DC/DC-Stromversorgungen mit 20kVDC-Isolierung
05.02.2019
Die Anwendungen und Gefahren bei der Verwendung hoher Gleichspannungen werden erörtert und erklärt, wie hoch isolierende DC/DC-Stromversorgungen zur Verbesserung der Sicherheit eingesetzt werden können.
1. Einführung
Es gibt viele Gleichstrom-Hochspannungsanwendungen in der Industrie, Medizin, Materialwissenschaft und Elektronikproduktion. Die Sicherheitskontrollen an den Grenzen verlassen sich auf Röntgenscanner für aufgegebenes Gepäck, Massenspektroskopiesysteme zum „Erschnüffeln“ von Sprengstoffen und kompakte Linearbeschleuniger (LINACs) zum Durchleuchten von Fahrzeugen, um Schmuggelware, blinde Passagiere und illegale Waffen zu entdecken.
In der Medizin werden Hochspannungs-Gleichstromversorgungen nicht nur für die Röntgen- und CT-Diagnostik benötigt, sondern auch für die onkologische Behandlung, die 3D-Bildgebung für die rekonstruktive Chirurgie und bildgesteuerte Operationen. Da die Bevölkerung immer älter wird, werden Diagnoseinstrumente wie nukleare Bildgebung, Knochendichtemessung und zahnmedizinische Bildgebung immer wichtiger, um Demenz, Osteoporose und Zahnerkrankungen zu untersuchen - alles häufige altersbedingte Krankheiten. Röntgendetektoren in Industriequalität ermöglichen die Messung von Flüssigkeits- und Feststoffständen in Produktionsanlagen, ohne das Risiko von Verunreinigungen oder Lecks, die durch das Aufstechen des Tanks zum Einsetzen eines Sensors verursacht werden, was sie auch für die hygienische Lebensmittelproduktion nützlich macht. In Forschungsinstituten ermöglichen Sputtern, Ionenabscheidung sowie Laser- und Plasmastrahlen die Herstellung oder Analyse neuartiger Verbindungen und Strukturen. Hochspannungs-Gleichstromversorgungen werden nicht nur für die Strahlelektronik benötigt, sondern auch für die Hochvakuum-Molekularpumpen, auf die diese Systeme angewiesen sind.
In der Medizin werden Hochspannungs-Gleichstromversorgungen nicht nur für die Röntgen- und CT-Diagnostik benötigt, sondern auch für die onkologische Behandlung, die 3D-Bildgebung für die rekonstruktive Chirurgie und bildgesteuerte Operationen. Da die Bevölkerung immer älter wird, werden Diagnoseinstrumente wie nukleare Bildgebung, Knochendichtemessung und zahnmedizinische Bildgebung immer wichtiger, um Demenz, Osteoporose und Zahnerkrankungen zu untersuchen - alles häufige altersbedingte Krankheiten. Röntgendetektoren in Industriequalität ermöglichen die Messung von Flüssigkeits- und Feststoffständen in Produktionsanlagen, ohne das Risiko von Verunreinigungen oder Lecks, die durch das Aufstechen des Tanks zum Einsetzen eines Sensors verursacht werden, was sie auch für die hygienische Lebensmittelproduktion nützlich macht. In Forschungsinstituten ermöglichen Sputtern, Ionenabscheidung sowie Laser- und Plasmastrahlen die Herstellung oder Analyse neuartiger Verbindungen und Strukturen. Hochspannungs-Gleichstromversorgungen werden nicht nur für die Strahlelektronik benötigt, sondern auch für die Hochvakuum-Molekularpumpen, auf die diese Systeme angewiesen sind.
2. Der Bedarf an DC/DC-Wandlern mit sehr hoher Isolierung
Alle diese verschiedenen Detektionssysteme haben eines gemeinsam: eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung. Die gängigste Methode zur Erzeugung einer kontinuierlichen Hochspannungs-Gleichstromversorgung ist die Verwendung einer geregelten Niederspannungsquelle zur Speisung eines Hochspannungsvervielfachers (Abbildung 1). Die hohe Ausgangsspannung wird über einen Spannungsteiler erfasst und zur Steuerung der Niederspannungsversorgung zurückgeführt. Der Ausgangsstrom wird zwischen der gemeinsamen Masse des Gehäuses und der erdfreien Masse am Eingang des Multiplizierers gemessen.
Abb. 1: Typische HV-Gleichstromversorgung mit Spannungsrückführung und Erdstromüberwachung
Diese Topologie ist einfach, billig und zuverlässig, solange die Gehäusemassen alle gut verbunden sind und das gleiche Potential haben. Wird dem System jedoch ein externer Sensor hinzugefügt, um z. B. die Härte des Vakuums in der Anwendung zu messen, besteht die Möglichkeit eines sekundären Leckstroms durch den erdbezogenen Sensorausgang. Dieser Strom wird vom Rückstrom abgezogen, sodass er einen falschen Messwert ergibt (Abbildung 2). Darüber hinaus könnte sich eine potenziell gefährliche Leckspannung über etwaige Potenzialunterschiede zwischen der Gehäusemasse und der Sensormasse entwickeln.
Abb. 2: Falsche Rückstrommessung aufgrund von Leckströmen
Eine Lösung für dieses Problem wäre die Isolierung des Sensorausgangs, sodass der Leckstrompfad vollständig blockiert wird. Dies erfordert jedoch eine isolierte Gleichstromversorgung, die in der Lage ist, ...
Abb. 1: Typische HV-Gleichstromversorgung mit Spannungsrückführung und Erdstromüberwachung
Diese Topologie ist einfach, billig und zuverlässig, solange die Gehäusemassen alle gut verbunden sind und das gleiche Potential haben. Wird dem System jedoch ein externer Sensor hinzugefügt, um z. B. die Härte des Vakuums in der Anwendung zu messen, besteht die Möglichkeit eines sekundären Leckstroms durch den erdbezogenen Sensorausgang. Dieser Strom wird vom Rückstrom abgezogen, sodass er einen falschen Messwert ergibt (Abbildung 2). Darüber hinaus könnte sich eine potenziell gefährliche Leckspannung über etwaige Potenzialunterschiede zwischen der Gehäusemasse und der Sensormasse entwickeln.
Abb. 2: Falsche Rückstrommessung aufgrund von Leckströmen
Eine Lösung für dieses Problem wäre die Isolierung des Sensorausgangs, sodass der Leckstrompfad vollständig blockiert wird. Dies erfordert jedoch eine isolierte Gleichstromversorgung, die in der Lage ist, ...
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