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Die
Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung eines Spannungspulses
mit einem Impuls-Generator, ein Verfahren zur Steuerung und deren
Verwendung.
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Marx-Generatoren
dienen der Erzeugung von transienten Impulsspannungen sehr kurzer
Zeitdauer und hoher Amplitude. Marx-Generatoren basieren auf der
Idee, eine große Anzahl an Kondensatoren parallel mit Gleichspannung
auf den Wert einer Stufenspannung aufzuladen und diese dann schlagartig
in Reihe zu schalten. Beim Aufladen der parallelgeschalteten Kondensatoren
addieren sich die Ladeströme, bei der anschließenden
Reihenschaltung addieren sich – wie gewünscht – die
Spannungen über den Kondensatoren.
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Beispielsweise über
einen Transformator und einen entsprechend bemessenen Gleichrichter wird
eine Ladespannung zur Verfügung gestellt. Sie lädt über
einen Ladewiderstand und/oder eine Ladespule eine Stoßkapazität
auf. Dieser Ladevorgang erfolgt in der Regel relativ langsam im
Bereich von einigen Sekunden. Die Spannung am Stoßkondensator
folgt hierbei einer e-Funktion und erreicht nach praktisch 5τ ihren
quasistationären Endwert. Eine Funkenstrecke ist so eingestellt,
dass sie beim quasistationären Endwert der Spannung gerade
noch nicht durchschlägt. Über geeignete Zündeinrichtungen
kann nach einer beliebig wählbaren Zeit die Funkenstrecke
zum Überschlag gebracht werden. In diesem Augenblick stellt
die Funkenstrecke einen geschlossenen Schalter dar. Der zeitliche
Verlauf der abgegebenen Stoßspannung wird über
die Bauteilwerte des Generators, sowie über die elektrischen Werte
der Last bestimmt.
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Mit
einer einstufigen Stoßschaltung, die auch als Zelle bezeichnet
werden kann, kann an der Last keine höhere Spannung erzielt
werden als die Ladespannung. Für die benötigten
Stoßspannungen verwendet man in Hochspannungsanlagen deshalb stets
eine mehrstufige Anordnung mehrerer Zellen in Marx-Schaltung.
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Ein
derartiger Marx-Generator ist aus der
DE 103 20 425 A1 bekannt.
Dieser Marx-Generator weist eine Anzahl n Stoßkondensatoren
auf, wobei die Stoßkondensatoren auch als Stufenkondensatoren bezeichnet
werden können. Es wird in der
DE 103 20 425 A1 eine Trigger-/Zündeinrichtung
an dem aus n Stufenkondensatoren – n ist natürlich
und größer 1 – gleich vielen Schaltern/Funkenstrecken
und 2(n – 1) Ladezweigen bestehenden Marx-Generator vorgeschlagen,
wobei dessen Funkenstrecken im Selbstdurchbruch arbeiten. Die Trigger-/Zündeinrichtung besteht
aus mindestens einem an einen Impulsgenerator angeschlossenen Impulsübertrager.
In mindestens einem der Ladezweige des Marx-Generators wird zeitbestimmt
kurzfristig eine zum Selbstdurchbruch reichende Überspannung
an der anliegenden Funkenstrecke erzeugt. Der Ladezweig überbrückt mit
dem zugeordneten Stufenkondensator die Funkenstrecke, außer
der ausgangsseitigen. Die Ausgangswicklung des Impulsübertragers
wirkt während des Ladens als Ladespule/-induktivität,
die Eingangswicklung ist an den Impulsgenerator angeschlossen. Der
mit diesem Impulsübertrager beim Zünden/Triggern
des Impulsgenerators erzeugte Spannungsimpuls addiert sich zur Ladespannung des
zugeordneten Stufenkondensators und erzeugt kurzfristig die notwendige Überspannung
zum Selbstdurchbruch der anliegenden Funkenstrecke.
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Über
die Ladegleichspannung werden alle n Stufenkondensatoren der Zellen
gleichzeitig aufgeladen. Spulen können hierbei den Ladestrom
begrenzen. Die Schlagweiten der Funkenstrecken sind so gewählt,
dass die Strecken bei Erreichen der maximalen Ladespannung gerade
noch nicht durchschlagen. Sind alle Stoßkondensatoren auf
ihren quasistationären Endwert der Spannung aufgeladen,
erfolgt die Zündung an der ersten Funkenstrecke. An der
nächsten Funkenstrecke steht nunmehr bereits eine doppelt
so hohe Spannung an, nämlich die doppelte Ladespannung,
so dass diese ebenfalls zünden wird. Innerhalb extrem kurzer
Zeit zünden auf diese Weise alle Funkenstrecken, so dass
an der Last die n-fache Stufenspannung abfällt.
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Der
Erfindung liegt die erste Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Ansteuerung
eines Impuls-Generators anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand
von abhängigen Ansprüchen.
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Demzufolge
ist ein Verfahren zur Steuerung eines Impuls-Generators mit mehreren
Zellen vorgesehen. Ein derartiger Impuls-Generator ist vorteilhafterweise
ein Marx-Generator. Es können jedoch auch andere Impuls-Generatoren
mit anders verschalteten Zellen verwendet werden. Der Impuls-Generator
ist zur Erzeugung eines Impulses mit einer Leistung größer
einem Mega-Watt ausgebildet.
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Jede
Zelle weist jeweils einen steuerbaren Halbleiterschalter und einen
Kondensator zur Erzeugung eines Spannungspulses durch Reihenschaltung
und/oder Parallelschaltung der Kondensatoren mittels der Halbleiterschalter
auf. Die Kondensatoren werden bei einem Marx-Generator auch als
Stufenkondensatoren bezeichnet. Als Halbleiterschalter eignen sich
beispielsweise IGBTs, DMOS-FETs, GTOs, Thyristoren oder dergleichen.
Vorzugsweise sind die Halbleiterschalter abschaltbar. Es können dabei
einer oder mehrere Halbleiterschalter pro Zelle vorgesehen sein.
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Es
ist eine Reihenschaltung eine Parallelschaltung oder eine Kombination
aus Reihenschaltung und Parallelschaltung der Kondensatoren möglich.
Dabei ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass sich bei einer Reihenschaltung
die Kondensatorspannungen addieren. Vorteilhafterweise addieren sich
bei einer Parallelschaltung die Entladungsströme. Zur Parallelschaltung
können beispielsweise alle Entladungsströme aus
den Kondensatoren in einen Stromknoten fließen. Bevorzugt
addieren sich die Entladungsströme durch Addition der durch
sie erzeugten magnetischen Flussdichte in einem Pulstransformator.
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Das
Verfahren kann beispielsweise in einer festverdrahteten Programmroutine
(ROM) oder in einem programmierbaren Speicher (EEPROM) als Software
ausgebildet sein.
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Das
Verfahren weist die Schritte auf:
Messen jeweils einer Einschalt-Zeitdifferenz
für jede Zelle. Zur Zeitmessung kann dabei ein Zeitzähler
verwendet werden, der auch als Timer bezeichnet wird. Reale Zeitzähler
haben dabei eine zeitliche Auflösung. Die Einschalt-Zeitdifferenz
für jede Zelle wird zwischen einem Einschaltsignal und
einer Systemantwort gemessen. Dabei bildet das Einschaltsignal den
Startpunkt und das Eintreffen der Systemantwort den Endpunkt der
Zeitmessung. Der Begriff Systemantwort wird auch als Impulsantwort,
Gewichtsfunktion oder Sprungantwort bezeichnet. Sie ist das Ausgangssignal
eines eindimensionalen zeitinvarianten Systems, dem am Eingang ein
Impuls oder Sprung – in diesem Verfahrensschritt als Einschaltsignal – zugeführt
wird.
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Das
Einschaltsignal ist zum Schalten des jeweiligen Halbleiterschalters
der korrespondierenden Zelle in den leitenden Zustand ausgebildet.
Beispielsweise ist das Einschaltsignal eine steigende Flanke. Alternativ
könnte auch eine fallende Flanke als Einschaltsignal verwendet
werden.
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Die
Systemantwort ist vom Schalten in den leitenden Zustand abhängig.
Der leitende Halbleiterschalter verbindet die Ladungsspannung des
Kondensators mit dem Ausgang an dem beispielsweise ein signifikanter
Verlauf der Ausgangsspannung als Systemantwort ausgewertet werden
kann.
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Ein
weiterer Schritt sieht das Steuern der Halbleiterschalter der Zellen
für den Spannungspuls vor. Das Steuern der Halbleiterschalter
erfolgt dabei in Abhängigkeit von den Einschalt-Zeitdifferenzen. Das
Einschaltsignal wird für die jeweilige Zelle dabei derart
zeitversetzt erzeugt, dass die Systemantwort jeder Zelle zeitgleich
erfolgt.
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Unter
zeitgleich wird dabei eine im Rahmen insbesondere einer zeitlichen
Auslösung der Messung und einer zeitlichen Auflösung
der Steuerung erzielbare Übereinstimmung verstanden.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung sieht die zusätzlichen Schritte
vor:
Messen jeweils einer Ausschalt-Zeitdifferenz für
jede Zelle. Die Ausschalt-Zeitdifferenz wird zwischen einem Ausschaltsignal
zum Schalten des jeweiligen Halbleiterschalters der Zelle in den
sperrenden Zustand und einer von dem Schalten in den sperrenden Zustand
abhängigen Systemantwort gemessen. Das Ausschaltsignal
ist beispielsweise eine fallende Flanke. Alternativ kann auch ein
Impuls auf einer Reset-Leitung verwendet werden. Es ist möglich,
dass die Ausschalt-Zeitdifferenz einer Zelle von ihrer Einschalt-Zeitdifferenz
verschieden ist. Soll daher ein Spannungspuls mit einer definierten
Länge erzeugt werden, werden vorzugsweise die Ausschalt-Zeitdifferenzen
oder eine hiervon abgeleitete Größe gespeichert.
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Ein
Weiterer dieser zusätzlichen Verfahrensschritte sieht das
Steuern der Halbleiterschalter der Zellen für den Spannungspuls
in Abhängigkeit von den Ausschalt-Zeitdifferenzen vor.
Das Ausschaltsignal der jeweiligen Zelle wird dabei derart zeitversetzt erzeugt,
dass die vom Schalten in den sperrenden Zustand abhängige
Systemantwort jeder Zelle zeitgleich erfolgt.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass Module
mit jeweils mehreren in Reihe geschaltete Zellen zur Erzeugung des
Spannungspulses angesteuert werden. Vorzugsweise sind die Module
dabei derart gekoppelt, dass sich die Impulsleistung der Module
addiert.
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Diese
Weiterbildung des Verfahrens weist die zusätzlichen Verfahrensschritte
auf:
Messen einer Modul-Einschalt-Zeitdifferenz für
jedes Modul. Die Modul-Einschalt-Zeitdifferenz wird dabei zwischen
einem Einschaltzeitpunkt zum Erzeugen eines Strompulses des Moduls
und einer vom Strompuls abhängigen Systemantwort gemessen.
Die vom Strompuls abhängige Systemantwort ist dabei von
einer am Ausgang jedes Moduls wirkenden Impedanz abhängig.
Ein weiterer Einflussfaktor auf die vom Strompuls abhängige
Systemantwort sind elektrische Eigenschaften der Zellen des Moduls.
Die vom Strompuls abhängige Systemantwort kann beispielsweise
aus dem Verlauf des gemessenen Ausgangsstromes des Moduls ermittelt
werden. Die Modul-Einschalt-Zeitdifferenz kann beispielsweise mittels
eines Zeitzählers (Timer) gemessen werden, wobei der Zeitzähler
am Einschaltzeitpunkt gestartet und beim Eintreffen der vom Strompuls
abhängigen Systemantwort gestoppt wird.
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Vorzugsweise
wird der Einschaltzeitpunkt aus den Einschalt-Differenzen der einzelnen
Zellen des Moduls ermittelt. Wobei der Einschaltzeitpunkt vorteilhafterweise
in einem Mittenbereich zwischen der längsten Laufzeit einer
Zelle des Moduls und der kürzesten Laufzeit einer Zelle
definiert wird.
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In
einem weiteren der zusätzlichen Verfahrensschritte erfolgt
ein Steuern der Module für den Spannungspuls in Abhängigkeit
von den Modul-Einschalt-Zeitdifferenzen. Der Einschaltzeitpunkt
des jeweiligen Moduls wird dabei derart zeitversetzt erzeugt, dass
die vom Strompuls abhängige Systemantwort jedes Moduls
zeitgleich erfolgt.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die
Einschalt-Zeitdifferenzen und/oder die Ausschalt-Zeitdifferenzen und/oder
Modul-Einschalt-Zeitdifferenzen und/oder die Einschaltzeitpunkte
und/oder hiervon abhängige Größen in
einem nicht-flüchtigen Speicher in einer Tabelle gespeichert
werden. Ein nicht-flüchtiger Speicher ist beispielsweise
eine EEPROM. Vorteilhafterweise werden auch Veränderungen
der Werte gespeichert, so dass beispielsweise eine Historie für
Diagnosezwecke aus dem Speicher ausgelesen werden kann.
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Elektrische
Eigenschaften der Zellen können sich über die
Lebensdauer und Einflüsse, wie beispielsweise Temperaturschwankungen ändern.
Bevorzugt ist daher vorgesehen, dass die Schritte des Messens zyklisch
oder in einer festgelegten Abfolge, insbesondere während
einer Aufwärm-Sequenz des Systems erfolgen.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung wird eine Veränderung von elektrischen
Eigenschaften einer Komponente anhand der Messung der Systemantwort
ermittelt. Eine Komponente ist dabei jedes mögliche Bauelement
insbesondere einer der Zellen oder des Gesamtsystems des Impuls-Generators.
In Abhängigkeit von dieser Veränderung wird eine
Diagnose-Information ausgegeben. Diese Diagnose-Information ermöglicht
eine Wartung des Systems und reduziert mögliche Ausfallzeiten.
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Weiterhin
liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein System zur Erzeugung
eines Spannungspulses mit einem Marx-Generator anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch das System mit den Merkmalen des Anspruchs 7
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von
abhängigen Ansprüchen.
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Demzufolge
ist ein System zur Erzeugung eines Spannungspulses mit einem Impuls-Generator vorgesehen.
Das System weist mehrere Zellen in Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung
auf. Jede Zelle weist einen Kondensator und einen Halbleiterschalter
auf. Zur Steuerung der Halbleiterschalter ist vorteilhafterweise
ein Treiber integriert.
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Weiterhin
ist ein Steuerschaltkreis vorgesehen, der mit jeder Zelle zur Steuerung
des Halbleiterschalters verbunden ist. Die Verbindung kann dabei direkt
oder indirekt beispielsweise über Treiber und/oder eine Übertragungsstrecke
ausgebildet sein.
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Der
Steuerschaltkreis weist Mittel auf, die eingerichtet und ausgebildet
sind die nachfolgend genannten Funktionen auszuführen.
Ein derartiger Steuerschaltkreis weist als Mittel beispielsweise
einen programmierbaren Mikrocontroller auf.
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Dieser
programmierbare Mikrocontroller weist vorteilhafterweise integrierte
Teilschaltkreise zumindest für die nachfolgend genannten
vier Funktionen auf.
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Eine
erste Funktion sieht die Erzeugung eines Einschaltsignals zum Schalten
jedes einzelnen Halbleiterschalters in einen leitenden Zustand vor. Als
Halbleiterschalter können beispielsweise schaltbare Leistungsbauelemente,
wie IGBTs, DMOS-FETs oder dergleichen verwendet werden. Diese weisen
im leitenden Zustand einen geringen Einschaltwiderstand auf, so
dass die Stufenkondensatoren über den eingeschalteten Halbleiterschalter elektrisch
verbunden werden. Je nach Sicherheitsanforderungen kann das Einschaltsignal
beispielsweise aus einer einfachen Flanke oder für eine
sichere Übertragung aus einem Binärcode bestehen.
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Eine
zweite Funktion sieht die Messung jeweils einer Systemantwort für
jede einzelne Zelle vor. Dabei ist die Systemantwort vom Schalten
des Halbleiterschalters in den leitenden Zustand abhängig. Zur
Messung weisen die Mittel beispielsweise einen Analog-Digial-Umsetzer
oder einen Schwellwertschalter auf, der zur Spannungsmessung mit
einem Ausgang verbunden ist.
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Eine
dritte Funktion sieht die Messung jeweils einer Zeitdifferenz zwischen
der Erzeugung des Einschaltsignals und der Systemantwort für
jede Zelle vor. Zur Zeitmessung weisen die Mittel vorteilhafterweise
einen Zeitzähler (Timer) auf, der in Abhängigkeit
von dem Einschaltsignal gestartet und in Abhängigkeit von
der Systemantwort gestoppt werden kann.
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Eine
vierte Funktion sieht die zeitversetzte Steuerung der Halbleiterschalter
der Zellen für eine Reihenschaltung und/oder für
eine Parallelschaltung der Kondensatoren für den Spannungspuls
vor. Die zeitversetzte Steuerung erfolgt dabei in Abhängigkeit von
der jeweiligen Zeitdifferenz, so dass die Systemantwort jeder Zelle
zeitgleich ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung des Systems ist eine Mehrzahl von Modulen
mit jeweils mehreren in Reihe geschalteten Zellen vorgesehen. Dabei
sind die Ausgänge der Module zur Erzeugung des Spannungspulses
gekoppelt. Die Kopplung ist vorteilhafterweise eine elektrische
Verbindung und/oder eine kapazitive Kopplung und/oder bevorzugt
eine magnetische Kopplung mittels eines Pulstransformators. Durch
die Kopplung kann die Pulsleistung der Module addiert werden. Die
Kopplung bewirkt vorteilhafterweise eine Reihenschaltung und/oder
eine Parallelschaltung der Module.
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Eine
andere Weiterbildung des Systems sieht vor, dass der Steuerschaltkreis
zur individuellen Steuerung jedes Moduls eingerichtet ist. Vorteilhafterweise
ist der Steuerschaltkreis über eine Schnittstelle mit jedem
Modul verbunden ist. Die Schnittstelle ist für eine schnelle
Signalübertragung vorteilhafterweise eine parallele Schnittstelle.
Für eine sichere Signalübertragung wird alternativ
eine serielle Schnitte oder ein Datenbus verwendet.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass der Impuls-Generator als
Marx-Generator ausgebildet ist. Dabei sind die Zellen in Marx-Schaltung verschaltet.
Die Kondensatoren einer jeden Marx-Zelle werden auch als Stufenkondensatoren bezeichnet.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung eines zuvor erläuterten
Verfahrens oder eines zuvor erläuterten Systems für
ein Magnetron oder ein Klystron, insbesondere für medizinische
Anwendungen. Für medizinische Anwendungen ist es dabei
entscheidend einen Impuls mit einer dem idealen Rechteck möglichst
weit angenäherten Form zur erzielen. Nutzbar für
Medizinische Anwendungen ist dabei lediglich die Zeitspanne des
Plateaus des Rechtecksignals. Anstiegsverläufe, Überschwingen und
abfallende Verläufe des Spannungspulses stellen hingegen
Verluste dar. Lediglich während des Plateaus des möglichst
rechteckigen Spannungspulses lässt sich ein Elektronenstrahl
beispielsweise für ein Klystron stabil erzeugen und für
medizinische Zwecke nutzen. Eine Einstellbarkeit der zeitlichen Plateaubreite
ermöglicht die gezielte Erzeugung einer hochfrequenten
Welle zur Behandlung von Krebs, wobei die Welleneigenschaften über
die Eigenschaften des Spannungspulses an die jeweilige Krebsart
angepasst werden können.
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Die
zuvor genannten Merkmale des Verfahrens, des Systems und deren Weiterbildungen
und Ausgestaltungen können auch untereinander kombiniert
werden und/oder in Alleinstellung erfinderisch sein. Das in den
Figuren erläuterte Ausführungsbeispiel erläutert
beispielhaft eine mögliche jedoch nicht abschließende
Kombination der Merkmale.
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Im
Folgenden wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel
mittels Figuren näher erläutert.
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Dabei
zeigen
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1 ein
schematisches Blockschaltbild eines Moduls mit mehreren Zellen in
Marx-Schaltung,
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2 ein
schematisches Blockschaltbild eines Systems mit drei Modulen, einem
Steuerschaltkreis und einem Pulstransformator,
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3 ein
schematisches Flussdiagramm mit mehreren Verfahrensschritten, und
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4 schematische
Diagramme mit Schaltsignalen und Systemantworten.
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In 1 ist
ein Modul M1 mit mehreren Zellen Z11, Z12, Z13, Z14 und Z15 eines
Marxgenerators schematisch dargestellt. Jede Zelle Z11, Z12, Z13,
Z14 und Z15 des Marx-Generators weist einen Stufenkondensator C1,
C2, C3, C4 beziehungsweise C5 auf. Weiterhin weist das Modul M1
einen ersten Eingang I1+ und einen zweiten Eingang I1– zum
Anlegen einer Ladespannung auf. Mit Anlegen der Ladespannung fließt
ein Ladestrom, der die Stufenkondensatoren C1, C2, C3, C4 und C5
auflädt. Mittels der Dioden D1, D2, D3, D4, D5, D10, D20,
D30, D40 und D50 sind die Stufenkondensatoren C1, C2, C3, C4 und
C5 für die Ladung zueinander parallel geschaltet. So fließt
der Ladestrom für den Stufenkondensator C1 der Zelle Z11
durch den Stufenkondensator C1, die Dioden D10, D20, D30, D40 und
D50 und durch die Ladedrossel L zum negativen Leistungseingang I1–.
Der Ladestrom für den Stufenkondensator C2 der Zelle Z12
fließt durch die Diode D2, den Stufenkondensator C2, die
Dioden D20, D30, D40 und D50 und durch die Ladedrossel L zum negativen
Leistungseingang I1–. Der Entsprechende Ladefluss für
die Stufenkondensatoren C3, C4 und C5 lässt sich auf gleicher
Weise der 1 entnehmen.
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Jede
Zelle Z11 bis Z15 weist jeweils einen Halbleiterschalter S1, S2,
S3, S4 beziehungsweise S5 auf. Die Halbleiterschalter S1, S2, S3,
S4 und S5 sind mit den Stufenkondensatoren C1, C2, C3, C4 und C5
und Ausgängen O1–, O1+ des Moduls M1 derart verbunden,
dass wenn die Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4 und S5 gemeinsam
in den leitenden Zustand geschaltet werden die Stufenkondensatoren C1,
C2, C3, C4 und C5 des Moduls M1 in Reihe geschaltet sind. Die Reihenschaltung
der Stufenkondensatoren C1, C2, C3, C4 und C5 ist dabei mit den Ausgängen
O1–, O1+ des Moduls M1 verbunden.
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Ist
der Ladevorgang abgeschlossen, so dass alle Stufenkondensatoren
C1 bis C5 der Zellen Z11 bis Z15 die gewünschte Ladung
aufweisen, können die Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4
und S5 zu einem gewünschten Zeitpunkt gemeinsam in den
leitenden Zustand geschaltet werden, so dass ein Spannungspuls als
Ausgangsspannung UA1 an den Ausgängen O1–, O1+
von beispielsweise 5 μs abgegeben wird, dessen Spannungsspitzenwert
im Wesentlichen der Summe der einzelnen Kondensatorspannungen im
geladenen Zustand entspricht.
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Ebenfalls
ist es möglich einen einzelnen Stufenkondensator C1, C2,
C3, C4 oder C5 des Moduls M1 oder einen Teil der Stufenkondensatoren
C1, C2, C3, C4 und/oder C5 des Moduls M1 mit den Ausgängen
O1–, O1+ zu verbinden. Beispielsweise wird zur Verbindung
des Stufenkondensators C1 der ersten Zelle Z11 der Halbleiterschalter
S1 in den leitenden Zustand geschaltet während die übrigen
Halbleiterschalter S2, S3, S4 und S5 im sperrenden Zustand verbleiben.
Stufenkondensator C1 ist durch das Schalten des ersten Halbleiterschalters
S1 über die Dioden D2, D3, D4 und D5 mit dem positiven
Ausgang O1+ und über den Halbleiterschalter S1 mit dem
negativen Ausgang O1– verbunden.
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Die
Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4 und S5 weisen jeweils einen Steuereingang
Is11, Is12, Is13, Is14 beziehungsweise Is15 auf. Je nach an diesem Steuereingang
Is11, Is12, Is13, Is14 beziehungsweise Is15 anliegendem Signal wird
der jeweilige Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4 beziehungsweise
S5 in den leitenden oder in den sperrenden Zustand geschaltet. Zur Ansteuerung
können diese Steuereingänge Is11, Is12, Is13,
Is14 und Is15 jeweils mit einem Treiber mit faseroptischer Trennung
verbunden sein, wobei die Treiber in dem Modul M1 integriert sind.
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Die
Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4, S5 sind in dem Ausführungsbeispiel
der 1 IGBTs. Alternativ können auch andere
Halbleiterschalter, wie Thyristoren, GTO oder DMOS-Feldeffekttransistoren als
Halbleiterschalter verwendet werden. Weiterhin weist das Modul M1
Strommessmittel A und Spannungsmessmittel V auf, die mit den Ausgängen
O1–, O1+ verbunden sind. Die dargestellte Anzahl von fünf Zellen
Z11 bis Z15 in 1 ist dabei rein beispielhaft. Es
können nach dem Prinzip der 1 zwei oder mehr
Zellen verschaltet werden.
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2 zeigt
in einem schematischen Blockschaltbild drei Module M1, M2 und M3
mit jeweils fünf Zellen Z11, Z12, Z13, Z14, Z15, Z21, Z22,
Z23, Z24, Z25, Z31, Z32, Z33, Z34, Z35, eines Marx-Generators. Dabei
entspricht das Modul M1 der 2 dem detaillierter
dargestellten Modul M1 der 1. Die Module
M2 und M3 entsprechen in ihrem Aufbau dem Modul M1. Alle Eingänge
I1+, I1–, I2+, I2–, I3+, I3– der Module
M1, M2 und M3 sind mit einer Versorgungsspannung (nicht dargestellt)
zum Laden der Stufenkondensatoren C1 usw. verbindbar. Die Ausgangsspannungen
UA1, UA2 und UA3 der Module M1, M2, M3 wirken auf Windungen W1,
W2 beziehungsweise W3 eines Pulstransformators. Jedes Modul M1,
M2, M3 weist einen Strommessausgang OI1, OI2 beziehungsweise OI3
und einen Spannungsmessausgang OU1, OU2, OU3 auf. Messausgänge
und Steuereingänge der Module M1, M2, M3 sind über
jeweils eine Schnittstelle Int1, Int2 beziehungsweise Int3 mit einem
Steuerschaltkreis 1 verbunden. Die Schnittstellen Int1,
Int2, Int3 sind hierzu vorteilhafterweise bidirektional ausgebildet.
Die Anzahl von drei Modulen M1 bis M3 in 2 ist dabei rein
beispielhaft. So kann alternativ ein einziges Modul oder eine noch
größere Vielzahl von vorzugsweise identischen
Modulen verwendet werden.
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Das
in 3 zum Teil dargestellte Verfahren setzt eine elektrische
Schaltung in Marxkonfiguration – wie beispielsweise in
den 1 oder 2 dargestellt – voraus.
Durch das Verfahren wird der zeitliche Abstand zwischen dem Übergang
zweier Halbleiterschalter vom sperrenden in den leitenden Zustand und/oder
vom leitenden in den sperrenden Zustand signifikant verkleinert.
Dabei werden die Halbleiterschalter S1 bis S5 individuell mittels
jeweils eines Einschaltsignals und jeweils eines Ausschaltsignals gesteuert,
so dass die Halbleiterschalter S1 bis S5 zu unterschiedlichen Zeitpunkten
das Einschaltsignal beziehungsweise das Ausschaltsignal erhalten.
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Für
jede Zelle Z11 bis Z15 (Z21 bis Z25, Z31 bis Z35) wird jeweils eine
Einschalt-Zeitdifferenz gemessen. Die Einschalt-Zeitdifferenz wird
dabei zwischen einem Einschaltsignal zum Schalten des jeweiligen
Halbleiterschalters der Zelle Z11 bis Z15 (Z21 bis Z25, Z31 bis
Z35) in den leitenden Zustand und einer von dem Schalten in den
leitenden Zustand abhängigen Systemantwort gemessen. Mittels
dieser Messung der einzelnen Einschalt-Zeitdifferenzen können
die Halbleiterschalter der Zellen Z11 bis Z15 (Z21 bis Z25, Z31
bis Z35) für den Spannungspuls in Abhängigkeit
von jeder Einschalt-Zeitdifferenz gesteuert werden. Dabei wird das
Einschaltsignal zu der jeweiligen Zelle Z11 bis Z15 (Z21 bis Z25,
Z31 bis Z35) derart zeitversetzt erzeugt, dass die vom Schalten
in den leitenden Zustand abhängige Systemantwort jeder
Zelle Z11 bis Z15 (Z21 bis Z25, Z31 bis Z35) zeitgleich ist. Entsprechendes
gilt für Ausschalt-Zeitdifferenzen vom leitenden in den
sperrenden Zustand mit der zugehörigen Systemantwort.
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In 3 ist
ein Teil eines derartigen Verfahrens als Flussdiagramm schematisch
dargestellt. In einem ersten Schritt werden die Stufenkondensatoren
C1 bis C5 des Moduls M1 aufgeladen. In einem zweiten Schritt wird überprüft,
ob das Laden abgeschlossen ist. Sind die Stufenkondensatoren C1
bis C5 noch nicht ausreichend geladen wird die Überprüfung
von Schritt 2 erneut durchgeführt. Andernfalls wird in
Schritt 3 die erste Zelle Z11 gezündet, ein Zeitzähler
(Timer) gestartet und ein Zellenzähler inkrementiert. Die
Halbleiterschalter S2 bis S5 der übrigen Zellen Z12 bis
Z15 sind dabei im sperrenden Zustand. Zur Zündung wird
ein Einschaltsignal mit einer steigenden Flanke an den Halbleiterschalter
S1 der Zelle Z11 gelegt. Der Zeitpunkt der steigenden Flanke startet
den hochauflösenden Timer (Zeitzähler). Dieser
Timer weist vorzugsweise eine Auflösung kleiner gleich
5 ns auf.
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Im
Schritt 4 wird überprüft, ob eine Systemantwort
vorliegt. Die Systemantwort weist dabei einen Strom- (I) und/oder
Spannungsverlauf (U) bezüglich der Zeit (t) auf, der an
den Ausgängen O1+, O1– des Moduls M1 gemessen
werden kann. Wird eine Systemantwort in Schritt 4 ermittelt, wird
die Zeit gemessen, die zwischen der Flanke und dem Eintreffen der
Systemantwort vergeht. Die Systemantwort stoppt hierzu den Timer.
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In
Schritt 5 wird eine Tabelle in einem Speicher des Steuerschaltkreises 1 geöffnet
und der Wert der Einschalt-Zeitdifferenz und/oder der Ausschalt-Zeitdifferenz Δtn
für die Zelle 11 geschrieben. Nachfolgend wird in Schritt
6 die nächste Zelle (12) gezündet, der Zeitzähler
(Timer) gestartet und der Zellenzähler inkrementiert.
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In
Schritt 7 wird überprüft, ob alle Zellen Z11 bis
Z15 des Moduls M1 gemessen wurden. Ist dies nicht der Fall, wird
erneut Schritt 4ff. für die nicht gemessenen Zellen durchge führt.
Sind alle Laufzeiten der Zellen Z11 bis Z15 gemessen, erfolgt nach
Schritt 7 in Schritt 8 die Messung für die Zellen Z21 bis
Z25 von Modul M2. Wird in Schritt 9 ein fehlerhaftes Verhalten des
Systems detektiert, wird in Schritt 10 ein Service-Hinweis ausgegeben.
Im nachfolgenden Schritt 11 wird das Programm zur Messung beendet und
das System in einem Sicherheitsmodus betrieben oder ganz heruntergefahren.
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In 4 sind
schematische Diagramme bzgl. der Messverfahrensschritte aus 3 als
auch der korrespondierenden Steuerung dargestellt. Im linken Teil
der 4 sind die Messergebnisse für die einzelnen
Zellen Z11 bis Z15 visualisiert.
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Zum
Zeitpunkt tE1 bewirkt die positive Flanke des Einschaltsignals SF1
(im Diagramm der 4 die durchgezogene Linie) für
die Zelle Z11 deren Zündung. Die Halbleiterschalter S2
bis S5 der übrigen Zellen Z12 bis Z15 verbleiben im sperrenden
Zustand. Die Systemantwort (gestrichelte Linie) entspricht einem
Anstieg der Ausgangsspannung UAZ1. Die Zeitdifferenz Δt1
zwischen der positiven Flanke SF1 des Einschaltsignals und der positiven
Flanke der Ausgangsspannung UAZ1 für die erste Zelle Z11 beträgt
30 ns. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Systemantwort
UAZ1 aus dem Ausgangsspannungsverlauf bestimmt. Alternativ kann
aber auch der Leistungsverlauf oder der Stromverlauf zur Bestimmung der
Systemantwort verwendet werden.
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Nachfolgend
wird analog die Zeitdifferenz Δt2 für die zweite
Zelle Z12 ausgehend von der Flanke SF2 zum Zeitpunkt tE2 und der
Ausgangsspannung UAZ2 für die zweite Zelle Z12 bestimmt.
Die Zeitdifferenz Δt2 beträgt im dargestellten
Ausführungsbeispiel 100 ns.
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Nachfolgend
wird analog die Zeitdifferenz Δt3 für die dritte
Zelle Z13 ausgehend von der Flanke SF3 zum Zeitpunkt tE3 und der
Ausgangsspannung UAZ3 für die dritte Zelle Z13 bestimmt.
Die Zeitdifferenz Δt3 beträgt im dargestellten
Ausführungsbeispiel 150 ns.
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Nachfolgend
wird analog die Zeitdifferenz Δt4 für die vierte
Zelle Z14 ausgehend von der Flanke SF4 zum Zeitpunkt tE4 und der
Ausgangsspannung UAZ4 für die vierte Zelle Z14 bestimmt.
Die Zeitdifferenz Δt4 beträgt im dargestellten
Ausführungsbeispiel 80 ns.
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Nachfolgend
wird analog die Zeitdifferenz Δt5 für die fünfte
Zelle Z15 ausgehend von der Flanke SF5 zum Zeitpunkt tE5 und der
Ausgangsspannung UAZ5 für die fünfte Zelle Z15
bestimmt. Die Zeitdifferenz Δt5 beträgt im dargestellten
Ausführungsbeispiel 50 ns.
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Im
rechten Teil der 4 ist die zu den Messergebnissen
korrespondierende Steuerung als Diagramm schematisch dargestellt.
Aus den Zeitdifferenzen Δt1 bis Δt5 wird ein Mittelwert
als Bezugszeitpunkt tM1 errechnet. Dieser beträgt im dargestellten Beispiel
der 4 eine mittlere Laufzeit von 82 ns. Alternativ
könnte auch die Mitte zwischen der kürzesten und
längsten Laufzeit als Bezugszeitpunkt verwendet werden.
Für diese Alternative wäre die Zeitspanne zwischen
Bezugszeitpunkt und Systemantwort 90 ns (nicht dargestellt). Der
ermittelte Bezugszeitpunkt tM1 ist für verschiedene Anwendungen
der optimale Zeitpunkt, da er zwischen der kürzesten und der
längsten Laufzeit liegt. Zu diesem Bezugszeitpunkt tM1
wird die Generierung der jeweiligen Flanke ZF1' bis ZF5' des Einschaltsignals
für die jeweilige Zelle Z11 bis Z15 zeitlich nach vorne
beziehungsweise nach hinten auf die Zeit punkte tES1, tES2, tES3, tES4
und tES5 (als Zeitpunkte der Erzeugung der Flanke des Einschaltsignals)
verschoben.
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Die
gemessene jeweilige Laufzeit zwischen der jeweiligen Flanke des
Einschaltsignals SF1 bis SF5 und der jeweiligen Systemantwort UAZ1
bis UAZ5 wird daher derart ausgewertet, dass die Systemantwort UA
jeder Zelle Z11 bis Z15 zeitgleich erfolgt und eine Ausgangsspannung
UA für jede Zelle gleichzeitig ansteigen lässt.
Diese Ausgangsspannungen UA addieren sich gemäß der
Reihenschaltung der Stufenkondensatoren C1 bis C5 und erzeugen den
gewünschten Spannungspuls (nicht dargestellt).
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In 4 ist
lediglich der Fall für die Einschalt-Zeitdifferenzen zwischen
Einschaltsignal und Systemantwort dargestellt. Jedoch können
die Ausschalt-Zeitdifferenzen zwischen einem Ausschaltsignal und
der Systemantwort sich von den Einschalt-Zeitdifferenzen unterscheiden.
In diesem Fall kann vorteilhafterweise analog für die Ausschalt-Zeitdifferenzen
verfahren werden. Also werden auch hier die Ausschaltsignale (fallende
Flanke) für die Zellen Z11 bis Z15 zeitlich so verschoben
und in einer Tabelle abgelegt, dass die Zellen resultierend gleichzeitig ausschalten,
indem die Halbleiterschalter S1 bis S5 gleichzeitig sperren.
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Alle
anderen Programmteile nutzen diese Tabelle der Einschalt-Zeitdifferenzen
und Ausschalt-Zeitdifferenzen in einer Subroutine für eine zeitgleiche
Systemantwort aller Zellen Z11 bis Z15. Entsprechendes gilt selbstverständlich
für die identisch aufgebauten Module M2 und M3 mit den
Zellen Z21 bis Z25 und Z31 bis Z35 gemäß 2.
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Da
Halbleiterschalter, wie IGBTs stets unterschiedliche Parameter aufweisen,
die die Laufzeit betreffen, könnte durch dieses Ausführungsbeispiel der
Vorteil erzielt werden, dass unsymmetrische Spannungsaufteilungen
auf die in Reihe geschalteten Halbleiterschalter S1 bis S5 reduziert
werden oder gar gänzlich vermieden werden. Durch die zeitgleiche
Systemantwort aller Zellen Z11 bis Z15 wird ebenfalls vermieden,
dass der Spannungspuls durch nicht-zeitgleiches Schalten sich stufenförmig
ausbildet. Es könnte durch dieses Ausführungsbeispiel
somit der Betrag der Steigung der Flanke der Systemantwort erhöht
werden.
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Gemäß dem
Ausführungsbeispiel der 2 sind die
Ausgänge der Module M1, M2 und M3 mit Wicklungen W, W2
beziehungsweise W3 eines Pulstransformators PT verbunden. Der Pulstransformator PT
weist zudem eine Sekundärwicklung WL auf, die mit einer
Last RL zur Abgabe des Spannungspulses verbunden ist. Um eine unsymmetrische
Stromaufteilung innerhalb der einzelnen Module M1, M2, M3 – welche
jeweils eine Primärwicklung W1, W2, W3 des Pulstransformators
PT treiben – zu verhindern, werden die Laufzeitunterschiede
zwischen den einzelnen Modulen M1, M2, M3 nach einem dem zuvor erläuterten
Verfahren ähnlichem Prinzip gemessen.
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Der
Zeitpunkt tM1 der steigenden Flanke für das Modul M1, das
zuvor aufgeladen wurde, startet einen hochauflösenden Timer
mit einer Auflösung von vorzugsweise kleiner gleich 5 ns.
Es wird die Modul-Zeitdifferenz bestimmt, welche vergeht, bis die vom
Strom abhängige Systemantwort beim Steuerschaltkreis 1 eintrifft
und diese in einer Tabelle in einem Speicher abgelegt. Die Modul-Zeitdifferenz
ist dabei sowohl von Eigenschaften der Bauelemente des Moduls als
auch von der Impedanz des Pulstransformators PT, der Impedanz der
Zuleitung und ggf. von der Impedanz der Last RL abhängig.
Es können also alle Einflussfaktoren auf die Systemantwort durch
eine Messung der Laufzeit zusammen berücksichtigt werden.
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Entsprechend
werden Modul-Zeitdifferenzen für die Module M2 und M3 bestimmt
und gespeichert. Nachdem die Modul-Zeitdifferenzen aller Module
M1, M2 und M3 erfasst wurden, wird ein gemeinsamer Schaltzeitpunkt
für alle Module M1, M2 und M3 errechnet. Der gemeinsame
Schaltzeitpunkt liegt vorzugsweise wiederum in der Mitte zwischen
der kürzesten und der längsten Laufzeit. Nun werden
für jedes Modul M1, M2, M3 ein Einschaltsignal und eine Ausschaltsignal
zeitlich bezüglich des gemeinsamen Schaltzeitpunktes derart
verschoben, dass die vom Strom abhängig Systemantwort aller
Module M1, M2, M3 möglichst zeitgleich erfolgt. Dies ermöglicht
die Stromaufteilung innerhalb der einzelnen Module M1, M2, M3 zu
symmetrisieren, so dass der Stromfluss der einzelnen Module M1,
M2, M3 zeitgleich durch den Pulstransformator PT erfolgt.
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Der
Steuerschaltkreis 1 weist daher mehrere Funktionen auf,
die mittels Hardware und einem programmierbaren Baustein, wie beispielsweise
einem Mikrocontroller realisiert werden können. Im ersten Funktionsblock 2 werden
anhand der Zeitdifferenzen die spannungsabhängigen (OU1,
OU2 OU3) Systemantworten der Zellen Z11 bis Z15 usw. des jeweiligen
Moduls M1, M2, M3 durch Zeitverschiebung des Einschaltsignals/Ausschaltsignals
der jeweiligen Zelle Z11 bis Z15 usw. durch diese Laufzeit-Regelung synchronisiert.
Im zweiten Funktionsblock 3 werden die Module zueinander
synchronisiert, indem die stromabhängigen (OI1, OI2, OI3)
Systemantworten des jeweiligen Moduls M1, M2, M3 bestimmt und wiederum
durch Zeitverschieben der Schaltpunkte der Module M1, M2, M3 zueinander
synchronisiert werden.
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Der
dritte Funktionsblock 4 umfasst die übergeordnete
Steuerung, wie beispielsweise die Lastregelung zur Erzeugung eines
Elektronenstrahls eines Klystrons unter Einbeziehung der wei teren
Parameter Kly I, Kly U, tp und PRP. Um diesen für Medizinische
Anwendungen nutzbar zu machen wird ein Spannungspuls mit einer einem
Rechteck angenäherten Form benötigt. Wichtig dabei
ist die Zeitspanne des Plateaus des Rechtecksignals, wobei ein stabiler
Elektronenstrahl lediglich während des Plateaus erzeugt
werden kann. Eine Einstellbarkeit der Form des Spannungspulses erfolgt über
die Parameter Kly I, Kly U, tp und PRP für eine gezielte
Erzeugung einer hochfrequenten Welle zur Behandlung von Krebs, wobei
die von den Parametern Kly I, Kly U, tp und PRP abhängigen
Welleneigenschaften an die jeweilige Krebsart angepasst werden können.
Mit den Parameter Kly I und Kly U lässt sich die Leistung
eines Elektronenstrahls oder eines Phononenstrahls einstellen. Mittels
des Parameters tp ist eine Pulsbreite einstellbar. Hingegen kann
mittels des Parameters PRP die Pulswiederholfrequenz eingestellt
werden.
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Das
in 2 dargestellte System weist mehrere Vorteile auf.
Die Vorteile sind dem modularen Konzept in Marxkonfiguration mit
n-fach in Reihe geschalteten und m-fach parallel geschalteten Halbleiterschalter
(IGBTs etc.) inklusive einer kaskadierten aktiven Regelung der Spannungs-
und Stromaufteilung immanent. So kann das System auch mit Mehrfachkern-Pulstransformatoren
(Multi-Core) insbesondere für Magnetronlast oder für
eine Klystronlast verwendet werden. Bevorzugt wird zudem eine Betriebsparameterstabilisierung
in die Steuerung integriert, so dass beispielsweise eine Temperaturdrift
oder eine Alterungsescheinung beispielsweise der Halbleiterschalter
als Betriebsparameter mittels zyklischer sequentieller Messintervalle
während einer so genannten Pre-Scan-Sequenz oder einer Auf-Wärm-Sequenz
ermittelt werden können.
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Weiterhin
können durch das System der 2 eine aufwendige
und daher kostenintensive Selektion, eine Paarung und Ab gleicharbeiten
vermieden werden. Mittels des Systems der 2 kann zudem
in Synergie eine ständige Überwachung der Zellen
Z11 bis Z35 durchgeführt werden. So können beispielsweise
Kurzschlüsse detektiert werden. Jedoch können
auch sich langsam anbahnende Ausfälle detektiert werden,
indem beispielsweise die Systemantwort eine deutliche Verschlechterung
elektrischer Parameter eines Stufenkondensators oder eines Halbleiterschalters
abbildet. Dies kann durch die Messung des Strom-/Spannungsverlaufs
und/oder der Zeitdifferenz ermittelt werden, indem diese beispielsweise
mit Grenzwerten verglichen werden. In diesem Fall kann eine Diagnose-Information
ausgegeben werden, die einen Austausch der verschlechterten Komponente
vor einem Totalausfall ermöglicht.
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Auch
ist es möglich einen redundanten Betrieb zu gewährleisten.
Wenn eine oder mehrere Zellen ausfallen, können die anderen
Module entsprechend der Anzahl der ausgefallenen Zellen angepasst
werden, so dass am Ausgang aller Module wieder eine entsprechende
Systemantwort erzeugt wird. So ist zumindest eine Betrieb mit reduzierter
Leistung möglich.
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Die
Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 beschränkt,
da der ihr zu Grunde liegende Grundgedanke auf alle Marx-Generatoren
mit mehreren Halbleiterschaltern, insbesondere mit einem programmierbaren
Steuerschaltkreis anwendbar ist. So können ein einziges
oder eine beliebige Vielzahl von Modulen mit jeweils zwei oder mehr
Zellen vorgesehen sein. Auch ist es prinzipiell möglich
einen anderen Bezugszeitpunkt zu wählen, der nicht im Mittel
der Laufzeiten liegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10320425
A1 [0005, 0005]