DE102013202428A1 - Leistungsversorgungsanordnung zur Versorgung industrieller Prozesse mit Leistung - Google Patents

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Abstract

Eine Leistungsversorgungsanordnung (10, 100) zur Versorgung industrieller Prozesse mit Leistung umfasst: a. einen Gleichstromwandler (13) mit einem Eingang (12) zum Anschluss an eine Gleichspannung, der an seinem Ausgang (18) eine Zwischenkreisspannung zur Verfügung stellt; b. einen Wandler (23), der einen Ausgang (18) des Gleichstromwandlers (13) angeschlossen ist und eingerichtet ist, eine Wechselspannung oder eine gepulste Gleichspannung zu erzeugen und an seinem Ausgang (18) auszugeben, wobei c. der Ausgang (18) des Gleichstromwandlers direkt über ein nicht-lineares Element (40) oder eine Serienschaltung aus mehreren nicht-linearen Elementen (102, 103) mit dem Eingang (12) des Gleichstromwandlers (13) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Leistungsversorgungsanordnung zur Versorgung industrieller Prozesse mit Leistung, umfassend:
    • a. einen Gleichstromwandler mit einem Eingang zum Anschluss an eine Gleichspannung, der an seinem Ausgang eine Zwischenkreisspannung zur Verfügung stellt;
    • b. einen Wandler, der an einen Ausgang des Gleichstromwandlers angeschlossen ist und eingerichtet ist, eine Wechselspannung oder eine gepulste Gleichspannung zu erzeugen und an seinem Ausgang auszugeben.
  • Weiterhin fällt in den Rahmen der Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Leistungsversorgungsanordnung zur Erzeugung und zum Betrieb eines Plasmas.
  • Wenn eine Plasmaentladung mit einem sich sehr schnell ändernden Strom betrieben wird, kann dies zu Spannungsspitzen über Halbleiterschaltern führen, die für die Leistungsversorgung des Plasmas eingesetzt werden. Bei sich sehr schnell ändernden Strömen kann es sich um einen Wechselstrom oder gepulsten Gleichstrom handeln, wobei der gepulste Gleichstrom auf Werte im Bereich von 0 A (null Ampere) oder darunter fallen kann.
  • Die Spannungsspitzen treten auf, wenn die Leistungsversorgung Stromquellencharakter hat, vorzugsweise mit einem induktiven Ausgang und/oder das Plasma selbst einen induktiven Charakter zeigt, wenn es mit einem sich schnell ändernden Strom versorgt wird. Zusätzliche Leitungsinduktivitäten addieren sich zu der Plasmainduktivität, wodurch die resultierende Lastinduktivität erhöht wird. Daher sind die Halbleiterschalter zwischen zwei induktiven Schaltungsteilen angeordnet. Schaltvorgänge unter diesen Bedingungen generieren Spannungsspitzen, die die Halbleiterschalter gefährden.
  • Wenn übliche Überspannungsschutzeinrichtungen verwendet werden, treten hohe Verluste auf, die insbesondere proportional zur Schaltfrequenz sind. Bei Anwendungen, die bei hohen Strömen und Frequenzen arbeiten, können die Verluste im Vergleich zur in das Plasma gelieferten Leistung sehr groß sein. Es ist bekannt, zur Lösung des Problems DC/DC Wandler einzusetzen. Diese erhöhen jedoch die Komplexität und Kosten der Leistungsversorgungsanordnung.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schaltungstopologie bereit zu stellen, mit der Spannungsspitzen über schaltenden Elementen wirksam vermieden werden können.
  • Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Leistungsversorgungsanordnung zur Versorgung industrieller Prozesse mit Leistung, umfassend:
    • a. einen Gleichstromwandler mit einem Eingang zum Anschluss an eine Gleichspannung, der an seinem Ausgang eine Zwischenkreisspannung zur Verfügung stellt;
    • b. einen Wandler, der an einen Ausgang des Gleichstromwandlers angeschossen ist und eingerichtet ist, eine Wechselspannung oder eine gepulste Gleichspannung zu erzeugen und an seinem Ausgang auszugeben, wobei
    • c. der Ausgang des Gleichstromwandlers direkt über ein nicht-lineares Element oder eine Serienschaltung aus mehreren nicht-linearen Elementen mit dem Eingang des Gleichstromwandlers verbunden ist.
  • Bei einer solchen Leistungsversorgungsanordnung werden die Spannungsspitzen direkt, d. h. unmittelbar, an den Eingang des Gleichstromwandlers zurückgeführt. Somit werden die Spannungsspitzen von den schaltenden Elementen ferngehalten und diese geschützt. Auf diese Art und Weise kann eine beinahe verflustfreie Rückgewinnung von Energie erfolgen. Außerdem wird ein Überspannungsschutz realisiert. Dies ist besonders vorteilhaft einsetzbar bei hohen Schaltfrequenzen oder bei einem häufigen Auftreten von Arcs in einer Plasmalast, die an den Ausgang des Wandlers angeschlossen ist. Die erfindungsgemäße Leistungsversorgungsanordnung benötigt sehr wenige Bauteile, im Idealfall nur ein nicht-lineares Bauelement. Die Ausfallwahrscheinlichkeit der Leistungsversorgungsanordnung wird dadurch reduziert. Außerdem kann die Ableitung von Hochspannung zum Schutz der Halbleiterschalter extrem schnell erfolgen.
  • Als industrielle Prozesse kommen beispielsweise Plasmaprozesse, Laserprozesse oder Induktionsanwendungen in Frage.
  • Der Ausgang des Gleichstromwandlers kann ohne Zwischenschaltung einer Spule oder eines Übertragers mit dem Eingang des Gleichstromwandlers verbunden sein. Insbesondere kann der Ausgang des Gleichstromwandlers ohne Zwischenschaltung eines induktiven Elements mit dem Eingang des Gleichstromwandlers verbunden sein. Tatsächlich kann jeder noch so kurze Leitungsabschnitt eine Induktivität aufweisen. Solche unvermeidbaren Induktivitäten sind hier jedoch nicht gemeint. Vielmehr sollen solche Leitungsabschnitte möglichst kurz und flächig, also mit möglichst geringer Induktivität ausgelegt sein. Die Verbindung mit den nicht-linearen Elementen soll insbesondere keine in Serie geschaltete Drosselspule mit einer Induktivität von mehr als ein 1 μH aufweisen, wie sie in Gleichspannungswandlern üblicherweise verbaut werden. Die Induktivität aller Leistungsabschnitte zusammengenommen ist vorzugsweise weniger als 500 nH, insbesondere weniger als 100 nH.
  • Zumindest ein nichtlineares Element kann als Diode ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltung eines nicht-linearen Elements. Alternativ kann zumindest ein nicht-lineares Element als Schalter ausgebildet sein. Weitere Ausführungsformen nicht-linearer Elemente sind jedoch ebenfalls denkbar.
  • Die Serienschaltung aus mehreren nicht-linearen Elementen kann zwei nicht-lineare Elemente, insbesondere zwei in Serie geschaltete Dioden, aufweisen. An einem Knotenpunkt zwischen zwei in Serie geschalteten nicht-linearen Elementen kann ein Energiespeicher angeschlossen sein. Dabei kann der Energiespeicher zwischen den Knotenpunkt und einen Eingangsanschluss des Wandlers geschaltet sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Energiespeicher als Kondensator ausgebildet ist. Der Energiespeicher und das nicht-lineare Element zwischen Knotenpunkt und Eingangsanschluss des Wandlers können besonders nahe an dem Wandler angeordnet werden. Durch den Energiespeicher kann die Spannung am Eingang des Wandlers begrenzt werden. Eine solche Schaltungsanordnung kann vorteilhafterweise dann eingesetzt werden, wenn die Verbindungsleitungen vom Wandler bis zum Eingang des Gleichstromwandlers zur Ableitung sehr kurzer Spannungspulse noch zu langsam wäre, um die schaltenden Elemente des Wandlers zu schützen. Die Spannungsspitzen können den sehr nah am Wandler angeordneten Energiespeicher aufladen. Die Spannungsspitzen können so mit deutlich erhöhter Geschwindigkeit begrenzt werden. Anschließend kann die im Energiespeicher gespeicherte Energie über die nicht-linearen Elemente an den Gleichstromwandler abgeführt werden. Das kann langsamer erfolgen, ohne dass ein Schaden zu befürchten wäre. Deswegen kann die Anordnung zwischen Knotenpunkt und Eingang des Gleichstromwandlers eine größere parasitäre Bauteil- und Leitungsinduktivität aufweisen als die Anordnung zwischen Knotenpunkt und Wandler. Die Leitungen der Anordnung zwischen Knotenpunkt und Eingang des Gleichstromwandlers können länger ausgelegt sein als die Leitungen der Anordnung zwischen Knotenpunkt und Wandler.
  • Die zwei nicht-linearen Elemente können so in Serie geschaltet sein, dass sie einen Stromfluss in eine Richtung ermöglichen und in die andere Richtung verhindern. Wenn für eines oder beide der zwei nicht-linearen Elemente ein schaltendes Element verwendet wird, zum Beispiel ein Transistor, so können Spannungsspitzen noch besser unterdrückt werden.
  • Der Wandler kann als Halb- oder Vollbrückenschaltung aus schaltenden Elementen ausgebildet sein. Mit einem solchen Wandler kann besonders einfach eine Wechselspannung am Ausgang erzeugt werden. Ein solcher Wandler kann besonders gut in der erfindungsgemäßen Leistungsversorgungsanordnung vor Spannungsspitzen geschützt werden.
  • Der Gleichstromwandler kann als Hochsetzsteller oder als Tiefsetzsteller ausgebildet sein. Mit derartigen Schaltungskomponenten kann auf besonders einfache und zuverlässige Art und Weise eine Zwischenkreisspannung erzeugt werden.
  • Der Gleichstromwandler kann eine Induktivität aufweisen, die in Serie zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang geschaltet ist. Eine solche Induktivität kann ausgelegt sein, dass sie eine zusätzliche Filterwirkung für sehr kurze Spannungsspitzen (kleiner 10 μs) bewirkt. Auf diese Weise können die Spannungsspitzen, die auf den Eingang des Gleichstromwandlers gelegt werden, bedämpft werden und werden nur zu einem geringen Anteil zum Ausgang des Gleichstromwandlers gekoppelt.
  • Zusätzlich zu oder alternativ zu den Induktivitäten im Gleichstromwandler können eine oder mehrere Induktivitäten in Serie zwischen Gleichstromwandler und Wandler geschaltet sein. Diese Induktivitäten können dazu ausgelegt sein, dass die Leistungsversorgung Stromquellencharakter aufweist.
  • In Serie zu der Induktivität des Gleichstromwandlers kann ein Schalter angeordnet sein. Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass der Eingang und Ausgang des Gleichstromwandlers durchaus intern über ein nicht-lineares Element (Schalter) und eine Induktivität verbunden sein können. In der externen Verbindung mit dem nichtlinearen Element sollte die Induktivität aber so gering wie möglich gehalten werden.
  • In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem die Verwendung einer erfindungsgemäßen Leistungsversorgungsanordnung zum Zünden und Betreiben eines Plasmaprozesses. In Plasmaprozessen kommt es häufig zum Auftreten von Arcs, die ebenfalls Auswirkungen auf die schaltenden Elemente des dem Plasma vorgeschalteten Wandlers haben können. Die durch Arcs erzeugten Spannungsspitzen können ebenfalls in der erfindungsgemäßen Leistungsversorgungsanordnung zum Gleichstromwandler abgeleitet werden, um dadurch die schaltenden Elemente zu schützen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leistungsversorgungsanordnung;
  • 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leistungsversorgungsanordnung.
  • Die 1 zeigt eine Leistungsversorgungsanordnung 10 mit einer Gleichstromquelle 11, die an einen Eingang 12 eines Gleichstromwandlers 13, der hier als Parallelschaltung zweier Tiefsetzsteller ausgebildet ist, angeschlossen ist. Der Gleichstromwandler 13 weist parallel zu seinem Eingang 12 einen Kondensator C1 auf. Ein solcher Kondensator kann alternativ oder zusätzlich auch außerhalb des Gleichstromwandlers 13 an den Eingangsanschlüssen des Gleichstromwandlers 13 angeschlossen sein. Weiterhin weisen die Schalter 14, 15, Dioden 16, 17 und in Serie zwischen Eingang 12 und Ausgang 18 geschaltete Induktivitäten 19, 20 auf. Angesteuert werden die Schalter 14, 15 durch eine Steuerschaltung 21. Am Ausgang 18 erzeugt der Gleichstromwandler 13 eine Zwischenkreisspannung. An den Ausgang 18 des Gleichstromwandlers 13 ist der Eingang 22 eines Wandlers 23 angeschlossen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Wandler 23 eine Vollbrücke auf, die vier schaltende Elemente 24, 25, 26, 27 aufweist. Die schaltenden Elemente 24–27 werden ebenfalls durch die Steuerschaltung 21 angesteuert. Am Ausgang 28 des Wandlers 23 ist über Leitungen 29, 30, die Leitungsinduktivitäten 31, 32 aufweisen, eine Plasmakammer 33 mit Elektroden 34, 35 angeschlossen. Der Wandler 23 liefert an seinem Ausgang einen Wechselstrom.
  • Schnelle Stromänderungen, insbesondere Ausschaltvorgänge an den schaltenden Elementen 24–27, können zu Spannungsspitzen über den schaltenden Elementen 24–27 führen. Weiterhin kann es zu Spannungsspitzen kommen, wenn in der Plasmakammer 33 Arcs auftreten.
  • Um die schaltenden Elemente 24–27 zu schützen, ist erfindungsgemäß ein als Diode ausgebildetes nicht-lineares Element 40 vorgesehen, über das der Ausgang 18 des Gleichstromwandlers 23 direkt mit dem Eingang 12 des Gleichstromwandlers 13 (extern) verbunden ist. Um die Leitungsinduktivität der Leitung 41 möglichst gering zu halten, ist die Leitung 41 so kurz wie möglich und so breit wie möglich ausgeführt. Die in den Spannungsspitzen enthaltene Energie wird somit besonders schnell an den Gleichstromwandler 13 zurückgeleitet.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist insbesondere der Ausgangsanschluss 42 mit dem Eingangsanschluss 43 über das nicht-lineare Element 40 verbunden. Es ist zu erkennen, dass zwischen dem Ausgangsanschluss 42 und dem Eingangsanschluss 43 keine diskrete Induktivität vorgesehen ist. Innerhalb des Gleichstromwandlers 13 hingegen ist der Eingangsanschluss 43 durch die Parallelschaltung der Serienschaltung, bestehend aus dem schaltenden Element 14 und der Induktivität 19, und der Serienschaltung, bestehend aus dem schaltenden Element 15 und dem induktiven Element 20, mit dem Ausgangsanschluss 42 verbunden. Wenn anstatt dem in der Ausführungsform in 1 als Diode ausgebildeten nicht-linearen Element 40 ein schaltendes Element verwendet wird, zum Beispiel ein Transistor, so kann dieser Transistor ebenfalls mit der Steuerschaltung 21 verbunden sein. Die Steuerschaltung 21 kann dann auch das schaltende Element ansteuern.
  • In der 2 ist eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leistungsversorgungsanordnung 100 gezeigt. Die Leistungsversorgungsanordnung 100 unterscheidet sich nur durch den Schaltungsteil 101 von der Leistungsversorgungsanordnung 10 der 1. Die entsprechenden Bauteile werden daher mit denselben Bezugsziffern versehen und nicht näher erläutert. Der Schaltungsteil 101 weist eine Serienschaltung aus zwei als Dioden ausgebildeten nicht-linearen Elementen 102, 103 auf. Dabei ist die Anode der ersten Diode 103 mit der Kathode der zweiten Diode 102 am Knotenpunkt 104 zusammengeschaltet. An den Knotenpunkt 104, d. h. den Verbindungspunkt der Serienschaltung der nicht-linearen Elemente 102, 103 ist ein als Kondensator ausgebildeter Energiespeicher C2 angeschlossen. Insbesondere ist der Energiespeicher C2 zwischen dem Knotenpunkt 104 und dem Eingangsanschluss 105 des Eingangs 22 des Wandlers 23 angeschlossen. Wenn für eines oder beide der zwei nicht-linearen Elemente 102, 103 ein schaltendes Element verwendet wird, zum Beispiel ein Transistor, so können diese Transistoren ebenfalls mit der Steuerschaltung 21 verbunden sein. Die Steuerschaltung 21 kann dann auch die schaltenden Elemente ansteuern.
  • Beim Auftreten eines Arcs in der Plasmakammer 33 oder einer Spannungsspitze über einem der schaltenden Elemente 24–27 wird der Energiespeicher C2 aufgeladen. Die im Energiespeicher C2 gespeicherte Energie kann anschließend über die nicht-lineareren Elemente 102, 103 in den Gleichstromwandler 13 abgeführt werden. Insbesondere wird die überschüssige Energie durch die Dioden 16, 17 und die Induktivitäten 19, 20 aufgenommen. Hierbei ist zu erwähnen, dass die Spannung über dem Kondensator C1 stets größer ist als die Summe der Spannungen über dem Energiespeicher C2 und dem nichtlinearen Element 103. Der Kondensator C1 kann durch die Rückspeisung der Energie nicht überladen werden, weil die gesamte Energie, die zurückgeleitet wird, durch den Gleichspannungswandler 18 zum Wandler 23 geführt wurde.

Claims (10)

  1. Leistungsversorgungsanordnung (10, 100) zur Versorgung industrieller Prozesse mit Leistung, umfassend: a. Einen Gleichstromwandler (13) mit einem Eingang (12) zum Anschluss an eine Gleichspannung, der an seinem Ausgang (18) eine Zwischenkreisspannung zur Verfügung stellt; b. Einen Wandler (23), der an den Ausgang (18) des Gleichstromwandlers (13) angeschlossen ist und eingerichtet ist, eine Wechselspannung oder eine gepulste Gleichspannung zu erzeugen und an seinem Ausgang (28) auszugeben, dadurch gekennzeichnet, dass c. Der Ausgang (18) des Gleichstromwandlers (13) direkt über ein nicht-lineares Element oder eine Serienschaltung aus mehreren nicht-linearen Elementen (102, 103) mit dem Eingang (12) des Gleichstromwandlers (13) verbunden ist.
  2. Leistungsversorgungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (18) des Gleichstromwandlers (13) ohne Zwischenschaltung einer Spule oder eines Übertragers mit dem Eingang (12) des Gleichstromwandlers (13) verbunden ist.
  3. Leistungsversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein nicht-lineares Element (40, 102, 103) als Diode ausgebildet ist.
  4. Leistungsversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einen Knotenpunkt (104) zwischen zwei in Serie geschalteten nicht-linearen Elementen (102, 103) ein Energiespeicher (C2) angeschlossen ist.
  5. Leistungsversorgungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (C2) zwischen den Knotenpunkt (102) und einen Eingangsanschluss (105) des Wandlers (23) geschaltet ist.
  6. Leistungsversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (C2) als Kondensator ausgebildet ist.
  7. Leistungsversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (23) als Halb- oder Vollbrückenschaltung aus schaltenden Elementen (24–27) ausgebildet ist.
  8. Leistungsversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromwandler (13) als Hochsetzsteller oder als Tiefsetzsteller ausgebildet ist.
  9. Leistungsversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromwandler (13) eine Induktivität (19, 20) aufweist, die in Serie zwischen seinem Eingang (12) und Ausgang (18) geschaltet ist.
  10. Verwendung einer Leistungsversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Versorgung eines Plasmaprozesses mit Leistung.
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