Modulador de alta tensión con transformador.

Dispositivo de alimentación de alta tensión, que comprende

- un modulador de alta tensión (1) con una pluralidad de etapas de conmutación (S1,

...,Sn) que comprenden cada una una fuente de tensión (Q) para generar una tensión continua (UM) así como al menos un elemento de conmutación (V1, V2; V1', V2') activable para proporcionar la tensión continua de forma selectiva como tensión inicial, estando al menos una parte de las etapas de conmutación (Sn-1) configuradas para proporcionar la tensión inicial de forma selectiva con un signo positivo o negativo, estando las etapas de conmutación (S1,...,Sn) conectadas en serie de modo que las tensiones iniciales de las etapas de conmutación individuales se suman durante el funcionamiento, y estando aplicada la tensión de suma (UA, UP, UD, UB) así formada en una carga formando un circuito de carga,

- un transformador (5) con al menos un devanado primario (51) y al menos un devanado secundario (52) que está acoplado magnéticamente con el devanado primario a través de un núcleo de transformador (53), estando el devanado primario (51) dispuesto en el circuito de carga del modulador de alta tensión (1), así como

- un dispositivo de control (7, 11, 11') para el modulador de alta tensión con el que están conectados los elementos de conmutación (V1, V2; V1', V2') de forma que actúan conjuntamente y que durante el funcionamiento activa los elementos de conmutación (V1, V2; V1', V2') de modo que el modulador de alta tensión genera en el devanado primario (51) al menos un impulso de tensión positivo (UP), caracterizado

- por que el modulador de alta tensión (1) está configurado de modo que permite un flujo de corriente a través del circuito de carga tanto en un sentido positivo como en un sentido negativo contrario al mismo, y

- por que el dispositivo de control (7, 11, 11') controla durante el funcionamiento los elementos de conmutación (V1, V2, V3, V4) de modo que el modulador de alta tensión emite una tensión de premagnetización negativa (UM) antes del impulso de tensión positivo (UP) para premagnetizar de forma negativa el núcleo de transformador (53).

Modulador de alta tensión con transformador Campo técnico

La presente invención se refiere a un dispositivo de alimentación de alta tensión pulsado que comprende un modulador de alta tensión en forma de un denominado modulador de pasos de impulsos así como un transformador.

Estado de la técnica

Dispositivos de alimentación de alta tensión pulsados se utilizan para una serie de aplicaciones, por ejemplo, en aceleradores de partículas para la física de alta energía, en sistemas de radar o en sistemas para la generación de rayos para aplicaciones médicas, en la preparación de agua potable o en la fabricación de semiconductores.

Por J. Alex et al., "A New Klystron Modulator for XFEL Based on PSM Technology, Proceedings of PAC07, Albuquerque, New México, EEUU (2007), páginas 2200-2202 se conoce un dispositivo de alimentación de alta tensión que se basa en un modulador de alta tensión en forma de un modulador de pasos de impulsos (PSM, Pulse Step Modulatoi) con un transformador conectado aguas abajo.

En la figura 1 se representa un diagrama de bloques esquemático de un dispositivo de alimentación de alta tensión de este tipo. El modulador de alta tensión 1 está configurado a partir de veinticuatro módulos de conmutación idénticos conectados en serie, generando cada uno de los módulos en el estado activo una tensión continua predeterminada en su salida. En el estado pasivo, cada módulo permite un flujo de corriente unidireccional a través de un diodo de libre circulación sin que esté aplicada una tensión considerable entre las salidas del módulo. Las disposiciones de este tipo están muy extendidas en sí como amplificadores de conmutación PSM, por ejemplo, para activar el tubo de emisión de emisoras de radio AM.

El modulador de alta tensión 1 se alimenta por una tensión de alimentación Us y genera una tensión inicial pulsada Ua. Ésta se transmite a través de una línea coaxial 2 a un transformador de impulsos 5 cuyo devanado primario 51 cierra el circuito de carga para el modulador de alta tensión 1 (circuito primario ) junto con un elemento RC con una resistencia 3 y una capacitancia 4. Un devanado secundario 52 está acoplado de forma inductora con el devanado primario 51 a través de un núcleo de transformador 53. De este modo, los impulsos de tensión generados por el modulador de alta tensión 1 se transforman de forma ascendente en el circuito primario para formar impulsos de tensión con una tensión mayor en el circuito secundario y se proporcionan a una carga 6 en forma de un clistrón.

Un posible desarrollo de la tensión U en la salida del modulador de alta tensión 1 y el desarrollo que resulta de ello de la corriente I en el devanado primario 51 se ilustran de forma muy simplificada y esquemática en la figura 2. El modulador de alta tensión emite una secuencia periódica de impulsos de tensión positivos 31 con una tensión de impulso Up, una duración de impulso Tp y una duración de periodo Tcyc o un intervalo de impulso To. Estos impulsos de tensión provocan un flujo de magnetización en el devanado primario. Durante cada impulso, esta corriente de magnetización aumenta desde cero hasta un valor lp y genera a este respecto un campo magnético en el devanado primario y en el núcleo de transformador, cuya intensidad de campo es proporcional a la corriente de magnetización (curva inferior en el diagrama de corriente). Mediante la densidad de flujo temporalmente variable provocada de este modo en el devanado secundario se produce una tensión secundaria que lleva a un flujo de corriente a través de la carga 6. Esta corriente de carga en el circuito secundario lleva a una corriente de carga retransformada de manera correspondiente en el circuito primario que está solapada a la corriente de magnetización. En la figura 2, la corriente de carga se supone como temporalmente constante. La corriente global resultante en el circuito primario, es decir, la suma de la corriente de magnetización y la corriente de carga, se representa como curva superior en el diagrama de corriente. La corriente global también aumenta temporalmente hasta un valor lp. Tras el final del impulso 31, la tensión secundaria, y, con ello, también la corriente de carga, vuelven a ascender a cero. Sin embargo, la corriente de magnetización en primer lugar sigue fluyendo en el circuito primario y se tiene que disminuir, desmagnetizándose de nuevo el núcleo. Esto se puede realizar en principio de forma meramente pasiva al disiparse energía magnética almacenada en el circuito primario a través de una red de resistencia. Sin embargo, una desmagnetización meramente pasiva de este tipo es dado el caso demasiado lenta, en particular cuando la relación de palpado Tp/TCyC se vuelve grande.

Para acelerar y controlar de forma dirigida la desmagnetización, se propuso en el documento de Alex et al. realizar una desmagnetización activa. Para ello, el modulador de alta tensión 1 se diseña de modo que permite generar una tensión negativa con un flujo de corriente unidireccional en su salida (funcionamiento de dos cuadrantes). Para poder generar una tensión de desmagnetización negativa, en Alex et al. se conectaron aguas abajo de algunos de los módulos de conmutación unos denominados módulos inversos que permiten invertir de forma selectiva la tensión generada por el respectivo módulo de conmutación asociado.

De este modo se vuelve posible generar un impulso de desmagnetización negativo 32 con una tensión de desmagnetización Ud y una duración de impulso de desmagnetización Td tras el final del impulso de tensión positivo

31. Debido a este impulso de desmagnetización, la corriente en el circuito primario vuelve a disminuir hasta que alcance el valor cero. Debido al carácter de diodo de la carga en el circuito secundario que sólo permite un flujo de corriente unidireccional, no fluye una corriente de carga durante el impulso de desmagnetización. Valores negativos de la corriente en el circuito primario no son posibles en el modulador de alta tensión de Alex et al. debido al tipo constructivo, de modo que, incluso en caso de una duración prolongada del impulso de desmagnetización, la corriente permanece en el circuito primario en el valor cero.

La energía máxima que se puede transmitir durante un impulso individual a través del transformador de impulsos está limitada en particular por la magnetización de saturación del núcleo de transformador. Para aprovechar lo mejor posible la zona de magnetización disponible del núcleo entre los límites de saturación negativo y positivo es conocido básicamente premagnetizar de forma negativa el núcleo de un transformador de impulsos antes de un impulso de tensión en contra de la densidad de flujo positiva inducida por el impulso de tensión (polarización negativa).

El documento de J. Biela et al., "Reset Circuits with Energy Recovery for Solid State Modulators", Proceedings of the Pulsed Power and Plasma Science Conference, Albuquerque (NM), EEUU, 17 a 22 de junio, páginas 1309-1312 (2007) da a conocer diferentes posibilidades de conseguir una premagnetización negativa de este tipo. En particular, es conocido por este documento prever en el transformador un devanado auxiliar que está conectado con una fuente de tensión continua y que de este modo premagnetiza de forma negativa el núcleo de transformador. Además, en este documento se dan a conocer otras disposiciones diferentes para generar una premagnetización negativa que en parte no requieren un devanado auxiliar en el transformador. Sin embargo, estas disposiciones son relativamente complicadas y no se pueden utilizar sin más junto con un modulador de alta tensión modular en la tecnología PSM debido a su funcionamiento.

Por el documento WO 95/10881 se conoce un amplificador de conmutación en forma de un modulador de pasos de impulsos que es adecuado para proporcionar una tensión inicial con cualquier signo y cualquier sentido de corriente. Este amplificador de conmutación sirve para generar tensiones de carga positivas y negativas en aplicaciones como emisoras de radio sin tubo, generadores de funciones de alta potencia, acoplamientos de red, emisores para una comunicación alámbrica, etc. Como ventaja especial de este amplificador de conmutación se señala en dicho documento el hecho de que se puede prescindir de un transformador en la salida. Por tanto, precisamente no está previsto un uso en conexión con un transformador en este documento.

Exposición de la invención

Un objetivo de la presente invención es mostrar un dispositivo de alimentación de alta tensión pulsado con un transformador que aproveche de la mejor forma posible la zona de magnetización del núcleo de transformador y que esté configurado de forma sencilla y con un funcionamiento... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de alimentación de alta tensión, que comprende

- un modulador de alta tensión (1) con una pluralidad de etapas de conmutación (Si,...,Sn) que comprenden cada una una fuente de tensión (Q) para generar una tensión continua (Um) así como al menos un elemento de conmutación (V1, V2; V1 V2) activable para proporcionar la tensión continua de forma selectiva como tensión inicial, estando al menos una parte de las etapas de conmutación (Sn-i) configuradas para proporcionar la tensión inicial de forma selectiva con un signo positivo o negativo, estando las etapas de conmutación (Si,...,S) conectadas en serie de modo que las tensiones iniciales de las etapas de conmutación individuales se suman durante el funcionamiento, y estando aplicada la tensión de suma (Ua, Up, Ud, Ub) así formada en una carga formando un circuito de carga,

- un transformador (5) con al menos un devanado primario (51) y al menos un devanado secundario (52) que está acoplado magnéticamente con el devanado primario a través de un núcleo de transformador (53), estando el devanado primario (51) dispuesto en el circuito de carga del modulador de alta tensión (1), así como

- un dispositivo de control (7, 11, 11') para el modulador de alta tensión con el que están conectados los elementos de conmutación (V1, V2; V1 , V2') de forma que actúan conjuntamente y que durante el funcionamiento activa los elementos de conmutación (V1, V2; V1 , V2) de modo que el modulador de alta tensión genera en el devanado primario (51) al menos un impulso de tensión positivo (Up), caracterizado

- por que el modulador de alta tensión (1) está configurado de modo que permite un flujo de corriente a través del circuito de carga tanto en un sentido positivo como en un sentido negativo contrario al mismo, y

- por que el dispositivo de control (7, 11, 11') controla durante el funcionamiento los elementos de conmutación (V1, V2, V3, V4) de modo que el modulador de alta tensión emite una tensión de premagnetización negativa (UM) antes del impulso de tensión positivo (Up) para premagnetizar de forma negativa el núcleo de transformador (53).

2. Dispositivo de alimentación de alta tensión de acuerdo con la reivindicación 1, estando el modulador de alta tensión (1) configurado de forma modular, al comprender cada etapa de conmutación (Si,...,Sn) un primer módulo de etapa de conmutación (M), que está configurado para emitir una tensión inicial unipolar, y en el que al menos una parte de las etapas de conmutación (S-i) comprende un segundo módulo de etapa de conmutación (M) que está configurado para invertir de forma selectiva la tensión inicial del primer módulo de etapa de conmutación (M) asociado.

3. Dispositivo de alimentación de alta tensión de acuerdo con la reivindicación 2, presentando los primeros módulos de etapa de conmutación (M) y los segundos módulos de etapa de conmutación (M) una disposición de circuito idéntica y sólo se diferencian por la existencia o la omisión de elementos eléctricos predeterminados.

4. Dispositivo de alimentación de alta tensión de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, presentando cada etapa de conmutación (Si,...,S) un primer semipuente (A) que está conectado con la fuente de tensión (Q) y que comprende unos elementos de conmutación primero y segundo (V1, V2), estando los elementos de conmutación primero y segundo conectados en serie a través de un punto de nodo común (N), estando el punto de nodo común (N) conectado de forma directa o indirecta con una primera conexión de salida (P1) de la etapa de conmutación (Si,...,Sn), y estando los elementos de conmutación primero y segundo (V1, V2) conectados con el dispositivo de control (7, 11, 11 ) de modo que se pueden llevar de forma controlada a un estado conductor o a un estado no conductor a través del dispositivo de control.

5. Dispositivo de alimentación de alta tensión de acuerdo con la reivindicación 4, presentando al menos una parte de las etapas de conmutación (Sn-i) un segundo semipuente (A) que está conectado, en paralelo al primer semipuente (A), con la fuente de tensión (Q) y que comprende unos elementos de conmutación tercero y cuarto (V1 , V2), estando los elementos de conmutación tercero y cuarto (V1 , V2) conectados en serie a través de un segundo punto de nodo común (N), estando el segundo punto de nodo (N) conectado de forma directa o indirecta con una segunda conexión de salida (P1 ) de la etapa de conmutación (Sn-i), y estando los elementos de conmutación tercero y cuarto conectados con el dispositivo de control (7, 11, 11 ) de modo que se pueden llevar de forma controlada a un estado conductor o a un estado no conductor a través del dispositivo de control.

6. Dispositivo de alimentación de alta tensión de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, controlando el dispositivo de control (11) durante el funcionamiento los elementos de conmutación (V1, V2, V1, V2) de modo que el modulador de alta tensión emite una tensión de desmagnetización negativa (Ud) tras el impulso de tensión positivo (Up) para desmagnetizar al menos en parte el núcleo de transformador (53).

7. Dispositivo de alimentación de alta tensión de acuerdo con la reivindicación 6, correspondiéndose la suma de la integral temporal de la tensión de premagnetización (Ub) y de la tensión de desmagnetización (Ud), con respecto a su importe, fundamentalmente con la integral temporal del impulso de tensión (Up).

8. Dispositivo de alimentación de alta tensión de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, correspondiéndose la integral temporal de la tensión de premagnetización (Ub), con respecto a su importe, fundamentalmente con la mitad de la integral temporal del impulso de tensión (Up).

9. Dispositivo de alimentación de alta tensión de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que además presenta una carga secundaria (6) que está conectada con el devanado secundario (52) y que está configurada de modo que permite un flujo de corriente fundamentalmente sólo durante el impulso de tensión positivo (Up).

10. Procedimiento para generar una alta tensión pulsada que comprende:

(a) proporcionar un dispositivo de alimentación de alta tensión que comprende:

un modulador de alta tensión (1) con una pluralidad de etapas de conmutación (Si,...,Sn) que están configuradas para proporcionar durante el funcionamiento una tensión inicial, estando al menos una parte de las etapas de conmutación (Sn-i) configuradas para proporcionar opcionalmente una tensión inicial positiva o negativa, estando las etapas de conmutación (Si,...,Sn) conectadas en serie de modo que las tensiones iniciales de las etapas de conmutación individuales se suman durante el funcionamiento, estando la tensión de suma (UM, Ud, Ub) así formada aplicada en una carga formando un circuito de carga, y estando el modulador de alta tensión configurado de modo que permite un flujo de corriente en el circuito de carga tanto en un sentido positivo como en un sentido negativo contrario al mismo, así como

un transformador (5) con al menos un devanado primario (51) y al menos un devanado secundario (52) que está acoplado magnéticamente con el devanado primario a través de un núcleo de transformador (53), estando el devanado primario (51) dispuesto en el circuito de carga del modulador de alta tensión (1);

(b) activar el modulador de alta tensión (1) de modo que genera una tensión de premagnetización negativa (Ub) en el devanado primario para establecer una premagnetización negativa del núcleo de transformador

(53);

(c) activar el modulador de alta tensión (1) de modo que genera un impulso de tensión positivo (Up) en el devanado primario tras la generación de la tensión de premagnetización.

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10 que comprende además:

(d) activar el modulador de alta tensión (1) de modo que emite en su salida una tensión de desmagnetización negativa (Ud) tras el impulso de tensión positivo para desmagnetizar al menos en parte el núcleo de transformador.