PL222184B1 - A system for generating high voltage pulses - Google Patents
A system for generating high voltage pulsesInfo
- Publication number
- PL222184B1 PL222184B1 PL398356A PL39835612A PL222184B1 PL 222184 B1 PL222184 B1 PL 222184B1 PL 398356 A PL398356 A PL 398356A PL 39835612 A PL39835612 A PL 39835612A PL 222184 B1 PL222184 B1 PL 222184B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- terminal
- transformer
- module
- secondary winding
- capacitor
- Prior art date
Links
Description
(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 222184 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 398356 (51) Int.Cl. (12) PATENT DESCRIPTION (19) PL (11) 222184 (13) B1 (21) Application number: 398356 (51) Int.Cl.
H02M 9/00 (2006.01) H03K 3/353 (2006.01) H05H 1/36 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 08.03.2012 (54)H02M 9/00 (2006.01) H03K 3/353 (2006.01) H05H 1/36 (2006.01) (22) Date of notification: 08.03.2012 (54)
Układ generowania impulsów wysokiego napięciaHigh voltage pulse generator
PL 222 184 B1PL 222 184 B1
Opis wynalazkuDescription of the invention
Przedmiotem wynalazku jest układ generowania impulsów wysokiego napięcia, który jest układem przekształtnika energoelektronicznego generującego impulsy wysokiego napięcia służące między innymi do wzbudzania plazmy w reaktorach. Jest to układ generatora impulsów wysokiego napięcia z napięciem prepolaryzacji.The subject of the invention is a high voltage pulse generating system, which is a power electronic converter system that generates high voltage pulses used, inter alia, to induce plasma in reactors. It is a high voltage pulse generator circuit with pre-polarization voltage.
W istniejących generatorach impulsów wysokiego napięcia opartych na topologii Marxa, znanych z opisów wynalazków DE455933, US 3343007, US 4375594, w których szczelinę wyładowczą zastąpiono półprzewodnikowymi kluczami mocy typu IGBT lub MOSFET np. jak ujawniono w opisie wynalazku US 7301250 B2, wyjściowe napięcie generatora jest równe co najwyżej krotności użytych do budowy modułów, przy czym napięcie wyjściowe pojedynczego modułu jest ograniczone dopuszczalnym napięciem pracy klucza przełączającego. Topologia Fitcha ujawniona w opisach wynalazków US 3366799, US 3746881 oraz US 7209373 w połączeniu z topologią Marxa pozwala na dwukrotne podniesienie wartości napięcia wyjściowego przy tej samej liczbie zastosowanych modułów. Rozwiązanie, w którym można uzyskać trzykrotną wartość napięcia klucza półprzewodnikowego przedstawiono w opisie wynalazku EP 2106025 A1.In existing high voltage pulse generators based on Marx topology, known from inventions DE455933, US 3343007, US 4375594, in which the discharge gap has been replaced by IGBT or MOSFET type semiconductor power keys, e.g. as disclosed in the description of the invention US 7301250 B2, the output voltage of the generator is equal to at most times the modules used in the construction, the output voltage of a single module is limited by the permissible operating voltage of the switching key. The Fitch topology disclosed in the inventions US 3366799, US 3746881 and US 7209373 in combination with the Marx topology allows to double the output voltage value with the same number of modules used. The solution in which it is possible to obtain three times the value of the semiconductor key voltage is presented in the description of the invention EP 2106025 A1.
Układ generowania impulsów wysokiego napięcia, według wynalazku, zwłaszcza dla reaktorów zimnej plazmy, zawierający co najmniej jeden moduł przekształtnika połączony ze źródłem napięcia, charakteryzuje się tym, że moduł ma dwa kondensatory, dwa transformatory i jeden półprzewodnikowy klucz. Wejście modułu połączone jest z pierwszym zaciskiem uzwojenia strony wtórnej pierwszego transformatora, którego drugi zacisk uzwojenia strony wtórnej połączony jest jednocześnie z pierwszym końcem pierwszego kondensatora oraz z pierwszym zaciskiem uzwojenia strony pierwotnej pierwszego transformatora. Drugi koniec pierwszego kondensatora połączony jest z pierwszym końcem półprzewodnikowego klucza i z pierwszym zaciskiem uzwojenia strony pierwotnej drugiego transformatora. Drugi zacisk uzwojenia strony pierwotnej pierwszego transformatora przyłączony jest do drugiego końca półprzewodnikowego klucza i jednocześnie do pierwszego końca drugiego kondensatora. Drugi koniec drugiego kondensatora połączony jest z drugim zaciskiem uzwojenia strony pierwotnej drugiego transformatora i pierwszym zaciskiem uzwojenia strony wtórnej drugiego transformatora, którego drugi zacisk uzwojenia strony wtórnej stanowi wyjście modułu.The high voltage pulse generator according to the invention, especially for cold plasma reactors, comprising at least one converter module connected to a voltage source, is characterized in that the module has two capacitors, two transformers and one semiconductor key. The module input is connected to the first terminal of the secondary winding of the first transformer, the second terminal of the secondary winding of which is connected simultaneously to the first end of the first capacitor and to the first terminal of the primary winding of the first transformer. The second end of the first capacitor is connected to the first end of the semiconductor key and to the first terminal of the primary side winding of the second transformer. The second terminal of the primary side winding of the first transformer is connected to the second end of the semiconductor key and simultaneously to the first end of the second capacitor. The second end of the second capacitor is connected to the second terminal of the primary winding of the second transformer and the first terminal of the secondary winding of the second transformer, the second terminal of the secondary winding of which is the output of the module.
Korzystnie w układzie drugi koniec pierwszego kondensatora połączony jest z katodą diody, której anoda połączona jest z pierwszym zaciskiem uzwojenia strony wtórnej transformatora zasilającego. Uzwojenie strony pierwotnej transformatora zasilającego połączone jest w sposób równoległy z układem kształtowania impulsów. Drugi zacisk uzwojenia strony wtórnej transformatora zasilającego połączony jest jednocześnie z drugim zaciskiem uzwojenia strony pierwotnej pierwszego transformatora, z drugim końcem półprzewodnikowego klucza oraz z pierwszym zaciskiem drugiego kondensatora. Drugi zacisk drugiego kondensatora połączony jest z drugim zaciskiem uzwojenia strony pierwotnej drugiego transformatora i pierwszym zaciskiem uzwojenia strony wtórnej drugiego transformatora.Preferably, in the circuit, the second end of the first capacitor is connected to the cathode of the diode, the anode of which is connected to the first terminal of the secondary winding of the supply transformer. The primary winding of the supply transformer is connected in parallel with the pulse shaper. The second terminal of the secondary winding of the supply transformer is connected simultaneously to the second terminal of the primary winding of the first transformer, to the other end of the semiconductor key, and to the first terminal of the second capacitor. The second terminal of the second capacitor is connected to the second terminal of the primary winding of the second transformer and the first terminal of the secondary winding of the second transformer.
Układ może zawierać n modułów, które są ze sobą połączone w sposób szeregowy tak, że wyjście poprzedniego modułu połączone jest z wejściem następnego modułu. Obciążenie połączone jest w taki sposób, że pierwszy zacisk obciążenia połączony jest z wejściem pierwszego modułu, natomiast drugi zacisk obciążenia połączony jest z wyjściem ostatniego modułu.The system may include n modules which are connected in series with each other so that the output of the previous module is connected to the input of the next module. The load is connected such that the first terminal of the load is connected to the input of the first module and the second terminal of the load is connected to the output of the last module.
W układzie z n modułami w pierwszej wersji wejście pierwszego modułu przyłączone jest jednocześnie do pierwszego zacisku obciążenia i pierwszego zacisku strony wtórnej transformatora zasilającego, którego drugi koniec poprzez szeregowe połączenie diod od pierwszej do ostatniej oraz dławików od pierwszego do ostatniego połączony jest z wyjściem ostatniego modułu i drugim zaciskiem obciążenia. Strona pierwotna transformatora zasilającego połączona jest w sposób równoległy z układem kształtowania impulsów. Pierwszy zacisk strony wtórnej transformatora zasilającego połączony jest z anodą pierwszej diody, której katoda połączona jest z pierwszym dławikiem. Ostatni dławik połączony jest z pierwszym zaciskiem uzwojenia strony wtórnej drugiego transformatora ostatniego modułu. Dla poprawnego działania układu generowania impulsów stosuje się wysokonapięciowy układ kształtowania impulsu.In the system with n modules in the first version, the input of the first module is connected simultaneously to the first terminal of the load and the first terminal of the secondary side of the supply transformer, the second end of which, through a series connection of diodes from the first to the last one and the chokes from the first to the last one, is connected to the output of the last module and the second. the load clamp. The primary side of the supply transformer is connected in parallel with the pulse shaper. The first terminal of the secondary side of the supply transformer is connected to the anode of the first diode, the cathode of which is connected to the first choke. The last choke is connected to the first terminal of the secondary winding of the second transformer of the last module. A high-voltage pulse shaper is used for the correct operation of the pulse generator.
W układzie z n modułami w innej wersji do każdego półprzewodnikowego klucza każdego z połączonych szeregowo n modułów dołączone jest poprzez diodę uzwojenie wtórne transformatora zasilającego. Uzwojenie pierwotne transformatora zasilającego podłączone jest w sposób równoległy z układem kształtowania impulsów.In an arrangement with n modules in a different version, the secondary winding of the supply transformer is connected to each semiconductor key of each of the n modules connected in series via a diode. The primary winding of the power transformer is connected in parallel with the pulse shaper.
PL 222 184 B1PL 222 184 B1
Korzystnie półprzewodnikowy klucz może stanowić tranzystor, triak, tyrystor, iskrownik albo tyratron. Dla niezawodnej pracy półprzewodnikowego klucza jest on wyposażony w diodę zwrotną. Gdy półprzewodnikowy klucz stanowi tranzystor to pierwszy koniec półprzewodnikowego klucza stanowi pierwsza elektroda tranzystora, zaś drugi koniec półprzewodnikowego klucza stanowi druga elektroda tranzystora. Transformator zasilający impulsowy powinien posiadać liczbę uzwojeń wtórnych równą liczbie modułów układu.Preferably, the semiconductor key may be a transistor, triac, thyristor, magneto or thyratron. For reliable operation of the semiconductor key, it is equipped with a feedback diode. When the semiconductor key is a transistor, the first end of the semiconductor key is the first electrode of the transistor and the other end of the semiconductor key is the second electrode of the transistor. The pulse power supply transformer should have the number of secondary windings equal to the number of system modules.
Impuls wyjściowy w podstawowym module jest wynikiem sumy napięć dwóch kondensatorów oraz dwóch transformatorów.The output pulse in the basic module is the result of the sum of the voltages of the two capacitors and the two transformers.
Działanie układu można wyjaśnić analizując pracę jednego modułu. Napięciem strony wtórnej transformatora impulsowo ładowane są kondensatory modułu, na których zaciskach pojawia się różnica potencjałów. W chwili załączenia tranzystora do każdej ze stron pierwotnych transformatorów przyłączany jest kondensator, którego napięcie indukuje po stronie wtórnej wartość napięcia proporcjonalną do stosunku zwojności uzwojenia wtórnego do pierwotnego. Dla zgodnego połączenia uzwojeń transformatora o krotności zwojności równej jeden, napięcie wyjściowe modułu osiągnie około czterokrotną wartość napięcia początkowego pojedynczego kondensatora modułu.The operation of the system can be explained by analyzing the operation of one module. The voltage of the transformer's secondary side charges the module capacitors in pulses, the terminals of which show a potential difference. When the transistor is turned on, a capacitor is connected to each side of the primary transformers, the voltage of which induces a voltage value on the secondary side proportional to the turn ratio of the secondary winding to the primary one. For matching transformer windings with a multiplicity of turns equal to one, the output voltage of the module will be approximately four times the value of the initial voltage of a single module capacitor.
Zaletą rozwiązania jest to, że dwa wstępnie naładowane kondensatory w chwili załączenia półprzewodnikowego klucza przyłączane są każdy do jednego transformatora w taki sposób że na zaciskach modułu pojawia się napięcie będące co najmniej czterokrotną wartością napięcia początkowego kondensatora. Jednocześnie ta część energii kondensatorów, która nie jest przekazana do obwodu obciążenia podlega procesowi rezonansowego przeładowania w obwodach strony pierwotnej transformatorów i jest wykorzystana w następnym cyklu.The advantage of this solution is that two pre-charged capacitors, at the moment of switching on the semiconductor key, are each connected to one transformer in such a way that a voltage appears on the module terminals, which is at least four times the value of the initial voltage of the capacitor. At the same time, the part of the capacitor energy that is not transferred to the load circuit undergoes a resonant overcharge process in the primary circuit of the transformers and is used in the next cycle.
Wynalazek jest bliżej objaśniony w poniższych przykładach wykonania i na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia pojedynczy moduł, Fig. 2 przedstawia zasadę działania modułu z tranzystorem jako kluczem, Fig. 3 przedstawia układ z jednym modułem, Fig. 4 przedstawia układ wielomodułowy połączony z wysokonapięciowym układem kształtowania impulsu, Fig. 5 przedstawia układ wielomodułowy, gdzie każdy moduł połączony jest z dławikiem i diodą.The invention is explained in more detail in the following embodiments and in the drawing, in which Fig. 1 shows a single module, Fig. 2 shows the principle of operation of a module with a transistor as a key, Fig. 3 shows a circuit with one module, Fig. 4 shows a multi-module circuit combined with With a high voltage pulse shaper, Fig. 5 shows a multi-module circuit with each module connected to a choke and a diode.
P r z y k ł a d IP r z k ł a d I
Układ generowania impulsów wysokiego napięcia ma jeden moduł, który ma dwa kondensatory C11, C12, dwa transformatory AT11, AT12 i jeden półprzewodnikowy klucz S1 w postaci tranzystora typu MOSFET z dodatkową diodą przyłączoną w sposób odwrotnie równoległy do kierunku przewodzenia tranzystora S1. Wejście modułu połączone jest z pierwszym zaciskiem uzwojenia strony wtórnej pierwszego transformatora AT11, którego drugi zacisk uzwojenia strony wtórnej połączony jest jednocześnie z pierwszym końcem pierwszego kondensatora C11 oraz z pierwszym zaciskiem uzwojenia strony pierwotnej pierwszego transformatora AT11. Drugi koniec pierwszego kondensatora C11 połączony jest z pierwszą elektrodą tranzystora S1 i z pierwszym zaciskiem uzwojenia strony pierwotnej drugiego transformatora AT12. Drugi zacisk uzwojenia strony pierwotnej pierwszego transformatora AT11 przyłączony jest do drugiej elektrody tranzystora S1 i jednocześnie do pierwszego końca drugiego kondensatora C12. Drugi koniec drugiego kondensatora C12 połączony jest z drugim zaciskiem uzwojenia strony pierwotnej drugiego transformatora AT12 i pierwszym zaciskiem uzwojenia strony wtórnej drugiego transformatora AT12. Drugi zacisk uzwojenia strony wtórnej drugiego transformatora AT12 stanowi wyjście modułu. Wejście i wyjście modułu połączone są z obciążeniem R. Pierwszy zacisk strony pierwotnej drugiego transformatora AT12 i pierwsza elektroda tranzystora S1 połączone są z katodą diody D1, której anoda połączona jest z drugim zaciskiem strony wtórnej transformatora zasilającego TRS. Drugi zacisk strony pierwotnej pierwszego transformatora AT11, druga elektroda tranzystora S1 i pierwszy koniec drugiego kondensatora C12 połączone są z pierwszym zaciskiem uzwojenia strony wtórnej L1 transformatora zasilającego TRS. Uzwojenie strony pierwotnej transformatora zasilającego TRS połączone jest równolegle z układem kształtowania impulsu UKI. Załączenie tranzystora S1 typu MOSFET powoduje przyłączenie do każdej ze stron pierwotnych transformatorów AT11, AT12 wcześniej naładowanych kondensatorów C11, C12, co prowadzi do zaindukowania się na każdym wtórnym uzwojeniu transformatorów AT11, AT12 napięcia UAT w przybliżeniu równego początkowej wartości Uc pojedynczego kondensatora C11 lub C12 modułu. Zgodne nawinięcie zwojów transformatorów powoduje, że na zaciskach wyjściowych modułu pojawi się napięcie będące sumą napięć na kondensatorach C11, C12 modułu oraz zaindukowanych napięć na uzwojeniach wtórnych transformatorów AT11, AT12. Wówczas dla idealnych elementów napięcie na zaciskach modułu osiągnie wartość równą czterokrotnej wartości napięcia pojedynczego kondensatora C11 lub C12.The high voltage pulse generator has one module that has two capacitors C11, C12, two transformers AT11, AT12 and one semiconductor key S1 in the form of a MOSFET transistor with an additional diode connected inversely parallel to the conduction direction of the transistor S1. The module input is connected to the first terminal of the secondary winding of the first transformer AT11, the second terminal of the secondary winding of which is connected simultaneously to the first end of the first capacitor C11 and to the first terminal of the primary winding of the first transformer AT11. The second end of the first capacitor C11 is connected to the first electrode of the transistor S1 and to the first terminal of the primary winding of the second transformer AT12. The second terminal of the primary winding of the first transformer AT11 is connected to the second electrode of the transistor S1 and simultaneously to the first end of the second capacitor C12. The second end of the second capacitor C12 is connected to the second terminal of the primary winding of the second transformer AT12 and the first terminal of the secondary winding of the second transformer AT12. The second terminal of the secondary winding of the second transformer AT12 is the output of the module. The input and output of the module are connected to the load R. The first terminal of the primary side of the second transformer AT12 and the first electrode of the transistor S1 are connected to the cathode of the diode D1, the anode of which is connected to the second terminal of the secondary side of the TRS supply transformer. The second terminal of the primary side of the first transformer AT11, the second electrode of the transistor S1 and the first end of the second capacitor C12 are connected to the first terminal of the secondary winding L1 of the supply transformer TRS. The primary winding of the TRS supply transformer is connected in parallel with the UKI pulse shaping system. Switching on the MOSFET transistor S1 causes the connection of previously charged capacitors C11, C12 to each side of the primary transformers AT11, AT12, which leads to the induction of voltage UAT on each secondary winding of transformers AT11, AT12 approximately equal to the initial value of Uc of a single capacitor C11 or C12 of the module . Correct winding of the transformer coils causes the voltage at the output terminals of the module to be the sum of the voltages on the capacitors C11, C12 of the module and the induced voltages on the secondary windings of AT11, AT12 transformers. Then, for ideal components, the voltage at the module terminals will be equal to four times the voltage of a single C11 or C12 capacitor.
PL 222 184 B1PL 222 184 B1
P r z y k ł a d IIP r z x l a d II
Układ wykonany analogicznie jak w przykładzie I, przy czym ma n modułów. Moduły połączone są szeregowo tak, że wejście pierwszego modułu połączone jest z wyjściem modułu poprzedniego, a obciążenie R połączone jest z wejściem pierwszego modułu i wyjściem modułu ostatniego. Każdy z modułów połączony jest z kolejnym uzwojeniem strony wtórnej transformatora L1-n diodami D1-n analogicznie jak w przykładzie I.The circuit is made in the same way as in example I, but has n modules. The modules are connected in series such that the input of the first module is connected to the output of the previous module, and the load R is connected to the input of the first module and the output of the last module. Each of the modules is connected to the next winding of the secondary side of the transformer L1-n with diodes D1-n in the same way as in example I.
P r z y k ł a d IIIP r x l a d III
Układ wykonany analogicznie jak w przykładzie II, przy czym pierwszy zacisk uzwojenia strony wtórnej pierwszego transformatora AT11 połączony jest z pierwszym zaciskiem uzwojenia strony wtórnej transformatora zasilającego TRS, którego drugi zacisk uzwojenia strony wtórnej połączony jest szeregowo z anodą pierwszej diody D1. Katoda pierwszej diody D1 połączona jest z pierwszym zaciskiem pierwszego dławika L1, którego drugi koniec połączony jest z następną gałęzią diody D2 i dławika L2 w sposób szeregowy. Drugi zacisk uzwojenia strony wtórnej drugiego transformatora ATn2 ostatniego modułu połączony jest z drugim zaciskiem ostatniego dławika Lm, którego pierwszy zacisk połączony jest z katodą ostatniej diody Dm.The circuit is made in the same way as in example 2, with the first terminal of the secondary winding of the first transformer AT11 connected to the first terminal of the secondary winding of the TRS supply transformer, the second terminal of the secondary winding of which is connected in series with the anode of the first diode D1. The cathode of the first diode D1 is connected to the first terminal of the first choke L1, the second end of which is connected to the next branch of the diode D2 and the choke L2 in series. The second terminal of the secondary winding of the second transformer ATn2 of the last module is connected to the second terminal of the last choke Lm, the first terminal of which is connected to the cathode of the last diode Dm.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PL398356A PL222184B1 (en) | 2012-03-08 | 2012-03-08 | A system for generating high voltage pulses |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PL398356A PL222184B1 (en) | 2012-03-08 | 2012-03-08 | A system for generating high voltage pulses |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
PL398356A1 PL398356A1 (en) | 2013-09-16 |
PL222184B1 true PL222184B1 (en) | 2016-07-29 |
Family
ID=49156131
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PL398356A PL222184B1 (en) | 2012-03-08 | 2012-03-08 | A system for generating high voltage pulses |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
PL (1) | PL222184B1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2024018464A1 (en) * | 2022-07-18 | 2024-01-25 | Caps Medical Ltd. | Plasma generating system |
-
2012
- 2012-03-08 PL PL398356A patent/PL222184B1/en unknown
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2024018464A1 (en) * | 2022-07-18 | 2024-01-25 | Caps Medical Ltd. | Plasma generating system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
PL398356A1 (en) | 2013-09-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11962235B2 (en) | Modular multi-level DC/DC converter with current-shaping | |
JP5414790B2 (en) | Power switch grouping | |
Davari et al. | High-voltage modular power supply using parallel and series configurations of flyback converter for pulsed power applications | |
US6898089B2 (en) | Solid state converter for high voltages | |
RU2747352C1 (en) | Method and apparatus for defibrillation | |
De et al. | 1.2 kW dual-active bridge converter using SiC power MOSFETs and planar magnetics | |
CN109510611B (en) | Multi-stage resonance charging type pulse power generator based on Marx structure | |
PL222184B1 (en) | A system for generating high voltage pulses | |
CN110289832B (en) | Solid-state modulator | |
Takayanagi et al. | Design and preliminary performance of the new injection shift bump power supply at the J-PARC 3-GeV RCS | |
EP3563473B1 (en) | Electrical pulse generating module with storage capacitor, freewheeling diode and transformer reset during charging | |
KR100931844B1 (en) | Method and apparatus for generating square wave pulse using Max generator | |
Prabhakar | High gain high power non-isolated DC-DC converter for renewable energy applications | |
Ravi et al. | High voltage flyback converter for pulsed loaded applications | |
JP6673801B2 (en) | Gate pulse generation circuit and pulse power supply device | |
US20210351713A1 (en) | Multilevel resonant dc-dc converter | |
Aiswarya et al. | An efficient high gain DC-DC converter for automotive applications | |
Patel et al. | Power supplies for plasma heating: PSM and involved challenges | |
Chakraborty et al. | Design concept of a high power high frequency power supply for feeding 500 kV, 100 mA Cockcroft-Walton generator | |
WO2018145748A1 (en) | Parallel connecting of cell modules in a modular multilevel converter by means of interphase transformers | |
US8787053B2 (en) | Close control of electric power converters | |
KR101900098B1 (en) | Method for potential-isolated energy transfer with two output DC voltages | |
CN106953370B (en) | Power supply system of electronic equipment in power system | |
KR20100038493A (en) | A high voltage pulse generator using semi-conductor switch | |
US20160006363A1 (en) | Chopped electrical energy converter |