DE3335690C2

DE3335690C2 - Vorrichtung zum Erzeugen von Hochleistungs-Hochspannungsimpulsen hoher Wiederholfrequenz

Info

Publication number: DE3335690C2
Application number: DE19833335690
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Phys. Dr. 3400 Göttingen Albers; Hubertus Dr. von 3414 Hardegsen Bergmann
Original assignee: Lambda Physik AG
Current assignee: Lambda Physik AG
Priority date: 1983-09-30
Filing date: 1983-09-30
Publication date: 1986-03-27
Also published as: DE3335690A1; JPS6096182A; JPH0667219B2

Abstract

Vorgestellt wird eine Vorrichtung zum Erzeugen von Hochleistung-Hochspannungsimpulsen hoher Wiederholfrequenz. Eine solche Vorrichtung eignet sich insbesondere für die Verwendung in Gaslasern, kann aber auch in anderen Bereichen der Hochspannungsimpulstechnik vorteilhaft eingesetzt werden. Die gezielte Anordnung und Auslegung von Kapazitäten, Induktivitäten und sättigbaren Induktivitäten führt zur Erzeugung von schnellen Hochspannungsimpulsen bei gleichzeitiger Erhöhung des Spitzenstromes, der Spitzenspannung und der Umladeeffizienz. Die Anordung eignet sich insbesondere für die Verwendung in hochrepetierenden Systemen. Außerdem werden Wege aufgezeigt, die Kerne der sättigbaren Induktivitäten automatisch auf den entgegengesetzten Remanenzpunkt zurückzustellen.

Description

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine sättigbare Induktivität (S/f) zwischen den Kondensatoren (Cf, Co) der Eingangsstufe und nächsten Kondensatoren (Cf, Cf) geschaltet ist und eine zu dem nächsten Kondensator Cf parallel geschaltete weitere Induktivität (S/f) zur Erzeugung einer Schwingung zwischen dem nächsten Kondensator(Cf) uiidder weiteren Induktivität (S/f) dient, und daß eine bis nL,ie an die Sättigung vormagnetisierte Induktivität (S/™) zusammen mit dem dazu in Reihe geschalteten Kondensator (Cf) parallel zu dem nächsten Kondensator (Cf) liegt (Fig. 2).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sättigbare Induktivität (S/f) kurz vor dem Ende einer Umladezeit

(Fig. 2) gesättigt ist, und die Energie auf nächste Kondensatoren fließen kann.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausnutzung der maximalen magnetischen Induktionsänderung der sättigbaren Induktionen deren Kerne zwischen zwei Impulsen auf den entgegengesetzten Remanenzpunkt zurückgestellt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine isolierte Wicklung um den Kern gelegt wird, durch welche ein gepulster oder stationärer Gleichstrom fließt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslegung der Kapazitäten geringfügig die Resonanzbedingung für den Ladungslransfer verletzt, so daß nach der Umladung für kurze Zeit eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität anliegt.

Wiederholfrequenz, insbesondere für die Verwendung in Gaslasern der TEA-Bauart, mit einer oder mehreren hintereinander geschalteten Stufen aus zueinander parallel geschalteten Kapazitäten und Induktivitäten, und einem Schalter zwischen Spannungsversorgung und Verbraucher.

Vorrichtungen der genannten Art sind beka.inL Sie werden insbesondere bei TEA-Hochenergielasern benutzt Bei einem solchen Laser wird elektrische Energie sehr hoher Spitzenleistung in einer Gasentladung in Anregungsenergie umgewandelt, die zur Emission von Laserlicht führt. Neben der Verwendung bei dem genannten Lasertyp ist die Bereitstellung von schnellen Hochspannungsimpulsen hoher Energie auch in anderen-Bereichen der Verwendung von Hochspannungsimpulsen erforderlich.

Bei Vorrichtungen der genannten Art erzwingt die Forderung nach extrem hoher Spitzenleistung, daß alle verwendeten Bauteile und der mechanische Aufbau sehr niederinduktiv sind. Außerdem ist der Einsatz eines schnellen Schalters unentbehrlich, der die auf den Kondensatoren gespeicherte Energie dem Verbraucher zuführt. Neben anderen Anforderungen muß der Schalter vor allem eine hohe Haltespannung aufweisen, die Fähigkeit besitzen, itohe Spitzenströme bei niedrigen Verlusten schalten zu können und eine hohe Lebensdauer besitzen. Als Schalter üblicherweise verwendete Thyratrons können zwar die zuvor genannten Anforderungen erfüllen, weisen aber ihrerseits eine Reihe von Nachteilen auf, welche sich insbesondere in Beschränkungen hinsichtlich von Spannung und Strom niederschlagen und die dem Verbraucher zuschaltbare Spitzenleistung begrenzen. Daneben hängt die Lebensdauer der Thyratrons sehr empfindlich von der Betriebsweise ab. Bei sehr hohen Spitzenströmen ist bei gleicher übertragener Ladungsmenge die Gebrauchsdauer sehr viel kürzer als bei niedrigen Strömen. Da mithin der Schalter unter den üblicherweise verwendeten Bauteilen das schwächste Glied darstellt, werden allgemein Anstrengungen unternommen, um den Schalter möglichst wenig zu belasten.

In I. Smilanski et al, Appl. Phys. Lett. 40 (7), 1. April 1982 ist eine Lösung des Problems beschrieben, wie sie üblicherweise versucht wird. In Fig. 1 ist dieser Stand der Technik dargestellt.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 weist eine Spannungsversorgung HV nebst einem Widerstand R, einem Schalter S und einem Verbraucher R_L auf. Daneben ist eine Serien-Parallelschaltung von Kondensatoren C₀ bis Cy und eine Serien-Parallelschaltung von Spulen L_DC, L\ und sättigbaren Spulen S/, bis SI_n vorhanden.

Die Energie wird im Ladekondensator Co gespeichert und durch den Schalter S in den Kondensator C\ transferiert. Hierbei ist die Induktivität L, so einzustellen, daß die Maximaldaten für d I/d t und I_max des Schalters nicht überschritten werden. Die Umladezeit wird sich gemäß

η ^s

ί '

C₀+C₁

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Hochleistungs-Hochspannungsimpulsen hoher einstellen. Die sättigbare Induktivität SZ₁ läßt aufgrund der hohen Induktivität nur einen sehr kleinen Strom auf den Kondensator Ci fließen. Bei richtiger Dimensionierung von S/i wird diese Induktivität dann gesättigt, wenn C₀ fast vollständig entladen ist. Die Sättigungsinduktivität muß so niedrig sein, daß die Energieumladung, die nun von Ci auf C₂ einsetzt, in einer Zeit

Tl =

■sal . Ci ■ Ci
C_x +C₁

■SI I

erfolgt, die erheblich kleiner ist als η. Bei gleichen Kapazitäten in den einzelnen Stufen wird eine Kompression des Stromes gemäß

Ti+l

IO

mit Ar,- als Kompressionsfairtor pro Stufe erreicht. Falls die Verluste im Schalter ,fund in den sättigbaren Induktivitäten 57 vemachlässigbar sind, erfolgt eine resonante Umladung, und die Spannung in der folgenden Stufe ist gleich der in der vorhergehenden.

Mit der beschriebenen Auslegung kann zwar eine resonante Umladung mit Stromkreisen erreicht werden, die Spannung an den Kondensatoren kann aber nicht variiert werden.

Muß aufgrund der Anforderungen an das System an der /Ken Stufe jedoch eine andere Spannung als an der ersten zur Verfugung stehen, müssen die Kapazitäten der Stufen variiert werden, d. h. zum Erreichen einer größeren Spannung muß die Kapazität verkleinert werden und umgekehrt. Der wesentliche Nachteil dieser Anordnung besteht nun darin, daß die Umladung der Energie nicht mehr resonant erfolgt, so daß in der vorhergehenden Stufe Energie verbleibt, wieder zurückfließt und dadurch zu unerwünschten Schwingungen fuhrt.

Die Verwendung einer sättigungsabhängigen Induktivität ist aus DE-AS 20 08 903 bekannt. Sie wird dort in einem einstufigen Hochspannungsgenerator in Verbindung mit einem Schaltelement eingesetzt, das dadurch mit einer verhältnismäßig ideinen Durchbruchspannung dimensioniert werden kann. Ein Nachteil dieser Anordnung ist die sehr begrenzte Spannungverstärkungsfähigkeit dieser Schaltung, die zudem durch die verwendeten Bauelemente ein festes Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsspannung definiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszuführen, daß Spitzenstrom und -spannung unter Erzielung maximaler Effizienz unter minimaler Belastung der Bauelemente erhöht werden können, und eine Spannungsvervielfachung ohne den Nachteil eines nur partiellen Energietransfers erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Hochleistungs-Hochspannungsimpulsen hoher Wiederholfrequenz mit einer oder mehreren hintereinander geschalteten Stufen aus zueinander geschalteten Kapazitäten und Induktivitäten und einem Schalter zwischen Spannungsversorgung und Verbraucher gelöst. Die Vorrichtung enthält Kondensatoren, die parallel aufgeladen werden, und einen schaltbaren Schwingkreis, der die Spannung des einen Kondensators invertiert, wobei beide Kondensatoren hintereinander, resonant auf nächste Kondensatoren umladbar sind,

Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung für Systeme mit hoher Wiederholfrequenz derart eingesetzt werden, daß diese ausschließlich durch die Verluste des Schalters S limitiert ist. Vorteilhafterweise wird neben der Erhöhung der Spannung in den einzelnen Stufen eine Kompression des Stromes erreicht, mit der die Höhe des Maximalstromes in den einzelnen Stufen eingestellt werden kann. Der Kompressionsfaktor kann unabhängig gewählt werden und hängt von den Kapazitäten und Induktivitäten der benachbarten Stufen ab.

Die Vorrichtung kann in verschiedenen Gaslasertypen vorteilhaft eingesetzt werden und arbeitet mit Wiederholfrequenzen von mehr als 300 Hz. Neben den Verbesserungen im Bereich der elektrischen Komponenten werden außerdem wesentliche Fortschritte beim Betrieb der Laser erzielt Die Gesamteffizienz erhöht sich nahezu um den Faktor 2. Als Folge hiervon reduziert sich drastisch der Verschleiß an Elektroden und die Lebensdauer der Gasgemische wird erheblich gesteigert. Ganz allgemein ergibt sich mithin durch die Verwendung der Vorrichtung in vielen Bereichen der Hochspannungsimpulstechnik eine erhebliche positive Auswirkung sowohl auf die Lebensdauer der verschiedenen Komponenten von Schaltungen als auch die Steigung der Teil- und Gesamteffizienzen von Systemen mit leistungsstarken Hochspannungsimpulsen.

In einerbevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine sättigbare Induktivität zwisuien den Kondensatoren und den nächsten KondensatoreL geschaltet und eine weitere Induktivität, die zu einem der nächsten Kondensatoren parallel geschaltet ist, dient zur Erzeugung einer Schwingung zwischen diesem nächsten Kondensator und der weiteren Induktivität, und eine bis nahe an die Sättigung vormagnetisierte Induktivität ist zu einem mit einem nächsten Kondensator parallel geschalteten Kondensator in Reihe geschaltet. Die sättigbare Induktivität kann so eingestellt sein, daß sie kurz vor dem Ende einer Umladezeit gesättigt ist und die Energie auf nächste Kondensatoren fließen kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können zur Ausnutzung der maximalen magnetischen Induktionsänderung der sättigbaren Induktionen deren Kerne zwischen zwei Impulsen auf den entgegengesetzten Remanenzpunkt zurückgestellt werden. Eine isolierte Wicklung kann um den Kern gelegt werden, durch welcher ein gepulster oder stationärer Gleitostrom fließt. Die Auslegung der Kapazitäten kann geringfügig die Resonanzbedingung für den Ladungstransfer verletzen, so daß nach der Umladung für kurze Zeit eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität anliegt.

Die Erfindung ist anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild nach dem Stand der Technik;

F i g. 2 eine erste Ausführungsform mit mehreren hintereinander geschalteten Stufen;

Fig. 3 eine einstufige Anordnung.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 geht von dem Grundprinzip aus, wie es in Fi g. 1 dargestellt ist. Eine Serien/ Parallelschaltung von sättigbaren Induktivitäten 5/f bis SIf/, o/f, SI™, bis SI^P _N, SI™ ist zusammen mit Kondensatoren Cp bis Cf, und Cg bis C£ in mehreren Stufep.hintereinander zusammengefaßt.

Die Kondensatoren Cfi, Co werden aus der Hochspannungsquelle HV auf eine Spannung ZZ₀ aufgeladen. Durch Schließen des triggerbarsn Schalters S wird eine Schwingung über L₀-Co ausgelöst; der maximal erreichbare Spannungshub beträgt 2 x f/₀, Der gleiche Spannungsabfall tritt an der sättigbaren Induktivität S/f auf. Das Spannungszeitintegral J U x d / ist so einzustellen, daß kurz vor dem Ende der Umladezeit

T₀ ** π V L₀ ■ Co

5/f gesättigt ist und die Energie auf die Kondensatoren Cf, Cf fließen kann. Eine wichtige Rolle beim Aufladen von Cf spielt die Induktivität S/f'¹', die durch einen

Gleichstrom bis nahe an die Sättigung vormagnetisiert ist. Dadurch wirkt sie ähnlich wie eine Diode. Schon ein geringer Vorwärtsstrom sättigt das Kemmaterial, während der Strom in Rückwärtsrichtung gemäß dem Spannungszeitintegral unterbunden wird. Unter der Annahme, daß keine Verluste bei den Umladevorgängen auftreten, muß für eine resonante Umladung die Summe von C, gleich der Gesamtkapazität

sein. Bei Co = Co ist Co = 1/2 Cf und die Spannung an C, kann maximal auf 2 Uy erhöht werden. Ein Rückfluß der Energie von C, auf C₀ wird durch 5/f verhindert, da die Induktivität bei Stromumkehr wieder sehr groß wird und dem Snannungszeitintegral entsprechend den Rückstrom für eine gewisse Zeit sperrt. Dadurch ist es möglich, mit Hilfe der sättigbaren S7f eine Schwingung zwischen Cf und 5/f zu erzeugen, die zu einem Spannungsanstieg an Sl\ führt. An der sättigbaren Induktivität 5/f wiederholt sich der Spannungsablauf in der gleichen Weise wie an 5/f beschrieben.

Die Effizienz der Anordnung wird vor allem durch die Verluste im Schalter S und in den sättigbaren Induktivitäten SI bestimmt. Durch geeignete Auslegung der Leitungen und durch richtige Wahl der Kondensatortypen können die Verluste in diesen Bauteilen vernachlässigbar klein gehalten werden. In gleichem Maße wie die Verluste pro Puls im Schalter mit Hilfe der beschriebe- JO • nen Anordnung reduziert werden können, kann die Wiederholfrequenz erhöht werden, so daß das Produkt aus Repetitionsrate und Verluste pro Puls konstant bleibt.

Um bei den sättigbaren Induktivitäten die maximale magnetische Induktionsänderung ausnutzen zu können, müssen die Kerne zwischen zwei Pulsen auf den entgegengesetzten Remanenzpunkt zurückgestellt werden. Dies kann auf zwei verschiedenen Wegen erreicht werden. Einerseits ist es möglich, eine isolierte Wikklung um den Kern zu legen, durch die man einen gepulsten oder stationären Gleichstrom fließen läßt. Andererseits besteht die Möglichkeit, die Kapazitäten so auszulegen, daß die Resonanzbedingung für den Ladungstransfer geringfügig verletzt wird und nach der Umladung für kurze Zeiten eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität anliegt, die zu einem geringen Rückwärtsstrom führt.

Bei einer extrem rechteckigen ^-//-Charakteristik des Kernmaterials der sättigbaren Induktivität ist dieser Strom dann ausreichend, um den entgegengesetzten Remanenzpunkt zu erreichen.

Die in F i g. 2 angegebene Lösung ist in einer einstufigen Anordnung nach der Fig. 3 wiedergegeben. Als Schalter S wird ein Thyratron verwendet, Kapazitäten Ci, C₂, C₃ bestehen aus Keramikkondensatoren. Als Induktivitäten L₀, L_Dc werden Luftspulen eingesetzt, und die sättigbare Induktivität enthält als Kemmaterial amorphes Metall.

Die Kapazitäten C₁, C₂ werden über den Widerstand R auf die Ladespannung U₀ aufgeladen. Nach Schließen des Schalters S wird eine Schwingung im Kreis

S-L₀-C_x

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erzeugt, und es kommt zur Spannungsumkehr an C\. Gleichzeitig steigt die Spannung an SI von 0 auf die Summe der Spannungen an C_t und C₂. Die sättigbare Induktivität ist so ausgelegt, daß ihr Wert kurz vor Erreichen der Maximalspannung zusammenbricht und damit ein Ladungsträgeraustausch zwischen C\, C₂ und C₃ erfolgen kann. Um resonanten Energietransfer zu gewährleisten, sind drei Bedingungen zu erfüllen:

1) die Serienkapazität aus C₁ und Ci muß gleich der Kapazität von C₃ sein,

2) die nach der Schwingung im Kreis S- L₀ - C\ auf C\ gespeicherte Ladung muß gleich der auf C₂ sein,

3) der »Schaltzeitpunkt« der sättigbaren Induktivität muß so eingestellt werden, daß die Schwingung in S-L₀-Ci phasenrichtig mit dem Energietransfer von C\ - C₂ nach C₃ beendet wird, d. h. nach dem Energietransfer muß die Spannung an C, und C₂ gleich Null sein.

Durch Anpassung der einzelnen Komponenten werden die oben genannten Voaussetzungen erfüllt, so daß nach der Umladung keine Energie auf C\ und C₂ verbleibt. Ein Rückfluß der Energie wird durch die hohe Induktivität für Ströme in Rückwärtsrichtung verhindert, so daß die auf Cj befindliche Energie in den Lastwiderstand dissipiert wird. Eine geringe Fehlanpassung der Phase des Umladestromes führt zu einem äußerst geringer Rückwärtsstrom. Dieser dient dazu, die oben beschriebene Rückstellung automatisch vorzunehmen, so daß eine zusätzliche externe Beschallung dafür entfällt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erzeugen von Hochleistungs-Hochspannungsimpulsen hoher Wiederholfrequenz, insbesondere für die Verwendung in Gaslasern der TEA-Bauart, mit einer oder mehreren hintereinander geschalteten Stufen aus zueinander parallel geschalteten Kapazitäten und Induktivitäten und einem Schalter zwischen Spannungsversorgung und Verbraucher, gekennzeichnet durch:

a) Kondensatoren der Eingangsstufe (Co, Cjj in F i g. 2 bzw. Ci, Ct in F i g. 3), die zunächst parallel aufladbar sind,

b) einen schaltbaren Schwingkreis (S, L₀, Ca bzw. S, L₀, C₁), der die Spannung des einen Kondensators (Co bzw. C₁) invertiert, wonach

c) die nächsten bzw. der nächste. Kondensatoren (Cf, Cf bzw. C₃) einer Folgestufe aus den beiden in Serie wirksamen Kondensatoren (Co, C₀" bzw. Ci, C₂) durch resonante Umladung geladen werden/wird. (Fig. 2 bzw. Fig. 3).