DE102018114437A1 - High-voltage DC power supply circuit - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten hochspannungsgetrennten DC-DC-Wandlerblöcken offenbart. Jeder Block beinhaltet eine Primäreinheit, die Folgendes umfasst: einen Wechselrichter, der Eingang von einer DC-Link empfängt und den Eingang in Hochfrequenzspannung umwandelt; einen Hochfrequenztransformator, der Hochfrequenzspannung vom Wechselrichter für Hochspannungs-DC-Trennung empfängt und die Hochfrequenzspannung zu einer Sekundäreinheit überträgt; und die Sekundäreinheit zum Umwandeln der Hochfrequenzspannung in eine Gleichspannung. Jeder Block ist so konfiguriert, dass er eine feste Gleichspannung erzeugt, und ist zum Liefern von Strom bemessen, der gleich dem Ausgangsnenngleichstrom ist. Ein oder mehrere der Blöcke werden durch Ein- oder Ausschalten von Hochgeschwindigkeits-Serienfestkörperschaltern freigegeben oder gesperrt, um die gewünschte DC-Ausgangsspannung zu erzeugen.A circuit is disclosed for a high voltage DC power supply having a plurality of series connected high voltage isolated DC-DC converter blocks. Each block includes a primary unit comprising: an inverter receiving input from a DC link and converting the input to high frequency voltage; a high frequency transformer receiving high frequency voltage from the high voltage DC isolation inverter and transmitting the high frequency voltage to a secondary unit; and the secondary unit for converting the high-frequency voltage into a DC voltage. Each block is configured to generate a fixed DC voltage and is sized to provide current equal to the nominal output DC current. One or more of the blocks are enabled or disabled by turning on or off high speed series solid state switches to produce the desired DC output voltage.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet Hochspannungsgleichstrom-(DC)-Versorgung. Die vorliegende Offenbarung stellt insbesondere einen Stromkreis für Hochspannungs-Hochleistungsstromversorgung bereit.The present disclosure relates to the field of high voltage direct current (DC) power supply. In particular, the present disclosure provides a high voltage, high power power supply circuit.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Die Hintergrundbeschreibung enthält Informationen, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich sein können. Sie ist kein Zugeständnis, dass hierin gegebene Informationen Stand der Technik oder relevant für die derzeit beanspruchte Erfindung sind oder dass eine speziell oder implizit referenzierte Veröffentlichung Stand der Technik ist.The background description contains information that may be useful in understanding the present invention. It is not an admission that any information herein is prior art or relevant to the presently claimed invention or that a specifically or implicitly referenced publication is prior art.

Hochspannungsgleichstromversorgungen (HVPSs) auf der Basis von tetrodengestützten Vakuumröhren wurden als eine Art von Regulierungskonfiguration in Neutralstrahl-(NB)-Systemen zum Extrahieren und Beschleunigen der Ionenstrahlen benutzt. Während solche Versorgungen auf Vakuumröhrenbasis robust mit hochstabilem Ausgang sind, haben sie einige Nachteile wie Sperrigkeit, Notwendigkeit mehrerer Zusatzsysteme für einen ordnungsgemäßen Betrieb und geringer Betriebswirkungsgrad. Auch verursacht elektrischer Ausfall den Verschleiß von Kathoden und Elektroden darin, wenn die abgeladene Energie über die empfohlenen Grenzen hinausgeht. So werden kritische Subsysteme zum Schützen der Vakuumröhre selbst benötigt. Darüber hinaus nutzen die Vakuumröhren aufgrund von Fadenbruch auch ab. Daher führen Vakuumröhren in solchen Systemen zu erheblichen Wartungsausgaben und müssen nach einer bestimmten Betriebsstundenzahl ausgetauscht werden.High-voltage DC power supplies (HVPSs) based on tetrode-supported vacuum tubes have been used as a type of regulatory configuration in neutral beam (NB) systems for extracting and accelerating ion beams. While such vacuum tube based supplies are rugged with highly stable output, they have some disadvantages such as bulkiness, the need for multiple auxiliary systems for proper operation, and low operating efficiency. Also, electrical failure causes wear of cathodes and electrodes therein when the energy drained exceeds the recommended limits. So critical subsystems are needed to protect the vacuum tube itself. In addition, the vacuum tubes also exploit due to yarn breakage. Therefore, vacuum tubes in such systems result in significant maintenance expenditures and must be replaced after a certain number of operating hours.

Es wurden auch Hochspannungsgleichstromversorgungen auf der Basis von Halbleiterschaltern in verschiedenen Arten von Regulierungskonfigurationen in NB-Systemen eingesetzt. Zum Beispiel, das indische Patent Nr. 206556 und das US-Patent Nr. US9041288B2 offenbaren Pulsschrittmodulation (PSM) auf der Basis von Hochspannungsstromversorgungen. Das US-Patent Nr. 5638263A offenbart eine Gleichstromversorgung für niedrige und mittlere Gleichspannungslasten mit hohem Stromfluss zur DC-Last mit multisekundärem Transformator, Chopper und Strom-Controller. Das US-Patent Nr. 2016/0073298 A1 offenbart verschiedene Leistungswandlungsverfahren für Niederspannungsanwendungen. Außerdem entwickelt die Veröffentlichung mit dem Titel ‚130 kV 130 A High voltage switching mode power supply for neutral beam plasma heating: design issues‘ (Fusion Engineering and Design 66/68 (2003) 615/620 von M/s Jema, nachfolgend als die Jema-Offenbarung bezeichnet) eine Multimodul-Hochleistungs-Hochspannungsstromversorgung mit einer Wechselrichter-, Transformator-, Gleichrichter-Konfiguration mit Regelung auf der Wechselrichterseite unter Verwendung von Feedback-Spannung, aber Vorsteuerung.Also, high voltage DC power supplies based on semiconductor switches have been used in various types of regulatory configurations in NB systems. For example, that Indian Patent No. 206556 and US Pat. US9041288B2 disclose pulse step modulation (PSM) based on high voltage power supplies. The U.S. Patent No. 5,638,263A discloses a DC power supply for low and medium DC loads with high current flow to the DC load with multisecondary transformer, chopper and current controller. The U.S. Patent No. 2016/0073298 A1 discloses various power conversion techniques for low voltage applications. In addition, the paper entitled '130 kV 130 A high voltage switching mode power supply for neutral beam plasma heating: design issues' (Fusion Engineering and Design 66 / 68 (2003) 615/620 to M / s Jema, hereinafter referred to as the Jema disclosure) provides a multi-module high power, high voltage power supply having an inverter, transformer, rectifier configuration with inverter side regulation using feedback voltage, but feedforward control.

Während die oben erwähnten Systeme/Geräte auf der Basis von Halbleiterschaltern mehrere Vorteile im Vergleich zu Hochspannungsstromversorgungen auf der Basis von Vakuumröhren (typischerweise Tetrode) bieten, haben sogar HVPSs auf der Basis von Halbleiterschaltern technische Herausforderungen und Beschränkungen.While the above-mentioned semiconductor-based systems / devices offer several advantages over vacuum tube (typically tetrode) high voltage power supplies, even semiconductor-based HVACs have technical challenges and limitations.

Im Falle von Ausfall (BD) oder Lichtbogenbildung in der Last fährt die Ausgangsstufe in diesen HVPSs (und auch in den meisten anderen bekannten HVPS-Systemen) herunter. Das Zurückbringen des Ausgangs auf erforderliche Niveaus erfordert Zeit. Wiederholte Ausfälle sind nicht möglich, ausgenommen in der Jema-Offenbarung, aber auch dort ist die erzielte Frequenz von wiederholten BD niedrig.In case of failure (BD) or arcing in the load, the output stage shuts down in these HVPSs (and also in most other known HVPS systems). Returning the output to required levels requires time. Repeated failures are not possible except in the Jema disclosure, but even there the frequency of repeated BD achieved is low.

Topologien von bekannten Techniken nutzen meistens Vorsteuerung, wobei die Regulierung der Gesamtausgangsspannung der Stromversorgung von der Annahme abhängig ist, dass die Ausgangsspannung jedes Moduls über den gesamten dynamischen Stromausgangsbereich konstant bleibt. Dies ist jedoch in der praktischen Implementation nicht der Fall, wo die Ausgangsspannung jedes Moduls, die wiederum unreguliert ist, mit dem Laststrom variiert. Das US-Patent Nr. US9041288B2 geht diese Beschränkung durch Implementieren von Boost-Konvertern in jedem Modul an, um dadurch die Ausgangsspannung jedes Moduls reguliert zu halten. Diese Topologie erfordert jedoch die Nutzung eines zusätzlichen großen Kondensatorwerts am Ausgang jedes Moduls, was die im Falle von Ausfall oder Lichtbogenbildung wie oben beschrieben abgeladene Energie erhöht. Die Jema-Offenbarung implementiert eine Feedback-Schleife zum Regeln der Ausgangsspannung. Die Regelung erfolgt im Wechselrichterteil, der bei 2,778 kHz moduliert. Daher beträgt die Mindestzeit für Ausgangsspannungsregulierung etwa 360µs, was eine sehr lange Zeitperiode ist.Topologies of prior art techniques mostly use feedforward, with the regulation of the total output voltage of the power supply depending on the assumption that the output voltage of each module remains constant over the entire dynamic current output range. However, this is not the case in the practical implementation where the output voltage of each module, which in turn is unregulated, varies with the load current. US Pat. US9041288B2 Addresses this limitation by implementing boost converters in each module, thereby keeping the output voltage of each module regulated. However, this topology requires the use of an extra large capacitor value at the output of each module, which increases the energy drained in the event of failure or arcing as described above. The Jema disclosure implements a feedback loop for regulating the output voltage. The regulation takes place in the inverter part, which modulates at 2.778 kHz. Therefore, the minimum output voltage regulation time is about 360μs, which is a very long time period.

Darüber hinaus setzen existierende HVPSs komplizierte Steuerlogik- und assoziierte Steuer-Hardware ein und benutzen im Allgemeinen multisekundäre Transformatoren mit kompliziertem/r und kritischem/r Design und Herstellung (einschließlich Kritikalität der Zwischenwicklungskapazität).In addition, existing HVPSs employ sophisticated control logic and associated control hardware and generally use multi-secondary transformers of complicated and critical design and manufacture (including criticality of inter-winding capacity).

Ferner erforderten die meisten bekannten Techniken den Einsatz von hoher Filterkapazität, während die Jema-Offenbarung ein System ohne Filterkondensator implementiert. In der Jema-Offenbarung ist die Welligkeitsreduktion nicht verzögerungsfrei und erfordert etwa 3 ms zum Beruhigen. Darüber hinaus kann, da das System Modulation im Primärmodul bei einer festen Frequenz von 2,778 kHz für niedrigere Ausgangsspannungen nutzt, bei denen der Arbeitszyklus beträchtlich zurückgeht (und dadurch die Ausgangsspannung pulsierend wird), eine niedrige Welligkeit nicht ohne Verwendung eines zusätzlichen Filterkondensators am Ausgang erzielt werden.Further, most known techniques required the use of high filter capacity, while the Jema disclosure implements a system without a filter capacitor. In the Jema disclosure, the ripple reduction is not Delay-free and requires about 3 ms to calm down. In addition, since the system utilizes modulation in the primary module at a fixed frequency of 2.778 kHz for lower output voltages, where the duty cycle decreases significantly (and thereby the output voltage becomes pulsating), low ripple can not be achieved without the use of an additional filter capacitor at the output ,

Da derzeit bekannte Techniken keine Fähigkeit für Ausgangsspannungsmodulation bei hoher Frequenz haben, besteht in der Technik die Notwendigkeit für einen Hochspannungsgleichstromversorgungskreis mit einer einfachen, flexiblen und adaptiven Topologie und einem entsprechenden Steuerkreis. Es besteht in der Technik Bedarf an einem Gerät auf der Basis eines solchen Kreises, das eine weitaus kürzere Mindestzeit für Ausgangsspannungsregulierung bereitstellen und sich nach Einzel-/Mehrfachausfällen schnell erholen kann. Ferner besteht in der Technik Bedarf an dem Gerät, das auch einen Hot-Standby-Modus bereitstellen kann, während die bei jedem Ausfall in die Last abgeladene Energie beschränkt wird, und das die Kapazität für Ausgangsspannungsmodulation hat (eine wichtige Anforderung für NB-Quellen). Es besteht auch der Bedarf, dass das Gerät viel kleiner sein soll als existierende Geräte für dieselben Ausgangsnennleistungen, leicht und schnell herzustellende Komponenten benutzen und leicht skalierbar sein und jede Art von Last, kontinuierlich, stufenmäßig oder mit einem beliebigen Profil, über einen breiten Stromanforderungsbereich bis zu Nulllast handhaben können soll.Since presently known techniques have no capability for high frequency output voltage modulation, there is a need in the art for a high voltage DC power supply circuit with a simple, flexible and adaptive topology and control circuit. There is a need in the art for a device based on such a circuit that can provide a much shorter minimum output voltage regulation time and recover quickly after single / multiple outages. Further, there is a need in the art for the device that can also provide a hot standby mode while limiting the energy drained into the load at each failure, and having the output voltage modulation capacitance (an important requirement for NB sources). , There is also a need for the device to be much smaller than existing devices for the same output ratings, to use easily and quickly manufactured components, and to be easily scalable and any type of load, continuous, step or arbitrary profile, over a wide current demand range to be able to handle zero load.

AUFGABEN DER VORLIEGENDEN OFFENBARUNGTASKS OF THIS DISCLOSURE

Einige der Aufgaben der vorliegenden Offenbarung, die wenigstens eine Ausgestaltung hierin erfüllen, werden nachfolgend hierin aufgeführt.Some of the objects of the present disclosure that satisfy at least one embodiment herein are set forth hereinbelow.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung zum Erzeugen von Hochspannungs-Hochleistungsgleichstrom im Dauermodus bereitzustellen.It is an object of the present disclosure to provide a circuit for a high voltage DC power supply for generating high voltage, high voltage, continuous mode DC power.

Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung bereitzustellen, die auf hohem Potenzial (100kV DC) schweben kann.It is another object of the present disclosure to provide a circuit for a high voltage DC power supply which can float at high potential (100kV DC).

Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung mit der Fähigkeit bereitzustellen, Ausgangsspannung mit einer kurze Anstiegszeit (< 1ms) zu liefern.It is still another object of the present disclosure to provide a circuit for a high voltage DC power supply having the ability to provide output voltage with a short rise time (<1ms).

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung bereitzustellen, die wiederholte Ausfälle/Kurzschlüsse (typischerweise 200 ns) an ihren Ausgangsanschlüssen erkennen und aushalten kann.It is an object of the present disclosure to provide a circuit for a high voltage DC power supply that can detect and endure repeated failures / short circuits (typically 200 ns) at its output terminals.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung bereitzustellen, der Ausgangsgleichspannung mit hoher Geschwindigkeit (< 5 µs) bei Ausfällen/Kurzschlüssen an seinen Ausgangsanschlüssen unterbricht.It is a further object of the present disclosure to provide a high voltage DC power supply circuit that interrupts high speed (<5 μs) DC output voltage in the event of dropouts / short circuits at its output terminals.

Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung bereitzustellen, die Ausgangsgleichspannung für eine feste Zeitperiode (von 100 µs bis 100 s von ms oder darüber hinaus einstellbar) blockiert halten und die Ausgangsgleichspannung wieder zurück auf ihren letzten Sollwert bringen kann.It is still another object of the present disclosure to provide a circuit for a high voltage DC power supply that can keep output DC voltage blocked for a fixed period of time (adjustable from 100 μs to 100 s of ms or beyond) and bring the DC output voltage back to its last setpoint ,

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stomkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung bereitzustellen, der die Anzahl von zulässigen Ausfällen/Kurzschlüssen an seinen Ausgangsanschlüssen festlegen, die tatsächlich am Ausgang auftrenden Ausfälle zählen und die Ausgangsgleichspannung unterbrechen kann, wenn die Zahl der tatsächlichen Ausfälle gleich dem Sollwert der zulässigen Ausfälle ist.It is an object of the present disclosure to provide a high voltage DC power supply circuit that sets the number of allowable failures / short circuits at its output terminals that can actually count out-of-output failures and break the DC output voltage if the number of actual failures equals the setpoint the permissible failures.

Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung mit optimiertem Design bereitzustellen, um die bei einem Fehler bei Ausfall/Kurzschluss abgeladene Energie auf < 10J zu begrenzen.It is another object of the present disclosure to provide a circuit for a high-voltage DC power supply of optimized design to limit the energy discharged in the event of failure / short circuit to <10J.

Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung mit niedriger Spannungswelligkeit und guter Ausgangsspannungsregulierung bereitzustellen.It is still another object of the present disclosure to provide a high voltage DC power supply circuit circuit with low voltage ripple and good output voltage regulation.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung mit einfacherem HV-Trennsmechanismus bereitzustellen.It is an object of the present disclosure to provide a high voltage DC power supply circuit with a simpler HV disconnect mechanism.

Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung mit einem einfacheren Feedback-Regelsystem zum Regeln des Ausgangs-HVDC bereitzustellen.It is another object of the present disclosure to provide a high voltage DC power supply circuit having a simpler feedback control system for controlling the output HVDC.

Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung mit einer Funktion zum Bereitstellen von Schutz vor Ausgangsüberspannung und -überstrom bereitzustellen.It is still another object of the present disclosure to provide a circuit for a high voltage DC power supply Provide function to provide protection against output overvoltage and overcurrent.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung mit einer Funktion für Ausgangsgleichspannungsmodulation (typischerweise 5 Hz bis 0,5 kHz) bereitzustellen.It is an object of the present disclosure to provide a high voltage DC power supply circuit having a DC output voltage modulation function (typically 5 Hz to 0.5 kHz).

Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung mit hohem (> 85 %) Wirkungsgrad bereitzustellen.It is another object of the present disclosure to provide a circuit for a high voltage (> 85%) high voltage DC power supply.

Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung bereitzustellen, die einen einfachen, flexiblen und adaptierbaren Steuerkreis mit sehr kurzer Reaktionszeit für Ausgangsspannungsregulierung benutzt.It is still another object of the present disclosure to provide a circuit for a high voltage DC power supply that uses a simple, flexible and adaptable control circuit with very short response time for output voltage regulation.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung bereitzustellen, die einen Hot-Standby-Modus hat.It is an object of the present disclosure to provide a high voltage DC power supply circuit having a hot standby mode.

Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung bereitzustellen, der weitaus kleiner ist als existierende Geräte für dieselben Ausgangsnennwerte.It is another object of the present disclosure to provide a circuit for a high voltage DC power supply that is much smaller than existing devices for the same output ratings.

Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung bereitzustellen, die schnell und leicht herstellbare Komponenten benutzt.It is another object of the present disclosure to provide a high voltage DC power supply circuit that uses fast and easy to manufacture components.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Stromkreis für eine Hochspannungsgleichstromversorgung bereitzustellen, die leicht skalierbar ist und die jede Art von Last, kontinuierlich, stufenweise oder mit einem beliebigen Profil, über einen breiten Bereich von Stromanforderungen bis zu Nulllast handhaben kann.It is an object of the present disclosure to provide a circuit for a high voltage DC power supply that is easily scalable and that can handle any type of load, continuously, incrementally or with any profile, over a wide range of current requirements up to no-load.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Hochspannungsgleichstromversorgung, die eine neue Stromkreistopologie zum Erzielen von Leistungen benutzt, die weitaus besser sind als Existierende.The present disclosure relates to a high voltage DC power supply that uses a new circuit topology to achieve performances that are far better than existing ones.

In einem Aspekt erläutert die vorliegende Offenbarung einen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreis, der eine Mehrzahl von in Serie geschalteten hochspannungsgetrennten DC-DC-Wandlerblöcken umfasst, wobei jeder Block Folgendes beinhaltet: eine Primäreinheit mit einem Wechselrichter, der einen Eingang von einer DC-Link erhält und den Eingang in Hochfrequenzspannung umwandelt; einen Hochfrequenztransformator, der die Hochfrequenzspannung vom Wechselrichter für Hochspannungsgleichstromtrennung empfängt und die Hochfrequenzspannung zu einer sekundären Einheit überträgt; und die Sekundäreinheit zum Umwandeln der Hochfrequenzspannung in eine Gleichspannung, wobei die Sekundäreinheit einen Hochfrequenz-Vollbrückengleichrichter, ein Niederkapazitätsfilter, einen Hochgeschwindigkeits-Serienfestkörperschalter und einen Festkörper-Parallelschalter umfasst, wobei jeder Block so bemessen ist, dass er einen Strom gleich dem Ausgangsnenngleichstrom zuführt, und wobei der Ausgang von einem oder mehreren der Blöcke durch Ein- oder Ausschalten der Hochgeschwindigkeits-Serienfestkörperschalter von jeweiligen Blöcken freigegeben oder gesperrt wird, um eine gewünschte Gleichstromausgangsspannung (Vout ) zu erzeugen.In one aspect, the present disclosure illustrates a high voltage DC power supply circuit comprising a plurality of series-connected high-voltage isolated DC-DC converter blocks, each block including: a primary unit having an inverter receiving an input from a DC link; Input to high frequency voltage converts; a high frequency transformer that receives the high frequency voltage from the high voltage DC isolation inverter and transmits the high frequency voltage to a secondary unit; and the secondary unit for converting the high frequency voltage into a DC voltage, the secondary unit comprising a high frequency full bridge rectifier, a low capacity filter, a high speed series solid state switch, and a solid state parallel switch, each block sized to supply a current equal to the nominal DC output current, and wherein the output of one or more of the blocks is enabled or disabled by turning on or off the high speed series solid state switches of respective blocks to achieve a desired DC output voltage (Fig. V out ) to create.

In einem anderen Aspekt können die mehreren Blöcke Vernier-Blöcke und Vollblöcke beinhalten, wobei jeder der Vernier-Blöcke so konfiguriert werden kann, dass er eine DC-Ausgangsspannung gibt, die ein Bruchteil von oder kleiner als die von irgendeinem der Vollblöcke ist, und in Kombination mit einem oder mehreren Vollblöcken benutzt werden kann, um die gewünschte DC-Ausgangsspannung (Vout ) mit minimaler Spannungsauflösung Vmin zu erhalten.In another aspect, the plurality of blocks may include vernier blocks and solid blocks, where each of the vernier blocks may be configured to give a DC output voltage that is a fraction of or less than that of any of the solid blocks, and in FIG Combination with one or more full blocks can be used to set the desired DC output voltage ( V out ) with minimal voltage resolution V min to obtain.

In noch einem anderen Aspekt kann der Stromkreis die gewünschte DC-Ausgangsspannung durch Einschalten von ,n‘ Vollblöcken je nach der Ausgangsgleichspannung, die von jedem Vollblock (Vfull ) gegeben wird, und Einschalten von ,m‘ Vernier-Blöcken auf der Basis der benötigten DC-Restspannung erzielen, so dass: ( V o u t ) = n * V f u l l + i = 1 m V i

Figure DE102018114437A1_0001
wobei Vi die Ausgangsspannung des i-ten Vernier-Blocks ist.In yet another aspect, the circuit may provide the desired DC output voltage by turning on 'n' full blocks according to the DC output voltage of each full block ( V full ) and turn on 'm' vernier blocks based on the required DC residual voltage, such that: ( V O u t ) = n * V f u l l + Σ i = 1 m V i
Figure DE102018114437A1_0001
where V i is the output voltage of the ith vernier block.

In einem Aspekt kann die von einem der Vernier-Blöcke gegebene Mindestspannung als Vvernier-1=Vmin/K) bei Volllast definiert werden, wobei K ein Abfallverhältnis des Hochfrequenztransformators des Vernier-Blocks ist, wobei das Abfallverhältnis V_(no-load /) V_(full-load) ist, wobei
V_(no-load) die sekundäre Spannung des Hochfrequenztransformators des Vernier-Blocks bei Nulllast ist, und
V_(full-load) die sekundäre Spannung des Hochfrequenztransformators des Vernier-Blocks bei Volllast ist.
In one aspect, the minimum voltage given by one of the vernier blocks may be defined as V vernier-1 = V min / K at full load, where K is a decay ratio of the high frequency transformer of the vernier block, where the drop ratio is V_ (no-load / ) V_ (full-load) is, where
V_ (no-load) is the secondary voltage of the high frequency transformer of the Vernier block at no load , and
V_ (full-load) is the secondary voltage of the high frequency transformer of the Vernier block at full load.

In einem anderen Aspekt können die Vernier-Blöcke so konfiguriert sein, dass die Summe von Ausgangsspannungen jedes Vernier-Blocks in der Ausgangsspannung eines Vollblocks resultiert, angegeben durch: V full = V vernier-1 + V vernier-2 + V vernier-3 + + V vernier-n

Figure DE102018114437A1_0002
In another aspect, the vernier blocks may be configured such that the sum of Output voltages of each vernier block in the output voltage of a solid block, indicated by: V full = V vernier-1 + V vernier-2 + V vernier-3 + ... + V vernier-n
Figure DE102018114437A1_0002

In noch einem anderen Aspekt kann die Anzahl von benötigten Vollblöcken durch die folgende Relation angegeben werden: V o u t V f u l l 1

Figure DE102018114437A1_0003
In yet another aspect, the number of required blocks may be given by the following relation: V O u t V f u l l - 1
Figure DE102018114437A1_0003

In einem Aspekt kann der Hochgeschwindigkeits-Serienfestkörperschalter jedes Blocks durch einen Steuerkreis ein- oder ausgeschaltet werden, der eine programmierbare digitale Hauptsteuerung umfasst.In one aspect, the high speed series solid state switch of each block may be turned on or off by a control circuit comprising a programmable master digital controller.

In einem anderen Aspekt kann der Steuerkreis ein Spannungs-Feedback-System benutzen, das von einem schwebenden Spannungssensor empfangenes Signal mit einem benötigten DC-Ausgangsspannungssignal vergleicht, um ein Korrektursignal abzuleiten, auf dessen Basis die programmierbare digitale Hauptsteuerung entscheiden kann, welche DC-DC-Wandlerblöcke ein- oder ausgeschaltet werden müssen, um die gewünschte DC-Ausgangsspannung zu erzeugen.In another aspect, the control circuit may use a voltage feedback system that compares a signal received from a floating voltage sensor with a required DC output voltage signal to derive a correction signal on the basis of which the main programmable digital controller may decide which DC-DC signals to use. Transformer blocks must be turned on or off to produce the desired DC output voltage.

In noch einem anderen Aspekt können im Fall eines Ausfalls an Ausgangsanschlüssen oder wenn der Ausgangsstrom einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, die Sekundäreinheiten von jeweiligen Blöcken, die zu diesem Zeitpunkt eingeschaltet sind, mit hoher Geschwindigkeit innerhalb einer Unterbrechungszeitperiode ausgeschaltet werden und für eine Blockierzeit ausgeschaltet bleiben, nach der die programmierbare digitale Hauptsteuerung die Hochgeschwindigkeits-Serienfestkörperschalter der Sekundäreinheiten einschalten und gleichzeitig die Festkörper-Parallelschalter der Sekundäreinheiten ausschalten kann, um den letzten Sollwert der DC-Ausgangsspannung innerhalb einer kurzen Dauer zu erzielen.In yet another aspect, in the event of a failure at output terminals or when the output current exceeds a predetermined threshold, the secondary units of respective blocks that are turned on at that time may be turned off at high speed within a break time period and remain off for a lock time the main programmable digital controller can turn on the high-speed series solid state switches of the secondary units and simultaneously turn off the solid state parallel switches of the secondary units to achieve the last set point of the DC output voltage within a short period of time.

In einem Aspekt kann die Primäreinheit jedes Blocks einen Vollbrückenwechselrichter beinhalten, der mit einer phasenverschobenen ZVS-(Zero Voltage Switching)-Technik arbeitet.In one aspect, the primary unit of each block may include a full-bridge inverter operating with a ZVS (zero voltage switching) phase-shifted technique.

Verschiedene Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausgestaltungen zusammen mit den Begleitzeichnungen hervor, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Merkmale repräsentieren.Various objects, features, aspects and advantages of the present disclosure will become apparent from the following detailed description of preferred embodiments, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which like reference numerals represent like features.

Figurenlistelist of figures

Die Begleitzeichnungen sind enthalten, um ein tiefer gehendes Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln, und sind in die vorliegende Spezifikation integriert und bilden Bestandteil davon. Die Zeichnungen illustrieren beispielhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung und dienen, zusammen mit der Beschreibung, zum Erläutern der Grundsätze der vorliegenden Offenbarung. Die Diagramme dienen lediglich zur Illustration und sollen somit die vorliegende Offenbarung nicht begrenzen. Dabei zeigt:

  • 1 einen Stromkreis für eine typische RF-angesteuerte Negativionenquelle für eine NB-(Neutralstrahl)-Anwendung;
  • 2A das Gesamtlayout eines vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreises gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung;
  • 2B einen eingehenden Leistungsschalter und eine Gleichrichtungseinheit für den vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreis gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung;
  • 3A ein Modul des vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreises gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung;
  • 3B Schalter-Gate-Pulse eines Wechselrichters des vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreises gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung;
  • 4 ein Steuerschema für den vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreis gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung;
  • 5A bis 5D über grafische Darstellungen die Funktionsweise des Hochgeschwindigkeits-Gleichstromversorgungskreises unter verschiedenen Situationen, gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung;
  • 6A bis 6C Konstruktionsdetails des in dem vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreis benutzten Hochfrequenztransformators gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung;
  • 7 eine Kühlanordnung für einen Transformator, der in dem vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreis benutzt wird, gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung;
  • 8 typische Verbindungen von Primär- und Sekundäreinheiten mit dem Transformator für den vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreis gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung;
  • 9A und 9B eine Gestellanordnung für den vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreis gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung.
The accompanying drawings are included to provide a more thorough understanding of the present disclosure, and are incorporated in and constitute a part of this specification. The drawings illustrate exemplary embodiments of the present disclosure and, together with the description, serve to explain the principles of the present disclosure. The diagrams are for illustration only and thus not intended to limit the present disclosure. Showing:
  • 1 a circuit for a typical RF driven negative ion source for NB (neutral beam) application;
  • 2A the overall layout of a proposed high voltage DC power supply circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure;
  • 2 B an incoming power switch and a rectification unit for the proposed high voltage DC power supply circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure;
  • 3A a module of the proposed high voltage DC power supply circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure;
  • 3B Switch gate pulses of an inverter of the proposed high voltage DC power supply circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure;
  • 4 a control scheme for the proposed high voltage DC power supply circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure;
  • 5A to 5D graphs illustrating the operation of the high-speed DC power supply circuit under various situations, according to an exemplary embodiment of the present disclosure;
  • 6A to 6C Construction details of the high-frequency transformer used in the proposed high-voltage DC power supply circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure;
  • 7 a cooling arrangement for a transformer used in the proposed high voltage DC power supply circuit, according to an exemplary embodiment of the present disclosure;
  • 8th typical connections of primary and secondary units to the transformer for the proposed high voltage DC supply circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure;
  • 9A and 9B a rack assembly for the proposed high voltage DC power supply circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Es folgt eine ausführliche Beschreibung von Ausgestaltungen der in den Begleitzeichnungen dargestellten Offenbarung. Die Ausgestaltungen sind so detailliert, dass sie die Offenbarung deutlich vermitteln. Die Menge an gebotenen Details soll jedoch die vorhergesehenen Variationen von Ausgestaltungen nicht begrenzen, sondern im Gegenteil alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in Wesen und Umfang der vorliegenden Offenbarung wie durch die beigefügten Ansprüche definiert fallen.The following is a detailed description of embodiments of the disclosure illustrated in the accompanying drawings. The embodiments are so detailed that they clearly convey the disclosure. However, the amount of detail provided is not intended to limit the anticipated variations of embodiments, but on the contrary, to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present disclosure as defined by the appended claims.

In einigen Ausgestaltungen sollen Zahlen, die Mengen oder Abmessungen von Teilen und so weiter, die zum Beschreiben und Beanspruchen bestimmter Ausgestaltungen der Erfindung benutzt werden, ausdrücken, in einigen Fällen als um den Begriff „etwa“ modifiziert verstanden werden. Demgemäß sind in einigen Ausgestaltungen die in der schriftlichen Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen dargelegten numerischen Parameter Näherungswerte, die je nach den gewünschten Eigenschaften, die durch eine bestimmte Ausgestaltung erzielt werden sollen, variieren können. In einigen Ausgestaltungen sind die numerischen Parameter im Hinblick auf die Anzahl von gemeldeten signifikanten Stellen und unter Anwendung gewöhnlicher Rundungstechniken zu verstehen. Unabhängig davon, dass die numerischen Bereiche und Parameter, die den breiten Umfang einiger Ausgestaltungen der Erfindung darlegen, Näherungswerte sind, werden die numerischen Werte gemäß den spezifischen Beispielen so präzise wie praktisch möglich angegeben. Die in einigen Ausgestaltungen der Erfindung angegebenen numerischen Werte können bestimmte Fehler enthalten, die unbedingt aus der in ihren jeweiligen Testmessungen gefundenen Standardabweichung resultieren.In some embodiments, numbers that express quantities or dimensions of parts and so forth used to describe and claim certain embodiments of the invention shall, in some cases, be understood as modified by the term "about." Accordingly, in some embodiments, the numerical parameters set forth in the written description and the appended claims are approximations that may vary depending on the desired characteristics to be achieved by a particular embodiment. In some embodiments, the numerical parameters are to be understood in terms of the number of reported significant digits and using ordinary rounding techniques. Notwithstanding that the numerical ranges and parameters that set forth the broad scope of some embodiments of the invention are approximate, the numerical values are given as precisely as practically possible according to the specific examples. The numerical values given in some embodiments of the invention may include certain errors that necessarily result from the standard deviation found in their respective test measurements.

Die Angabe von Wertebereichen hierin soll lediglich als eine schnelle Methode angesehen werden, die sich individuell auf jeden in den Bereich fallenden separaten Wert bezieht. Wenn hierin nichts anderes angegeben ist, ist jeder individuelle Wert in der Spezifikation so integriert, als wäre er individuell darin angegeben. Alle hierin beschriebenen Verfahren können in jeder beliebigen geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, wenn hierin nichts anderes angegeben oder durch den Kontext deutlich etwas Gegenteiliges gesagt ist. Die Verwendung von beliebigen und allen Beispielen oder beispielhafter Sprache (z.B. „wie“), wie mit Bezug auf bestimmte Ausgestaltungen hierin gegeben wird, soll lediglich die Erfindung besser beleuchten und keine Begrenzung des Umfangs der anders beanspruchten Erfindung auferlegen. Keine Sprache in der Spezifikation ist so anzusehen, dass sie ein nicht beanspruchtes Element anzeigt, das für die Umsetzung der Erfindung wesentlich ist.The indication of ranges of values herein is to be considered as a quick method that relates individually to each separate value falling within the range. Unless otherwise stated herein, each individual value in the specification is incorporated as if individually indicated therein. All methods described herein may be performed in any suitable order, unless otherwise stated herein or clearly stated otherwise by the context. The use of any and all examples or exemplary language (e.g., "such") as referred to with respect to particular embodiments herein is intended merely to better illuminate the invention and not to limit the scope of the invention claimed otherwise. No language in the specification is to be construed as indicating an unclaimed element essential to the practice of the invention.

Gruppierungen von alternativen Elementen oder Ausgestaltungen der hierin offenbarten Erfindung sind nicht als Begrenzungen anzusehen. Jedes Gruppenelement kann sich auf andere Elemente der Gruppe oder andere hierin gefundene Elemente beziehen und individuell oder in jeder beliebigen Kombination beansprucht werden. Ein oder mehrere Elemente einer Gruppe können in einer Gruppe aus praktischen Gründen und/oder aus Patentierbarkeitsgründen eingeschlossen sein oder daraus herausgenommen werden. Im Falle eines solchen Einschlusses oder Herausnehmens wird die Spezifikation hierin so angesehen, dass sie die Gruppe so modifiziert enthält, dass sie die schriftliche Beschreibung aller in den beiliegenden Ansprüchen benutzten Gruppen erfüllt.Groupings of alternative elements or embodiments of the invention disclosed herein are not to be considered as limitations. Each group element may refer to other elements of the group or other elements found herein and be claimed individually or in any combination. One or more elements of a group may be included in or removed from a group for practical reasons and / or for patentability reasons. In the event of such inclusion or removal, the specification herein is considered to contain the Group modified to conform to the written description of all groups used in the appended claims.

In der nachfolgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, um ein tief greifendes Verständnis von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Es wird für die Fachperson offensichtlich sein, dass Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ohne einige dieser spezifischen Details umgesetzt werden können.In the following description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of embodiments of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that embodiments of the present invention may be practiced without some of these specific details.

Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung beinhalten verschiedene Schritte, die nachfolgend beschrieben werden. Die Schritte können von Hardware-Komponenten durchgeführt oder in maschinenausführbaren Befehlen ausgestaltet sein, die benutzt werden können, um zu bewirken, dass ein Universal- oder Spezialprozessor mit den Befehlen zum Durchführen der Schritte programmiert wird. Alternativ können Schritte durch eine Kombination aus Hardware, Software und Firmware und/oder durch menschliche Operators durchgeführt werden.Embodiments of the present invention include various steps that are described below. The steps may be performed by hardware components or embodied in machine-executable instructions that may be used to cause a general purpose or special purpose processor to be programmed with the instructions to perform the steps. Alternatively, steps may be performed by a combination of hardware, software, and firmware and / or by human operators.

Wenn die Spezifikation vorgibt, dass eine Komponente oder Funktion enthalten oder eine Charakteristik haben „mag“, „kann“, „könnte“ oder „eventuell könnte“, dann ist es nicht erforderlich, dass diese bestimmte Komponente oder Funktion enthalten ist oder die Charakteristik hat.If the specification pretends to contain a component or function, or has a "may," "could," or "possibly could" characteristic, then it is not required that this particular component or function be included or have the characteristic ,

Die Bedeutung von „ein/e/r“ wie in der Beschreibung hierin und in den nachfolgenden Ansprüchen benutzt schließt auch den Plural ein, wenn der Kontext nicht eindeutig etwas anderes diktiert. Ebenso schließt die Bedeutung von „in“ wie in der Beschreibung hierin benutzt „in“ und „auf“ ein, wenn der Kontext nicht eindeutig etwas anderes diktiert.The meaning of "a" as used in the description herein and in the following claims also includes the plural when the Context not clearly dictates something else. Likewise, the meaning of "in" as used in the description includes "in" and "on" if the context does not clearly dictate otherwise.

Es werden nun beispielhafte Ausgestaltungen ausführlicher mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben, in denen beispielhafte Ausgestaltungen dargestellt sind. Diese beispielhaften Ausgestaltungen werden nur für illustrative Zwecke gegeben und damit die vorliegende Offenbarung sorgfältig und komplett ist und den Umfang der Erfindung der durchschnittlichen Fachperson voll umfänglich vermittelt. Die offenbarte Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgestaltet sein und ist nicht als auf die hierin dargelegten Ausgestaltungen begrenzt anzusehen. Verschiedene Modifikationen werden für die Fachperson durchaus offensichtlich sein. Die hierin definierten allgemeinen Prinzipien können auch auf andere Ausgestaltungen und Anwendungen angewendet werden, ohne von Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus sollen alle Aussagen hierin, die Ausgestaltungen der Erfindung angeben, sowie spezifische Beispiele dafür, sowohl strukturelle als auch funktionelle Äquivalente davon umfassen. Zusätzlich ist beabsichtigt, dass solche Äquivalente sowohl derzeit bekannte Äquivalente als auch in der Zukunft entwickelte Äquivalente beinhalten (d.h. entwickelte Elemente, die dieselbe Funktion unabhängig von der Struktur ausüben). Ebenso soll die benutzte Terminologie und Ausdrucksweise lediglich beispielhafte Ausgestaltungen beschreiben und ist nicht als begrenzend anzusehen. So ist der vorliegenden Erfindung der breiteste Umfang beizumessen, der zahlreiche Alternativen, Modifikationen und Äquivalente umfasst, die mit den offenbarten Grundsätzen und Merkmalen im Einklang stehen. Der Deutlichkeit halber wurden Details, die sich auf technisches Material beziehen, das in den technischen Gebieten in Bezug auf die Erfindung bekannt sind, nicht ausführlich dargestellt, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verundeutlichen.Exemplary embodiments will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings in which exemplary embodiments are shown. These exemplary embodiments are given for illustrative purposes only, and thus the present disclosure is thorough and complete, and fully conveys the scope of the invention to one of ordinary skill in the art. However, the disclosed invention may be embodied in many different forms and is not to be considered as limited to the embodiments set forth herein. Various modifications will be quite obvious to the skilled person. The general principles defined herein may also be applied to other embodiments and applications without departing from the spirit and scope of the invention. In addition, all statements herein, indicating the embodiments of the invention, as well as specific examples thereof, are intended to encompass both structural and functional equivalents thereof. Additionally, it is intended that such equivalents include both currently known equivalents and equivalents developed in the future (i.e., elements that perform the same function independent of structure). Likewise, the terminology and language used are intended to describe exemplary embodiments only and are not to be considered as limiting. Thus, it is to be accorded the widest scope to the present invention which encompasses numerous alternatives, modifications, and equivalents consistent with the principles and features disclosed. For the sake of clarity, details relating to technical material known in the technical fields with respect to the invention have not been presented in detail so as not to unnecessarily obscure the present invention.

So wird die durchschnittliche Fachperson beispielsweise verstehen, dass Diagramme, Schemas, Illustrationen und dergleichen Konzeptansichten oder -prozesse darstellen, die die vorliegende Erfindung ausgestaltende Systeme und Verfahren illustrieren. Die Funktionen der verschiedenen in den Figuren gezeigten Elemente können durch Verwenden von dedizierter Hardware und von Hardware bereitgestellt werden, die assoziierte Software ausführen kann. Ebenso sind in den Figuren gezeigte Schalter lediglich konzeptionell. Ihre Funktion kann durch den Betrieb von Programmlogik, durch dedizierte Logik, durch die Interaktion von Programmsteuerung und dedizierter Logik oder sogar manuell durchgeführt werden, wobei die jeweilige Technik durch die die vorliegende Erfindung implementierende Entität wählbar ist. Die durchschnittliche Fachperson wird ferner verstehen, dass die beispielhafte(n) Hardware, Software, Prozesse, Verfahren und/oder Betriebssysteme wie hierin beschrieben lediglich für illustrative Zwecke sind und nicht auf irgendein bestimmtes benanntes Element begrenzt angesehen werden sollen.For example, one of ordinary skill in the art will understand that diagrams, schematics, illustrations, and the like represent conceptual views or processes that illustrate systems and methods embodying the present invention. The functions of the various elements shown in the figures can be provided by using dedicated hardware and hardware that can execute associated software. Likewise, switches shown in the figures are merely conceptual. Their function may be performed by the operation of program logic, by dedicated logic, by the interaction of program control and dedicated logic, or even manually, with the particular technique being selectable by the entity implementing the present invention. One of ordinary skill in the art will further appreciate that the exemplary hardware, software, processes, methods and / or operating systems described herein are for illustrative purposes only and are not to be construed as limited to any particular named element.

Jeder der beiliegenden Ansprüche definiert eine separate Erfindung, die für Verletzungszwecke als Äquivalente zu den verschiedenen Elementen oder Begrenzungen wie in den Ansprüchen spezifiziert enthaltend anerkannt wird. Je nach Kontext können sich in einigen Fällen nachfolgend alle Bezugnahmen auf die „Erfindung“ nur auf bestimmte spezifische Ausgestaltungen beziehen. In anderen Fällen wird man erkennen, dass sich Bezugnahmen auf die „Erfindung“ auf einen Gegenstand beziehen, der in einem oder mehreren, aber nicht unbedingt in allen, der Ansprüche angeführt ist.Each of the appended claims defines a separate invention which, for injury purposes, is recognized as including equivalents to the various elements or limitations specified in the claims. Depending on the context, in some cases, subsequently, all references to the "invention" may refer only to certain specific embodiments. In other cases, it will be appreciated that references to the "invention" refer to an item as recited in one or more, but not necessarily all, of the claims.

Alle hierin beschriebenen Verfahren können in einer beliebigen geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, wenn nichts anderes angezeigt ist oder wenn der Kontext nicht deutlich etwas Gegenteiliges diktiert. Die Verwendung von beliebigen und allen Beispielen oder beispielhafter Sprache (z.B. „wie“), wie mit Bezug auf bestimmte Ausgestaltungen hierin gegeben, soll lediglich die Erfindung besser beleuchten und soll keine Begrenzung des anders beanspruchten Umfangs der Erfindung auferlegen. Keine Sprache in der Spezifikation ist so anzusehen, dass sie irgendein nicht beanspruchtes Element anzeigt, das für die Umsetzung der Erfindung wesentlich ist.All methods described herein may be performed in any suitable order unless otherwise indicated or unless the context clearly dictates otherwise. The use of any and all examples or exemplary language (e.g., "such") as given with respect to particular embodiments herein is intended merely to better illuminate the invention and is not intended to limit the scope of the invention otherwise claimed. No language in the specification is to be construed as indicating any unclaimed element essential to the practice of the invention.

Es werden nachfolgend verschiedene Begriffe wie hierin verwendet gezeigt. In dem Ausmaß, in dem ein in einem Anspruch benutzter Begriff unten nicht definiert ist, ist ihm die breiteste Definition einzuräumen, die Personen in der relativen Technik diesem Begriff wie in gedruckten Publikationen und erteilten Patenten zum Einreichungszeitpunkt reflektiert zugeordnet haben.Various terms as used herein are shown below. To the extent that a term used in a claim is not defined below, it must be given the broadest definition that persons in relative technology have associated with that term as reflected in printed publications and issued patents at the time of filing.

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Hochspannungsgleichstromversorgung, die eine neue Stromkreistopologie zum Erzielen von Leistungen benutzt, die wesentlich besser sind als Existierende.The present disclosure relates to a high voltage DC power supply that uses a new circuit topology to achieve outputs that are significantly better than existing ones.

In einem Aspekt erörtert die vorliegende Offenbarung einen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreis, der mehrere in Serie geschaltete hochspannungsgetrennte DC-DC-Wandlerblöcke umfasst, wobei jeder Block Folgendes beinhaltet: eine Primäreinheit mit einem Wechselrichter, der einen Eingang von einer DC-Link erhält und den Eingang in Hochfrequenzspannung umwandelt; einen Hochfrequenztransformator, der die Hochfrequenzspannung vom Wechselrichter für Hochspannungsgleichstromisolation empfängt und die Hochfrequenzspannung zu einer Sekundäreinheit überträgt; und die Sekundäreinheit zum Umwandeln der Hochfrequenzspannung in eine Gleichspannung, wobei die Sekundäreinheit einen Hochfrequenz-Vollbrückengleichrichter, ein Niederkapazitätsfilter, einen Hochgeschwindigkeits-Serienfestkörperschalter und einen Festkörper-Parallelschalter umfasst, wobei jeder Block so bemessen ist, dass er Strom gleich dem Ausgangsnenngleichstrom zuführt, und wobei der Ausgang von einem oder mehreren der Blöcke durch Ein- oder Ausschalten der Hochgeschwindigkeits-Serienfestkörperschalter von jeweiligen Blöcken freigegeben oder gesperrt wird, um eine gewünschte DC-Ausgangsspannung (Vout ) zu erzeugen.In one aspect, the present disclosure discusses a high voltage DC power supply circuit comprising a plurality of series-connected high voltage isolated DC-DC converter blocks, each block including: a primary unit having an inverter receiving an input from a DC link and having the input in High frequency voltage converts; a high frequency transformer, which the Receiving high frequency voltage from the inverter for high voltage DC isolation and transmitting the high frequency voltage to a secondary unit; and the secondary unit for converting the high frequency voltage to a DC voltage, the secondary unit comprising a high frequency full bridge rectifier, a low capacity filter, a high speed series solid state switch, and a solid state parallel switch, each block sized to supply current equal to the nominal DC output current, and wherein the output of one or more of the blocks is enabled or disabled by turning on or off the high speed series solid state switches of respective blocks to obtain a desired DC output voltage (Fig. V out ) to create.

In einem anderen Aspekt kann die Mehrzahl von Blöcken Vernier-Blöcke und Vollblöcke beinhalten, wobei jeder der Vernier-Blöcke so konfiguriert werden kann, dass er eine DC-Ausgangsspannung gibt, die ein Bruchteil von und kleiner als irgendeiner der Vollblöcke ist, und in Kombination mit einem oder mehreren Vollblöcken benutzt werden kann, um die gewünschte DC-Ausgangsspannung (Vout ) mit minimaler Spannungsauflösung Vmin zu erhalten.In another aspect, the plurality of blocks may include vernier blocks and solid blocks, wherein each of the vernier blocks may be configured to give a DC output voltage that is a fraction of and less than any of the solid blocks, and in combination with one or more full blocks can be used to obtain the desired DC output voltage ( V out ) with minimal voltage resolution V min to obtain.

In noch einem anderen Aspekt kann der Kreis die gewünschte DC-Ausgangsspannung durch Einschalten von ,n‘ Vollblöcken je nach Ausgangsgleichspannung, die von jedem Vollblock (Vfull ) gegeben wird, und Einschalten von ,m‘ Vernier-Blöcken auf der Basis der benötigten Restgleichspannung erzielen, so dass: ( V o u t ) = n * V f u l l + i = 1 m V i

Figure DE102018114437A1_0004
wobei Vi Ausgangsspannung des i-ten Vernier-Blocks ist.In yet another aspect, the circuit may provide the desired DC output voltage by turning on 'n' full blocks according to the DC output voltage provided by each full block ( V full ) and switching on, m 'vernier blocks on the basis of the required residual DC voltage, so that: ( V O u t ) = n * V f u l l + Σ i = 1 m V i
Figure DE102018114437A1_0004
where V i is the output voltage of the ith vernier block.

In einem Aspekt kann die von einem der Vernier-Blöcke angegebene Mindestspannung als Vvernier-1=Vmin/K) bei Volllast definiert werden, wobei K das Abfallverhältnis des Hochfrequenztransformators des Vernier-Blocks ist, wobei das Abfallverhältnis V_(no-load /) V_(full-load) ist, wobei
V_(no-load) die sekundäre Spannung des Hochfrequenztransformators des Vernier-Blocks bei Nulllast ist, und
V_(full-load) die sekundäre Spannung des Hochfrequenztransformators des Vernier-Blocks bei Volllast ist.
In one aspect, the minimum voltage indicated by one of the vernier blocks may be defined as V vernier-1 = V min / K) at full load, where K is the drop ratio of the high frequency transformer of the vernier block, where the drop ratio is V_ (no-load / ) V_ ( full-load) is, where
V_ (no-load) is the secondary voltage of the high frequency transformer of the Vernier block at no load , and
V_ (full-load) is the secondary voltage of the high frequency transformer of the Vernier block at full load.

In einem anderen Aspekt sind die Vernier-Blöcke so konfiguriert, dass die Summe von Ausgangsspannungen jedes Vernier-Blocks in der Ausgangsspannung eines Vollblocks resultiert, angegeben durch: V full = V vernier-1 + V vernier-2 + V vernier-3 + + V vernier-n

Figure DE102018114437A1_0005
In another aspect, the vernier blocks are configured such that the sum of output voltages of each vernier block results in the output voltage of a solid block, indicated by: V full = V vernier-1 + V vernier-2 + V vernier-3 + ... + V vernier-n
Figure DE102018114437A1_0005

In noch einem anderen Aspekt kann die benötigte Anzahl von Vollblöcken durch die folgende Beziehung angegeben werden: V o u t V f u l l 1

Figure DE102018114437A1_0006
In yet another aspect, the required number of full blocks may be given by the following relationship: V O u t V f u l l - 1
Figure DE102018114437A1_0006

In einem Aspekt kann der Hochgeschwindigkeits-Serienfestkörperschalter jedes Blocks durch einen Steuerkreis ein- oder ausgeschaltet werden, der eine programmierbare digitale Hauptsteuerung umfasst.In one aspect, the high speed series solid state switch of each block may be turned on or off by a control circuit comprising a programmable master digital controller.

In einem anderen Aspekt kann der Steuerkreis ein Spannungs-Feedback-System benutzen, das von einem schwebenden Spannungssensor empfangenes Signal mit einem benötigten DC-Ausgangsspannungssignal vergleicht, um ein Korrektursignal abzuleiten, auf dessen Basis die programmierbare digitale Hauptsteuerung entscheiden kann, welche DC-DC-Wandlerblöcke ein- oder ausgeschaltet werden müssen, um die gewünschte DC-Ausgangsspannung zu erzielen.In another aspect, the control circuit may use a voltage feedback system that compares a signal received from a floating voltage sensor with a required DC output voltage signal to derive a correction signal on the basis of which the main programmable digital controller may decide which DC-DC signals to use. Transformer blocks must be turned on or off to achieve the desired DC output voltage.

In noch einem anderen Aspekt können im Falle eines Ausfalls an Ausgangsanschlüssen oder wenn Ausgangsstrom einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, die Sekundäreinheiten von jeweiligen Blöcken, die in diesem Moment eingeschaltet sind, mit hoher Geschwindigkeit innerhalb einer Unterbrechungszeitperiode ausgeschaltet werden und für eine Blockierzeit ausgeschaltet bleiben, nach der die programmierbare digitale Hauptsteuerung die Hochgeschwindigkeits-Serienfestkörperschalter der Sekundäreinheiten einschalten und gleichzeitig die Festkörper-Parallelschalter der Sekundäreinheiten ausschalten kann, um den letzten Sollwert der DC-Ausgangsspannung innerhalb einer kurzen Dauer zu erreichen.In yet another aspect, in the event of a failure at output terminals or when output current exceeds a predetermined threshold, the secondary units of respective blocks that are turned on at that moment may be turned off at high speed within a break time period and remain off for a lock time after the main programmable digital controller can turn on the secondary unit's high speed series solid state switches and simultaneously turn off the solid state parallel switches of the secondary units to reach the last set point of the DC output voltage within a short period of time.

In einem Aspekt kann die Primäreinheit jedes Blocks einen Vollbrückenwechselrichter beinhalten, der mit einer phasenverschobenen ZVS-(Zero Voltage Switching)-Technik arbeitet.In one aspect, the primary unit of each block may include a full-bridge inverter operating with a ZVS (zero voltage switching) phase-shifted technique.

Die vorliegende Offenbarung erörtert einen Hochspannungs-, Hochleistungs-, schwebenden, DC-regulierten Stromversorgungskreis (nachfolgend austauschbar vorgeschlagener Stromkreis genannt) für ein(e) Stromversorgung/Gerät. Der vorgeschlagene Stromkreis nutzt eine neue Topologie bestehend aus mehreren Anzahlen von in Serie geschalteten DC-DC-Wandlerblöcken (nachfolgend austauschbar DCCON genannt), wobei jeder Block aus Folgendem besteht: einer Primäreinheit, die einen Wechselrichter umfasst, der Eingang von einer DC-Link empfängt und ihn in eine Hochfrequenzspannung umwandelt; einem Hochfrequenztransformator (nachfolgend auch Hochfrequenz-Trenntransformator oder Transformator genannt), der die Hochfrequenzspannung vom Wechselrichter für eine Hochspannungs-Gleichstromisolation empfängt, die ein Schweben der Stromversorgung auf hohen Potentialen (typischerweise 100 KV DC) ermöglicht; und einer Sekundäreinheit, die einen Hochfrequenz-Vollbrückengleichrichter und einen Hochgeschwindigkeits-Festkörperschalter umfasst. Der benötigte Gleichstromeingang in die Primäreinheiten wird von einem Eingangsgleichrichter gespeist, der mit einem Vorladekreis ausgestattet ist, der Netzstrom von einem Leistungsschalter empfängt. Ein LR-Snubber ist am Ausgang des vorgeschlagenen Stromkreises angeschlossen, um die Anstiegsrate des Ausgangsausfallstroms zu begrenzen. Der Stromkreis ist auch mit einer programmierbaren digitalen Steuerung ausgestattet, die vom Stromkreis zugeführte Leistung regelt und überwacht.The present disclosure discusses a high voltage, high performance, floating DC regulated power supply circuit (hereinafter referred to as interchangeably proposed circuit) for a power supply / device. The proposed circuit uses a new topology consisting of multiple numbers of series-connected DC-DC converter blocks (hereafter referred to as DCCONs), each block consisting of: a primary unit comprising an inverter receiving input from a DC link and him in converts a high frequency voltage; a high-frequency transformer (hereinafter also referred to as high-frequency isolation transformer or transformer) receiving the high-frequency voltage from the inverter for high-voltage direct current isolation, which enables floating of the power supply to high potentials (typically 100 KV DC); and a secondary unit comprising a high frequency full bridge rectifier and a high speed solid state switch. The required DC input to the primary units is fed by an input rectifier equipped with a pre-charge circuit that receives mains power from a circuit breaker. An LR snubber is connected to the output of the proposed circuit to limit the rate of increase of the output leakage current. The circuit is also equipped with a programmable digital controller that controls and monitors the power supplied by the circuit.

In einem Aspekt kann der Gleichstromausgang des offenbarten Stromkreises durch Schalten des Ausgangs jedes DC-DC-Wandlers in Serie reguliert oder variiert werden, wobei die Menge an DC-DC-Wandlern auf der Basis der benötigten Ausgangsgleichspannung entschieden werden kann. Jeder DC-DC-Wandler kann eine feste Gleichspannung erzeugen und kann zum Liefern von Strom gleich dem Ausgangsnenngleichstrom bemessen werden. Die benötigte Ausgangsspannung kann durch Ermöglichen oder Sperren der benötigten Module (wobei jedes Modul ein DC-DC-Wandler ist) erzielt werden, indem der Hochgeschwindigkeitshalbleiterschalter jedes Moduls durch eine Steuerschaltung ein- oder ausgeschaltet wird. Um die Mindestauflösung zu erzielen, können einige DC-DC-Wandler eine feste Spannung erzeugen, die aber einen Wert hat, der gleich oder kleiner ist als die benötigte Mindestspannungsauflösung. Das Spannungs-Feedback-System arbeitet auf der Basis des von einem schwebenden Spannungssensor empfangenen Signals, das Signal kann mit dem benötigten Ausgangsspannungssignal in der Steuerschaltung verglichen werden und dadurch ein Korrektursignal erzeugen. Der Steueralgorithmus kann auf der Basis des Korrektursignals die Anzahl von DC-DC-Wandlern bestimmen, die ein- oder ausgeschaltet werden müssen, um die benötigte Spannung zu erzielen, und dadurch wird die Steuerung vereinfacht. Spannungsanstieg, Spannungsvariation, Spannungsmodulation sowie Spannungsregelung können dynamisch auf einer sehr schnellen Zeitskala anhand von Signalkommunikation auf faseroptischer Basis erzielt werden. Ferner kann die Steuerschaltung das Gerät auf der Basis des vorgeschlagenen Stromkreises gegenüber Ausgangsüberspannung und -überstrom überwachen und schützen.In one aspect, the DC output of the disclosed circuit may be regulated or varied in series by switching the output of each DC-DC converter, wherein the amount of DC-DC converters may be decided based on the required DC output voltage. Each DC-DC converter can generate a fixed DC voltage and can be sized to provide current equal to the nominal output DC current. The required output voltage can be achieved by enabling or disabling the required modules (each module being a DC-DC converter) by turning the high-speed semiconductor switch of each module on or off by a control circuit. In order to achieve the minimum resolution, some DC-DC converters can produce a fixed voltage, but with a value equal to or less than the required minimum voltage resolution. The voltage feedback system operates on the basis of the signal received from a floating voltage sensor, the signal can be compared with the required output voltage signal in the control circuit and thereby generate a correction signal. The control algorithm may determine, on the basis of the correction signal, the number of DC-DC converters that must be turned on or off to obtain the required voltage, thereby simplifying the control. Voltage rise, voltage variation, voltage modulation and voltage regulation can be achieved dynamically on a very fast time scale using signal communication on a fiber optic basis. Further, the control circuit may monitor and protect the device based on the proposed circuit versus output overvoltage and overcurrent.

Eine phasenverschobene Vollbrückentopologie auf der Basis von Nullspannungsumschaltung (ZVS) kann in den Wechselrichtern benutzt werden, um die Schaltverluste zu reduzieren. Die für das ZVS benötigte Induktanz kann praktisch vom Hochfrequenztransformator bereitgestellt werden. Der Stromkreis implementiert einen einfacheren Feedback-Mechanismus zum Regeln von Ausgangsspannung. Die DC-Ausgangsspannung wird durch Freigeben oder Sperren des Hochgeschwindigkeitsfestkörperschalters in den Sekundäreinheiten mit der Hauptsteuerung in der Feedback-geregelten Schleife reguliert oder variiert. Da Gleichrichtung in jeder Sekundäreinheit mit sehr hoher Frequenz (typischerweise 25 kHz oder darüber) erfolgt, ist die zum Filtern benötigte Kapazität äußerst niedrig, so dass die im Falle einer Lichtbodenbildung oder eines Ausfalls (BD) in die Last abgeladene Energie reduziert wird. Der offenbarte Stromkreis bezieht sich auf eine wahrhaft stabilisierte, modulare und skalierbare HVPS mit geschlossenem Regelkreis, die jede Art von Last, kontinuierlich, stufenweise oder mit einem beliebigen Profil, über einen breiten Bereich von Stromanforderungen bis zu Nulllast handhaben kann. Ferner geht im Falle von BD oder Lichtbogenbildung in der Last die Ausgangsstufe eines Geräts auf der Basis des vorgeschlagenen Stromkreises in einen Hot-Standby-Modus, so dass sie wiederum von weniger als 100 µs bis 100 ms oder darüber eingeschaltet bleibt, was von einem Benutzer eingestellt werden kann, einschließlich des BD, der bei einem schwebenden Hochspannungspotential stattfindet. Der vorgeschlagene Stromkreis unterstützt somit das Merkmal des Zulassens und Aushaltens von mehreren BDs, während die bei jedem BD in die Last abgeladene Energie beschränkt wird (typischerweise < 10J).A phase-shifted full-bridge topology based on zero voltage switching (ZVS) can be used in the inverters to reduce switching losses. The inductance needed for the ZVS can be practically provided by the high frequency transformer. The circuit implements a simpler feedback mechanism for regulating output voltage. The DC output voltage is regulated or varied by enabling or disabling the high speed solid state switch in the secondary units with the main controller in the feedback loop. Since rectification occurs in each secondary unit at a very high frequency (typically 25 kHz or above), the capacitance required for filtering is extremely low, so that the energy dumped into the load in the event of light bottoming or failure (BD) is reduced. The disclosed circuit relates to a truly stabilized, modular and scalable closed-loop HVPS that can handle any type of load, continuously, incrementally or with any profile, over a wide range of current requirements up to no-load. Further, in the case of BD or arcing in the load, the output stage of a device based on the proposed circuit goes into a hot standby mode, so again it stays on for less than 100 μs to 100 ms or more, which is user input can be adjusted, including the BD, which takes place at a floating high voltage potential. The proposed circuit thus supports the feature of allowing and sustaining multiple BDs while limiting the energy drained into the load at each BD (typically <10J).

Der offenbarte Stromkreis kann sich auf ein wahrhaft schwebendes System beziehen, bei dem ein Ende geerdet werden kann oder beide Enden auf Potential (typischerweise 100 kV oder darüber) schweben können. In einer Implementation kann die Benutzeroberflächen-Steuerlogik und die Stromversorgungssteuerlogik für den offenbarten Stromkreis äußerst einfach, flexibel und anpassungsfähig sein. Die Stromversorgungssteuerlogik kann einfach gemacht werden, indem verlangt wird, dass der benötigte Satz von Modulen je nach gewünschter Ausgangsspannung/Sollspannung ein- oder ausgeschaltet wird. Das Erhöhen der Nennspannung oder sogar das Verringern kann einfach durch Hinzufügen oder Wegnehmen der erforderlichen Anzahl von Modulen erfolgen. Ebenso kann die offenbarte Erfindung ohne multisekundäre Transformatoren und all deren assoziierten Probleme auskommen.The disclosed circuit may refer to a truly floating system where one end can be grounded or both ends can float to potential (typically 100 kV or above). In one implementation, the user interface control logic and power control logic for the disclosed circuit may be extremely simple, flexible, and adaptive. The power control logic can be made simple by requiring that the required set of modules be turned on or off according to the desired output voltage / voltage. Increasing the rated voltage or even decreasing can be done simply by adding or removing the required number of modules. Similarly, the disclosed invention can do without multi-secondary transformers and all their associated problems.

Man wird verstehen, dass der vorgeschlagene Stromkreis insbesondere in Neutralstrahl-(NB)-Quellen zum Erhitzen von Tokamak-Plasmen und auch für Plasmadiagnostiken Anwendung finden kann, die Geräte zum Erzeugen von Feedback-gesteuertem reguliertem und variablem Hochspannungsgleichstrom mit kurzer Anstiegszeit (< 1 ms) und hohem Wirkungsgrad (> 85 %) mit einer bei einem lastseitigen Ausfall in die Last abgeladenen gespeicherten Gesamtenergie von < 10J, schneller Ausgangsspannungsunterbrechung (< 5 µs) im Falle eines Fehlers, Kapazität zum Aushalten wiederholter Ausfälle (typischerweise 200 ns) bei automatischer Unterbrechung der Ausgangsspannung mit hoher Geschwindigkeit (< 5 µs) nach jedem Ausfallereignis für typischerweise 15 ms und automatischer Freigabe der Ausgangsspannung zurück auf das letzte Sollniveau mit kurzer Anstiegszeit (< 1 ms), Kapazität zum Aushalten von Dauerbetrieb bei voller Nennleistung für typischerweise 3600 s und der Fähigkeit zum Schweben (oder Heben) auf hohem Potential (Spannung) von 100 kVDC oder mehr erfordern. Die Steuerschaltung des vorgeschlagenen Stromkreises kann die Fähigkeit haben, eine Anzahl von zulässigen Ausfällen/Kurzschlüssen an den Ausgangsanschlüssen und auch zum Zählen der Ausfälle haben, die tatäschlich am Ausgang auftreten, und zum Unterbrechen der Ausgangsgleichspannung, wenn die tatsächliche Zahl der Ausfälle der festgelegten Anzahl der zulässigen Ausfälle entspricht.It will be appreciated that the proposed circuit will find particular utility in neutral beam (NB) sources for heating tokamak plasmas and also for plasma diagnostics The devices for generating feedback-controlled regulated and variable high-voltage DC current with short rise time (<1 ms) and high efficiency (> 85%) with a stored total energy of <10J, fast output voltage interruption (< 5 μs) in the event of a fault, capacity to withstand repeated failures (typically 200 ns) with automatic high speed (<5 μs) interruption after each failure event for typically 15 ms and automatic release of the output voltage back to the last nominal level with short Rise time (<1 ms), capacity to withstand continuous full power rated operation for typically 3600 s and ability to float (or lift) to high potential (voltage) of 100 kVDC or more. The control circuit of the proposed circuit may have the ability to have a number of allowable failures / short circuits at the output terminals and also to count the failures actually occurring at the output and to interrupt the DC output voltage if the actual number of failures exceeds the fixed number of failures permissible failures.

Der vorgeschlagene Stromkreis kann ein Gerät ermöglichen, das die Nennleistung mit hohem Wirkungsgrad liefern und dabei auf hohem Potential mit einfacherem HV-Trennmechanismus, kurzer Anstiegszeit, geringer Welligkeit und guter Regelung mit einem einfacheren Feedback-Mechanismus zum Steuern des Ausgangs schweben kann; das befähigte Gerät kann wiederholte Ausfälle am Ausgang aushalten und zulassen und dabei die bei dem Fehler abgeladene Energie innerhalb von 10J begrenzen; es kann die Ausgangsspannung bei hoher Geschwindigkeit unterbrechen und sie für eine feste Zeitperiode blockieren, bevor es die Ausgangsspannung bei jedem Ausfall/Kurzschluss zurück auf ihren letzten Sollwert bringt; es kann die Ausgangsspannung modulieren und kann Schutz vor Ausgangsüberspannung und -überstrom bieten.The proposed circuit may allow a device that can deliver high efficiency rated power while floating at high potential with easier HV disconnect mechanism, short rise time, low ripple, and good control with a simpler feedback control mechanism to control the output; the enabled device can withstand and allow repeated outages at the output limiting the energy lost during the fault within 10J; it can break the output voltage at high speed and block it for a fixed period of time before bringing the output voltage back to its last set point on each failure / short circuit; it can modulate the output voltage and can provide protection against output overvoltage and overcurrent.

In einem Aspekt kann der vorgeschlagene Stromkreis ein vereinfachtes Trennschema benutzen, das integraler Bestandteil des DCCON sein kann. Der im DCCON benutzte Hochfrequenztransformator kann eine sehr kompakte Größe, einen einfacheren Aufbau, einfachere Kühlungsanforderungen und die Fähigkeit haben, eine Hochspannungs-Gleichstromtrennung zwischen Primärseite und Sekundärseite und Sekundärseite und Kern auszuhalten.In one aspect, the proposed circuit may use a simplified isolation scheme that may be integral to the DCCON. The high-frequency transformer used in the DCCON can have a very compact size, a simpler structure, simpler cooling requirements and the ability to withstand high-voltage direct current isolation between the primary side and the secondary side and secondary side and core.

In einem anderen Aspekt kann die Sekundärseite des Hochfrequenztransformators (Trenntransformator) die Sekundäreinheit (AC-DC-Wandler) des vorgeschlagenen Stromkreises speisen, der eine Hochfrequenzgleichrichtungseinheit beinhaltet. Da die Gleichrichtungseinheit mit hoher Frequenz arbeitet, wird der Wert des Ausgangsfilterkondensators drastisch reduziert und kann somit ganz vermieden werden, wodurch die Größe sowie die gespeichete Energie reduziert werden. Die Gleichrichtungseinheit kann auch einen steuerbaren Hochgeschwindigkeitshalbleiterschalter am Ausgang benutzen, der die Ausgangsspannung (im Falle von Fehlern) mit sehr hoher Geschwindigkeit (in der Größenordnung von ein paar Mikrosekunden) unterbrechen kann.In another aspect, the secondary side of the high frequency transformer (isolation transformer) may feed the secondary unit (AC-DC converter) of the proposed circuit, which includes a high frequency rectification unit. Since the rectification unit operates at high frequency, the value of the output filter capacitor is drastically reduced and thus can be completely avoided, thereby reducing the size and the stored energy. The rectification unit can also use a controllable high speed semiconductor switch at the output, which can interrupt the output voltage (in the case of errors) at very high speed (on the order of a few microseconds).

In einem anderen Aspekt implementiert der vorgeschlagene Stromkreis eine Feedback-gesteuerte Stromversorgung mit kurzer Anstiegszeit, guter und dynamischer Spannungsregulierung und einem einfacheren Feedback-Regelmechanismus zum Regeln der Ausgangsspannung für Variation und Modulation. Der vorgeschlagene Stromkreis kann auch Elemente für Ausgangsüberspannungs- und -überstromschutz implementieren.In another aspect, the proposed circuit implements a feedback-controlled power supply with short rise time, good and dynamic voltage regulation, and a simpler feedback control mechanism for regulating the output voltage for variation and modulation. The proposed circuit may also implement elements for output overvoltage and overcurrent protection.

In einer Ausgestaltung kann, aufgrund von Hochfrequenzgleichrichtung, der am Ausgang jedes DCCON-Wandlers erzielte Welligkeitswert drastisch reduziert werden. Die an dem Gerät auf der Basis des vorgeschlagenen Stromkreises erzielte maximale Welligkeit kann eine Summierung des Beitrags der Welligkeit jedes DC-DC-Wandlers (die ein Modul umfassen) im Einschaltzustand sein. Auf diese Weise kann der vorgeschlagene Stromkreis eine niedrige Spannungswelligkeit am Ausgang erzielen.In one embodiment, due to high frequency rectification, the ripple value obtained at the output of each DCCON converter can be drastically reduced. The maximum ripple achieved on the device based on the proposed circuit may be a summation of the ripple contribution of each DC-DC converter (which includes a module) in the on state. In this way, the proposed circuit can achieve a low voltage ripple at the output.

1 illustriert einen Stromkreis für eine typische RF-angesteuerte Negativionenquelle für Neutralstrahl-(NB)-Anwendung. 1 illustrates a circuit for a typical RF driven negative ion source for neutral beam (NB) application.

Ein Stromkreis für eine typische RF-angesteuerte Negativionenquelle für Neutralstrahl-(NB)-Anwendung ist in 1 dargestellt. Die Ionenquelle umfasst mehrere isolierte Gittersysteme, nämlich Plasmagitter (PG) 102, Extraktionsgitter (EG) 104 und Massegitter (GG) 106. Die Quelle wird von einem Hochleistungs-RF-Generator (RFG) 108 angetrieben, der zum Erzeugen von Plasma in der Treiberregion 110 benutzt wird, die auch mit einer Niederspannungsplasmagitter-Bias-Stromversorgung (PGPS) 112 vorgespannt wird. Typischerweise sind zwei hochspannungsregulierte DC-Stromversorgungen (HVPS), nämlich Extraktionsstromversorgung (EPS) 114 und Beschleunigerstromversorgung (APS) 116, über das Gittersystem wie in der Figur gezeigt geschaltet. APS, die auf das Massepotential bezogen ist, wird zum Beschleunigen des Ionenstrahls benutzt, während EPS, die über das APS-Potential schwebt, zum Extrahieren der Elektronen benutzt wird. Während des Betriebs des Stromkreises werden beide Stromversorgungen synchronisiert, so dass sie gleichzeitig arbeiten.A circuit for a typical RF driven negative ion source for neutral beam (NB) application is in FIG 1 shown. The ion source comprises several isolated lattice systems, namely plasma lattice (PG) 102 , Extraction grid (EG) 104 and ground grid (GG) 106 , The source is powered by a high power RF generator (RFG) 108 driven to generate plasma in the driver region 110 Also used with a low voltage plasma grid bias power supply (PGPS) 112 is biased. Typically two high voltage regulated DC power supplies (HVPS), namely extraction power supply (EPS) 114 and accelerator power supply (APS) 116 , switched via the grid system as shown in the figure. APS, which is related to the ground potential, is used to accelerate the ion beam, while EPS, which hovers above the APS potential, is used to extract the electrons. During operation of the circuit, both power supplies are synchronized so that they operate simultaneously.

Die Fachperson wird erkennen, dass sich der vorgeschlagene Stromkreis auf Stromversorgungen mit Anwendung und Nutzung ähnlich EPS und/oder APS bezieht. Der offenbarte Stromkreis ist jedoch nicht auf eine Verwendung nur in HVPSs von NB-Systemen beschränkt, sondern kann in jeder Last implementiert werden, die hochspannungsregulierten Gleichstrom erfordert, zum Beispiel Klystron, Gyrotron usw. The skilled person will recognize that the proposed circuit relates to power supplies with application and usage similar to EPS and / or APS. However, the disclosed circuit is not limited to use only in HVBs of NB systems, but may be implemented in any load requiring high voltage regulated DC, for example klystron, gyrotron, etc.

2A illustriert das Gesamtlayout eines vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreises gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung. 2A illustrates the overall layout of a proposed high voltage DC power supply circuit in accordance with an exemplary embodiment of the present disclosure.

In einem Aspekt kann der vorgeschlagene Stromkreis eine Eingangskomponente U1 beinhalten, die einen Leistungsschalter und eine Gleichrichtungseinheit mit Softstart-Funktion beinhaltet. Die Komponente U1 kann eine eingehende Drehstromspannung in unregulierte Gleichspannung, als V-DL illustriert, zur weiteren Verwendung wie hierunter ausgeführt umwandeln.In one aspect, the proposed circuit may be an input component U1 include a circuit breaker and a rectification unit with soft start function. The component U1 may convert an incoming three-phase voltage into unregulated DC voltage, illustrated as V-DL, for further use as set forth below.

In einem anderen Aspekt kann die unregulierte Gleichstromversorgung V-DL auf eine modulare DC-DC-Wandlerbaugruppe (auch DCCON genannt) durch einen DC-Link-Bus angewendet werden, nachfolgend DL genannt. Jedes Modul des DCCON kann eine Primäreinheit (als P1, P2, ...PN gezeigt) beinhalten, die wiederum mit einem Hochfrequenz-DC-(HFDC)-Transformator (als T1, T2... TN gezeigt) verbunden werden kann, der wiederum eine Sekundäreinheit speist (als S1, S2... SN gezeigt). Die Sekundäreinheit kann eine Gleichspannung erzeugen. Mit einem Serienschalter (in 3A als SW5 gezeigt), der in jedem Modul des DCCON enthalten ist, können mehrere Module des DCCON zusammengeschaltet werden, um den benötigten Ausgang zu liefern.In another aspect, the unregulated DC power supply V-DL may be applied to a modular DC-DC converter assembly (also called DCCON) through a DC link bus, hereafter referred to as DL. Each module of the DCCON can have a primary unit (as P1 . P2 , ... PN shown), which in turn with a high-frequency DC (HFDC) transformer (as T1 . T2 ... TN shown), which in turn feeds a secondary unit (as shown in FIG S1 . S2 ... SN shown). The secondary unit can generate a DC voltage. With a series switch (in 3A when SW5 shown) contained in each module of the DCCON, several modules of the DCCON can be interconnected to provide the required output.

In einem Aspekt kann jede Primäreinheit (zum Beispiel PI) die unregulierte Gleichstromversorgung V-DL in eine Hochfrequenz- (typischerweise 50 kHz) AC-Rechteckwelle mit einem H-Brückenwechselrichter auf der Basis eines Halbleiterschalters (typischerweise IGBT) wie in 3A mit 308 angedeutet umwandeln. Ein solcher Strom kann dem HFDC-isolierten Transformator T1 zugeführt werden, der ihn zur entsprechenden Sekundäreinheit S1 übertragen kann.In one aspect, each primary unit (PI, for example) may convert the unregulated DC power supply V-DL into a high frequency (typically 50 kHz) AC square wave with a H-bridge inverter based on a semiconductor switch (typically IGBT) as in FIG 3A with 308 indicated transform. Such a current can be the HFDC-insulated transformer T1 be fed to the corresponding secondary unit S1 can transfer.

Ein Steuerschema, wie nachfolgend ausgeführt, kann unterschiedliche Module des DCCON nach Bedarf ein- oder ausschalten, um die endgültige Ausgangsspannung, die in 2A als Vout gezeigt ist, zu variieren. Lichtwellenleiter und entsprechende Steuerungen, Schalter usw. wie hierin beschrieben können für ein solches Schalten benutzt werden.A control scheme, as set out below, may turn on or off different modules of the DCCON as needed to determine the final output voltage that is in 2A as Vout is shown to vary. Optical fibers and corresponding controls, switches, etc. as described herein may be used for such switching.

2B illustriert einen Eingangsleistungsschalter und eine Gleichrichtungseinheit für den vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreis gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung. 2 B illustrates an input power switch and a rectification unit for the proposed high voltage DC power supply circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

In einem Aspekt kann die Komponente U1 einen Eingangsleistungsschalter CB und eine Gleichrichtungseinheit SC beinhalten, die ein Drehstrom-Vollbrückengleichrichter ist. Die Komponente U1 kann auch Bedienelemente und Schalter usw. beinhalten, die mit dem Leistungsschalter CB und dem Gleichrichter SC wie hierin beschrieben assoziiert sind.In one aspect, the component U1 an input power switch CB and a rectification unit SC, which is a three-phase full-bridge rectifier. The component U1 may also include controls and switches, etc. associated with the power switch CB and the rectifier SC as described herein.

In einem Aspekt kann der Leistungsschalter CB dreiphasigen Netzstrom erhalten. Der CB kann wiederum dem Drehstrom-Vollbrückengleichrichter SC Strom zuführen. Der Gleichrichter SC kann als Halbwandler konfiguriert sein, wobei Thyristoren TH1, TH2 und TH3 obere Schenkel bilden und die Dioden D11, D12 und D13 untere Schenkel bilden. Gate-Pulse der Thyristoren können mit einer Vorlade-Steuerschaltung U10 gesteuert werden. Ein zweiter Ausgang kann vom Ausgang des CB durch den Leistungsschütz CON abgeleitet werden, wobei das Schalten des CON durch seine Spule K gesteuert werden kann, wobei die Spule K ebenfalls durch die Vorladesteuerung U10 gesteuert werden kann.In one aspect, the power switch CB may receive three-phase mains power. The CB can in turn supply power to the three-phase full-bridge rectifier SC. The rectifier SC can be configured as a half-converter, with thyristors TH1 . TH2 and TH3 upper legs form and the diodes D11 . D12 and D13 forming lower legs. Gate pulses of the thyristors may be connected to a precharge control circuit U10 being controlled. A second output can be derived from the output of the CB by the contactor CON, the switching of the CON can be controlled by its coil K, the coil K also by the Vorladesteuerung U10 can be controlled.

In einem anderen Aspekt kann der Ausgang vom Schütz CON an einen als PR dargestellten Vorladegleichrichter angelegt werden, der durch den Ladewiderstand R2 mit einem DC-Link-Bus verbunden sein kann. Der DC-Link-Bus kann die als V-DL illustrierte unregulierte Gleichspannung bereitstellen.In another aspect, the output from the contactor CON may be applied to a precharge rectifier shown as PR, which is charged by the charging resistor R2 can be connected to a DC link bus. The DC link bus can provide the unregulated DC voltage illustrated as V-DL.

Wenn der CB zum ersten Mal eingeschaltet wird, kann die Vorladesteuerung U10 Pulse der Thyristoren TH1, TH2 und TH3 für eine vordefinierte Zeit (die als Tprecharge bezeichnet werden kann) sperren, um so den Ausgang des SC zu blockieren. Da der SC blockiert ist, kann die Vorladesteuerung U10 den Schütz CON für dieselbe Zeit wie Tprecharge schließen, was zur Folge hat, dass der Kondensator C6 (in 3A gezeigt) der Primäreinheit P1 (und ebenso alle gerade angeschlossenen/operativen Primäreinheiten von DCCON) durch den Vorladegleichrichter PR und den Widerstand R2 geladen wird.When the CB is first turned on, precharge control may be activated U10 Pulse of the thyristors TH1 . TH2 and TH3 lock for a predefined time (which may be referred to as T precharge ) so as to block the output of the SC. Since the SC is blocked, the precharge control can U10 close the contactor CON for the same time as T precharge , with the result that the capacitor C6 (in 3A shown) of the primary unit P1 (as well as all currently connected / operating primary units of DCCON) through the precharge rectifier PR and the resistor R2 is loaded.

In noch einem anderen Aspekt kann, wenn die vordefinierte Zeit Tprecharge abgelaufen ist (d.h. wenn alle Kondensatoren C6 geladen sind), die Vorladesteuerung U10 den Leistungsschütz CON öffnen und Gate-Pulse der Thyristoren TH1, TH2 und TH3 freigeben, so dass der Gleichrichter SC schließt, der dann den DC-Link-Bus mit unregulierter Gleichstrom V-DL speisen kann. Auf diese Weise kann ein Soft-Start durch die Implementation des Vorladekreises erzielt werden.In yet another aspect, if the pre-defined time T precharge has expired (ie if all the capacitors C6 loaded), the precharge control U10 Open the power contactor CON and gate pulses of the thyristors TH1 . TH2 and TH3 enable so that the rectifier SC closes, which can then feed the DC link bus with unregulated DC power V-DL. In this way, a soft start can be achieved through the implementation of the precharge circuit.

Die vordefinierte Zeit Tprecharge wird durch die folgende Relation berechnet: T precharge R2 × N × C6

Figure DE102018114437A1_0007
wobei N die Gesamtzahl der Kondensatoren C6 ist. The predefined time T precharge is calculated by the following relation: T precharge R2 × N × C6
Figure DE102018114437A1_0007
where N is the total number of capacitors C6 is.

Im Falle von Überstrom, wie nachfolgend erläutert, kann der Leistungsschalter CB mit einer Hauptsteuerung U2 (in 2A gezeigt) durch eine faseroptische Verbindung FOU1 (in 2A gezeigt) mit einem Steuerschema gemäß 4 ausgelöst werden.In the case of overcurrent, as explained below, the power switch CB may be equipped with a main controller U2 (in 2A shown) by a fiber optic connection FOU1 (in 2A shown) with a control scheme according to 4 to be triggered.

3A zeigt ein Modul des vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreises gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung. 3A FIG. 12 shows a module of the proposed high voltage DC power supply circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure. FIG.

Wie oben erläutert, beinhaltet der vorgeschlagene Stromkreis Module der als DCCON bezeichneten DC-DC-Wandlerbaugruppe. Ein DCCON ist in 3A gezeigt und kann eine Primäreinheit P1 zum Umwandeln der unregulierten Gleichstromversorgung V-DL in eine Hochfrequenz- (typischerweise 50 kHz) AC-Rechteckwelle mit einem H-Brückenwechselrichter (als 302 gezeigt) auf der Basis des Halbleiterschalters (typischerweise IGBT) und einen HFDC-isolierten Transformator T1 beinhalten, der Ausgang von P1 in eine entsprechende Sekundäreinheit S1 übertragen kann.As discussed above, the proposed circuit includes modules of the DC-DC converter assembly referred to as DCCON. A DCCON is in 3A shown and can be a primary unit P1 for converting the unregulated DC power supply V-DL into a high frequency (typically 50 kHz) AC square wave with a H-bridge inverter (shown as 302) based on the semiconductor switch (typically IGBT) and an HFDC isolated transformer T1 include, the output of P1 into a corresponding secondary unit S1 can transfer.

In einem Aspekt kann der Wechselrichter 302 mit einer ZVS-(Zero Voltage Switching)-Topologie unter Verwendung der Leckinduktanz L des Tranformators T1 und der Kapazität von Kondensatoren C1 bis C4 über Halbleiterschalter SW1 bis SW4 (des Wechselrichters 302) ausgelegt sein, um Quasiresonanz zu erzielen.In one aspect, the inverter 302 with ZVS (Zero Voltage Switching) topology using the leak inductance L of the transformer T1 and the capacity of capacitors C1 to C4 via semiconductor switch SW1 to SW4 (of the inverter 302 ) to achieve quasi-resonance.

In der genannten Weise können Primäreinheiten P1...PN der/des Stromversorgung/Geräts auf der Basis des vorgeschlagenen Stromkreises den Vollbrückenwechselrichter beinhalten, der mit ZVS-(Zero Voltage Switching)-Technik arbeitet. Phasenverschobene Hochfrequenz-PWM-Pulse können als Gate-Signale für die Schalter im Wechselrichter 302 benutzt werden. Ferner können die Primäreinheiten P1... PN mit in den entsprechenden Primäreinheiten montierten Lüftern 304 zwangsluftgekühlt werden. Wie ausgeführt, kann Eingangsstrom für den Wechselrichter 302 V-DL sein, bereitgestellt vom DC-Link-Bus von Spannung des Gleichrichters SC (wie in 3A illustriert).In the manner mentioned primary units P1 ... PN the power supply / device based on the proposed circuit includes the full bridge inverter using ZVS (Zero Voltage Switching) technology. Phase-shifted high-frequency PWM pulses can be used as gate signals for the switches in the inverter 302 to be used. Furthermore, the primary units P1 ... PN with fans mounted in the corresponding primary units 304 Forced air cooled. As stated, input current to the inverter 302 V-DL, provided by the DC link bus of rectifier voltage SC (as in 3A illustrated).

In einem Aspekt kann die Steuerstromversorgung U9 einphasigen Netzstrom, als ACSupply gezeigt, von der AC-Netzversorgung erhalten, der am Eingang des Eingangsleistungsschalters zur Verfügung steht, und der Gleichrichtereinheit, die durch die Komponente U1 repräsentiert ist (in 2A illustriert).In one aspect, the control power supply U9 single-phase mains current, shown as AC supply , obtained from the AC mains supply available at the input of the input circuit-breaker and the rectifier unit provided by the component U1 is represented (in 2A illustrated).

In einem anderen Aspekt können die Kondensatoren C1, C2, C3, C4 und die Dioden D7, D8, D9, D10 jeweils über die Schalter SW1, SW2, SW3, SW4 geschaltet sein. Die Schalter können durch die lokale Steuerung der als U3 illustrierten Primäreinheit gesteuert werden, die austauschbar als ZVS-(Zero Voltage Switching)-Steuerung bezeichnet wird. Die ZVS-Steuerung U3 kann wiederum von der Hauptsteuerung der Stromversorgung U2 (in 2A gezeigt) gesteuert werden.In another aspect, the capacitors C1 . C2 . C3 . C4 and the diodes D7 . D8 . D9 . D10 each via the switch SW1 . SW2 . SW3 . SW4 be switched. The switches can be controlled by the local control of the U3 illustrated primary unit, which is interchangeably referred to as ZVS (Zero Voltage Switching) control. The ZVS control U3 in turn, from the main controller of the power supply U2 (in 2A shown).

In noch einem anderen Aspekt kann das Signal, das den Wechselrichter 302 einer Primäreinheit P1 aktiviert und einschaltet, von der ZVS-Steuerung U3 durch die als SP1A dargestellte faseroptische Leitung von der Hauptsteuerung U2 (in 2A gezeigt) empfangen, während das Status- oder Fehlersignal der Primäreinheit P1 durch U3 zu U2 durch die faseroptische Leitung SP1B (in 2A gezeigt) gesendet werden kann. Der Induktor L, der auf der Primärseite des Hochfrequenztransformators T1 geschaltet gezeigt ist, kann von der Leckinduktanz des Transformators T1 abgeleitet werden.In yet another aspect, the signal that drives the inverter 302 a primary unit P1 activates and turns on, from the ZVS control U3 through the as SP1A illustrated fiber optic cable from the main controller U2 (in 2A shown) while the status or error signal of the primary unit P1 by U3 to U2 through the fiber optic cable SP1B (in 2A shown) can be sent. The inductor L which is on the primary side of the high-frequency transformer T1 shown switched, can from the leakage inductance of the transformer T1 be derived.

In einem Aspekt kann der Ausgang des Transformators T1 die Sekundäreinheit S1 speisen. Die Sekundäreinheit S1 kann einen Hochfrequenzbrückengleichrichter 308 bestehend aus Dioden D1 bis D4 beinhalten, der wie gezeigt über den Filterkondensator C5 geschaltet ist. Der gefilterte Spannungsausgang des Hochfrequenzgleichrichters 308 kann mit dem Halbleiterserienschalter SW5 verbunden sein. Ein anderer Halbleiterschalter SW6 kann über Ausgangsanschlüsse des Brückengleichrichters wie gezeigt geschaltet sein. Der Schalter SW6 kann so konfiguriert sein, dass er EIN (geschlossen) ist, wenn SW5 AUS (offen) ist oder umgekehrt.In one aspect, the output of the transformer T1 the secondary unit S1 Food. The secondary unit S1 can be a high-frequency bridge rectifier 308 consisting of diodes D1 to D4 include, as shown above the filter capacitor C5 is switched. The filtered voltage output of the high frequency rectifier 308 can with the semiconductor serial switch SW5 be connected. Another semiconductor switch SW6 can be connected across the output terminals of the bridge rectifier as shown. The desk SW6 can be configured to be ON (closed) when SW5 OFF (open) or vice versa.

Auf diese Weise kann SW6 die Ausgangsspannung auf null halten, falls SW5 aus ist, aber aufgrund der Kopplungskapazität weiterhin etwas Spannung mit dem Ausgang koppeln. Zusätzlich kann SW6 die gespeicherte Energie in der Sekundäreinheit S1 vom Ausgang im Falle von externen Fehlern umgehen.This way you can SW6 keep the output voltage to zero if SW5 is off, but due to the coupling capacity, some voltage continues to couple to the output. In addition, can SW6 the stored energy in the secondary unit S1 bypassing the output in case of external errors.

In einem anderen Aspekt können beide Schalter SW5 und SW6 durch die Sekundäreinheitssteuerung U4 betätigt werden, die wiederum durch die programmierbare digitale Hauptsteuerung U2 (in 2A gezeigt) der Stromversorgung gesteuert werden kann. Die Sekundäreinheitssteuerung U4 kann auch Strom der Sekundäreinheit S1 durch den Stromsensor CT1 erfassen.In another aspect, both switches SW5 and SW6 through the secondary unit control U4 which in turn are controlled by the programmable digital master controller U2 (in 2A shown) of the power supply can be controlled. The secondary unit control U4 can also power the secondary unit S1 through the current sensor CT1 to capture.

In noch einem anderen Aspekt kann das Signal zum Einschalten von SW5 der Sekundäreinheit S1 von der Steuerung U4 durch die faseroptische Leitung SS1A von U2 empfangen und das Status- oder Fehlersignal der Sekundäreinheit S1 von U4 zu U2 durch die faseroptische Leitung SS1B gesendet werden, wie in 2A gezeigt. In yet another aspect, the signal may be to turn on SW5 the secondary unit S1 from the controller U4 through the fiber optic cable SS1A from U2 receive and the status or error signal of the secondary unit S1 from U4 to U2 through the fiber optic cable SS1b to be sent, as in 2A shown.

In einem Aspekt kann, über die letzten Spannungsausgangsanschlüsse V-MOD der Sekundäreinheit S1 eine Freilaufdiode D6 angeschlossen sein, die zum Bereitstellen eines Schließpfades für die letzte Ausgangsspannung Vout des vorgeschlagenen Stromkreises (in 2A gezeigt) unabhängig vom Zustand von SW5 oder SW6 dienen kann.In one aspect, via the last voltage output terminals V-MOD of the secondary unit S1 a freewheeling diode D6 connected to provide a closing path for the last output voltage Vout of the proposed circuit (in 2A shown) regardless of the state of SW5 or SW6 can serve.

In einem anderen Aspekt können alle Sekundäreinheiten wie S1 mit dem Lüfter 306 zwangsluftgekühlt werden, der in der Sekundäreinheit S1 montiert sein kann. Die zum Ansteuern von U4 benötigte Steuerspannung kann durch die Sekundärseite des Transformators T1 erzeugt werden, um dadurch die Notwendigkeit für einen separaten Transformator zu vermeiden.In another aspect, all secondary units such as S1 with the fan 306 forced air cooled in the secondary unit S1 can be mounted. The to drive from U4 required control voltage can through the secondary side of the transformer T1 be generated, thereby avoiding the need for a separate transformer.

In einem Aspekt kann die ZVS-(Zero Voltage Switching)-Steuerung U3 benötigte phasenverschobene Gate-Pulse für die Schalter SW1, SW2, SW3 und SW4 wie in 3B gezeigt erzeugen.In one aspect, ZVS (Zero Voltage Switching) control U3 required phase-shifted gate pulses for the switches SW1 . SW2 . SW3 and SW4 as in 3B produce shown.

In einem anderen Aspekt kann das Gehäuse der Primäreinheit P1 sowie der Sekundäreinheit S1 aus einem Aluminiummaterial mit gekrümmten Kanten bestehen, um scharfe Ecken zu vermeiden, um Koronaeffekt zu minimieren.In another aspect, the housing may be the primary unit P1 and the secondary unit S1 Made of aluminum material with curved edges to avoid sharp corners to minimize corona effect.

In einem anderen Aspekt kann der Hochfrequenztransformator T1 den folgenden Zwecken dienen: (1) Koppeln der Primärseitenspannung mit der Sekundärseite bei hoher Frequenz, typischerweise 50 kHz, mit erforderlichem Herauf- und Heruntersetzen, (2) Bereitstellen der benötigten Leckinduktanz zum Erzielen von ZVS (Nullspannungsschalten) im Wechselrichter 302, und (3) Bereitstellen der benötigten Hochspannungs-DC-Trennung (typischerweise 100 kV) zwischen Sekundärseite und Primärseite und zwischen Sekundärseite und Kern des Transformators, unter gleichzeitiger Lieferung der Nennleistung (typischerweise 20 kVA).In another aspect, the high frequency transformer T1 to: (1) couple the primary side voltage to the secondary at high frequency, typically 50kHz, with the need to step up and down, (2) provide the required leakage inductance to achieve ZVS (zero voltage switching) in the inverter 302 , and (3) provide the required high voltage DC isolation (typically 100 kV) between the secondary side and the primary side and between the secondary side and the core of the transformer, while providing the nominal power (typically 20 kVA).

3B illustriert Schalter-Gate-Pulse eines Wechselrichters des vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreises gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung. 3B illustrates switch gate pulses of an inverter of the proposed high voltage DC power supply circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

In einem Aspekt kann die ZVS-(Zero Voltage Switching)-Steuerung U3 die benötigten phasenverschobenen Gate-Pulse für die Schalter SW1, SW2, SW3 und SW4 wie gezeigt erzeugen.In one aspect, ZVS (Zero Voltage Switching) control U3 the required phase-shifted gate pulses for the switches SW1 . SW2 . SW3 and SW4 as shown.

4 illustriert ein Steuerschema für den vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreis gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung. 4 illustrates a control scheme for the proposed high voltage DC power supply circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

Wie beschrieben, beinhaltet die Primäreinheit P1 des vorgeschlagenen Stromkreises einen Wechselrichter 302, der von einer ZVS-Steuerung U3 gesteuert wird, die die benötigten phasenverschobenen Gate-Pulse für die Schalter SW1, SW2, SW3 und SW4 erzeugen kann.As described, the primary unit includes P1 the proposed circuit an inverter 302 by a ZVS controller U3 which controls the required phase-shifted gate pulses for the switches SW1 . SW2 . SW3 and SW4 can generate.

In einem Aspekt kann ein in 2A als PD gezeigter Hochspannungspotentialteiler an Ausgangsanschlüsse des Geräts auf der Basis des vorgeschlagenen Stromkreises angeschlossen werden. Der Potentialteiler PD kann die Ausgangsspannung Vout jederzeit erfassen und einen als Vfb gezeigten (4) proportional tieferen Wert zurück zur Steuerung U2 durch die analoge faseroptische Link FOPD (2A) durch die analoge Sender-Empfänger-Link (ATx - ARx, als 402 gezeigt) speisen. PD schwebt auf hohem Potential (≥Vout).In one aspect, an in 2A PD shown high voltage potential divider can be connected to output terminals of the device based on the proposed circuit. The potential divider PD can detect the output voltage Vout at any time and display a (shown as Vfb ( 4 ) proportionally lower value back to the controller U2 through the analog fiber optic link FOPD ( 2A) through the analog transmitter-receiver link (ATx - ARx, shown as 402). PD hovers at high potential (≥Vout).

In einem anderen Aspekt kann an der Steuerung U2 Vfb mit einer Referenzspannung Vset proportional zum Potentialteilerverhältnis und von 0 auf Vout skaliert verglichen werden. Je nach der Differenz zwischen Vset und Vfb kann die Steuerung U2 die Gesamtzahl der Sekundäreinheiten einschließlich der ein- oder auszuschalten Vernier-Einheiten (solche Einheiten werden näher erläutert) darin durch Geben von geeigneten Befehlen durch digitale faseroptische (FO) Links DTx-DRx, dediziert für verschiedene U4s (zum Beispiel DTx-DRx, als 408 für U4 der Sekundäreinheit S1 gezeigt), entscheiden. Dieser Feedback-gesteuerte Regelkreis kann somit die Ausgangsspannung Vout in einer Zeitskala korrigieren, die weitaus kürzer ist als die Mindestzeit, die zum Erzielen der Korrektur benötigt wird, und dadurch Vout (wie in 1A gezeigt) dynamisch reguliert halten. Der Wert von Vfb kann auch zum Erzeugen des als Vmon gezeigten Ausgangsspannungsüberwachungssignals benutzt werden.In another aspect may be at the controller U2 Vfb are compared with a reference voltage Vset proportional to the potential divider ratio and scaled from 0 to Vout. Depending on the difference between Vset and Vfb, the controller may U2 the total number of secondary units including vernier units (such units will be explained in more detail) therein by giving appropriate commands through digital fiber optic (FO) links DTx DRx dedicated for different U4s (eg DTx DRx, as 408) For U4 the secondary unit S1 shown), decide. This feedback controlled loop can thus correct the output voltage Vout on a time scale that is much shorter than the minimum time needed to achieve the correction and thereby Vout (as in FIG 1A shown) dynamically regulated. The value of Vfb can also be used to generate the output voltage monitor signal shown as Vmon.

In noch einem anderen Aspekt kann Vfb auch mit einem Hochgeschwindigkeitskomparatorkreis U7 mit dem Schwellenüberspannungs-Auslösewert der Spannung Vov verglichen werden. Die momentane Ausgangsspannung übersteigt Vov aufgrund von Überspannung, der Ausgang von U7 kann seinen Zustand ändern. Dieses digitale Signal kann dann zur Steuerung U2 übertragen und als Interrupt darin erkannt werden. Die Steuerung U2 kann dadurch unmittelbar alle Sekundäreinheiten gleichzeitig durch Ausschalten von Schalter SW5 und Einschalten von Schalter SW6 (3A), durch Geben von geeigneten Befehlen durch digitale faseroptische (FO) Links DTx-DRx, für verschiedene U4s (zum Beispiel DTx-DRx 408) dediziert, und gleichzeitiges Erzeugen eines als OV-Trip gezeigten Signals sperren, das zu U10 gesendet weden kann, um den Eingangsleistungsschalter CB auszulösen (in 2B gezeigt).In yet another aspect, Vfb can also use a high-speed comparator circuit U7 be compared with the threshold overvoltage trip value of the voltage Vov. The instantaneous output voltage exceeds Vov due to overvoltage, the output of U7 can change his condition. This digital signal can then be used for control U2 be transferred and recognized as an interrupt in it. The control U2 can thus immediately all secondary units simultaneously by turning off switch SW5 and switching on switch SW6 ( 3A) by giving appropriate commands through digital fiber optic (FO) links DTx-DRx, for different U4S (eg DTx-DRx 408) dedicated, and concurrent generation disable a signal shown as OV trip, which can be sent to U10 to trigger the input power switch CB (in 2 B shown).

In einem Aspekt kann der Ausgangsstrom Iout des vorgeschlagenen Stromkreises als Ifb anhand des Stromwandlers CT zur Steuerung U2 (in 2A gezeigt) gesendet werden. Wie in 2A gezeigt, kann der Stromwandler CT wenigstens drei Sätze von faseroptischen Links FOCT mit der Hauptsteuerung U2 überwachen, Stromüberwachungs- und Überstromauslösesignale als Ausgang und Überstrom-Auslösesollwertsignal als Eingang. Der Ausgang von CT kann mit dem Schwellenüberstrom-Auslösewert des Stroms Ioc mit einem Hochgeschwindigkeitskomparatorkreis U8 (4) verglichen werden, der in der Nähe der Ausgangsanschlüsse des vorgeschlagenen Stromkreises installiert ist.In one aspect, the output current Iout of the proposed circuit may be as Ifb based on the current transformer CT for controlling U2 (in 2A shown). As in 2A shown, the current transformer CT at least three sets of fiber optic links FOCT with the main controller U2 monitor, current monitoring and overcurrent trip signals as output and overcurrent trip command signal as input. The output of CT can with the threshold overcurrent trip value of the current Ioc with a high speed comparator circuit U8 ( 4 ) installed near the output terminals of the proposed circuit.

In einem anderen Aspekt kann die Steuerung U2 den Ioc-Wert in Form von Ioc-set als Eingang empfangen. Ioc-set kann zur Steuerung U8 über eine analoge Sender-Empfänger-Link ATx - ARx (als 402 gezeigt) übertragen werden. Der momentane Ausgangsstrom übersteigt Ioc-set aufgrund von Überstrom oder Ausfall (BD), der Ausgang von U8 kann seinen Zustand ändern. Dieses als BD_Pulse gezeigte digitale Signal kann dann durch die digitale faseroptische (FO) Link DTx-DRx zur Steuerung U2 übertragen und als Prioritätsinterrupt darin erkannt werden. Die Steuerung U2 kann sofort alle Sekundäreinheiten gleichzeitig durch Ausschalten des Schalters SW5 und Einschalten des Schalters SW6 durch die digitale faseroptische (FO) Link DTx-DRx, dediziert für U4, für ein vordefiniertes Zeitintervall T-inhibit (wie bei 502 gezeigt, siehe 5A) (typischerweise von etwa 15 ms Dauer) blockieren. So kann die Ausgangsspannung mit hoher Geschwindigkeit in der Dauer T-cutoff (typischerweise innerhalb von 5 µs) (wie bei 504 gezeigt, 5A) unterbrechen und dadurch kann der Anstieg des Fehlerstroms beschränkt werden. Nach Ablauf der Periode T-inhibit kann die Steuerung U2 die benötigten Sekundäreinheiten freigeben, um den letzten Sollwert Vout mit kurzer Anstiegszeit von Dauer T-rise (wie bei 506 gezeigt, 5A) [typischerweise ≤ 1 ms] zu erzielen.In another aspect, the controller U2 receive the Ioc value in the form of Ioc-set as input. Ioc-set can be used to control U8 via an analog transmitter-receiver link ATx-ARx (shown as 402). The instantaneous output current exceeds Ioc-set due to overcurrent or failure (BD), the output of U8 can change his condition. This digital signal, shown as BD_Pulse, can then be controlled by the digital fiber optic (FO) Link DTx DRx U2 be transmitted and recognized as a priority interrupt therein. The control U2 Immediately can shut off all secondary units simultaneously by turning off the switch SW5 and turning on the switch SW6 through the digital fiber optic (FO) Link DTx DRx, dedicated for U4 , for a predefined time interval T-inhibit (as in 502 shown, see 5A) (typically about 15 ms duration). Thus, the output voltage at high speed in duration T-cutoff (typically within 5 μs) (as in 504 shown, 5A) interrupt and thereby the increase of the fault current can be limited. After expiration of the period T-inhibit, the controller U2 release the required secondary units to the last setpoint Vout with a short rise time of duration T-rise (as in 506 shown, 5A) [typically ≤ 1 ms].

In noch einem anderen Aspekt kann die Steuerung U2, wenn die Dauer von BD_Pulse eine vordefinierte Zeit in Mikrosekunden (typischerweise 10 µs) übersteigt, BD_Pulse und dementsprechend Ifb als ein Ereignis berücksichtigen, das aufgrund von Überstrom (oder einem persistenten Ausfall) entsteht, und kann sofort SW1, SW2, SW3, SW4 durch die faseroptische (FO) Link DTx-DRx, für U3 dediziert (zum Beispiel DTx-DRx 406 für U3), jeder Primäreinheit abschalten, um dadurch die primären Wechselrichter zu sperren, und kann gleichzeitig auch ein als OC-trip gezeigtes Signal erzeugen. OC-trip kann zu U1 von U2 über die faseroptische Link FOU1 gesendet werden, um den Eingangsleistungsschalter CB auszulösen (siehe 4, 2A und 2B). Der Wert von Ifb kann auch zum Erzeugen des Ausgangsstromüberwachungssignals Imon (siehe 4) benutzt werden.In yet another aspect, the controller may U2 if the duration of BD_Pulse exceeds a predefined time in microseconds (typically 10 μs), consider BD_Pulse and, accordingly, Ifb as an event that arises due to overcurrent (or persistent failure), and can immediately SW1 . SW2 . SW3 . SW4 through the fiber optic (FO) Link DTx DRx, for U3 dedicated (for example DTx-DRx 406 For U3 ), turn off each primary unit to thereby block the primary inverters, and at the same time can also generate a signal shown as OC-trip. OC-trip can too U1 from U2 over the fiber optic link FOU1 are sent to trigger the input power switch CB (see 4 . 2A and 2 B) , The value of Ifb may also be used to generate the output current monitor signal Imon (see 4 ) to be used.

5A bis 5D illustrieren, über grafische Darstellungen, die Funktionsweise des vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreises unter verschiedenen Situationen gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung. 5A to 5D illustrate, via graphs, the operation of the proposed high voltage DC supply circuit under various situations, according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

5A illustriert ein Ausfallereignis eines Geräts auf der Basis des vorgeschlagenen Stromkreises gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung. 5A illustrates a failure event of a device based on the proposed circuit in accordance with an exemplary embodiment of the present disclosure.

Wie in 5A illustriert, kann die Steuerung des vorgeschlagenen Stromkreises, sobald Ausgangsstrom des Geräts aufgrund von Überstrom oder Ausfall einen Sollwert übersteigt, sofort alle Sekundäreinheiten gleichzeitig für ein als T-inhibit 502 gezeigtes vordefiniertes Zeitintervall sperren. T-inhibit 502 kann typischerweise eine Dauer von etwa 15 ms haben.As in 5A As illustrated, when the output current of the device exceeds a setpoint due to overcurrent or failure, control of the proposed circuit may immediately disable all secondary units simultaneously for a predefined time interval shown as T-inhibit 502. T-inhibit 502 may typically have a duration of about 15 ms.

So kann die Ausgangsspannung mit hoher Geschwindigkeit in der Dauer T-cutoff (typischerweise innerhalb von 5 µs) (wie bei 504 gezeigt, 5A) unterbrochen werden, so dass der Anstieg des Fehlerstroms beschränkt werden kann. Nach Ablauf der Periode T-inhibit 502 gibt die Steuerung die benötigten Sekundäreinheiten frei, um den letzten Sollwert Vout mit kurzer Anstiegszeit der Dauer T-rise 506 (typischerweise ≤ 1 ms) zu erzielen.Thus, the high voltage output voltage may be in duration T cutoff (typically within 5 μs) (as shown at 504, 5A) be interrupted, so that the increase of the fault current can be limited. After the expiration of the period T-inhibit 502, the controller releases the required secondary units to achieve the last setpoint Vout with a short rise time of duration T-rise 506 (typically ≤ 1 ms).

5B illustriert eine typische Sequenz von wiederholen Ausfallereignissen für einen BD-Satz von 4 gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung. 5B illustrates a typical sequence of repeat failure events for a BD set of FIG. 4 in accordance with an exemplary embodiment of the present disclosure.

Wie in 5B illustriert, kann die Steuerung des vorgeschlagenen Stromkreises BDactual bei jedem Empfang des BD-Pulsignals zählen, um die Zahl der Ausfälle zu bestimmen, die tatsächlich am Ausgang des Stromkreises/Geräts aufgetreten sind.As in 5B As illustrated, the control of the proposed BDactual circuit may count each time the BD pulse signal is received to determine the number of failures that have actually occurred at the circuit / device output.

Die BDactual-Zahl kann mit der gewünschten zulässigen Anzahl von Ausfällen oder dem Ausfallgrenze BDset verglichen werden. Der Zyklus von Spannungsunterbrechung, Blockierung und Neuanlegen wie in 5B gezeigt kann wiederholt werden, bis BDactual≤BDset ist, wonach der Zyklus beendet und ein gerastetes Ausfallgrenzfehlersignal BD_limit erzeugt werden kann, das keine Erzeugung von Vout zulässt, bevor manuelles RESET (in 4 als 404 angedeutet) freigegeben ist. Die Rücksetzung kann das BD_limit Signal löschen und dabei die BDactual-Zahl auf null zurücksetzen.The BDactual number can be compared with the desired allowable number of failures or the BDset failure limit. The cycle of power interruption, blocking and re-creating as in 5B can be repeated until BDactual≤BDset, after which the cycle can be terminated and a latched failure limit error signal BD_limit can be generated that does not allow generation of Vout before manual RESET (in 4 as indicated 404) is released. The reset can clear the BD_limit signal and reset the BDactual number to zero.

5C illustriert, wie ein Gerät auf der Basis des vorgeschlagenen Stromkreises einen Ausgang geben kann, der gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung benötigt wird. 5C illustrates how a device based on the proposed circuit can provide an output needed in accordance with an exemplary embodiment of the present disclosure.

Wie beschrieben, kann der vorgeschlagene Stromkreis nacheinander eine benötigte Anzahl von Sekundäreinheiten mit einer als Tdelay (in Millisekunden) angezeigten Zeitverzögerung einschalten. Auf der Basis der Differenz zwischen Vset und Vfb kann die Steuerung U2 die Zahl der zusätzlichen Einheiten entscheiden, die ein- oder auszuschalten sind, um einen Wert nahe an der gewünschten Ausgangsspannung Vout wie oben erläutert zu erreichen.As described, the proposed circuit may successively turn on a required number of secondary units with a time delay indicated as Tdelay (in milliseconds). Based on the difference between Vset and Vfb, the controller can U2 decide the number of additional units to be turned on or off to reach a value close to the desired output voltage Vout as explained above.

In einer Ausgestaltung kann, da die Zahl der Sekundäreinheiten, die eingeschaltet werden müssen, um einen Wert nahe an der gewünschten Ausgangsspannung Vout zu erreichen, von der Hauptsteuerung U2 des vorgeschlagenen Stromkreises im Voraus entschieden (und daher bekannt) wird, der Betrag an Spannungsüberschreitung und Beruhigungszeit drastisch reduziert und eine kurze Anstiegszeit erzielt werden. Die Anstiegszeit der Ausgangsspannung kann durch Ändern des Wertes von Tdelay variiert werden.In one embodiment, since the number of secondary units to be turned on to reach a value close to the desired output voltage Vout may be determined by the main controller U2 of the proposed circuit is decided in advance (and therefore known), the amount of voltage overrun and settling time is drastically reduced and a short rise time is achieved. The rise time of the output voltage can be varied by changing the value of Tdelay.

5D illustriert, wie Ausgangsspannung eines Geräts auf der Basis des vorgeschlagenen Stromkreises bei niedrigen bis hohen Frequenzen moduliert werden kann, gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung. 5D illustrates how output voltage of a device based on the proposed circuit may be modulated at low to high frequencies, according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

In einem Aspekt kann die Ausgangsgleichspannung des Geräts bei niedrigen bis hohen Frequenzen (typischerweise zwischen 5 Hz und 0,5 kHz) durch Modulieren der HVon und HVoff Signale (siehe 4 und 5D) der Hauptsteuerung U2 auf der gewünschten Frequenz moduliert werden. Die Höchstfrequenz (fmod-max), bei der die Modulation erzielt werden kann, kann immer auf der folgenden Beziehung (unter Berücksichtigung von Tfall«Trise und Ignorieren von Tfall) erzielt werden: f m o d m a x < 1 2   x   T r i s e

Figure DE102018114437A1_0008
wobei Trise die Anstiegszeit der Ausgangsspannung und Tfall die Abfallzeit der Ausgangsspannung ist.In one aspect, the device's DC output voltage may be at low to high frequencies (typically between 5 Hz and 0.5 kHz) by modulating the HVon and HVoff signals (see 4 and 5D ) of the main controller U2 be modulated on the desired frequency. The maximum frequency (f mod-max ) at which the modulation can be achieved can always be achieved on the following relationship (taking into account Tfall «Trise and ignoring Tfall): f m O d - m a x < 1 2 x T r i s e
Figure DE102018114437A1_0008
where Trise is the rise time of the output voltage and T case the fall time of the output voltage is.

Für eine gewünschte Modulationsfrequenz fmod kann die Dauer der Freigabe der HVon (THVon) und HVoff (THVoff) Signale durch die folgende Relation ausgedrückt werden: T H V o n = T H V o f f = 1 2   x   f m o d

Figure DE102018114437A1_0009
wobei fmod ≤ fmod-max For a desired modulation frequency fmod, the duration of the release of the HVon (THVon) and HVoff (THVoff) signals can be expressed by the following relation: T H V O n = T H V O f f = 1 2 x f m O d
Figure DE102018114437A1_0009
where f mod ≤ f mod-max

6A bis 6C illustrieren Konstruktionsdetails eines Hochfrequenztransformators, der im vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreis benutzt wird, gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung. 6A to 6C illustrate structural details of a high frequency transformer used in the proposed high voltage DC supply circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

6A zeigt eine Frontquerschnittsansicht, 6B zeigt eine Seitenquerschnittsansicht und 6C zeigt eine Querschnittsdraufansicht des Transformators. 6A shows a front cross-sectional view, 6B shows a side cross-sectional view and 6C shows a cross-sectional plan view of the transformer.

In einem Aspekt kann der Transformator T aus zwei U-Sektionen 602 aus Magnetmaterial wie amorphem oder Ferritmaterial bestehen, zwischen zwei isolierten C-Kanal-Sektionen 604 zusammengeklammert, die aus Isoliermaterial wie Fiberglas-Epoxid gefertigt sein können, zusammengehalten mit zwei Gewindeschraubbolzen 610 aus demselben Material, und getragen über einer Basis mit L-Sektionen 612 aus demselben Material.In one aspect, the transformer T may consist of two U-sections 602 of magnetic material such as amorphous or ferrite material, between two isolated C-channel sections 604 clamped together, which may be made of insulating material such as fiberglass epoxy, held together with two threaded bolts 610 made of the same material, and carried over a base with L-sections 612 from the same material.

In einem anderen Aspekt können sowohl die primäre 614 als auch die sekundäre 616 Wicklung aus beliebigen oder einer Kombination von Hochspannungs-(HV)-koronabeständigem Draht und HV-Band 618 gefertigt sein. Das Hochspannungswiderstandsnennvermögen der Isolierung zwischen der primären 614 und der sekundären 616 Wicklung sollte größer sein als die benötigte Mindest-HVDC-Trennung (kann das Zweifache des benötigten Trennniveaus sein). Die Wicklungen können vom Kern mit Isolier- (aus Faserglas-Epoxid) Blöcken 620 getrennt sein, die auch den Hauptträger für die Wicklung bilden und den notwendigen Freiraum für die beim Betrieb abgeführte Wärme bereitstellen. Die Endterminierungen der Primärwicklungen 614 (mit 622 angedeutet) und der Sekundärwicklungen 616 (mit 624 angedeutet) können von den diagonal gegenüberliegenden Enden herausgeführt werden, um die Kriechstrecke zu maximieren.In another aspect, both the primary 614 as well as the secondary 616 Winding of any or combination of high voltage (HV) corona resistant wire and HV tape 618 be made. The high-voltage resistance rating of the insulation between the primary 614 and the secondary 616 Winding should be greater than the required minimum HVDC isolation (which may be twice the required isolation level). The windings can be made from core with insulating (fiberglass-epoxy) blocks 620 be separated, which also form the main carrier for the winding and provide the necessary space for the dissipated during operation heat. The final deadlines of the primary windings 614 (With 622 indicated) and the secondary windings 616 (With 624 indicated) can be led out from the diagonally opposite ends to maximize the creepage distance.

7 zeigt eine Kühlanordnung für einen Transformator, der in dem vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreis benutzt wird, gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung. 7 shows a cooling arrangement for a transformer used in the proposed high voltage DC power supply circuit, according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

In einem Aspekt kann im Transformator abgeführte Wärme durch eine geführte Luftkanalanordnung bestehend aus Isolier- (typischerweise Polycarbonat-) Material 702 beseitigt werden. Der Kanal 702 kann mit zwei Lüftern 704 ausgestattet sein, die die Wärme aus dem Kanal saugen, und kann so ausgelegt sein, dass er die Wärme von zwei Transformatoren gleichzeitig aufnimmt und abführt. Der Transformator sowie der Luftkanal können an der Basisplatte 706 bestehend aus Isoliermaterial wie Faserglas-Epoxidmaterial montiert sein. Die Basisplatte 706 kann mit runden Ausschnitten 708 versehen sein, durch die die primären 710 und sekundären 712 Wicklungsanschlüsse passieren können, die wie in 3A gezeigt mit Primär- und Sekundäreinheiten verbunden sein können. Die Luftkanalanordnung kann auf eine solche Weise ausgelegt sein, dass eine Lüftermontageanordnung durch die Primäreinheiten und nicht durch die Sekundäreinheiten passiert, die bei hoher Spannung arbeiten.In one aspect, heat dissipated in the transformer may be through a guided air channel assembly comprised of insulating (typically polycarbonate) material 702 be eliminated. The channel 702 can with two fans 704 be equipped to suck the heat from the channel, and can be designed so that it absorbs the heat of two Transformers simultaneously receives and dissipates. The transformer as well as the air duct can be attached to the base plate 706 be assembled consisting of insulating material such as fiberglass epoxy material. The base plate 706 can with round cutouts 708 Be provided by the primary 710 and secondary 712 Winding connections can happen, as in 3A shown connected to primary and secondary units. The air duct assembly may be configured in such a manner that a fan mounting assembly passes through the primary units and not through the secondary units operating at high voltage.

8 zeigt typische Verbindungen von Primär- und Sekundäreinheiten mit dem Transformator für den vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreis gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung. 8th shows typical connections of primary and secondary units to the transformer for the proposed high voltage DC supply circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

In einem Aspekt, wie gezeigt, können Eingangswicklungen des Transformators 804 mit dem Ausgang der Primäreinheit 802 verbunden sein, während Ausgangswicklungen des Transformators 804 mit Eingängen der Sekundäreinheit 806 verbunden sein können. Der Ausgang der Sekundäreinheiten kann mit einem gemeinsamen Bus (nicht gezeigt) verbunden sein.In one aspect, as shown, input windings of the transformer 804 with the output of the primary unit 802 be connected during output windings of the transformer 804 with inputs of the secondary unit 806 can be connected. The output of the secondary units may be connected to a common bus (not shown).

In einem anderen Aspekt können Module einer solchen Anordnung in einer Reihe wie gezeigt gehalten werden und jede Reihe kann mit/von einer Netzversorgung verbunden/getrennt, je nach dem benötigten Endausgang sein, wie bereits ausgeführt.In another aspect, modules of such an arrangement may be kept in a row as shown, and each row may be connected / disconnected to / from a power supply, depending on the required end output, as already stated.

9A und B illustrieren eine Gestellanordnung für den vorgeschlagenen Hochspannungs-Gleichstromversorgungskreis gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung. 9A and B illustrate a rack assembly for the proposed high voltage DC power supply circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

9A illustriert eine Draufsicht der Gestellanordnung und 9B illustriert eine Frontansicht der Gestellanordnung. 9A illustrates a top view of the frame assembly and 9B illustrates a front view of the rack assembly.

In einem Aspekt können alle Primär- und Sekundäreinheiten eines Geräts auf der Basis des vorgeschlagenen Stromkreises an dem HV-Gestell 900 wie gezeigt montiert sein, wobei das HV-Gestell 900 für ein Potential von mehr als dem maximalen Spannungspotential getrennt sein kann, auf das die Sekundäreinheiten mit Bezug auf Masse bezogen werden (Visolation). Das Gestell 900 kann auch elektrischem Isoliermaterial mit einer ausreichenden mechanischen Festigkeit bestehen (wie Faserglas-Epoxid oder FR4-Material) und kann vertikale isolierte Säulen 902 mit quadratischem Querschnitt haben, durch die die isolierten Rohre 904 mit kreisförmigem Querschnitt verbunden (geleitet) werden können.In one aspect, all primary and secondary units of a device may be based on the proposed circuit on the HV rack 900 be mounted as shown, with the HV frame 900 can be separated for a potential greater than the maximum voltage potential to which the secondary units are referred with respect to ground (Visolation). The frame 900 can also be made of electrical insulating material with sufficient mechanical strength (such as fiberglass epoxy or FR4 material) and can be vertical insulated columns 902 with square cross-section through which the insulated tubes 904 can be connected (routed) with a circular cross-section.

In einem anderen Aspekt können die Primäreinheiten 906 und die Sekundäreinheiten 908 auf einer flachen Blechsektion 910 aus Isoliermaterial montiert sein, die wiederum an Rohren 904 montiert und mit isolierten Bolzen aus demselben Material aneinander befestigt werden können. Ebenso können die Transformatoren 936 an einer flachen Blechsektion 912 aus dem Isoliermaterial montiert sein, die wiederum an Rohren 904 montiert und mit isolierten Bolzen aus demselben Material aneinander befestigt sein können.In another aspect, the primary moieties 906 and the secondary units 908 on a flat sheet metal section 910 be mounted from insulating material, in turn, on pipes 904 mounted and secured together with insulated bolts of the same material. Likewise, the transformers 936 on a flat sheet metal section 912 be mounted from the insulating material, in turn, on pipes 904 mounted and secured together with insulated bolts of the same material.

In noch einem anderen Aspekt können der Potentialteiler PD (siehe auch 2A), der Stromwandler CT (2A) und andere Hilfsstromkreise wie bei 916 gezeigt an einer isolierten Plattform 918 montiert sein. Der Strom zu diesen Elementen kann durch einen auf derselben Plattform 918 montierten Trenntransformator 920 abgeleitet werden. Der Trenntransformator 960 kann für ein Potential bemessen sein, das gleich Visolation ist. Zusätzliche Hilfsstromkreise 930 können an einer ähnlichen isolierten Plattform 932 montiert sein. Der positive und negative Ausgang der offenbarten Hochspannungsgleichstromversorgung kann an den Isolatorpfosten 934 terminiert sein. Die Höhe der untersten Schicht, wo die Primär- und Sekundäreinheiten montiert sind, kann so gewählt werden, dass sie eine elektrische Trennung von wenigstens Visolation von Masse ergibt.In yet another aspect, the potential divider PD (see also 2A) , the current transformer CT ( 2A) and other auxiliary circuits as in 916 shown on an isolated platform 918 be mounted. The power to these elements can be through one on the same platform 918 mounted isolation transformer 920 be derived. The isolation transformer 960 can be measured for a potential that is equal to Visolation. Additional auxiliary circuits 930 can be on a similar isolated platform 932 be mounted. The positive and negative outputs of the disclosed high voltage DC power supply can be applied to the insulator post 934 be terminated. The height of the lowest layer where the primary and secondary units are mounted may be selected to provide electrical separation from at least visolation of mass.

Wie ersichtlich ist, können alle Sekundäreinheiten elektrisch von Primäreinheiten durch entsprechende Transformatoren getrennt (für Spannung Visolation) sein. Zusätzlich können alle Sekundäreinheiten elektrisch von Masse durch das HV-Gestell für eine Mindestspannung von Visolation getrennt sein. Alle Erfassungsgeräte und Hilfsgeräte wie PD, CT usw. können ebenfalls elektrisch durch den Trenntransformator 920 zum Potential Visolation isoliert sein. Der vorgeschlagene Stromkreis kann daher die Ausgangsspannung im Schwebemodus zuführen, wobei der positive oder der negative Anschluss geerdet oder auf ein Potential von Visolation angehoben ist.As can be seen, all secondary units can be electrically isolated from primary units by appropriate transformers (for voltage visibility). In addition, all secondary units may be electrically isolated from ground by the HV frame for a minimum tension of visolation. All sensing devices and auxiliary devices such as PD, CT, etc. can also be electrically powered by the isolation transformer 920 be isolated to the potential Visolation. The proposed circuit may therefore supply the output voltage in the floating mode with the positive or negative terminal grounded or raised to a potential of Visolation.

In einem Beispiel kann das Design verschiedener in dem vorgeschlagenen Stromkreis benutzter Komponenten wie nachfolgend erläutert sein. In one example, the design of various components used in the proposed circuit may be explained below.

WECHSELRICHTERINVERTER

In einem Aspekt können Wechselrichterparameter unter Berücksichtigung eines nullspannungsschaltenden phasenverschobenen Vollbrücken-DC/DC-Wandlers entschieden werden. In einer beispielhaften Ausgestaltung können die Wechselrichterparameter auf der Basis von in der Technik bekannten Gleichungen bestimmt werden, zum Beispiel wie in der folgenden Literatur angeführt: M. Uslu, „Analysis, Design and Implementation of a 5 kW Zero Voltage Switching Phase-shifted Full-bridge DC/DC Converter Based Power Supply for Arc Welding Machines“, Master's thesis, Middle East Technical University, November 2006.

  • 1. Auf der Basis der Verfügbarkeit des Halbleiterschalters die Eingangsspezifikationen des Wechselrichters abgeschlossen werden, d.h.:
    V-DL =
    Eingangsgleichspannung
    V-MOD =
    Ausgangsspannung
    Iout =
    Laststrom
    f =
    Schaltfrequenz
    ∅ =
    Phasenverschiebungswinkel von Gate-Puls zwischen SW3 & SW2 oder SW1 & SW4
    td =
    Totzeit des Schalters
    Iocr =
    maximaler kritischer Laststrom und
    Ippk =
    primärer Spitzenstrom
  • 2. Der Maximaler Arbeitszyklus des Schalters kann berechnet werden durch: d m a x = 1 2   x   t d   x   f
    Figure DE102018114437A1_0010
  • 3. Der effektive Arbeitszyklus des Schalters kann berechnet werden durch: d e f f = 1 180 ° 2 × t d × f
    Figure DE102018114437A1_0011
  • 4. Das maximale Umdrehungsverhältnis kann abgeleitet werden von: n m a x = d e f f × V D L V M O D
    Figure DE102018114437A1_0012
  • 5. Der maximale „L“-Wert kann abgeleitet werden von: L m a x = V D L 2 × ( l o u t n m a x ) × ( 3 8 × f t d )
    Figure DE102018114437A1_0013
  • 6. Durch Benutzen von Lmax kann der minimale Kondensatorwert zum Schalten über den Schalter wie folgt berechnet werden: C m i n = 1 L m a x × ( 2 × t d Π ) 2
    Figure DE102018114437A1_0014
  • 7. Der maximale Kondensatorwert zum Schalten über den Schalter kann anhand der minimal möglichen Leckinduktanz (Lmin ) des Transformators berechnet werden, der wie folgt erzielt werden kann: C m a x = 1 L m i n × ( 2 × t d Π ) 2
    Figure DE102018114437A1_0015
  • 8. Unter Berücksichtigung des Wertes von Kondensator Ct, geschaltet über den Schalter zwischen Cmin und Cmax , berechnet in Sr. 5 und Sr. 6, kann der Wert der im Transformator benötigten Leckinduktanz Lt berechnet werden durch: L t = 1 C 1 × ( 2 × t d Π ) 2
    Figure DE102018114437A1_0016
  • 9. Der kritische Strom, der den ZVS-(Zero Voltage Switching)-Betrieb erfüllt, kann dann berechnet werden durch: I c r = C t L t × V D L
    Figure DE102018114437A1_0017
  • 10. Auch der maximale effektive Arbeitszyklus des Schalter kann berechnet werden durch: d e f f = d m a x 1 + 1 × L t × I o u t × f n 2 × V M O D
    Figure DE102018114437A1_0018
  • 11. Dann können die Werte von Icr, Ippk und deff unter den Bedingungen unten geprüft werden, die den ZVS-Betrieb erfüllen: d e f f n × V M O D V D L I c r I o c r n I o u t n I p p k
    Figure DE102018114437A1_0019
In one aspect, inverter parameters may be decided in consideration of a zero voltage switching phase-shifted full-bridge DC / DC converter. In an exemplary embodiment, the inverter parameters may be determined based on equations known in the art, for example as set forth in the following literature: M. Uslu, "Analysis, Design and Implementation of a 5kW Zero Voltage Switching Phase-shifted Full-Bridge DC / DC Converter Based Power Supply for Arc Welding Machines, "Master's thesis, Middle East Technical University, November 2006.
  • 1. On the basis of the availability of the semiconductor switch, the input specifications of the inverter are completed, ie:
    V -DL =
    DC input voltage
    V -MOD =
    output voltage
    I out =
    load current
    f =
    switching frequency
    ∅ =
    Phase shift angle of gate pulse between SW3 & SW2 or SW1 & SW4
    t d =
    Dead time of the switch
    I ocr =
    maximum critical load current and
    I ppk =
    primary peak current
  • 2. The maximum duty cycle of the switch can be calculated by: d m a x = 1 - 2 x t d x f
    Figure DE102018114437A1_0010
  • 3. The effective duty cycle of the switch can be calculated by: d e f f = 1 - 180 ° - 2 × t d × f
    Figure DE102018114437A1_0011
  • 4. The maximum rotation ratio can be derived from: n m a x = d e f f × V - D L V - M O D
    Figure DE102018114437A1_0012
  • 5. The maximum "L" value can be derived from: L m a x = V - D L 2 × ( l O u t n m a x ) × ( 3 8th × f - t d )
    Figure DE102018114437A1_0013
  • 6. By using L max the minimum capacitor value for switching via the switch can be calculated as follows: C m i n = 1 L m a x × ( 2 × t d Π ) 2
    Figure DE102018114437A1_0014
  • 7. The maximum capacitor value for switching via the switch can be determined on the basis of the minimum possible leakage inductance ( L min ) of the transformer, which can be achieved as follows: C m a x = 1 L m i n × ( 2 × t d Π ) 2
    Figure DE102018114437A1_0015
  • 8. Taking into account the value of capacitor C t , switched via the switch between C min and C max , calculated in Sr. 5 and Sr. 6, the value of the leakage inductance Lt required in the transformer can be calculated by: L t = 1 C 1 × ( 2 × t d Π ) 2
    Figure DE102018114437A1_0016
  • 9. The critical current that satisfies ZVS (Zero Voltage Switching) operation can then be calculated by: I c r = C t L t × V - D L
    Figure DE102018114437A1_0017
  • 10. The maximum effective duty cycle of the switch can also be calculated by: d e f f = d m a x 1 + 1 × L t × I O u t × f n 2 × V - M O D
    Figure DE102018114437A1_0018
  • 11. Then the values of I cr , I ppk and d eff tested under the conditions below that fulfill the ZVS operation: d e f f n × V - M O D V - D L I c r I O c r n I O u t n I p p k
    Figure DE102018114437A1_0019

Die Werte Ct und Lt können abgeschlossen werden, wenn die Werte von Icr, Ippk und deff die in Sr. 11 erwähnten Bedingungen erfüllen, ansonsten können Sr. 7 bis Sr. 10 unter Annahme eines anderen Wertes von Ct wiederholt werden, bis die Bedingungen in Sr. 11 erfüllt sind.The values C t and L t can be terminated if the values of I cr , I ppk and d eff conditions mentioned in Sr. 11 conditions, otherwise Sr. 7 can be repeated until Sr. 10 assuming a different value of C t, until the conditions in Sr. 11 are fulfilled.

TRANSFORMATORTRANSFORMER

In einem Aspekt kann der folgende Vorgang zum Entwerfen des Transformators T eingehalten werden:In one aspect, the following process of designing the transformer T may be followed:

1. Die Parameter: Primärspannung = Vpri, Primärstrom = Ipri, Sekundärspannung = Vsec, Sekundärstrom = Isec, Betriebsfrequenz = f, EMF pro Umdrehung = Et und, benötigte Trennung = Visolation. 1. The parameters: primary voltage = Vpri, primary current = ipri, secondary voltage = Vsec, secondary current = isec, operating frequency = f EMF per revolution = et and, needed separation = Visolation.

2. Der Querschnitt oder Durchmesser des für die Wicklung benötigten Leiters kann abgeschlossen werden. Der Querschnitt der Wicklung kann von den folgenden Gleichungen abgeleitet werden:

  • Hautdicke des Leiters bei f s d = ρ Π × f × μ
    Figure DE102018114437A1_0020
  • Querschnittsfläche für runden Leiter A c = Π D 2 4 Π ( D 2 s d 2 ) 4
    Figure DE102018114437A1_0021
  • Das Verhältnis zwischen Primärstrom und Querschnittsfläche des Leiters kann angegeben werden durch A c = I p r i J
    Figure DE102018114437A1_0022
  • Parallele Läufe in der Primär- und Sekundärwicklung können benutzt werden, falls der Leiter mit erforderlichem Querschnitt nicht verfügbar ist. Dabei ist:
    • J die Stromdichte des Leiters
    • ρ der spezifische Widerstand des Leiters
    • µ die magnetische Permeabilität des Leiters
    • D der Durchmesser des Leiters.
2. The cross-section or diameter of the conductor needed for the winding can be completed. The cross section of the winding can be derived from the following equations:
  • Skin thickness of the conductor at f s d = ρ Π × f × μ
    Figure DE102018114437A1_0020
  • Cross-sectional area for round ladder A c = Π D 2 4 - Π ( D 2 - s d 2 ) 4
    Figure DE102018114437A1_0021
  • The relationship between primary current and cross-sectional area of the conductor can be indicated by A c = I p r i J
    Figure DE102018114437A1_0022
  • Parallel runs in the primary and secondary windings can be used if the conductor with required cross-section is not available. Where:
    • J is the current density of the conductor
    • ρ the resistivity of the conductor
    • μ the magnetic permeability of the conductor
    • D is the diameter of the conductor.

3. Je nach Verfügbarkeit von Kernmaterial, Querschnittsfläche = Ai, Fensterfläche = Aw, kann der Kern abgeschlossen werden, um den benötigten Parameter zu erzielen.3. Depending on the availability of core material, cross-sectional area = Ai, window area = Aw, the core can be completed to achieve the required parameter.

4. Die Flussdichte B kann dann mit der folgenden Relation berechnet werden: B = E t 4.44 × f × A i

Figure DE102018114437A1_0023
4. The flux density B can then be calculated with the following relation: B = e t 4:44 × f × A i
Figure DE102018114437A1_0023

5. Wenn der Wert von B weit unter der Sättigungsflussdichte des Kerns liegt, kann der Wert von Et abgeschlossen werden, ansonsten kann der Wert von B durch Reduzieren des Wertes von Et und Benutzen der in Sr. 4 erwähnten Gleichung berechnet werden.5. If the value of B is far below the saturation flux density of the core, the value of Et can be completed, otherwise the value of B can be calculated by reducing the value of Et and using the equation mentioned in Sr.

6. Die Anzahl von Primärumdrehungen des Transformators kann ausgedrückt werden durch: N p r i = V p r i E t

Figure DE102018114437A1_0024
6. The number of primary revolutions of the transformer can be expressed by: N p r i = V p r i e t
Figure DE102018114437A1_0024

7. Die Anzahl von Sekundärumdrehungen des Transformators kann ausgedrückt werden durch: N s e c = V s e c E t

Figure DE102018114437A1_0025
7. The number of secondary revolutions of the transformer can be expressed by: N s e c = V s e c e t
Figure DE102018114437A1_0025

8. Je nach dem Wert von Visolation können das Isoliermaterial und die Dicke des Leiters abgeschlossen werden.8. Depending on the value of Visolation, the insulating material and the thickness of the conductor can be completed.

In einer beispielhaften Ausgestaltung kann die Leckinduktanz des Transformators auf der Basis von in der Technik bekannten Gleichungen bestimmt werden, zum Beispiel wie angeführt in der Literature: R. Doebbelin and A. Lindemann, „Leakage Inductance Determination for Transformers with Interleaving of Windings“, Progress In Electromagnetics Research (PIERS), Bd. 6, Nr. 6, 2010. Die Leckinduktanz des Transformators kann durch die folgende Relation ausgedrückt werden: L t = L = μ ο × N 2 × l m n 2 l f × X p a r l f × δ + X p e r p l f 3

Figure DE102018114437A1_0026
wobei

  • ∑Xperp-lf die Summe von Abmessungen aller Subwicklungen ist, die lotrecht zum Leckfluss orientiert sind;
  • Xpar-lf die Abmessung der Subwicklungen ist, die parallel zum Leckfluss orientiert sind;
  • ∑δ die Summe der Dicken aller Isolierzwischenräume zwischen den Subwicklungen ist,
  • nlf die Anzahl von Isolierzwischenräumen zwischen den Subwicklungen ist;
  • N die Anzahl von Umdrehungen der Wicklung ist, auf die sich das Leck bezieht;
  • lm die mittlere Länge pro Umdrehung für die gesamte Anordnung der Wicklungen ist.
In an exemplary embodiment, the leakage inductance of the transformer may be determined based on equations known in the art, for example as cited in the literature: R. Doebbelin and A. Lindemann, "Leakage Inductance Determination for Transformers with Interleaving of Windings", Progress In Electromagnetics Research (PIERS), Vol. 6, No. 6, 2010. The leakage inductance of the transformer can be expressed by the following relation: L t = L = μ ο × N 2 × l m n 2 l f × X p a r - l f × Σ δ + Σ X p e r p - l f 3
Figure DE102018114437A1_0026
in which
  • ΣX perp-lf is the sum of dimensions of all sub-windings oriented perpendicular to the leak flow;
  • X par-lf is the dimension of the sub-windings oriented parallel to the leakage flow;
  • Σδ is the sum of the thicknesses of all insulation gaps between the sub-windings,
  • n lf is the number of insulating gaps between the sub-windings;
  • N is the number of turns of the winding to which the leak relates;
  • l m is the mean length per revolution for the entire arrangement of the windings.

Das Abfallverhältnis des Transformators T kann durch die folgende Relation ausgedrückt werden: Abfallverhältnis = K = V n o l o a d V f u l l l o a d

Figure DE102018114437A1_0027
wobei

  • Vno-load die Sekundärspannung des Transformators bei Nulllast ist
  • Vfull-load die Sekundärspannung des Transformators bei Volllast ist
  • alle Transformatoren T1 bis TN für gleiche Leckinduktanz L ausgelegt sind.
The drop ratio of the transformer T can be expressed by the following relation: drop ratio = K = V n O - l O a d V f u l l - l O a d
Figure DE102018114437A1_0027
in which
  • V no-load is the secondary voltage of the transformer at zero load
  • V full-load is the secondary voltage of the transformer at full load
  • all transformers T1 to TN are designed for the same leakage inductance L.

SEKUNDÄREINHEITSECONDARY UNIT

In der vorgeschlagenen Stromversorgung können diejenigen sekundären Einheiten/Module, die Spannung mit der höchsten Amplitude (Vfull) mit Bezug auf die übrigen Module erzeugen, fixieren und angleichen, als ,volle‘ Einheiten bezeichnet werden. Die übrigen Einheiten, die Spannung erzeugen, die geringer ist als die vollen Einheiten, können als ,Vernier‘-Einheiten bezeichnet werden.In the proposed power supply, those secondary units / modules that generate, fix, and adjust the highest amplitude voltage (Vfull) with respect to the remaining modules may be referred to as "full" units. The remaining units that produce tension less than the full units may be referred to as "vernier" units.

Für eine gewünschte Ausgangsspannung Vout mit benötigter Mindestspannungsauflösung Vmin kann das erste Vernier-Modul, d.h. Vernier-1, so ausgelegt werden, dass es die Mindestausgangsspannung bei Volllast liefert, ausgedrückt durch: V v e r n i e r 1 = V m i n K

Figure DE102018114437A1_0028
For a desired output voltage Vout with required minimum voltage resolution Vmin, the first vernier module, ie vernier 1 , be designed to deliver the minimum output voltage at full load, expressed by: V v e r n i e r - 1 = V m i n K
Figure DE102018114437A1_0028

Die nächste Vernier-Einheit, Vernier-2, kann so ausgelegt sein, dass sie den nächsthöheren Spannungspegel liefert, ausgedrückt durch: V v e r n i e r 2 = 2 ( 2 1 ) X V v e r n i e r 1

Figure DE102018114437A1_0029
The next vernier unit, Vernier 2 , can be designed to deliver the next higher voltage level expressed by: V v e r n i e r - 2 = 2 ( 2 - 1 ) X V v e r n i e r - 1
Figure DE102018114437A1_0029

Die nächste Vernier-Einheit, Vernier-3, kann so ausgelegt werden, dass sie den nächsthöheren Spannungspegel liefert, ausgedrückt durch: V v e r n i e r 3 = 2 ( 3 1 ) X V v e r n i e r 1

Figure DE102018114437A1_0030
The next vernier unit, Vernier 3 , can be designed to deliver the next higher voltage level expressed by: V v e r n i e r - 3 = 2 ( 3 - 1 ) X V v e r n i e r - 1
Figure DE102018114437A1_0030

Auf ähnliche Weise kann die letzte, d.h. die n-te Vernier-Einheit, Vernier-n, so ausgelegt sein, dass sie den Spannungspegel liefert, der ausgedrückt wird durch: V v e r n i e r n = 2 ( n 1 ) X V v e r n i e r 1

Figure DE102018114437A1_0031
Similarly, the last, ie the n-th Vernier unit, Vernier-n, may be designed to provide the voltage level expressed by: V v e r n i e r - n = 2 ( n - 1 ) X V v e r n i e r - 1
Figure DE102018114437A1_0031

Die vollen Einheiten können so ausgelegt sein, dass sie die Ausgangsspannung bei Volllast liefern, ausgedrückt durch: V f u l l = V v e r n i e r 1 + V v e r n i e r 2 = V v e r n i e r 3 + + V v e r n i e r n

Figure DE102018114437A1_0032
The full units may be designed to provide the output voltage at full load, expressed by: V f u l l = V v e r n i e r - 1 + V v e r n i e r - 2 = V v e r n i e r - 3 + + V v e r n i e r - n
Figure DE102018114437A1_0032

Die Ausgangsspannung der vollen Einheit (V_full) wie oben berechnet kann anhand der höchsten Spannung abgeschlossen werden (die dadurch auch die Anzahl von Vernier-Einheiten entscheidet), die praktisch je nach Verfügbarkeit der Technologie und Einfachheit ihrer Implementation implementiert werden kann.The output voltage of the full unit (V_ full) can be calculated as above are completed on the basis of the highest voltage (thereby also the number of vernier units decides), which can be practically implemented, depending on the availability of technology and simplicity of its implementation.

Die benötigte Anzahl von vollen Einheiten wird ausgedrückt durch die Relation: V o u t V f u l l 1

Figure DE102018114437A1_0033
The required number of full units is expressed by the relation: V O u t V f u l l - 1
Figure DE102018114437A1_0033

Die höchste Bemessung jeder Sekundäreinheit ist gleich dem maximalen Gleichstrom Iout, der am Ausgang der Stromversorgung benötigt wird.The highest rating of each secondary unit is equal to the maximum DC current Iout required at the output of the power supply.

Als ein Beispiel für eine typische Implementation einer 30 kVDC Stromversorgung, die eine Mindestauflösung von 200 V benötigt, unter Berücksichtiung eines Abfallverhältnisses K = 2:As an example of a typical implementation of a 30 kVDC power supply, the minimum resolution of 200 V requires, taking into account a waste ratio K = 2:

Die Ausgangsspannung des ersten Vernier-Moduls, d.h. Vernier-1, kann angegeben werden durch: V v e r n i e r 1 = V m i n K = 200 2 = 100 V

Figure DE102018114437A1_0034
The output voltage of the first vernier module, ie Vernier-1, can be given by: V v e r n i e r - 1 = V m i n K = 200 2 = 100 V
Figure DE102018114437A1_0034

Die Ausgangsspannung der nächsten Vernier-Einheit, Vernier-2, kann angegeben werden durch: V v e r n i e r 2 = 2 ( 2 1 ) X V v e r n i e r 1 = 2 X 100 = 200 V

Figure DE102018114437A1_0035
The output voltage of the next Vernier unit, Vernier-2, can be given by: V v e r n i e r - 2 = 2 ( 2 - 1 ) X V v e r n i e r - 1 = 2 X 100 = 200 V
Figure DE102018114437A1_0035

Die Ausgangsspannung der nächsten Vernier-Einheit, Vernier-3, kann angegeben werden durch: V v e r n i e r 3 = 2 ( 3 1 ) X V v e r n i e r 1 = 4 X 100 = 400 V

Figure DE102018114437A1_0036
The output voltage of the next Vernier unit, Vernier-3, can be given by: V v e r n i e r - 3 = 2 ( 3 - 1 ) X V v e r n i e r - 1 = 4 X 100 = 400 V
Figure DE102018114437A1_0036

Die Ausgangsspannung der nächsten Vernier-Einheit, Vernier-3, kann ausgedrückt werden durch: V v e r n i e r 4 = 2 ( 4 1 ) X V v e r n i e r 1 = 8 X 100 = 800 V

Figure DE102018114437A1_0037
The output voltage of the next Vernier unit, Vernier-3, can be expressed by: V v e r n i e r - 4 = 2 ( 4 - 1 ) X V v e r n i e r - 1 = 8th X 100 = 800 V
Figure DE102018114437A1_0037

Die vollen Einheiten sind so ausgelegt, dass die Ausgangsspannung bei Volllast liefern, angegeben durch: V f u l l = V v e r n i e r 1 + V v e r n i e r 2 + V v e r n i e r 3 + + V v e r n i e r n V f u l l = 100 + 200 + 400 + 800 = 1500 V

Figure DE102018114437A1_0038
The full units are designed to deliver the output voltage at full load, indicated by: V f u l l = V v e r n i e r - 1 + V v e r n i e r - 2 + V v e r n i e r - 3 + + V v e r n i e r - n V f u l l = 100 + 200 + 400 + 800 = 1500 V
Figure DE102018114437A1_0038

Dies kann ein brauchbarer Spannungspegel vom Standpunkt der praktischen Implementation oder Durchführbarkeit sein.This may be a useful voltage level from the standpoint of practical implementation or feasibility.

Die benötigte Anzahl von vollen Einheiten kann angegeben werden durch: V o u t V f u l l 1 = 30000 1500 1 = 19   E i n h e i t e n

Figure DE102018114437A1_0039
The required number of full units can be specified by: V O u t V f u l l - 1 = 30000 1500 - 1 = 19 e i n H e i t e n
Figure DE102018114437A1_0039

Man wird verstehen, dass der offenbarte Stromversorgungskreis auch Redundanz im Hinblick auf die Anzahl von Primär- und Sekundäreinheiten auf eine solche Weise beinhaltet, dass, wenn die Kette von Primär-/Sekundäreinheiten fehlerhaft wird, die Steuerung U2 diese Kette (oder mehrere Ketten) sperrt und die Kette von redundanten Einheiten automatisch freigibt, um die Versorgung mit Nennstrom mit der Nennspannung fortzusetzen. Falls jedoch die Redundanzkette völlig ausgelastet ist und es folgt ein zusätzlicher Fehler in den Primär-/Sekundäreinheiten, oder wenn die Redundanz nicht ausreicht, um die benötigte Ausgangsspannung zuzuführen, dann kann die Steuerung, dann die Steuerung U2, SW1, SW2, SW3, SW4 sofort durch die digitale faseroptische (FO) Link DTx-DRx, dediziert für U3 von jeder Primäreinheit, abschalten, um dadurch die primären Wechselrichter zu sperren und gleichzeitig auch einen Signal-OC-Trip zu erzeugen, der dann durch die faseroptische Link FOU1 zur U1 gesendet werden kann, um den Eingangsleistungsschalter CB auszulösen (siehe 4, 2A und 2B).It will be understood that the disclosed power supply circuit also includes redundancy with respect to the number of primary and secondary units in such a way that when the chain of primary / secondary units becomes faulty, the controller U2 locks this chain (or multiple chains) and automatically releases the chain of redundant units to continue the supply of rated current at the rated voltage. However, if the redundancy chain is fully utilized and there is an additional error in the primary / secondary units, or if the redundancy is insufficient to supply the required output voltage, then the controller, then the controller U2 . SW1 . SW2 . SW3 . SW4 immediately through the digital fiber optic (FO) Link DTx DRx, dedicated for U3 from each primary unit, turn off to thereby block the primary inverters while also generating a signal OC trip, which is then transmitted through the fiber optic link FOU1 to U1 can be sent to trigger the input power switch CB (see 4 . 2A and 2 B) ,

Da Vfb, Ifb, U8 und assoziierte Schaltungen auf hohem Potential schweben, kann die Steuerversorgung U6 dafür durch den HV DC-Trenntransformator Tiso erzeugt werden, der für eine Trennung (≥Vout) bemessen ist, wie in 4 dargestellt ist.There Vfb . Ifb . U8 and associated circuits hover at high potential, the control supply U6 to be generated by the HV DC isolation transformer Tiso rated for a separation (≥Vout), as in 4 is shown.

Die Steuerung U2 kann auch die Anzahl als BDactual bei jedem Empfang des BD_Pulse Signals zählen. Dies ergibt die Anzahl von Ausfällen, die tatsächlich am Ausgang aufgetreten sind. Die BDactual-Zahl wird mit der gewünschten zulässigen Anzahl von Ausfällen oder der Ausfallgrenze BDset verglichen. Der Zyklus von Spannungsabschaltung, Blockierung und Neuanlegen wie in 5 gezeigt kann wiederholt werden, bis BDactual≤BDset ist, wonach der Zyklus beendet werden und ein gerastetes Ausfallgrenzen-Fehlersignal BD_limit erzeugt werden kann, das eine Erzeugung von Vout erst dann zulässt, wenn manuelles RESET freigegeben wird (siehe 4, als 404 gezeigt). Das Rücksetzen löscht das BD_limit Signal und setzt dabei die BDactual Zahl auf null zurück. Eine typische Sequenz von Ausfallereignissen ist in 5B für einen BDset von 4 gezeigt.The control U2 can also count the number as BDactual each time the BD_Pulse signal is received. This gives the number of failures that actually occurred at the output. The BDactual number is compared with the desired allowable number of failures or the BDset failure limit. The cycle of power off, stall and reinstall as in 5 can be repeated until BDactual≤BDset, after which the cycle can be terminated and a stalled failure limit error signal BD_limit can be generated which will not allow generation of Vout until manual RESET is enabled (see 4 , when 404 shown). The reset clears the BD_limit signal and resets the BDactual number to zero. A typical sequence of failure events is in 5B for a BDset of 4 shown.

In einem Beispiel empfängt die Steuerung U2 das Bdset-Signal und empfängt BDactual in Form eines Spannungssignals mit einem Erkennungsfenster oder -band. Für ein Steuersignal von Vcontrol = 10V ist die genaue Spannung für die Erkennung von BDset als 1 oder die Erzeugung von BDactual als 1 wie folgt: V B D 1 = V c o n t r o l B D s e t m a x   o d e r   B D a c t u a l m a x

Figure DE102018114437A1_0040
In one example, the controller receives U2 the Bdset signal and receives BDactual in the form of a voltage signal with a detection window or band. For a control signal of Vcontrol = 10V the exact voltage for the detection of BDset as 1 or the generation of BDactual as 1 is as follows: V B D 1 = V c O n t r O l B D s e t - m a x O d e r B D a c t u a l - m a x
Figure DE102018114437A1_0040

In einer praktischen Implementation der Logik:

  • Spannung zur Erkennung von BDset oder Erzeugung von BDactual als 1 ist VBD1 ± (50 % von VBD1)
  • Spannung zur Erkennung von BDset oder Erzeugung von BDactual als 2 ist 2 X VBD1± (50 % von VBD1)
  • Spannung zur Erkennung von BDset oder Erzeugung von BDactual als 3 ist 3 X VBD1± (50 % von VBD1)
  • Spannung zur Erkennung von BDset oder Erzeugung von BDactual als 3 ist 3 X VBD1± (50 % von VBD1)
  • Spannung zur Erkennung von BDset oder Erzeugung von BDactual als „n-1“ ist (n - 1) X VBD1 ± (50 % von VBD1)
  • Spannung zur Erkennung von BDset oder Erzeugung von BDactual als „n“ ist (n) X VBD1 bis[(n) X VBD1] - (50 % von VBD1)
In a practical implementation of the logic:
  • Voltage for detection of BDset or generation of BDactual as 1 is V BD1 ± (50% of V BD1 )
  • Voltage for detection of BDset or generation of BDactual as 2 is 2 XV BD1 ± (50% of V BD1 )
  • Voltage for detection of BDset or generation of BDactual as 3 is 3 XV BD1 ± (50% of V BD1 )
  • Voltage for detection of BDset or generation of BDactual as 3 is 3 XV BD1 ± (50% of V BD1 )
  • Voltage for detection of BDset or generation of BDactual as "n-1" is (n-1) XV BD1 ± (50% of V BD1 )
  • Voltage for detecting BDset or generating BDactual as "n" is XV BD1 to [(n) XV BD1 ] - (50% of V BD1 )

In einem Beispiel kann der Wert von Kondensator C5 (siehe 3A), d.h. der am Ausgang des Hochfrequenzbrückengleichrichters angeschlossene Filterkondensator, infolge eines Hochfrequenz-AC-Rechteckwelleneingangs drastisch reduziert werden. Ferner können, mit zunehmender Anforderung von Ausgangsspannung Vout, mehr und mehr Kondensatoren C5 jeder Sekundäreinheit in Serie durch den Schalter SW5 geschaltet werden, um dadurch die effektive Kapazität am Ausgang zu reduzieren. Für eine Stromversorgung mit einer Gesamtzahl N von Modulen kann die effektive Kapazität am Ausgang wie folgt ausgedrückt werden: C o u t C 5 N

Figure DE102018114437A1_0041
In one example, the value of capacitor C5 (please refer 3A) ie, the filter capacitor connected to the output of the high frequency bridge rectifier is drastically reduced due to a high frequency AC square wave input. Further, as the demand of output voltage Vout increases, more and more capacitors can be used C5 each secondary unit in series through the switch SW5 to reduce the effective capacity at the output. For a power supply with a total of N of modules, the effective capacity at the output can be expressed as follows: C O u t C 5 N
Figure DE102018114437A1_0041

So kann die in der Stromversorgung gespeicherte effektive Energie drastisch reduziert werden. Aufgrund dessen, und auch weil das System mit Feedback-Regelung mit geschlossenem Regelkreis arbeitet, kann die Notwendigkeit für einen Ableitwiderstand am Ausgang völlig entfallen. Dadurch entfallen auch die Ableitwiderstandsverluste. Die Implementation eines Rechteckwellenwechselrichters auf der Basis von Nullspannungsschaltung (ZVS) in jeder Primäreinheit reduziert die gesamten Schaltungsverluste im Vergleich zu einer ähnlichen Stromversorgung mit festgeschalteten Geräten drastisch und verbessert daher effektiv den Wirkungsgrad der Stromversorgung.Thus, the effective energy stored in the power supply can be drastically reduced. Because of this, and also because the system operates with closed-loop feedback control, the need for a bleeder resistor at the output can be completely eliminated. This also eliminates the Ableitwiderstandsverluste. The implementation of a zero voltage circuit (ZVS) square wave inverter in each primary unit dramatically reduces overall circuit losses compared to a similar fixed-device power supply, and thus effectively improves the efficiency of the power supply.

Die zum Zeitpunkt des Ausfalls in die Last abgeladene Gesamtenergie kann durch die folgende Relation ausgedrückt werden: E _ d u m p e d = i 2 X r X t

Figure DE102018114437A1_0042
The total energy released into the load at the time of the failure can be expressed by the following relation: e _ d u m p e d = i 2 X r X t
Figure DE102018114437A1_0042

Dabei ist i der Strom beim Ausfall, r ist der Widerstand des Lichtbogens und t ist die Zeitdauer, für die der Ausfallstrom fließt.Where i is the current at failure, r is the resistance of the arc, and t is the time duration for which the leakage current flows.

In einem Beispiel gilt, unter der Annahme eines ungünstigsten Szenarios eines konstanten Ausfallstroms Ibd, der für eine Dauer von 5 µs durch einen Lichtbogen mit einem Widerstand von 1 Ohm fließt, anhand der Gleichung oben, für ein E-dumped von 10J Folgendes: 10 = I b d 2 X 1 X 5 X 10 6

Figure DE102018114437A1_0043
was Folgendes ergibt: Ibd = 1,414 kAIn one example, assuming a worst case scenario of a constant leakage current Ibd flowing through an arc of 1 ohms for a duration of 5 μs, using the equation above, for an E -dumped of 10J, the following applies: 10 = I b d 2 X 1 X 5 X 10 - 6
Figure DE102018114437A1_0043
which gives: Ibd = 1.414 kA

Der Spitzenwert des Gesamtausgangsstroms zur Ausfallzeit wird durch Verwenden des LR-Snubbers SN-1 (siehe 2A) reduziert, der am Ausgang der Stromversorgung angeschlossen ist.The peak value of the total output current at downtime is determined by using the LR snubber SN-1 (see 2A) reduced, which is connected to the output of the power supply.

Der Wert von L und R kann anhand der folgenden Relation für einen kritisch gedämpften parallelen Resonanzkreis wie folgt abgeleitet werden: L 1 = 4 X R 1 2 X C

Figure DE102018114437A1_0044
dabei ist L1 die Induktanz des Snubbers, R1 ist der Widerstand des Snubbers und C ist die Gesamtstreukapazität des Systems. Der Wert von R1 wird anhand der folgenden Relation berechnet: R 1 = B e m e s s e n e   D C A u s g a n g s s p a n n u n g z u l ä s s i g e r   S p i t z e n w e r t   v o n   F e h l e r s t r o m = V o u t I b d
Figure DE102018114437A1_0045
The value of L and R can be derived from the following relation for a critically damped parallel resonant circuit as follows: L 1 = 4 X R 1 2 X C
Figure DE102018114437A1_0044
is there L1 the inductance of the snubber, R1 is the resistance of the snubber and C is the total stray capacity of the system. The value of R1 is calculated using the following relation: R 1 = B e m e s s e n e D C - A u s G a n G s s p a n n u n G z u l ä s s i G e r S p i t z e n w e r t v O n F e H l e r s t r O m = V O u t I b d
Figure DE102018114437A1_0045

Somit kann durch Begrenzen der Stromanstiegsrate auf innerhalb von 1,414 kA mit SN-1, E-dumped innerhalb von 10J gehalten werden. Praktischerweise kann der Strom beim Ausfall allmählich von null ansteigen und der Lichtbogenwiderstand ist wesentlich kleiner als 1 Ohm (typischerweise 20 mΩ), daher ist E-dumped weitaus kleiner als 10J.Thus, by limiting the current slew rate to within 1.414kA with SN-1, E-dumped can be maintained within 10J. Conveniently, the current on failure can gradually increase from zero and the arc resistance is substantially less than 1 ohm (typically 20mΩ), so E-dumped is much smaller than 10J.

Da alle Komponenten der/des Stromversorgung/Geräts auf der Basis des vorgeschlagenen Stromkreises für Dauerbetrieb ausgelegt werden können, kann das Gerät den bemessenen Ausgang Vout bei Nennstrom (d.h. Nennleistung) kontinuierlich liefern.Since all components of the power supply / device can be designed for continuous operation based on the proposed circuit, the device can continuously provide the rated output Vout at rated current (i.e., rated power).

Da die Gleichrichtung bei hoher Frequenz (typischerweise 50 kHz) in der Sekundäreinheit erfolgt, muss der Kondensator C5 nur dieses Hochfrequenzrauschen ausfiltern und daher wird der Wert des Ausgangskondensators C5 drastisch reduziert. Der vorgeschlagene Stromkreis kann daher die Spannung Vout mit dem Nennstrom Iout mit geringem Welligkeitswert und mit einem geringen Wert der Kapazität C5 am Ausgang liefern.Since the rectification occurs at high frequency (typically 50 kHz) in the secondary unit, the capacitor must C5 only filter out this high frequency noise and therefore the value of the output capacitor C5 drastically reduced. The proposed circuit can therefore have the voltage Vout with the rated current Iout with a low ripple value and with a small value of the capacitance C5 deliver at the exit.

Da der Kondensator C5 (3A) vorgeladen bleibt, hängt die Anstiegszeit einfach von der Schaltgeschwindigkeit des gesteuerten Serienschalters SW5 ab, der die Spannung (V-MOD) freigibt oder sperrt, und daher kann der Stromkreis die Ausgangsspannung mit kurzer Anstiegszeit liefern. Zusätzlich kann der offenbarte Stromkreis mit einer Funktion versehen werden, um die Ausgangsspannungsanstiegszeit gemäß Anforderung zu variieren. Dazu kann die Hauptsteuerung U2 die Anzahl von einzuschaltenden Sekundäreinheiten auf der Basis des Wertes von Vset entscheiden (4). Zusätzlich kann die Steuerung U2 ferner eine Entscheidung über die Zeitverzögerung zwischen dem Einschalten jeder Sekundäreinheit auf der Basis der Anforderung der Anstiegszeit treffen. Für eine Stromversorgung mit N Sekundäreinheiten und mit einer Anforderung einer Anstiegszeit von Trise (in ms) wird die Verzögerung im Hinblick auf das Einschalten jeder sekundären Einheit durch die folgende Relation angegeben: T d e l a y = T r i s e N

Figure DE102018114437A1_0046
Because the capacitor C5 ( 3A) pre-charged, the rise time simply depends on the switching speed of the controlled series switch SW5 which releases or blocks the voltage (V-MOD), and therefore, the circuit can supply the output voltage with short rise time. In addition, the disclosed circuit may be provided with a function to vary the output voltage rise time as required. This can be the main controller U2 decide the number of secondary units to be activated on the basis of the value of Vset ( 4 ). In addition, the controller U2 and make a decision on the time delay between turning on each secondary unit based on the request for the rise time. For a N secondary power supply and a Trise rise time request (in ms), the delay with respect to turning on each secondary unit is given by the following relation: T d e l a y = T r i s e N
Figure DE102018114437A1_0046

Die benötigten Sekundäreinheiten werden dann nach Freigabe des Hvon-Signals (siehe 4) durch U2 nacheinander mit einer Zeitverzögerung von Tdelay ms durch die digitale faseroptische (FO) Link DTx-DRx, dediziert für U4 jeder Sekundäreinheit (siehe 5C) eingeschaltet. Auf der Basis der Differenz zwischen Vset und Vfb entscheidet U2 dann weiter über die Anzahl von einzuschaltenden zusätzlichen Einheiten oder über das Ausschalten von existierenden eingeschalteten Einheiten, bis der gewünschte Wert von Vout erzielt ist. Da die benötigte Anzahl von Sekundäreinheiten, die einzuschalten sind, um einen Wert nahe der gewünschten Ausgangsspannung Vout zu erreichen, im Voraus von der Hauptsteuerung U2 entschieden wird (und daher bekannt ist), kann die Menge an Spannungsüberschreitung und Beruhigungszeit drastisch reduziert und eine schnelle Anstiegszeit erzielt werden. Die Anstiegszeit der Ausgangsspannung kann durch Ändern des Wertes von Tdelay variiert werden.The required secondary units are then released upon release of the Hvon signal (see 4 ) by U2 successively with a time delay of Tdelay ms through the digital fiber optic (FO) link DTx DRx dedicated for U4 each secondary unit (see 5C ) switched on. On the basis of the difference between Vset and Vfb decides U2 then further on the number of additional units to be turned on or on the switching off of existing on-units until the desired value of Vout is achieved. Since the required number of secondary units to be turned on to reach a value close to the desired output voltage Vout, in advance from the main controller U2 is decided (and therefore known), the amount of voltage overrun and settling time can be drastically reduced and a fast rise time can be achieved. The rise time of the output voltage can be varied by changing the value of Tdelay.

In einem Beispiel kann die Ausgangsgleichspannung bei tiefen bis hohen Frequenzen (typischerweise zwischen 5 Hz und 0,5 kHz) durch Modulieren der HVon und HVoff Signale (siehe 4 und 5D) der Hauptsteuerung U2 bei der gewünschten Frequenz moduliert werden. Die maximale Frequenz, bei der die Modulation erzielt werden kann, folgt immer der folgenden Relation (unter Berücksichtigung von Tfall«Trise und Ignorieren von Tfall): f m o d m a x < 1 2 X T r i s e

Figure DE102018114437A1_0047
In one example, the DC output voltage at low to high frequencies (typically between 5 Hz and 0.5 kHz) may be modulated by modulating the HVon and HVoff signals (see 4 and 5D ) of the main controller U2 be modulated at the desired frequency. The maximum frequency at which the modulation can be achieved always follows the following relation (considering Tfall «Trise and ignoring Tfall): f m O d - m a x < 1 2 X T r i s e
Figure DE102018114437A1_0047

Für eine gewünschte Modulationsfrequenz fmod wird die Dauer der Freibabe von HVon und HVoff Signalen durch die folgende Relation angegeben: T H V o n = T H V o f f = 1 2 X f m o d

Figure DE102018114437A1_0048
dabei ist fmod ≤ fmod-max For a desired modulation frequency fmod, the duration of the release of HVon and HVoff signals is given by the following relation: T H V O n = T H V O f f = 1 2 X f m O d
Figure DE102018114437A1_0048
is there f mod ≤ f mod-max

Wie ausgeführt, kann im Falle eines Ausfalls an den Ausgangsanschlüssen der Strom in dem vorgeschlagenen Stromkreis durch einen schnell ansprechenden Stromwandler CT erkannt werden, der auf hohem Potential schwebt. Der momentane Ausgangsstrom übersteigt den Schwellenüberstrom-Auslösewert, ein als Breakdown-Pulse bezeichnetes Signal wird zur programmierbaren digitalen Hauptsteuerung übertragen, die dann sofort Signale zum Ausschalten aller Sekundäreinheiten (in einer als Unterbrechungszeit bezeichneten Zeitperiode) gleichzeitig bei hoher Geschwindigkeit für eine bestimmte Dauer (Blockierzeit genannt) erzeugt, aufgrund dessen die Anstiegsrate des Ausgangsstroms während des Ausfalls beschränkt wird. Nach der Blockierzeit schaltet die programmierbare digitale Hauptsteuerung die gesteuerten Serienschalter ein und schaltet gleichzeitig die gesteuerten parallelen Schalter der genannten Sekundäreinheiten aus, um den letzten Sollwert der Ausgangsspannung innerhalb einer als Anstiegszeit bezeichneten kurzen Dauer zu erzielen (oder neu anzulegen). Im Falle aller nachfolgenden Ausfälle (d.h. wiederholte Ausfälle) kann der obige Unterbrechungs-, Blockier- und Anstiegszyklus wiederholt werden. Da die wiederholten Ausfälle mit den Serienschaltern am Ausgang der Stromversorgung erzielt werden, ist die bei Ausfällen abgeladene Energie geringer, da Streuenergien von Transformator, Gleichrichter und allen den Serienschaltern vorgeschalteten Zubehörgeräten völlig eliminiert werden, wodurch der Spitzenstrom reduziert wird, der durch die Serienschalter bei jedem Ausfall fließt, und dadurch eine hohe Ausfallwiederholfrequenz erzielt wird.As stated, in the event of a failure at the output terminals, the current in the proposed circuit can be detected by a fast-response CT, which floats at high potential. The instantaneous output current exceeds the threshold overcurrent trip value, a signal referred to as a breakdown-down pulse is transmitted to the programmable digital master controller, which then immediately signals to turn off all secondary units (in a period of time called the break time) simultaneously at high speed for a certain duration (called stall time ), due to which the rate of increase of the output current during the failure is limited. After the blocking time, the main programmable digital controller turns on the controlled series switches and simultaneously turns off the controlled parallel switches of said secondary units to achieve (or re-apply) the last setpoint of the output voltage within a short duration called a rise time. In the case of all subsequent failures (i.e., repeated failures), the above interrupt, stall, and rise cycle may be repeated. Since the repetitive failures with the series switches at the output of the power supply, the energy lost at failures is lower, as scattering energies of transformer, rectifier and all the series switches upstream accessories are completely eliminated, reducing the peak current is reduced by the series switch at each Failure flows, and thereby a high failure repetition frequency is achieved.

Ferner besteht eine Primäreinheit des beschriebenen vorgeschlagenen Stromkreises aus einem Vollbrückenwechselrichter, der mit phasenverschobener ZVS-(Zero Voltage Switching)-Technik arbeitet. Durch Anwenden von ZVS in jedem Wechselrichter wird Hochfrequenzumschaltung mit drastischer Reduzierung von Umschaltverlusten erzielt.Further, a primary unit of the described proposed circuit consists of a full-bridge inverter operating with phase-shifted ZVS (Zero Voltage Switching) technique. By applying ZVS in each inverter, high frequency switching is achieved with drastic reduction of switching losses.

In einem anderen Aspekt nutzt der offenbarte Stromkreis mehrere kompakte Hochfrequenztransformatoren in den DC-DC-Wandlern (anstatt eines herkömmlichen multisekundären Transformators). Das Design dieser Transformatoren ist einfach; sie lassen sich leicht herstellen und erfordern erheblich weniger Herstellungszeit, so dass die Gesamtherstellungszeit der beschriebenen Stromversorgung drastisch reduziert wird. Ebenso kommt der vorgeschlagene Stromkreis ohne alle assoziierten Nachteile einer Stromversorgung auf der Basis eines multisekundären Transformators aus, da der Stromkreis modular und leicht skalierbar ist. Aufgrund von Hochfrequenzgleichrichtung und aufgrund der Eliminierung des multisekundären Transformators ist die Größe einer/s Stromversorgung/Geräts auf der Basis des vorgeschlagenen Stromkreises für eine(n) gegebene(n) Ausgangsspannung und -strom äußerst gering.In another aspect, the disclosed circuit utilizes multiple high frequency compact transformers in the DC-DC converters (rather than a conventional multi-secondary transformer). The design of these transformers is simple; They are easy to manufacture and require significantly less manufacturing time, so drastically reducing the overall manufacturing time of the described power supply. Likewise, the proposed circuit will dispense with all the associated drawbacks of a multi-secondary transformer based power supply because the circuit is modular and easily scalable. Due to high frequency rectification and the elimination of the multi-secondary transformer, the size of a power supply / device based on the proposed circuit is extremely low for a given output voltage and current.

Ebenso bietet der vorgeschlagene Stromkreis eine sofortige niedrige Ausgangsspannungswelligkeit über den dynamischen Bereich von Spannung und Strom aufgrund einer Hochfrequenzgleichrichtung unter Verwendung von wenn überhaupt nur minimaler Filterkapazität. Ferner wird aufgrund der Eliminierung oder Reduzierung der Ausgangsfilterkapazität auch die gespeicherte Energie der Stromversorgung drastisch reduziert, was die beim Ausfall in der Last abgeladene Energie reduziert, während der Ausgangsserienschalter-Öffnungsvorgang (d.h. der Abschaltprozess) weiterläuft.Also, the proposed circuit provides instant low output ripple across the dynamic range of voltage and current due to high frequency rectification using minimal filter capacitance, if any. Further, due to the elimination or reduction of the output filter capacitance, the stored power of the power supply is also drastically reduced, which reduces the energy lost in failure in the load while the output breaker opening operation (i.e., the shutdown process) continues.

Die Feedback-gesteuerte Regulierung einer Stromversorgung auf der Basis des vorgeschlagenen Stromkreises kann durch die Ausgangsserienschalter erzielt werden und daher kann die Mindestzeit für eine Ausgangsspannungsregulierung sehr gering sein, da sie idealerweise durch die Umschaltzeit dieser Serienschalter begrenzt ist.The feedback-controlled regulation of a power supply based on the proposed circuit can be achieved by the output series switches, and therefore the minimum time for output voltage regulation can be very low, since it is ideally limited by the switching time of these series switches.

Die sekundären Einheiten bleiben immer auf ihrer Nennspannung bis zum Ausgangsserienschalter geladen und daher kann eine kurze Spannungsanstiegszeit beim Einschalten der Stromversorgung erzielt werden. Auch werden beim Ausschalten der Stromversorgung alle Serienschalter mit hoher Geschwindigkeit durch die programmierbare digitale Hauptsteuerung abgeschaltet, gefolgt vom Einschalten aller parallelen Schalter (mit einer Totzeit von wenigen Mikrosekunden) bei hoher Geschwindigkeit, um eine kurze Spannungsabfallzeit zu erzielen. Aus diesem Grund kann eine Ausgangsspannungsmodulation bei hoher Frequenz in einer/m Stromversorgung/Gerät auf der Basis des vorgeschlagenen Stromkreises erzielt werden. The secondary units are always charged at their rated voltage to the output series switch, and therefore, a short voltage rise time can be achieved when the power is turned on. Also, when the power is turned off, all the high speed serial switches are turned off by the programmable digital master controller, followed by turning on all the parallel switches (with a dead time of a few microseconds) at high speed to achieve a short voltage drop time. For this reason, output voltage modulation at high frequency can be achieved in a power supply / device based on the proposed circuit.

Der vorgeschlagene Stromkreis wurde zwar oben als alle Hauptmodule/Komponenten enthaltend erläutert, aber es ist durchaus möglich, dass tatsächliche Implementationen nur einen Teil der vorgeschlagenen Module/Komponenten oder eine Kombination derselben oder eine Teilmenge derselben zu Submodulen in verschiedenen Kombinationen über mehrere Geräte beinhalten, die operativ miteinander gekoppelt werden können. Daher fallen alle möglichen Modifikationen, Implementationen und Ausgestaltungen dessen, wo und wie der vorgeschlagene Stromkreis konfiguriert ist, in den Rahmen der vorliegenden Erfindung.While the proposed circuit has been discussed above as including all major modules / components, it is quite possible that actual implementations may include only a portion of the proposed modules / components or a combination thereof or a subset thereof to submodules in various combinations across multiple devices operatively coupled with each other. Therefore, all possible modifications, implementations and refinements of where and how the proposed circuit is configured fall within the scope of the present invention.

Der hierin verwendete Begriff „gekoppelt mit“ soll, wenn nicht der Kontext etwas anderes diktiert, sowohl direkte Kupplung (bei der zwei Elemente miteinander gekoppelt oder miteinander in Kontakt sind) und indirekte Kupplung beinhalten (bei der sich wenigstens ein zusätzliches Element zwischen den beiden Elementen befindet). Daher werden die Begriffe „gekoppelt an“ und „gekoppelt mit“ synonym verwendet. Im Kontext des vorliegenden Dokuments werden Begriffe „gekoppelt an“ und „gekoppelt mit“ euphemistisch so benutzt, dass sie „kommunikativ gekoppelt mit“ über ein Netzwerk bedeuten, wobei zwei oder mehr Geräte Daten miteinander über das Netzwerk möglicherweise über ein oder mehrere Zwischengeräte austauschen können.As used herein, the term "coupled with" is intended to include, unless the context dictates otherwise, both direct coupling (in which two elements are coupled or in contact with each other) and indirect coupling (which involves at least one additional element between the two elements located). Therefore, the terms "coupled to" and "coupled to" are used interchangeably. In the context of the present document, terms "coupled to" and "coupled with" are euphemistically used to mean "communicatively coupled to" over a network, where two or more devices may be able to communicate with each other over the network via one or more intermediate devices ,

Ferner sind beim Interpretieren der Spezifikation und der Ansprüche alle Begriffe auf die breitestmögliche Weise zu interpretieren, die mit dem Kontext im Einklang steht. Insbesondere sind die Begriffe „umfasst“ und „umfassend“ mit Bezug auf Elemente, Komponenten oder Schritte auf eine nicht exklusive Weise zu interpretieren, die anzeigt, dass die referenzierten Elemente, Komponenten oder Schritte vorhanden, oder benutzt oder kombiniert mit anderen Elementen, Komponenten oder Schritten sein können, die nicht ausdrücklich referenziert sind. Wo sich die Spezifikationsansprüche auf wenigstens ein Element aus der Gruppe bestehend aus A, B, C .... und N beziehen, da ist der Text so zu interpretieren, dass er nur ein Element aus der Gruppe, nicht A plus N oder B plus N usw. benötigt.Further, in interpreting the specification and the claims, all terms are to be interpreted in the broadest possible manner consistent with the context. In particular, the terms "comprises" and "comprising" with respect to elements, components or steps are to be interpreted in a non-exclusive manner indicating that the referenced elements, components or steps are present, or used or combined with other elements, components or Be steps that are not explicitly referenced. Where the specification claims refer to at least one member of the group consisting of A, B, C .... and N, the text should be interpreted to be only one member of the group, not A plus N or B plus N, etc. needed.

Während einige Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung illustriert und beschrieben wurden, sind diese nur beispielhaft. Die Offenbarung ist nicht auf die Ausgestaltungen wie hierin erörtert begrenzt und es wird für die Fachperson offensichtlich sein, dass zahlreiche Modifikationen neben den bereits beschriebenen möglich sind, ohne von den erfinderischen Konzepten hierin abzuweichen. Alle solche Modifikationen, Änderungen, Variationen, Substitutionen und Äquivalente fallen gänzlich in den Rahmen der vorliegenden Offenbarung. Der erfinderische Gegenstand ist daher lediglich durch das Wesen der beiliegenden Ansprüche begrenzt.While some embodiments of the present disclosure have been illustrated and described, these are exemplary only. The disclosure is not limited to the embodiments as discussed herein and it will be apparent to one of ordinary skill in the art that many modifications are possible besides those already described without departing from the inventive concepts herein. All such modifications, changes, variations, substitutions, and equivalents fall entirely within the scope of the present disclosure. The inventive subject matter is therefore limited only by the nature of the appended claims.

VORTEILE DER VORLIEGENDEN OFFENBARUNGBENEFITS OF THE PRESENT DISCLOSURE

Einige der Aufgaben der vorliegenden Offenbarung, die wenigstens eine Ausgestaltung hierin erfüllt, werden nachfolgend aufgeführt.Some of the objects of the present disclosure that satisfy at least one embodiment herein are listed below.

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Stromkreis für eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung zum Erzeugen von Hochspannungs-Hochleistungsgleichstrom im Dauermodus bereit.The present disclosure provides a circuit for a high voltage DC power supply for generating high voltage, high voltage, continuous mode DC power.

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Stromkreis für eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung bereit, die auf hohem Potential (100 kVDC) schweben kann.The present disclosure provides a circuit for a high voltage DC power supply that can float at high potential (100 kVDC).

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Stromkreis für eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung mit der Fähigkeit bereit, Ausgangsspannung mit einer kurzen Anstiegszeit (< 1 ms) zu liefern.The present disclosure provides a circuit for a high voltage DC power supply capable of providing output voltage with a short rise time (<1 ms).

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Stromkreis für eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung bereit, die wiederholte Ausfälle/Kurzschlüsse (typischerweise 200 ns) an ihren Ausgangsanschlüssen erkennen und aushalten kann.The present disclosure provides a circuit for a high voltage DC power supply that can detect and endure repeated failures / short circuits (typically 200 ns) at its output terminals.

Die vorliegende Offenbarung stellt eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung bereit, die Ausgangsgleichspannung mit hoher Geschwindigkeit (< 5 µs) bei Ausfällen/Kurzschlüssen an ihren Ausgangsanschlüssen unterbricht.The present disclosure provides a high voltage DC power supply that interrupts DC output voltage at high speed (<5 μs) in the event of dropouts / short circuits at its output terminals.

Die vorliegende Offenbarung stellt eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung bereit, die Ausgangsgleichspannung für eine feste Zeitperiode (von 100 µs bis 100 s von ms oder daüber einstellbar) blockiert halten und die Ausgangsgleichspannung zurück auf ihren letzten Sollwert bringen kann.The present disclosure provides a high voltage DC power supply that can keep output DC voltage blocked for a fixed period of time (from 100 μs to 100 seconds of ms or beyond) and bring the DC output voltage back to its last setpoint.

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Stromkreis für eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung bereit, die die Anzahl von zulässigen Ausfällen/Kurzschlüssen an ihren Ausgangsanschlüssen einstellen kann, die Ausfälle zählen kann, die tatsächlich am Ausgang auftreten, und die Ausgangsgleichspannung unterbrechen kann, wenn die Zahl der tatsächlichen Ausfälle dem Sollwert der zulässigen Ausfälle entspricht.The present disclosure provides a circuit for a high voltage DC power supply, which can set the number of allowable failures / short circuits at its output terminals, which can count failures that actually occur at the output and can interrupt the DC output voltage if the number of actual failures is equal to the set value of allowable failures.

Die vorliegende Offenbarung stellt eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung mit optimiertem Design zum Begrenzen der in einem Fehler bei Ausfall/Kurzschluss abgeladenen Energie auf < 10J bereit.The present disclosure provides a high-voltage DC power supply with optimized design for limiting the energy dumped in a failure / short circuit fault to <10J.

Die vorliegende Offenbarung stellt eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung mit niedriger Spannungswelligkeit und guter Ausgangsspannungsregulierung bereit.The present disclosure provides a high voltage DC power supply with low voltage ripple and good output voltage regulation.

Die vorliegende Offenbarung stellt eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung mit einfacherem HV-Trennmechanismus bereit.The present disclosure provides a high voltage DC power supply with a simpler HV disconnect mechanism.

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Stromkreis für eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung mit einfacherem Feedback-Regelsystem zum Regeln des Ausgangs-HVDC bereit.The present disclosure provides a circuit for a high voltage DC power supply with a simpler feedback control system for controlling the output HVDC.

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Stromkreis für eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung mit einer Funktion zum Bieten von Schutz vor Ausgangsüberspannung und -überstrom bereit.The present disclosure provides a circuit for a high voltage DC power supply having a function of providing protection from output overvoltage and overcurrent.

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Stromkreis für eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung mit einer Funktion für Ausgangsgleichspannungsmodulation (typischerweise 5 Hz bis 0,5 kHz) bereit.The present disclosure provides a circuit for a high voltage DC power supply with a DC output voltage modulation function (typically 5 Hz to 0.5 kHz).

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Stromkreis für eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung mit hohem (> 85 %) Wirkungsgrad bereit.The present disclosure provides a circuit for a high voltage (> 85%) high-voltage DC power supply.

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Stromkreis für eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung bereit, die einen einfachen, flexiblen und adaptierbaren Steuerkreis mit sehr kurzer Ansprechungszeit für Ausgangsspannungsregulierung benutzt.The present disclosure provides a circuit for a high voltage DC power supply that uses a simple, flexible and adaptable control circuit with very short output voltage regulation response time.

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Stromkreis für eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung bereit, die einen Hot-Standby-Modus hat.The present disclosure provides a circuit for a high voltage DC power supply that has a hot standby mode.

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Stromkreis für eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung bereit, die weitaus kleiner ist als existierende Geräte für dieselben Nennausgänge.The present disclosure provides a circuit for a high voltage DC power supply that is much smaller than existing devices for the same rated outputs.

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Stromkreis für eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung bereit, die leicht und schnell herzustellende Komponenten benutzt.The present disclosure provides a circuit for a high voltage DC power supply that uses components that are easy and fast to manufacture.

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Stromkreis für eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung bereit, die leicht skalierbar ist und jede Art von Last, kontinuierlich, stufenweise oder mit einem beliebigen Profil, über einen breiten Bereich von Stromanforderungen bis zu Nulllast handhaben kann.The present disclosure provides a circuit for a high voltage DC power supply that is easily scalable and can handle any type of load, continuously, incrementally, or with any profile, over a wide range of current requirements up to no-load.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Hochspannungs-DC-Stromversorgungskreis, der eine Mehrzahl von in Serie geschalteten hochspannungsgetrennten DC-DC-Wandlerblöcken umfasst, wobei jeder Block Folgendes umfasst: eine Primäreinheit mit einem Wechselrichter, der einen Eingang von einer DC-Link empfängt und den Eingang in Hochfrequenzspannung umwandelt; einen Hochfrequenztransformator, der die genannte Hochfrequenzspannung vom Wechselrichter für Hochspannungs-DC-Trennung empfängt und die Hochfrequenzspannung zu einer Sekundäreinheit übertragt; und die Sekundäreinheit zum Umwandeln der Hochfrequenzspannung in eine Gleichspannung, wobei die Sekundäreinheit einen Hochfrequenz-Vollbrückengleichrichter, ein Niederkapazitätsfilter, einen Hochgeschwindigkeits-Serienfestkörperschalter und einen Festkörper-Parallelschalter umfasst, wobei jeder genannte Block zum Liefern von Strom gleich dem Ausgangsnenngleichstrom bemessen ist und wobei Ausgang von einem oder mehreren der genannten Blöcke durch Ein- oder Ausschalten der Hochgeschwindigkeits-Serienfestkörperschalter von jeweiligen Blöcken freigegeben oder gesperrt wird, um eine gewünschte DC-Ausgangsspannung (Vout) zu erzeugen.A high voltage DC power supply circuit comprising a plurality of series-connected high voltage isolated DC-DC converter blocks, each block comprising: a primary unit having an inverter receiving an input from a DC link and converting the input to high frequency voltage; a high frequency transformer receiving said high frequency voltage from the high voltage DC isolation inverter and transmitting the high frequency voltage to a secondary unit; and the secondary unit for converting the high frequency voltage into a DC voltage, the secondary unit comprising a high frequency full bridge rectifier, a low capacity filter, a high speed series solid state switch and a solid state parallel switch, each said block being sized to provide current equal to the nominal output DC current and output of one or more of said blocks is enabled or disabled by turning on or off the high speed series solid state switches of respective blocks to produce a desired DC output voltage (V out ). Stromkreis nach Anspruch 1, wobei die genannte Mehrzahl von Blöcken Vernier-Blöcke und Vollblöcke umfasst, wobei jeder der genannten Vernier-Blöcke so konfiguriert ist, dass er eine DC-Ausgangsspannung gibt, die ein Bruchteil und kleiner als die von beliebigen der Vollblöcke ist, und in Kombination mit einem oder mehreren Vollblöcken verwendet wird, um die gewünschte DC-Ausgangsspannung (Vout) mit minimaler Spannungsauflösung Vmin zu erhalten.Circuit after Claim 1 wherein said plurality of blocks comprise vernier blocks and solid blocks, each of said vernier blocks being configured to give a DC output voltage which is a fraction and less than that of any of the solid blocks, and in combination with one or more full blocks is used to obtain the desired DC output voltage (Vout) with minimum voltage resolution V min . Stromkreis nach Anspruch 2, wobei der genannte Stromkreis die gewünschte DC-Ausgangsspannung durch Einschalten von ,n‘ Vollblöcken je nach Ausgangsgleichspannung erzielt, gegeben durch jeden Vollblock (Vfull), und Einschalten von ,m‘ Vernier-Blöcken auf der Basis einer benötigten Restgleichspannung, so dass: ( V o u t ) = n V f u l l + i = 1 m V i
Figure DE102018114437A1_0049
wobei Vi Ausgangsspannung des i-ten Vernier-Blocks ist.
Circuit after Claim 2 wherein said circuit obtains the desired DC output voltage by turning on 'n' full blocks according to the DC output voltage given by each full block (V full ), and turning on 'm' vernier blocks based on a required residual DC voltage such that: ( V O u t ) = n * V f u l l + Σ i = 1 m V i
Figure DE102018114437A1_0049
where Vi is the output voltage of the ith vernier block.
Stromkreis nach Anspruch 3, wobei die von einem der Vernier-Blöcke angegebene Mindestspannung als Vvernier-1=Vmin/K bei Volllast definiert wird, wobei K das Abfallverhältnis des Hochfrequenztransformators des Vernier-Blocks ist, wobei das genannte Abfallverhältnis Vno-load/Vfull-load ist, wobei Vno-load die sekundäre Spannung des Hochfrequenztransformators des Vernier-Blocks bei Nulllast ist, und Vfull-load die sekundäre Spannung des Hochfrequenztransformators des Vernier-Blocks bei Volllast ist.Circuit after Claim 3 , wherein the minimum voltage indicated by one of the vernier blocks is defined as V vernier-1 = V min / K at full load, where K is the drop ratio of the high frequency transformer of the vernier block, said drop ratio V no-load / V full- load , where V no-load is the secondary voltage of the high frequency transformer of the vernier block at no load , and V full-load is the secondary voltage of the high frequency transformer of the vernier block at full load. Stromkreis nach Anspruch 3, wobei die Vernier-Blöcke so konfiguriert sind, dass die Summe von Ausgangsspannungen jedes Vernier-Blocks zu einer Ausgangsspannung eines Vollblocks führt, angegeben durch: V f u l l = V v e r n i e r 1 + V v e r n i e r 2 + V v e r n i e r 3 + + V v e r n i e r n
Figure DE102018114437A1_0050
Circuit after Claim 3 wherein the vernier blocks are configured such that the sum of output voltages of each vernier block results in an output voltage of a full block, indicated by: V f u l l = V v e r n i e r - 1 + V v e r n i e r - 2 + V v e r n i e r - 3 + + V v e r n i e r - n
Figure DE102018114437A1_0050
Stromkreis nach Anspruch 3, wobei die Anzahl von benötigten Vollblöcken durch die folgende Relation angegeben wird: V o u t V f u l l 1
Figure DE102018114437A1_0051
Circuit after Claim 3 , where the number of required full blocks is given by the following relation: V O u t V f u l l - 1
Figure DE102018114437A1_0051
Stromkreis nach Anspruch 1, wobei der Hochgeschwindigkeits-Serienfestkörperschalter jedes Blocks durch einen Steuerkreis ein- oder ausgeschaltet wird, der eine programmierbare digitale Hauptsteuerung umfasst.Circuit after Claim 1 wherein the high speed series solid state switch of each block is turned on or off by a control circuit comprising a programmable master digital controller. Stromkreis nach Anspruch 7, wobei der Steuerkreis ein Spannungs-Feedback-System benutzt, das von einem schwebenden Spannungssensor empfangene Signale mit einem benötigten DC-Ausgangsspannungssignal vergleicht, um ein Korrektursignal abzuleiten, auf dessen Basis die programmierbare digitale Hauptsteuerung entscheidet, welche DC-DC-Wandlerblöcke ein- oder ausgeschaltet werden müssen, um die gewünschte DC-Ausgangsspannung zu erhalten.Circuit after Claim 7 wherein the control circuit employs a voltage feedback system that compares signals received from a floating voltage sensor with a required DC output voltage signal to derive a correction signal on the basis of which the main programmable digital controller decides which DC-DC converter blocks to turn on or off must be turned off to obtain the desired DC output voltage. Stromkreis nach Anspruch 7, wobei im Falle eines Ausfalls an Ausgangsanschlüssen oder wenn der Ausgangsstrom einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, die Sekundäreinheiten von jeweiligen Blöcken, die in diesem Moment eingeschaltet sind, mit hoher Geschwindigkeit innerhalb einer Unterbrechungszeitperiode ausgeschaltet werden und für eine Blockierzeit ausgeschaltet bleiben, wonach die programmierbare digitale Hauptsteuerung die Hochgeschwindigkeits-Serienfestkörperschalter der genannten Sekundäreinheiten einschaltet und gleichzeitig die Festkörper-Parallelschalter der genannten Sekundäreinheiten ausschaltet, um den letzten Sollwert der DC-Ausgangsspannung innerhalb einer kurzen Dauer zu erzielen.Circuit after Claim 7 wherein, in the event of a failure at output terminals or when the output current exceeds a predetermined threshold, the secondary units of respective blocks that are turned on at that moment are turned off at high speed within a break time period and remain off for a lock time, after which the main programmable digital controller the high speed series solid state switch of said secondary units turns on and at the same time turns off the solid state parallel switches of said secondary units to achieve the last set value of the DC output voltage within a short duration. Stromkreis nach Anspruch 1, wobei die Primäreinheit jedes Blocks einen Vollbrückenwechselrichter umfasst, der mit einer phasenverschobenen ZVS-(Zero Voltage Switching)-Technik arbeitet.Circuit after Claim 1 , wherein the primary unit of each block one Full bridge inverter operating with a ZVS (Zero Voltage Switching) phase shift technique.
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