DE19702007B4

DE19702007B4 - High-frequency power generator

Info

Publication number: DE19702007B4
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: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2017-01-23
Also published as: DE19702007A1

Abstract

Hochfrequenz-Leistungsgenerator umfassend
– einen im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungsverstärker (1),
– ein dem Leistungsverstärker nachgeschaltetes Ausgangsfilter (2) mit zumindest einem Serienresonanzkreis und zumindest einem Parallelresonanzkreis,
– einen digitalen Kontroller (4) zur Steuerung des Leistungsverstärkers und
– einen Oszillator
dadurch gekennzeichnet, dass
– der Oszillator ein phasensynchronisierbarer Oszillator ist,
– die Synchronisation durch Rückkoppelsignale aus dem Ausgangsfilter (2) erfolgt,
– die Rückkoppelsignale gefiltert sind, wodurch die Ansteuerspannung des Leistungsverstärkers in einem genau definierten Frequenzfenster liegt,
– innerhalb jeder halben Periode des Ausgangssignals des phasensynchronisierbaren Oszillators während einer Zeitperiode (Tfix) von diesem kein Synchronisationssignal akzeptiert wird, und eine darauf folgende Zeitperiode (Tvar) durch das Auftreten eines Synchronisationssignals oder eine Zeitüberschreitung beendet wird.Comprising high frequency power generator
A switched-mode power amplifier (1),
An output filter (2) connected downstream of the power amplifier and having at least one series resonant circuit and at least one parallel resonant circuit,
A digital controller (4) for controlling the power amplifier and
- an oscillator
characterized in that
The oscillator is a phase-synchronizable oscillator,
The synchronization takes place by feedback signals from the output filter (2),
The feedback signals are filtered, whereby the drive voltage of the power amplifier lies in a precisely defined frequency window,
- Within each half period of the output signal of the phase-synchronizable oscillator during a period of time (Tfix) from this no synchronization signal is accepted, and a subsequent period of time (Tvar) is terminated by the occurrence of a synchronization signal or a time-out.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochfrequenz-Leistungsgenerator entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a high frequency power generator according to the preamble of claim 1.

Hohe Hochfrequenzleistungen werden für diverse industrielle, medizinische oder wissenschaftliche Anwendungen benötigt. Im industriellen Bereich seien als Beispiele Trockeneinrichtungen, die mit der Erwärmung eines Materials durch elektrische Verluste im Hochfrequenzfeld arbeiten oder Schmelzvorrichtungen, bei denen die Erwärmung eines Schmelzgutes über Wirbelströme im Hochfrequenzfeld erfolgt, genannt. In der Wissenschaft werden hohe Hochfrequenzleistungen für die Anregung eines Plasmas beispielsweise in der Spektralanalyse oder in Kernfusionsreaktoren benötigt. Besonders in der Medizin sind hohe Hochfrequenzleistungen für beispielsweise die Hochfrequenzchirurgie von Nöten.Height High frequency services are for various industrial, medical or scientific applications needed. In the industrial sector, examples are drying devices, those with the warming a material by electrical losses in the high frequency field work or melting devices in which the heating of a melt through eddy currents in the high frequency field done, called. In science, high radio frequency performances for the Excitation of a plasma, for example in spectral analysis or needed in nuclear fusion reactors. Especially in medicine are high RF power for example the high-frequency surgery of needs.

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 schneidenden Gewebe schnell entfernt.at many uses is the burden of the high frequency power generator usually not constant, but is often very large and quick changes subjected. For example, in high-frequency surgery the impedance of a connected to the high frequency power generator Surgical probe within milliseconds between about 50 ohms and change 4 kohms. Also, the reactive component of the load impedance can be fast and in larger areas vary. So can For example, very fast changes in the blind share of the load impedance, when the surgical probe approaches cutting tissue quickly removed.

Eine Gemeinsamkeit der Anwendungen von Hochfrequenz-Leistungsgeneratoren ist die, daß der mit der Hochfrequenzleistung zu erzeugende Effekt nicht auf die strenge Einhaltung der Frequenz angewiesen ist. In der Hochfrequenzchirurgie sind beispielsweise Frequenzen zwischen 300 kHz und 2 MHz üblich. Dabei kommt es nicht wesentlich darauf an, ob der jeweils eingestellte Frequenzbereich um beispielsweise 10% über bzw. unterschritten wird. Bei Hochfrequenz-Schmelzöfen werden sogar Frequenzen zwischen 200 kHz und 27 MHz angewandt.A Commonality of applications of high frequency power generators is that with the the high-frequency power to be produced effect is not on the strict Compliance with the frequency is dependent. In high frequency surgery For example, frequencies between 300 kHz and 2 MHz are common. there it does not matter much whether the respectively set Frequency range is exceeded or undershot by, for example, 10%. at High frequency furnaces even frequencies between 200 kHz and 27 MHz are used.

Zudem besteht bei den beschriebenen Anwendungen die Notwendigkeit eines hohen Wirkungsgrades. So ist beispielsweise 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 beispielsweise ein Wirkungsgrad des Hochfrequenz-Leistungsgenerators von zumindest 90% notwendig sofern sich das Gerät nicht zu sehr erwärmen soll.moreover There is a need in the applications described high efficiency. For example, in an operating room no fan for cooling a high-frequency surgical device allows, there with the cooling air flow Bacteria could be whirled up. At one available High frequency power of 400 W, for example, an efficiency of the high frequency power generator of at least 90% necessary provided the device should not warm 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 Hochfrequenz-Chirurgiegeräte.Around To achieve this required high efficiency, it is common today used amplifier elements of the power generator to operate in switching operation. After this The principle today work most high-frequency surgical equipment.

Durch den Schaltbetrieb entstehen Oberwellen im Spektrum der Ausgangsspannung, die diverse Nachteile mit sich bringen. 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 Verstärkelemente bei Schaltverstärkern nicht beliebig hohe Wirkungsgrade erreicht werden.By the switching operation generates harmonics in the spectrum of the output voltage, which bring various disadvantages. In high frequency surgery can the opposite the actual operating sequence much higher frequency harmonics high capacitive leakage currents generate that for pose a risk of burns to the patient. In addition, arise Due to the unavoidable scattering elements of the circuit strong overshoot, the the reliability of the amplifier elements by overvoltages compromise. In addition, due to the switch-off delay the reinforcing elements with switching amplifiers Not arbitrarily high efficiencies can be achieved.

Bekannt ist es beispielsweise aus der DE-A-380 59 21 einen Leistungsverstärker zu verwenden, dessen Transistoren als Quasi-Komplementärstufe geschaltet sind und die im Schaltbetrieb arbeiten. Am Ausgang dieses Leistungsverstärkers ist ein in Serie geschalteter Serienresonanzkreis angeschlossen, der den Ausgangsstrom zu einem gegen Masse liegenden, also parallel geschalteten Parallelkreis führt. Der in Serie geschaltete Serienresonanzkreis und der parallel geschaltete Parallelresonanzkreis ist jeweils auf die mittlere Betriebsfrequenz abgestimmt.It is known for example from the DE-A-380 59 21 to use a power amplifier whose transistors are connected as a quasi-complementary stage and operate in the switching mode. At the output of this power amplifier, a series-connected series resonant circuit is connected, which leads the output current to a lying parallel to ground, that is parallel-connected parallel circuit. The series-connected series resonant circuit and the parallel-connected parallel resonant circuit are each tuned to the average operating frequency.

Durch den Serienresonanzkreis wird erreicht, daß der Ausgangsstrom des Leistungsverstärkers nahezu rein sinusförmig verläuft.By the series resonant circuit is achieved that the output current of the power amplifier almost purely sinusoidal 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 resonant circuit becomes the load impedance at the operating frequency brought to a real value to essentially phase shifts between current and voltages and to avoid 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 entsteht, wenn der Betrag der an den Hochfrequenz-Leistungsgenerator angeschlossenen Lastimpedanz einen charakteristischen, voreingestellten Wert unterschreitet und über eine Spannugsrückkopplung entsteht, wenn der entgegengesetzte 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 schwankenden Lastimpedanzen auch während des Betriebes eine Umschaltung bei Über- bzw. Unterschreitung des voreingestellten Wertes ermöglicht wird.From the high frequency power generator according to the DE-A-380 59 21 It is also known that the drive voltage of the power amplifier is supplied at the moment of Anschwingensan Hilfsoszilator that the drive of the power amplifier is switched after the oscillation in such a way that then the drive voltage of the power amplifier via a current feedback arises when the amount of at the high frequency power generator connected load impedance falls below a characteristic, preset value and arises via a Spannugsrückkopplung, if the opposite case is given. Moreover, in the DE-A-380 59 21 an electronic switch provided with the zwi tween the two possibilities of feedback even with fluctuating load impedances even during operation, a changeover when exceeding or falling short of the preset value is possible.

Der in der DE-A-380 59 21 beschriebene Hochfrequenz-Leistungsgenerator hat den Nachteil, daß dieser mit relativ vielen Komponenten ausgestattet ist und zudem die Stabilität der Schaltung bei kapazitiven Lasten nicht gesichert ist.The Indian DE-A-380 59 21 described high-frequency power generator has the disadvantage that it is equipped with relatively many components and also the stability of the circuit is not secured in capacitive loads.

In der US 5,077,540 ist eine selbstschwingende Ansteuerschaltung für induktive Lasten offenbart. Zu Beginn eines jeden Zyklus wird die Spannung durch einen Schalter an die induktive Last angelegt. Der durch die Last fliessende, stetig zunehmende Strom wird ausgewertet und mit einem Referenzwert verglichen. Bei einer Überschreitung des Referenzwertes wird die Spannung abgeschaltet. Enstsprechend fällt der Strom durch die induktive Last stetig ab. Hierdurch ergibt sich ein dreieckförmiger Stromverlauf durch die induktive Last.In the US 5,077,540 a self-oscillating drive circuit for inductive loads is disclosed. At the beginning of each cycle, the voltage is applied to the inductive load by a switch. The steadily increasing current flowing through the load is evaluated and compared with a reference value. If the reference value is exceeded, the voltage is switched off. Accordingly, the current steadily drops due to the inductive load. This results in a triangular current profile through the inductive load.

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.task It is the object of the present invention to overcome the stated disadvantages of the prior art avoid the technology and thus a high frequency power generator specify with which a stable behavior with capacitive loads is given, so reliable works and also with as possible few components.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.These The object is solved by the features of claim 1. further developments The invention are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist ein Hochfrequenz-Leistungsgenerator mit einem im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungsverstärker, einem Ausgangsfilter, der zumindest einen Serieresonazkreis und zumindest einen Parallelresonanzkreis aufweist, einem digitalen Kontroller und einem Oszillator vorgesehen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Frequenz 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-Leistungsgenerator derart ausfiltert, daß die Frequenz der Ansteuerspannung des Leistungsverstärkers in einem definierten Frequenzbereich liegt.According to the invention is a High frequency power generator with one operating in switching mode Power amplifier, an output filter, the at least one Serieresonazkreis and has at least one parallel resonant circuit, a digital controller and an oscillator characterized that the Frequency of the drive voltage of the power amplifier when swinging through the digital controller is generated with the clock of the oscillator and that the digital controller feedback from the high-frequency power generator filters out so that the frequency the drive voltage of the power amplifier in a defined Frequency range is.

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 Drive voltage of the power amplifier is at the moment of the oscillation generated by the digital controller from the clock of the oscillator. The feedbacks that influence for self-excitation serve also during of the swing the digital controller such that the drive voltage of the power amplifier is not determined solely by the clock of the oscillator. The digital one For example, the controller can filter the feedbacks that the Control voltage of the power amplifier in a well-defined frequency window lies.

Vorteilweise wird die Ansteuerspannung des Leistungsverstärkers auch nach dem Anschwingen durch den digitalen Kontroller erzeugt. Durch diese Maßname wird beispielsweise im Vergleich zu der eingangs genannten Offenlegungsschrift kein Hilfsoszillator benötigt.beneficial way The drive voltage of the power amplifier is also after the swing through generated the digital controller. This measure name is used, for example, in Compared to the above-mentioned patent application no auxiliary oscillator needed.

Vorteilsweise findet keine Umschaltung zwischen Fremderregung und Selbsterregung des Hochfrequenz-Leistungsge nerators statt. Durch diese Maßname wird beispielsweise ein Umschalter gespart.beneficial way finds no switching between external excitation and self-excitation the high frequency Leistungsge generator instead. By this measure name becomes For example, a switch saved.

Vorteilsweise wird zur Synchronisation der Ansteuerspannung des Leistungsverstärkers eine auf einem Rückkopplungssignal aus dem Ausgangsstromkreis bzw. Ausgangsspannungskreis des Hochfrequenz-Leistungsgenerators gewonnene Spannung verwendet. Durch diese Maßname kann der Hochfrequenz-Leistungsgenerator schnell auf Änderungen im Ausgangskreis wie beispielsweise Lastimpedanzen reagieren.beneficial way is to synchronize the drive voltage of the power amplifier on a feedback signal from the output circuit or output voltage circuit of the high-frequency power generator recovered voltage used. By this measure name, the high-frequency power generator fast on changes react in the output circuit such as load impedances.

Weiter vorteilsweise ist ein Serienresonanzkreis vom Leistungsverstärker aus gesehen das erste Filterelement. Vorteilsweise ist ferner der Oszillator ein Quarzoszillator. Durch diese Maßname ist eine exakte Taktung gewährleistet.Further Advantageously, a series resonant circuit from the power amplifier seen the first filter element. Advantageously, the oscillator is also a Crystal oscillator. By this measure name an exact timing is guaranteed.

Vorteilsweise sind die Resonanzkreise ungefähr auf die mittlere Betriebsfrequenz abgestimmt. Dabei ist es auch denkbar, daß die Resonanzfrequenz der Resonanzkreise selbst einstellbar vorgesehen sind.beneficial way the resonant circuits are about tuned to the average operating frequency. And that's it conceivable that the Resonant frequency of the resonant circuits itself provided adjustable are.

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 Rückkopplungssignal aus dem Ausgangskreis über ein Wandlerglied und zumindest eine Impulsformerstufe aus dem Strom entnommen, der durch einen Serienresonanzkreis fließt. Weiter vorteilsweise findet eine Spannungsrückkopplung Anwendung, wenn der Betrag der Lastimpedanz des Ausgangskreises einen von der Phase der Lastimpedanz abhängigen voreingestellten Wert überschreitet.beneficial way finds a current feedback application, if the magnitude of the load impedance of the output circuit is one of Phase of the load impedance dependent preset value is below. Advantageously, the feedback signal from the output circuit via a converter element and at least one pulse shaping stage from the current taken, which flows through a series resonant circuit. Further Advantageously, a voltage feedback application, if the amount of load impedance of the output circuit one of the phase dependent on the load impedance exceeds the preset value.

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 gewährleistet.there Advantageously, the feedback signal from the output circuit via a converter element and at least one pulse shaping stage from the voltage taken, which abuts a parallel resonant circuit. Through this activities a more stable operation of the high power generator is ensured.

Vorteilweise ist ferner ein Schalter vorgesehen, der auch während des Betriebes die Umschaltung zwischen Strom- und Spannungsrückkopplung vornimmt.beneficial way Furthermore, a switch is provided which also during operation, the switching between current and voltage feedback makes.

Vorteilsweise ist eine Strombegrenzung vorgesehen, die als Flip-Flop realisiert ist. Durch diese Maßnahme wird beispielsweise sehr schnell eine Strombegrenzung ermöglicht.beneficial way a current limiting is provided, which is realized as a flip-flop is. By this measure For example, a current limitation is made possible very quickly.

Vorteilsweise wird weiterhin die Rückkopplungsart zumindest bei jeder Halbwelle neu gesetzt Vorteilsweise ist der Oszillator ein Element des digitalen Kontrollers. Hiermit wird die Vorrichtung noch kompakter.beneficial way will continue to be the feedback mode reset at least every half wave Advantage is the Oscillator an element of the digital controller. This will be the Device even more compact.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen 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 will be described below without limiting the general inventive concept of exemplary embodiments with reference to the drawings described by way of example by the way in terms of the disclosure of all unspecified in the text details of the invention expressly is referenced. Show it:

1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Leistungsgenerators der kontinuierlich betrieben werden kann, 1 a block diagram of a high-frequency power generator according to the invention can be operated continuously,

2 der zeitliche Verlauf eines Ausgangssignals eines phasensynchronisierbaren Oszillators, 2 the time profile of an output signal of a phase-synchronized oscillator,

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, 3 2 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 high frequency power generator known in the prior art;

4 das Diagramm aus 3 für einen erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Leistungsgenerator und 4 the diagram 3 for a high-frequency power generator according to the invention and

5 Charakteristik eines typischen Ausgangsfilters bei Belastung mit einer kapazitiven Last. 5 Characteristic of a typical output filter under load with a capacitive load.

In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird, und lediglich die Abweichungen der in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden:In The following figures are each the same or corresponding parts denoted by the same reference numerals, so that dispenses with a new idea and only the deviations of those shown in these figures Embodiments over the first embodiment be explained:

1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Hochfrequenz-Leistungsgenerators. Gleichstrom bzw. Gleichspannung 5 wird einer MOSFET-Halbbrücke 1 zugeführt. Diese MOSFET-Halbbrücke 1 arbeitet als Schaltverstärker und schaltet den Positiven Leistungsschalter oder den Negativen Leistungsschalter entsprechend den Signalen auf der Leitung für das Ansteuersignal von Positivem Leistungsschalter und Negativem Leistungsschalter 17. Diese Ansteuerung ist vorteilsweise kräftig dimensioniert, um kurze Schaltzeiten beispielsweise weniger 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 Serienresonanzkreis und einem Parallelresonanzkreis bestehen, wobei der Serienresonanzkreis näher der Halbbrücke 1 angeordnet ist als der Parallelresonanzkreis. 1 shows a block diagram of an embodiment of a high-frequency power generator according to the invention. DC or DC voltage 5 becomes a MOSFET half-bridge 1 fed. This MOSFET half-bridge 1 operates as a switching amplifier and switches the Positive Circuit Breaker or the Negative Circuit Breaker according to the signals on the Positive Circuit Breaker and Negative Circuit Breaker drive signal line 17 , This control is advantageously strongly dimensioned to achieve short switching times, for example less 150 ns. On the half bridge 1 Following is an LC network 2 , arranged, for example, designed for a critical load resistance of Rk = 800 ohms. The LC network 2 can consist of a series resonant circuit and a parallel resonant circuit, wherein the series resonant circuit closer to the half-bridge 1 is arranged as the parallel resonant circuit.

Hinter dem Parallelresonanzkreis ist der Hochfrequenzausgang 6 angeordnet. An dem Hochfrequenz-Ausgang 6 wird der Generatorausgangsstrom 9 abgegriffen, der dem Schaltblock 3 zugeführt wird. Dieser hat eine Komparatorfunktion, eine Mitkopplungsumschaltungsfunktion und eine Nulldurchgangsbestimmungsfunktion. Die Grenzwerteinstellung 10 wirkt auch auf den Schaltblock 3. Ferner wird ein Mitkopplungssignal 12, 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 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 Positiver Leistungsschalter und Negativer Leistungsschalter vom digitalen Kontroller 4 auf die Halbbrücke 1 gelegt.Behind the parallel resonant circuit is the high frequency output 6 arranged. At the high frequency output 6 becomes the generator output current 9 tapped, the the switching block 3 is supplied. This has a comparator function, a positive feedback switching function and a zero crossing determination function. The limit setting 10 also acts on the switching block 3 , Furthermore, a positive feedback signal 12 that of the digital controller 4 goes out the switch block 3 fed. From the switching block 3 On the basis of the digital controller are lines which carry the phase synchronization signal 14 , the overcurrent in the series resonance 13 and the function sign (UCT - Rk · Ils) 11 to lead. A start / stop modulation 15 becomes the digital controller 4 fed. The DC power is provided by the digital controller 4 , which also has an oscillator, limited. Further, drive signals are positive power switch and negative power switch from the digital controller 4 on the half bridge 1 placed.

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 verarbeitet.For example, a comparator in the switch block monitors the positive half cycle for currents greater than 20 amps. The output signal "overcurrent in the serier resonance" 13 of the switching block 3 becomes from the digital controller 4 processed.

Die Funktion sign (UCT – Rk·IO), wobei UCT die Spannung am Parallelschwingkreis bedeutet, Rk der kritische Lastwiderstand und IO der Generatorausgangsstrom, die vom Komparator hervorgerufen wird, erzeugt bei reeller Last ein Signal mit 180 Grad Phase gegenüber der Spannung am Parallelschwingkreis, 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 synchronisiert. Es findet eine Abtastung des Ausgangssignals vom digitalen Kontroller in diskreten Zeitabständen statt. Bei komplexen Lastimpedanzen wird also ein anderer Umschaltpunkt erreicht. Durch die komplexe Last ist auch die Filtercharakteristik und somit der kritische Widerstand verändert, wobei der andere Umschaltpunkt gewollt ist.The Function sign (UCT - Rk · IO), where UCT means the voltage at the parallel resonant circuit, Rk the critical Load resistance and IO the generator output current from the comparator is generated generates a signal at 180 real load Degree phase opposite the voltage at the parallel resonant circuit when the product from the generator output current and the critical load resistance is greater than the voltage at the parallel resonant circuit is. At this switching point, the positive feedback of the switching amplifier is at real load synchronized to the current in the series resonant circuit. It finds a sample of the output signal from the digital controller at discrete intervals instead of. In the case of complex load impedances, another switching point therefore becomes reached. Due to the complex load is also the filter characteristics and thus the critical resistance changed, with the other switching point wanted is.

Der Nulldurchgangsdetektor, der auch als Komparator ausgestaltet ist, detektiert die Nulldurchgänge von der Spannung am Paralellschwingkreis und dem Strom im Serienschwingkreis. Die Umschaltung erfolgt dabei mit Hilfe eines Analogschalters. Der Komparator ist vorteilsweise sehr schnell und hat einen invertierten und nicht-invertierten Ausgang. Ein schneller Nulldurchgangsdetektor ist notwendig, um bei der durch die MOSFET-Halbbrücke erreichten kurzen Schaltzeiten eine entsprechende Phasendetektion zu ermöglichen.Of the Zero-crossing detector, which is also designed as a comparator, detects the zero crossings from the voltage at the parallel resonant circuit and the current in the series resonant circuit. Switching takes place with the help of an analogue switch. Of the Comparator is advantageous very fast and has an inverted and non-inverted output. A fast zero-crossing detector is necessary to get to the short through the MOSFET half bridge achieved Switching times to enable a corresponding phase detection.

In dem digitalen Kontroller 4 ist eine digitale Phasensynchronisationsschaltung und die Auswertung der Komparatorsignale 11, 13, 14 für die Strombegrenzung und die Wahl des Mitkopplungsignales realisiert. Dieser Teil der Schaltung findet in einem Baustein programmierbarer Logik Platz.In the digital controller 4 is a digital phase synchronization circuit and the evaluation of the comparator signals 11 . 13 . 14 realized for the current limitation and the choice of Mitkopplungsignales. This part of the circuit fits into a programmable logic device.

Der Nulldurchgangsdetektor, der in dem Schaltblock 3 angeordnet 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 2 dargestellten Ausgangssignal eines phasensynchronisierbaren Oszillators erreicht. HSW bedeutet hierbei das Ansteuersignal des Positiven Leistungsschalters (Highsideswitch) und LSW das Ansteuersignal des Negativen Leistungsschalters (Lowsideswitch).The zero-crossing detector included in the switching block 3 is arranged, in particular when rocking, so if there is no positive feedback signal present with sufficient amplitude an unusable output signal. A blanking of this output signal is with the in 2 achieved output signal of a phase-synchronized oscillator. HSW means the drive signal of the positive circuit breaker (Highsideswitch) and LSW means the drive signal of the negative circuit breaker (Lowsideswitch).

Während der Phase Tfix akzeptiert der Oszillator kein Synchronisationssignal. Die Zeit Tvar wird durch das Auftreten eines Synchronisationssignales oder ein Timeout beendet. Hiermit ist auch schon die maximale und die minimale Ausgangsfrequenz festgelegt. Zudem ist garantiert, daß der Schaltverstärker bei falschem, beispielsweise durch Spannungsspitzen oder ähnliche hervorgerufenem, Synchronisationssignal das L-C Netzwerk nicht völlig falsch angeregt wird. Hiermit ist es möglich, innerhalb jeder halben Periode zu synchronisieren. Ferner ist es möglich innerhalb jeder halben Periode zu synchronisieren. Es ist möglich, daß die Schaltung auf Phase Null synchronisiert wird. Es kann ferner auch das Tastverhältnis in einem genau begrenzten Bereich übernommen werden.During the Phase Tfix, the oscillator does not accept a synchronization signal. The time Tvar is determined by the occurrence of a synchronization signal or a timeout ended. This is synonymous already the maximum and the minimum output frequency set. In addition, it is guaranteed that the switching amplifier at wrong, for example, by voltage spikes or similar sync signal, the L-C network is not completely wrong is stimulated. This makes it possible to synchronize within each half period. Furthermore, it is possible within to synchronize every half period. It is possible that the circuit synchronized to phase zero. It can also be the duty cycle in taken over a strictly limited area become.

Realisiert wird dieses Verhalten mit Hilfe eines FlipFlops und einer endlichen Zustandsmaschine (Finite State Machine). Das Flip-Flop ermöglicht die asynchronen Eigenschaften 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 Synchronisationssignal gesetzt werden. Die Zeitüberschreitung (Timeout) wird von einer festvorgegebenen Anzahl Perioden des Quarzoszillators abgezählt. Die Zustandsmaschine beendet das Auszählen der Zeitüberschreitung zu Beginn der nächsten Periode des Quarzoszil lators, sofern der Ausgang durch das Synchronisationssignal gesetzt worden ist. Nach der Zeitüberschreitung wird das FlipFlop auf den richtigen Zustand gesetzt, sofern das nicht bereits durch das Synchronisationssignal geschehen ist. Dieser Mechanismus ist für beide Halbwellen völlig unabhängig symmetrisch gelöst.implemented This behavior is achieved with the help of a flip-flop and a finite one State Machine (Finite State Machine). The flip-flop allows the asynchronous properties during the state machine is realized as synchronous logic. During the Time period Tfix becomes a certain number of periods of the quartz oscillator counted. The inputs of the flip-flops are meanwhile blocked. Once the time period Tfix has ended, that is the period Tvar starts, an input of the flip-flop is released. Well can the output can be set by the synchronization signal. The timeout (Timeout) is a fixed predetermined number of periods of the quartz oscillator counted. The state machine stops counting the timeout at the beginning of the next Period of Quarzoszil lators provided the output by the synchronization signal has been set. After the timeout, the flip-flop will turn on set to the correct state, if not already through the synchronization signal has happened. This mechanism is for both Half waves completely independently solved symmetrically.

Zudem ist gleichzeitig eine Start-Stop Modulation realisiert, die vor jedem Beginn einer Periode Tfix der positiven Halbwelle ein Stop-Signal berücksichtigt. Es wird somit in diesem Ausführungsbeispiel immer mit einer geraden Anzahl Halbwellen moduliert. Sofern der Generator ausgeschaltet wird bzw. ist, sind beide MOSFET's der Halbbrücke abgeschaltet.moreover At the same time, a start-stop modulation is realized every beginning of a period Tfix of the positive half-wave a stop signal considered. It is thus always in this embodiment modulated with an even number of half-waves. Unless the generator is turned off or is, both MOSFETs of the half-bridge are turned 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 Zustand der Zustandsmaschine der digitalen Phasensynchronisation gewonnen. Das Setzen und Löschen wird durch den Komparatorausgang 13 (Überstrom in der Serienresonanz) ermöglicht. Wenn ein Wert von über 20 A detektiert wird, werden beide Schalter der MOSFET Halbbrücke abgeschaltet. In dem Moment fließt der Strom in dem Serierresonanzkreis über eine parasitäre antiparallele (Reverse) Diode in die MOSFET's ab. Die Spannung am Ausgang des Schaltverstärkers wird dabei relativ zur Spannung am Parallelschwingkreis um 180° gedreht. Damit wird die Schwingung stark bedämpft. Die Energie fließt dann zurück in die Gleichspannungs-Generatorspeisung.The current limit is realized in this embodiment as a flip-flop. For example, this can be set or cleared after half the time Tfix of the positive half cycle. The correct time is obtained from the state of the digital phase synchronization state machine. The setting and clearing is done by the comparator output 13 (Overcurrent in the series resonance) allows. If a value above 20 A is detected, both switches of the MOSFET half-bridge are switched off. At that moment, the current in the serially resonant circuit flows into the MOSFETs via a parasitic antiparallel diode (reverse diode). The voltage at the output of the switching amplifier is rotated relative to the voltage at the parallel resonant circuit by 180 °. Thus, the vibration is strongly damped. The energy then flows back into the DC generator power supply.

Das Strombegrenzungsbit bleibt in diesem Ausführungsbeispiel 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 Geichspannungs-Generatorspeisung auf Null setzt. Dadurch sinkt die Ausgangsspannung der Gleichspannungs-Generatorspeisung ab, bis die Gleichspannungs-Strombegrenzung richtig einsetzt. Von diesem Zeitpunkt an werden die 20 A Spitzenstrom in dem Serierresonanzkreis nicht mehr erreicht. Die schnelle Strombegrenzung spricht dann nicht mehr an.The Current limit bit remains in this embodiment by at least occupied for a period. At the same time with the setting of the current limit bit For example, a retriggerable monoflop that activates the Current limit of the supply voltage generator set to zero. This reduces the output voltage of the DC generator power supply until the DC current limit starts correctly. From At this time, the 20 A peak current in the Serierresonanzkreis not reached anymore. The fast current limit does not speak then more.

Die Wahl der Mitkopplung geschieht wie folgt. Das Mitkopplungsignal 12 wird für jede Halbwelle neu bestimmt. Nachdem eine bestimmte Zeit in der Periode Tfix der positiven Halbwelle verstrichen ist, wird der Komparatorausgang 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 bestimmten Punkt ergibt sich eine Abhängigkeit der Mitkopplungsumschaltung zur Phase der Lastimpedanz. Die Zustande der endlichen Zustandsmaschine stellen für die Phasensynchronisation diskrete Abtastpunkte dar, so daß man einen Abtastpunkt aus dem Zustand auskodieren kann. Der Abtastwinkel weist dann eine geringe Abhängigkeit zur Arbeitsfrequenz des synchronisierten Generators auf.The choice of positive feedback is as follows. The positive feedback signal 12 is redetermined for every half wave. After a certain time has elapsed in the period Tfix of the positive half-wave, the comparator output becomes 11 (sign (UCT - Rk · ILS)) and determines 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. The same occurs in the time Tfix of the negative half-wave for the synchronization of the positive half-wave. The sampling at a certain point results in a dependence of positive feedback switching on the phase of the load impedance. The states of the finite state machine represent discrete sample points for phase synchronization so that one can decode a sample point out of the state. The scanning angle then has a low dependence on the operating frequency of the synchronized generator.

Die mathematische Formulierung für die Umschaltung lautet beispielsweise: 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 erfolgen soll
T: ist die Zeit bezüglich des Anfangs der Sinusausgangsspannung sin(w·t), bei der der Komparatorausgang abgetastet wird.

The mathematical formulation for switching, for example, is: sign (cos (w · T) -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 relative to the beginning of the sine output voltage sin (w * t) at which the comparator output is sampled.

In 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 Abtastwinkeln zwischen 90° und 180° auf. Bei Abstastwinkeln kleiner 90° erhält man ungewünschte gegenteilige Wirkungen. Der Betrag der Lastimpedanz ist im Diagramm auf 10 kOhm begrenzt.In 4 the dependence of the positive feedback is shown at a scanning angle w · T / pi · 180 = 135 ° and Rk = 800 ohms. For a capacitive load with a small amount, the generator tends to voltage feedback. This effect occurs at all scanning angles between 90 ° and 180 °. With scaler angles smaller than 90 ° unwanted adverse effects are obtained. The amount of the load impedance is limited to 10 kOhm in the diagram.

In 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 Spannungsmitkopplung.In 3 the switchover resulting from a high frequency power generator as shown in the document is shown DE-A-380 59 21 is disclosed. With 18 is the electricity connection marked and with 19 the voltage feedback.

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 Verhältnis zur Berücksichtigung der Phase der Lastimpedanz wesentliche Nachteile. Dieses wird unter Berücksichtigung der 5 deutlicher.In the document just mentioned, only the amount of the load impedance for the choice of coupling is taken into account, so that in the case of capacitive loads with a small amount, the current connection is also selected. This has significant disadvantages in relation to the consideration of the phase of the load impedance. This is taking into account the 5 more clear.

5 zeigt die Charakteristik eines typischen Ausgangsfilters bei Belastung mit einer kapazitiven Last. Der Generator arbeitet bei der mittleren Abbildung der 5 in Strommitkopplung und in der unteren Abbildung in 5 in Spannungsmitkopplung. 5 shows the characteristic of a typical output filter under load with a capacitive load. The generator works at the middle picture of the 5 in electricity co-coupling and in the lower figure in 5 in voltage feedback.

Bei Verwendung einer Strommitkopplung ergeben sich zwei stabile Arbeitspunkte die durch die Linien 21 und 23 dargestellt sind. Der Phasennulldurchgang bei Linie 22 ist nicht stabil (Grenzschwingungsstabilitätskriterium). Beide dieser Arbeitspunkte erzeugen eine starke Spannungserhöhung 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 Spannungsüberhöhung, sondern weist eine Verstärkung nahe 0 dB auf. Die Berücksichtigung der Phase der Lastimpedanz bei der Wahl der Mitkopplung bringt hier ein wesentlich besseres Verhalten des Generators bei kapazitiven Lasten.When using a power connection, there are two stable operating points through the lines 21 and 23 are shown. The phase zero crossing at line 22 is not stable (limit vibration stability criterion). Both of these operating points produce a strong increase in voltage, as can be seen from the amplitude response. If, in contrast, the voltage feedback is selected despite the small amount of load impedance, then only a stable operating point at line 24 generated. This has no voltage overshoot, but has a gain close to 0 dB. The consideration of the phase of the load impedance in the choice of positive feedback brings here a much better behavior of the generator with capacitive loads.

11: MOSFET HalbbrückeMOSFET half bridge
22: L-C Netzwerk und SensorenL-C Network and sensors
33: Komparatoren, Rückkopplungs-Umschaltung, Nulldurchgangsbestimmungcomparators, Feedback switching, zero crossing determination
44: Digitaler Kontrollerdigital controller
55: Gleichstrom bzw. Spannungdirect current or tension
66: Hochfrequenz-AusgangRF output
77: Spannung am Parallelschwingkreistension at the parallel resonant circuit
88th: Strom im Serieschwingkreiselectricity in the serieswing circle
99: GeneratorausgangsstromGenerator output current
1010: Grenzwerteinstellunglimit setting
1111: sign (UCT – Rk·ILS)sign (UCT - Rk · ILS)
1212: Mitkopplungssignalfeedforward
1313: Überstrom in der Serieresonanzovercurrent in the Serieresonanz
1414: PhasensynchronisationssignalPhase synchronization signal
1515: Start/Stop ModulationStart / Stop modulation
1616: Signalleitung zur Begrenzung des Gleichstromssignal line for limiting the direct current
1717: Leitung für das Ansteuersignal von Positivem Leistungsschalter und Negativem Leistungsschaltermanagement for the Drive signal from positive circuit breaker and negative circuit breaker
1818: StrommitkopplungStrommitkopplung
1919: SpannugsmitkopplungSpannugsmitkopplung
2020: Linie gleicher Frequenzline same frequency
2121: Linie gleicher Frequenzline same frequency
2222: Linie gleicher Frequenzline same frequency
2323: Linie gleicher Frequenzline same frequency

Claims

High-frequency power generator comprising - a switched-mode power amplifier ( 1 ), - an output filter connected downstream of the power amplifier ( 2 ) having at least one series resonant circuit and at least one parallel resonant circuit, - a digital controller ( 4 ) for controlling the power amplifier, and - an oscillator characterized in that - the oscillator is a phase-synchronizable oscil lator is, - the synchronization by feedback signals from the output filter ( 2 ), whereby the drive voltage of the power amplifier is within a precisely defined frequency window, within which no synchronization signal is accepted within a half period of the output signal of the phase-locked oscillator during a time period (Tfix), and a subsequent time period ( Tvar) is terminated by the occurrence of a synchronization signal or a timeout.

High-frequency power generator according to Claim 1, characterized in that the drive voltage of the power amplifier ( 1 ) even after the oscillation by the digital controller ( 4 ) is produced.

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

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

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

High frequency power generator after one or more the claims 1 to 5, characterized in that the oscillator is a quartz oscillator.

High frequency power generator after one or more the claims 1 to 6, characterized in that the resonant circuits approximately on the Medium operating frequency are tuned.

High frequency power generator after one or several of the claims 1 to 7, characterized in that a current feedback Application takes place when the amount of load impedance of the output circuit a pre-set value dependent on the phase of the load impedance below.

High frequency power generator according to claim 8, characterized in that the Feedback signal from the output circuit via a converter element and at least one pulse shaping stage from the current is removed, which flows through a Serieresonanzkreis.

High frequency power generator after one or several of the claims 1 to 7, characterized in that a voltage feedback application takes place when the amount of the load impedance of the output circuit has a exceeds the pre-set value dependent on the phase of the load impedance.

High-frequency power generator according to claim 10 characterized in that the Feedback signal from the voltage of the output circuit via a converter element and at least a pulse shaper is taken, which is connected to a parallel resonant circuit is applied.

High frequency power generator after one or several of the claims 8 to 11, characterized in that a switch is provided, that too during the operation switching between current and voltage feedback performs.

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

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

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