Hvdirect – Hochspannungsversorgung für Elektronenstrahlprozesse

Das Fraunhofer FEP hat eine kompakte, modulare und kostengünstige Hochspannungsversorgung für Elektronenstrahlprozesse entwickelt. Der Prototyp erreicht eine 15-fache Leistungsdichte im Vergleich zu konventionellen Geräten und lässt sich bis 600 kV skalieren.

 

Elektronenstrahl-Module für innovative Anwendungen und aktuelle technologische Entwicklungsvorhaben des Fraunhofer FEP erfordern eine leistungsstarke, kompakte, flexibel konfigurierbare und kostengünstige Hochspannungstechnik. Kommerziell verfügbare Hochspannungsversorgungen (HSV) erfüllen diese Anforderungen zurzeit nur eingeschränkt.

Zielstellung des Projektes »HVdirect« war eine modulare HSV zu entwickeln, die für Höchstspannungsanwendungen bis 600 kV konzipiert und in eine Elektronenquelle integrierbar ist. Neben maximaler Kompaktheit ist eine minimale Energiespeicherung im Ausgangskreis der HSV und in den Verbindungselementen zur Elektronenquelle erforderlich, um von Hochspannungsüberschlägen (Arcs) verursachte Beschädigungen und unerwünschte Prozessunterbrechungen zu reduzieren. Dafür wurden zunächst bekannte HSV-Konzepte auf Tauglichkeit und Optimierungspotenzial geprüft. Als zielführend erwies sich das Konzept des Insulated-Core-Transformers.

Unter Einsatz moderner Simulationswerkzeuge wie FEM gelang die Integration aller Hochspannungskomponenten (Sekundärwicklung des Transformators, Magnetflusskompensation, Gleichrichtung sowie frequenzgenaue Spannungsmessung) direkt auf PCB-Platinen, die je 100 mA @ 10 kV liefern. Die Platinen können als Bausteine, je nach Spannungsbedarf der Anwendung, seriell gestapelt werden. Es wurde ein kompakter, modularer Demonstrator mit 120 kV × 100 mA aufgebaut und mit einem Resonanzwandler ergänzt.

Getestet wurde mithilfe eines ebenfalls realisierten Wasserwiderstands, welcher sich dabei als kostengünstiges, sicheres und für hochdynamische Messungen geeignetes Tool erwiesen hat. Die Robustheit wurde durch optische Signalübertragung, eine präzise und schnelle Leistungsregelung mittels SiC-Halbleiterschaltern und einer FPGA-Steuerung erzielt. Die so realisierte HSV erreicht eine 15-fache Leistungsdichte im Vergleich zu konventionellen Geräten.

Nach weiteren Praxistests ist die HSV im Niederenergiebereich als eigenständige Systemkomponente einsatzbereit. Das Entwicklungsergebnis wird mit den FEP-Technologien im Rahmen der »Integrated Packages« des Fraunhofer FEP vermarktet.