DE102019104745A1

DE102019104745A1 - Elektrische Energieversorgungseinrichtung für eine Strahlungsquelle und Betriebsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102019104745A1
Application number: DE102019104745.5A
Authority: DE
Inventors: Arno Jakubaschk; Thomas Kaiser
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser Se De
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2020-08-27

Abstract

Elektrische Energieversorgungseinrichtung für eine Strahlungsquelle zur Erzeugung optischer Strahlung, wobei insbesondere die Strahlungsquelle wenigstens ein die optische Strahlung emittierendes Leistungshalbleiterbauelement aufweist, wobei die Energieversorgungseinrichtung eine elektrische Energiespeichereinrichtung aufweist, die insbesondere wenigstens einen Kondensator aufweist, eine wenigstens einen Aufwärtswandler aufweisende Ladeeinrichtung zum zumindest zeitweisen Laden der Energiespeichereinrichtung, wobei die Energieversorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, einen Eingang der Ladeeinrichtung zumindest zeitweise mit einer ersten elektrischen Eingangsspannung zu beaufschlagen, und den Eingang der Ladeeinrichtung zumindest zeitweise mit einer zweiten elektrischen Eingangsspannung zu beaufschlagen, die von der ersten Eingangsspannung verschieden ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Offenbarung betrifft eine elektrische Energieversorgungseinrichtung für eine Strahlungsquelle zur Erzeugung optischer Strahlung.
Die Offenbarung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energieversorgungseinrichtung für eine Strahlungsquelle zur Erzeugung optischer Strahlung.
Beschreibung der Erfindung
Bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine elektrische Energieversorgungseinrichtung für eine Strahlungsquelle zur Erzeugung optischer Strahlung, wobei insbesondere die Strahlungsquelle wenigstens ein die optische Strahlung emittierendes Leistungshalbleiterbauelement aufweist, wobei die Energieversorgungseinrichtung eine elektrische Energiespeichereinrichtung aufweist, die insbesondere wenigstens einen Kondensator aufweist, eine wenigstens einen Aufwärtswandler aufweisende Ladeeinrichtung zum zumindest zeitweisen Laden der Energiespeichereinrichtung, wobei die Energieversorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, einen Eingang der Ladeeinrichtung zumindest zeitweise mit einer ersten elektrischen Eingangsspannung zu beaufschlagen, und den Eingang der Ladeeinrichtung zumindest zeitweise mit einer zweiten elektrischen Eingangsspannung zu beaufschlagen, die von der ersten Eingangsspannung verschieden ist. Dadurch ist eine gegenüber konventionellen Systemen gesteigerte Flexibilität bei dem Betrieb der Energieversorgungseinrichtung gegeben und insbesondere eine effiziente Anpassung eines Betriebs der Energieversorgungseinrichtung an einen Betrieb der Strahlungsquelle ermöglicht.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die Strahlungsquelle dazu ausgebildet, optische Strahlung aus wenigstens einem der folgenden Spektralbereiche zu emittieren: Ultraviolett, Infrarot, für Menschen sichtbares Licht. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die optische Strahlung z.B. direkt in einem Zielsystem verwendet werden, beispielsweise zur Materialbearbeitung, insbesondere Lasermaterialbearbeitung. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die optische Strahlung z.B. auch für den Betrieb weiterer Systeme genutzt werden, z.B. als Pumpstrahlung zum optischen Pumpen der weiteren Systeme (z.B. Laser).
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der Aufwärtswandler als PFC (power factor correction, „Leistungsfaktorkorrektur“)-Aufwärtswandler ausgebildet, kann also den Leistungsfaktor beeinflussen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen können auch mehrere gleichartige oder verschiedene Aufwärtswandler in der Ladeeinrichtung vorgesehen sein, wodurch die Leistung der Ladeeinrichtung effizient skalierbar ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Ladeeinrichtung dazu ausgebildet ist, die erste Eingangsspannung und/oder die zweite Eingangsspannung mittels des wenigstens einen Aufwärtswandlers in eine Ausgangsspannung umzuwandeln, die größer ist als die erste Eingangsspannung und die zweite Eingangsspannung, wobei insbesondere die Ladeeinrichtung dazu ausgebildet ist, die Energiespeichereinrichtung mittels der Ausgangsspannung zu laden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energiespeichereinrichtung eine Bemessungsspannung größer 200 Volt, V, aufweist, insbesondere größer 500 V, weiter insbesondere größer 700 V. Unter Bemessungsspannung wird vorliegend ein maximaler Wert der elektrischen Spannung der Energiespeichereinrichtung in einem Normalbetrieb verstanden. Beispielsweise ist die Energiespeichereinrichtung bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen dazu ausgebildet bzw. eingerichtet, auf eine Spannung größer 200 V, insbesondere größer 500 V, weiter insbesondere 700 V, aufladbar zu sein.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die erste Eingangsspannung größer 100 V ist, insbesondere größer 200 V. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die erste Eingangsspannung z.B. eine gleichgerichtete Wechselspannung, insbesondere eine gleichgerichtete dreiphasige Wechselspannung, wobei z.B. ein Gleichrichtwert der gleichgerichteten dreiphasigen Wechselspannung größer 100 V ist, insbesondere größer 200 V, weiter insbesondere größer 300 V. Dadurch ist die Ladeeinrichtung effizient mit einer vergleichsweise großen elektrischen Leistung versorgbar, z.B. für einen Normalbetrieb oder Dauerbetrieb der Strahlungsquelle.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die zweite Eingangsspannung kleiner 100 V ist, insbesondere kleiner 60 V, weiter insbesondere kleiner 42 V. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die zweite Eingangsspannung z.B. eine gleichgerichtete Wechselspannung, insbesondere eine gleichgerichtete einphasige Wechselspannung, wobei z.B. ein Gleichrichtwert der gleichgerichteten einphasigen Wechselspannung kleiner 100 V ist, insbesondere kleiner 60 V, weiter insbesondere kleiner 42 V. Hierdurch ist ein weiterer Freiheitsgrad für eine effiziente Versorgung der Ladeeinrichtung in zumindest manchen Betriebszuständen gegeben.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung eine Gleichrichtereinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, die erste Eingangsspannung für die Ladeeinrichtung zu erzeugen, wobei insbesondere die Gleichrichtereinrichtung dazu ausgebildet ist, eine einem Eingang der Gleichrichtereinrichtung zuführbare, bevorzugt mehrphasige, Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln. Dadurch kann die Ladeeinrichtung mittels der Gleichrichtereinrichtung aus einem Wechselstromnetz gespeist werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die, bevorzugt mehrphasige, Wechselspannung dem Eingang der Gleichrichtereinrichtung beispielsweise mittels einer, vorzugsweise steuerbaren, Schalteinrichtung (z.B. Schütz) zuführbar, die wahlweise den Eingang der Gleichrichtereinrichtung mit einer Spannungsquelle, z.B. einem bzw. dem (bevorzugt mehrphasigen) Wechselstromnetz, verbindet oder trennt.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Gleichrichtereinrichtung eine Nennleistung größer 1 Kilowatt, kW, aufweist, insbesondere größer 10 kW, weiter insbesondere größer 20 kW.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Gleichrichtereinrichtung einen Dreiphasengleichrichter aufweist oder als Dreiphasengleichrichter ausgebildet ist, wobei insbesondere der Dreiphasengleichrichter eine Sechspuls-Brückenschaltung („B6“) aufweist, beispielsweise eine ungesteuerte „Drehstrombrücke“ bzw. Sechspuls-Brückenschaltung, die z.B. mittels sechs Leistungsdioden realisierbar ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung eine Gleichspannungsquelle aufweist, die dazu ausgebildet ist, die zweite Eingangsspannung für die Ladeeinrichtung zu erzeugen. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist die Gleichspannungsquelle eine Nennleistung kleiner 1 kW auf. Dadurch ist eine effiziente elektrische Energieversorgung der Ladeeinrichtung auch in solchen Betriebszuständen ermöglicht, in denen eine vergleichsweise kleine elektrische Leistung benötigt wird.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Gleichspannungsquelle einen Eingang zur Aufnahme elektrischer Energie von einer externen Quelle aufweist, einen Ausgang zur Ausgabe elektrischer Energie in Form der zweiten Eingangsspannung für die Ladeeinrichtung, und eine Kopplungseinrichtung zur Übertragung von elektrischer Leistung von dem Eingang zu dem Ausgang, wobei insbesondere die Kopplungseinrichtung dazu ausgebildet ist, eine galvanische Trennung zwischen dem Eingang und dem Ausgang herzustellen. Dadurch kann vorteilhaft gleichzeitig eine Potentialtrennung zwischen der externen Quelle und der Ladeeinrichtung realisiert werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Gleichspannungsquelle einen Gleichspannungswandler aufweist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung einen Transformator aufweist. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der Transformator ein Übersetzungsverhältnis von eins oder mehr aufweisen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, in einem ersten Betriebszustand den Eingang der Ladeeinrichtung mit der zweiten elektrischen Eingangsspannung zu beaufschlagen. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen entspricht der erste Betriebszustand z.B. einem Vorladen der Energiespeichereinrichtung. Dadurch kann z.B. wenigstens ein Kondensator der Energiespeichereinrichtung effizient auf einen vorgebbaren Mindestwert (Spannung bzw. Energie) vorgeladen werden, bevor ggf. die Ladeeinrichtung mit der gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen größeren ersten Eingangsspannung beaufschlagt wird, wodurch ein unerwünschter („Einschalt-‟)Stromstoß und eine damit einhergehende Belastung der betroffenen stromführenden Bauteile (z.B. Gleichrichtereinrichtung) bzw. Komponenten (z.B. Wechselstromnetz) vermieden und die elektromagnetische Verträglichkeit gesteigert wird.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, in einem zweiten Betriebszustand den Eingang der Ladeeinrichtung mit der ersten elektrischen Eingangsspannung zu beaufschlagen. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen entspricht zweite Betriebszustand z.B. einem Normalbetrieb der Energiespeichereinrichtung bzw. der Energieversorgungseinrichtung, in welchem Normalbetrieb z.B. die Versorgung der Strahlungsquelle erfolgen kann, z.B. mit ihrer Nennleistung, die gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen 1 kW oder mehr, insbesondere 10 kW oder mehr, betragen kann.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, von dem ersten Betriebszustand, vorzugsweise direkt (also ohne das Einnehmen eines weiteren Betriebszustands), in den zweiten Betriebszustand überzugehen. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann auch wenigstens ein weiterer, z.B. dritter, Betriebszustand vorgesehen sein, der beispielsweise dadurch charakterisiert ist, dass der Eingang der Ladeeinrichtung zumindest zeitweise mit keiner Spannung (insbesondere nicht der ersten Eingangsspannung und der zweiten Eingangsspannung) beaufschlagt wird.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den ersten Betriebszustand einzunehmen, wenn ein aktueller elektrischer Energieinhalt und/oder eine aktuelle Spannung der Energiespeichereinrichtung einen vorgebbaren ersten Schwellwert unterschreitet. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann das Unterschreiten des vorgebbaren ersten Schwellwerts beispielsweise bei einer Aktivierung, also einem Einschalten, der Energieversorgungseinrichtung auftreten, z.B. wenn die Energiespeichereinrichtung entladen ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand überzugehen, wenn ein bzw. der aktuelle(r) elektrische(r) Energieinhalt und/oder eine bzw. die aktuelle Spannung der Energiespeichereinrichtung einen vorgebbaren zweiten Schwellwert überschreitet, beispielsweise dann, wenn die Energiespeichereinrichtung soweit (mittels der zweiten Eingangsspannung) vorgeladen ist, dass der genannte (Einschalt-)Stromstoß bzw. die zeitliche Änderung des Ladestroms bei einem Wechsel auf die erste Eingangsspannung tolerierbar ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der vorgebbare zweite Schwellwert größer ist als der vorgebbare erste Schwellwert. Dadurch ist z.B. eine Hysterese bezüglich der Zustandsübergänge zwischen dem ersten Betriebszustand (z.B. Vorladen bzw. Nachladen) und zweiten Betriebszustand (z.B. Normalbetrieb) erzielbar.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, in dem ersten Betriebszustand die Energiespeichereinrichtung auf einen vorgebbaren ersten Energiesollwert und/oder eine vorgebbare erste Sollspannung zu laden, z.B. mittels der erwähnten Gleichspannungsquelle. Der erste Betriebszustand kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen wie bereits erwähnt auch als „Vorlade-Betriebszustand“ bezeichnet werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, in dem zweiten Betriebszustand die Energiespeichereinrichtung auf einem vorgebbaren zweiten Energiesollwert und/oder einer vorgebbaren zweiten Sollspannung zu halten, z.B. mittels der erwähnten Gleichrichtereinrichtung. Der zweite Betriebszustand kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen wie bereits erwähnt auch als „Normal-Betriebszustand“ bezeichnet werden, bei dem die Strahlungsquelle vorzugsweise kontinuierlich mit einer für ihren Normalbetrieb zur Erzeugung der optischen Strahlung erforderlichen elektrischen Leistung bzw. einem entsprechenden Betriebsstrom und/oder einer entsprechenden Betriebsspannung versorgt wird. Der vorgebbare zweite Energiesollwert und/oder die vorgebbare zweite Sollspannung kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kleiner oder gleich oder größer als der erste Energiesollwert und/oder die vorgebbare erste Sollspannung sein.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, wahlweise die Wechselspannung auf den Eingang der Gleichrichtereinrichtung zu schalten (und/oder die Wechselspannung auszuschalten). Hierzu kann die Energieversorgungseinrichtung bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen eine entsprechende Schalteinrichtung (z.B. Schütz) aufweisen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, einen Steuerbefehl für eine externe Schalteinrichtung zu erzeugen und an die externe Schalteinrichtung zu übermitteln, insbesondere, um die Schalteinrichtung dazu zu veranlassen, die Wechselspannung auf den Eingang der Gleichrichtereinrichtung zu schalten. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die externe Schalteinrichtung wenigstens einen Schütz aufweisen bzw. als Schütz ausgebildet sein. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann beispielsweise dann mittels der externen Schalteinrichtung die Wechselspannung auf den Eingang der Gleichrichtereinrichtung geschaltet werden, wenn ein Vorladen der Energiespeichereinrichtung abgeschlossen ist.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energieversorgungseinrichtung für eine Strahlungsquelle zur Erzeugung optischer Strahlung, wobei insbesondere die Strahlungsquelle wenigstens ein die optische Strahlung emittierendes Leistungshalbleiterbauelement aufweist, wobei die Energieversorgungseinrichtung eine elektrische Energiespeichereinrichtung aufweist, die insbesondere wenigstens einen Kondensator aufweist, eine wenigstens einen Aufwärtswandler aufweisende Ladeeinrichtung zum zumindest zeitweisen Laden der Energiespeichereinrichtung, wobei die Energieversorgungseinrichtung einen Eingang der Ladeeinrichtung zumindest zeitweise mit einer ersten elektrischen Eingangsspannung beaufschlagt, und den Eingang der Ladeeinrichtung zumindest zeitweise mit einer zweiten elektrischen Eingangsspannung beaufschlagt, die von der ersten Eingangsspannung verschieden ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Ladeeinrichtung die erste Eingangsspannung und/oder die zweite Eingangsspannung mittels des wenigstens einen Aufwärtswandlers in eine Ausgangsspannung umwandelt, die größer ist als die erste Eingangsspannung und die zweite Eingangsspannung, wobei insbesondere die Ladeeinrichtung die Energiespeichereinrichtung mittels der Ausgangsspannung lädt, wobei insbesondere die erste Eingangsspannung größer 100 V ist, insbesondere größer 200 V, wobei insbesondere die zweite Eingangsspannung kleiner 100 V ist, insbesondere kleiner 60 V, weiter insbesondere kleiner 42 V.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung eine Gleichrichtereinrichtung aufweist, die die erste Eingangsspannung für die Ladeeinrichtung erzeugt, wobei insbesondere die Gleichrichtereinrichtung eine einem Eingang der Gleichrichtereinrichtung zuführbare, bevorzugt mehrphasige, Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt, wobei insbesondere die Gleichrichtereinrichtung eine Nennleistung größer 1 Kilowatt, kW, aufweist, insbesondere größer 10 kW, weiter insbesondere größer 20 kW, wobei insbesondere die Gleichrichtereinrichtung einen Dreiphasengleichrichter aufweist oder als Dreiphasengleichrichter ausgebildet ist, wobei insbesondere der Dreiphasengleichrichter eine Sechspuls-Brückenschaltung aufweist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung eine Gleichspannungsquelle aufweist, die die zweite Eingangsspannung für die Ladeeinrichtung erzeugt, wobei insbesondere die Gleichspannungsquelle einen Eingang zur Aufnahme elektrischer Energie von einer externen Quelle aufweist, einen Ausgang zur Ausgabe elektrischer Energie in Form der zweiten Eingangsspannung für die Ladeeinrichtung, und eine Kopplungseinrichtung zur Übertragung von elektrischer Leistung von dem Eingang zu dem Ausgang, wobei insbesondere die Kopplungseinrichtung eine galvanische Trennung zwischen dem Eingang und dem Ausgang herstellt.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung in einem ersten Betriebszustand den Eingang der Ladeeinrichtung mit der zweiten elektrischen Eingangsspannung beaufschlagt.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung in einem zweiten Betriebszustand den Eingang der Ladeeinrichtung mit der ersten elektrischen Eingangsspannung beaufschlagt, wobei insbesondere die Energieversorgungseinrichtung von dem ersten Betriebszustand, vorzugsweise direkt, in den zweiten Betriebszustand übergeht.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung den ersten Betriebszustand einnimmt, wenn ein aktueller elektrischer Energieinhalt und/oder eine aktuelle Spannung der Energiespeichereinrichtung einen vorgebbaren ersten Schwellwert unterschreitet, wobei insbesondere die Energieversorgungseinrichtung von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand übergeht, wenn ein bzw. der aktuelle(r) elektrische(r) Energieinhalt und/oder eine bzw. die aktuelle Spannung der Energiespeichereinrichtung einen vorgebbaren zweiten Schwellwert überschreitet.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung in dem ersten Betriebszustand die Energiespeichereinrichtung auf einen vorgebbaren ersten Energiesollwert und/oder eine vorgebbare erste Sollspannung lädt.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung in dem zweiten Betriebszustand die Energiespeichereinrichtung auf einem vorgebbaren zweiten Energiesollwert und/oder einer vorgebbaren zweiten Sollspannung hält.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung wahlweise die Wechselspannung auf den Eingang schaltet.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung einen Steuerbefehl für eine externe Schalteinrichtung erzeugt und an die externe Schalteinrichtung übermittelt, insbesondere, um die Schalteinrichtung dazu zu veranlassen, die Wechselspannung auf den Eingang zu schalten.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist eine Steuereinrichtung zur zumindest zeitweisen Steuerung eines Betriebs der Energieversorgungseinrichtung oder wenigstens einer Komponente der Energieversorgungseinrichtung vorgesehen. Die Steuereinrichtung weist wenigstens eine Recheneinrichtung auf, und wenigstens eine der Recheneinrichtung zugeordnete Speichereinrichtung zur zumindest zeitweisen Speicherung eines Computerprogramms, wobei das Computerprogramm insbesondere zur zumindest zeitweisen Steuerung eines Betriebs der Steuereinrichtung und/oder der Energieversorgungseinrichtung und/oder wenigstens einer Komponente der Energieversorgungseinrichtung ausgebildet ist.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Verwendung der elektrischen Energieversorgungseinrichtung gemäß den Ausführungsformen und/oder des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen zum Vorladen der Energiespeichereinrichtung bzw. zum Vorladen wenigstens einer Komponente, insbesondere wenigstens eines Kondensators, der Energiespeichereinrichtung, wobei das Vorladen insbesondere bei bzw. nach einem Aktivieren der Energieversorgungseinrichtung erfolgt und/oder nach einem zumindest teilweisen Entladen der Energiespeichereinrichtung unter ein vorgebbares Energieniveau, wobei das Energieniveau beispielsweise durch eine elektrische Spannung und/oder eine in der Energiespeichereinrichtung gespeicherte elektrische Energie charakterisiert werden kann.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:

1 schematisch ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Energieversorgungseinrichtung gemäß bevorzugten Ausführungsformen,
2 schematisch ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Gleichrichtereinrichtung gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen,
3 schematisch ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Gleichspannungsquelle gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen,
4 schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen,
5 schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen,
6 schematisch ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Steuereinrichtung gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen, und
7 schematisch ein vereinfachtes Schaltbild einer Energieversorgungseinrichtung gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen.

1 zeigt schematisch ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Energieversorgungseinrichtung 100 gemäß bevorzugten Ausführungsformen. Die Energieversorgungseinrichtung 100 ist zur elektrischen Energieversorgung einer Strahlungsquelle 200 zur Erzeugung optischer Strahlung S vorgesehen, wobei die Strahlungsquelle 200 insbesondere wenigstens ein die optische Strahlung S emittierendes Leistungshalbleiterbauelement 210 aufweist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die Strahlungsquelle 200 dazu ausgebildet, optische Strahlung S aus wenigstens einem der folgenden Spektralbereiche zu emittieren: Ultraviolett, Infrarot, für Menschen sichtbares Licht. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement 210 eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die optische Strahlung S z.B. direkt in einem Zielsystem (nicht gezeigt) verwendet werden, beispielsweise zur Materialbearbeitung, insbesondere Lasermaterialbearbeitung. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die optische Strahlung S z.B. auch für den Betrieb weiterer Systeme (nicht gezeigt) genutzt werden, z.B. als Pumpstrahlung S zum optischen Pumpen der weiteren Systeme (z.B. Laser).
Die Energieversorgungseinrichtung 100 weist eine elektrische Energiespeichereinrichtung 110 auf, die insbesondere wenigstens einen Kondensator C1 aufweist, eine wenigstens einen Aufwärtswandler 1200 aufweisende Ladeeinrichtung 120 zum zumindest zeitweisen Laden der Energiespeichereinrichtung 110, wobei die Energieversorgungseinrichtung 100 dazu ausgebildet ist, einen Eingang 122 der Ladeeinrichtung 120 zumindest zeitweise mit einer ersten elektrischen Eingangsspannung UE1 zu beaufschlagen, vgl. auch den Schritt 400 des vereinfachten Flussdiagramms aus 4, und den Eingang 122 der Ladeeinrichtung 120 zumindest zeitweise mit einer zweiten elektrischen Eingangsspannung UE2 (1) zu beaufschlagen, die von der ersten Eingangsspannung UE1 verschieden ist, vgl. auch den Schritt 402 des vereinfachten Flussdiagramms aus 4. Dadurch ist eine gegenüber konventionellen Systemen gesteigerte Flexibilität bei dem Betrieb der Energieversorgungseinrichtung 100 (1) gegeben und insbesondere eine effiziente Anpassung eines Betriebs der Energieversorgungseinrichtung 100 an einen Betrieb der Strahlungsquelle 200 ermöglicht.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der Aufwärtswandler 1200 als PFC (power factor correction, „Leistungsfaktorkorrektur“)-Aufwärtswandler ausgebildet, kann also den Leistungsfaktor beeinflussen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen können auch mehrere gleichartige oder verschiedene Aufwärtswandler 1200a, 1200b (nicht in 1 gezeigt, s.u. zu 7) in der Ladeeinrichtung 120 vorgesehen sein, wodurch die Leistung der Ladeeinrichtung 120 effizient skalierbar ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Ladeeinrichtung 120 (1) dazu ausgebildet ist, die erste Eingangsspannung UE1 und/oder die zweite Eingangsspannung UE2 mittels des wenigstens einen Aufwärtswandlers 1200 in eine Ausgangsspannung UA umzuwandeln, die größer ist als die erste Eingangsspannung UE1 und die zweite Eingangsspannung UE2, UA > UE1, UA > UE2, wobei insbesondere die Ladeeinrichtung 120 dazu ausgebildet ist, die Energiespeichereinrichtung 110 mittels der Ausgangsspannung UA zu laden. Hierzu stellt die Ladeeinrichtung 120 die Ausgangsspannung UA an ihrem Ausgang 124 für die Energiespeichereinrichtung 110 bereit.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energiespeichereinrichtung 110 eine Bemessungsspannung größer 200 Volt, V, aufweist, insbesondere größer 500 V, weiter insbesondere größer 700 V. Unter Bemessungsspannung wird vorliegend ein maximaler Wert der elektrischen Spannung der Energiespeichereinrichtung 110 in einem Normalbetrieb verstanden. Beispielsweise ist die Energiespeichereinrichtung 110 bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen dazu ausgebildet bzw. eingerichtet, (z.B. durch die Ladeeinrichtung 120) auf eine Spannung größer 200 V, insbesondere größer 500 V, weiter insbesondere 700 V, aufladbar zu sein.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die erste Eingangsspannung UE1 größer 100 V ist, insbesondere größer 200 V. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die erste Eingangsspannung UE1 z.B. eine gleichgerichtete Wechselspannung, insbesondere eine gleichgerichtete dreiphasige Wechselspannung, wobei z.B. ein Gleichrichtwert der gleichgerichteten dreiphasigen Wechselspannung größer 100 V ist, insbesondere größer 200 V, weiter insbesondere größer 300 V. Dadurch ist die Ladeeinrichtung 120 effizient mit einer vergleichsweise großen elektrischen Leistung versorgbar, z.B. für einen Normalbetrieb oder Dauerbetrieb der Strahlungsquelle 200.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die zweite Eingangsspannung UE2 kleiner 100 V ist, insbesondere kleiner 60 V, weiter insbesondere kleiner 42 V. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die zweite Eingangsspannung UE2 z.B. eine gleichgerichtete Wechselspannung, insbesondere eine gleichgerichtete einphasige Wechselspannung, wobei z.B. ein Gleichrichtwert der gleichgerichteten einphasigen Wechselspannung kleiner 100 V ist, insbesondere kleiner 60 V, weiter insbesondere kleiner 42 V. Hierdurch ist ein weiterer Freiheitsgrad für eine effiziente Versorgung der Ladeeinrichtung 120 in zumindest manchen Betriebszuständen der Strahlungsquelle 200 gegeben.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung 100 (1) eine Gleichrichtereinrichtung 130 aufweist, die dazu ausgebildet ist, die erste Eingangsspannung UE1 für die Ladeeinrichtung 120 zu erzeugen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen, vgl. 2, ist die Gleichrichtereinrichtung 130 dazu ausgebildet, eine einem Eingang 132 der Gleichrichtereinrichtung 130 zuführbare, bevorzugt mehrphasige, Wechselspannung UW in eine Gleichspannung umzuwandeln, die z.B. als die erste Eingangsspannung UE1 an einem Ausgang 136 der Gleichrichtereinrichtung 130 ausgebbar ist. Dadurch kann die Ladeeinrichtung 120 (1) mittels der Gleichrichtereinrichtung 130 z.B. aus einem Wechselstromnetz gespeist werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die, bevorzugt mehrphasige, Wechselspannung UW (2) dem Eingang 132 der Gleichrichtereinrichtung beispielsweise mittels einer, vorzugsweise steuerbaren, Schalteinrichtung 300 (z.B. Schütz) zuführbar, die wahlweise den Eingang 132 der Gleichrichtereinrichtung 130 mit einer Spannungsquelle, z.B. einem bzw. dem (bevorzugt mehrphasigen) Wechselstromnetz (nicht gezeigt), verbindet oder von diesem trennt, wobei die Schalteinrichtung 300 bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen z.B. durch einen Steuerbefehl SB (z.B. Logiksignal bzw. binäres Signal, „EIN“/„AUS“) steuerbar ist, beispielsweise durch eine externe Einheit (nicht gezeigt) und/oder eine optionale Steuereinrichtung 102 (1), die weiter unten unter Bezugnahme auf 6 näher beschrieben ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Gleichrichtereinrichtung 130 (2) eine Nennleistung größer 1 Kilowatt, kW, aufweist, insbesondere größer 10 kW, weiter insbesondere größer 20 kW, wodurch vorteilhaft auch Strahlungsquellen 200 (1) mit einer entsprechenden elektrischen Leistungsaufnahme zuverlässig versorgbar sind.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Gleichrichtereinrichtung 130 (2) einen Dreiphasengleichrichter 134 aufweist oder als Dreiphasengleichrichter ausgebildet ist, wobei insbesondere der Dreiphasengleichrichter 134 eine Sechspuls-Brückenschaltung („B6“) aufweist, beispielsweise eine ungesteuerte „Drehstrombrücke“ bzw. Sechspuls-Brückenschaltung, die z.B. mittels sechs Leistungsdioden (nicht gezeigt) realisierbar ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung 100 (1) eine Gleichspannungsquelle 140 aufweist, die dazu ausgebildet ist, die zweite Eingangsspannung UE2 für die Ladeeinrichtung 120 zu erzeugen. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist die Gleichspannungsquelle 140 eine Nennleistung kleiner 1 kW auf.
Dadurch ist eine effiziente elektrische Energieversorgung der Ladeeinrichtung 120 auch in solchen Betriebszuständen ermöglicht, in denen eine vergleichsweise kleine elektrische Leistung benötigt wird.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen, vgl. 3, ist vorgesehen, dass die Gleichspannungsquelle 140 einen Eingang 142 zur Aufnahme elektrischer Energie E von einer externen Quelle Q aufweist, einen Ausgang 144 zur Ausgabe elektrischer Energie in Form der zweiten Eingangsspannung UE2 für die Ladeeinrichtung 120 (1), und eine Kopplungseinrichtung 146 (2) zur Übertragung von elektrischer Leistung von dem Eingang 142 zu dem Ausgang 144, wobei insbesondere die Kopplungseinrichtung 146 dazu ausgebildet ist, eine galvanische Trennung zwischen dem Eingang 142 und dem Ausgang 146 herzustellen. Dadurch kann vorteilhaft gleichzeitig eine Potentialtrennung zwischen der externen Quelle Q und der Ladeeinrichtung 120 realisiert werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Gleichspannungsquelle 140 einen Gleichspannungswandler aufweist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung 146 einen Transformator 146a (nicht in 3 gezeigt, s.u. zu 7) aufweist. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der Transformator ein Übersetzungsverhältnis von eins oder mehr aufweisen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen, vgl. das Flussdiagramm aus 5, ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung 100 (1) dazu ausgebildet ist, in einem ersten Betriebszustand den Eingang 122 der Ladeeinrichtung 120 mit der zweiten elektrischen Eingangsspannung UE2 zu beaufschlagen, vgl. Schritt 410 aus 5. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen entspricht der erste Betriebszustand 410 z.B. einem Vorladen der Energiespeichereinrichtung 110. Dadurch kann z.B. wenigstens ein Kondensator C1 der Energiespeichereinrichtung 110 effizient auf einen vorgebbaren Mindestwert (Spannung bzw. Energie) vorgeladen werden, bevor ggf. die Ladeeinrichtung 120 mit der gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen größeren ersten Eingangsspannung UE1 beaufschlagt wird, wodurch ein unerwünschter („Einschalt-“)Stromstoß und eine damit einhergehende Belastung der betroffenen stromführenden Bauteile (z.B. Gleichrichtereinrichtung 130) bzw. Komponenten (z.B. Wechselstromnetz) vermieden und die elektromagnetische Verträglichkeit gesteigert wird.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung 100(1) dazu ausgebildet ist, in einem zweiten Betriebszustand den Eingang 122 der Ladeeinrichtung 120 mit der ersten elektrischen Eingangsspannung UE1 zu beaufschlagen, vgl. Schritt 414 aus 5. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen entspricht der zweite Betriebszustand 414 z.B. einem Normalbetrieb der Energiespeichereinrichtung 110 bzw. der Energieversorgungseinrichtung 100, in welchem Normalbetrieb z.B. die Versorgung der Strahlungsquelle 200 erfolgen kann, z.B. mit ihrer Nennleistung, die gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen 1 kW oder mehr, insbesondere 10 kW oder mehr, betragen kann.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen, vgl. 5, ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, von dem ersten Betriebszustand 410, vorzugsweise direkt (also ohne das Einnehmen eines weiteren Betriebszustands), in den zweiten Betriebszustand 414 überzugehen. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann auch wenigstens ein weiterer, z.B. dritter, Betriebszustand (nicht gezeigt) vorgesehen sein, der beispielsweise dadurch charakterisiert ist, dass der Eingang der Ladeeinrichtung zumindest zeitweise mit keiner Spannung (insbesondere nicht der ersten Eingangsspannung und der zweiten Eingangsspannung) beaufschlagt wird.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den ersten Betriebszustand 410 (5) einzunehmen, wenn ein aktueller elektrischer Energieinhalt und/oder eine aktuelle Spannung der Energiespeichereinrichtung 110 einen vorgebbaren ersten Schwellwert unterschreitet. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann das Unterschreiten des vorgebbaren ersten Schwellwerts beispielsweise bei einer Aktivierung, also einem Einschalten, der Energieversorgungseinrichtung 100 auftreten, z.B. wenn die Energiespeichereinrichtung 110 entladen ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, von dem ersten Betriebszustand 410 in den zweiten Betriebszustand 414 überzugehen, wenn ein bzw. der aktuelle(r) elektrische(r) Energieinhalt und/oder eine bzw. die aktuelle Spannung der Energiespeichereinrichtung einen vorgebbaren zweiten Schwellwert überschreitet, beispielsweise dann, wenn die Energiespeichereinrichtung soweit (mittels der zweiten Eingangsspannung UE2) vorgeladen ist, dass der genannte (Einschalt-)Stromstoß bzw. die zeitliche Änderung des Ladestroms bei einem Wechsel auf die erste Eingangsspannung tolerierbar ist. Beispielsweise kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen die aktuelle Spannung der Energiespeichereinrichtung 110 (1) in Schritt 412 ( 5) auf das Überschreiten des genannten zweiten Schwellwerts hin überwacht werden, und bei dem Überschreiten des zweiten Schwellwerts wird von dem ersten Betriebszustand zu dem zweiten Betriebszustand 414 gewechselt.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der vorgebbare zweite Schwellwert größer ist als der vorgebbare erste Schwellwert. Dadurch ist z.B. eine Hysterese bezüglich der Zustandsübergänge zwischen dem ersten Betriebszustand 410 (z.B. Vorladen bzw. Nachladen) und zweiten Betriebszustand 414 (z.B. Normalbetrieb) erzielbar.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung 100 dazu ausgebildet ist, in dem ersten Betriebszustand 410 die Energiespeichereinrichtung 110 auf einen vorgebbaren ersten Energiesollwert und/oder eine vorgebbare erste Sollspannung zu laden, z.B. mittels der erwähnten Gleichspannungsquelle 140 (1). Der erste Betriebszustand kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen wie bereits erwähnt auch als „Vorlade-Betriebszustand“ bezeichnet werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung 100 (1) dazu ausgebildet ist, in dem zweiten Betriebszustand 414 (5) die Energiespeichereinrichtung 110 auf einem vorgebbaren zweiten Energiesollwert und/oder einer vorgebbaren zweiten Sollspannung zu halten, z.B. mittels der erwähnten Gleichrichtereinrichtung 130 (1). Der zweite Betriebszustand 414 kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen wie bereits erwähnt auch als „Normal-Betriebszustand“ bezeichnet werden, bei dem die Strahlungsquelle 200 (1) vorzugsweise kontinuierlich mit einer für ihren Normalbetrieb zur Erzeugung der optischen Strahlung S erforderlichen elektrischen Leistung bzw. einem entsprechenden Betriebsstrom und/oder einer entsprechenden Betriebsspannung versorgt wird. Der vorgebbare zweite Energiesollwert und/oder die vorgebbare zweite Sollspannung kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kleiner oder gleich oder größer als der erste Energiesollwert und/oder die vorgebbare erste Sollspannung sein.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung 100 dazu ausgebildet ist, wahlweise die Wechselspannung UW (2) auf den Eingang 132 der Gleichrichtereinrichtung 130 zu schalten (und/oder die Wechselspannung UW auszuschalten bzw. von dem Eingang 132 der Gleichrichtereinrichtung 130 zu trennen). Hierzu kann die Energieversorgungseinrichtung 100 bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen die bereits erwähnte Schalteinrichtung 300 (z.B. Schütz) aufweisen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinrichtung 100 (1) dazu ausgebildet ist, einen bzw. den Steuerbefehl SB (2) für eine bzw. die externe Schalteinrichtung 300 zu erzeugen und an die externe Schalteinrichtung 300 zu übermitteln, insbesondere, um die Schalteinrichtung 300 dazu zu veranlassen, die Wechselspannung UW auf den Eingang 132 der Gleichrichtereinrichtung 130 zu schalten.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die externe Schalteinrichtung 300 wenigstens einen Schütz aufweisen bzw. als Schütz ausgebildet sein. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann beispielsweise dann mittels der externen Schalteinrichtung 300 die Wechselspannung UW auf den Eingang 132 der Gleichrichtereinrichtung 130 geschaltet werden, wenn ein Vorladen 410 (5) der Energiespeichereinrichtung 110 (1) abgeschlossen ist (beispielsweise ermittelt in Schritt 412 aus 5).
6 zeigt schematisch ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Steuereinrichtung 1020 gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen. Beispielsweise kann die optionale Steuereinrichtung 102 aus 1 die Konfiguration 1020 gemäß 6 aufweisen. Die Steuereinrichtung 1020 weist wenigstens eine Recheneinrichtung 1022 auf, wenigstens eine der Recheneinrichtung 1022 zugeordnete Speichereinrichtung 1024 zur zumindest zeitweisen Speicherung eines Computerprogramms PRG, wobei das Computerprogramm PRG insbesondere zur zumindest zeitweisen Steuerung eines Betriebs der Steuereinrichtung 102, 1020 und/oder der Energieversorgungseinrichtung 100 und/oder wenigstens einer Komponente 110, 120, 130, 140 der Energieversorgungseinrichtung 100, insbesondere gemäß wenigstens einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, ausgebildet ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist die Recheneinrichtung 1022 wenigstens eines der folgenden Elemente auf: einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller, einen digitalen Signalprozessor (DSP), einen programmierbaren Logikbaustein (z.B. FPGA, field programmable gate array), einen ASIC (anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis), eine Hardwareschaltung. Kombinationen hieraus sind bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen auch denkbar.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist die Speichereinrichtung 1024 wenigstens eines der folgenden Elemente auf: einen flüchtigen Speicher 1024a, insbesondere Arbeitsspeicher (RAM), einen nichtflüchtigen Speicher 1024b, insbesondere Flash-EEPROM. Bevorzugt ist das Computerprogramm PRG in dem nichtflüchtigen Speicher 1024b abgelegt.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist die Steuereinrichtung 1020 eine Schnittstelleneinheit 1026 zur Steuerung wenigstens einer Komponente der Energieversorgungseinrichtung 100 auf. Beispielsweise kann mittels der Schnittstelleneinheit 1026 auch der Steuerbefehl SB (2) erzeugt werden. Ferner kann die Schnittstelleneinheit 1026 dazu ausgebildet sein, der Recheneinrichtung 1022 eine ein Energieniveau bzw. einen elektrischen Energieinhalt der Speichereinrichtung 110 charakterisierende Größe (z.B. eine Spannung, auf die der Kondensator C1 aktuell aufgeladen ist) zur Verfügung zu stellen, beispielsweise, um eine Prüfung 412 (5) zu ermöglichen, ob ein Zustandsübergang auszuführen ist, z.B. Wechsel von der zweiten Eingangsspannung U2 (1) auf die erste Eingangsspannung UE1 bei einem Abschluss eines Vorladevorgangs 410.
7 zeigt schematisch ein vereinfachtes Schaltbild einer Energieversorgungseinrichtung 100a gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen. Die Energiespeichereinrichtung 110 weist vorliegend einen Kondensator C1 auf, dessen Anschlüsse 110a, 110b mit einer Ladeeinrichtung 120 verbunden sind, die vorliegend zwei Aufwärtswandler 1200a, 1200b aufweist. Der erste Aufwärtswandler 1200a weist ein erstes induktives Element 1202a auf und eine dazu in Serie geschaltete erste Diode 1204a sowie einen ersten Schalter 1206a, insbesondere Halbleiterschalter (z.B. IGBT, insulated gate bipolar transistor, Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), und eine erste Ansteuerschaltung 1208a, die den ersten Schalter 1208a in an sich bekannter Weise ansteuert, um einen Strom durch die erste Induktivität 1202a, insbesondere getaktet bzw. gepulst, zu schalten, um den Kondensator C1 über die erste Diode 1204a mit einem Ladestrom aufzuladen. Der zweite Aufwärtswandler 1200b weist eine vergleichbare Schaltungstopologie mit den Komponenten 1202b, 1204b, 1206b, 1208b auf und ist beispielsweise zumindest zeitweise gleichzeitig zu dem ersten Aufwärtswandler 1200a betreibbar. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen können Steuersignale zur Steuerung eines Betriebs der jeweiligen Ansteuerschaltung 1208a, 1208b mittels der Steuereinrichtung 102 erzeugt werden.
Die Ladeeinrichtung 120 gemäß 7 ist, vorzugsweise wahlweise, insbesondere unter Steuerung der Steuereinrichtung 102, beispielsweise in Abhängigkeit einer aktuellen Spannung des Kondensators C1 und/oder eines Betriebszustands der Strahlungsquelle 200 (1), über eine Gleichrichtereinrichtung 130 (7) mit der ersten Eingangsspannung UE1 und über eine Gleichspannungsquelle 140 mit der zweiten Eingangsspannung UE2 beaufschlagbar. Hierzu sind die jeweiligen Ausgänge der Komponenten 130, 140 wie in 7 abgebildet mit den Eingangsanschlüssen 122a, 122b der Ladeeinrichtung verbunden.
Die Gleichrichtereinrichtung 130 gemäß 7 weist einen Dreiphasengleichrichter 134 auf, der vorliegend beispielhaft als Sechspuls-Brückenschaltung („B6“) ausgebildet ist und an seinem Eingang 132 mittels des Schütz 300 in Abhängigkeit eines Steuerbefehls SB wahlweise an eine dreiphasige Wechselspannung UW schaltbar bzw. von dieser trennbar ist. Wenn der Dreiphasengleichrichter 134 mittels des Schütz 300 in Abhängigkeit des Steuerbefehls SB an die Wechselspannung UW geschaltet wird, gibt er an seinem Ausgang 136 die erste Eingangsspannung UE1 für die Ladeeinrichtung 120 aus. Dann können bevorzugt die Aufwärtswandler 1200a, 1200b angesteuert werden, um den Kondensator C1 der Energiespeichereinrichtung 110 auf eine vorgebbare Spannung, die größer ist als die erste Eingangsspannung UE1, zu laden. Das Anschalten des Dreiphasengleichrichters 134 an die Wechselspannung UW erfolgt bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen erst dann, wenn der Kondensator C1 bereits auf ein vorgebbares Energieniveau bzw. Spannungsniveau vorgeladen ist, wodurch ein unerwünschter Einschaltstromstoß bzw. eine elektromagnetische Störstrahlung vermieden wird.
Das Vorladen (vgl. auch Schritt 410 aus 5) kann bei der Konfiguration 100a gemäß 7 beispielsweise mittels der Gleichspannungsquelle 140 erfolgen, die an ihrem Ausgang 144 wie vorstehend bereits beschrieben die zweite Ausgangsspannung UE2 bereitstellt, welche vorzugsweise kleiner ist als die erste Ausgangsspannung UE1. Vorliegend weist die Gleichspannungsquelle 140 eine als Transformator 146a ausgebildete Kopplungseinrichtung 146 auf. Ein erster Anschluss 142a des Transformators 146a kann mit einem ersten Bezugspotential verbunden werden, und ein Source-Anschluss 142b eines in 7 nicht näher bezeichneten Halbleiterschalters (z.B. MOSFET, metal oxide semiconductor field-effect transistor, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), der mit seiner Schaltstrecke in Reihe zu einer Primärwicklung des Transformators 146a geschaltet ist, kann mit einem zweiten Bezugspotential, beispielsweise dem Massepotenzial, verbunden werden. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen entspricht eine Potenzialdifferenz zwischen dem ersten Bezugspotential und dem zweiten Bezugspotential beispielsweise einer Versorgungsspannung von 24 V für die Gleichspannungsquelle 140, z.B. einer vorhandenen Steuerspannung der Energieversorgungseinrichtung 100a. Eine Sekundärwicklung des Transformators 146a ist in Reihe zu der Diode 146b geschaltet, sodass die Gleichspannungsquelle 140 eine in entsprechender Weise gleichgerichtete Ausgangsspannung als zweite Eingangsspannung UE2 an die Eingangsanschlüsse 122a, 122b der Ladeeinrichtung 120 ausgibt. Dann können bevorzugt wiederum die Aufwärtswandler 1200a, 1200b angesteuert werden, diesmal um - unter Versorgung mittels der zweiten Eingangsspannung UE2 - den Kondensator C1 der Energiespeichereinrichtung 110, z.B. ausgehend von einem entladenen oder nicht ausreichend vorgeladenen Zustand, auf eine vorgebbare Vorladespannung, die größer ist als die zweite Eingangsspannung UE2, vorzuladen. Sodann, also nach Abschluss des Vorladens, kann die erste Eingangsspannung UE1 zugeschaltet (und ggf. die Gleichspannungsquelle 140 deaktiviert) werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Verwendung der elektrischen Energieversorgungseinrichtung 100, 100a gemäß den Ausführungsformen und/oder des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen zum Vorladen 410 der Energiespeichereinrichtung 110, wobei das Vorladen 410 insbesondere bei bzw. nach einem Aktivieren der Energieversorgungseinrichtung 100, 100a erfolgt und/oder nach einem zumindest teilweisen Entladen der Energiespeichereinrichtung 110 unter ein vorgebbares Energieniveau, wobei das Energieniveau beispielsweise durch eine elektrische Spannung und/oder eine in der Energiespeichereinrichtung gespeicherte elektrische Energie charakterisiert werden kann.

Claims

Elektrische Energieversorgungseinrichtung (100; 100a) für eine Strahlungsquelle (200) zur Erzeugung optischer Strahlung (S), wobei insbesondere die Strahlungsquelle (200) wenigstens ein die optische Strahlung (S) emittierendes Leistungshalbleiterbauelement (210) aufweist, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) eine elektrische Energiespeichereinrichtung (110) aufweist, die insbesondere wenigstens einen Kondensator (C1) aufweist, eine wenigstens einen Aufwärtswandler (1200) aufweisende Ladeeinrichtung (120) zum zumindest zeitweisen Laden der Energiespeichereinrichtung (110), wobei die Energieversorgungseinrichtung (100; 100a) dazu ausgebildet ist, einen Eingang (122) der Ladeeinrichtung (120) zumindest zeitweise mit einer ersten elektrischen Eingangsspannung (UE1) zu beaufschlagen, und den Eingang (122) der Ladeeinrichtung (120) zumindest zeitweise mit einer zweiten elektrischen Eingangsspannung (UE2) zu beaufschlagen, die von der ersten Eingangsspannung (UE1) verschieden ist.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Ladeeinrichtung (120) dazu ausgebildet ist, die erste Eingangsspannung (UE1) und/oder die zweite Eingangsspannung (UE2) mittels des wenigstens einen Aufwärtswandlers (1200) in eine Ausgangsspannung (UA) umzuwandeln, die größer ist als die erste Eingangsspannung (UE1) und die zweite Eingangsspannung (UE2), wobei insbesondere die Ladeeinrichtung (120) dazu ausgebildet ist, die Energiespeichereinrichtung (110) mittels der Ausgangsspannung (UA) zu laden.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Energiespeichereinrichtung (110) eine Bemessungsspannung größer 200 Volt, V, aufweist, insbesondere größer 500 V, weiter insbesondere größer 700 V.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Eingangsspannung (UE1) größer 100 V ist, insbesondere größer 200 V.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Eingangsspannung (UE2) kleiner 100 V ist, insbesondere kleiner 60 V, weiter insbesondere kleiner 42 V.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) eine Gleichrichtereinrichtung (130) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die erste Eingangsspannung (UE1) für die Ladeeinrichtung (120) zu erzeugen, wobei insbesondere die Gleichrichtereinrichtung (130) dazu ausgebildet ist, eine einem Eingang (132) der Gleichrichtereinrichtung (130) zuführbare, bevorzugt mehrphasige, Wechselspannung (UW) in eine Gleichspannung umzuwandeln.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei die Gleichrichtereinrichtung (130) eine Nennleistung größer 1 Kilowatt, kW, aufweist, insbesondere größer 10 kW, weiter insbesondere größer 20 kW.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei die Gleichrichtereinrichtung (130) einen Dreiphasengleichrichter (134) aufweist oder als Dreiphasengleichrichter ausgebildet ist, wobei insbesondere der Dreiphasengleichrichter (134) eine Sechspuls-Brückenschaltung aufweist.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) eine Gleichspannungsquelle (140) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die zweite Eingangsspannung (UE2) für die Ladeeinrichtung (120) zu erzeugen.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei die Gleichspannungsquelle (140) einen Eingang (142) zur Aufnahme elektrischer Energie (E) von einer externen Quelle (Q) aufweist, einen Ausgang (144) zur Ausgabe elektrischer Energie in Form der zweiten Eingangsspannung (UE2) für die Ladeeinrichtung (120), und eine Kopplungseinrichtung (146) zur Übertragung von elektrischer Leistung von dem Eingang (142) zu dem Ausgang (144), wobei insbesondere die Kopplungseinrichtung (146) dazu ausgebildet ist, eine galvanische Trennung zwischen dem Eingang (142) und dem Ausgang (144) herzustellen.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach Anspruch 10, wobei a) die Gleichspannungsquelle (140) einen Gleichspannungswandler aufweist und/oder b) die Kopplungseinrichtung (146) einen Transformator (146a) aufweist.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) dazu ausgebildet ist, in einem ersten Betriebszustand den Eingang (122) der Ladeeinrichtung (120) mit der zweiten elektrischen Eingangsspannung (UE2) zu beaufschlagen.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach Anspruch 12, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) dazu ausgebildet ist, in einem zweiten Betriebszustand den Eingang (122) der Ladeeinrichtung (120) mit der ersten elektrischen Eingangsspannung (UE1) zu beaufschlagen.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach Anspruch 13, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) dazu ausgebildet ist, von dem ersten Betriebszustand, vorzugsweise direkt, in den zweiten Betriebszustand überzugehen.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) dazu ausgebildet ist, den ersten Betriebszustand einzunehmen, wenn ein aktueller elektrischer Energieinhalt und/oder eine aktuelle Spannung der Energiespeichereinrichtung (110) einen vorgebbaren ersten Schwellwert unterschreitet.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) dazu ausgebildet ist, von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand überzugehen, wenn ein bzw. der aktuelle(r) elektrische(r) Energieinhalt und/oder eine bzw. die aktuelle Spannung der Energiespeichereinrichtung (110) einen vorgebbaren zweiten Schwellwert überschreitet.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) dazu ausgebildet ist, in dem ersten Betriebszustand die Energiespeichereinrichtung (110) auf einen vorgebbaren ersten Energiesollwert und/oder eine vorgebbare erste Sollspannung zu laden.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) dazu ausgebildet ist, in dem zweiten Betriebszustand die Energiespeichereinrichtung (110) auf einem vorgebbaren zweiten Energiesollwert und/oder einer vorgebbaren zweiten Sollspannung zu halten.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 18, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) dazu ausgebildet ist, wahlweise die Wechselspannung (UW) auf den Eingang (132) zu schalten.
Energieversorgungseinrichtung (100) nach Anspruch 19, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) dazu ausgebildet ist, einen Steuerbefehl (SB) für eine externe Schalteinrichtung (300) zu erzeugen und an die externe Schalteinrichtung (300) zu übermitteln, insbesondere, um die Schalteinrichtung (300) dazu zu veranlassen, die Wechselspannung (UW) auf den Eingang (132) zu schalten.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energieversorgungseinrichtung (100; 100a) für eine Strahlungsquelle (200) zur Erzeugung optischer Strahlung (S), wobei insbesondere die Strahlungsquelle (200) wenigstens ein die optische Strahlung (S) emittierendes Leistungshalbleiterbauelement (210) aufweist, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) eine elektrische Energiespeichereinrichtung (110) aufweist, die insbesondere wenigstens einen Kondensator (C1) aufweist, eine wenigstens einen Aufwärtswandler (1200) aufweisende Ladeeinrichtung (120) zum zumindest zeitweisen Laden der Energiespeichereinrichtung (110), wobei die Energieversorgungseinrichtung (100; 100a) einen Eingang (122) der Ladeeinrichtung (120) zumindest zeitweise mit einer ersten elektrischen Eingangsspannung (UE1) beaufschlagt (400), und den Eingang (122) der Ladeeinrichtung (120) zumindest zeitweise mit einer zweiten elektrischen Eingangsspannung (UE2) beaufschlagt (402), die von der ersten Eingangsspannung (UE1) verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Ladeeinrichtung (120) die erste Eingangsspannung (UE1) und/oder die zweite Eingangsspannung (UE2) mittels des wenigstens einen Aufwärtswandlers (1200) in eine Ausgangsspannung (UA) umwandelt, die größer ist als die erste Eingangsspannung (UE1) und die zweite Eingangsspannung (UE2), wobei insbesondere die Ladeeinrichtung (120) die Energiespeichereinrichtung (110) mittels der Ausgangsspannung (UA) lädt, wobei insbesondere die erste Eingangsspannung (UE1) größer 100 V ist, insbesondere größer 200 V, wobei insbesondere die zweite Eingangsspannung (UE2) kleiner 100 V ist, insbesondere kleiner 60 V, weiter insbesondere kleiner 42 V.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 22, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) eine Gleichrichtereinrichtung (130) aufweist, die die erste Eingangsspannung (UE1) für die Ladeeinrichtung (120) erzeugt, wobei insbesondere die Gleichrichtereinrichtung (130) eine einem Eingang (132) der Gleichrichtereinrichtung (130) zuführbare, bevorzugt mehrphasige, Wechselspannung (UW) in eine Gleichspannung umwandelt, wobei insbesondere die Gleichrichtereinrichtung (130) eine Nennleistung größer 1 Kilowatt, kW, aufweist, insbesondere größer 10 kW, weiter insbesondere größer 20 kW, wobei insbesondere die Gleichrichtereinrichtung (130) einen Dreiphasengleichrichter (134) aufweist oder als Dreiphasengleichrichter (134) ausgebildet ist, wobei insbesondere der Dreiphasengleichrichter (134) eine Sechspuls-Brückenschaltung aufweist.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) eine Gleichspannungsquelle (140) aufweist, die die zweite Eingangsspannung (UE2) für die Ladeeinrichtung (120) erzeugt, wobei insbesondere die Gleichspannungsquelle (140) einen Eingang (142) zur Aufnahme elektrischer Energie (E) von einer externen Quelle (Q) aufweist, einen Ausgang (144) zur Ausgabe elektrischer Energie in Form der zweiten Eingangsspannung (UE2) für die Ladeeinrichtung (120), und eine Kopplungseinrichtung (146) zur Übertragung von elektrischer Leistung von dem Eingang (142) zu dem Ausgang (144), wobei insbesondere die Kopplungseinrichtung (146) eine galvanische Trennung zwischen dem Eingang (142) und dem Ausgang (144) herstellt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) in einem ersten Betriebszustand den Eingang (122) der Ladeeinrichtung (120) mit der zweiten elektrischen Eingangsspannung (UE2) beaufschlagt (410).
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) in einem zweiten Betriebszustand den Eingang (122) der Ladeeinrichtung (120) mit der ersten elektrischen Eingangsspannung (UE1) beaufschlagt (414), wobei insbesondere die Energieversorgungseinrichtung (100) von dem ersten Betriebszustand, vorzugsweise direkt, in den zweiten Betriebszustand übergeht (412).
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 26, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) den ersten Betriebszustand einnimmt, wenn ein aktueller elektrischer Energieinhalt und/oder eine aktuelle Spannung der Energiespeichereinrichtung (110) einen vorgebbaren ersten Schwellwert unterschreitet, wobei insbesondere die Energieversorgungseinrichtung (100) von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand übergeht, wenn ein bzw. der aktuelle(r) elektrische(r) Energieinhalt und/oder eine bzw. die aktuelle Spannung der Energiespeichereinrichtung (110) einen vorgebbaren zweiten Schwellwert überschreitet.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) in dem ersten Betriebszustand die Energiespeichereinrichtung (110) auf einen vorgebbaren ersten Energiesollwert und/oder eine vorgebbare erste Sollspannung lädt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) in dem zweiten Betriebszustand die Energiespeichereinrichtung (110) auf einem vorgebbaren zweiten Energiesollwert und/oder einer vorgebbaren zweiten Sollspannung hält.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 23 bis 29, wobei die Energieversorgungseinrichtung (100) a) wahlweise die Wechselspannung (UW) auf den Eingang (132) schaltet und/oder b) einen Steuerbefehl (SB) für eine externe Schalteinrichtung (300) erzeugt und an die externe Schalteinrichtung (300) übermittelt, insbesondere, um die Schalteinrichtung (300) dazu zu veranlassen, die Wechselspannung (UW) auf den Eingang (132) zu schalten.
Verwendung der elektrischen Energieversorgungseinrichtung (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 20 und/oder des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 30 zum Vorladen der Energiespeichereinrichtung (110), wobei das Vorladen insbesondere bei bzw. nach einem Aktivieren der Energieversorgungseinrichtung (100) erfolgt und/oder nach einem zumindest teilweisen Entladen der Energiespeichereinrichtung (110) unter ein vorgebbares Energieniveau.