34
3/17/09 R L Cassel

ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Pulse forming devices for high duty factor operationRichard E. Cassel (SLAC National Accelerator Lab)

Citation preview

Page 1: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

3/17/09 R L Cassel

������������� ��������������� ������������������������������

������������� �������������

������������ ����������������������� ���������������������������������������������������������������������������������������

Page 2: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

3/17/09 R L Cassel

����������������������� ��� ������������������������ ��� �!�� ��� �"��� ����� !�� ��� �"��� �����

�� ���������"���� �����#���"����� �$� ����"�������������"���� �����#���"����� �$� ����"����

�� ������%���"�� ������&�'�'�(��� )��� �*������%���"�� ������&�'�'�(��� )��� �*

�� +���#��#��� ������ ���#������+���#��#��� ������ ���#������

�� ���������"��������"�� ����� �������� ������������"��������"�� ����� �������� ���

�� ����#���""�����������#���""�������

Page 3: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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

Page 4: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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 ��������%����� +�����������������$�������

Page 5: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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�� ����������� �����) �

Page 6: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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=

�� @��������� ��& ���� � ���������������� �@��������� ��& ���� � ���������������� ��� ����� ���*�� ����� ���*

Page 7: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

3/17/09 R L Cassel

>�� �:����� ������>�� �:����� ������

� ����������� +����������$�+� �������������� ������

� ������ 1������ ������������������������

��� 1�������

" #��������� ������ �������������������)����������� ��

& �����������' ������ +������������������)��������)������

* �� ��)� ��� ,���������,-:+���)����� ���������������� �������� ����) ����)��1����,-�

. ,��������)� ��� ;�����������������������+ ����������'����������� �������8

/ ������ ����������� -��������������� ������� �����+ ����������

0 ��������%����� �����9�����������$�������

Page 8: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

3/17/09 R L Cassel

����� ��%���������;�� ������7:6

�� 6A�:������ ��%�����6A�:������ ��%�����

�� �-��;�4��=��%�����-��;�4��=��%����

�� 7�/�� �"�� �:�����#�� �7�/�� �"�� �:�����#�� �

Page 9: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

3/17/09 R L Cassel

����� ��%���������;�� �����

� ����������� +��������� $�+� �������)��'����� ������� :�����������

� ������������������'��� ������

� ������ 1������ ������1�����������������

��� ���� ��)����������

" #��������� 1��� �������������$��� ������$������������%�������

& �����������' ������ +�������������' ���������������������) �������

* �� ��)� ���� <����,--+��3������ �������� ����) ����������������� �������,--�

. ,��������)� ��� ;��!� �������� �����������������

/ ������ ����������� �=,���������������������������� �������������

0 ��������%����� ��� �����������������������

Page 10: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

3/17/09 R L Cassel

9�����B�#���� ��:��� "�����9�����B�#���� ��:��� "������ ������ �����

�� �+C�������� ��%��� ��������'<�;��+C�������� ��%��� ��������'<�;�%����"�������� ��'��-�9������54�(%����"�������� ��'��-�9������54�(

�� ��� ������������ ��%��������;���<1����� ������������ ��%��������;���<1��=�� '=�� '

�� ��� ������ "�������)�������;)���;���� ������ "�������)�������;)���;�������� ��� '�������� ��� '�

�� �������+��������'<�;�<4>D�������+��������'<�;�<4>D

Page 11: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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

Page 12: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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

Page 13: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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��������#������/���#���%����� ������ ����

�� ����%�� �������� ���""������������������������������%�� �������� ���""��������������������������� ����� � �#���� ����� ����%�� ����� � �#���� ����� ����%�

Page 14: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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

Page 15: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

3/17/09 R L Cassel

������ ��%������#�������� ������ ��%������#��������

�� 1��;�1�=���� �����>D�1��;�1�=���� �����>D�

�� :�� �:�� �..+�9��+�9��

Page 16: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

3/17/09 R L Cassel

������ ��%������#�������� ������ ��%������#��������

� ����������� +����������$�+� �������������� �������$����������

� ������ ����� ������������)������������������

��� 1�������

" #��������� 1����� ��������$��� �$��%�������� �����

& �����������' ������ +������������������������� �����)���������

* �� ��)� ���� 1����,--+������ ����) �������������,--�

. ,��������)� ��� ;�����������������������

/ ������ �����������������������)����������������������� � ������� ������ ����������

0 ��������%����� ����������������������������%�����

Page 17: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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���;

Page 18: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

3/17/09 R L Cassel

�F��� �����

SubstationSubstation

SCR converterSCR converter

Modulator Modulator ControlsControls

Switch PlateSwitch Plate

Page 19: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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�� �����%���"���/����������

Page 20: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

3/17/09 R L Cassel

�F��>�F��>..��� #��� �������� #��� �����

� �����������+����������$�+� �������������� ������>�?����������������@�

� ������ ����� ������1������������������?�8� �����@

��� 1������������ ���������������������) ��

" #��������� 1���������������$��� ����������� ����%�������� �����

& �����������' ������ +������������

* �� ��)� ��� ����������������������,--+��������� �������� ���������������,--������� ����'

. ,��������)� ��� #8� ��������� �����$�!� ���'������������� ��������������

/ ������ ����������� �������� ���� �������� ������������ ����������

0 ��������%����� ���������� �����

Page 21: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

3/17/09 R L Cassel

@�����>�#��"��������� %�������$�:��� "����� �����

�� @����� � �#� �� ��#���#��"���������>@����� � �#� �� ��#���#��"���������>..��� #����� #�� %������ � ����������� ������� �������� %������ � ����������� ������� ��������������������������

��>�#��"�������������%�������%������#��/���#��>�#��"�������������%�������%������#��/���#��� ���� ���#��"������������� "����� ���� ���#��"������������� "����

�� ������ ����� "�������������������� "���� ������ ����� "�������������������� "����

��,���>D�����,���>D�����..� �� ������"��%� ������>D�>� �� ������"��%� ������>D�>..��� #���� ����� "������� #���� ����� "����

�� ������ ����� "�������������������� "���� ������ ����� "�������������������� "����

�� ��� ������������������#���,�4��)������� ������������������#���,�4��)����

Page 22: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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

Page 23: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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

Page 24: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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

Page 25: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

3/17/09 R L Cassel

��� ����������0�:��#���� ����������0�:��#�

� ����������� ���������) �������������$�+� ��$�� ������

� ������ ����� ���������������� ����������������

��� ������������ ���������������

" #��������� 1���������������$��� �������$� ��� �����%�������

&�����������' ������� +������������������������� �����)���������

* �� ��)� ����A�'�������� ������������,--+������������� ����) �������� ���,--�

. ,��������)� ��� ;������������������������������������ �������

/ ������ ����������� �=,����������������������������

0 ��������%����� ��� �� ���������$��������$�������

Page 26: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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

Page 27: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

3/17/09 R L Cassel

Darlington Line ModulatorDarlington Line Modulator

� ����������� � ��������$�+� ����B����) ��� ������

� ������ 1������ �����������������������?��������� ������@

��� ����������������������

" #��������� ����� ��������$��� �������$�;�������������

& �����������' ������ �� �������������) ������������ ������������������� ��

* �� ��)� ��� A�'�������� ��)������������,--+

. ,��������)� ��� ���� ��)������ ��)�������

/ ������ ����������� <����������������������������������������������� ���

0 ��������%����� �������������������� ���������� ����������

Page 28: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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

Page 29: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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

Page 30: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

3/17/09 R L Cassel

B����;���#��;������� �+����B����;���#��;������� �+����

� :��� "������������ � ��������� � ������/������������� �����"�"����.�3�"�"������ � ���������� ����������������%����� ���������#���������������43�"�"������ �/��������'��� ��� �����#�����������������'43'�;���#��/�������������������'

� :���������/���%���� �� �������������� �/���/���#��/�������������������� ������������/������ �����"�� ������ "�����&���/�� �D� *�� ����%����-���<�3��� �����#������������/���%���/��������"��������������3�"������ �/��������'��� ��� �����#������'

� &@/�������%���;�������� ����#�������#���� ������� ��������3�"������������ *

Page 31: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

3/17/09 R L Cassel

�%���B��� �������� ����%���B��� �������� ���%�/�"��� � ������%�/�"��� � ������

� >�������%�/�"��� � ������ ���/� �"��������"���#�����=+�����'

� C����"�� �"�������� ����/���� �����"���������� ����������%���� �5� �������� ��������%��������%�/�"��'

� >������ ����������� � �������� ��������� ��#�����#����� ���������"�����������"���

� =����#�������� �/� ��������#�� ���� ����<���� �������"���������������� � ���� ��� ���/������������"��-���� �������"������

� :�� ��������������� �� ������� �� ��"���#����� ���� %������ "���� ����#���

� >�������"�������������� ����������� � ���=+�����'� &@/��������� ��������� ��� ���������� ���-���� ��C����"������*

Page 32: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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

Page 33: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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.

Page 34: ESS-Bilbao Initiative Workshop. Pulse forming devices for high duty factor operation

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