DE102006060417B4

DE102006060417B4 - System zur Erzeugung eines Spannungspulses mit einem Impuls-Generator, Verfahren zur Steuerung und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102006060417B4
Application number: DE102006060417A
Authority: DE
Inventors: Oliver Heuermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: US7755217B2; US20080150370A1; DE102006060417A1

Abstract

System zur Erzeugung eines Spannungspulses mit einem Impuls-Generator, Verfahren zur Steuerung und deren Verwendung mit mehreren Zellen (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15) mit jeweils einem steuerbaren Halbleiterschalter (S1, S2, S3, S4, S5) und einem Kondensator (C1, C2, C3, C4, C5) zur Erzeugung eines Spannungspulses durch Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung der Kondensatoren (C1, C2, C3, C4, C5) mittels der Halbleiterschalter (S1, S2, S3, S4, S5) mit den Schritten: - Messen jeweils einer Einschalt-Zeitdifferenz (Deltat1, Deltat2, Deltat3, Deltat4, Deltat5) für jede Zelle (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15), wobei die Einschalt-Zeitdifferenz (Deltat1, Deltat2, Deltat3, Deltat4, Deltat5) zwischen einem Einschaltsignal (SF1, SF2, SF3, SF4, SF5) zum Schalten des jeweiligen Halbleiterschalters (S1, S2, S3, S4, S5) der Zelle (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15) in den leitenden Zustand und einer von dem Schalten in den leitenden Zustand abhängigen Systemantwort (UAZ1, UAZ2, UAZ3, UAZ4, UAZ5) gemessen wird, - Steuern der Halbleiterschalter (S1, S2, S3, S4, S5) der Zellen (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15) für den Spannungspuls in Abhängigkeit von den Einschalt-Zeitdifferenzen (Deltat1, Deltat2, Deltat3, Deltat4, Deltat5), wobei das Einschaltsignal (SF1', SF2', SF3', SF4', SF5') für die jeweilige Zelle (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15) derart zeitversetzt erzeugt wird, dass die vom Schalten in den leitenden Zustand abhängige Systemantwort (UAZ1, UAZ2, UAZ3, UAZ4, UAZ5) jeder Zelle (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15) zeitgleich erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung eines Spannungspulses mit einem Impuls-Generator, ein Verfahren zur Steuerung und deren Verwendung.
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.
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.
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.
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.
Über die Ladegleichspannung werden alle n Stufenkondensatoren der Zellen gleichzeitig aufgeladen. Spulen können hierbei den Ladestrom begrenzen. Die Schlagweitender 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.
Die US 3,111,594 A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Impulse mit zwei Diodenketten, dazu quer liegenden Kondensatoren sowie diagonal angeordneter Halbleiterschalter. Die Einspeisung erfolgt an diagonalen Enden des Generators. Der Stoßimpuls erfolgt an gegenüberliegenden diagonalen Enden. Die Erzeugung des Stoßimpulses kann zum Einen durch externe Zündung eines Halbleiterschalters erfolgen, woraufhin die anderen Halbleiterschalter durch Längsüberspannung intern zünden. Zum Anderen kann ein Halbleiterschalter extern gezündet werden, woraufhin die anderen durch Potentialverschiebung ihres Gates in Folge zünden.
In der DE 103 56 648 A1 wird ein Stufenstoßgenerator beschrieben, der anstelle von Diodenketten Ladeschalter aufweist, wobei alle Halbleiterschalter extern und gleichzeitig gezündet werden.
Der Erfindung liegt die erste Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Ansteuerung eines Impuls-Generators anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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.
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.
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.
Das Verfahren kann beispielsweise in einer festverdrahteten Programmroutine (ROM) oder in einem programmierbaren Speicher (EEPROM) als Software ausgebildet sein.
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.
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.
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.
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.
Unter zeitgleich wird dabei eine im Rahmen insbesondere einer zeitlichen Auslösung der Messung und einer zeitlichen Auflösung der Steuerung erzielbare Übereinstimmung verstanden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
1 Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein System zur Erzeugung eines Spannungspulses mit einem Marx-Generator anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch das System mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Demzufolge ist ein System zur Erzeugung eines Spannungspulses mit einem Marx-Generator vorgesehen. Das System weist mehrere Zellen in Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung auf. Jede Zelle weist einen Kondensator und einen Halbleiter schalter auf. Zur Steuerung der Halbleiterschalter ist vorteilhafterweise ein Treiber integriert.
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.
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.
Dieser programmierbare Mikrocontroller weist vorteilhafterweise integrierte Teilschaltkreise zumindest für die nachfolgend genannten vier Funktionen auf.
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.
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.
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.
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.
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.
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. Die Schnittstelle ist für eine schnelle Signalübertragung vorteilhafterweise eine parallele Schnittstelle. Für eine sichere Signalübertragung wird alternativ eine serielle Schnitte oder ein Datenbus verwendet.
Der Impuls-Generator ist als Marx-Generator ausgebildet. Dabei sind die Zellen in Marx-Schaltung verschaltet. Die Kondensatoren einer jeden Marx-Zelle werden auch als Stufenkondensatoren bezeichnet.
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.
Im Folgenden wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel mittels Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Moduls mit mehreren Zellen in Marx-Schaltung,
2 ein schematisches Blockschaltbild eines Systems mit drei Modulen, einem Steuerschaltkreis und einem Pulstransformator,
3 ein schematisches Flussdiagramm mit mehreren Verfahrensschritten, und
4 schematische Diagramme mit Schaltsignalen und Systemantworten.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 PT. 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Im rechten Teil der 4 ist die zu den Messergebnissen korrespondierende Steuerung als Diagramm schematisch dargestellt. Aus den Zeitdifferenzen Δt1 bis Δt5 wird ein Mittel- wert 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 F1' bis tF5' 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.
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).
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.
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.
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.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 sind die Ausgänge der Module M1, M2 und M3 mit Wicklungen W1, 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.
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.
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.
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.
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.
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 Alterungserscheinung beispielsweise der Halbleiterschalter als Betriebsparameter mittels zyklischer sequentieller Messintervalle während einer so genannten Pre-Scan-Sequenz oder einer Auf-Wärm-Sequenz ermittelt werden können.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Impuls-Generators mit mehreren Zellen (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15) mit jeweils einem steuerbaren Halbleiterschalter (S1, S2, S3, S4, S5) und jeweils einem Kondensator (C1, C2, C3, C4, C5) zur Erzeugung eines Spannungspulses (UA1) durch Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung der Kondensatoren (C1, C2, C3, C4, C5) mittels der Halbleiterschalter (S1, S2, S3, S4, S5) mit den Schritten: – Messen jeweils einer Einschalt-Zeitdifferenz (Δt1, Δt2, Δt3, Δt4, Δt5) für jede Zelle (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15), wobei die Einschalt-Zeitdifferenz (Δt1, Δt2, Δt3, Δt4, Δt5) zwischen einem Einschaltsignal (SF1, SF2, SF3, SF4, SF5) zum Schalten des jeweiligen Halbleiterschalters (S1, S2, S3, S4, S5) der Zelle (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15) in den leitenden Zustand bei gleichzeitig sperrenden übrigen Halbleiterschaltern und einer von dem Schalten in den leitenden Zustand abhängigen Systemantwort (UAZ1, UAZ2, UAZ3, UAZ4, UAZ5) gemessen wird, – Steuern der Halbleiterschalter (S1, S2, S3, S4, S5) der Zellen (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15) für den Spannungspuls in Abhängigkeit von den gemessenen Einschalt-Zeitdifferenzen (Δt1, Δt2, Δt3, Δt4, Δt5), wobei das Einschaltsignal (SF1', SF2', SF3', SF4', SF5') für die jeweilige Zelle (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15) derart zeitversetzt erzeugt wird, dass die vom Schalten in den leitenden Zustand abhängige Systemantwort (UAZ1, UAZ2, UAZ3, UAZ4, UAZ5) jeder Zelle (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15) zeitgleich erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, mit den zusätzlichen Schritten: – Messen jeweils einer Ausschalt-Zeitdifferenz für jede Zelle, wobei die Ausschalt-Zeitdifferenz zwischen einem Ausschaltsignal zum Schalten des jeweiligen Halbleiterschalters der Zelle in den sperrenden Zustand bei gleichzeitig leitenden übrigen Halbleiterschaltern und einer von dem Schalten in den sperrenden Zustand abhängigen Systemantwort gemessen wird, – Steuern der Halbleiterschalter der Zellen für den Spannungspuls in Abhängigkeit von den Ausschalt-Zeitdifferenzen, wobei das Ausschaltsignal für die jeweilige Zelle derart zeitversetzt erzeugt wird, dass die vom Schalten in den sperrenden Zustand abhängige Systemantwort jeder Zelle zeitgleich erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Module (M1, M2, M3) mit jeweils mehreren in Reihe geschaltete Zellen (Z11 bis Z15, Z21 bis Z25, Z31 bis Z35) zur Erzeugung des Spannungspulses (UA1, UA2, UA3) angesteuert werden, mit den Schritten: – Messen einer Modul-Einschalt-Zeitdifferenz für jedes Modul (M1, M2, M3), wobei die Modul-Einschalt-Zeitdifferenz zwischen einem Einschaltzeitpunkt (tM1) zum Erzeugen eines Strompulses durch das jeweilige Modul (M1, M2, M3) bei gleichzeitig sperrenden übrigen Modulen und einer vom Strompuls abhängigen Systemantwort gemessen wird, – Steuern der Module für den Spannungspuls in Abhängigkeit von den Modul-Einschalt-Zeitdifferenzen, wobei der Einschaltzeitpunkt (tM1) des jeweiligen Moduls (M1, M2, M3) derart zeitversetzt erzeugt wird, dass die vom Strompuls abhängige Systemantwort jedes Moduls (M1, M2, M3) zeitgleich erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schritte des Messens zyklisch oder in einer festgeleg ten Abfolge, insbesondere während einer Aufwärm-Sequenz erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Veränderung von elektrischen Eigenschaften einer Komponente (C1, C2, C3, C4, C5, S1, S2, S3, S4, S5) anhand der Messung der Systemantwort ermittelt wird, und in Abhängigkeit von dieser Veränderung eine Diagnose-Information ausgegeben wird.
System zur Erzeugung eines Spannungspulses (UA1) mit einem Marx-Generator, – mit mehreren Zellen (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15) in Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung, wobei jede Zelle (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15) einen Kondensator (C1, C2, C3, C4, C5) und einen Halbleiterschalter (S1, S2, S3, S4, S5) aufweist, – mit einem Steuerschaltkreis (1), der mit jeder Zelle (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15) zur Steuerung des jeweiligen Halbleiterschalters (S1, S2, S3, S4, S5) verbunden ist, wobei der Steuerschaltkreis (1) Mittel aufweist – zur Erzeugung eines Einschaltsignals (SF1, SF2, SF3, SF4, SF5) zum Schalten jedes einzelnen Halbleiterschalters (S1, S2, S3, S4, S5) in einen leitenden Zustand, – zur Messung einer Systemantwort (UAZ1, UAZ2, UAZ3, UAZ4, UAZ5) für die jeweilige einzelne Zelle (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15), wobei die Systemantwort (UAZ1, UAZ2, UAZ3, UAZ4, UAZ5) von dem Schalten des jeweiligen Halbleiterschalters (S1, S2, S3, S4, S5) abhängig ist, – zur Messung jeweils einer Zeitdifferenz (Δt1, Δt2, Δt3, Δt4, Δt5) zwischen der Erzeugung des jeweiligen Einschaltsignals (SF1, SF2, SF3, SF4, SF5) und der jeweiligen Systemantwort (UAZ1, UAZ2, UAZ3, UAZ4, UAZ5) für jede Zelle (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15), und – zur zeitversetzten Steuerung der Halbleiterschalter (S1, S2, S3, S4, S5) der Zellen (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15) für eine Reihenschaltung und/oder Parallelschal tung der Kondensatoren (C1, C2, C3, C4, C5) für den Spannungspuls (UA1) in Abhängigkeit von der jeweiligen Zeitdifferenz (Δt1, Δt2, Δt3, Δt4, Δt5), so dass die Systemantwort (UAZ1, UAZ2, UAZ3, UAZ4, UAZ5) jeder Zelle (Z11, Z12, Z13, Z14, Z15) zeitgleich ist.
System nach Anspruch 7, mit einer Mehrzahl von Modulen (M1, M2, M3) mit jeweils mehreren in Reihe geschalteten Zellen (Z11 bis Z15, Z21 bis Z25, Z31 bis Z35), wobei die Ausgänge der Module (M1, M2, M3) zur Erzeugung des Spannungspulses (UA1, UA2, UA3) gekoppelt sind.
System nach Anspruch 8, bei dem der Steuerschaltkreis (1) zur individuellen Steuerung jedes Moduls (M1, M2, M3) eingerichtet und über eine Schnittstelle (Int1, Int2, Int3) mit jedem Modul (M1, M2, M3) verbunden ist.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder eines Systems nach einem der Ansprüche 7 bis 10 für ein Magnetron oder ein Klystron.