Upload
ess-bilbao
View
373
Download
7
Tags:
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Pulse forming devices for high duty factor operationRichard E. Cassel (SLAC National Accelerator Lab)
Citation preview
3/17/09 R L Cassel
������������� ��������������� ������������������������������
������������� �������������
������������ ����������������������� ���������������������������������������������������������������������������������������
3/17/09 R L Cassel
����������������������� ��� ������������������������ ��� �!�� ��� �"��� ����� !�� ��� �"��� �����
�� ���������"���� �����#���"����� �$� ����"�������������"���� �����#���"����� �$� ����"����
�� ������%���"�� ������&�'�'�(��� )��� �*������%���"�� ������&�'�'�(��� )��� �*
�� +���#��#��� ������ ���#������+���#��#��� ������ ���#������
�� ���������"��������"�� ����� �������� ������������"��������"�� ����� �������� ���
�� ����#���""�����������#���""�������
3/17/09 R L Cassel
���� �����#���������"������ �����#���������"��� ������ �����
�� ,�-��"���,�-��"���..������ ���/� � ���������� ���/� � ����+������������#�� ���#�'+������������#�� ���#�'
�� ����#���0���������� �,�-����#���0���������� �,�-..�1����2��� �1����2���
�� �3� ���������� �4������ ��0������ ��3� ���������� �4������ ��0������ �����#����,����(����'-�(�&�0�� �/������#����,����(����'-�(�&�0�� �/��������"�����#�*������"�����#�*
�� 43� ���,��5�(����4��(�����#�43� ���,��5�(����4��(�����#�
��6 �7�������� �������� � 86 �7�������� �������� � 8
3/17/09 R L Cassel
�/��������+��������9��� ������/��������+��������9��� �����
cost Overall cost
performance rise time, flat top
Safety voltage, stored energy
space required access & area
efficiency rise & fall time
reliability failure rates
protection klystron Joules
maintainability easy access
power line effects smoothing pulsing
cost Overall cost
performancerise time, flat
top
Safetyvoltage, stored
energy
space required access & area
efficiency rise & fall time
reliability failure rates
protection klystron Joules
maintainability easy access
power line effects
smoothing pulsing
� ����������� ������� �������� ������
� ������ �� �������������������
��� !���� �����
" #��������� ������� �$��%�������������
& ��������������' ������ (�� ��������)��������������
* �� ��)� ���� +�� �����������,--+��,--�
. ,��������)� ��� #���������������������
/ ������ ����������� ���������������������� ����
0 ��������%����� +�����������������$�������
3/17/09 R L Cassel
:��� �"�� ����� �+/��� :��� �"�� ����� �+/���
cost Overall cost
performancerise time, flat
top
Safetyvoltage, stored
energy
space required access & area
efficiency rise & fall time
reliability failure rates
protection klystron Joules
maintainability easy access
power line effects
smoothing pulsing
� 1������)��,��� ���� -+-��
� ����������������2'��3����� � 3��������������� �
������ ������ ���-����������� +��������� �
" ����'����������������� ��� -������������ �
& 1�������%������14)������5�2'�6 �7������ �
* �� ���������,��8 �9��������
. �+743�� ����������� �����) �
3/17/09 R L Cassel
Hard Tube Modulator TFTR Hard Tube Modulator TFTR Neutral beamNeutral beam
�� ����;�<4�=���'4� ��'�����;�<4�=���'4� ��'�
�� 7����"������'�55�4���%��/���#�7����"������'�55�4���%��/���#�
�� >�� �:��������;�?���4=�4����>�� �:��������;�?���4=�4����
�� 5��;���� ���������������4=5��;���� ���������������4=
�� @��������� ��& ���� � ���������������� �@��������� ��& ���� � ���������������� ��� ����� ���*�� ����� ���*
3/17/09 R L Cassel
>�� �:����� ������>�� �:����� ������
� ����������� +����������$�+� �������������� ������
� ������ 1������ ������������������������
��� 1�������
" #��������� ������ �������������������)����������� ��
& �����������' ������ +������������������)��������)������
* �� ��)� ��� ,���������,-:+���)����� ���������������� �������� ����) ����)��1����,-�
. ,��������)� ��� ;�����������������������+ ����������'����������� �������8
/ ������ ����������� -��������������� ������� �����+ ����������
0 ��������%����� �����9�����������$�������
3/17/09 R L Cassel
����� ��%���������;�� ������7:6
�� 6A�:������ ��%�����6A�:������ ��%�����
�� �-��;�4��=��%�����-��;�4��=��%����
�� 7�/�� �"�� �:�����#�� �7�/�� �"�� �:�����#�� �
3/17/09 R L Cassel
����� ��%���������;�� �����
� ����������� +��������� $�+� �������)��'����� ������� :�����������
� ������������������'��� ������
� ������ 1������ ������1�����������������
��� ���� ��)����������
" #��������� 1��� �������������$��� ������$������������%�������
& �����������' ������ +�������������' ���������������������) �������
* �� ��)� ���� <����,--+��3������ �������� ����) ����������������� �������,--�
. ,��������)� ��� ;��!� �������� �����������������
/ ������ ����������� �=,���������������������������� �������������
0 ��������%����� ��� �����������������������
3/17/09 R L Cassel
9�����B�#���� ��:��� "�����9�����B�#���� ��:��� "������ ������ �����
�� �+C�������� ��%��� ��������'<�;��+C�������� ��%��� ��������'<�;�%����"�������� ��'��-�9������54�(%����"�������� ��'��-�9������54�(
�� ��� ������������ ��%��������;���<1����� ������������ ��%��������;���<1��=�� '=�� '
�� ��� ������ "�������)�������;)���;���� ������ "�������)�������;)���;�������� ��� '�������� ��� '�
�� �������+��������'<�;�<4>D�������+��������'<�;�<4>D
3/17/09 R L Cassel
Bouncer droop correctionBouncer droop correction
�� � ����� ��� ��#��������>;���� � ����������;�� ����� ��� ��#��������>;���� � ����������;��� ��-�=���'4�� ���� �����#����� �4'''4�>D��� ��-�=���'4�� ���� �����#����� �4'''4�>D���������������'��������������'
�� :������"�������� ��"������%�������3�:������"�������� ��"������%�������3�
�� :���������������� ������%������ � ��������������:���������������� ������%������ � �������������� ��#����%� ��� ���"��:��B=��� �����E9�B ��#����%� ��� ���"��:��B=��� �����E9�B
3/17/09 R L Cassel
Industral Long pulse ModulatorIndustral Long pulse Modulator• Industry made subunits (PPT, ABB, FUG)• Constant power, power supply for suppression of 5Hz repetition rate disturbances in the mains• Compact storage capacitor bank withself healing capacitors• IGCT Stack (ABB); 7 IGCTs in series,are redundant
3/17/09 R L Cassel
FERMI Modulator StatusFERMI Modulator Status
�� ���� ����� ���/��������������5����9F=B��� ���������� ����� ���/��������������5����9F=B��� �������� � ����� � ���
�� 1�� ����� ���������������1�� ����� ���������������
�� ������� ����������0����������0� � ������� ����������0����������0� �
�� �����/�� � �"��� ������������� ������/�������������/�� � �"��� ������������� ������/��������
�� :� ��������'����� ������4�>D��������#������/���#���%���:� ��������'����� ������4�>D��������#������/���#���%����� ������ ����
�� ����%�� �������� ���""������������������������������%�� �������� ���""��������������������������� ����� � �#���� ����� ����%�� ����� � �#���� ����� ����%�
3/17/09 R L Cassel
��� ��:��� "�������� ��:��� "�����
B�#���� �B�#���� �
� Performance Slow rise & Fall, flat top flatness bouncer
� Safety High Stored energy, Large amount of oil
Cost High Cost due to pulse transformer
" Efficiency Slow rise & fall times & High currents
& Protection klystronSingle switch turning off & crowbar switch, Inverse voltage devices
* Reliability Little redundancy but High MTTF
. Maintainability Air insulation easy maintenance, except Transformer
/ Power line effects SCR Control could cause large power fluctuations
0 Space required Transformer is Large
3/17/09 R L Cassel
������ ��%������#�������� ������ ��%������#��������
�� 1��;�1�=���� �����>D�1��;�1�=���� �����>D�
�� :�� �:�� �..+�9��+�9��
3/17/09 R L Cassel
������ ��%������#�������� ������ ��%������#��������
� ����������� +����������$�+� �������������� �������$����������
� ������ ����� ������������)������������������
��� 1�������
" #��������� 1����� ��������$��� �$��%�������� �����
& �����������' ������ +������������������������� �����)���������
* �� ��)� ���� 1����,--+������ ����) �������������,--�
. ,��������)� ��� ;�����������������������
/ ������ �����������������������)����������������������� � ������� ������ ����������
0 ��������%����� ����������������������������%�����
3/17/09 R L Cassel
�F��>�F��>..��� #��� �������� #��� �����
�� ��4�;�5-=��'4����<�>D���4�;�5-=��'4����<�>D�-�����-�����
�� ������%���������%���GG ��������
�� 1�H��� ��-���;��������1�H��� ��-���;��������
�� ��H��� �1���;��H��� �1���;
3/17/09 R L Cassel
�F��� �����
SubstationSubstation
SCR converterSCR converter
Modulator Modulator ControlsControls
Switch PlateSwitch Plate
3/17/09 R L Cassel
SNS Modulator StatusSNS Modulator Status
�� �-�� ����� �6��������������F��-�� ����� �6��������������F�
�� ������ �?�5��>D�I<�������54�������::9������ �?�5��>D�I<�������54�������::9
�� ���1�?�<��>D�,<�������<<J�������������<�����1�?�<��>D�,<�������<<J�������������<��"������ ������������::9"������ ������������::9
�� 9������������"�<��>D�������� ��2� �� ������#9������������"�<��>D�������� ��2� �� ������#
�� � ������� � ��������������������#�� ������� � ��������������������#�
�� F�� �����%���"���/����������F�� �����%���"���/����������
3/17/09 R L Cassel
�F��>�F��>..��� #��� �������� #��� �����
� �����������+����������$�+� �������������� ������>�?����������������@�
� ������ ����� ������1������������������?�8� �����@
��� 1������������ ���������������������) ��
" #��������� 1���������������$��� ����������� ����%�������� �����
& �����������' ������ +������������
* �� ��)� ��� ����������������������,--+��������� �������� ���������������,--������� ����'
. ,��������)� ��� #8� ��������� �����$�!� ���'������������� ��������������
/ ������ ����������� �������� ���� �������� ������������ ����������
0 ��������%����� ���������� �����
3/17/09 R L Cassel
@�����>�#��"��������� %�������$�:��� "����� �����
�� @����� � �#� �� ��#���#��"���������>@����� � �#� �� ��#���#��"���������>..��� #����� #�� %������ � ����������� ������� �������� %������ � ����������� ������� ��������������������������
��>�#��"�������������%�������%������#��/���#��>�#��"�������������%�������%������#��/���#��� ���� ���#��"������������� "����� ���� ���#��"������������� "����
�� ������ ����� "�������������������� "���� ������ ����� "�������������������� "����
��,���>D�����,���>D�����..� �� ������"��%� ������>D�>� �� ������"��%� ������>D�>..��� #���� ����� "������� #���� ����� "����
�� ������ ����� "�������������������� "���� ������ ����� "�������������������� "����
�� ��� ������������������#���,�4��)������� ������������������#���,�4��)����
3/17/09 R L Cassel
D30
Charging Diode 18kV
C3050ufd 12kVS31
5x4.5kV IGBT
Gate
Com
VCCTrigger
Com
TrSWITCH DRIVE
S305x2.5kv IGBT
D33
Auxilary Diode 18kV
Gate
Com
VCCTrigger
Com
Tm
SWITCH DRIVE
S0n
5x4.5kV IGBT
S1n
5x4.5kV IGBT
Dn1
Auxilary diode 18kV
Dn0
Charging Diode 18kV
Gate
Com
VCCTrigger
Com
Tr
SWITCH DRIVE
Gate
Com
VCCTrigger
Com
Tm
SWITCH DRIVE
Load
900 Ohms
GR
N
AC
- V +
V
12kV
Charging Power
GR
N
AC
- V+
V
300V
Auxilary Power
++
++
++
C0n50uF, 12kV
-+
+vIN
Out-v
U31
DC-DC
-+
+vIN
Out-v
Un1
DC-DC
SLAC ILC Marx Modulator
D13
Diode 18kV
Dn2
Diode 18kV
S30
SPST
Sn1SPST
Sn2SPST
S32SPST
R1
Dump
Sn1
Discharge
R1
Dump
S31
Discharge
Ln035uHy
Dn2
18kVDn1
Bypass diode 18kV
D31
Bypass diode 18kV
L3035uHy
D32
18kV
D20
Charging Diode 18kV
C0350ufd 12kVS21
5x4.5kV IGBT
Gate
Com
VCCTrigger
Com
TrSWITCH DRIVE
S205x2.5kv IGBT
D23Auxilary Diode 18kV
Gate
Com
VCCTrigger
Com
Tm
SWITCH DRIVE-+
+vIN
Out-v
U21
350-24VD21
Diode 18kVS20
SPST
S23 SPST
R1
Dump
S21
Discharge
D22
Bypass diode 18kV
L135uHy
D23
18kV
D10
Charging Diode 18kV
C0350ufd 12kVS20
5x4.5kV IGBT
Gate
Com
VCCTrigger
ComTr SWITCH DRIVE
S105x2.5kv IGBT
D13Auxilary Diode 18kV
Gate
Com
VCCTrigger
Com
Tm
SWITCH DRIVE -+
+vIN
Out-v
U01
350-24VD11
Diode 18kV
S10
SPST
S12SPST
R1
Dump
S11
Discharge
D12
Bypass diode 18kV
L135uHy
D13
18kV
SLAC Solid Sate Marx SLAC Solid Sate Marx ModulatorModulator
• 16 stages • 120kV, 140A 1mS• 150kW Average at present• air insulation • Flat Top flatness correction is under development
CapacitorsCharge parallelDischarge series
3/17/09 R L Cassel
Stangenes Inc. Marx ModulatorStangenes Inc. Marx Modulator
30 stages 90kV 50A 100uS, 150kWair insulation for Radar
Adding or Removing StageFor ease of repair
3/17/09 R L Cassel
Marx Modulator StatusMarx Modulator Status
�� ���������� ����� ������B=+����"�����%������������ ����� ������B=+����"�����%��
�� ���� �A������������7� �#������B=+���� �A������������7� �#������B=+
�� 7:6��� ��������� ��������� ��"���� ���#�%�����������7:6��� ��������� ��������� ��"���� ���#�%����������� ����������� �����������
�� >�#�� ����"���������������� �""����� ���������#���#����>�#�� ����"���������������� �""����� ���������#���#�������������������� ���#������#���#�������� '���������������� ���#������#���#�������� '
�� C������������� �=/�������������/���������� �������� C������������� �=/�������������/���������� ��������
DTI 120KV, 140A oil Marx SLAC 120KV, 140A air Marx
3/17/09 R L Cassel
��� ����������0�:��#���� ����������0�:��#�
� ����������� ���������) �������������$�+� ��$�� ������
� ������ ����� ���������������� ����������������
��� ������������ ���������������
" #��������� 1���������������$��� �������$� ��� �����%�������
&�����������' ������� +������������������������� �����)���������
* �� ��)� ����A�'�������� ������������,--+������������� ����) �������� ���,--�
. ,��������)� ��� ;������������������������������������ �������
/ ������ ����������� �=,����������������������������
0 ��������%����� ��� �� ���������$��������$�������
3/17/09 R L Cassel
Other Possible ModulatorOther Possible ModulatorDarlington LineDarlington Line
Darlington Line
-140.0
-120.0
-100.0
-80.0
-60.0
-40.0
-20.0
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Time uSecK
ilovo
lts
Output Voltage Line 1 Line 2 Line 3
C1
L1
C2
L2
C3
L3
C4
L4
C5
L5
C6
L6
SCR1
SCRn
C13
L13
C14
L14
C15
L15
C16
L16
C17
L17
C18
L18
D1
Z=500 ohms Z=500 ohms
Z=1000 ohms
120kV
120,000V 120A
-60kV
-120kV
C1
L1
C2
L2
C3
L3
C4
L4
C5
L5
C6
L6
C7
L7
C8
L8
C9
L9
C10
L10
C11
L11
C12
L12
SCR1
SCRn
C13
L13
C14
L14
C15
L15
C16
L16
C17
L17
C18
L18
D1
Z=222 ohms Z=667 ohm Z=333 ohms
Z=1000 ohms
80kV
120,000V 120A
-40kV -80kV
-120kV
SCR1
SCRn
C13
L13
C14
L14
C15
L15
C16
L16
C17
L17
C18
L18
D1
Z=1000 ohms
Z=1000 ohms
240kV
120,000V 120A
-120kV
•Small Stored energy •Long pulse Line modulator have not been made•Possible with SCR driver 3 stage Darlington line simulation
Light triggered SCR Switch
High Voltage difficult
Delayed pulseLarge Inductors
3/17/09 R L Cassel
Darlington Line ModulatorDarlington Line Modulator
� ����������� � ��������$�+� ����B����) ��� ������
� ������ 1������ �����������������������?��������� ������@
��� ����������������������
" #��������� ����� ��������$��� �������$�;�������������
& �����������' ������ �� �������������) ������������ ������������������� ��
* �� ��)� ��� A�'�������� ��)������������,--+
. ,��������)� ��� ���� ��)������ ��)�������
/ ������ ����������� <����������������������������������������������� ���
0 ��������%����� �������������������� ���������� ����������
3/17/09 R L Cassel
Controlled Anode Klystron Controlled Anode Klystron ModulatorModulator
� Controlled Anode Klystron� High fault current if anode dose not clear� High voltage DC
C3
L3
C4
L4
C5
L5
C6
L6
C7
L7
C8
L8
Z=100 ohms Z=1000 ohms-132kV120,000V 120AGrid
Control
Controlled Anode
132kV 120kV 2mS108 kV
120A
Voltage
Time
C2
L2
C1
L1
100kV 2MW 12 phase rectifier 12.5kv 3 phase input
3/17/09 R L Cassel
;���#��;������� ���/������;���#��;������� ���/�������%����� ����%����� ���
� 5�3���0�����"�/���#��/������������������������� ���0�����/���#��/�����������%� ����4.���>D�I��'43
� =������;�������� ���� ����������������/���%����� � ��������� ����'
� &C������ �C�����/���%���/���������� �����������D� *
FromGerman standard VDE 0838 Power Supplies for TESLA Modulators Hans-Jörg Eckoldt, Niels Heidbrook DESY TESLA 2000-36
3/17/09 R L Cassel
B����;���#��;������� �+����B����;���#��;������� �+����
� :��� "������������ � ��������� � ������/������������� �����"�"����.�3�"�"������ � ���������� ����������������%����� ���������#���������������43�"�"������ �/��������'��� ��� �����#�����������������'43'�;���#��/�������������������'
� :���������/���%���� �� �������������� �/���/���#��/�������������������� ������������/������ �����"�� ������ "�����&���/�� �D� *�� ����%����-���<�3��� �����#������������/���%���/��������"��������������3�"������ �/��������'��� ��� �����#������'
� &@/�������%���;�������� ����#�������#���� ������� ��������3�"������������ *
3/17/09 R L Cassel
�%���B��� �������� ����%���B��� �������� ���%�/�"��� � ������%�/�"��� � ������
� >�������%�/�"��� � ������ ���/� �"��������"���#�����=+�����'
� C����"�� �"�������� ����/���� �����"���������� ����������%���� �5� �������� ��������%��������%�/�"��'
� >������ ����������� � �������� ��������� ��#�����#����� ���������"�����������"���
� =����#�������� �/� ��������#�� ���� ����<���� �������"���������������� � ���� ��� ���/������������"��-���� �������"������
� :�� ��������������� �� ������� �� ��"���#����� ���� %������ "���� ����#���
� >�������"�������������� ����������� � ���=+�����'� &@/��������� ��������� ��� ���������� ���-���� ��C����"������*
3/17/09 R L Cassel
Stangenes Ind. Charging SuppliesStangenes Ind. Charging Supplies
Resonant type capacitor charging supplies 3.3kV maximum Voltage at 140kW total3 out of 4 supply redundancy 15 amps average 30 amps peak
Liquid and air cooledcharging supply
3/17/09 R L Cassel
�%���������� ���������%���������� ���������� � �������� � ������
1) Standard SCR controlled power supply may not be good enough for power line consideration
2) Rectifier should have large enough inductive filter to reduce power fluctuations due to capacitor voltage droop due to pulsing and reduce current harmonic
3) Switching supply should have inductors filter to eliminate third harmonic4) Switching supply should be regulated to near constant power output.5) Hybrid power supply consisting of a High power SCR rectifier in series
with a fast switching supply to compensate for the voltage change on the capacitor should be considered.
3/17/09 R L Cassel
+���� �� �J�� ����� ������+���� �� �J�� ����� ������
1) Alternative modulator designs should be considered2) Number of klystron per modulator should be evaluated3) Reliability and maintainability are very important in the
modulator.4) Protection of the klystron against single point failures is
important.5) Cost & Space requirements should be evaluated when
selecting Modulator.6) Efficiency and power line effect are important in the
modulator design.7) Safety should be an important consideration including
the way the energy is stored and use of high voltage