A high-voltage pulsed power modulator for fast-rising arbitrary waveforms

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. ... mehrUm 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.

Pulsed electron beam treatment for thermal surface modification offers new possibilities in many fields of energy technology, as it allows the enhancement of the wear and corrosion resistance of metals. A critical element of the process is the employed pulsed power modulator driving the pulsed electron beam device (GESA). It supplies the necessary high-power pulse with a total output voltage of 120 kV and a total current of 600A for a duration of up to 100 μs. The currently employed spark-gap based modulator restricts the applications of the process due to its limited flexibility in terms of output voltage shape, amplitude and duration. ... mehrTo enable a maturing of the technology to large-scale industry level, a semiconductor-based pulsed power modulator capable of driving a GESA device was developed, build and tested for the first time in the scope of this work. It allows for a step-wise arbitrary output waveform of up to 120 kV and a maximum current of 600 A. By selecting a modular concept and a stage voltage of 1000 V, the output voltage can be modulated in fine steps below 1% of the maximum output voltage. Besides the unique pulse parameters, the required fast rise rate of the output voltage of 1012 V/s posed a special challenge, as it has not been realized with presently available power semiconductors using standard gate-drive technologies. To overcome this limitation, a new "gate-boosting" circuit was developed, allowing a tremendous increase in switching speed for commercial voltage-controlled power semiconductors. Additionally, the circuit inductance was kept low using a special board layout for reduced inductance between the pulse capacitors and the pulse switches on the one hand, as well as between adjacent stages on the other hand. Together with the parasitic inductive properties of the assembly, the parasitic capacitances were analyzed based on 3D electro- and magneto-static simulations and considered in the design for meeting the voltage rise time requirement. The employed decentralized control of the pulse switches by microprocessors and fast logic locally on each board drastically reduces the complexity of the main control unit while ensuring a fast reaction time of the modulator to overcurrent conditions. An efficient communication between all stages is achieved by implementing a specialized optical bus system, enabling a synchronization of all stages within 11 ns. The designed electro-magnetic shielding for the sensitive electronics on each stage was tested successfully. Complementing the new solutions for technical challenges, the presented work implements approaches for drastically cutting the project costs. After a successful validation of the design parameters in a proof-of-concept assembly consisting of eight stages, the full-scale modulator was assembled and tested with unprecedented pulse parameters. Connected to a load similar to the GESA device, the required output voltage rise rate at full output voltage of 120 kV could be exceeded by 20 %. The subsequent activation of spare stages proved efficient in counteracting the pulse capacitor voltage droop. The modulator is now ready for integration into the GESA experiment.