DE19702007A1

DE19702007A1 - HF power oscillator e.g. for medical application

Info

Publication number: DE19702007A1
Application number: DE1997102007
Authority: DE
Inventors: Felix Daners
Original assignee: Storz Endoskop GmbH
Current assignee: Storz Endoskop GmbH
Priority date: 1997-01-22
Filing date: 1997-01-22
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2017-01-23
Also published as: DE19702007B4

Abstract

The HF power oscillator includes a switching mode power amplifier (1), and an output filter (2) with at least one series and at least one parallel resonator circuit. A digital controller (4) and an oscillator are provided. The energising voltage frequency of the amplifier is generated at the start of the oscillation by the digital controller at the oscillator clock. The digital controller filters feedback from the HF power oscillator such that the energising voltage frequency of the amplifier lies in a defined frequency range.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochfrequenz-Lei stungsgenerator entsprechend dem Oberbegriff des Anspruch 1.The invention relates to a high-frequency Lei Stungsgenerator according to the preamble of the claim 1.

Hohe Hochfrequenzleistungen werden für diverse industriel le, medizinische oder wissenschaftliche Anwendungen benö tigt. Im industriellen Bereich seien als Beispiele Troc keneinrichtungen, die mit der Erwärmung eines Materials durch elektrische Verluste im Hochfrequenzfeld arbeiten oder Schmelzvorrichtungen, bei denen die Erwärmung eines Schmelzgutes über Wirbelströme im Hochfrequenzfeld er folgt, genannt. In der Wissenschaft werden hohe Hochfre quenzleistungen für die Anregung eines Plasmas beispiels weise in der Spektralanalyse oder in Kernfusionsreaktoren benötigt. Besonders in der Medizin sind hohe Hochfrequenz leistungen für beispielsweise die Hochfrequenzchirurgie von Nöten.High high-frequency outputs are used for various industries oil, medical or scientific applications does. Examples in the industrial area are Troc keneinrichtung with the heating of a material work in the radio frequency field due to electrical losses or melting devices in which the heating of a Melting material via eddy currents in the high-frequency field follows, called. In science, high frequencies quota services for the excitation of a plasma example wise in spectral analysis or in nuclear fusion reactors needed. High frequencies are particularly high in medicine services for high frequency surgery, for example of need.

Bei vielen Anwendungen ist die Belastung des Hochfrequenz- Leistungsgenerators in der Regel nicht konstant, sondern ist oft sehr großen und raschen Änderungen unterworfen. So kann sich beispielsweise in der Hochfrequenzchirurgie die Impedanz einer an den Hochfrequenz-Leistungsgenerator angeschlossenen Chirurgiesonde innerhalb von Millisekunden zwischen etwa 50 Ohm und 4 kOhm ändern. Auch die Blind komponente der Lastimpedanz kann schnell und in größeren Bereichen variieren. So können sich beispielsweise sehr schnelle Änderungen des Blindanteils der Lastimpedanz ergeben, wenn die Chirurgiesonde sich von dem zu schnei denden Gewebe schnell entfernt.In many applications, the high-frequency Power generator usually not constant, but is often subject to very large and rapid changes. So can, for example, in high frequency surgery Impedance to the high frequency power generator connected surgical probe within milliseconds change between about 50 ohms and 4 kohms. Even the blind component of the load impedance can quickly and in larger Ranges vary. For example, can be very rapid changes in the reactive load impedance component result if the surgical probe cuts from that the tissue quickly removed.

Eine Gemeinsamkeit der Anwendungen von Hochfrequenz-Lei stungsgeneratoren ist die, daß der mit der Hochfrequenz leistung zu erzeugende Effekt nicht auf die strenge Ein haltung der Frequenz angewiesen ist. In der Hochfrequenz chirurgie sind beispielsweise Frequenzen zwischen 300 kHz und 2 MHz üblich. Dabei kommt es nicht wesentlich darauf an, ob der jeweils eingestellte Frequenzbereich um bei spielsweise 10% über bzw. unterschritten wird. Bei Hoch frequenz-Schmelzöfen werden sogar Frequenzen zwischen 200 kHz und 27 MHz angewandt.A commonality of high-frequency lei applications Stunggeneratoren is that with the high frequency effect to be generated does not affect the strict input maintenance of the frequency is instructed. In the radio frequency Surgery is, for example, frequencies between 300 kHz and 2 MHz common. It is not essential indicates whether the frequency range set at for example 10% above or below. At high frequency melting furnaces are even frequencies between 200 kHz and 27 MHz applied.

Zudem besteht bei den beschriebenen Anwendungen die Not wendigkeit eines hohen Wirkungsgrades. So ist beispiels weise in einem Operationssaal kein Lüfter zur Kühlung eines Hochfrequenz-Chirurgiegerätes erlaubt, da mit den Kühlluftstrom Bakterien aufgewirbelt werden könnten. Bei einer verfügbaren Hochfrequenzleistung von 400 W ist bei spielsweise ein Wirkungsgrad des Hochfrequenz-Leistungsge nerators von zumindest 90% notwendig sofern sich das Gerät nicht zu sehr erwärmen soll.There is also a need for the applications described agility of high efficiency. For example have no fan for cooling in an operating room a high-frequency surgical device allowed because with the Cooling air flow bacteria could be whirled up. At an available high-frequency power of 400 W is at for example, an efficiency of the high-frequency power nerators of at least 90% are necessary provided the device should not warm up too much.

Um diesen geforderten hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es heute üblich die verwendeten Verstärkerelemente des Leistungsgenerators im Schaltbetrieb zu betreiben. Nach diesem Prinzip arbeiten heutzutage die meisten Hochfre quenz-Chirurgiegeräte. To achieve this high level of efficiency, is it is common today for the amplifier elements used To operate the power generator in switching operation. After This is the principle that most Hochfre quenz surgical equipment.

Durch den Schaltbetrieb entstehen Oberwellen im Spektrum der Ausgangsspannung, die diverse Nachteile mit sich brin gen. In der Hochfrequenzchirurgie können die gegenüber der eigentlichen Betriebssequenz sehr viel höherfrequenten Oberwellen hohe kapazitive Leckströme erzeugen, die für den Patienten eine Verbrennungsgefahr darstellen. Außerdem entstehen durch die nicht vermeidbaren Streuelemente der Schaltung starke Überschwinger, die die Betriebssicherheit der Verstärkelemente durch Überspannungen gefährden. Zudem können aufgrund der Abschaltverzögerung der Verstärke lemente bei Schaltverstärkern nicht beliebig hohe Wir kungsgrade erreicht werden.The switching operation creates harmonics in the spectrum the output voltage, which has various disadvantages In high frequency surgery, those compared to the actual operating sequence much higher frequencies Harmonics generate high capacitive leakage currents, which for pose a risk of burns to the patient. Furthermore arise from the unavoidable scattering elements of the Circuit strong overshoot, which the operational safety of the reinforcement elements at risk from overvoltages. In addition can due to the switch-off delay of the amplifiers elements in switching amplifiers not arbitrarily high Wir degrees of efficiency can be achieved.

Bekannt ist es beispielsweise aus der DE-A-380 59 21 Leis tungsverstärker zu verwenden, dessen Transistoren als Quasi-Komplementärstufe geschaltet sind und die im Schalt betrieb arbeiten. Am Ausgang dieses Leistungsverstärkers ist ein in Serie geschalteter Serienresonanzkreis ange schlossen, der den Ausgangsstrom zu einem gegen Masse liegenden, also parallel geschalteten Parallelkreis führt. Der in Serie geschaltete Serienresonanzkreis und der pa rallel geschaltete Parallelresonanzkreis ist jeweils auf die mittlere Betriebsfrequenz abgestimmt.It is known for example from DE-A-380 59 21 Leis tion amplifier to use, whose transistors as Quasi-complementary stage are switched and in the switching operation work. At the output of this power amplifier is a series resonance circuit connected in series closed the of the output current to a against ground leads parallel parallel circuit. The series resonance circuit connected in series and the pa Parallel parallel resonance circuit is open matched the mean operating frequency.

Durch den Serienresonanzkreis wird erreicht, daß der Aus gangsstrom des Leistungsverstärkers nahezu rein sinusför mig verläuft.The series resonance circuit ensures that the off output current of the power amplifier almost purely sinusoidal mig runs.

Mit dem Parallelresonanzkreis wird die Lastimpedanz bei der Betriebsfrequenz auf einen reellen Wert gebracht, um im wesentlichen Phasenverschiebungen zwischen Strom und Spannungen sowie Blindströme zu vermeiden. With the parallel resonance circuit, the load impedance is at the operating frequency brought to a real value in order essentially phase shifts between current and Avoid voltages and reactive currents.

Aus dem Hochfrequenz-Leistungsgenerator gemäß der DE-A-380 59 21 ist ferner bekannt, daß die Ansteuerspannung des Leistungsverstärkers im Moment des Anschwingens von einem Hilfsoszilator geliefert wird, daß die Ansteuerung des Leistungsverstärkers nach dem Anschwingen umgeschaltet wird und zwar in der Art, daß dann die Ansteuerspannung des Leistungsverstärkers über eine Stromrückkopplung ent steht, wenn der Betrag der an den Hochfrequenz-Leistungs generator angeschlossenen Lastimpedanz einen charakteris tischen, voreingestellten Wert unterschreitet und über eine Spannungsrückkopplung entsteht, wenn der entgegenge setzte Fall gegeben ist. Zudem ist in der DE-A-380 59 21 ein elektronischer Schalter vorgesehen, mit dem zwischen den beiden Möglichkeiten der Rückkopplung auch bei schwan kenden Lastimpedanzen auch während des Betriebes eine Umschaltung bei Über- bzw. Unterschreitung des voreinge stellten Wertes ermöglicht wird.From the high-frequency power generator according to DE-A-380 59 21 is also known that the drive voltage of Power amplifier at the moment of starting one Auxiliary oscillator is supplied that the control of the Power amplifier switched after the start is in such a way that the drive voltage of the power amplifier via a current feedback ent stands when the amount of the high-frequency power load impedance connected to the generator table, falls below and exceeds the preset value A voltage feedback occurs when the opposite set case is given. In addition, DE-A-380 59 21 an electronic switch is provided with which between the two possibilities of feedback even with swan load impedances even during operation Switching when the pre-set value is exceeded or not reached set value is enabled.

Der in der DE-A-380 59 21 beschriebene Hochfrequenz-Lei stungsgenerator hat den Nachteil, daß dieser mit relativ vielen Komponenten ausgestattet ist und zudem die Stabil ität der Schaltung bei kapazitiven Lasten nicht gesichert ist.The high-frequency Lei described in DE-A-380 59 21 Stungsgenerator has the disadvantage that this with relative many components and also the Stabil the circuit is not secured with capacitive loads is.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und somit einen Hochfrequenz-Leistungsgenerator anzugeben, mit dem ein stabiles Verhalten bei kapazitiven Lasten gegeben ist, der also zuverlässig funktioniert und zudem mit möglichst wenigen Bauteilen auskommt.The object of the present invention is to achieve the named Avoid disadvantages of the prior art and thus specify a high frequency power generator with which stable behavior with capacitive loads is given, So it works reliably and also with as much as possible few components.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. This object is achieved through the features of the patent claim 1 solved. Developments of the invention are the subject of subclaims.

Erfindungsgemäß ist ein Hochfrequenz-Leistungsgenerator mit einem im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungsverstär ker, einem Ausgangsfilter, der zumindest einen Seriereso nanzkreis und zumindest einen Parallelresonanzkreis auf weist, einem digitalen Kontroller und einem Oszillator vorgesehen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Fre quenz der Ansteuerspannung des Leistungsverstärkers beim Anschwingen durch den digitalen Kontroller mit dem Takt des Oszillators erzeugt wird und daß der digitale Kontroller Rückkopplungen aus dem Hochfrequenz-Leistungs generator derart ausfiltert, daß die Frequenz der Ansteu erspannung des Leistungsverstärkers in einem definierten Frequenzbereich liegt.According to the invention is a high frequency power generator with a power amplifier operating in switching mode ker, an output filter that has at least one series nanzkreis and at least one parallel resonance circuit has a digital controller and an oscillator provided, which is characterized in that the Fre sequence of the control voltage of the power amplifier at Swing through the digital controller with the Clock of the oscillator is generated and that the digital Controller feedback from the high frequency power filters out such that the frequency of the control voltage of the power amplifier in a defined Frequency range.

Die Ansteuerspannung des Leistungsverstärkers wird im Moment des Anschwingens durch den digitalen Kontroller aus dem Takt des Oszillators erzeugt. Dabei beeinflussen die Rückkopplungen, die zur Selbsterregung dienen auch während des Anschwingens den digitalen Kontroller derart, daß die Ansteuerspannung des Leistungsverstärkers nicht allein durch den Takt des Oszillators bestimmt wird. Der digitale Kontroller kann beispielsweise die Rückkopplungen derart filtern, daß die Ansteuerspannung des Leistungsverstärkers in einem genau definierten Frequenzfenster liegt.The control voltage of the power amplifier is in the Moment of start-up by the digital controller the clock of the oscillator generated. The influence Feedbacks that serve for self-excitation also during of the digital controller so that the Drive voltage of the power amplifier not alone is determined by the clock of the oscillator. The digital one Controllers can, for example, the feedbacks in this way filter that the drive voltage of the power amplifier lies in a precisely defined frequency window.

Vorteilweise wird die Ansteuerspannung des Leistungsver stärkers auch nach dem Anschwingen durch den digitalen Kontroller erzeugt. Durch diese Maßnahme wird beispielswei se im Vergleich zu der eingangs genannten Offenlegungs schrift kein Hilfsoszillator benötigt.The drive voltage of the power supply is advantageously stronger even after the start of the digital Controller generated. This measure, for example se compared to the above-mentioned disclosure font no auxiliary oscillator needed.

Vorteilsweise findet keine Umschaltung zwischen Fremderre gung und Selbsterregung des Hochfrequenz-Leistungsge nerators statt. Durch diese Maßnahme wird beispielsweise ein Umschalter gespart.Advantageously, there is no switchover between foreign channels and self-excitation of high-frequency power nerators instead. This measure will, for example one switch saved.

Vorteilsweise wird zur Synchronisation der Ansteuerspan nung des Leistungsverstärkers eine auf einem Rückkopp lungssignal aus dem Ausgangsstromkreis bzw. Ausgangsspan nungskreis des Hochfrequenz-Leistungsgenerators gewonnene Spannung verwendet. Durch diese Maßnahme kann der Hochfre quenz-Leistungsgenerator schnell auf Änderungen im Aus gangskreis wie beispielsweise Lastimpedanzen reagieren.The control chip is advantageously used for synchronization Power amplifier one on a feedback tion signal from the output circuit or output chip of the high-frequency power generator Voltage used. With this measure the Hochfre quenz power generator quickly on changes in the off response circuit such as load impedances.

Weiter vorteilsweise ist ein Serienresonanzkreis vom Leis tungsverstärker aus gesehen das erste Filterelement. Vor teilsweise ist ferner der Oszillator ein Quarzoszillator. Durch diese Maßnahme ist eine exakte Taktung gewährleistet.A series resonance circuit from Leis is also advantageous tion amplifier seen from the first filter element. Before partly the oscillator is also a quartz oscillator. This measure ensures exact clocking.

Vorteilsweise sind die Resonanzkreise ungefähr auf die mittlere Betriebsfrequenz abgestimmt. Dabei ist es auch denkbar, daß die Resonanzfrequenz der Resonanzkreise selbst einstellbar vorgesehen sind.Advantageously, the resonant circuits are roughly on the average operating frequency tuned. It is also there conceivable that the resonant frequency of the resonant circuits themselves are provided adjustable.

Vorteilsweise findet eine Stromrückkopplung Anwendung, wenn der Betrag der Lastimpedanz des Ausgangskreises einen von der Phase der Lastimpedanz abhängigen voreingestellten Wert unterschreitet. Vorteilsweise wird das Rückkopplungs signal aus dem Ausgangskreis über ein Wandlerglied und zumindest eine Impulsformerstufe aus dem Strom entnommen, der durch einen Serienresonanzkreis fließt. Weiter vorte ilsweise findet eine Spannungsrückkopplung Anwendung, wenn der Betrag der Lastimpedanz des Ausgangskreises einen von der Phase der Lastimpedanz abhängigen voreingestellten Wert überschreitet. Current feedback is advantageously used, if the amount of load impedance of the output circuit is one Preset depending on the phase of the load impedance Falls below value. The feedback is advantageous signal from the output circuit via a converter element and removed at least one pulse shaper stage from the current, that flows through a series resonance circuit. Further ahead For example, voltage feedback applies if the magnitude of the load impedance of the output circuit is one of the phase of the load impedance dependent preset Value exceeds.

Dabei wird vorteilsweise das Rückkopplungssignal aus dem Ausgangskreis über ein Wandlerglied und zumindest einer Impulsformerstufe aus der Spannung entnommen, die an einem Parallelresonanzkreis anliegt. Durch diese Maßnahmen ist ein stabilerer Betrieb des Hochleistungsgenerators gewähr leistet.The feedback signal is advantageously from the Output circuit via a converter element and at least one Pulse shaper stage taken from the voltage on a Parallel resonance circuit is present. Through these measures guarantee a more stable operation of the high-performance generator accomplishes.

Vorteilweise ist ferner ein Schalter vorgesehen, der auch während des Betriebes die Umschaltung zwischen Strom- und Spannungsrückkopplung vornimmt.A switch is also advantageously provided, which also switching between current and Performs voltage feedback.

Vorteilsweise ist eine Stromabegrenzung vorgesehen, die als Flip-Flop realisiert ist. Durch diese Maßnahme wird bei spielsweise sehr schnell eine Strombegrenzung ermöglicht.A current limitation is advantageously provided, which as Flip-flop is realized. This measure will help for example, allows a current limitation very quickly.

Vorteilsweise wird weiterhin die Rückkopplungsart zumin dest bei jeder Halbwelle neu gesetzt.The type of feedback is also advantageous at least every new half-wave.

Vorteilsweise ist der Oszillator ein Element des digitalen Kontrollers. Hiermit wird die Vorrichtung noch kompakter.The oscillator is advantageously an element of the digital one Controller. This makes the device even more compact.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:The invention is hereinafter without limitation of all general inventive idea based on execution play exemplary with reference to the drawings to the rest of the disclosure all of the invention not explained in detail in the text Details are expressly referred to. Show it:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Leistungsgenerators der kontinuier lich betrieben werden kann, Fig. 1 is a block diagram of an inventive high frequency power generator which can be operated kontinuier Lich,

Fig. 2 der zeitliche Verlauf eines Ausgangssignals eines phasensynchronisierbaren Oszillators, Fig. 2, the time course of an output signal of an oscillator phasensynchronisierbaren,

Fig. 3 ein Diagramm des Logarithmus des imaginären Teils der Lastimpedanz über dem Logarithmus des reellen Teils der Lastimpedanz für einen nach dem Stand der Technik bekannten Hochfrequenz- Leistungsgenerator, Fig. 3 is a graph of the logarithm of the imaginary part of the load impedance versus the logarithm of the real part of the load impedance for a known according to the prior art high-frequency power generator,

Fig. 4 das Diagramm aus Fig. 3 für einen erfindungsge mäßen Hochfrequenz-Leistungsgenerator und Fig. 4 shows the diagram of Fig. 3 for a high-frequency power generator according to the invention and

Fig. 5 Charakteristik eines typischen Ausgangsfilters bei Belastung mit einer kapazitiven Last. Fig. 5 characteristic of a typical output filter when loaded with a capacitive load.

In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder ent sprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird, und lediglich die Abweichungen der in diesen Figuren darge stellten Ausführungsbeispiele gegenüber dem ersten Ausfüh rungsbeispiel erläutert werden:In the following figures are the same or ent speaking parts with the same reference numerals, so that there is no renewed presentation, and only the deviations from those shown in these figures presented exemplary embodiments compared to the first embodiment example are explained:

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Hochfrequenz-Leistungsgenerators. Gleichstrom bzw. Gleichspannung 5 wird einer MOSFET-Halb brücke 1 zugeführt. Diese MOSFET-Halbbrücke 1 arbeitet als Schaltverstärker und schaltet den Highsideswitch oder den Lowsideswitch entsprechend den Signalen auf der Leitung für das Ansteuersignal von Highsideswitch und Lowside switch 17. Diese Ansteuerung ist vorteilsweise kräftig dimensioniert, um kurze Schaltzeiten beispielsweise weni ger 150 ns zu erreichen. Auf die Halbbrücke 1 folgend ist ein L-C Netzwerk 2, angeordnet, das beispielsweise für einen kritischen Lastwiderstand von Rk=800 Ohm ausgelegt ist. Das L-C Netzwerk 2 kann dabei aus einem Serienreso nanzkreis und einem Parallelresonanzkreis bestehen, wobei der Serienresonanzkreis näher der Halbbrücke 1 angeordnet ist als der Parallelresonanzkreis. Fig. 1 is a block diagram showing one embodiment according to the invention of a high frequency power generator. Direct current or direct voltage 5 is supplied to a MOSFET half bridge 1 . This MOSFET half bridge 1 works as a switching amplifier and switches the high-side switch or the low-side switch in accordance with the signals on the line for the control signal from high-side switch and low-side switch 17 . This control is advantageously dimensioned strong to achieve short switching times, for example less than 150 ns. Following the half bridge 1 there is an LC network 2 , which is designed, for example, for a critical load resistance of Rk = 800 ohms. The LC network 2 can consist of a series resonance circuit and a parallel resonance circuit, the series resonance circuit being arranged closer to the half-bridge 1 than the parallel resonance circuit.

Hinter dem Parallelresonanzkreis ist der Hochfrequenz- Ausgang 6 angeordnet. An dem Hochfrequenz-Ausgang 6 wird der Generatorausgangsstrom 9 abgegriffen, der dem Schalt block 3 zugeführt wird. Dieser hat eine Komparatorfunk tion, eine Mitkopplungsumschaltungsfunktion und eine Null durchgangsbestimmungsfunktion. Die Grenzwerteinstellung 10 wirkt auch auf den Schaltblock 3. Ferner wird ein Feedback 12 bzw. ein Mitkopplungssignal, das von dem digitalen Kontroller 4 ausgeht dem Schaltblock 3 zugeführt. Vom Schaltblock 3 ausgehend zum digitalen Kontroller verlaufen Leitungen, die das Phasensynchronisationssignal 14, den Überstrom bzw. Overcurrent in der Serienresonanz 13 und die Funktion sign (UCT-Rk.Ils) 11 führen. Eine Start/Stop- Modulation 15 wird dem digitalen Kontroller 4 zugeführt. Der Gleichstrom wird durch den digitalen Kontroller 4, der auch einen Oszillator aufweist, limitiert. Ferner werden Ansteuersignale Highsideswitch und Lowsideswitch vom digi talen Kontroller 4 auf die Halbbrücke 1 gelegt.The high-frequency output 6 is arranged behind the parallel resonance circuit. At the high-frequency output 6 , the generator output current 9 is tapped, which is supplied to the switching block 3 . This has a comparator function, a feedforward switching function and a zero crossing determination function. The limit value setting 10 also acts on the switching block 3 . Furthermore, a feedback 12 or a positive feedback signal, which emanates from the digital controller 4, is fed to the switching block 3 . Starting from the switching block 3 to the digital controller, lines run which carry the phase synchronization signal 14 , the overcurrent or overcurrent in the series resonance 13 and the function sign (UCT-Rk.Ils) 11 . A start / stop modulation 15 is fed to the digital controller 4 . The direct current is limited by the digital controller 4 , which also has an oscillator. Furthermore, control signals high-side switch and low-side switch from the digital controller 4 are placed on the half-bridge 1 .

Ein Komparator im Schaltblock überwacht beispielsweise die positive Halbwelle auf Ströme, die größer als 20 A sind. Das Ausgangssignal "Überstrom in der Serieresonanz" 13 des Schaltblockes 3 wird vom digitalen Kontroller 4 verarbei tet.For example, a comparator in the switching block monitors the positive half-wave for currents that are greater than 20 A. The output signal "overcurrent in the series resonance" 13 of the switching block 3 is processed by the digital controller 4 .

Die Funktion sign (UCT-Rk.IO), wobei UCT die Spannung am Parallelschwingkreis bedeutet, Rk der kritische Lastwider stand und IO der Generatorausgangsstrom, die vom Kompa rator hervorgerufen wird, erzeugt bei reeller Last ein Signal mit 180 Grad Phase gegenüber der Spannung am Paral lelschwingkreis, wenn das Produkt aus dem Generatoraus gangsstrom und dem kritischen Lastwiderstand größer als die Spannung am Parallelschwingkreis ist. Bei diesem Schaltpunkt wird die Mitkopplung des Schaltverstärkers bei reeller Last auf den Strom im Serieschwingkreis synchron isiert. Es findet eine Abtastung des Ausgangssignals vom digitalen Kontroller in diskreten Zeitabständen statt. Bei komplexen Lastimpedanzen wird also ein anderer Umschalt punkt erreicht. Durch die komplexe Last ist auch die Fil tercharakteristik und somit der kritische Widerstand ver ändert, wobei der andere Umschaltpunkt gewollt ist.The function sign (UCT-Rk.IO), where UCT is the voltage at Parallel resonant circuit means that Rk is the critical load stood and IO the generator output current from the Kompa rator is generated, generates a real load Signal with 180 degrees phase against the voltage at the parallel Oil circuit when the product comes out of the generator current and the critical load resistance greater than the voltage on the parallel resonant circuit is. With this The switching point is the positive feedback of the switching amplifier real load synchronized with the current in the series resonant circuit isized. There is a sampling of the output signal from digital controller in discrete time intervals. At complex load impedances will be a different switch point reached. Due to the complex load, the Fil tercharacteristics and thus the critical resistance ver changes, the other switching point is wanted.

Der Nulldurchgangsdetektor, der auch als Komparator ausge staltet ist, detektiert die Nulldurchgänge von der Span nung am Parallelschwingkreis und dem Strom im Serie schwingkreis. Die Umschaltung erfolgt dabei mit Hilfe eines Analogschalters. Der Komparator ist vorteilweise sehr schnell und hat einen invertierten und nicht-inver tierten Ausgang. Ein schneller Nulldurchgangsdetektor ist notwendig um bei der durch die MOSFET-Halbbrücke erreich ten kurzen Schaltzeiten eine entsprechende Phasendetektion zu ermöglichen.The zero crossing detector, which is also used as a comparator stalten, detects the zero crossings from the span voltage on the parallel resonant circuit and the current in series resonant circuit. The switchover is done with the help an analog switch. The comparator is advantageous very fast and has an inverted and non-inverted output. A quick zero crossing detector is necessary to reach at through the MOSFET half bridge corresponding short phase detection times to enable.

In dem digitalen Kontroller 4 ist eine digitale Phasensyn chronisationsschaltung und die Auswertung der Komparator signale 11, 13, 14 für die Strombegrenzung und die Wahl des Mitkopplungssignales realisiert. Dieser Teil der Schal tung findet in einem Baustein programmierbarer Logik Platz.A digital phase synchronization circuit and the evaluation of the comparator signals 11 , 13 , 14 for the current limitation and the selection of the positive feedback signal are implemented in the digital controller 4 . This part of the circuit is located in a programmable logic module.

Der Nulldurchgangsdetektor, der in dem Schaltbock 3 ange ordnet ist, erzeugt insbesondere beim Anschwingen, also dann wenn noch kein Mitkopplungssignal mit genügender Amplitude vorhanden ist ein unbrauchbares Ausgangssignal. Eine Ausblendung dieses Ausgangssignales wird mit dem in Fig. 2 dargestellten Ausgangssignales eines phasensyn chronisierbaren Oszillators erreicht. HSW bedeutet hierbei das Ansteuersignal des Highsideswitch und LSW das Ansteu ersignal Lowsideswitch.The zero crossing detector, which is arranged in the switch block 3 , generates an unusable output signal in particular when it starts to oscillate, that is to say when there is still no positive feedback signal with sufficient amplitude. A blanking of this output signal is achieved with the output signal of a phase-synchronized oscillator shown in FIG. 2. HSW means the control signal of the high-side switch and LSW the control signal low-side switch.

Während der Phase Tfix akzeptiert der Oszillator kein Synchronisationssignal. Die Zeit Tvar wird durch das Auf treten eines Synchronisationssignales oder ein Timeout beendet. Hiermit ist auch schon die maximale und die mini male Ausgangsfrequenz festgelegt. Zudem ist garantiert, daß der Schaltverstärker bei falschem, beispielsweise durch Spikes oder ähnlich hervorgerufen, Synchron isationssignal das L-C Netzwerk nicht völlig falsch ange regt wird. Hiermit ist es möglich innerhalb jeder halben Periode zu synchronisieren. Ferner ist es möglich inner halb jeder halben Periode zu synchronisieren. Es ist es möglich, daß die Schaltung auf Phase Null synchronisiert wird. Es kann ferner auch das Tastverhältnis in einem genau begrenzten Bereich übernommen werden.The oscillator does not accept anything during the Tfix phase Synchronization signal. The time Tvar is through the up occurrence of a synchronization signal or a timeout completed. This is also the maximum and the mini male output frequency. It is also guaranteed that the switching amplifier in the wrong, for example caused by spikes or similar, synchronous the L-C network is not completely wrong is excited. With this it is possible within every half Synchronize period. It is also possible internally to synchronize half every half period. It is possible that the circuit synchronized to phase zero becomes. It can also be the duty cycle in one exactly limited area.

Realisiert wird dieses Verhalten mit Hilfe eines Flip- Flops und einer endlichen Zustandsmaschine (Finite State Machine). Das Flip-Flop ermöglicht die asynchronen Eigen schaften während die Zustandsmaschine als synchrone Logik realisiert ist. Während der Zeitperiode Tfix wird eine bestimmte Anzahl Perioden des Quarzoszillators abgezählt. Die Eingänge des Flip-Flops sind währenddessen gesperrt. Sobald die Zeitperiode Tfix beendet ist, das heißt die Periode Tvar beginnt, wird ein Eingang des Flip-Flops freigegeben. Nun kann der Ausgang durch das Synchron isationssignal gesetzt werden. Das Timeout wird von einer festvorgegebenen Anzahl Perioden des Quarzoszillators abgezählt. Die Zustandsmaschine beendet das Auszählen des Timeout zu Beginn der nächsten Periode des Quarzoszil lators, sofern der Ausgang durch das Synchronisations signal gesetzt worden ist. Nach dem Timeout wird das Flip- Flop auf den richtigen Zustand gesetzt, sofern das nicht bereits durch das Synchronisationssignal geschehen ist. Dieser Mechanismus ist für beide Halbwellen völlig unab hängig symmetrisch gelöst.This behavior is realized with the help of a flip Flops and a finite state machine (finite state Machine). The flip-flop enables the asynchronous Eigen during the state machine as synchronous logic is realized. During the time period Tfix a certain number of periods of the crystal oscillator are counted. The inputs of the flip-flop are blocked in the meantime. As soon as the time period Tfix has ended, that is to say Period Tvar begins, becomes an input of the flip-flop Approved. Now the output can be synchronized isation signal be set. The timeout is from one predetermined number of periods of the quartz oscillator counted. The state machine stops counting the Timeout at the beginning of the next period of the quartzoszil lators provided the output through the synchronization signal has been set. After the timeout, the flip Flop set to the right state if not has already been done by the synchronization signal. This mechanism is completely independent for both half-waves hanging symmetrically solved.

Zudem ist gleichzeitig eine Start-Stop Modulation reali siert, die vor jedem Beginn einer Periode Tfix der positi ven Halbwelle ein Stop-Signal berücksichtigt. Es wird somit in diesem Ausführungsbeispiel immer mit einer gera den Anzahl Halbwellen moduliert. Sofern der Generator ausgeschaltet wird bzw. ist, sind beide MOSFET's der Halb brücke abgeschaltet.In addition, start-stop modulation is also real before the start of a period Tfix the positi ven half wave takes into account a stop signal. It will thus in this embodiment always with a straight line modulated the number of half-waves. Unless the generator is switched off, both MOSFETs are half bridge switched off.

Die Strombegrenzung ist in diesem Ausführungsbeispiel als Flip-Flop realisiert. Dieses kann zum Beispiel nach der halben Zeit Tfix der positiven Halbwelle gesetzt oder gelöscht werden. Der richtige Zeitpunkt wird aus dem Zu stand der Zustandsmaschine der digitalen Phasensynchroni sation gewonnen. Das Setzen und Löschen wird durch den Komparatorausgang 13 (Überstrom in der Serieresonanz) ermöglicht. Wenn ein Wert von über 20 A detektiert wird, werden beide Schalter der MOSFET Halbbrücke abgeschaltet. In dem Moment flieht der Strom in dem Serieresonanzkreis über eine parasitäre Reverse Diode in die MOSFET's ab. Die Spannung am Ausgang des Schaltverstärkers wird dabei rela tiv zur Spannung am Parallelschwingkreis um 180° gedreht. Damit wird die Schwingung stark bedämpft. Die Energie fließt dann zurück in die Gleichspannungs-Generator speisung.In this exemplary embodiment, the current limitation is implemented as a flip-flop. For example, this can be set or deleted after half the time Tfix of the positive half-wave. The right point in time is obtained from the state of the digital phase synchronization state machine. Setting and deleting is made possible by comparator output 13 (overcurrent in the series resonance). If a value of over 20 A is detected, both switches of the MOSFET half-bridge are switched off. At that moment, the current in the series resonance circuit flows into the MOSFETs via a parasitic reverse diode. The voltage at the output of the switching amplifier is rotated relative to the voltage at the parallel resonant circuit by 180 °. This strongly dampens the vibration. The energy then flows back into the DC generator supply.

Das Strombegrenzungsbit bleibt in diesem Ausführungsbei spiel um mindestens eine Periode lang besetzt. Zur glei chen Zeit mit dem Setzen des Strombegrenzungsbits wird beispielsweise ein retriggerbares Monoflop aktiviert, das die Strombegrenzung der Gleichspannungs-Generatorspeisung auf Null setzt. Dadurch sinkt die Ausgangsspannung der Gleichspannungs-Generatorspeisung ab, bis die Gleichspan nung-Strombegrenzung richtig einsetzt. Von diesem Zeit punkt an werden die 20 A Spitzenstrom in dem Serierreso nanzkreis nicht mehr erreicht. Die schnelle Strombe grenzung spricht dann nicht mehr an.The current limit bit remains in this embodiment game occupied for at least one period. To the same time with the setting of the current limiting bit activated a retriggerable monoflop, for example the current limitation of the DC voltage generator supply sets to zero. As a result, the output voltage of the DC generator power supply until the DC voltage voltage limitation correctly. From that time the 20 A peak current in the series reso becomes nanzkreis no longer reached. The fast stream then border no longer responds.

Die Wahl der Mitkopplung geschieht wie folgt. Das Mit kopplungssignal 12 wird für jede Halbwelle neu bestimmt. Nachdem eine bestimmte Zeit in der Periode Tfix der posi tiven Halbwelle verstrichen ist, wird der Komparatoraus gang 11 (sign (UCT-Rk.ILS)) betrachtet und die Mitkopplung der Spannung am Parallelschwingkreis bzw. des Stromes im Serieschwingkreis für die Synchronisation der negativen Halbwelle festgelegt. Entsprechendes erfolgt in der Zeit Tfix der negativen Halbwelle für die Synchronisation der positiven Halbwelle. Durch die Abtastung in einem bestimm ten Punkt ergibt sich eine Abhängigkeit der Mitkopplungs umschaltung zur Phase der Lastimpedanz. Die Zustände der endlichen Zustandsmaschine stellen für die Phasensynchro nisation diskrete Abtastpunkte dar, so daß man einen Ab tastpunkt aus dem Zustand auskodieren kann. Der Ab tastwinkel weist dann eine geringe Abhängigkeit zur Ar beitsfrequenz des synchronisierten Generators auf.The selection of the feedforward happens as follows. The coupling signal 12 is redetermined for each half-wave. After a certain time has elapsed in the period Tfix of the positive half-wave, the comparator output 11 (sign (UCT-Rk.ILS)) is considered and the positive feedback of the voltage on the parallel resonant circuit or the current in the series resonant circuit for the synchronization of the negative half-wave fixed. The corresponding takes place in the time Tfix of the negative half-wave for the synchronization of the positive half-wave. The sampling at a specific point results in a dependency of the positive feedback switch on the phase of the load impedance. The states of the finite state machine represent discrete sampling points for phase synchronization, so that a sampling point can be coded out of the state. The scanning angle then has a slight dependence on the frequency of the synchronized generator.

Die mathematische Formulierung für die Umschaltung lautet beispielsweise:
The mathematical formulation for the switchover is, for example:

sign(cos(w.T)-Rk/|Z|.cos(w+T-angle(z))) w ist die Arbeitsfrequenz des Generators
Z ist die Lastimpedanz
RK ist der Lastwiderstand, bei dem die Umschaltung erfol gen soll
T ist die Zeit bezüglich des Anfangs der Sinusausgangs spannung sin(w.t), bei der der Komparatorausgang abge tastet wird.sign (cos (wT) -Rk / | Z | .cos (w + T-angle (z))) w is the working frequency of the generator
Z is the load impedance
RK is the load resistance at which the switchover should take place
T is the time with respect to the start of the sinusoidal voltage sin (wt) at which the comparator output is sampled.

In Fig. 4 ist die Abhängigkeit der Mitkopplungswahl bei einem Abtastwinkel w.T/pi.180 = 135° und Rk = 800 Ohm gezeigt. Bei kapazitiver Last mit kleinem Betrag neigt der Generator zur Spannungsrückkopplung. Dieser Effekt tritt bei allen Abtastwinkel zwischen 90° und 180° auf. Bei Abstastwinkeln kleiner 90° erhält man ungewünschte gegen teilige Wirkungen. Der Betrag der Lastimpedanz ist im Diagramm auf 10 kOhm begrenzt.In FIG. 4 the dependence of Mitkopplungswahl is shown at a scanning angle wT / pi.180 = 135 ° and Rk = 800 ohms. With a capacitive load with a small amount, the generator tends to feedback voltage. This effect occurs at all scanning angles between 90 ° and 180 °. With scanning angles of less than 90 °, undesired and partial effects are obtained. The amount of the load impedance is limited to 10 kOhm in the diagram.

In Fig. 3 ist die Umschaltung gezeigt, die sich durch einen Hochfrequenz-Leistungsgenerator ergibt, wie er in dem Dokument DE-A-380 59 21 offenbart ist. Mit 18 ist die Strommitkopplung gekennzeichnet und mit 19 die Spannungs mitkopplung.In Fig. 3 the switching is shown, which results from a high-frequency power generator, as disclosed in document DE-A-380 59 21. 18 denotes the current coupling and 19 the voltage coupling.

Bei dem eben genannten Dokument wird nur der Betrag der Lastimpedanz für die Wahl der Kopplung berücksichtigt, so daß bei kapazitiven Lasten mit kleinem Betrag ebenfalls die Strommitkopplung gewählt wird. Dieses hat im Verhält nis zur Berücksichtigung der Phase der Lastimpedanz we sentliche Nachteile. Dieses wird unter Berücksichtigung der Fig. 5 deutlicher.In the document just mentioned, only the amount of the load impedance is taken into account for the selection of the coupling, so that for capacitive loads with a small amount, the current coupling is also selected. This has significant disadvantages in relation to the consideration of the phase of the load impedance. This becomes clearer when considering FIG. 5.

Fig. 5 zeigt die Charakteristik eines typischen Ausgangs filters bei Belastung mit einer kapazitiven Last. Der Generator arbeitet bei der mittleren Abbildung der Fig. 5 in Strommitkopplung und in der unteren Abbildung in Fig. 5 in Spannungsmitkopplung. Fig. 5 shows the characteristic of a typical output filter when loaded with a capacitive load. The generator works in the middle figure of FIG. 5 in current feedforward and in the lower figure in FIG. 5 in voltage feedforward.

Bei Verwendung einer Strommitkopplung ergeben sich zwei stabile Arbeitspunkte die durch die Linien 21 und 23 dar gestellt sind. Der Phasennulldurchgang bei Linie 22 ist nicht stabil (Grenzschwingungsstabilitätskriterium). Beide dieser Arbeitspunkte erzeugen eine starke Spannung serhöhung wie aus dem Amplitudengang ersichtlich ist. Wird dagegen trotz des kleinen Betrages der Lastimpedanz die Spannungsmitkopplung gewählt, so wird nur ein stabiler Arbeitspunkt bei Linie 24 erzeugt. Dieser hat keine Span nungsüberhöhung, sondern weist eine Verstärkung nahe 0 dB auf. Die Berücksichtigung der Phase der Lastimpedanz bei der Wahl der Mitkopplung bringt hier ein wesentlich bes seres Verhalten des Generators bei kapazitiven Lasten. When using a current coupling, there are two stable operating points which are represented by lines 21 and 23 . The phase zero crossing at line 22 is not stable (limit vibration stability criterion). Both of these operating points generate a strong voltage increase as can be seen from the amplitude response. If, on the other hand, the voltage feedforward is selected despite the small amount of the load impedance, only a stable operating point is generated at line 24 . This has no voltage increase, but has a gain close to 0 dB. Taking into account the phase of the load impedance when selecting the positive feedback brings about a much better behavior of the generator with capacitive loads.

Reference list

11

MOSFET Halbbrücke
Half bridge MOSFET

22nd

L-C Netzwerk und Sensoren
LC network and sensors

33rd

Komparatoren, Feedback-Umschaltung, Nulldurch gangsbestimmung
Comparators, feedback switching, zero crossing determination

44th

Digitaler Kontroller
Digital controller

55

Gleichstrom bzw. Spannung
DC current or voltage

66

Hochfrequenz-Ausgang
High frequency output

77

Spannung am Parallelschwingkreis
Voltage on the parallel resonant circuit

88th

Strom im Serieschwingkreis
Current in the series resonant circuit

99

Generatorausgangsstrom
Generator output current

1010th

Grenzwerteinstellung
Limit setting

1111

sign (UCT-Rk.ILS)
sign (UCT-Rk.ILS)

1212th

Feedback
Feedback

1313

Überstrom in der Serieresonanz
Overcurrent in series resonance

1414

Phasensynchronisationssignal
Phase synchronization signal

1515

Start/Stop Modulation
Start / stop modulation

1616

Signalleitung zur Begrenzung des Gleichstroms
Signal line for limiting the direct current

1717th

Leitung für das Ansteuersignal von Highsideswitch und Lowsideswitch
Line for the control signal of highsideswitch and lowsideswitch

1818th

Strommitkopplung
Current coupling

1919th

Spannungsmitkopplung
Voltage feedback

2020th

Linie gleicher Frequenz
Line of the same frequency

2121

Linie gleicher Frequenz
Line of the same frequency

2222

Linie gleicher Frequenz
Line of the same frequency

2323

Linie gleicher Frequenz
Line of the same frequency

Claims

1. High frequency power generator with

- a power amplifier ( 1 ) operating in switching mode,
- An output filter ( 2 ) having at least one series resonance circuit and at least one parallel resonance circuit,
- A digital controller ( 4 ), and
- an oscillator,

characterized in that the frequency of the Ansteuerspan voltage of the power amplifier ( 1 ) is generated by the oscillation of the digital controller ( 4 ) with the clock of the oscillator and that the digital controller ( 4 ) filters out feedback from the high-frequency power generator such that the Frequency of the control voltage of the power amplifier ( 1 ) lies in a defined frequency range.

2. High-frequency power generator according to claim 1, characterized in that the drive voltage of the power amplifier ( 1 ) is also generated after the oscillation by the digital controller ( 4 ).

3. High frequency power generator according to claim 2, characterized in that no switching between External excitation and self-excitation of the high-frequency lei power generator takes place.

4. High-frequency power generator according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that a voltage obtained from a feedback signal from the output circuit or from the output voltage circuit of the high-frequency power generator is used to synchronize the control voltage of the power amplifier ( 1 ).

5. High-frequency power generator according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that a series resonance circuit from the power amplifier ( 1 ) seen from the first Filterele element.

6. High frequency power generator after one or several of claims 1 to 5.

characterized in that the oscillator is a quartz oscillator lator is.

7. High frequency power generator after one or several of claims 1 to 6, characterized in that the resonant circuits are approximately are matched to the average operating frequency.

8. High frequency power generator after one or several of claims 1 to 7, characterized in that a current feedback application finds when the amount of load impedance of the off circuit depends on the phase of the load impedance falls below the preset value.

9. High-frequency power generator according to claim 8, characterized in that the feedback signal is off the output circuit via a converter element and at least a pulse shaper stage is taken from the current that flows through a series resonance circuit.

10. High frequency power generator after one or several of claims 1 to 7, characterized in that a voltage feedback Applies when the amount of load impedance of the Output circuit depending on the phase of the load impedance dependent preset value.

11. High-frequency power generator according to claim 10 characterized in that the feedback signal is off the voltage of the output circuit via a converter element and at least one pulse shaper stage is taken from is applied to a parallel resonance circuit.

12. High frequency power generator after one or several of claims 8 to 11, characterized in that a switch is provided which also switches between during operation Current and voltage feedback.

13. High frequency power generator after one or several of claims 1 to 12, characterized in that a current limit is provided, which is a flip-flop is realized.

14. High frequency power generator after one or several of claims 8 to 13, characterized in that the type of feedback at each Half wave is reset.

15. High-frequency line generator according to one or more of claims 1 to 14, characterized in that the oscillator is an element of the digital controller ( 4 ).