DE69730780T2

DE69730780T2 - Impulsversorgungseinrichtung mit einem Netz von Spulen

Info

Publication number: DE69730780T2
Application number: DE69730780T
Authority: DE
Inventors: Daniel Chatroux; Jean-Marc Les J du Soleil Rosoli
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1996-06-17
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2017-06-14
Also published as: DE69730780D1; EP0814563A1; EP0814563B1; FR2749989B1; FR2749989A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Impulsversorgung einer elektrischen Last.
Eine solche Vorrichtung kann insbesondere zur elektrischen Versorgung eines Kupferdampflasers oder eines Kupferhalogenid-Lasers wie etwa eines CuBr-Lasers benutzt werden.
Die Erfindung findet noch allgemeiner Anwendungen bei allen elektrischen Versorgungen, die sehr kurze Impulse mit hoher Stromstärke liefern müssen, das heißt zum Beispiel mit einer Dauer unter 100 ns und Spitzenwerten von einigen tausend Ampères.
Stand der Technik
Die 1 der beigefügten Zeichnungen zeigt einen Schaltplan einer Impulsversorgung bekannten Typs.
Die Versorgung umfasst eine Energiequelle 110 und einen Kondensator 112, Akkumulationskondensator genannt und eingeschaltet in einen mit 114 bezeichneten Lastkreis. Der Lastkreis umfasst in Serie außer der Energiequelle 110 und dem Kondensator 112 eine Lastspule 116, eine Lastdiode 118, eine Sättigungsinduktivitätsspule 120 und die zu versorgende elektrische Last 122. Die elektrische Last 122 wird in dem Beispiel der 1 gebildet durch einen Kondensator 124 für die Spitzen (peaking) einer Spule 126, Ionisierungsspule genannt, und eine Laserröhre 128.
Ein Kreis bzw. eine Schaltung zur Entladung des Akkumulationskondensators 112 in die elektrische Last 122 umfasst – in Reihe mit diesen Elementen – die Sättigungsinduktivitätsspule 120 und ein Thyratron 130. Der Entladekreis bzw. die Entladeschaltung trägt das Bezugszeichen 132.
In einer ersten Betriebsphase befindet sich das Thyratron 130 in einem nichtleitenden Zustand. Der Akkumulationskondensator 112 wird durch einen von der Energiequelle 110 gelieferten und die Lastschaltung 114 durchquerenden schwachen Strom langsam aufgeladen. Der Ladestrom durchquert die Diode 118 in ihrer Durchlassrichtung.
In einer zweiten, sehr kurzen Betriebsphase wird das Thyratron 130, das als ein steuerbarer Schalter benutzt wird, leitend gemacht, um einen Stromimpuls auszulösen. Die in dem Kondensator 112 gespeicherten Ladungen werden dann schnell in Richtung elektrische Last 122 und noch genauer in Richtung Spitzenkondensator 124 übertragen.
Der dann in der Entladeschaltung 132 fließende Strom ist von hoher Intensität.
Das Thyratron 130, das die Fähigkeit hat, schnell von einem nicht-leitenden Zustand in einen leitenden Zustand überzugehen, wird benutzt, um die Entladestromimpulse auszulösen. Jedoch zeigt die Erfahrung, dass bei einem Betrieb mit sehr kurzen Stromimpulsen von großer Amplitude das Thyratron eine kurze Lebensdauer hat.
Um das Thyratron zu entlasten, kann ihm ein magnetischer Schalter zugeordnet werden, der die Funktion einer Schalthilfe hat. Unter magnetischem Schalter versteht man ein elektrisches Bauteil, dessen Selbstinduktivität zwischen einem gesättigten und einem ungesättigten Zustand innerhalb großer Proportionen variieren kann.
In dem Schaltplan der 1 wird der magnetische Schalter durch die Sättigungsinduktivitätsspule 120 gebildet. Der Scheinwiderstand, den diese Spule aufweist, kann zwischen ihrem gesättigten Faktor und ihrem ungesättigten Faktor um einen Faktor 100 variieren. Eine solche Spule verhält sich wie ein Schalter.
Wenn der Thyristor 130 plötzlich in den leitenden Zustand übergeht, wird die Spannung an seinen Anschlüssen null, was sich gewissermaßen auf die Anschlüsse der Spule 120 überträgt. Ab diesem Zeitpunkt ist die Spule 120 zunächst in einem ungesättigten Zustand und lässt quasi keinen Entladestrom passieren. Dann geht die Spule in einen Sättigungszustand über, in dem sie einen großen Strom des Akkumulationsgenerators 112 in Richtung Last 122 durchlässt. Der Übergang zwischen dem ungesättigten Zustand und dem gesättigten Zustand ist sehr kurz. Diese Charakteristik sowie die Dauer, während der die Spule im. ungesättigten Zustand ist, sind anpassbar durch physikalische Herstellungsparameter der Spule.
Dem Thyratron eine solche Hilfe zuzuordnen, ist sicher eine Verbesserung, die aber nicht genügt, um der Vorrichtung eine ausreichende Zuverlässigkeit für industrielle Anwendungen zu verleihen.
Wegen solcher Zuverlässigkeitsmängel werden Ersatzbauteile vorgeschlagen, um das Tyhratron zu ersetzen.
Unter diesen Bauteilen kann man den Thyristor nennen, der leicht Ströme von hoher Intensität aushält.
Der Thyristor hat jedoch den Nachteil einer sich nur langsam aufbauenden Leitfähigkeit. Nachdem er sich in einem nichtleitenden (gesperrten) Zustand befunden hat, wird er nur nach einer relativ langen Zeit leitend. Die Leitfähigkeit beginnt um das Gate herum, und breitet sich dann langsam aus. Der Thyristor ist also nicht angepasst an eine Verwendung in einer Vorrichtung mit kurzen Impulsen: bei Impulsen in der Größenordnung von 1 μs leitet nur der das Gate des Thystors umgebende Halbleiterteil. Außerdem sind die Thyristoren nicht mittels Sperrung steuerbar.
Eine andere vorgeschlagene Lösung zur Realisierung des steuerbaren Schalters der Impulsversorgung ist die Verwendung von bipolaren Transistoren mit isoliertem Gate des Typs IGBT. Bei diesen Transistoren sind das Leitfähigmachen und das Sperren leicht steuerbar. Zu diesem Thema kann man das Dokument (1) konsultieren, dessen Referenzen am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben sind.
Jedoch ermöglichen auch die IGBT-Transistoren wie die Thyristoren keine kurzen Impulse unter einer Mikrosekunde.
Um diese Bauteile also in der Impulsversorgungsvorrichtung verwenden zu können, muss diese mit mehreren Kompressionsstufen ausgestattet sein. Eine solche Lösung für Kupferdampflaser mit Leistungen von 200 W und 400 W ist beschrieben in den Dokumenten (2) und (3), deren Referenzen ebenfalls am Ende der Beschreibung angegeben sind.
Die 2 der beigefügten Zeichnungen zeigt ein Grundschaltbild einer Zweistufen-Kompressionsschaltung in einer Impulsversorgung eines Lasers.
In der Folge der Beschreibung tragen identische oder ähnliche Teile der verschiedenen Figuren dieselben Bezugszeichen, ausgenommen die Zahl der Hunderterstelle dieser Bezugszeichen, die immer der Nummer der jeweiligen Figur entspricht.
Die 2 entspricht der Entladekreis bzw. die Entladeschaltung 232 einer Impulsversorgung, die wie im Falle der 1 einen steuerbaren Schalter 230 umfasst, zum Beispiel einen IGBT-Transistor und einen Akkumulationskondensator 212. Aus Gründen der Vereinfachung ist die Ladeschaltung des Akkumulationskondensators 212 in der 2 nicht dargestellt. Die Entladeschaltung 232 ist mit einer elektrischen Last 222 in Form eines Lasers verbunden. Die Entladeschaltung umfasst außerdem zwei Zwischenkondensatoren 240 und 242 und zwei magnetische Schalter 246, 248, die mit den Kondensatoren 240 und 242 Kompressionsstufen der Impulse bilden. Die magnetischen Schalter 246, und 248 präsentieren sich in Form von Sättigungsinduktivitätsspulen. Außerdem sei angemerkt, dass die Kondensatoren 212, 240 und 242 im Wesentlichen gleiche Kapazitäten haben.
Festzustellen ist, dass das US-Patent 4,607,619 eine Schaltung mit einem Sättigungsinduktivitätsschalter beschreibt, der nach dem gleichen Prinzip wie der in Verbindung mit der 2 für einen Zweistufenschalter beschriebene funktioniert. Der in der 1 dieses Patents dargestellte Schaltplan dieses Schalters umfasst einfach eine zusätzliche Stufe mit einer Sättigungsinduktivität, die in Serie mit den beiden Sättigungsinduktivitäten 246 und 248 verbunden ist, dargestellt in der 2, und einen zusätzlichen Kondensator, angeschlossen zwischen der zusätzlichen Induktivität und dem Schalter 230, in derselben Art wie die Kondensatoren U40 und U42.
In der 2 der vorliegenden Erfindung ist ein erster Anschluss des Akkumulationskondensators 121 über eine Spule 220 mit einem ersten Knotenpunkt 250 verbunden. Der erste Knotenpunkt 250 ist über den ersten magnetischen Schalter 246 mit einem zweiten Knotenpunkt 252 verbunden, und der zweite Knotenpunkt 252 ist über den zweiten magnetischen Schalter 248 mit der Last 222 verbunden. Die Knotenpunkte 250 und 252 sind außerdem mit einem zweiten Anschluss des Akkumulationskondensators 212 verbunden, jeweils durch die Zwischenkondensatoren 240 und 242 und durch den steuerbaren Schalter 230.
Die 3 der beigefügten Zeichnungen dient der Erläuterung der Funktionsweise des Entladekreises bzw. der Entladeschaltung. Es handelt sich um ein Diagramm, das als Funktion der Zeit – und in arbiträrem Maßstab – die Spannungen U₁₂, U₄₀ und U₄₂ an den Anschlüssen der Kondensatoren 212, 240 und 242 darstellt sowie die Ströme I₂₀, I₄₆ und I₄₈, welche die Spulen 220, 246 und 248 in Richtung der elektrischen Last 222 durchqueren.
In der 3 fällt der Zeitnullpunkt zusammen mit dem Schließen des Schalters 230. Ab diesem Zeitpunkt entlädt sich der Kondensator 212 durch die Spule 220 in den Kondensator 240. Die Spannung U₁₂ fällt von einem Wert U₀ entsprechend der Kurve 301 und in der Zeit t₁ auf den Wert 0.
Gleichzeitig, wie die Kurve 302 zeigt, steigt die Spannung U₄₀, um am Ende der Zeit t₁ den Wert U₀ zu erreichen.
Die Spule 246 ist so konzipiert, dass ihre Induktivität nach der Zeit t₁ gesättigt ist. Der Kondensator 240 entlädt sich dann in den Kondensator 242 während einer Zeit t₂. Die Spannungen U₄₀ und U₄₂ an den Anschlüssen der Kondensatoren 240 und 242, wiedergegeben durch die Kurven 302 und 303, entwickeln sich sinusförmig.
Die Spannung U₄₀ fällt bis auf den Wert 0 und die Spannung U₄₂ nimmt zu bis zu ungefähr dem Wert U₀.
Schließlich ist die Spule 248 so konzipiert, dass ihre Induktivität nach der Zeit t₁ + t₂ gesättigt ist. Der Kondensator 242 entlädt sich dann während der Zeit t₃ in die elektrische Last 222. Während der Zeit t₃ fällt die Spannung U₄₂ an den Anschlüssen des Kondensators 242 von dem Wert U₀ auf einen Wert, der im Wesentlichen null ist (Kurve 303).
Die Zeiten t₁, t₂ und t₃ sind jeweils gleich
und
wo L₂₀, L₄₆, L₄₈ und C jeweils die Sättigungswerte der Induktivitäten 220, 246 und 248 und die Kapazität der Kondensatoren sind.
Die Kurven 304, 305 und 306 geben die Ströme I₂₀, I₄₆ und I₄₈ wieder, welche die Spulen 220, 246 und 248 während der Zeiten t₁, t₂ und t₃ durchqueren. Es scheint einerseits, dass der durch die Entladeströme erreichte Wert, jeweils I₁, I₂ und I₃ während der Zeiten t₁, t₂ und t₃ von einer Stufe der Entladeschaltung zur nächsten Stufe stark ansteigt. Außerdem sind die Zeiten t₁, t₂ und t₃ so, dass t₃ < t₂ < t₁. Derart bildet man immer kürzere aber auch immer stärkere Stromimpulse.
Die für die aufeinanderfolgenden Stufen der Entladeschaltung verwendeten magnetischen Schalter müssen folglich einem großen Strommessbereich entsprechen. Die magnetischen Schalter müssen auch einen möglichst kleinen Induktivitätswert im gesättigten Zustand aufweisen, um sehr kurze Impulse zu erhalten.
Weitere Beschränkungen bzw. Grenzwertbedingungen, wie zum Beispiel die Erhitzung des den Kern der Spulen der Schalter bildenden magnetischen Materials, müssen auch berücksichtigt werden.
Die Laser des Typs Kupferdampf und Halogenid (CuBr, CuHBr) erfordern Versorgungen, die in einem Wiederholungs- bzw. Impulsfolgefrequenzbereich von 5 bis 20 kHz arbeiten. Nun nehmen die Verluste in den magnetischen Schaltern mit der Frequenz zu und die Erwärmung der Ferrite der Spulen ist groß.
Um die Abkühlung des magnetischen Materials zu erleichtern, verwendet man üblicherweise Spulen mit Ringkern, wobei der Ring einen großen Durchmesser – zum Beispiel in der Größenordnung von 200 mm – und einen kleinen Querschnitt hat.
Die oben erwähnten Impulsversorgungen arbeiten oft mit hohen Spannungen. Diese Spannungen können in bestimmten Fällen Werte von 25 kV bis 100 kV erreichen. Also müssen die die Wicklung bildenden leitfähigen Drähte durch Mäntel isoliert werden und/oder müssen so angeordnet werden, dass sie ausreichend weit voneinander entfernt sind. Die Leiter müssen auch gut gegenüber den die Kerne bildenden Ferrite isoliert sein, wenn sie aus einem wenig resistiven Material sind.
Die Dokumente (4), (5) und (6), deren Referenzen am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben sind, liefern Realisierungsbeispiele für magnetische Schalter. Es handelt sich zum Beispiel um große Ringe mit einer Wicklung aus steifen Drähten oder anderen koaxialen oder plattenförmigen Sättigungsinduktivitätselementen.
Die magnetischen Schalter, die den oben genannten Bedingungen entsprechen, sind oft voluminös und sehr teuer. Zudem ist es schwierig, ihre Charakteristika denen einer Aufladungsschaltung und einer elektrischen Last anzupassen.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einen kostengünstigen magnetischen Schalter vorzuschlagen, der eine leichte Anpassung an die oben beschriebenen Charakteristiken und Beschränkungen einer Impulsversorgung ermöglicht.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht auch darin, einen magnetischen Schalter für eine Impulsversorgung vorzuschlagen, der eine sehr gute Spannungsfestigkeit hat, mit reduzierten Isolationsmitteln.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist ein magnetischer Schalter, der in sehr kurzen Zeiten starke Ströme schalten kann.
Noch eine Aufgabe der Erfindung ist ein magnetischer Schalter, der in Impulsversorgungen mit hoher Wiederholungs- bzw. Impulsfolgefrequenz eingesetzt werden kann und dessen Kühlung keine teure Einrichtung erfordert.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung hat eine Vorrichtung zur Impulsversorgung einer elektrischen Last zum Gegenstand, die eine Schaltung zur Aufladung wenigstens eines Akkumulationskondensator genannten Kondensators und wenigstens eine Schaltung zur Entladung des Akkumulationskondensators in die elektrische Last umfasst, wobei der Entladekreis bzw. die Entladeschaltung wenigstens einen magnetischen Schalter umfasst. Um diese Vorrichtung erfindungsgemäß zu realisieren, umfasst der magnetische Schalter eine Vielzahl von Sättigungsinduktivitätsspulen, verteilt auf eine Vielzahl seriengeschalteter Spulengruppen und eine Vielzahl parallelgeschalteter Spulengruppen, so dass jede einzelne Spule zugleich zu einer einzigen seriengeschalteten Spulengruppe und zu einer einzigen parallelgeschalteten Spulengruppe gehört.
Entsprechend einer speziellen Anordnung der Sättigungsinduktivitätsspulen können diese gemäß Spulen-Zeilen und Spulen-Spalten angeordnet sein, wobei jede Spule einer Zeile parallelgeschaltet ist mit jeder anderen Spule der genannten Zeile, und jede Spule einer Spalte seriengeschaltet ist mit jeder anderen Spule der genannten Spalte.
Die Spulenzeilen und -spalten entsprechen in diesem Fall jeweils den parallelgeschalteten Spulengruppen und den seriengeschalteten Spulengruppen.
Da in dem Netzwerk eine bestimmte Anzahl Spulen seriengeschaltet sind, wird die Spannung, der jede einzelne Spule ausgesetzt ist, reduziert aufgrund der Verteilung der Gesamtspannung auf alle seriengeschalteten Spulen.
Wenn die Spulen mit einem Kern aus einem magnetischen Material wie zum Beispiel einem Ferrit auf Mangan- oder Nickelbasis oder einem anderen, ausreichend resitiven Material ausgestattet sind, ist es auch möglich, die Leiter der Spule direkt auf den Kern zu wickeln, ohne weitere Isolatoren.
Da also die elektrischen Isolationsmittel reduziert werden, ist es möglich, Spulen mit kleinen Dimensionen zu verwenden, die im Handel leicht erhältlich sind und wenig kosten. Die Vervielfachung der Anzahl der Spulen in einem erfindungsgemäßen Netzwerk erleichtert auch die Kühlung dieser Bauteile. Insbesondere kann eine Luftkühlung der Bauteile vorgesehen werden, was bei den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht ausreicht.
Zudem können die elektrischen und physikalischen Charakteristiken des Spulennetzwerks mit einer guten Genauigkeit angepasst werden, indem man jeweils die Anzahl der seriengeschalteten Spulen und der parallelgeschalteten Spulen in dem Netzwerk variiert. Auch dies ist sehr vorteilhaft gegenüber den magnetischen Schaltern nach dem Stand der Technik. Die Modifizierung der Charakteristiken der üblichen magnetischen Schalter erfordert nämlich eine Anpassung ihrer geometrischen Form oder ihrer Dimensionen.
Nach einem anderen speziellen Aspekt der Erfindung können Spulen eine elektrische Wicklung um einen Ringkern aus magnetischem Material umfassen. Die Wicklung kann aus einem einzigen elektrisch leitfähigen Draht bestehen, umfasst aber vorzugsweise eine Vielzahl von parallel angeschlossenen Drähten, um den Strom um den durch den Kern erzeugten Magnetkreis herum besser zu verteilen.
Das erfindungsgemäße Spulennetzwerk kann in einer magnetischen Kompressionsstufe der Impulse einer wie oben beschriebenen Impulsversorgung verwendet werden. Es kann auch als eine Hilfe bei der Umschaltung eines steuerbaren Schalters der Versorgung verwendet werden.
Zum Beispiel – bei einer speziellen Ausführung der Versorgungsvorrichtung – kann diese eine Initialisierungsschaltung der Entladung des Akkumulationskondensators in die elektrische Last umfassen. Diese Schaltung umfasst einen steuerbaren Schalter und einen magnetischen Schalter als Hilfe bei der Umschaltung. Erfindungsgemäß kann dieser magnetische Schalter eine Vielzahl Sättigungsinduktivitätsspulen umfassen, entsprechend einem Serien-Parallelschaltungsnetzwerk.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die sich auf die Figuren der beigefügten, rein erläuternden und nicht einschränkenden Zeichnungen bezieht.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die 1, schon beschrieben, ist ein Schaltplan einer Laser-Impulsversorgung eines bekannten Typs,
die 2, schon beschrieben, ist ein Schaltplan einer Entladeschaltung einer Impulsversorgung eines bekannten Typs, die mehrere magnetische Kompressionsstufen der Impulse umfasst,
die 3, schon beschrieben, ist ein Diagramm, das die an verschiedenen Punkten der Entladeschaltung der 2 gemessenen Ströme und Spannungen zeigt,
die 4 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Spulennetzwerks,
die 5 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels einer einzelnen in dem Netzwerk der 4 verwendeten Spule,
die 6 ist ein Schaltplan einer Impulsversorgung mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Spulennetzwerk, und
die 7A, 7B und 7C sind Diagramme, welche die zeitliche Entwicklung der Spannungen in verschiedenen Punkten der Versorgung der 6 zeigen. Die Spannung ist jeweils auf der Ordinatenachse aufgetragen und die Zeit auf der Abszissenachse.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsarten der Erfindung
Die 4 zeigt ein Netzwerk von Sättigungsinduktivitätsspulen nach der Erfindung. Es handelt sich um ein Netzwerk mit n × m Spulen 401, wo n und m ganze Zahlen sind. Die Spulen sind aus Gründen der Vereinfachung schematisch als Rechtecke dargestellt. In dem dargestellten Beispiel umfasst das Netzwerk n Zeilen und m Spalten, das heißt n Gruppen seriengeschalteter Spulen und m Gruppen parallelgeschalteter Spulen. Die seriengeschalteten Spulengruppen werden als Netzwerkstufen bezeichnet und die parallelgeschalteten Spulengruppen als Netzwerkzweige. Die Spulen tragen kollektiv das Bezugszeichen 401, aber jede einzelne Spule trägt ein Bezugszeichen I. M._i,j, wobei die Variable i einem Zeilenindex entspricht und die Variable j einem Spaltenindex, und i von 1 bis n variiert und j von 1 bis m. Man geht im Übrigen davon aus, dass die Kennwerte der einzelnen Spulen im Wesentlichen gleich sind.
Die Anzahl n seriengeschalteter Spulen in dem Netzwerk ist in Abhängigkeit von der Spannung angepasst, die an die Anschlüsse des Netzwerk angelegt werden kann.
Man geht nämlich davon aus, dass jede Sättigungsinduktivitätsspule gekennzeichnet wird durch ein Produkt aus Spannung mal einer Zeit, die der Spannung entspricht, der die Spule während dieser Zeit ausgesetzt werden kann, ohne in einen gesättigten Zustand überzugehen.
Wenn man Einzelspulen – charakterisiert durch ein Spannungs-Zeit-Produkt V₁·t₁ – verwendet, ist es möglich, wenn man sie in ein Spulennetzwerk nach 4 integriert, zwischen den Anschlüssen des Netzwerks eine Spannung V₂ während einer Zeit t₂ aufrecht zu erhalten, mit V₂·t₂ = n·V₁·t₁, wo n die Anzahl der seriengeschalteten Spulen ist.
Zudem weist jeder seriengeschaltete Spulenzweig eine Induktivität auf, die n mal höher ist als die Induktivität einer einzelnen Spule.
Um die Induktivität des Netzwerks an einen gewünschten Wert anzupassen, der niedriger ist als die Induktivität eines seriengeschalteten Spulenzweigs des Netzwerks, genügt es eine entsprechende Anzahl m parallelgeschalteter Spulenzweige in das Netzwerk zu integrieren.
Wenn das Netzwerk in einer magnetischen Kompressionsstufe verwendet wird, in Verbindung mit einem Kondensator, ist der Kompressionsgrad des Netzwerks derselbe wie der einer einzelnen Spule des Netzwerks, getrennt vom Netzwerk und denselben Bedingungen – als wäre sie in dem Netzwerk – ausgesetzt.
Das Kompressionsverhältnis τ definiert man τ = θ₁/θ₂, wo θ₁ die Dauer ist, während der der magnetische Schalter gesperrt bleibt, während er einer bestimmten Spannung ausgesetzt ist, und θ₂ die Dauer des Stromimpulses ist, der den magnetischen Schalter in einem Sättigungszustand durchquert.
Wenn die Spulen einen Ringkern haben, sind die Kompressionsverhältnisse τ_b einer Einzelspule und τ_r des Netzwerks so, dass τ_b = τ_r = 2NSΔB/π/I, wo N die Anzahl der auf den Kern gewickelten Windungen der Spule ist, S der Querschnitt des Rings ist, ΔB die Veränderung der magnetischen Induktion zwischen dem gesättigten und dem ungesättigten Zustand ist, I die Induktivität einer einzelnen Spule ist und I der sie durchfließende Strom ist. Das Spannungs-Zeit-Produkt V·θ₁ ist so, dass V·θ₁ = 2NnSΔB, wenn n Spulen seriengeschaltet sind.
Ein Spulennetzwerk gemäß 4 kann mit einer standardmäßigen gedruckten Schaltung in Form einer Karte realisiert werden, wie in der 4 gestrichelt und mit dem Bezugszeichen 464 versehen dargestellt.
Die Eingangsverbindungen des Stroms in Richtung Spulen und die Ausgangsverbindungen, in der 4 jeweils mit 460 und 462 bezeichnet, sind vorzugsweise über die gesamte Breite der Karte vorgesehen, um eine homogene Verteilung des Stroms in den verschiedenen parallelen Zweigen des Netzwerks sicherzustellen.
Außerdem sind die Eingänge bzw. die Ausgänge der Spulen jeder Stufe des Netzwerks gegenseitig durch Leiter 466 verbunden. Diese Maßnahme ermöglicht, die Spannungen an den Anschlüssen der verschiedenen Stufen des Netzwerks zu homogenisieren und eventuelle Überschläge zwischen parallelen Spulen zu vermeiden. Ein weiterer Vorteil ist auch ein besseres Gleichgewicht der Ströme in dem Netzwerk, wenn das magnetische Material der Spulen gesättigt ist.
Die 5 zeigt ein Realisierungsbeispiel einer einzelnen Spule, geeignet für den Anschluss in einem Spulennetzwerk.
Diese Spule umfasst eine Vielzahl und vorzugsweise vier leitfähige Drähte 571, 572, 573, 574, die eine Wicklung 577 um einen Ringkern 575 aus magnetischem Material bilden, zum Beispiel einem Ferrit. Die Drähte 571, 572, 573, 574 sind parallel verbunden bzw. angeschlossen, das heißt, dass die Drähte, die von einem Ring zum nächsten verlaufen, mit ihren Enden verbunden sind. Die Drähte 571 und 572 sind auf einen Teil des Rings gewickelt, der im Wesentlichen gemäß einer Querschnittsebene der Hälfte des Rings entspricht, und die Drähte 573 und 574 sind um die andere Hälfte des Rings gewickelt.
Diese Anordnung sowie die Vervielfachung der Anzahl leitfähiger Drähte ermöglicht eine gute Verteilung des die Spule durchquerenden Stroms um das magnetische Material herum. Diese Charakteristik ermöglicht, eine magnetische Induktivität mit einer besonders schwachen Sättigung zu erhalten, was vorteilhaft ist, wenn das Netzwerk als magnetischer Schalter benutzt wird. Die Anzahl der leitfähigen Drähte wird jedoch vorzugsweise auf vier begrenzt, um die Herstellung der Spule zu vereinfachen.
Die an den Anschlüssen der einzelnen Spulen auftretende Spannung wird vorzugsweise begrenzt auf einen Höchstwert von 5 kV.
Jeder Ring hat zum Beispiel einen Außendurchmesser von 36 mm, einen Innendurchmesser von 22 mm und eine Höhe von 15 mm.
Diese Dimensionen entsprechen den Standarddimensionen der im Handel erhältlichen und daher kostengünstigen Ringe.
Zudem ermöglichen diese Ringe aufgrund ihrer kleinen Größe und folglich ihres kleinen Querschnitts eine unaufwändige effiziente Kühlung des magnetischen Materials.
Spulennetzwerke mit solchen Kernen können mit Luft gekühlt werden.
Ein wie oben beschriebenes Spulennetzwerk kann vorteilhaft als magnetischer Hilfsschalter beim Umschalten dienen, in Verbindung mit einem steuerbaren Schalter wie zum Beispiel einem IGBT-Transistor oder einem Thyratron.
Das Spulennetzwerk kann also in eine Impulsversorgung bekannten Typs – wie zum Beispiel dargestellt in der 1 – integriert werden, in der es den Platz und die Funktion des magnetischen Schalter übernimmt, der das Bezugszeichen 120 trägt.
Die Funktionsweise einer solchen Versorgung wird detailliert in dem einleitenden Teil der Beschreibung erklärt, den man konsultieren kann.
Das Spulennetzwerk kann auch als magnetischer Schalter in einer Kompressionsstufe der Impulse einer Entladeschaltung einer Impulsversorgungsvorrichtung benutzt werden.
In diesem Fall kann es gemäß dem Schaltplan der 2 geschaltet werden, in der es den Platz wenigstens eines der magnetischen Schalter 246 oder 248 einnimmt. Diese beiden magnetischen Schalter der 2 können jeweils auch durch zwei wie oben beschriebene Spulennetzwerke ersetzt werden.
Die Funktionsweise der Versorgung der 2 wird hier nicht noch einmal beschrieben. Man kann ebenfalls den einleitenden Teil der Beschreibung konsultieren.
Die 6 der beigefügten Zeichnungen zeigt die Schaltung einer anderen Impulsversorgung, bei der die erfindungsgemäße Verwendung des Spulennetzwerks als magnetischer Schalter speziell angepasst ist. Der Schaltplan dieser Versorgung ist einem Schaltplan ähnlich, der in dem Dokument (7) vorgeschlagen wird, dessen Referenzen am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben sind.
Die Versorgung der 6 ist mit einer elektrischen Last 622 verbunden, gebildet durch einen Spitzenkondensator 624, eine Ionisierungsspule 626 und eine Laserröhre 628. Die Versorgung umfasst außerdem eine Ladeschaltung mit zwei Akkumulationskondensatoren 612 und 613. Diese Kondensatoren sind mit einem ersten Anschluss einer Energiequelle 610 verbunden, über eine Ladespule 616, eine Diode 618, eine Inversionsspule 619 und einen magnetischen Sperrschalter 620, alle in dieser Reihenfolge in der Ladeschaltung in Serie geschaltet. Die Ladeschaltung umfasst auch die elektrische Last 622, angeschlossen zwischen dem zweiten Anschluss der Energiequelle und einem zweiten magnetischen Schalter 621. Der magnetische Schalter 621 verbindet die elektrische Last mit einem Anschluss 679 des Akkumulationskondensators 613. Die magnetischen Schalter 620 und 621 werden jeweils durch ein Serien-Parallelschaltungsnetzwerk des oben beschriebenen Typs gebildet.
Ein Knotenpunkt 680 zwischen dem magnetischen Sperrschalter 620 und dem Kondensator 613 ist auch mit dem zweiten Anschluss der Energiequelle 610 verbunden, über den Akkumulationskondensator 612.
Ein Kreis bzw. eine Schaltung zur Entladung der Akkumulationskondensatoren in die elektrische Last umfasst in dieser Reihenfolge und in Serie: die Akkumulationskondenstoren 612 und 613, den zweiten magnetischen Schalter 621 und die eigentliche elektrische Last 622.
Die Versorgungsvorrichtung umfasst schließlich eine Schaltung zur Einleitung der Entladung der Akkumulationskondensatoren. Diese Schaltung, verbunden mit den Anschlüssen des Kondensators 612, umfasst – ab dem Knotenpunkt 680 – den ersten magnetischen Schalter 620, die Inversionsspule 619 und einen Zweig 684. Dieser Zweig hat ein erste Ende, verbunden mit der Inversionsspule 619 in einem Knotenpunkt 686, und ein zweites, direkt mit dem Kondensator 612 verbundenes Ende. Der Zweig 684 umfasst einen steuerbaren Schalter 630, zum Beispiel gebildet durch einen oder mehrere Transistoren und eine Diode 617 mit Durchlassrichtung vom ersten zum zweiten Ende des Zweigs 684.
Erfindungskonform können sowohl einer als auch beide magnetische Schalter 620 und 621 der Versorgung durch wie oben beschriebene Spulennetzwerke gebildet werden.
Die 7A, 7B und 7C zeigen jeweils – in Abhängigkeit von der auf der Abszissenachse aufgetragenen Zeit – die Spannungen in dem Knotenpunkt 680, dem Knotenpunkt 679 und an den Anschlüssen der elektrischen Last, aufgetragen auf der Ordinatenachse. Die Spannungen und die Zeit sind in arbiträren Maßstäben angegeben.
In der Folge wird summarisch die Funktionsweise der Vorrichtung der 6 in Korrelation mit den Kurven der 7A bis 7C beschrieben.
In einer ersten Zeit ist der Schalter 630 geöffnet und in der Ladeschaltung fließt ein von der Energiequelle 610 gelieferter Strom. Die Kondensatoren 612 und 613 bilden mit der Ladespule 616 einen Schwingkreis, die einen hohen Induktivitätswert aufweist in Bezug auf alle anderen induktiven Bauteile der Versorgung. Der Schwingkreis spielt eine Verdoppler-Rolle der Ladespannung.
Die beiden Kondensatoren 612 und 613 werden also durch einen im Wesentlichen gleichen Strom geladen, und jeder hat eine Spannung im Wesentlichen gleich 2E, als Absolutwert, wobei E die Spannung an den Anschlüssen der Energiequelle 610 ist.
Diese erste Phase ist bei den Kurven der 7A, 7B und 7C mit 790 bezeichnet. Am Ende dieser Phase ist die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 612 (7A) gleich 2E, an den Anschlüssen des Kondensators 613 gleich –2E und an den Anschlüssen dieser beiden vereinigten Kondensatoren sowie an den Anschlüssen des magnetischen Schalters 821 gleich null (9C). Der Bezugspunkt 791 in der 7A entspricht dem Zeitpunkt, wo die Ladespannung des Absolutwerts 2E bei den Kondensatoren erreicht ist. Die Diode 618 hindert die Kondensatoren dann darin, sich in Richtung Energiequelle 610 zu entladen.
Der Punkt 792 der 7A und 7B entspricht dem Schließen des steuerbaren Schalters 630. Wenn der steuerbare Schalter 630 sich schließt, wird die Spannung an seinen Anschlüssen null und wird zu dem durch ein Spulennetzwerk gebildeten magnetischen Schalter 620 übertragen. Wenn der magnetische Schalter einen Sättigungszustand erreicht, in den 7A und 7B der Punkt 792, wird die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 612 mit Hilfe der Inversionsspule 619 invertiert. Das Ende der Inversionsphase ist in dem mit 793 bezeichneten Punkt erreicht.
Wie die 7B und 7A zeigen, beträgt die Spannung im Knotenpunkt 679, das heißt an den Anschlüssen des magnetischen Schalters 621, dann –4E, und die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 612 beträgt –2E.
Der magnetische Schalter 621, gebildet durch ein Spulennetzwerk, ist so dimensioniert, dass er sich ab dem Zeitpunkt sättigt, wo die Spannung an den Anschlüssen des Akkumulationskondensators 612 invertiert wird, das heißt ab dem Zeitpunkt, der das Bezugszeichen 793 trägt.
Wenn der magnetische Schalter 621 gesättigt ist, wird die Entladeschaltung bzw. der Entladekreis geschlossen und die Akkumulationskondensatoren, in Serie in diesem Kreis, entladen sich in die elektrische Last 622 und noch genauer in den Spitzenkondensator 624. Die Spannung an den Anschlüssen der elektrischen Last 622, dargestellt in der 7C, erreicht ihren Höchstwert – als Absolutwert gleich 4E – zu einem mit 794 bezeichneten Zeitpunkt. Dieser Zeitpunkt entspricht der Zündung des Lasers 628. Wie zu sehen in der 7C, wird die Spannung in Form eines Impulses von kurzer Dauer angelegt.
Man bezeichnet die Dauer der Inversion der Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 612, also die Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten 792 und 793, mit Δt₁ und die Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten 793 und 794 mit Δt₂.
Bei einer praktischen Realisierung der oben beschriebenen Vorrichtung wird ein CuBr-Gaslaser mit einer optischen Leistung von 200 W versorgt Da der Wirkungsgrad eines solchen Lasers bei 2 bis 3% liegt, muss die gelieferte Leistung ungefähr 8 kW betragen.
Die für diesen Laser vorgesehene Versorgung soll kurze Impulse der Größenordnung 100 ns mit einer Impulsfolgefrequenz von 16 kHz liefern. Die an die Anschlüsse des Lasers angelegte Spannung beträgt ungefähr 50 kV, ausgehend von einer Energiequelle in Form eines Gleichstromgenerators mit einer Spannung von E = 12 kV. Mit einer Vorrichtung gemäß 6 beträgt die Spannung an den Anschlüssen des Lasers 4E, das heißt 48 kV.
Um die Spannung während einer Dauer Δt₁ von 200 ns zu blockieren, benutzt man einen magnetischen Schalter 621 in Form eines Spulennetzwerks, das pro Zweig 12 bewickelte Ringe in Serie umfasst.
Dabei sind, um einen Impuls mit einer Dauer von 50 ns zu erhalten, 4 Zweige mit jeweils 12 bewickelten Ringen in dem Netzwerk parallelgeschaltet. Die Kühlung der Spulen erfolgt mittels Luft- oder Ölzirkulation.
Wenn man die Last mit einer anderen Leistung versorgen will, genügt es, die Dimensionen des Netzwerks zu modifizieren, das heißt die Anzahl seiner Zweige und die Anzahl der Spulen jedes Zweigs.
Eine solche Anpassung erfordert keinen Eingriff bei den magnetischen und elektrischen Kreisen der Wicklungen, so dass sie keine großen Kosten verursacht.
IN DER BESCHREIBUNG GENANNTE REFERENZEN

(1) FR-A-2 654 878
(2) Swart, P. H., von Bergman, H. M. "Comparative evaluation of pulsing circuits for kHz excimer laser system"
(3) H. T. W. Tromp, P. H. Swart and H. M. von Bergman "Bipolar pulsing circuits for high power high rep rate lasers" Proc. 18th IEEE Power Modulator symposium, Seiten 29–33, IEEE, 1990
(4) E. G. Cook, D. G. Ball, D. L. Birx, J. D. Branum, S. E. Peluso, "High average power magnetic modulator for cooper lasers" Proc. 8TH IEEE Pulsed Power Conference, Seiten 537–542.
(5) Don G. Ball, Livermore; Dan Birx, Brentwood; Edward G. Cook, Livermore, all of Calif. "Magnetic compression laser driving circuit" US-Patent Nr. 5,177,754 (5. Jan. 1993)
(6) W. C. Nunnally, J. Power, T. E. Springer "Development of stripline magnetic modulators" IEEE Conference record of 1982 15th power modulation symposium, Seiten 28–31.
(7) S. Gavay, P. Blau, M. Lando, I. Druckman, Z. Horvitz, Y. Yfrah, I. Hen, E. Miron, I. Smilanski "Stabilization of high-power cooper vapour laser" Optical and Quantum Electronics 23 (1991).

Claims

Vorrichtung zur Impulsversorgung einer elektrischen Last (622), die eine Schaltung zur Aufladung wenigstens eines Akkumulationskondensator genannten Kondensators (612, 613) und wenigstens eine Schaltung zur Entladung des Akkumulationskondensators (612, 613) in die elektrische Last (622) umfasst, wobei die Entladungsschaltung wenigstens einen magnetischen Schalter (621) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Schalter (621) eine Vielzahl von Sättigungsinduktivitäts-Spulen (401) umfasst, verteilt auf eine Vielzahl in Reihe geschalteter Spulengruppen und eine Vielzahl parallelgeschalteter Spulengruppen, so dass jede einzelne Spule zugleich zu einer einzigen in Reihen geschalteten Spulengruppe und zu einer einzigen parallelgeschalteten Spulengruppe gehört.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (I. M._i,j) gemäß Spulen-Zeilen (I. M._1,j, ..., I. M._n,j) und Spulen-Spalten (I. M._i,1, ..., I. M._i,m) angeordnet sind, wobei jede Spule einer Zeile parallelgeschaltet ist mit jeder anderen Spule der genannten Zeile, und jede Spule einer Spalte in Reihe geschaltet ist mit jeder anderen Spule der genannten Spalte.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Spulen (I. M._i,j) einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss aufweist, wobei die Eingangsanschlüsse beziehungsweise die Ausgangsanschlüsse der Spulen jeder Spulen-Zeile gegenseitig durch einen elektrischen Leiter (460, 462, 466) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule eine elektrisch leitfähige Wicklung (577) um einen Ringkern (575) herum umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (577) eine Vielzahl parallelgeschalteter elektrischer Drähte (571, 572, 573, 574) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (577) zwei Drahtpaare (571, 572; 573, 574) umfasst, wobei jedes Paar jeweils auf eine Hälfte des Ringkerns gewickelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkern aus einem resitiven magnetischen Material auf Mangan- oder Nickelbasis ist, und dadurch, dass die elektrisch leitfähige Wicklung direkt auf den Kern gewickelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem eine Schaltung zur Initialisierung der Entladung umfasst, welche, in Reihe geschaltet, einen steuerbaren Schalter (630) und einen magnetischen Schalter (620) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass dieser magnetische Schalter (620) ebenfalls eine Vielzahl von Sättigungsinduktivitäts-Spulen (401) umfasst, verbunden durch ein Reihen-/Parallelschaltungs-Netzwerk (400).