Skalierbarer Hochspannungsgenerator

[VDX]

... ach, wieso? -- die IC's und kleinen Lochrasterplatinen typisch unter 20 DM ... die Kunststoff-Lichtleitfasern auch nicht viel mehr.

Einer kam für die Abzeige von "Mikro-Druck-Variationen" auf die Idee, ein wenig aufgeblasenes Kondom an die Apparatur zu hängen - der "Anzeigegrad" war immer Gesprächsthema

Viktor

[MaxZ]

Apropos HGÜ (und MMC* allgemein)... Wie versorgen die eigentlich die Elektronik der einzelnen Zellen? Das sinnvollste was mir einfällt, ist ein Netzteil, das direkt an den Kondensatoren der Zelle hängt. Ansonsten wird's richtig ätzend mit der Isolierung, nicht?

* nein, nicht Multi Mini Cap, sondern Modularer Multi-level Converter; die Topologie mit der diese HGÜ-Wechselrichter und allgemein so ziemlich alle Wechselrichter für >13kV realisiert werden.


Liebe Grüße,
Max

[Norbi]

Glaub auch dass die sich direkt aus der Spannung die über dem jeweiligen Thyristor abfällt speisen.

Wäre auch hier eine schlaue Lösung. Und dann halt Steuerung über einen Optokoppler mit LWL.

[Zitzewitz]

Ich habe einen ersten Entwurf für die Realisierung einer einzelnen Marx-Stufe gemacht. Die Spannung (5V und 18V) für die IGBT-Ansteuerelektronik gewinne ich mit einem kapazitiven Spannungsteiler aus einem dem Marx-Ladekondensator in Reihe geschalteten Kondensator höherer Kapazität. Die Marx-Stufe ganz links im zuvor geposteten Schaltplan hat immer erdnahes Potential und kann daher direkt vom Taktgeber angesteuert werden. Alle weiteren Marx-Stufen fragen immer mal freundlich ihren linken Nachbarn nach dessen Schaltzustand und passen ihren eigenen dann entsprechend an - nach einer einstellbaren Verzögerung im Bereich von 10 ns bis einigen 100 ns. Das freundliche Fragen heißt dann auf gut Elektronisch, dass die Schaltung "nur" Potentialunterschiede von einer Marx-Stufe handhaben muss (bis ca. 1500 V). Ich benutze dazu einen Digital-Isolator (ISO7810).

Man braucht also keine Batterien, Akkus, Solarzellen oder Trafos, die Isolierung für MV brauchen. Und auch keine GDT oder Lichtwellenleiter. Wenn man allerdings viele solche "Marx-Stufen" hintereinanderschaltet, muss man die künstlich eingebaute Verzögerung, mit der die IGBTs der Reihe nach schalten, kleiner machen, wenn man die Schaltfrequenz der Gesamtschaltung nicht verändern will. Wenn es nicht mehr kleiner geht, kann man mit einer geeigneten Schaltung auch dafür sorgen, dass z.B. immer 10 Marx-Stufen gleichzeitig und die nächsten 10 dann leicht verzögert schalten.

Ich bin mir bewusst, dass die praktische Realisierung trotzdem eine Herausforderung ist: Es gibt in jeder Stufe Leitungen und Bauteile, bei denen es um > 1000 V und mehreren A geht. Und daneben gibt es die Ansteuerung, bei der wenige V und mA oder sogar µA darüber entscheiden, ob der IGBT ein- oder ausgeschaltet wird. Um Störungen zu reduzieren, sollte man die Ansteuerungselektronik getrennt von der Leistungselektronik in ein Metallgehäuse einbauen und dieses Gehäuse mit Kondensatoren, die deutlich kleiner als die Marx-Kondensatoren sind, mit der Leistungselektronik verbinden. Der Grund für diese Kondensatoren ist, dass, wenn ein IGBT durchschaltet, aber der rechts davon noch nicht durchgeschaltet hat, die Stufe rechts davon in kurzer Zeit im Potential um ca. 1200-1500 V abgesenkt wird. Dieser Potentialsprung soll in der gesamten rechten Stufe möglichst gleichzeitig ankommen und v.a. die empfindliche Ansteuerelektronik nicht stören. Hier erst mal ein Bild von einer Marx-Stufe. Morgen dann deren Einbau in die Gesamtschaltung.

[Thunderbolt]

Das problem, was ich dabei sehe ist, dass du ja zünden willst, wenn der Marx voll, und damit der Strom durch deinen Teilerkondensator null ist.
Damit wird der Kondensator aber nicht mehr nachgeladen, d.h. die ganze Schaltung muss von der im Teilerkondensator gespeicherten Energie leben.

[Zitzewitz]

Das problem, was ich dabei sehe ist, dass du ja zünden willst, wenn der Marx voll, und damit der Strom durch deinen Teilerkondensator null ist.
Damit wird der Kondensator aber nicht mehr nachgeladen, d.h. die ganze Schaltung muss von der im Teilerkondensator gespeicherten Energie leben.

Nicht die ganze Schaltung, sondern nur die Ansteuerelektronik muss nach dem Aufladen der Teilerkondensatoren bis zum nächsten Aufladen von der Energie leben. Es sollte möglich sein, dass die Ansteuerelektronik im zeitlichen Mittel nach dem Aufladen nicht mehr als 100 mA vom Kondensator zieht - den genauen Strom muss ich noch mal ermitteln. Der Teilerkondensator ist jedenfalls groß genug, um die Energie bereitzustellen. Selbst wenn es etwas mehr als 100 mA sein sollten. Natürlich sinkt die Spannung am Teilerkondensator etwas, aber nicht so weit, dass hinter den Spannungsreglern weniger herauskommt.

Edit: Tatsächlich schafft es die Schaltung nicht ganz, den Teilerkondensator in einem Schaltzyklus ausreichend aufzuladen. Aus diesem Grund habe ich die Diode D2 und den Kondensator C3 eingeführt: Damit soll erreicht werden, dass nach dem Einschalten der ganzen Schaltung erst mal in einigen Schaltzyklen der IGBT gar nicht einschaltet. Erst wenn sich C3 weit genug aufgeladen hat, kann der IGBT durchschalten.

[Zitzewitz]

Während andere hier geile Arcs machen, mache ich mal weiter mit langweiliger Theorie. Ich glaube allerdings, dass es nicht mehr ganz so langweilig bleibt, wenn die neuesten SiC-Mosfets (oder auch IGBTs), die Sperrspannungen von 10-25 kV (!) aushalten, erstens mal überhaupt zu kaufen sind und zweitens auch noch zu Hobby-kompatiblen Preisen. Es müssen ja gar nicht 1000 A sein, ein paar A sind vollkommen ausreichend, wenn man 10-25 kV hat.
https://www.power-mag.com/pdf/feature_p ... eature.pdf

Bei meiner obigen Schaltung sind die höheren Kondensatoren des kapazitiven Spannungsteilers zu groß. Sie müssen sich auf mindestens 20 V aufladen können, ohne dass der IGBT schaltet, denn zum Schalten braucht man am Gate ca. 14-18 V. Andererseits kann die Spannung bei kontinuierlichem Stromfluss nur aufrecht erhalten werden, wenn es am Marx-Ladekondensator einen Wechselspannungsanteil gibt, d.h. dieser muss sich immer auf- und entladen. Wenn aber an der Kaskade keine Last hängt, entladen sich die Marx-Kondensatoren nicht mehr, wenn die Kaskaden-Kondensatoren einmal aufgeladen sind. Selbst wenn eine Last dranhängt, werden die Marx-Kondensatoren nicht vollständig entladen. Um sicherzustellen, dass die Ansteuerelektronik immer genügend Spannung hat, habe ich über die untere Diode eine Kondensator-Transformator-Reihenschaltung parallel geschaltet, mit der sekundär eine kleinere Spannung erzeugt wird, die auch den 2µF-Kondensator der Ansteuerelektronik laden kann.

Ich habe auch noch ein alternatives Konzept, für dass ich ggf. auch noch einen Schaltplan poste. Wenn man nach dem In-Reihe-Schalten der Marx-Kondis und dem Übertragen der Energie auf die Kaskade die Kondis über IGBTs vollständig entlädt, braucht man den Trafo an der unteren Diode nicht, weil dann immer genügend Wechselspannung am Marx-Kondensator ist. OK, ist nicht so energieeffizient. Aber das hat noch einen Vorteil: Man kann in diesem Fall den IGBT für eine Marx-Stufe auch mit nicht ganz so hohem Aufwand durch eine Reihenschaltung mehrerer IGBTs ersetzen, denn beim Ausschalten dieser IGBTs liegt keine oder nur eine sehr kleine Spannung an. Und das Einschalten ist sowieso leichter, wenn man jeden der in Reihe geschalteten IGBTs mit einem Crowbar-Schutz versieht. Dann kann man jede Marx-Stufe mit einer höheren Spannung betreiben.

[McGaiver]

Ich glaube allerdings, dass es nicht mehr ganz so langweilig bleibt, wenn die neuesten SiC-Mosfets (oder auch IGBTs), die Sperrspannungen von 10-25 kV (!) aushalten

Da kannst du noch ein Paar Jahrzehnte warten das es das um Taschengeld zu kaufen gibt.

Was genau soll der sinn von deinem Konzept sein?
Mir erschließen sich die Vorteile eines Halbleiter Marx nicht, außer das die IGBT´s nach einer Zündung alle durch sind.

[Zitzewitz]

Da kannst du noch ein Paar Jahrzehnte warten das es das um Taschengeld zu kaufen gibt.

Was die ganz großen mit >= 1000 A angeht, glaube ich, dass du recht hast. Was die kleinen angeht, so könnte ich mir vorstellen, dass man in einem Jahrzehnt schon 10 kV bei z.B. 30 A für ca. 50 Euro schalten kann.

Ich glaube allerdings, dass es nicht mehr ganz so langweilig bleibt, wenn die neuesten SiC-Mosfets (oder auch IGBTs), die Sperrspannungen von 10-25 kV (!) aushalten

Was genau soll der sinn von deinem Konzept sein?
Mir erschließen sich die Vorteile eines Halbleiter Marx nicht, außer das die IGBT´s nach einer Zündung alle durch sind.

Die sind gar nicht "durch".

Nebenbei merke ich an, dass ich in einem neuen Design den Kondensator C96 in dem zweiten Bild dieses Threads weglasse und statt dessen zum Schutz des Schalters S5 parallel zu diesem eine Reihenschaltung eines Kondensators und eines Widerstands anschließe.

Messwandler oder Ferritkerntrafo ==> 10-25 kV ==> Gleichrichter ==> Marx ==> Kaskade

[McGaiver]

Was verstehst du unter "durch" ?

durch = Durchlegiert = kaputt

Messwandler oder Ferritkerntrafo ==> 10-25 kV ==> Gleichrichter ==> Marx ==> Kaskade

1. Messwandler sind nicht Sinnvoll als HV Quelle >500w zu betreiben.
2. Welchen sinn hat ein Aktiver Marx?
3. Wenn ich richtig sehe kann ein Marx nur DC Pulse erzeugen. Wie soll es dann eine Kaskade treiben?
4. Weshalb baust du nicht einfach einen LLC Wandler und speist die Kaskade direkt?

Ferrittrafos lassen sich Problemlos bis 50kv bauen. Wenn Öl im spiel ist gehen auch 100kv

[Zitzewitz]

durch = Durchlegiert = kaputt

Wenn du glaubst, die IGBTs gehen kaputt, dann wäre ich für eine Begründung sehr dankbar. Ich will ja nicht unnötig Lehrgeld zahlen ...

Messwandler oder Ferritkerntrafo ==> 10-25 kV ==> Gleichrichter ==> Marx ==> Kaskade

1. Messwandler sind nicht Sinnvoll als HV Quelle >500w zu betreiben.

Ich will das Ding nicht 3 Stunden laufen lassen. Ein paar Sekunden sind auch schon gut. Wenn's
länger sein soll, gibt es genügend Alternativen. Ferrit-Trafo, 3 MOTs im Drehstromnetz + Spannungsverdreifachungsschaltung, ...

2. Welchen sinn hat ein Aktiver Marx?

Lies den Thread bitte noch mal von Anfang an. Ich glaube, genug erläutert zu haben, warum ich mich mit diesem Konzept
beschäftige.

3. Wenn ich richtig sehe kann ein Marx nur DC Pulse erzeugen. Wie soll es dann eine Kaskade treiben?

Dann siehst du eben nicht richtig. Schau dir mal die Schaltung im zweiten Bild an. Du wirst sehen, die Kondensatoren der Kaskade
laden sich tatsächlich auf. DC-Pulse = Wechsel zwischen xxx V und 0 V = Überlagerung von Gleich- und Wechselspannung. Eine Kaskade funktioniert auch, wenn der Wechselspannung eine Gleichspannung überlagert ist. Wichtig ist der Wechselspannungsanteil.

Ferrittrafos lassen sich Problemlos bis 50kv bauen. Wenn Öl im spiel ist gehen auch 100kv

Das haben mir einige Forenmitglieder in "Thread der kleinen Fragen" aber anders dargestellt. Sicherlich geht das, sonst würde es nicht so kompakte Röntgentrafos geben. Aber mit der Isolation ist es wohl nicht ganz so einfach.

Jedenfalls gibt es irgendwelche Grenzen bei der Spannung, die man so "einfach" mit einem Ferritkerntrafo begrenzter Größe erzeugen kann. Beim IGBT-Marx kann man schon mal höhere Grenzen bekommen.

4. Weshalb baust du nicht einfach einen LLC Wandler und speist die Kaskade direkt?

Auch hierzu verweise ich auf den Beginn des Threads, in dem ich meine Motivation erläutert habe.

Ich habe allerdings im Thread der kleinen Fragen noch ein anderes Konzept gepostet, was gegenüber dem LLC-Wandler den Vorteil hat, dass man für die Induktivität auch eine Reihenschaltung mehrerer Induktivitäten benutzen kann - dann kann man höhere Spannungen handhaben. Hier noch mal der Vorschlag für einen Resonanzwandler (das untere Bild mit der Spannungsquelle von 4500 V).
viewtopic.php?p=313661#p313661

[Phoenix6478]

Ich habe beruflich bereits mit Behlke 10kV SiC Fet Modulen gearbeitet, die einen Pulsstrom von 300A und einen RMS Strom von 2A aushalten. Ein Modul kostet dabei etwa 6000€, also von Hobby-kompatiblen Preisen kann da nicht die Rede sein. Und das wird sich auch in Jahrzehnten nicht ändern, weil das Halbleiter für Nischenanwendungen sind. Das sind keine Standardfets, bei denen die Herstellung in der Zukunft sehr stark auf einen kleinen Preis optimiert werden kann. Der geringere Preis basiert auf Millionenfachen Verkauf, ein 10kV Sic Modul wird aber nie eine solche Nachfrage haben.

Die eigentliche Idee für den Marx sehe ich halt als reines Gedankenexperiment und als eine Spielerei in LT Spice, aber in echt wird das niemals funktionieren. Und selbst wenn es funktionieren würde wäre das Ganze viel zu aufwändig, es gibt viel bessere, zuverlässigere und einfachere Methoden, extrem hohe Spannungen zu erzeugen, wie schon sehr viele User vor mir angemerkt haben.

Mit meinem Ferrittrafo könnte man problemlos 1000kV an Differenzspannung erzeugen mit einer bipolaren Kaskade, wenn man das Material und den Platz hat. Man muss auch nur in die Industrie schauen, wie da alles gemacht wird. Linearbeschleuniger brauchen ein paar MV bei ein paar 100kW, auch da wird mit mehreren Ferrittrafos und Kaskaden gearbeitet.

[Zitzewitz]

Ich habe beruflich bereits mit Behlke 10kV SiC Fet Modulen gearbeitet, die einen Pulsstrom von 300A und einen RMS Strom von 2A aushalten. Ein Modul kostet dabei etwa 6000€, also von Hobby-kompatiblen Preisen kann da nicht die Rede sein. Und das wird sich auch in Jahrzehnten nicht ändern, weil das Halbleiter für Nischenanwendungen sind. Das sind keine Standardfets, bei denen die Herstellung in der Zukunft sehr stark auf einen kleinen Preis optimiert werden kann. Der geringere Preis basiert auf Millionenfachen Verkauf, ein 10kV Sic Modul wird aber nie eine solche Nachfrage haben.

Aber immerhin kann man für 40 Euro schon 4500 V bei 30 A (bei 110 °C) schalten, siehe IXYT30N450HV. Das war vor 10 Jahren undenkbar. Allerdings scheint es mir nicht einfach, das Teil gut wärmeleitend auf einen Kühlkörper anzubringen.

Die eigentliche Idee für den Marx sehe ich halt als reines Gedankenexperiment

Das habe ich bereits im ersten Satz des Threads geschrieben. Wer solche Gedankenexperimente mag, kann den Thread lesen. Alle anderen können ihn auch gerne ignorieren.

aber in echt wird das niemals funktionieren

Warum ?

[McGaiver]

Wenn du glaubst, die IGBTs gehen kaputt, dann wäre ich für eine Begründung sehr dankbar. Ich will ja nicht unnötig Lehrgeld zahlen ...

Du versuchst stumpf Kondensatoren mit igbt´s "parallelzuschalten.
Dessen Ausgleichsströme die fast Kurzschluss bedeuten Zerstören mit Sicherheit die IGBT´s

Ich will das Ding nicht 3 Stunden laufen lassen. Ein paar Sekunden sind auch schon gut. Wenn's
länger sein soll, gibt es genügend Alternativen. Ferrit-Trafo, 3 MOTs im Drehstromnetz + Spannungsverdreifachungsschaltung, ...

Mot´s ist Analog zum Messwandler. Auf Dauer kocht das Zeug weg. ->Müll

Dann siehst du eben nicht richtig. Schau dir mal die Schaltung im zweiten Bild an. Du wirst sehen, die Kondensatoren der Kaskade
laden sich tatsächlich auf. DC-Pulse = Wechsel zwischen xxx V und 0 V = Überlagerung von Gleich- und Wechselspannung. Eine Kaskade funktioniert auch, wenn der Wechselspannung eine Gleichspannung überlagert ist. Wichtig ist der Wechselspannungsanteil.

Mir ist Durchaus bewusst wie eine Kaskade Funktioniert.
Interessant Finde ich bei deinem Schaltplan "VCS2"
Dieser "Schalter" bekommt die komplette Summenspannung vom Marx ab. Findet er sicher sehr Prickelnd.

Ich habe allerdings im Thread der kleinen Fragen noch ein anderes Konzept gepostet, was gegenüber dem LLC-Wandler den Vorteil hat, dass man für die Induktivität auch eine Reihenschaltung mehrerer Induktivitäten benutzen kann - dann kann man höhere Spannungen handhaben. Hier noch mal der Vorschlag für einen Resonanzwandler (das untere Bild mit der Spannungsquelle von 4500 V).

Ich stelle den Schaltplan Stark in Frage. Diese Kaskadenspielerei ist immer Problematisch
Je mehr Stufen desto weniger Leistung lässt sich letzten Endes mit vertretbarer Frequenz übertragen.
Von den Kosten der Geeigneten HV Dioden im Bereich von 10A 50kv + "HF fest" mal ganz zu schweigen.

Ich Schließe mich da Phoenix an. Das ist alles ein Gedankenexperiment und eine Simulationsspielerei.

[Zitzewitz]

Wenn du glaubst, die IGBTs gehen kaputt, dann wäre ich für eine Begründung sehr dankbar. Ich will ja nicht unnötig Lehrgeld zahlen ...

Du versuchst stumpf Kondensatoren mit igbt´s "parallelzuschalten.
Dessen Ausgleichsströme die fast Kurzschluss bedeuten Zerstören mit Sicherheit die IGBT´s

Dessen Ausgleichsströme die fast Kurzschluss bedeuten Zerstören mit Sicherheit die IGBT´s

Ich empfehle dir, noch mal ganz genau auf dem Schaltplan zu schauen. Da gibt es noch kleine, aber feine Dioden. Die Kondensatoren werden durch den IGBT ja wohl nicht kurzgeschlossen (und den Kondensator C96 kann ich weglassen - siehe oben). Wie sollte sonst ein "klassischer" Marx auch funktionieren ?

Mot´s ist Analog zum Messwandler. Auf Dauer kocht das Zeug weg. ->Müll

Mot´s ist Analog zum Messwandler. Auf Dauer kocht das Zeug weg. ->Müll

Ich erläutere dir das nicht. Schau mal anderswo in diesem Forum. Da wird du sicher den Unterschied in der Dauerleistung finden, die MOTs im Vergleich zu Messwandlern bringen können.

Dieser "Schalter" bekommt die komplette Summenspannung vom Marx ab. Findet er sicher sehr Prickelnd.

Auch das habe ich im Thread erläutert. Aber du scheint ihn ja gar nicht richtig zu lesen. Dieser Schalter muss als Hintereinanderschaltung von IGBTs realisiert werden, was dadurch erleichtert wird, dass er sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten immer nur eine "kleine" Spannung bekommt, die ein einziger IGBT auch aushalten kann.

Ich stelle den Schaltplan Stark in Frage. Diese Kaskadenspielerei ist immer Problematisch.

Ich stelle den Schaltplan Stark in Frage. Diese Kaskadenspielerei ist immer Problematisch

1. Schau dir dir Regeln des Forums an. Rechtschreibung und Zeichensetzung wären nicht schlecht.

Je mehr Stufen desto weniger Leistung lässt sich letzten Endes mit vertretbarer Frequenz übertragen.
Von den Kosten der Geeigneten HV Dioden im Bereich von 10A 50kv + "HF fest" mal ganz zu schweigen.

2. Die Leistung lässt sich zumindest gleich lassen, wenn man die Stufen erhöht. Dann sind die Kosten proportional zur Spannung. Man kann die Leistung auch mit den Stufen erhöhen, allerdings sind dann die Kosten quadratisch statt proportional zur Spannung, denn bei Erhöhung der Leistung muss beim Laden der Kondensatoren ein höherer Ladestrom fließen, was die Dioden und IGBTs teurer macht.
3. Jede HV Diode muss die Sperrspannung einer Marx-Stufe und den Ladestrom ALLER links liegenden Stufen aushalten können. Einzelne Dioden scheinen tatsächlich recht teuer. Man nehme statt dessen die Rückwärtsdiode eines geeigneten IGBTs oder Mosfets bei kurzgeschlossenem Gate und Source bzw. Gate und Emitter - das ist wahrscheinlich billiger.