevant nden circuit arrangement is connected, and that the current sink is connected via a feedback in such a manner with the gate terminal of the first transistor of the circuit in question, that with an increase in the current flowing from the source terminal via the current sink to the output of the circuit current, the potential at the gate Terminal of the first transistor is changed in the sense of a decrease in the conductivity of the drain-source path of the first transistor. This allows a simple and robust construction of the power supply.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Transistor jeder Schaltungsanordnung jeweils ein Verarmungstyp-Feldeffekttransistor. Dadurch leitet dieser, wenn keine Spannung zwischen Drain- und Gate-Anschluss anliegt. Somit benötigen die Schaltungsanordnungen keinen Widerstand zwischen Drain- und Gate-Anschluss, d. h. während des Stromflusses durch die Drain-Source-Strecke des ersten Transistors liegt nur eine entsprechend geringe Drain-Source-Spannung am ersten Transistor an. In vorteilhafter Weise tritt an der Schaltungsanordnung dadurch während des Betriebs nur eine geringe Verlustleistung auf. Der Wegfall Widerstands zwischen Drain- und Gate-Anschluss ermöglicht insbesondere bei einer Stromversorgung, bei der mit den Schaltungsanordnungen hohe Spannungen geschaltet werden sollen, einen platzsparenden Aufbau der einzelnen Schaltungsanordnungen.In a preferred embodiment of the invention, the first transistor of each circuit arrangement is a depletion mode field effect transistor. As a result, it conducts when there is no voltage between the drain and gate connections. Thus, the circuitry does not require a resistor between the drain and gate terminals, i. H. during the current flow through the drain-source path of the first transistor, only a correspondingly low drain-source voltage is applied to the first transistor. Advantageously, only a small power loss occurs during operation on the circuit arrangement. The elimination of resistance between drain and gate connection makes possible a space-saving construction of the individual circuit arrangements, in particular in the case of a power supply in which high voltages are to be switched with the circuit arrangements.
Der Verarmungstyp-Feldeffekttransistor hat außerdem den Vorteil, dass bei einem Anstieg des Stromflusses durch den ersten Transistor eine Gegenkopplung auftritt, die eine schnelle Begrenzung des Laststromes ermöglicht. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines Lichtbogens, Plasmas oder Elektronenstrahls wird dadurch ein geringer und gleichmäßiger Energieeintrag in den Prozess und somit ein gutes und störstellenfreies Bearbeitungsergebnis ermöglicht. Durch die schnelle Begrenzung des Laststromes können außerdem im praktischen Betrieb EMV-Störungen in Regel-, Schnittstellen- und Steuerschaltkreisen, die mit der Schaltungsanordnung zusammenwirken oder räumlich zu dieser benachbart sind, weitestgehend vermieden. Dies ermöglicht eine sichere Prozessführung.The depletion-type field-effect transistor also has the advantage that negative feedback occurs when the current flow through the first transistor increases, allowing for a fast limitation of the load current. When using the circuit arrangement according to the invention for the power supply of an arc, plasma or electron beam, thereby a low and uniform energy input into the process and thus a good and trouble-free processing result is possible. Due to the fast limitation of the load current, EMI interferences in control, interface and in practical operation can also be avoided Control circuits that interact with the circuitry or spatially adjacent to this, largely avoided. This enables secure process management.
Vorteilhaft ist, wenn die Spannungsbegrenzungseinrichtungen der Schaltungsanordnungen jeweils einen ersten Strompfad aufweisen, über den der Gate-Anschluss der betreffenden Schaltungsanordnung mit dem Source-Anschluss der betreffenden Schaltungsanordnung verbunden ist, und wenn der erste Strompfad derart ausgestaltet ist, dass an ihm bei einem Stromfluss ein Spannungsabfall auftritt. Bei einem Stromfluss über die Stromeingang-Stromausgang-Strecke des zweiten Transistors tritt dann ein Spannungsabfall am ersten Strompfad auf, der die zum Begrenzen des Laststroms benötigte Gate-Source-Spannung für den ersten Transistors erzeugt.It is advantageous if the voltage limiting devices of the circuit arrangements each have a first current path, via which the gate terminal of the relevant circuit arrangement is connected to the source terminal of the relevant circuit arrangement, and if the first current path is configured such that it is connected to it during a current flow Voltage drop occurs. When current flows through the current input current output path of the second transistor, a voltage drop then occurs at the first current path, which generates the gate-source voltage required for limiting the load current for the first transistor.
Zweckmäßigerweise ist in dem ersten Strompfad ein erster elektrischer Widerstand angeordnet ist, wobei vorzugsweise parallel zu dem Widerstand eine erste Zenerdiode geschaltet ist. Dies ermöglicht einen einfachen und kostengünstigen Schaltungsaufbau.Conveniently, in the first current path, a first electrical resistance is arranged, wherein preferably a first Zener diode is connected in parallel to the resistor. This allows a simple and inexpensive circuit construction.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Spannungsbegrenzungseinrichtungen der Schaltungsanordnungen jeweils einen zweiten Strompfad auf, über den der Gate-Anschluss der betreffenden Schaltungsanordnung mit dem Drain-Anschluss der betreffenden Schaltungsanordnung verbunden ist, wobei in dem zweiten Strompfad eine Zenerdiode und gegebenenfalls ein mit dieser in Reihe geschalteter zweiter elektrischer Widerstand angeordnet ist. Wenn der erste Transistor ein n-Kanal Feldeffekttransistor ist, wird die Zenerspannung der Zehnerdiode so dimensioniert, dass beim Auftreten einer hohen Spannung zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Schaltungsanordnung die Zenerdiode durchschaltet. Dies verursacht einen Stromfluss in dem zweiten Strompfad, der einen Potentialanstieg am Gate-Anschluss des ersten Transistors bewirkt. Dadurch nimmt die Leitfähigkeit der Drain-Source-Strecke ab und die Drain-Source-Spannung des ersten Transistors wird begrenzt.In a preferred embodiment of the invention, the voltage limiting devices of the circuit arrangements each have a second current path, via which the gate terminal of the relevant circuit arrangement is connected to the drain terminal of the relevant circuit arrangement, wherein in the second current path a zener diode and optionally one with this in Row connected second electrical resistance is arranged. When the first transistor is an n-channel field effect transistor, the zener voltage of the diode of ten is dimensioned such that when a high voltage occurs between the input and the output of the circuit, the zener diode turns on. This causes a current flow in the second current path which causes a potential rise at the gate terminal of the first transistor. As a result, the conductivity of the drain-source path decreases and the drain-source voltage of the first transistor is limited.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Strombegrenzungseinrichtungen der Schaltungsanordnungen jeweils einen dritten elektrischen Widerstand auf, über den der Gate-Anschluss mit dem Stromeingang des zweiten Transistors der betreffenden Schaltungsanordnung verbunden ist, wobei zu dem dritten Widerstand ein Kondensatorelement parallel geschaltet ist. Durch den Kondensator kann der Laststrom mit hoher Dynamik begrenzt werden.In an advantageous embodiment of the invention, the current limiting devices of the circuit arrangements each have a third electrical resistance, via which the gate terminal is connected to the current input of the second transistor of the relevant circuit arrangement, to the third resistor, a capacitor element is connected in parallel. By the capacitor, the load current can be limited with high dynamics.
Bei Bedarf kann mindesten eine Induktivität in den Laststrompfad und/oder mit diesem in Reihe geschaltet sein. Bei Simulationen wurde festgestellt, dass der Strom aufgrund der Miller-Kapazität zwischen Drain- und Source-Anschluss mehrere Ampere betragen kann. Durch die Induktivität(en) wird die Stromanstiegsgeschwindigkeit und damit der Laststrom begrenzt. Um Schwingungen zu vermeiden, sollte parallel zu der mindestens einen Induktivität eine Freilaufdiode geschaltet sein,.If necessary, at least one inductor may be connected in series with the load current path and / or with it. In simulations it has been found that the current can be several amperes due to the Miller capacitance between drain and source. Due to the inductance (s), the current slew rate and thus the load current is limited. In order to avoid vibrations, a freewheeling diode should be connected in parallel with the at least one inductance.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing. It shows:
Eine in
Außerdem hat jede Schaltungsanordnung
Die Stromversorgung
Die Ausgangsanschlüsse
Zum Anlegen eines Steuersignals hat jede Hilfsspannungsquelle
Wie in
Die Wicklungsanschlüsse der Ausgangswicklung
Die Stromversorgung
Ein Steuersignalgeber
Bei dem in
Die Spannungsüberwachungseinrichtung
Mit Hilfe der Spannungsüberwachungseinrichtung
Mit Hilfe der Stromüberwachungseinrichtung
Während sich der Steuersignalgeber
Wenn sich der Steuersignalgeber
Bei dem in
Bei dem in
Bei der in
In
Die Spannungsbegrenzungseinrichtungen
Die Spannungsbegrenzungseinrichtungen
Die Strombegrenzungseinrichtung
Die Stromsenke weist ein erstes Transistorelement
Außerdem ist der Steuereingang
Der Steuereingang
Zwischen Stromeingangs- und Stromausgangsanschluss der Stromsenke fällt eine Spannung von etwa 0,8 V ab. Dies ist durch das erste Transistorelement
Der zweite Transistor
Nachfolgend wird die Arbeitsweise der Schaltungsanordnungen
Ab einem Spannungsabfall von etwa 0,6 V am vierten Widerstand
From a voltage drop of about 0.6 V on the
Je mehr Strom über den ersten Transistor
Die Anzahl der in Reihe geschalteten Schaltungsanordnungen
Jeder Schaltungsanordnung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10216707 C1 [0002] DE 10216707 C1 [0002]
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2016
- 2016-04-13 DE DE102016004332.6A patent/DE102016004332B4/en active Active
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