WO2014111328A1 - Hochspannungsimpulsgenerator und verfahren zum erzeugen von hochspannungsimpulsen - Google Patents

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WO2014111328A1
WO2014111328A1 PCT/EP2014/050444 EP2014050444W WO2014111328A1 WO 2014111328 A1 WO2014111328 A1 WO 2014111328A1 EP 2014050444 W EP2014050444 W EP 2014050444W WO 2014111328 A1 WO2014111328 A1 WO 2014111328A1
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WO
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voltage
high voltage
pulse generator
voltage pulse
generator according
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PCT/EP2014/050444
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English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Hartmann
Martin Hergt
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback

Definitions

  • the present invention relates to a high-voltage pulse generator ⁇ and a method for generating high voltage pulses in a high voltage pulse generator.
  • High voltage and high power pulses in the range of eini ⁇ gen kilowatts to several hundred terawatt be used in the field of power electronics both for scientific purposes, as well as for industrial applications.
  • the energy pulses generated thereby typically have an in ⁇ pulse duration in the range of a few picoseconds to a few milliseconds.
  • pulse generators are used for the sterilization of fruits, milk products and many more.
  • pulses are generated at a voltage of 250 kV, currents of a few 10 kA with a pulse duration of 1-2 ys.
  • Such pulses can be generated for example by means of an Inductive Voltage Adder, as shown in Figure 1.
  • This is a coaxial conductor arrangement comprising an outer conductor 11 and an inner conductor 12.
  • Several voltage sources 21-i to 26-i are arranged around this coaxial conductor arrangement.
  • the example shown is a six-stage Inductive Voltage Adder (IVA).
  • the six stages are arranged axially, ie in the x-direction next to ⁇ each other.
  • Each of these stages can be fed by one or more voltage sources connected in parallel.
  • each stage is powered by two voltage sources, for example 21-1 and 21-2.
  • These individual voltage sources are arranged azimuthally, preferably equidistantly around the coaxial inner conductor.
  • FIG 2 shows schematically the circuit diagram according to the basic principle of an IVA.
  • the pulse lines can be realized as voltage multiplying circuits.
  • the positive conductor of one line is connected to the negative line of the next stage.
  • the connection for the duration of the pulse iso ⁇ lines must be.
  • this can be achieved with the help of out ⁇ sufficiently long transmission lines or via coupling with sufficiently high coupling inductors. According to Figure 1, this is achieved by the magneti ⁇ rule cores 31-36 at a IVA.
  • each voltage source 21-1, 21-2 to 26-1, 26-2 must deliver their energy pulse in a very precise time-synchronized manner.
  • each voltage source is equipped with a scarf Tele ⁇ management, which allows the desired high-voltage exactly at the desired time in the cavity 13 of the IVA couple.
  • These switching elements can be, for example, gas discharge switches or even voltage-proof semiconductor switches.
  • gas discharge Switches have a relatively high dielectric strength.
  • Semiconductor switches in contrast, have a longer life compared to gas discharge switches and require less service than gas discharge switches.
  • the resulting output voltage can be increased by a ent ⁇ speaking increase in the number of sequentially arranged voltage levels of the IVA.
  • the dielectric strength of the switching elements can also be increased by a series connection of the semiconductor switches.
  • the present invention provides a high voltage pulse generator with a coaxial conductor arrangement, in which at least one high-voltage stage, a high-voltage pulse is coupled, wherein the high voltage stage comprises a high voltage source, a switchable control ⁇ element and a pulse transformer.
  • the present OF INVENTION ⁇ dung provides a method for generating high voltage pulses in a high voltage pulse generator with a coaxial conductor arrangement, in which at least one high-voltage stage, a high-voltage pulse is coupled, said high ⁇ voltage step a mecanicge of a high voltage source ⁇ presented first high voltage in transformed a second high voltage and couples the transformed second high voltage in the coaxial conductor arrangement.
  • the switching operations in the pulse generator can be carried out on the primary side of the transformer. Since on this primary ⁇ side the voltage level is lower than on the secondary side of the transformer ⁇ , the switching elements may be used with appropriate ⁇ speaking lower withstand voltage.
  • the pulse transformer is adapted to transform a deployed from the high voltage source first high voltage to a second high voltage and couple the transformed second high voltage in the koa ⁇ xiale conductor arrangement.
  • the first high voltage on the primary side of the pulse Trans ⁇ formators is less than the second high voltage on the secondary side of the pulse transformer preferably.
  • the controllable switching element is a semiconductor switch.
  • Semiconductor switches are particularly durable and service-poor switching elements with high current ⁇ carrying capacity. Therefore, such semiconductor switches are particularly suitable for controlling a Hochnapssimpulsgenera ⁇ sector according to the invention.
  • controllable switching element comprises a plurality of parallel-connected semiconductor switching elements.
  • the current carrying capacity of the Wegele ⁇ management be further increased.
  • particularly high-energy high-voltage pulses can be generated.
  • the first high voltage on the primary side of the pulse transformer is a maximum of 6.5 kV, preferably a maximum of 4.5 kV.
  • One embodiment comprises a plurality of high-voltage stages which, at an axial position, are azimuthally spaced from each other and each couple a high-voltage pulse into the coaxial conductor arrangement. As a result, the injected energy can be increased.
  • a plurality of high voltage stages coupled axially spaced high voltage pulses into the coaxial conductor arrangement.
  • the coupled voltages add up resulting in an increased output voltage.
  • the controllable switching elements of the various high-voltage sources are switched synchronously by a control circuit.
  • Such a control circuit makes it possible to synchronize all the switching elements of the individual high-voltage stages and thus to control the energy output of the individual stage so that the high-voltage pulses add up correctly.
  • the coaxial conductor arrangement is coupled to a high voltage coupled high voltage to a load. In this way it is possible he witnessed ⁇ high voltage pulse selectively deliver.
  • the load is one
  • Electroporation device
  • the load is an arrangement for generating short-wave electromagnetic radiation, electron or ion beams.
  • the load is an arrangement for electrodynamic or electrohydraulic comminution of mineral and / or biological substances.
  • Figure 1 a schematic representation of an inductive
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a circuit diagram of an inductive voltage adder
  • Figure 3 is a schematic representation of a circuit diagram of a high voltage pulse generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a circuit diagram of a high-voltage pulse generator according to a further embodiment of the present invention
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a circuit diagram of a high-voltage pulse generator according to a further embodiment of the present invention
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a method for generating high-voltage pulses according to a further embodiment of the present invention.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a circuit diagram of a high voltage pulse generator, such as an Inductive Voltage Adder, according to an embodiment of the present invention.
  • the high voltage pulse generator in this case comprises three high-voltage stages 1, 2, 3.
  • Each of these high voltage levels i comprises a high voltage source 1-i, a switchable control element 2-i and a pulse transformers ⁇ tor 3-i.
  • the high voltage sources 1-i generate a high voltage with a first voltage value Uo.
  • the first voltage value of all high voltage sources 1-i is the same.
  • the high voltage sources 1-i are connected via the controllable switching elements 2-i to the primary side of the pulse transformers ⁇ 3-i.
  • switching elements 2-i all the switching elements are possible in principle, initially borrowed, which have a sufficient withstand voltage, and a required current-carrying capacity with respect to the energy provided by the high voltage source ⁇ 1-i.
  • these may in particular also be semiconductor switching elements.
  • such a semiconductor switching element may be an insulated gate bipolar transistor (IGBT).
  • the switching elements 2-i are connected to a control scarf ⁇ tung. 5 This control circuit 5 controls all
  • Switching elements 2-i such that superimpose the output of the individual high voltage sources 1-i energies in the high voltage pulse generator.
  • the required high voltage Uo will he witnesses ⁇ by the high voltage source 1-i.
  • the high voltage voltage 1-i is charged to the ge ⁇ desired high voltage Uo.
  • the switching elements 2-i can be closed by the control circuit 5 specifically time ⁇ synchronously.
  • the high voltage Uo of the voltage sources 1-i is applied to the primary side of the pulse transformers 3-i. It starts a current IQ through the the switching elements 2-i and the pulse transformers 3-i to flow.
  • the coaxial arrangement of the conductors Hochschreibsimpulsgenera ⁇ tors in this case has an outer Leite 4-a and an inner conductor 4-b. If in this case several feeds are made in the axial direction, as shown in FIG. 3 by high-voltage stages 1, 2 and 3, for example, the distance between inner conductor 4-b and outer conductor 4-a is adjusted with each feed, in order to provide the Impedance of Koaxia ⁇ len conductor assembly 4 adapt.
  • Impedance matching ensures that the voltages in the fed-in energy add up and the current remains constant. As can be seen in FIG. 3, this requires that the distance between the inner conductor and the outer conductor increases with each feed stage following in the axial direction (x-direction).
  • a high voltage circuit 6 connects.
  • the high-voltage energy coupled into the coaxial conductor arrangement 4 can be dissipated via this high-voltage guide 6.
  • a load can be connected to the output of this high voltage rail.
  • this load may be a
  • Electroporation device act. Electroporation devices are frequently used in food or bioprocess engineering. They serve for example for inactivation of microorganisms. For such electroporation devices, high-energy high-voltage pulses are required.
  • UV, extreme UV, X-rays energy coupling in radiation sources such as electron and ion beam generators, or plasma-based sources of short-wave electromagnetic radiation (UV, extreme UV, X-rays) is possible is possible. Also conceivable is the application of high-energy electromagnetic radiation sources such as radar, discharge-fed lasers, or intense microwave radiation sources.
  • a high voltage pulse with a voltage of 250 may kV and ei ⁇ ner current of a few 10 ns are generated with a pulse duration of 1-2 ys typically by the above-described high voltage pulse generator, for example. Depending on the application, however, these values can vary greatly. So are voltage pulses also from
  • the current can vary from a few kA up to several 10 kA.
  • the voltage level of the high voltage pulses can be varied within a wide range by selecting the high voltage pulse stages used. Typically provides this every single voltage level ⁇ a post from a few kV to a few 10 kV and more.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a high-voltage pulse generator according to the invention.
  • Couplings of high voltage sources via corresponding im- Pulse transformers are preferably equidistant azimuthally distributed on the outer conductor 4-a. Preferably be effected in all couplings on separa ⁇ th pulse transformers.
  • Each of the pulse transformers is preferably fed by a separate high voltage source.
  • the inventive transformation of the primary-side high voltage Uo to the higher secondary-sideistsni ⁇ veau Ui a high voltage pulse can be coupled with a relatively high voltage in the coaxial conductor assembly 4, wherein the switching element 2-i on the primary side of the pulse transformer 3-i only one must have lower dielectric strength.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a high-voltage pulse generator according to the invention.
  • a plurality of switching elements are arranged in parallel. Thus distributed on the primary side of the current to be flowed to all the switching elements of a voltage level.
  • each of the switching elements used need only have a simple withstand voltage corresponding to the high tension voltage sources ⁇ 1-i.
  • Such a parallel connection of a plurality of semiconductor switches can be realized much easier than a series circuit of semiconductor switches to increase the voltage resistance.
  • FIG. 6 shows a method 100 for generating high voltage pulses in a high voltage pulse generator.
  • a high-voltage pulse generator with a coaxial conductor arrangement is provided in step 110, into which a high-voltage pulse is coupled via at least one high-voltage stage.
  • Step 120 provides a Hochwoodsquel ⁇ le a first high voltage ready, which is transformed in step 130 of ei ⁇ nem pulse transformer in a second high voltage.
  • the transformed second high voltage is coupled into the coaxial conductor arrangement.
  • the present invention relates to a high voltage pulse generator, wherein the high voltage pulses provided be transformed via a transformation network at a higher voltage level before the high ⁇ voltage pulses in a coaxial conductor arrangement

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft einen Hochspannungsimpulsgenerator, bei dem die bereitgestellten Hochspannungsimpulse über ein Transformationsnetzwerk (3-i) auf ein höheres Spannungsniveau transformiert werden, bevor die Hochspannungsimpulse in eine koaxiale Leiteranordnung (4) eingekoppelt werden, in der sich die einzelnen Hochspannungsimpulse überlagern. Durch dieses Transformationsnetzwerk (3-i) ist es möglich, die Schaltvorgänge im Hochspannungsimpulstransformator auf einem niedrigeren Spannungsniveau auszuführen und somit Schaltelemente (2-i) mit geringerer Spannungsfestigkeit einzusetzen.

Description

Beschreibung
Hochspannungsimpulsgenerator und Verfahren zum Erzeugen von Hochspannungsimpulsen
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochspannungsimpuls¬ generator und ein Verfahren zum Erzeugen von Hochspannungsimpulsen in einem Hochspannungsimpulsgenerator. Stand der Technik
Hochspannungs- und Hochleistungsimpulse im Bereich von eini¬ gen Kilowatt bis zu mehreren hundert Terrawatt werden auf dem Gebiet der Leistungselektronik sowohl für wissenschaftliche Zwecke, als auch für industrielle Anwendungen genutzt. Die dabei erzeugten Energieimpulse haben üblicherweise eine Im¬ pulsdauer im Bereich von wenigen Pikosekunden bis zu einigen Millisekunden. Im industriellen Bereich finden solche Pulsgeneratoren beispielsweise Anwendung zur Sterilisation von Früchten, Milchprodukten und vielen mehr. In einer typischen Anwendung für die Elektroporation werden beispielsweise Pulse mit einer Spannung von 250 kV, Strömen von einigen 10 kA mit einer Pulsdauer von 1-2 ys erzeugt. Solche Pulse können beispielsweise mittels eines Inductive Voltage Adder erzeugt werden, wie er in Figur 1 dargestellt ist. Hierbei handelt es sich um eine koaxiale Leiteranordnung aus einem Außenleiter 11 und einem Innenleiter 12. Um diese koaxiale Leiteranordnung sind mehrere Spannungsquellen 21-i bis 26-i angeordnet. In dem dargestellten Beispiel handelt es sich um einen sechsstufigen Inductive Voltage Adder (IVA) . Die sechs Stufen sind dabei axial, also in x-Richtung neben¬ einander angeordnet. Jede dieser Stufen kann dabei durch eine oder mehrere parallel geschaltete Spannungsquellen gespeist werden. Im dargestellten Beispiel wird jede Stufe durch zwei Spannungsquellen, zum Beispiel 21-1 und 21-2 gespeist. Diese einzelnen Spannungsquellen sind dabei azimutal, vorzugsweise äquidistant um den koaxialen Innenleiter angeordnet. Zur Er- zeugung eines Energieimpulses geben dabei alle Spannungsquel¬ len 21-i bis 26-i zeitlich synchronisiert einen Energieimpuls ab. Diese Energieimpulse wandern daraufhin als elektromagne¬ tische Welle in die Kavität 13 des koaxialen Leiters zwischen Außenleiter 11 und Innenleiter 12. Dabei addieren sich die Spannungen der axial nebeneinander angeordneten Spannungsquellen. Bei n nebeneinander angeordneten Spannungsquellen mit der Ausgangsspannung Uo ergibt sich somit ein Spannungs¬ impuls der Gesamtspannung n x Uo . Im in Figur 1 dargestellten Beispiel erhält man somit einen Spannungspuls der sechsfachen Spannung einer einzelnen Spannungsquelle.
Figur 2 zeigt schematisch das Schaltbild gemäß dem Grundprinzip eines IVA. Durch eine serielle Anordnung in den Spannungsquellen 21-i bis 26-i lassen sich die Impulsleitungen als Spannungsvervielfachungsschaltungen realisieren. Dabei wird der positive Leiter der einen Leitung mit der negativen Leitung der darauffolgenden Stufe verbunden. Damit bei der alternierenden Verbindung der Leiter kein Kurzschluss entsteht, muss die Verbindung für die Dauer des Impulses iso¬ liert sein. In der Praxis lässt sich dies mit Hilfe von aus¬ reichend langen Übertragungsleitungen oder über die Kopplung mit hinreichend hohen Koppelinduktivitäten erreichen. Entsprechend Figur 1 wird dies bei einem IVA durch die magneti¬ schen Kerne 31-36 erzielt. Hierdurch wird die relative Per¬ meabilität in diesem Abschnitt stark vergrößert, wodurch sich die Impedanz in der Verbindung erhöht und sich auf diese Weise ein Kurzschluss vermeiden lässt. Für eine Überlagerung der Hochspannungsimpulse innerhalb der Kavität 13 müssen die Spannungsquellen 21-1, 21-2 bis 26-1, 26-2 sehr präzise zeitlich synchronisiert ihren Energieimpuls abgeben. Hierzu ist jede Spannungsquelle mit einem Schaltele¬ ment ausgestattet, das es erlaubt, die gewünschte Hochspan- nung genau zum gewünschten Zeitpunkt in die Kavität 13 des IVA einzukoppeln . Bei diesen Schaltelementen kann es sich beispielsweise um Gasentladungsschalter oder aber auch um spannungsfeste Halbleiterschalter handeln. Gasentladungs- Schalter besitzen eine relativ große Spannungsfestigkeit. Halbleiterschalter dagegen weisen im Vergleich zu Gasentladungsschaltern eine höhere Lebensdauer auf und erfordern einen geringeren Serviceaufwand als Gasentladungsschalter.
Die begrenzte Spannungsfestigkeit von Halbleiterschaltern be- einflusst dabei wesentlich den Aufbau eines IVA. Derzeit ver¬ fügbare kommerzielle Halbleiterschalter besitzen eine Durch- bruchspannung von maximal 6,5 kV. Für die Praxis ergibt sich somit eine maximale Betriebsspannung von etwa 4,5 kV. Diese
Betriebsspannung liegt deutlich unterhalb der für den Betrieb eines typischen IVA erforderlichen Hochspannung von beispielsweise 250 kV. Um dennoch einen Hochspannungsimpuls mit der gewünschten Ausgangsspannung zu erhalten, sind grundsätz- lieh zwei Ansätze möglich. Einerseits kann durch eine ent¬ sprechende Erhöhung der Anzahl von sequentiell angeordneten Spannungsstufen des IVA die resultierende Ausgangsspannung gesteigert werden. Ferner kann die Spannungsfestigkeit der Schaltelemente auch durch eine Reihenschaltung der Halblei- terschalter gesteigert werden.
Durch die Steigerung der sequentiellen Spannungsstufen erhöhen sich die Anzahl der erforderlichen Komponenten und das Volumen des Gesamtsystems, was zu einer signifikanten Kosten- Steigerung führt. Bei einer Reihenschaltung von mehreren diskreten Halbleiterschaltern kann die Spannungsfestigkeit für das Schaltelement ebenfalls erhöht werden. In der Praxis ist jedoch bei einer solchen Reihenschaltung mehrerer Halbleiterschalter ein aufwändiges Symmetrisierungsnetzwerk erforder- lieh, welches die Schaltungskomplexität erhöht und somit die Verluste und die Kosten des Gesamtsystems ebenfalls steigert.
Es besteht daher ein Bedarf nach einem vereinfachten und kostengünstigen Aufbau für einen Hochspannungsimpulsgenerator mit Halbleiterschaltelementen.
Offenbarung der Erfindung Gemäß eines Aspektes schafft die vorliegende Erfindung einen Hochspannungsimpulsgenerator mit einer koaxialen Leiteranordnung, in die über mindestens eine Hochspannungsstufe ein Hochspannungsimpuls eingekoppelt wird, wobei die Hochspan- nungsstufe eine Hochspannungsquelle, ein schaltbares Steuer¬ element und einen Impulstransformator umfasst.
Gemäß eines weiteren Aspekts schafft die vorliegende Erfin¬ dung ein Verfahren zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen in einem Hochspannungsimpulsgenerator mit einer koaxialen Leiteranordnung, in die über mindestens eine Hochspannungsstufe ein Hochspannungsimpuls eingekoppelt wird, wobei die Hoch¬ spannungsstufe einen von eine Hochspannungsquelle bereitge¬ stellte erste Hochspannung in eine zweite Hochspannung trans- formiert und die transformierte zweite Hochspannung in die koaxiale Leiteranordnung einkoppelt.
Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, in einem Hochspannungsimpulsgenerator zunächst eine im Vergleich zur der Spannung einer Spannungsstufe relativ geringe Hochspannung zu erzeugen, diese relativ geringe Hochspannung daraufhin über einen geeigneten Transformator auf ein höheres Spannungsniveau zu transformieren, und die transformierte Hochspannung in den Hochspannungsimpulsgenerator einzuspeisen. Dabei kön- nen die Schaltvorgänge im Impulsgenerator auf der Primärseite des Transformators ausgeführt werden. Da auf dieser Primär¬ seite das Spannungsniveau geringer ist als auf der Sekundär¬ seite des Transformators, können die Schaltelemente mit ent¬ sprechend geringerer Spannungsfestigkeit verwendet werden.
Aufgrund des geringeren Spannungsniveaus auf der Primärseite des Transformators können somit auch sehr gut Halbleiter¬ schalter eingesetzt werden, die im Vergleich zu Gasentladungsschaltern zwar eine geringere Spannungsfestigkeit besit- zen, dafür aber weniger Serviceaufwand erfordern und eine höhere Lebensdauer besitzen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Halbleiterschalter zwar eine relativ geringe Spannungsfestigkeit besitzen, je¬ doch eine sehr große Stromtragfähigkeit aufweisen, die bei konventionellem Einsatz in der Regel nicht ausgeschöpft wird. Durch geeignete Dimensionierung des Transformators in dem erfindungsgemäßen Hochspannungsimpulsgenerator können somit Strom und Spannung gut auf den Arbeitsbereich des verwendeten Halbleiter-Schaltelementes der Hochspannungsstufe angepasst werden. Das Schaltelement kann daher in einem optimalen Ar- beitsbereich betrieben werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Impulstransformator dazu ausgelegt, eine von der Hochspannungsquelle bereitgestellte erste Hochspannung in eine zweite Hochspannung zu transformieren und die transformierte zweite Hochspannung in die koa¬ xiale Leiteranordnung einzukoppeln . Vorzugsweise ist dabei die erste Hochspannung auf der Primärseite des Impulstrans¬ formators geringer als die zweite Hochspannung auf der Sekundärseite des Impulstransformators. Durch eine geeignete Di¬ mensionierung des Impulstransformators ist es dabei möglich Hochspannungsimpulse mit einer gewünschten hohen Hochspannung zu generieren und dabei auf der Primärseite des Impulstrans¬ formators einer geringeren Spannungsfestigkeit der verwende¬ ten Steuerelemente Rechnung zu tragen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das steuerbare Schaltelement ein Halbleiterschalter. Halbleiterschalter sind besonders langlebige und servicearme Schaltelemente mit hoher Strom¬ tragfähigkeit. Daher sind solche Halbleiterschalter für eine Steuerung eines erfindungsgemäßen Hochspannungsimpulsgenera¬ tors besonders geeignet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das steuerbare Schaltelement eine Mehrzahl von parallel geschalteten Halb- leiterschaltelementen . Durch die Parallelschaltung mehrerer
Halbleiterschalter kann die Stromtragfähigkeit des Schaltele¬ ments noch weiter gesteigert werden. Somit können besonders energiereiche Hochspannungsimpulse erzeugt werden. Gemäß einer Ausführungsform beträgt die erste Hochspannung auf der Primärseite des Impulstransformators maximal 6,5 kV, vorzugsweise maximal 4,5 kV. Durch die Beschränkung der pri- märseitigen Hochspannung auf diese Werte kann die Spannungs¬ festigkeit von Halbleiterschaltern eingehalten werden.
Eine Ausführungsform umfasst eine Mehrzahl von Hochspannungs¬ stufen, die an einer axialen Position azimutal voneinander beabstandet jeweils einen Hochspannungsimpuls in die koaxiale Leiteranordnung einkoppeln. Hierdurch kann die eingekoppelte Energie erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Mehrzahl von Hochspannungsstufen, die axial beabstandet Hochspannungsimpulse in die koaxiale Leiteranordnung eingekoppelt. Hierdurch addieren sich die eingekoppelten Spannungen woraus eine erhöhte Ausgangsspannung resultiert. Gemäß einer Ausführungsform werden die steuerbaren Schaltelemente der verschiedenen Hochspannungsquellen zeitsynchron durch eine Steuerschaltung geschaltet. Durch eine solche Steuerschaltung ist es möglich, alle Schaltelemente der einzelnen Hochspannungsstufen zu synchronisieren und somit die Energieabgabe der einzelnen Stufe so zu steuern, dass sich die Hochspannungsimpulse korrekt addieren.
Gemäß einer Ausführungsform wird die koaxiale Leiteranordnung eingekoppelte Hochspannung über eine Hochspannungsführung an eine Last abgeleitet. Auf diese Weise ist es möglich, den er¬ zeugten Hochspannungsimpuls gezielt abzugeben.
In einer Ausführungsform ist die Last eine
ElektroporationsVorrichtung .
In einer weiteren Ausführungsform ist die Last eine Anordnung zur Erzeugung von kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, Elektronen- oder Ionenstrahlen. In noch einer weiteren Ausführungsform ist die Last eine Anordnung zur elektrodynamischen oder elektrohydraulischen Zerkleinerung von mineralischen und/oder biologischen Stoffen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Aus¬ führungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläu- tert.
Es zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines Inductive
Voltage Adder;
Figur 2 : schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Inductive Voltage Adders;
Figur 3 : eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Hochspannungsimpulsgenerators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 : eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Hochspannungsimpulsgenerators gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 5 : eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Hochspannungsimpulsgenerators gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 6: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung . Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Hochspannungsimpulsgenerators, wie beispielsweise eines Inductive Voltage Adders, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Hochspannungsimpulsgenerator um- fasst dabei drei Hochspannungsstufen 1, 2, 3. Jede dieser Hochspannungsstufen i umfasst eine Hochspannungsquelle 1-i, ein schaltbares Steuerelement 2-i und einen Impulstransforma¬ tor 3-i. Die Hochspannungsquellen 1-i erzeugen dabei eine Hochspannung mit einem ersten Spannungswert Uo . Vorzugsweise ist der erste Spannungswert aller Hochspannungsquellen 1-i dabei gleich. Die Hochspannungsquellen 1-i sind über die steuerbaren Schaltelemente 2-i mit der Primärseite der Im¬ pulstransformatoren 3-i verbunden. Als Schaltelemente 2-i sind dabei zunächst grundsätzlich alle Schaltelemente mög- lieh, die eine ausreichende Spannungsfestigkeit, sowie eine erforderliche Stromtragfähigkeit bezüglich der von der Hoch¬ spannungsquelle 1-i bereitgestellten Energie aufweisen. Dabei kann es sich neben bekannten Gasentladungsfunkenstrecken insbesondere auch um Halbleiterschaltelemente handeln. Bei- spielsweise kann es sich bei einem solchen Halbleiterschalt¬ element um einen Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode (IGBT) handeln.
Zur gezielten und zeitsynchronen Ansteuerung aller Schaltele- mente 2-i sind die Schaltelemente 2-i mit einer Steuerschal¬ tung 5 verbunden. Diese Steuerschaltung 5 steuert alle
Schaltelemente 2-i derart an, dass sich die von den einzelnen Hochspannungsquellen 1-i abgegebenen Energien in dem Hochspannungsimpulsgenerator überlagern .
Zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses wird durch die Hochspannungsquelle 1-i die erforderliche Hochspannung Uo er¬ zeugt. Hierzu wird die Hochspannungsspannung 1-i auf die ge¬ wünschte Hochspannung Uo aufgeladen. Anschließend können die Schaltelemente 2-i durch die Steuerschaltung 5 gezielt zeit¬ synchron geschlossen werden. Daraufhin liegt an der Primärseite der Impulstransformatoren 3-i die Hochspannung Uo der Spannungsquellen 1-i an. Es beginnt ein Strom IQ durch die die Schaltelemente 2-i und die Impulstransformatoren 3-i zu fließen .
Jeder der Impulstransformatoren 3-i besitzt dabei vorzugswei- se ein identisches Übertragungsverhältnis von l:n. Das heißt, wenn an der Primärseite die Eingangsspannung Uo anliegt, so liegt an dem Impulstransformator 3-i eine sekundärseitige LeerlaufSpannung von Ui = n · Uo an. Die sekundärseitige Aus¬ gangsspannung Ui der Impulstransformatoren 3-i wird daraufhin in eine koaxiale Leiteranordnung 4 des Hochspannungsimpulsge¬ nerators eingespeist. Hierzu kann beispielsweise die von den Impulstransformatoren 3-i bereitgestellte Energie über einen Bandleiter in die koaxiale Leiteranordnung 4 eingekoppelt werden .
Die koaxiale Leiteranordnung des Hochspannungsimpulsgenera¬ tors weist dabei einen Außenleite 4-a und einen Innenleiter 4-b auf. Werden dabei in axiale Richtung mehrere Einspeisun- gen vorgenommen, wie dies in Figur 3 beispielsweise durch die Hochspannungsstufen 1, 2 und 3 dargestellt ist, so wird mit jeder Einspeisung der Abstand zwischen Innenleiter 4-b und Außenleiter 4-a angepasst, um somit die Impedanz der koaxia¬ len Leiteranordnung 4 anzupassen. Durch diese
Impedanzanpassung wird erreicht, dass sich bei der einge- speisten Energie jeweils die Spannungen addieren und dabei die Stromstärke konstant bleibt. Wie in Figur 3 zu sehen ist, ist es hierzu erforderlich, da sich mit jeder sich in axiale Richtung (x-Richtung) anschließenden Einspeisestufe der Abstand zwischen Innenleiter und Außenleiter vergrößert.
Am ausgangsseitigen Ende der koaxialen Leiteranordnung 4 schließt sich, wie in Figur 3 rechts dargestellt, eine Hoch¬ spannungsführung 6 an. Über diese Hochspannungsführung 6 kann die in die koaxiale Leiteranordnung 4 eingekoppelte Hochspan- nungsenergie abgeführt werden. Am Ausgang dieser Hochspannungsführung kann eine Last angeschlossen werden. Beispielsweise kann es sich bei dieser Last um eine
ElektroporationsVorrichtung handeln . Elektroporationsvorrichtungen werden häufig in der Lebensmittel- oder Bioverfahrenstechnik eingesetzt. Sie dienen beispielsweise zur Inaktivierung von Mikroorganismen. Für solche Elektroporationsvorrichtungen sind energiereiche Hochspannungsimpulse erforderlich.
Es sind aber auch andere Anwendungen möglich. Beispielsweise ist auch eine Fragmentierung von mineralischen oder biologi- sehen Feststoffen denkbar. Auch Anwendungen bei der eine
Energieeinkopplung in Strahlungsquellen wie Elektronen- und Ionenstrahlenerzeugern, oder plasmabasierten Quellen kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung (UV-, extrem-UV-, Röntgenstrahlung) erfolgt, ist möglich. Ebenso denkbar ist die Anwendung bei hochenergetischen elektromagnetischen Strahlungsquellen wie Radar, bei entladungsgespeisten Lasern, oder bei intensiven Mikrowellenstrahlungsquellen.
Zum Betrieb einer Elektroporationsvorrichtung oder einer an- deren oben beschriebenen Last kann durch den zuvor beschriebenen Hochspannungsimpulsgenerator beispielsweise ein Hochspannungsimpuls mit einer Spannung von typisch 250 kV und ei¬ ner Stromstärke von einigen 10 kA mit einer Pulsdauer von 1-2 ys erzeugt werden. Je nach Anwendungsfall können diese Werte jedoch stark variieren. So sind Spannungsimpulse auch von
0,05ys - 50ys möglich. Die Stromstärke kann von einigen wenigen kA bis zu mehreren 10 kA variieren. Die Spannungshöhe der Hochspannungsimpulse kann dabei durch Wahl der verwendeten Hochspannungsimpulsstufen in einem breiten Bereich variiert werden. Üblicherweise liefert dabei jede einzelne Spannungs¬ stufe einen Beitrag von einigen wenigen kV bis hin zu einigen 10 kV und mehr.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungs- gemäßen Hochspannungsimpulsgenerators. Zur Steigerung der
Energie pro Spannungsstufe des Hochspannungsimpulsgenerators erfolgt hierzu an einer axialen Position x mehrere
Einkopplungen von Hochspannungsquellen über entsprechende Im- pulstransformatoren . Hierzu erfolgt die Einkopplung in jeder Spannungsstufe vorzugsweise äquidistant azimutal verteilt am Außenleiter 4-a. Vorzugsweise erfolgen hierbei alle Einkopplungen über separa¬ te Impulstransformatoren. Jeder der Impulstransformatoren wird dabei bevorzugt von einer separaten Hochspannungsquelle gespeist . Durch die erfindungsgemäße Transformation der primärseitigen Hochspannung Uo auf das höhere sekundärseitige Spannungsni¬ veau Ui kann ein Hochspannungsimpuls mit einer relativ hohen Spannung in die koaxiale Leiteranordnung 4 eingekoppelt werden, wobei das Schaltelement 2-i auf der Primärseite des Im- pulstransformators 3-i nur eine geringere Spannungsfestigkeit aufweisen muss. Somit ist es möglich, in den Hochspannungsimpulsgenerator Spannungsimpulse mit einer sehr hohen Spannung einzukoppeln und dabei gleichzeitig die Schalt- und Steuer¬ vorgänge in dem Hochspannungsimpulsgenerator durch Schaltele- mente 2-i mit einer deutlich niedrigeren Spannungsfestigkeit aus zuführen .
Da bei einer Transformation durch die Impulstransformatoren 3-i das Verhältnis der Stromstärken umgekehrt proportional zum Verhältnis der transformierten Spannungen ist, muss auf der Primärseite der Impulstransformatoren 3-i eine entsprechend höhere Stromstärke bereitgestellt werden. Bei dem zuvor beschriebenen Übertragungsverhältnis von l:n muss daher für eine sekundärseitige Stromstärke von I i auf der Primärseite die n-fache Stromstärke I o = I i ' n durch die Spannungsquelle 1-i bereitgestellt werden. Darüber hinaus müssen auch die Schaltelemente 2-i eine entsprechend große Stromtragfähigkeit von I o = I i · n aufweisen. Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungs¬ gemäßen Hochspannungsimpulsgenerators. Zur Vergrößerung der Stromtragfähigkeit der Schaltelemente 2-i sind dabei jeweils mehrere Schaltelemente parallel angeordnet. Somit verteilt sich auf der Primärseite der zu fließende Strom auf alle Schaltelemente einer Spannungsstufe.
In diesem Fall muss jedes der verwendeten Schaltelemente nur die einfache Spannungsfestigkeit entsprechend der Hochspan¬ nungsquellen 1-i aufweisen. Eine solche Parallelschaltung von mehreren Halbleiterschaltern lässt sich deutlich einfacher realisieren, als eine Reihenschaltung von Halbleiterschaltern zur Erhöhung der Spanungsfestigkeit.
Figur 6 zeigt ein Verfahren 100 zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen in einem Hochspannungsimpulsgenerator. Hierzu wird in Schritt 110 ein Hochspannungsimpulsgenerator mit einer koaxialen Leiteranordnung bereitgestellt, in die über mindestens eine Hochspannungsstufe ein Hochspannungsimpuls eingekoppelt wird. Schritt 120 stellt eine Hochspannungsquel¬ le eine erste Hochspannung bereit, die in Schritt 130 von ei¬ nem Impulstransformator in eine zweite Hochspannung transformiert wird. In Schritt 140 wird die transformierte zweite Hochspannung in die koaxiale Leiteranordnung eingekoppelt.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Hochspannungsimpulsgenerator, bei dem die bereitgestellten Hochspannungsimpulse über ein Transformationsnetzwerk auf ein höheres Spannungsniveau transformiert werden, bevor die Hoch¬ spannungsimpulse in eine koaxiale Leiteranordnung
eingekoppelt werden, in der sich die einzelnen Hochspannungs¬ impulse überlagern. Durch dieses Transformationsnetzwerk ist es möglich, die Schaltvorgänge im Hochspannungsimpulstrans- formator auf einem niedrigeren Spannungsniveau auszuführen und somit Schaltelemente mit geringerer Spannungsfestigkeit einzusetzen .

Claims

Patentansprüche
1. Hochspannungsimpulsgenerator mit einer koaxialer Leiteranordnung (4), in die über mindestens eine Hochspannungsstufe ein Hochspannungsimpuls eingekoppelt wird, wobei die Hochspannungsstufe eine Hochspannungsquelle (1-i), ein schaltbares Steuerelement (2-i) und einen Im¬ pulstransformator (3-i) umfasst.
2. Hochspannungsimpulsgenerator nach Anspruch 1, wobei der Impulstransformator (3-i) dazu ausgelegt ist, eine von der Hochspannungsquelle (1-i) bereitgestellte erste Hochspannung in eine zweite Hochspannung zu transformieren und die transformierte zweite Hochspannung in die koaxiale Leiteranordnung (4) einzukoppeln .
3. Hochspannungsimpulsgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das steuerbare Schaltelement (2-i) ein Halbleiterschaltelement ist.
4. Hochspannungsimpulsgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das steuerbare Schaltelement (2-i) eine Mehrzahl von parallel geschalteten Halbleiterschal¬ tern umfasst.
5. Hochspannungsimpulsgenerator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die erste Hochspannung maximal 6,5 kV, vor¬ zugsweise maximal 4,5 kV beträgt.
6. Hochspannungsimpulsgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, der eine Mehrzahl von Hochspannungsstufen umfasst, die an mehreren azimutal beabstandeten Positio¬ nen jeweils einen Hochspannungsimpuls in die koaxiale Leiteranordnung (4) einkoppeln.
7. Hochspannungsimpulsgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, der eine Mehrzahl von Hochspannungsstufen umfasst, die an mehreren axial beabstandeten Positionen jeweils einen Hochspannungsimpuls in die koaxiale Lei¬ teranordnung (4) einkoppeln.
8. Hochspannungsimpulsgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die steuerbaren Schaltelemente (2- i) der verschiedenen Hochspannungsquellen zeitsynchron durch eine Steuerschaltung (5) geschaltet werden.
9. Hochspannungsimpulsgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die in koaxiale Leiteranordnung (4) eingekoppelte Hochspannung über eine Hochspannungs¬ führung (6) an eine Last abgeleitet wird.
10. Hochspannungsimpulsgenerator nach Anspruch 9, wobei die Last eine Elektroporationsvorrichtung ist.
11. Hochspannungsimpulsgenerator nach Anspruch 9, wobei die Last eine Anordnung zur Erzeugung von kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, Elektronen- oder Ionenstrahlen ist.
12. Hochspannungsimpulsgenerator nach Anspruch 9, wobei die Last eine Anordnung zur elektrodynamischen oder elektro- hydraulischen Zerkleinerung von mineralischen und/oder biologischen Stoffen ist.
13. Verfahren (100) zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen in einem Hochspannungsimpulsgenerator mit einer koaxialer Leiteranordnung (4), in die über mindestens eine Hochspannungsstufe ein Hochspannungsimpuls eingekoppelt wird, wobei die Hochspannungsstufe eine von einer Hoch¬ spannungsquelle (1-i) bereitgestellte erste Hochspannung in eine zweite Hochspannung transformiert und die trans¬ formierte zweite Hochspannung in die koaxiale Leiteran¬ ordnung (4) einkoppelt.
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