DE3337811A1

DE3337811A1 - Hochspannungsimpulsgenerator fuer einen niedertemperatur-plasmagenerator

Info

Publication number: DE3337811A1
Application number: DE19833337811
Authority: DE
Inventors: Karl-Josef Dipl.-Ing.(FH) 5168 Nideggen Faymonville; Friedrich Dipl.-Chem. 5353 Mechernich Suppan; Heinrich 5108 Monschau Wollgarten
Original assignee: Otto Junker GmbH
Current assignee: Otto Junker GmbH
Priority date: 1983-10-18
Filing date: 1983-10-18
Publication date: 1985-05-02
Also published as: FR2553601A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsimpulsgenerator gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Hochspannungsimpulsgeneratoren werden für verschiedene Zwecke eingesetzt, beispielsweise zum Speisen der Elektroden eines Niedertemperatur-Plasmagenerators oder eines elektrostatischen Abscheiders. Die Erfindung betrifft speziell einen Hochspannungsimpulsgenerator für einen Niedertemperatur-Plasmagenerator. Wie bekannt, enthalten derartige Plasmageneratoren einen von Wänden eingeschlossenen Reaktionsraum, in welchem mehrere Elektroden bzw. Röhren in bestimmter Weise angeordnet sind. Die Elektroden werden mit Hochspannungsimpulsen beaufschlagt, so daß das zwischen den Elektroden hindurchgeleitete Gas oder Gasgemisch wenigstens teilweise in Plasma umgewandelt wird.

Man ist nun bestrebt, den Wirkungsgrad eines solchen Plasmagenerators möglichst groß zu machen, d.h. man ist bestrebt, beispielsweise eine bestimmte Menge Plasma mit möglichst wenig Energieaufwand zu erzeugen. Dabei soll die Schaltung zum Erzeugen der Hochspannungsimpulse nicht zu aufwendig sein. Es ist bekannt, daß sich der Wirkungsgrad eines Plasmagenerators dadurch verbessern läßt, daß die Hochspannungsimpulse extrem kurz gemacht werden.

Es sind bereits verschiedene Hochspannungsimpulsgeneratoren bekannt. Aus der DE-OS 32 32 841 sind verschiedene Schaltungen für Hochspannungsimpulsgeneratoren bekannt. Ein bekannter Impulsgenerator enthält eine Gleichstrom-Hochspannungsquelle, die über einen Strombegrenzer-Widerstand einen als Kondensator ausgebildeten Impulsformer speist. Der Kondensator liegt hierbei parallel zur Span-

nungsquelle. An den Verbindungsanschluß zwischen Impulsformer und Strombegrenzer-Widerstand ist eine Funkenstrekke mit der daran angeschlossenen Last angeschlossen. Erreicht die Spannung an dem Kondensator einen Wert, der der Durchschlagspannung der Funkenstrecke entspricht, so erfolgt ein Entladevorgang. Bei diesem Entladevorgang fließt jedoch durch den Strombegrenzer-Widerstand Strom, so daß dieser bekannte Hochspannungsxmpulsgenerator nur mit sehr niedrigem Wirkungsgrad zu arbeiten vermag.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrads eines Hochspannungsimpulsgenerators ist in der erwähnten DE-OS 32 32 841 vorgeschlagen, als Spannungsquelle eine Wechselspannungsquelle vorzusehen, an die ein Transformator angeschlossen ist. Parallel zur Sekundärwicklung des Transformators liegt der als Kondensator ausgebildete Impulsformer. Zwischen der einen Kondensatorelektrode und dem einen Anschluß der Sekundärwicklung befindet sich eine Diode. Zwischen der erwähnten Kondensatorelektrode und der Diode ist ein z.B. als Thyristor ausgebildeter Hochgeschwindigkeitsschalter angeschlossen, der dann, wenn die Ladespannung am Kondensator einen bestimmten Wert erreicht, durch Fremdsteuerung geöffnet wird, so daß die Ladespannung zur Last hin abfließen kann. Durch die Gleichrichterdiode wird ein den Wirkungsgrad der Schaltung herabsetzender Rückfluß des Stroms durch die Sekundärwicklung des Transformators vermieden.

Da insbesondere bei Plasmageneratoren Impulse mit sehr hoher Spannungsamplitude benötigt werden, ist der Hochgeschwindigkeitsschalter bei dem bekannten Hochspannungsimpulsgenerator extrem stark belastet, da er die gesamte Hochspannung auf die angeschlossene Last übertragen muß. Es ist klar, daß eine derart hohe Belastung des Hochgeschwindigkeitsschalters eine hohe Störanfälligkeit der Schaltung zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsimpulsgenerator der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen hohen Wirkungsgrad beim Betrieb des Plasmagenerators gewährleistet und sich außerdem durch geringe Störanfälligkeit auszeichnet. Der Impulsgenerator soll sich mit geringem Aufwand schaltungstechnisch realisieren lassen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß dem Elektrodenpaar oder den Elektrodenpaaren im Reaktorraum des Plasmagenerators extrem kurze und hohe Hochspannungsimpulse zugeführt werden. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Hochspannungsimpulsgenerators liegt jedoch im Vergleich zu dem oben geschilderten Stand der Technik darin, daß der Hochgeschwindigkeitsschalter nicht mehr die Hochspannung zu schalten braucht, sondern lediglich die Niederspannung der Niederspannungs-Stromquelle durchschaltet. Während im Stand der Technik ein teurer und störanfälliger Leistungs-Schalter verwendet werden muß, kommt man bei der erfindungsgemäßen Schaltung mit einem relativ billigen und dennoch zuverlässigen Bauelement aus. Während im Stand der Technik das Öffnen des Hochgeschwindigkeitsschalters dann erfolgt, wenn die den Impulsformer-Kondensator speisende Halbwelle einen bestimmten Amplitudenwert erreicht hat, kann bei.der erfindungsgemäßen Schaltung das öffnen zu dem günstigsten Zeitpunkt nahezu uneingeschränkt stattfinden, weil als Energiequelle eine Niederspannungs-Stromquelle verwendet wird. Dies bietet die Möglichkeit, das Öffnen des Hochgeschwindigkeitsschalters in so langen Zeiträumen und mit so langen Zeitabständen zu steuern, daß praktisch beliebig große Hochspannungsimpulse in beliebiger zeitlicher Folge erzeugt werden können. Die Amplitude der

Hochspannungsimpulse läßt sich leicht dadurch verändern, daß man die Größe der Nieder-Gleichspannung variiert. 5

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Bei der Energiezwischenspeicher- und Übertragervorrichtung handelt es sich demnach beispielsweise um einen Transformator, also ein relativ billiges Bauelement. Dadurch, daß der Hochgeschwindigkeitsschalter speziell mit einer veränderbaren Frequenzsignalquelle angesteuert wird, läßt sich erreichen, daß die Hochspannungsimpulsfolge an den Plasmabedarf angepaßt wird.

Als Hochgeschwindigkeitsschalter kommen an sich bekannte Bauelement zum Einsatz, vorzugsweise wird ein Feldeffekttransistor oder ein Thyristor verwendet. In ersterem Fall werden die von der Frequenzsignalquelle abgegebenen Steuerimpulse an das Gate des Feldeffekttransistors gelegt, so daß dessen Drain-Source-Strecke die Energie von der Gleichstromquelle zur Energiezwischenspeicher- und Übertragervorrichtung überträgt. In letzterem Fall werden die Steuersignale an die Zündelektrode des Thyristors gelegt, so daß der Thyristor für entsprechende Zeiträume leitend wird. Da das Löschen, d.h. Sperren des Thyristors nur möglich ist, wenn die an ihm anstehende Spannung praktisch Null wird, ist in diesem Fall die Niederspannungs-Stromquelle mit einem Kondensator ausgebildet, der bei jedem Zündvorgang des Thyristors entladen wird. Wenn die Kondensatorspannung einen gewissen Wert unterschreitet, wird der Thyristor gelöscht.

Es ist üblich, in einem Reaktorraum mehrere Elektrodenpaare vorzusehen, um an mehreren Stellen Plasma zu erzeugen. Werden sämtlichen Elektrodenpaaren gleichzeitig die Hochspannungsimpulse zugeführt, so kann es zu mecha-

nischen Schwingungen in dem Plasmagenerator aufgrund von Resonanzerscheinungen kommen. Durch die im Anspruch 6 angegebene Weiterbildung der Erfindung werden bei einer derartigen Anordnung die Elektrodenpaare separat mit Hochspannungsimpulsen versorgt, wobei diese Impulse dann zu verschiedenen Zeitpunkten angelegt werden. Hierdurch lassen sich mechanische Schwingungen vermeiden oder doch zumindest dämpfen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Hochspannungsimpulsgenerators für einen Niedertemperatur-Plasmagenerator, und

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines Hochspannungsimpulsgenerator.

Der in Fig. 1 gezeigte Hochspannungsimpulsgenerator besitzt eine Niederspannungs-Gleichstromquelle, die in an sich bekannter Weise aus einer Drehstrom-Gleichrichteran-Ordnung mit daran angeschlossenem Kondensator bestehen kann. Von einer der Kondensatorelektroden wird eine Gleichspannung von beispielsweise 15V abgegriffen und auf einen Hochgeschwindigkeitsschalter gegeben.

Der Hochgeschwindigkeitsschalter 2 ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel als N-Kanal-Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp ausgebildet und besitzt in bekannter Weise einen Drain-, einen Source- und einen Gateanschluß. Diese Anschlüsse sind in Fig. 1 mit D, S bzw. G bezeichnet.

Der Fachmann erkennt, daß der Drainanschluß D beispiels-

weise an den Ausgang der Niederspannungs-Gleichstromquelle 1 angeschlossen ist, und daß der Sourceanschluß S das Ausgangssignal des Hochgeschwindigkeitsschalters liefert, d.h., das Signal wird durch die Drain-Source-Strecke geleitet. Der Transistor 2 wird in bekannter Weise geöffnet, wenn seinem Gateanschluß G ein Steuersignal eines bestimmten Potentials zugeführt wird. Im

IQ vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dieses Steuersignal von einem Frequenzsignalgenerator 3 erzeugt. Der Frequenzsignalgenerator 3 ist eine an sich bekannte Schaltung und erzeugt Impulse vorbestimmter Breite und vorbestimmter Periodendauer. Diese Impulse werden auf den

^g Gateanschluß des Feldeffekttransistors 2 gegeben.

Das von dem Feldeffekttransistor 2 durchgeschaltete Niederspannungssignal gelangt an den Primäranschluß einer hier als Induktionsspulenanordnung ausgebildeten Energie-

2Q zwischenspeicher- und Übertrageranordnung 4. Die Induktionsspulenanordnung besitzt eine Primärspule und eine Sekundärspule. Die Verwendung eines derartigen Speicherund Übertragungselements bei einem Hochspannungsimpulsgenerator der hier in Rede stehenden Art ist besonders

2g vorteilhaft.

An die Sekundärspule der Induktionsspulenanordnung ist ein Elektrodenpaar eines Niedertemperatur-Plasmagenerators 8 angeschlossen. Derartige Plasmageneratoren sind ο« an sich bekannt und sollen hier nicht näher erläutert werden.

Die Schaltung gemäß Fig. 1 arbeitet wie folgt: Je nach Einstellung des hier als veränderlicher Frequenzsignalgenerator ausgebildeten Steuerimpulsgebers 3 werden in gewissen zeitlichen Abständen Steuerimpulse an den Gateanschluß des Feldeffekttransistors 2 gegeben, so daß er

von der Gleichstromquelle 1 Energie zu der Primärspule der Induktionsspulenanordnung 5 überträgt. 5

Durch die Erregung der Primärspule baut sich ein magnetisches Feld auf, welches nach dem Sperren des Feldeffekttransistors 2 zusammenbricht. Hierdurch entsteht an den Anschlüssen der Primärspule eine Spannung von ca. 600 V, wodurch auf der Sekundärseite ein Spannungsimpuls mit einer Amplitude von ca. 60 kV induziert wird. Dieser Hochspannungsimpuls gelangt an den Niedertemperatur-Plasmagenerator .

Man sieht, daß sich die in dem Magnetfeld zwischenzeitlich gespeicherte Energiemenge dadurch variieren läßt, daß man die Impulsbreite der Steuerimpulse und/oder die Amplitude der Speise-Gleichspannung variiert.

Fig. 2 zeigt eine modifizierte Ausführungsform der Erfindung. Die Bauteile 1, 3 und 8 sind die gleichen wie in Fig. 1 und sollen deshalb nicht noch mal beschrieben werden. In Abweichung von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist der Hochgeschwindigkeitsschalter hier als Thyristor 2" mit einer Anode A, einer Kathode K und einer Zündelektrode G ausgebildet. Wird von dem Frequenzsignalgenerator 3 ein Steuerimpuls (Zündimpuls) an die Zündelektrode G gegeben, so leitet der Thyristor, so daß von der Gleichstromquelle 1 Energie in die Energiezwischenspeieher- und Übertragervorrichtung 4' eingespeist wird, die hier eine Induktivität 6 und eine Kapazität 7 besitzt. Während beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die Energie in einem Magnetfeld gespeichert wurde, wird sie gemäß Fig. 2 in einem elektrischen Feld gespeichert. Die Funktionsweise der Ausführungsform nach Fig. 2 ist ähnlich wie die oben zu Fig. 1 beschriebene Funktionsweise.

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Enthält der Niedertemperatur-Plasmagenerator mehrere Elektrodenpaare, so ist vorzugsweise für jedes Elektrodenpaar ein separater Hochspannungsimpulsgenerator vorgesehen. Es können auch mehrere Elektrodenpaare zu Gruppen zusammengefaßt werden, wobei jede Gruppe dann von einem separaten Hochspannungsimpulsgenerator gespeist wird.

In Abwandlung der oben beschriebenen Ausführungsformen kann selbstverständlich der Thyristor 2¹ gemäß Fig. 2 an die Stelle des Feldeffekttransistors 2 gemäß Fig. 1 treten, und es kann auch beispielsweise die Induktionsspulenanordnung gemäß Fig. 1 bei der Anordnung gemäß Fig. 2 verwendet werden. Die Energiezwischenspeicher- und Übertragervorrichtung kann auch als Transformator ausgebildet sein.

- Leerseite -

Claims

PATE N^:Ta'n W^:Ä'«. T E. '

DR.-ING. W. STUHLMANN - DIPL.-ING. R. WILLERT DR.-ING. P. H. OIDTMANN

AKTEN-NR. 71/30604 4630BOCHUM1. 17.10.1983

PostachlleBfach 1O24BO

Ihr Zeichen BergmtraBe 1B9

Fernruf O234 / B19 57 Telegr. Stuhlmannpatent Telex 82S 361 swop d

Ott ο Junker GmbH, 5107 Simmerath

Hochspannungsimpulsgenerator für einen Niedertemperatur-Plasmagenerator

Patentansprüche

Q/ Hochspannungsimpulsgenerator für einen Niedertemperatur-Plasmagenerator, dessen in einem Reaktionsraum angeordnete (n) Elektrodenanordnung(en) mit Hochspannungsimpulsen gespeist wird (werden), mit einer Spannungsquelle, einer Energiezwischenspeicher- und Übertragervorrichtung mit Primär- und Sekundärseite, und einem gesteuerten Hochgeschwindigkeitsschalter, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle eine Niederspannungs-Gleichstromquelle (1) ist, an deren Ausgang über den Hochgeschwindigkeitsschalter (2, 2¹) die Energiezwischenspeicher- und übertragervorrichtung (4, 5, 4¹, 6, 7) mit ihrer Primärseite angeschlossen ist, und daß die Sekundärseite der Energiezwischenspeicher- und Übertragervorrichtung an die Elektrodenanordnung (en) angeschlossen ist.
2. Hochspannungsimpulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezwischenspeicher- und übertragervorrichtung eine Induktionsspulenanordnung, insbesondere ein Transformator (5) ist.
3. Hochspannungsimpulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezwischenspeicher- und Übertragervorrichtung (4¹) aus einer Induktivität (6) und einer Kapazität (7) besteht.
4. Hochspannungsimpulsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochgeschwindigkeitsschalter (2, 2") von einer Frequenzsignalquelle (3), insbesondere von einer veränderlichen Frequenzsignalquelle gesteuert wird.
5. Hochspannungsimpulsgenerator nach einem der An-Sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochgeschwindigkeitsschalter ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor (2) oder ein "Thyristor (2¹), insbesondere ein GTO-Thyristor ist.
6. Hochspannungsimpulsgenerator nach einem der An-Sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Plasmagenerator mit mehreren im Reaktionsraum angeordneten Elektrodenpaaren für verschiedene Elektrodenpaare oder zumindest für verschiedene Elektrodenpaargruppen separate Energiezwischenspeicher- und übertragervorrichtungen mit jeweiligen Hochgeschwindigkeitsschaltern vorgesehen sind.
7. Hochspannungsimpulsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Energiezwischenspeicher- und Übertragervorrichtung eingespeiste Energiemenge und somit die Größe der Hochspannungsimpulse einstellbar ist.