A high-voltage pulsed power modulator for fast-rising arbitrary waveforms
Creators: name: Hochberg, Martin Christian
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Pulsed Power
Power electronics
High voltage
Leistungselektronik
Hochspannungstechnik

description: Die Verwendung gepulster Elektronenstrahlen zur thermischen Oberflächenbehandlung bietet Vorteile in vielen Bereichen der Energieproduktion, da durch den Prozess eine Verbesserung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit metallischer Werkstücke erzielt werden kann. Für den erfolgreichen Einsatz einer gepulsten Elektronenstrahl-Anlage (GESA) ist dabei der verwendete Hochleistungsimpuls-Generator entscheidend, der den benötigten Hochleistungsimpuls von 120 kV, 600A bei einer Pulslänge von bis zu 100 μs bereitstellt. Der bisher verwendete funkenstreckenbasierte Generator limitiert durch seine begrenzte Flexibilität (rechteckige Ausgangsspannungsform, schwer einstellbare Pulslänge und Amplitude) die Anwendung stark. Um eine Weiterentwicklung der Technologie zur vollständigen Industriereife zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmalig ein halbleiterbasierter Hochleistungsimpuls-Generator entwickelt, gebaut und getestet, der zur Ansteuerung einer GESA-Anlage verwendet werden kann. Er zeichnet sich durch die feine Modulierbarkeit seiner Ausgangsspannung in Stufen von unter 1% der maximalen Ausgangsspannung während des Pulses aus, welche durch den modularen Aufbau mit einer Stufenspannung von bis zu 1000V erreicht wurde. Die Kombination aus den Pulsparametern und der Notwendigkeit eines schnellen Spannungsanstiegs von 1012 V/s am Ausgang des Generators stellte eine besondere Herausforderung dar, die bisher nicht mit konventionell angesteuerten Leistungshalbleitern realisiert wurde. Zur drastischen Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit spannungsgesteuerter Leistungshalbleiter wurde hierzu eine neuartige "Gate-boosting" Schaltung entwickelt. Weiterhin wurde durch einen speziellen Platinenentwurf eine niederinduktive Verbindung sowohl der Pulskondensatoren zu den Schaltelementen als auch der Platinen untereinander erreicht. Um einen schnellen Spannungsanstieg zu gewährleisten, wurden neben der Induktivität des Aufbaus auch die zu erwartenden Streukapazitäten mittels 3D elektro- und magnetostatischen Simulationen analysiert und im Entwurf berücksichtigt. Eine erhebliche Reduktion der Komplexität der Kontrolleinheit konnte durch die dezentrale Ansteuerung der Schaltelemente durch Mikroprozessoren und schnelle Logik lokal auf der Platine erzielt werden. Zugleich wird dadurch eine schnelle Reaktion des Generators auf Überstromfehler ermöglicht. Die effiziente Kommunikation aller Stufen untereinander gelingt durch die Implementierung eines spezialisierten optischen Bussystems, welches die Synchronisierung aller Stufen mit einer Genauigkeit von unter 11 ns erlaubt. Es konnte gezeigt werden, dass das zum Schutz der Elektronik entworfene Schirmkonzept eine Beeinflussung durch die beim Betrieb des Generators auftretenden elektromagnetischen Störungen verhindert. Neben neuen technischen Ansätzen enthält das entwickelte Design auch mehrere Konzepte zur starken Reduktion der Projektkosten. Nach erstmaliger Validierung der Generatorparameter im kleinen Maßstab von 8 Platinen wurde der vollständige Generator mit 149 Stufen erfolgreich aufgebaut und mit zuvor unerreichten Pulsparametern in Betrieb genommen. An einer der GESA-Anlage ähnlichen Last konnte die geforderte Spannungssteilheit bei voller Ausgangsspannung von 120 kV um 20% übertroffen werden. Es wurde gezeigt, dass durch sukzessives Zuschalten von Ersatzstufen die Spannungsabnahme der Pulskondensatoren effektiv kompensiert werden kann. Der neu entwickelte Generator steht nun zur Integration in das GESA-Versuchsfeld zur Verfügung.