Was ist eine gepulste Stromversorgung?
Eine gepulste Stromversorgung ist ein Gerät, das hohe Spannungen von mehreren Kilovolt über einen sehr kurzen Zeitraum erzeugt.
Sie zeichnet sich durch eine hohe Spannung (bis zu 30 kV) aus, die bei hohen Frequenzen (bis zu 100 kHz) trotz einer extrem schnellen Spannungsanstiegszeit wiederholt wird. Außerdem können die Geräte selbst und der Raum vor einem Temperaturanstieg bewahrt werden, da die Ausgabe nicht kontinuierlich erfolgt und eine Abkühlungszeit vorgesehen ist.
Diese Geräte werden in akademischen und industriellen Bereichen eingesetzt, die eine hohe Ausgangsspannung benötigen (z. B. Stromversorgungen für die Plasmaerzeugung).
Anwendungen von gepulsten Stromversorgungen
1. Für die Plasmaerzeugung
Die Plasmaerzeugung erfordert eine hohe Ausgangsspannung, weshalb gepulste Stromversorgungen ideal als Stromversorgungen für die Plasmaerzeugung geeignet sind. Die gelieferte Leistung kann durch Variation der Impulsbreite und -frequenz gesteuert werden, was praktisch ist, wenn eine hohe Energiedichte benötigt wird, wie bei der Plasmaerzeugung.
Gepulste Stromversorgungen werden häufig als Stromversorgungen für plasmagestützte Geräte eingesetzt. Aus dem Plasma erzeugte geladene Teilchen wie Licht, Elektronen und Ionen werden zur Einwirkung auf Gegenstände verwendet, und die durch die gepulste Entladung erzeugte Schockwelle wird zur Sterilisation und Wasseraufbereitung eingesetzt.
2. Für Excimerlaser
Kurzzeitige gepulste Stromversorgungen mit hoher Leistung werden für den Betrieb von Hochleistungslasern mit hohem Wirkungsgrad, wie z. B. Excimer-Lasern, benötigt, da das Lasergas sofort angeregt werden muss. Es gibt auch Anwendungen für den Betrieb solcher Hochleistungslaser. Sie tragen zur Entwicklung der Halbleiterlithographie bei.
3. Andere
Gepulste Stromversorgungen werden auch in gepulsten Stromversorgungen für EUV und Plasma-CVD eingesetzt, bei denen dünne Schichten und Partikel adsorbiert und auf der Oberfläche von Substraten/Substraten abgeschieden werden EUV steht für extreme Ultraviolettstrahlung.
Plasma-CVD wird für Isolier- und Schutzschichten auf Halbleitern verwendet. Es ist auch nützlich für die Beschichtung von Schneidwerkzeugkanten und Zahnradkontakten mit Kohlenstoffnitrid oder Titannitrid.
Kleine gepulste Stromversorgungen werden auch in der Messtechnik eingesetzt. Sie liefern schnelle Hochspannungsimpulse für Rasterelektronenmikroskope (SEM) und Massenspektrometer (MS).
Funktionsweise von gepulsten Stromversorgungen
Gepulste Stromversorgungen sind in einen Ladeteil und einen Impulsgeneratorteil unterteilt.
1. Ladegerät
Der Wechselstrom, der in die gepulste Stromversorgungen eingespeist wird, wird zunächst durch eine Gleichrichterschaltung in Gleichstrom umgewandelt und durch einen Wechselrichter für die Ausgabe verstärkt. Anschließend wird sie in den Kondensator der ersten Stufe im Impulsgeneratorteil geladen.
2. Impulserzeugung
Die geladene Leistung wird durch bipolare Transistoren mit isolierter Steuerelektrode (IGBTs) in Impulse umgewandelt, die eine Art von Leistungshalbleitern sind, die große Leistungen mit hoher Geschwindigkeit schalten können.
Zusätzlich zu den IGBTs wird eine sogenannte sättigungsfähige Drossel verwendet. Die sättigungsfähige Drossel hat im Schwachstrombereich eine hohe magnetische Permeabilität und lässt keinen Strom durch, aber wenn der Strom ansteigt und die magnetische Flussdichte einen bestimmten Wert überschreitet, kann der Strom durchfließen. Dieser Kreis wird als magnetischer Kompressionskreis bezeichnet.
Die erzeugte Impulsspannung wird dann in der nächsten Stufe in einer sättigungsfähigen Drossel induziert. Die Spannung wird dann verstärkt und mit Hilfe des magnetischen Kompressionskreises kann ein kurzer, auf weniger als 100 ns komprimierter Impuls an die Last abgegeben werden. Das Verhältnis zwischen der Ladegeschwindigkeit des Kondensators und dem Sättigungswert der sättigungsfähigen Drossel bestimmt die Ladespannungseigenschaften der Schaltung.
Wenn die Induktivität der Drossel kleiner ist als die der ersten Stufe, kann die Impulsspannung in kürzerer Zeit erzeugt werden. Wenn kürzere Impulse erforderlich sind, steht eine mehrstufige übersättigte Drossel zur Verfügung.
Merkmale von gepulsten Stromversorgungen
1. Unverzögerter Ausgang
Gepulste Stromversorgungen können Energie in einem Kondensator speichern, wenn der Ausgang gleich Null ist, so dass beim Einschalten sofort eine hohe Ausgangsenergie erzeugt werden kann.
2. Schneller Start und schnelle Wiederholung
Allgemeine Stromversorgungen benötigen Zeit, um beim Einschalten die obere Grenze der Ausgangsleistung zu erreichen. Gepulste Stromversorgung hingegen haben eine sehr kurze Anstiegszeit und erreichen ihren oberen Grenzwert innerhalb von Mikro- bis Nanosekunden. Diese Leistung kann auch mit hoher Geschwindigkeit wiederholt werden.
3. Geringe Wärmeentwicklung
Gepulste Stromversorgungen können intermittierend betrieben werden, um Abkühlungszeit zu gewinnen, da die Ausgangszeit gesteuert werden kann. Dadurch wird der Temperaturanstieg der Geräte und des Raums verringert. Sie können daher zur Versorgung wärmeempfindlicher Geräte eingesetzt werden.
4. Langlebigkeit
Das All-Solid-State-System kann über einen langen Zeitraum einen stabilen Impulsausgang liefern.