DE69725728T2

DE69725728T2 - Schaltung zur erzeugung an eine lastschaltung anzulegender hochspannungs-stromimpulse sowie betriebsverfahren dazu

Info

Publication number: DE69725728T2
Application number: DE69725728T
Authority: DE
Inventors: Christophe Le Campion
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1996-08-08
Filing date: 1997-08-07
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2017-08-08
Also published as: FR2752344A1; CA2262985A1; FR2752344B1; US6140847A; DE69725728D1; EP0917762A1; WO1998007235A1; EP0917762B1; TW382112B; JP2001501387A

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Erzeugung an eine Lastschaltung und insbesondere an eine kapazitive Lastschaltung anzulegender Hochspannungs-Stromimpulsen. Sie betrifft auch das Betriebsverfahren dieser Schaltung.
Die Erfindung findet Anwendungen bei den Techniken des multiplen Transfers von Impulsen, die mehrere Kilovolt betragen und unterschiedlich lang sein können und die mit variablen – eventuell sehr kurzen – Intervallen aufeinander folgen.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet des multiplen Transfers von Impulsen werden die Impulse im Allgemeinen durch einen Stromgenerator erzeugt, der durch einen Schalter mit der Ableitungsschaltung, oder Lastschaltung, verbunden werden kann, der nach Belieben geschlossen oder geöffnet wird. Dieser Schalter kann ein Transistor sein. Mehrere in Reihe geschaltete Schalter können den einzigen Schalter ersetzen, wenn die Spannung an den Anschlüssen der Ableitungsschaltung es erfordert. Ein Kondensator wird hinzugefügt, um die nötige Energie zu speichern: er ist zwischen der Ableitungsschaltung und dem Spannungsgenerator geschaltet. Dieser Kondensator lädt sich auf, wenn der Schalter geöffnet wird, und entlädt sich in die Ableitungsschaltung, wenn der Schalter sich schließt. Man beobachtet dann in der Ableitungsschaltung einen ausreichend schnellen Spannungsanstieg, aber nur, wenn der vorangehende Impuls seit einiger Zeit beendet ist.
Nun ist es oft nötig, passende Impulse zu erzeugen, das heißt mit sehr kurzen Anstieg- und Abfallzeiten, unmittelbar nach dem Ende eines vorangehenden Impulses.
Das Dokument US-A-3 910 679 beschreibt ein Hochgeschwindigkeits-Selektionssystem eines aus einem Impulszug stammenden Impulses, erzeugt von einer monochromatischen Strahlungsquelle. Dieses System umfasst zwei symmetrische Versorgungsschaltungen und eine einzige, beiden Schaltungen gemeinsame Versorgung. Diese Versorgungsschaltungen sind beide fähig, eine Pockels-Zelle zu laden, und werden beide durch einen Schalter gesteuert, der mit Hilfe einer Serie von Transistoren realisiert wird. Diese Schalter schließen sich mit einer Verzögerung des einen in Bezug auf den anderen.
Ein solches System ermöglicht jedoch nicht, die Verluste zwischen zwei Umschaltverzögerungen aufzuholen.
Das Dokument US-A-4 615 588 beschreibt eine andere Schaltung zu Erzeugung von Hochspannungsimpulsen.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung hat die Aufgabe, die Nachteile der oben beschriebenen Technik zu beseitigen.
Zu diesem Zweck schlägt sie eine Impulserzeugungsschaltung nach Anspruch 1 vor, die zwei Hochspannungsversorgungsschaltungen umfasst, von denen jede einen Strom in eine selbe Lastschaltung liefert, aber zu zwei verschiedenen Zeitpunkten. Diese Schaltung ermöglicht, Impulse mit rechtwinkligen Anstiegs- und Abfallflanken zu erzeugen, deren Dauer kontrollierbar ist.
Noch genauer betrifft die Erfindung eine Schaltung zur Erzeugung von Hochspannungsstromimpulsen mit einer ersten Versorgungsschaltung, die einen ersten Strom in eine Lastschaltung liefert und einen ersten Kondensator, einen ersten mit einen Anschluss des ersten Kondenstors verbundenen Schalter und einen ersten, ebenfalls mit diesem Anschluss des ersten Kondensators verbundenen Spannungsgenerator umfasst. Diese Impulserzeugungsschaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zweite Versorgungsschaltung umfasst, die einen zweiten Strom in eine Lastschaltung liefert und einen zweiten Kondensator, einen zweiten mit einen Anschluss des zweiten Kondenstors verbundenen Schalter und einen zweiten, ebenfalls mit diesem Anschluss des zweiten Kondensators verbundenen Spannungsgenerator umfasst.
Nach einer Realisierungsart der Erfindung umfasst die Lastschaltung zwei kapazitive Lasten, die jeweils mit der ersten Versorgungsschaltung und mit der zweiten Versorgungsschaltung verbunden sind und eine doppelte Pockets-Zelle bilden.
Nach einer anderen Realisierungsart der Erfindung umfasst die Lastschaltung eine kapazitive Last, die mit einem ersten Anschluss mit der ersten Versorgungsschaltung verbunden ist und mit einem zweiten Anschluss mit der zweiten Versorgungsschaltung, so dass sie eine einfache Pockels-Zelle bildet.
Die Erfindung betrifft auch ein Betriebsverfahren dieser Schaltung zur Erzeugung von Hochspannungs-Stromimpulsen, das darin besteht, den zweiten Schalter zu schließen, nachdem der erste Schalter geschlossen wurde, wobei die Zeitdauer zwischen dem Schließen des ersten und des zweiten Schalters einstellbar ist.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die 1 zeigt eine erste Realisierungsart der erfindungsgemäßen Impulserzeugungsschaltung;
die 2 zeigt eine zweite Realisierungsart der erfindungsgemäßen Impulserzeugungsschaltung;
die 3A und 3B zeigen die Schaltung der 1 im Betrieb, das heißt jeweils dann, wenn der erste Schalter geschlossen ist und wenn der zweite Schalter geschlossen ist;
die 4 zeigt die Zeitdiagramme von verschiedenen Spannungen der Schaltung der 1, wenn diese in Betrieb ist.
Darstellung von Realisierungsarten
Die 1 zeigt die Impulserzeugungsschaltung nach der ersten Realisierungsart der Erfindung.
Die Schaltung umfasst eine mit 1 bezeichnete erste Hochspannungs-Versorgungsschaltung mit kapazitiver Speicherung, die einen Strom I_Von in die Lastschaltung 17 liefert.
Die Versorgungsschaltung 1 präsentiert sich in Form einer Ableitung zwischen den Verbindungspunkten A und der Masse. Diese Ableitung umfasst nacheinander einen ersten Kondensator 3 und einen Verbindungspunkt A', an den einerseits ein erster Spannungskondensator 7 und andererseits ein erster Schalter 5 angeschlossen sind. Außerdem befindet sich zwischen dem Verbindungspunkt A' und dem ersten Spannungsgenerator 7 ein Widerstand 9, der eine Begrenzung des Stroms des Generators sicherstellt.
Der erste Schalter 5 wird durch einen Steuerschaltkreis 11 betätigt. Es ist dieser Steuerschaltkreis 11, der für das Öffnen und Schließen des Schalters 5 und folglich für das Fließen des Stroms aus der Versorgungsschaltung 1 in die Lastschaltung 17 sorgt, wie dies weiter unten detaillierter beschrieben wird.
Eine zweite Ableitung zwischen dem Verbindungspunkt A und der Masse umfasst einen Widerstand 13, der die Entladung der Kondensatoren des Generators sicherstellt.
Die Versorgungsschaltung 1 ist also an den Verbindungspunkt A angeschlossen, an den auch die Lastschaltung 17 angeschlossen ist.
Symmetrisch in Bezug auf die Lastschaltung 17 sieht man in 1 eine mit 2 bezeichnete zweite Hochspannungs-Versorgungsschaltung mit kapazitiver Speicherung.
Diese zweite Versorgungsschaltung 2 ist vollkommen symmetrisch zur Versorgungsschaltung 1 aufgebaut. Sie präsentiert sich in Form einer Ableitung zwischen den Verbindungspunkten B und der Masse. Diese Ableitung umfasst nacheinander einen zweiten Kondensator 4 und einen Verbindungspunkt B', an den einerseits ein zweiter Spannungskondensator 8, dem ein Strombegrenzungswiderstand 10 des Generators vorausgeht, und andererseits ein zweiter Schalter 6, gesteuert durch den Steuerschaltkreis 12, angeschlossen sind.
Symmetrisch zu dem an dem Verbindungspunkt A angeschlossenen Widerstand 13 ist ein Widerstand 14 als Ableitung zwischen dem Verbindungspunkt B und der Masse angeschlossen. Dieser Wiederstand 14 hat für die Versorgungsschaltung 2 dieselbe Aufgabe wie der Widerstand 13 für die Versorgungsschaltung 1.
Es ist also jede der Versorgungsschaltungen 1 und 2 symmetrisch an einen Zweig der Lastschaltung 17 angeschlossen.
Wie man in der Folge sehen wird, liefert die zweite Versorgungsschaltung 2 einen Strom I_Voff in die Lastschaltung 17, und dies eine bestimmte Zeit nachdem die Versorgungsschaltung 1 ihren Strom I_Von geliefert hat.
Nach der in der 1 dargestellten Realisierungsart wird die Lastschaltung 17 durch eine doppelte Pockels-Zelle gebildet. Diese Pockels-Zelle umfasst zwei kapazitive Lasten 15 und 16, beide in einem gemeinsamen Punkt C an die Masse angeschlossen.
Wie man in der Folge besser verstehen wird, ermöglicht diese Impulserzeugungsschaltung mit zwei Versorgungsschaltungen, von denen jede an eine selbe Lastschaltung angeschlossen ist, das Erzeugen von Impulsen mit sehr kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten, was sich graphisch durch rechtwinklige Anstiegs- und Abfallflanken ausdrückt. Außerdem ermöglicht eine solche Schaltung, die Breite der erzeugten Impulse einzustellen, indem man das Zeitintervall zwischen dem Umschalten des Schalters 5 und dem des Schalters 6 modifiziert.
In der 2 ist die einer zweiten Realisierungsart der Erfindung entsprechende Impulserzeugungsschaltung dargestellt.
Wie bei der Realisierungsart der 1 umfasst diese Schaltung eine erste und eine zweite Versorgungsschaltung 1 und 2, identisch mit den oben beschriebenen. Sie werden folglich nicht nochmals beschrieben.
Diese beiden Versorgungsschaltungen 1 und 2 sind beide mit einer Lastschaltung 19 verbunden, die aus einer einfachen Pockels-Zelle besteht. Diese umfasst eine einzige kapazitive Last 18.
Die Schaltung der 2 funktioniert ähnlich wie die der 1. Nur die Anstiegs- und Abfallzeiten der Impulse sind etwas weniger schnell als bei einer mit einer doppelten Pockels-Zelle ausgestatteten Schaltung, sind aber noch immer schnell genug, um rechteckige Impulse zu erhalten.
In den 3A und 3B ist die Schaltung der 1 während des Betriebs dargestellt.
Noch genauer zeigt die 3A den Zustand der Schaltung, wenn der Schalter 5 geschlossen ist, aber der Schalter 6 offen ist.
Präzisiert sei vor allem, dass im Anfangszustand der Kondensator 3 geladen ist, da der Spannungsgenerator 7 ihn durch die resistiven Elemente 9 und 13 hindurch wieder aufgeladen hat, als der Schalter 5 geöffnet war (das heißt wenn die Schaltung in dem in der 1 gezeigten Anfangszustand ist).
Anschließend, zum gewünschten Zeitpunkt, wird durch den Steuerschaltkreis 11 ein Steuerimpuls V_on erzeugt, um das Schließen des Schalters 5 zu bewirken, was ermöglicht, die in dem Kondensator 3 gespeicherte Energie in Richtung Verbindungspunkt A freizugeben. In dem Verbindungspunkt A herrscht dann während einer sehr kurzen Zeitdauer eine Spannung V_A.
Wenn der Schalter 5 geschaltet wird, funktioniert die Impulserzeugungsschaltung wie dargestellt in der 3A. Ein Strom I_Von fließt in der Schleife 21 in der durch die Pfeile angezeigten Richtung.
Während dieser Zeit erzeugt der zweite Spannungsgenerator 8 eine Spannung, die ermöglicht, den zweiten Kondensator 4 durch die resistiven Elemente 10 und 14 hindurch wieder aufzuladen.
Nach einer bestimmten Zeit, verschoben in Bezug auf den Zeitpunkt des Impules V_on, liefert der Steuerungsschaltkreis 12 einen Steuerimpuls V_off, um den Schalter 6 zu schließen, was ermöglicht, die in dem Kondensator 4 gespeicherte Energie in Richtung Verbindungspunkt B freizugeben. In dem Verbindungspunkt B herrscht dann während einer sehr kurzen Zeitdauer eine Spannung V_A.
Wenn der Schalter 6 geschlossen ist, funktioniert die Impulserzeugungsschaltung wie dargestellt in der 3B. Ein Strom I_Voff fließt in der Schleife 20 in der durch die Pfeile in der 3B angezeigten Richtung.
Die 4 zeigt das Zeitdiagramm der Spannungen der Impulserzeugungsschaltung der 1, 3A und 3B.
Noch genauer zeigt der Kanal A der 4 den Impuls V_on, gesendet durch den Steuerschaltkreis 11, um den Schalter 5 temporär zu schließen. Wie dieser Kanal A zeigt, schließt sich der Schalter zum Zeitpunkt t1 und öffnet sich zum Zeitpunkt t3. Während des Zeitintervalls t3 – t1 wird der in dem Kondensator 3 gespeicherte Strom I_Von freigegeben in Richtung Pockels-Zelle 17.
Diese Spannung V_on sowie die Spannungen V_off, V_A und V_B betragen ungefähr 20 Volt.
Der Kanal B zeigt den zum Zeitpunkt t2 durch den Steuerschaltkreis 11 gesendeten Impuls V_off, um den Schalter 6 temporär zu schließen. Zum Zeitpunkt t3 öffnet sich der Schalter 6. Während des Zeitintervalls t3 – t2 wird der in dem Kondensator 4 gespeicherte Strom freigegeben in Richtung Pockels-Zelle 17.
Der Kanal C der 4 zeigt die Spannung V_A, gemessen in dem Verbindungspunkt A ab dem Zeitpunkt t1. Diese Spannung V_A ist negativ. Sie erscheint sehr schnell zum Zeitpunkt t1 und präsentiert eine rechtwinklige Abfallflanke, während die Anstiegsflanke ab dem Zeitpunkt t3 viel langsamer ist.
Der Kanal D der 4 zeigt die Spannung V_B, gemessen in dem Verbindungspunkt B ab dem Zeitpunkt t2. Diese Spannung V_B ist negativ und erscheint sehr schnell zum Zeitpunkt t2. Sie präsentiert also eine rechtwinklige Abfallflanke, während die Anstiegsflanke ab dem Zeitpunkt t3 viel langsamer ist.
In dem Kanal E der 4 ist der Impuls V_A – V_B dargestellt, erzeugt aus den Spannungen V_A und V_B. Wie man in dieser Figur sieht, hat der Impuls V_A – V_B eine rechtwinklige ansteigende Flanke und eine rechtwinklige abfallende Flanke, was bedeutet, dass er eine sehr schnelle Anstiegszeit und eine sehr schnelle Abfallzeit hat.
Außerdem kann der Impuls der Zeit t1 – t2 nach Bedarf modifiziert werden, indem man den Zeitpunkt t2 in Bezug auf t1 verschiebt, das heißt indem man den Zeitpunkt verschiebt, wo die Steuerschaltung 12 den Impuls sendet, der dazu bestimmt ist, den Schalter 6 zu schalten.
Diese Schaltung ermöglicht also, schnell – zu relativ niedrigen Kosten – Spannungen mit hohen Werten zu liefern, da diese Schaltung durch zwei identische Impulserzeugungsschaltungen gebildet wird.

Claims

Erzeugungsschaltung von Hochspannungs-Stromimpulsen, anzulegen an eine Lastschaltung (17, 19), angeschlossen zwischen zwei Punkten A und B, wobei die Erzeugungsschaltung umfasst: – eine erste, einen ersten Strom (I_Von) in die Lastschaltung (17, 19) liefernde Versorgungsschaltung (1), mit einem ersten Kondensator (3), angeschlossen zwischen einem Punkt A und einem Punkt A', einem ersten Schalter (5), in dem Punkt A' an den ersten Kondensator (3) angeschlossen, und einem ersten Spannungsgenerator (7), durch einen Widerstand (9) hindurch in dem Punkt A' an den ersten Kondensator (3) angeschlossen, bei der das Schließen des ersten Schalters (3) ermöglicht, den ersten Strom (I_Von) in die Lastschaltung (17, 19) fließen zu lassen, – eine zweite, einen zweiten Strom (I_Voff) in die Lastschaltung (17, 19) liefernde Versorgungsschaltung (2), mit einem zweiten Kondensator (4), angeschlossen zwischen einem Punkt B und einem Punkt B', und einem zweiten Schalter (6), in dem Punkt B' an den zweiten Kondensator (4) angeschlossen, bei der das Schließen des zweiten Schalters (6) ermöglicht, den zweiten Strom (I_Voff) in die Lastschaltung (17, 19) fließen zu lassen, wobei die Erzeugungsschaltung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen zweiten Spannungsgenerator (8) umfasst, der durch einen Widerstand (10) hindurch in dem Punkt B' an den zweiten Kondensator (4) angeschlossen ist, und dadurch, dass die Lastschaltung aus einer einfachen kapazitiven Last besteht, eine einfache Pockels-Zelle bildend, wobei die Punkte A und B mit dieser Zelle verbunden sind, oder aus einer doppelten kapazitiven Last, eine doppelte Pockels-Zelle bildend, aus zwei elektrisch in Serie geschalteten einfachen Pockels-Zellen bestehend und zusammengeschaltet in einem Punkt C, und dadurch, dass der erste und der zweite Schalter sukzessive ausgelöst bzw. geschaltet werden, mit einer regelulierbaren gegenseitigen Verzögerung.