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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Hochspannungsschalter,
bestehend aus einer Vielzahl reihengeschalteter Resonanzzellen.
Dieser Hochspannungsschalter ist insbesondere bestimmt für den Einsatz
in Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Umspannem.
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Stand der
Technik
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Die Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Umspanner
sind Systeme, die durch einen Gleichstrom gespeist werden und am
Ausgang einen Hochspannungs-Gleichstrom liefern, das heißt einen Strom
mit einer Spannung über
1 kV. Sie können
zum Beispiel in einer Hochspannungs-Gleichstromversorgung eingesetzt
werden, das heißt
in einem System zum Transformieren der aus dem nationalen Netz stammenden
elektrischen Energie in eine Gleichstrom-Hochspannung bzw. einen
Hochspannungsgleichstrom.
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Die Hochspannungs-Gleichstromversorgungen
umfassen im Allgemeinen eine Aufspannstufe. Diese Aufspannstufe
transformiert die Wechselspannung des nationalen Stromnetzes in
eine andere Wechselspannung mit derselben Frequenz aber einer höheren Amplitude.
Eine Regelung der Hochspannung muss also vor oder nach der Aufspannstufe
stattfinden.
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Man unterscheidet zwei Typen von
Hochspannungsversorgungen:
- – die als Niederspannung geregelten
Hochspannungen, das heißt
die Versorgungen, bei denen die Regelung der Hochspannung vor der
Aufspannstufe erfolgt; und
- – die
als Hochspannung geregelten Hochspannungen, das heißt die Versorgungen,
bei denen die Regelung der Hochspannung nach der Aufspannstufe erfolgt.
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Unter den Hochspannungsversorgungen
arbeiten manche mit der Netzfrequenz, also 50 Hz in Frankreich.
Diese Versorgungen umfassen zum Beispiel zwei Hochspannungsumformer,
die mit der Frequenz des Stromnetzes arbeiten. Diese beiden Umformer
werden beschrieben in den Artikeln "The realization of the power converters
for the CERN FR system of LEP" von
A. DELIZEE, J. -C. CARLIER, P. PROUDLOCK, IEEE Proceedings, 1990,
Nineteenth Power Modulator Symposium, und "High voltage d. c. power supplies" von J. S. BEKINK,
A. J. J. COLIJN, Holec Projects, EPE Journal, June 1994. Die in
diesen Artikeln beschriebenen Umformer umfassen magnetische Transformatoren,
die ermöglichen,
die Wechselspannung mit der Frequenz des Netzes zu erhöhen. Sie
umfassen auch einen Gleichrichter sowie ein Thyristor-Regelsystem.
Die derart geregelte Spannung wird in eine Aufspannstufe eingespeist und
dann in eine Gleichrichter- und Filterstufe. So erhält man am
Ausgang des Umformers eine Gleichstrom-Hochspannung. Die Umformer
werden im Allgemeinen für
sehr hohe Leistungen benutzt und ermöglichen die Realisierung einer
Versorgung in der Größenordnung
von 1 MW.
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Andere Stromversorgungstypen arbeiten
mit Hochfrequenz, das heißt
mit einer Frequenz von wenigstens 10 kHz. Um diese Hochfrequenz
zu erhalten, wird der aus dem elektrischen Netz kommende Strom zunächst gleichgerichtet
und gefiltert, um eine niedrige Gleichstromspannung zu erhalten.
Anschließend
wird er in eine Wechselrichterstufe eingespeist, welche die Gleichstrom-Niederspannung
in eine Wechselspannung transformiert. Diese Spannung wird anschließend in
eine Aufspannstufe eingespeist, dann in eine weitere Gleichrichter-
und Filterstufe, ehe aus ihr eine Gleichstrom-Hochspannung wird.
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Die Regelung der Spannung bei diesem
Versorgungstyp kann auf unterschiedlichen Niveaus stattfinden. Zunächst kann
sie beim Gleichrichten der aus dem Netz stammenden Spannung stattfinden, mit
Hilfe einer Gräz-Brücke, wie
beschrieben in dem Artikel "L'électronique de puissance
dans I'imagerie médicale", von J. LAEUFFER
und J. SALESSES, Revue Général de
I'Electricité, Juni
1992.
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Sie kann auch bei der Gleichspannung
vorgenommen werden, die aus der Gleichrichter- und Filterstufe kommt.
Sie wird dann mit Hilfe eines Zerhackers realisiert, wie beschrieben
in dem Artikel "High
power high voltage generator" von
1. BONANNI, L. CRISTOFOLI, Proceedings of EPE 87 Grenoble.
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In diesen beiden Fällen handelt
es sich um eine Regelung des in die Wechselrichterstufe eingespeisten
Gleichstroms. Diese Lösung
wird im Allgemeinen angewandt, wenn der benutzte Wechselrichter
vom Ganzwellentyp ist und nicht die Amplitude auf ihre Ausgangswechselspannung
kontrolliert.
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Jedoch wird in bestimmten Fällen zusätzlich zu
der Frequenz die Amplitude der in die Aufspannstufe eingespeisten
Wechselspannung in Höhe
der Wechselrichterstufe geregelt. Diese Operation wird zum Beispiel
realisiert mit Hilfe eines Resonanzwechselrichters wie beschrieben
in dem Dokument "L'électronique de puissance
dans I'imagerie
médicale", von J. LAEUFFER
und J. SALESSES, Revue General de I'Electricité, Juni 1992, oder in dem
Artikel "Les composants
a grille isolée
en mode thyristor-dual" von
H. FOCH, M. METZ, J. P. ARCHES, C. SAUGION, Revue Générale de
L'Electricité, Februar 1994,
oder auch in dem Werk mit dem Titel "La commutation douce dans la conversion
statique de I'énergie électrique" von Y. CHERON, 1989,
Edition Lavoisier.
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Der Transformator ist generell ein
magnetischer Transformator; er kann über seinen Ausgang mit einem
kapazitiven Vervielfacher oder einem kapazitiven Doppelvervielfacher
verbunden sein.
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Eine weitere Hochspannungsversorgung, beschrieben
in dem Artikel "A
TWT power supply for high phase stability transmitter" von Sandro SANDRI, IEEE
Proceedings, 1988 Eighteenth Power Modulator Symposium, Hilton Head,
benutzt den Transformator eines Flyback (isolierter Inverter-Zerhacker), um
die Funktion der Spannungserhöhung
zu erfüllen. Bei
dieser Versorgung wird die aus dem Stromnetz stammende Spannung
gleichgerichtet und gefiltert, um eine feste Gleichspannung zu erhalten,
die in den Flyback eingespeist wird. Dieser benutzt dann eine gekoppelte
Induktanz, "Flyback-Transfonator" genannt, dessen
Windungszahlverhältnis
eine Spannungserhöhung
bewirkt. Die verschiedenen Sekundärseiten dieser gekoppelten
Induktanz sind in Reihe geschaltet, um ihre Spannungen zu addieren;
die Regelung erfolgt wie bei einem klassischen Flyback, über das
zyklische Verhältnis
des Schalters. Die Ausgangsspannung einer solchen Versorgung beträgt 25 kV
bei einer Leistung von 400 W.
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Bei anderen Arten von Versorgungen
wird die Hochspannung geregelt. Die Regelung erfolgt dann nach der
Aufspannstufe und der Gleichrichter- und Filterstufe.
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Die Regelung der Hochspannung erfolgt
tatsächlich
in dem Fall, wo man eine sehr geringe Welligkeit der Ausgangsspannung
und eine schnelle Regelung wünscht.
Festzustellen ist, dass in zahlreichen Fällen eine Vorregelung bei der
Niederspannung der Versorgung möglich
ist. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Hochspannungsregelung
mit Hilfe der Lineanegler realisiert wird. Im Falle einer Vorregelung
kann man die verschiedenen oben präsentierten Typen von Versorgungen
benutzen, das heißt
die als Niederspannung geregelten Versorgungen.
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Generell erfordet die Hochspannungsregelung
Hochspannungsbauteile und oft eine hohe Leistung. Bei der Realisierung
einer als Hochspannung geregelten Versorgung kann man bei der Hochspannung
einen Lineanegler benutzen. Dieser wird oft mittels Tetroden realisiert,
das heißt
Vakuumröhren,
die eine genaue Regelung ermöglichen,
wie beschrieben in "Analysis
and control of a 130 kV pulsed tetrode regulator" von C. R. ROSE, J. C. CRON, Seventh
IEEE Pulsed Power Conference, Monterey, 1989, und in "A 1 MW (CW) modulatorregulator
system for gyroklystrons" von
Raymond C. BLACK, John KLOUZEK, IEEE Proceedings, 1984 Sixteenth
Power Modulator Symposium.
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Generell haben die Lineanegler aufgrund
ihres Funktionsprinzips im Allgemeinen mittelmäßige Wirkungsgrade. Außerdem haben
die bei Hochspannung benutzten Lineanegler, nämlich Tetroden, eine relativ
kurze Lebensdauer. Zudem sind sie teuer.
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Die Regelung von Hochspannung kann
auch mittels einer Impulsschneidversorgung des Zefiacker-Typs mit
Impulsbreitenmodulation realisiert werden. In Bezug auf den Lineanegler
haben die Impulsschneidversorgungen den Vorteil, eine gute Zuverlässigkeit
und einen höheren
Wirkungsgrad aufzuweisen. Diese Versorgungen erfordern jedoch einen (oder
mehrere) schnelle Hochspannungsschalter. Die Artikel "La mise en série des
transistors de puissance, presentation d'un hacheur 200 kW - 4 kV" von J. M. ANDREJAK,
J. P. ARCHES und P. C. CABALEIRO, Electronique de puissance n° 10 und "High voltage converters
promising technological developments" von J. M. ANDREJAK, M. LESCURE, Proceedings
of EPE 87 Grenoble, präsentieren
einen Zerhacker, realisiert mittels einer Reihenschaltung bipolarer
Leistungstransistoren. Dieser Zerhacker arbeitet mit 4 kV Ausgangsspannung
bei einer Leistung von 200 kW. Ein solcher Zerhacker ist jedoch
schwierig auszuführen
für eine
hohe Spannung.
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EP-A-353406 zeigt einen Hochspannungsschalter,
realisiert durch eine Reihenschaltung von MOSFETs.
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Die Niederspannungs-Regelsysteme
müssen
bei hohen Leistungen große
Ströme
verarbeiten, was generell einen Starkstromschalter aus parallelgeschalteten
Halbleitern erfordet, wenn die Stromkapazität der verschiedenen Halbleiter
nicht ausreicht. Daraus resultiert ein Zuverlässigkeitsproblem bei diesen
Vorrichtungen, da die Zerstörung
eines der parallelgeschalteten Bauteile zu einem Kurzschluss aller Halbleiter
und folglich zum Ausfall der Versorgung führt.
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Ein weiteres Problem ist das des
Werts des kapazitiven Ausgangsfilters. Im Falle des Ausfalls einer
mit Hochspannung versorgten Geräts,
zum Beispiel bei Kurzschluss, breitet sich die in dem Ausgangsfilter
enthaltene Energie in dem Gerät
aus, was zu dessen Beschädigung
führen
kann, wobei der Schaden um so größer wird,
je größer die
gespeicherte Energie ist. Also ist es notwendig, die in dem Filter
enthaltene Energie zu begrenzen, indem man den Wert der Filterkapazität reduziert.
Jedoch erhöht sich
die Effizienz des Filters, das heißt seine Fähigkeit, die Spannungswelligkeiten
zu dämpfen,
mit dem Wert des Filterkondensators und mit der Schneidfrequenz
des Regelsystems, außer
natürlich
im Falle des Lineaneglers. Um den Wert eines Filters bei Aufrechtehaltung
seiner Effizienz zu reduzieren, ist es notwendig, ein Regelsystem
mit erhöhter
Schneidfrequenz zu realisieren. Jedoch ist dieses Problem bei Frequenzen über 10 kHz
deutlich kleiner.
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Also wurde die Realisierung einer
Impulsschneidversorgung erwogen, die mit einer Frequenz über 10 kH
und einer hohen Spannung arbeitet. Diese Impulsschneidversorgung
besteht aus einem Gleichstrom/Gleichstrom-Umspanner (das heißt einem
Zerhacker) mit Hochspannungsversorgung und einem Schalter K. Die
Kapazität
CP repräsentiert
die Störkapazitäten der
Schaltung.
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In der 1 sieht
man einen solchen Umspanner. Es handelt sich um einen spannungsemiedrigenden
Zerhacker oder Abwärtszerhacker.
Dieser Umspanner umfasst eine Freilaufdiode DRL,
die mit ihrem Anschluss N mit einer Induktanz B verbunden ist und
mit ihrem Anschluss P mit einer Kapazität A, ihrerseits verbunden mit
einer Induktanz B. Ein Schalter K ist zwischen dem Anschluss N und
der Diode DRL und der Induktanz B geschaltet.
Die Kapazität
CP repräsentiert
die Störkapazitäten der
Schaltung.
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Der Gleichstrom-Gleichstrom-Umspanner wird
mittels einer Gleichstrom-Eingangsspannung
E gespeist und liefert eine Gleichstrom-Ausgangsspannung S, die
niedriger ist als die Eingangsspannung E. Der Schalter K wird, wie
oben erwähnt,
durch eine Vielzahl in Reihe geschalteter Halbleiter gebildet. Jedoch
handelt es sich bei einer solchen Struktur um ein "hartes" Schalten, das heißt, dass
die Schaltungen des Schalters K bei gleichzeitiger Präsenz von Strom
und Spannung erfolgen, was zu Schaltverlusten führt.
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Ein solcher Hochgleichspannungs-Gleichspannungs-Umspanner
ist wegen der Störkapazitäten des
Makroschalters K für
die Umgebung problematisch. In dem Beispiel der 1 laden sich nämlich die Störkapazitäten CP im Moment der Auslösung des Schalters K, was einen
starken Impulsstrom verursacht. Mit anderen Worten, wenn die Halbleiter
sich schließen,
blockiert bzw. sperrt die Freilaufdiode und die Störkapazitäten laden
sich auf, was hohe Störströme verursacht.
Diese letzteren erzeugen ihrerseits eine große Wärme in den Halbleitern. Die
in diesen Störkapazitäten enthaltene
Energie kann groß sein,
wenn die Spannung hoch ist, was zu der Zerstörung der Halbleiter führen kann.
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Darstellung
der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht genau dann, die Nachteile der oben beschriebenen Gleichstrom/Gleichstrom-Umformer
zu beseitigen. Zu diesem Zweck schlägt sie einen elektronischen
Hochspannungsschalter vor, der dazu dient, den Schalter des oben
beschriebenen Umformers zu ersetzen. Dieser Schalter ist aus einer
Vielzahl in Reihe geschalteter Resonanzzellen realisiert. Jede dieser
Zellen wird gebildet durch einen oder mehrere Schalter mit steuerbarem Öffnen und
Schließen, durch
eine oder mehrere Dioden, eine oder mehrere Induktanzen, einen Resonanzkondensator
und eine Spitzenbegrenzungseinrichtung.
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Noch genauer betrifft die Erfindung
einen elektronischen Hochspannungsschalter, durchquert von einem
Hauptstrom und mit wenigstens zwei in Reihe geschalteten Resonanzzellen,
wobei jede Resonanzzelle dieses Schalters umfasst:
- – wenigstens
eine Diode mit Anschlüssen
N und P;
- – wenigstens
eine Induktanz;
- – wenigstens
einen Resonanzkondenstator;
- – wenigstens
eine Spannungsspitzenbegrenzungseinrichtung;
- – wenigstens
eine Unterbrechungseinrichtung des Stroms in der Zelle, derartig,
dass das Schließen
dieser Unterbrechungseinrichtung eine Entladung des Resonanz- und
Streukapazitätenkondensators
in die Induktanz bewirkt, so dass der Hauptstrom jede Zelle durchquert,
und dass das Öffnen
dieser Unterbrechungseinrichtung das Laden des Resonanz- und Streukapazitätenkondensators
aus der Induktanz bewirkt, über
die Diode, wobei der genannte Kondensator unabhängig vom jeweiligen Zustand
der Unterbrechungseinrichtungen an seinen Anschlüssen eine Spannung derselben
Polarität
aufweist, und die Induktanz unabhängig vom jeweiligen Zustand
der Unterbrechungseinrichtungen von einem Strom derselben Richtung
durchquert wird.
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Nach einer Ausführungsart der Erfindung umfasst
jede Zelle eine erste und eine zweite Unterbrechungseinrichtung
und eine erste und eine zweite Diode, wobei die erste Unterbrechungseinrichtung mit
dem Anschluss P der ersten Diode verbunden ist, die zweite Unterbrechungseinrichtung
mit dem Anschluss N der zweiten Diode verbunden ist, und die Induktanz
der Zelle zwischen dem Anschluss P der ersten Diode und dem Anschluss
N der zweiten Diode angeschlossen ist, wobei dieses Unterbrechung-Dioden-Induktanz-System
einen zu dem Resonanzkondensator parallelgeschalteten Induktionskreis
bildet, der seinerseits zu der Spitzenbegrenzungseinrichtung parallelgeschaltet
ist.
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Nach einer anderen Ausführungsart
der Erfindung umfasst jede Zelle eine erste und eine zweite Induktanz,
in Serie geschaltet und magnetisch gekoppelt, wobei die erste Induktanz
außerdem
mit der Unterbrechungseinrichtung und die zweite Induktanz mit der
Diode verbunden ist, und dieses einen Induktionskreis bildende Unterbrechung-Diode-Induktanz-System
einerseits durch einen Anschluss zwischen den beiden Induktanzen
und andererseits durch die Unterbrechungseinrichtung mit dem Resonanzkondensator
verbunden ist, der seinerseits zu der Spitzenbegrenzungseinrichtung
parallelgeschaltet ist.
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Nach wieder einer anderen Ausführungsart umfasst
jede Zelle:
- – eine erste und eine zweite
Unterbrechungseinrichtung;
- – eine
erste und eine zweite Diode, wobei die erste Unterbrechungseinrichtung
mit dem Anschluss der zweiten Diode verbunden ist, und die zweite Unterbrechungseinrichtung
mit dem Anschluss N der ersten Diode verbunden ist;
- – eine
erste oder eine zweite Spannungsspitzenbegrenzungseinrichtung, jeweils
parallelgeschaltet zwischen dem Eingang der ersten Unterbrechungseinrichtung
und dem Anschluss N der zweiten Diode oder parallelgeschaltet zum
Kondensator;
wobei der Resonanzkondensator zwischen
dem Anschluss P der zweiten Diode und dem Anschluss N der ersten
Diode geschaltet ist, und die Induktanz zwischen dem Eingang der
Zelle und dem Anschluss P der ersten Diode geschaltet ist.
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Vorteilhafterweise ist (sind) die
Induktanz(en) jeder Zelle magnetisch mit den Induktanzen der anderen
Zellen gekoppelt ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen
Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Umspanner, der eine Freilaufdiode, eine
Induktanz und wenigstens eine Filterkapazität und einen Hochspannungsschalter
umfasst, wie oben beschrieben.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die 1,
schon beschrieben, stellt einen klassischen Gleichstrom/Gleichstrom-Umspanner dar;
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die 2 zeigt
schematisch eine Ausführungsart
eines in dem Gleichstrom/Gleichstrom-Umspanner der 1 verwendeten Schalters;
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die 3 zeigt
schematisch eine Resonanzzelle des Schalters der 2 in einer Zerhacker-Struktur;
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die 4A bis 4F zeigen schematisch die verschiedenen
Funktionsphasen der Resonanzzelle der 3;
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die 5 zeigt
eine zweite Ausführungsart des
Schalters K des Gleichstrom/Gleichstrom-Umspanners der 1;
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die 6 zeigt
schematisch eine den Schalter der 5 bildenden
Resonanzzelle;
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die 7A bis 7F zeigen schematisch die verschiedenen
Funktionsphasen der Resonanzzelle der 6;
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die 8 zeigt
schematisch den erfindungsgemäßen Schalter;
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die 9 zeigt
schematisch eine Resonanzzelle des Schalters der 2 in einer Zerhacker-Struktur; und
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die 10A bis 10F zeigen schematisch die verschiedenen
Funktionsphasen der Resonanzzelle der 3.
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Darstellung
von Ausführungsarten
der Erfindung
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In der 2 ist
das Verkabelungsschema eines Schalters K dargestellt, der dazu bestimmt
ist, in dem Gleichstrom/Gleichstrom-Umspanner der 1 eingesetzt zu werden. Dieser Schalter
K umfasst eine Vielzahl von Resonanzzellen, auch "Schaltzellen" genannt, die in
Reihenschaltung miteinander verbunden sind.
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Wie man in der 1 sieht, umfasst der Hochspannungsschalter
K n Resonanzzellen mit den Bezugszeichen 1a, 1b,
..., 1n. Jede dieser Resonanzzellen umfasst zwei Schalter
K1 und K2, zwei Dioden D1 und D2, eine Induktanz L, einen Resonanzkondensator
C und eine Spitzenbegrenzungseinrichtung Me.
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Diese verschiedenen Elemente sind
in jeder der Resonanzzellen der 2 dargestellt,
aber nur in der Resonanzzelle 1a bezeichnet. Die anderen
Zellen 1b, 1c, ..., 1n dieses Schalters
K werden nicht beschrieben, denn sie entsprechen alle dieser Zelle 1a. Nach
dieser Zelle 1a ist die Diode D1 mit ihrem Anschluss P
mit den Unterbrechungseinrichtungen K2 (auch Schalter genannt) verbunden,
und die Diode D2 ist mit ihrem Anschluss N mit dem Schalter K1 (auch
Unterbrechungseinrichtung) verbunden. Eine Induktanz L ist zwischen
dem Anschluss P der Diode D1 und dem Anschluss N der Diode D2 geschaltet. Dieses
aus D1, D2, K1, K2 und L bestehende System wird in der Folge "Induktionsschaltkreis" genannt.
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Ein Resonanzkondensator C ist parallelgeschaltet
zu diesem Induktionsschaltkreis und eine Spitzenbegrenzungseinrichtung
Me ist parallelgeschaltet zu diesem Resonanzkondensator.
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Diese Spitzenbegrenzungseinrichtung
Me dient der Begrenzung der maximalen Spannung
an den Anschlüssen
des Kondensators C und dem Spannungsschutz der Schalter K1 und K2
und der Dioden D1 und D2.
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In der 3 ist
eine dieser Resonanzzellen dargestellt. Gezeigt wird die Funktionsweise
dieser Zelle in einer Abwärtszerhacker-Struktur.
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Man sieht in dieser 3 wieder den Induktionsschaltkreis, realisiert
durch die Dioden D1, D2, die Schalter K1, K2, die Induktanz L und,
parallelgeschaltet zum Induktionsschaltkreis, dem Resonanzkondensator
C. Die Spitzenbegrenzungseinrichtung Me wurde
nicht dargestellt, denn sie hat keinen Einfluss auf die allgemeine
Funktionsweise der Resonanzzellen.
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Um die Funktionsweise dieser Zelle
zu erläutern,
nimmt man an, dass der Ausgangsstrom des Zerhackers konstant und
gleich Io ist. Man nimmt auch an, dass die
Eingangsspannung des Zerhackers konstant und gleich E ist. Diese
Resonanzzelle erhält
also am Eingang eine Spannung E und liefert am Ausgang eine Spannung
Io, wie in der 3 durch eine Stromquelle schematisiert.
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Zu dieser Stromquelle ist eine Freilaufdiode DRL parallelgeschaltet.
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Das Schließen der Schalter K1 und K2
verursacht eine schwingende Entladung in dem Resonanzkondensator
C, der dabei seine Energie an die Resonanzinduktanz L abgibt. Der
Hauptstrom des Schalters K durchquert dann die Schalter K1 und K2 und
die Resonanzinduktanz L jeder Resonanzzelle des Schalters K.
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Das Öffnen der Schalter K1 und K2
jeder Resonanzzelle verursacht den Rücktransfer der Energie der
Resonanzinduktanz L zum Resonanzkondensator C über die Dioden D1 und D2.
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Festzustellen ist, dass die Spannung
an den Anschlüssen
des Kondensators C dieselbe Polarität wie zu Beginn hat, das heißt, dass
sie dieselbe Polarität
hat, unabhängig
vom Zustand der Schalter K1 und K2, und sich die Spannung an den
Anschlüssen des
Kondensators C nicht umkehrt.
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Festzustellen ist auch, dass der
die Resonanzinduktanz L durchquerende Strom immer dieselbe Polarität hat, in
allen Betriebsphasen des elektronischen Schalters K.
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Die 4A bis 4F zeigen. die verschiedenen Betrebsphasen.
der Abwärtszerhacker-Schaltung der 3.
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Die 4A zeigt
die Anfangsphase des Betriebs, Freilaufphase genannt. In dieser
Phase, die die Betriebsanfangsphase ist, sind die Schalter K1 und
K2 offen und die Dioden D1 und D2 sind gesperrt, während die
Freilaufdiode DRL leitend ist. Dies ist
eine stabile Phase. Der Strom an den Anschlüssen der Induktanz ist null.
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In der 4B ist
die zweite Betriebsphase der Abwärtszerhacker-Schaltung
der 3 dargestellt. In
dieser Phase schließt
man die Schalter K1 und K2. Die Induktanz L wird dann der Spannung
E ausgesetzt. Die Kapazität
C bleibt der Spannung E ausgesetzt. Der Strom in der Freilaufdiode
DRL wird am Ende einer Zeit t = L × Io/E null, was zu diesem Zeitpunkt das Öffnen der
Freilaufdiode bewirkt.
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In der 4C ist
die dritte Betriebsphase der Schaltung der 3 dargestellt. Wenn die Freilaufdiode
DRL blockiert bzw. sperrt, setzt bei der
Induktanz L und der Kapazität
C die Resonanz ein. Der Strom in der Induktanz nimmt zu, während die
Kapazität sich
entlädt.
Wenn also die Spannung Vc an den Anschlüssen des
Resonanzkondensators C null wird, werden die Dioden D1 und D2 leitend.
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In der 4D sieht
man die vierte Phase der Abwärtszerhacker-Schaltung.
In dieser Phase sind die Schalter K1 und K2 und die Dioden D1 und
D2 leitend. Der Gleichstrom in der Induktanz L fließt im Freilauf
durch K1/D1 und K2/D2. Der Strom Io fließt durch
D1/K2 und K1/D2. Die Kapazität
C ist kurzgeschlossen. Diese Phase ist stabil und geht nur bis zur Öffnung bzw.
Sperrung der Schalter K1 und K2.
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In der 4E ist
die fünfte
Betriebsphase der Abwärtszerhacker-Schaltung
dargestellt. Im Laufe dieser Phase, wenn man simultan die Schalter
K1 und K2 öffnet,
findet zwischen der Induktanz L und der Kapazität C eine Resonanz statt. Die
Kapazität
C lädt
sich, während
der Strom in der Induktanz L abnimmt. Wenn die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators
C gleich E ist, wird die Freilaufdiode ausgelöst.
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In der 4F ist
die sechste Betrebsphase der Abwärtszerhacker-Schaltung
dargestellt. Wenn die Freilaufdiode ausgelöst wird, bleibt die Kapazität C unter
der Spannung E, während
der Strom in der Induktanz L linear abnimmt. Wenn der Strom in der Induktanz
null wird, blockieren bzw. sperren die Dioden D1 und D2 und man
kehrt zurück
zu der in der 4A dargestellten
Freilauf-Anfangsphase.
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In der 5 ist
eine weitere Ausführung
des zum Einsatz in dem Gleichstrom/Gleichstrom-Umspanner bestimmten
elektronischen Hochspannungsschalters K dargestellt. Dieser Schalter
K umfasst, wie bei der ersten Ausführungsart, eine Vielzahl von
Resonanzzellen (oder Schaltzellen), in Reihe geschaltet und mit 2a, 2b,
..., 2n bezeichnet.
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Alle diese Resonanzzellen 2a, 2b,
..., 2n sind identisch und nur die Zelle 2a wird
beschrieben.
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Jede dieser Resonanzzellen umfasst
eine Induktionsschaltung, gebildet durch zwei Induktanzen L1 und
L2, die in Reihe geschaltet und magnetisch gekoppelt sind. Die Induktionsschaltung
umfasst zudem einen Schalter K3 (auch Unterbrechungseinrichtung
genannt), der mit dem Eingang der Induktanz L1 verbunden ist, und
eine Diode D3, die mit dem Ausgang der Induktanz L2 verbunden ist.
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Ein Resonanzkondensator C ist parallelgeschaltet
zu dem Schalter K3 und der Induktanz L1; er ist auch parallel zu
einer Spitzenbegrenzungseinrichtung Me geschaltet.
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In der 6 ist
das Funktionsschema der Zelle 2a in der oben beschrtebenen
Abwärtszerhacker-Struktur
dargestellt.
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Bei dieser Funktionsart geht man
davon aus, dass der Ausgangsstrom Io konstant
ist. Man nimmt auch an, dass die Eingangsspannung E konstant ist.
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Unter diesen Bedingungen erhält man in
der 6 einen elektrischen
Schaltplan, in dem die Zelle 2a am Eingang eine Spannung E erhält und am
Ausgang einen Strom Io liefert, dargestellt
durch die Spannungsquelle. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsart,
ist eine Freilaufdiode DRL zur Stromquelle
parallelgeschaltet.
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Man sieht in diesem Schaltplan, dass
die Spitzenbegrenzungseinrichtungen Me nicht
dargestellt worden sind, denn sie modifizieren nicht die globale
Funktionsweise der Resonanzzelle.
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In den 7A bis 7F sind die sechs verschiedenen
Betriebsphasen der Schaltung der 6 dargestellt.
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Die 7A zeigt
schematisch die Anfangsphase, das heißt die Freilaufphase. In dieser
Phase sind der Schalter K3 und die Diode D3 blockiert bzw. nichtleitend,
während
die Freilaufdiode DRL leitet. Es ist eine
stabile Phase; an K3 und an D3 liegt jeweils eine Spannung E.
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Die 7B zeigt
schematisch die zweite Betriebsphase der Abwärtszerhacker-Schaltung der 6. In dieser Phase schließt man den
Schalter K3. Die Induktanzen L1 und L2 sind dann einer Spannung
E ausgesetzt. Die zweite Induktanz erzeugt eine Spannung -E, welche
die Diode D3 sperrt. Diese Diode D3 ist dann einer Spannung 2E ausgesetzt. Der
Strom in der Freilaufdiode wird null am Ende einer Zeit t, die gleich
L × Io/E ist, was zu diesem Zeitpunkt die Öffnung der
Freilaufdiode DRL bewirkt.
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Die 7C zeigt
die dritte Betriebsphase der Abwärtszerhacker-Schaltung
der 6. Wenn die Freilaufdiode
sperrt, stellt sich zwischen L1 und L2 Resonanz ein. Der Strom in
den Induktanzen nimmt zu, während
die Kapazität
C sich entlädt.
Wenn die Spannung Vc an den Anschlüssen der
Kapazität
C null wird, wird die Diode D3 leitend.
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Die 7D zeigt
die vierte Betriebsphase der Abwärtszerhacker-Schaltung
der 6. Im Laufe dieser
Phase gilt die Annahme, dass der Schalter K3 und die Diode D3 leitend
sind. Der Gleichstrom in den Induktanzen L, und L2 fließt als Freilaufstrom
durch den Schalter K3 und die Diode D3. Der Strom Io fließt durch
diesen Schalter und diese Diode. Die Kapazität C ist kurzgeschlossen und
man erhält
folglich eine Spannung Vc null. Diese Phase
ist stabil und geht nur bis zur Öffnung
bzw. Sperrung der Schalter.
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Die 7E zeigt
die fünfte
Betriebsphase der Schaltung. Wenn der Schalter K3 offen ist, ereignet
sich zwischen den Induktanzen L, und L2 und
der Kapazität
C eine Resonanz. Diese Kapazität
C lädt sich
auf, während
der Strom in den Induktanzen abnimmt. Wenn also Vc =
E, dann wird die Freilaufdiode ausgelöst.
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Die 7F zeigt
die vierte Betriebsphase der Abwärtszerhacker-Schaltung
der 6. Wenn die Freilaufdiode
ausgelöst
wird, bleibt die Kapazität C
aufgeladen unter der Spannung E, während der Strom in der Induktanz
linear abnimmt; der Schalter K3 liegt an einer Spannung 2E. Wenn
der Strom in der Induktanz null wird, sperrt die Diode D3 und man kehrt
zu der Freilauf-Anfangsphase zurück.
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Unabhängig von der Ausführungsart
der elektronischen Schalter K (Ausführungsart der 2 oder der 5),
kann (können)
die Induktanz(en) gekoppelt werden mit den Induktanzen der anderen
Zellen, was ermöglicht,
die Spannungen der Zellen auszugleichen.
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In der 8 ist
der Verkabelungsplan eines für
den Einsatz in dem in der 1 dargestellten Gleichstrom/Gleichstrom-Umspanner
bestimmten Schalters K dargestellt. Dieser Schalter K umfasst eine
Vielzahl Resonanzzellen, auch "Schaltzellen" genannt, die miteinander
in Reihe geschaltet sind.
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Wie zu sehen in der 8, umfasst der Hochspannungsschalter
K n Resonanzzellen 3a, 3b, ..., 3n. Jede
dieser Resonanzzellen umfasst zwei Schalter K1 und K2, zwei Dioden
D1 und D2, eine Induktanz L, einen Resonanzkondensator C und zwei Spitzenbegrenzungseinrichtungen
E1 und E2.
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Diese verschiedenen Elemente sind
in jeder der Resonanzzellen der 8 dargestellt,
aber nur in der Resonanzzelle 3a bezeichnet, da die Zellen 3b, ..., 3n identisch
sind mit der Zelle 3a.
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In jeder Zelle ist der erste Schalter
K1 (oder Unterbrechungseinrichtung) mit dem Anschluss P der zweiten
Diode D2 verbunden. Parallel dazu ist die erste Diode D1 mit ihrem
Anschluss N mit dem zweiten Schalter K2 verbunden. Der Kondensator
C ist zwischen dem Anschluss P der Diode D2 und dem Anschluss N
der Diode D1 geschaltet.
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Eine erste Spitzenbegrenzungseinrichtung E1
ist parallelgeschaltet zu K1 und D2, um diese letzteren gegen Spannung
zu schützen.
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Ein anderes Mittel zur Realisierung
dieser Funktion besteht darin, eine zu dem Kondensator C parallelgeschaltete
Spitzenbegrenzungseinrichtung E2 zu benutzen, um die maximale Spannung
an den Anschlüssen
des Kondensators zu begrenzen.
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Eine Induktanz L ist zwischen dem
Eingang der Zelle und dem Anschluss P der Diode D1 geschaltet, das
heißt
an dem Eingangsanschluss e des durch die Dioden D1, D2, die Schalter
K1, K2, den Spitzenbegrenzungseinrichtungen E1, E2 und dem Kondensator
C gebildeten Systems.
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Ein Ausgangsanschluss s, symmetrisch
zum Eingangsanschluss e angeordnet, zwischen dem Anschluss N der
Diode D2 und dem Ausgang des Schalters K2, sichert die Verbindung
mit der nächsten
Resonanzzelle.
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Eine dieser Resonanzzellen ist in
der 9 dargestellt und
zeigt die Funktionsweise dieser Zelle in einer Abwärtszerhacker-Struktur.
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In dieser 9 findet man die Bauteile der Zelle 3a der 8 wieder, ausgenommen die
Spitzenbegrenzungseinrichtungen E1 und E2, die keinen Einfluss auf
den allgemeinen Betrieb der Resonanzzellen haben. Ihre Rolle besteht
nur darin, eine gewisse Spannungsbegrenzung in den Zellen zu gewährleisten.
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Um die Funktionsweise dieser Zelle
zu erläutern,
geht man davon aus, dass der Ausgangsstrom des Zerhackers konstant
und gleich Io ist. Man geht auch davon aus,
dass die Eingangsspannung des Zerhackers konstant und gleich E ist.
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Diese Resonanzzelle erhält also
am Eingang eine Spannung E und liefert am Ausgang eine Spannung
Io, wie in der 9 durch eine Stromquelle schematisiert.
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Zu dieser Stromquelle ist eine Freilaufdiode DrI parallelgeschaltet.
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Das Schließen der Schalter K1 und K2
verursacht eine schwingende Entladung in dem Resonanzkondensator
C, der dann seine Energie an die Resonanzinduktanz L abgibt. Der
Hauptstrom des Schalters K durchquert dann die Schalter K1 und K2 und
die Resonanzinduktanz L jeder Resonanzzelle des Schalters K.
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Das Öffnen der Schalter K1 und K2
jeder Resonanzzelle verursacht den Rücktransfer der Energie der
Resonanzinduktanz L zum Resonanzkondensator C über die Dioden D1 und D2.
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Festzustellen ist, dass die Spannung
an den Anschlüssen
des Kondensators C dieselbe Polarität wie zu Beginn hat, das heißt, dass
sie dieselbe Polarität
hat, unabhängig
vom Zustand der Schalter K1 und K2, und sich die Spannung an den
Anschlüssen des
Kondensators C nicht umkehrt.
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Festzustellen ist auch, dass der
die Resonanzinduktanz L durchquerende Strom immer dieselbe Polarität hat, in
allen Betriebsphasen des elektronischen Schalters K.
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Die 10A bis 10F zeigen die verschiedenen
Betriebsphasen der Abwärtszerhacker-Schaltung
der 9.
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Die 10A zeigt
die Anfangsphase des Betriebs, Freilaufphase genannt. In dieser
Betriebsphase sind die Schalter K1 und K2 offen und die Dioden D1
und D2 sind gesperrt, während
die Freilaufdiode DrI, leitend ist. Dies
ist eine stabile Phase. K1/D1 und K2/D2 teilen sich die Spannung
Vc = E + Io√L/C
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In der 10B ist
die zweite Betriebsphase der Abwärtszerhacker-Schaltung
der 9 dargestellt. In
dieser Phase schließt
man die Schalter K1 und K2. Es kommt zu Resonanz zwischen der Induktanz
L und dem Kondensator C, bei der der in der Induktanz fließende Strom
zunimmt, während
der Kondenstor C sich entlädt.
Der in der Freilaufdiode DrI, fließende Strom
ist IDrI = Io – IL.
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In der 10C ist
die dritte Betriebsphase der Schaltung der 9 dargestellt. Wenn die Freilaufdiode
DrI blockiert bzw. sperrt, fließt durch
die Induktanz L der Strom Io, während der
Kondensator C sich entlädt.
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Diese Phase endet, wenn VC = 0, was das Schließen von D1 und D2.
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In der 10D sieht
man die vierte Phase der Abwärtszerhacker-Schaltung.
In dieser Phase sind die Schalter K1 und K2 und die Dioden D1 und D2
leitend. Der Gleichstrom Io, der die Induktanz
L durchquert, teilt sich auf zwischen K1/D2 und K2/D1. Der Strom
Io fließt
durch D1/K2 und K1/D2. Die Kapazität C ist kurzgeschlossen; man
hat also VC = 0. Diese Phase ist stabil
und geht nur bis zur Öffnung
bzw. Sperrung der Schalter K1 und K2.
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In der 10E ist
die fünfte
Betrebsphase der Abwärtszerhacker-Schaltung
dargestellt. Im Laufe dieser Phase, wenn man simultan die Schalter
K1 und K2 öffnet,
lädt der
Strom Io den Kondensator C. Wenn VC = E, wird die Freilaufdiode ausgelöst.
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In der 10F ist
die sechste Betriebsphase der Abwärtszerhacker-Schaltung dargestellt.
Wenn die Freilaufdiode DrI ausgelöst wird,
kommt es zu Resonanz zwischen der Induktanz L und dem Kondensator
C. Die Spannung VC nimmt zu, während der Strom
Io in der Induktanz L abnimmt. Wenn der
Strom IL null wird, blockieren bzw. sperren
die Dioden D1 und D2 und man kehrt zu der Freilauf-Anfangsphase zurück.
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Ein Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-Umspanner,
der einen wie oben beschriebenen Hochspannungsschalter umfasst,
hat in Bezug auf die Vorrichtungen nach dem Stand der Technik eine
höhere
Lebensdauer. Zudem sind die den Schalter bildenden Schaltzellen
reihengeschaltet, wobei der Schalter den Vorteil hat, nicht gänzlich auszufallen,
wenn ein Bauteil einer Zelle defekt ist.
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Außerdem wird die Leistung in
den oben beschriebenen Schaltungen mittels einer Hochspannung verarbeitet;
dies ermöglicht
die Erzeugung kleiner Ströme.
Eine Realisierung als gedruckte Schaltung ist folglich möglich, das
heißt
eine Erleichterung bei der Herstellung und eine Reduzierung der
Kosten in Bezug auf eine sehr bekannte Struktur, die eine oft teure
mechanische Montage erfordet.
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Zudem ermöglicht die Erlangung hoher Schneidfrequenzen,
das heißt über 10 kHz,
eine Reduktion des Werts des kapazitiven Ausgangsfilters, unter
Beibehaltung einer effizienten Filterung.
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Außerdem sind die Umgebungsstörungskapazitäten eingeschlossen
in die Kapazitäten
der verschiedenen Stufen des Schalters. Zudem wird die in den Störkapazitäten enthaltene
Energie in die Resonanzenergie recycelt, anstatt total in die Halbleiter abgeleitet
zu werden, wie dies bei den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik
der Fall ist.