ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК H03K3/57 

Изобретение относится к сильноточной полупроводниковой технике и может быть использовано в источниках питания мощных лазеров и ускорителей, а так же в преобразовательной технике в качестве переключающего устройства.

Известно [1] переключающее устройство, содержащее коммутирующую цепь из последовательно соединенных дросселя насыщения, диода и реверсивно включаемого динистора (РВД), цепь управления, подключенную параллельно РВД и состоящую из последовательно соединенных тиристора, катушки индуктивности и коммутирующего конденсатора, а так же источник зарядного напряжения, подключенный параллельно конденсатору и соединенный положительным полюсом с катодом РВД.

При включении тиристора к РВД прикладывается отрицательное напряжение и через него проходит короткий импульсов тока управления I_у, являющийся обратным по отношению к входному коммутируемому току. В процессе прохождения тока I_у сердечник дросселя находится в ненасыщенном состоянии, при этом индуктивность дросселя велика и величина тока, проходящего через входные клеммы устройства пренебрежительно мала. В результате ток управления РВД фактически равен току разряда коммутирующего конденсатора. Ток управления обуславливает накопление в структуре РВД значительного включающего заряда, необходимого для последующей однородной по площади коммутации мощного импульса входного тока. Величина включающего заряда зависит от конструктивных и электрофизических параметров РВД и пропорциональная скорости нарастания входного тока.

После насыщения сердечника дросселя, его индуктивность резко уменьшается. При этом к РВД прикладывается и коммутирует быстронарастающий импульс входного тока. Вследствие однородного по площади переключения коммутационные потери в РВД очень малы, а коммутационные возможности прибора фактически пропорциональны его рабочей площади.

Недостатком рассмотренного устройства является то, что в исходном состоянии к тиристору цепи управления прикладывается суммарное напряжение, складывающееся из входного напряжения устройства U_вх и напряжения заряда коммутирующего конденсатора U_у.

При этом в высоковольтном переключающем устройстве необходимо использовать блок последовательно соединенных тиристоров, что понижает надежность работы устройства, увеличивает его стоимость и весогабариты. Кроме того, изоляционная прочность источника зарядного напряжения также должна быть рассчитана на суммарное напряжение U_вх+U_у, что повышает его стоимость и весогабариты и снижает надежность работы.

За прототип принято переключающее устройство [2] в котором благодаря использованию повышающего импульсного трансформатора существенно уменьшается напряжение на элементах цепи управления.

Устройство содержит подключенную к входным клеммам коммутирующую цепь из последовательно соединенных дросселя насыщения, диода и РВД, трансформатор, к первой обмотке которого подключена цепь управления, состоящая из последовательно соединенных тиристора, катушки индуктивности и первого конденсатора, источник зарядного напряжения, подключенный параллельно первому конденсатору и соединенный положительным выводом с началом первой обмотки трансформатора, начало второй обмотки которого соединено с катодом РВД, а так же второй конденсатор, включенный между анодом РВД и концом второй обмотки трансформатора и цепь размагничивания, состоящую из последовательно соединенных источника тока и обмоток размагничивания дросселя и трансформатора.

При включении тристора происходит перезаряд первого конденсатора через первую обмотку трансформатора. Исходное напряжение заряда первого конденсатора существенно меньше величины входного напряжения устройства, а количества витков его первой обмотки. В результате при разряде первого конденсатора на второй обмотке трансформатора возникает импульс напряжения с амплитудой, превышающей величину напряжения заряда второго конденсатора. При этом к РВД прикладывается обратное напряжение и через него проходит импульс обратного тока управления I_у, являющийся током подзаряда второго конденсатора. Момент окончания тока I_у совпадает с моментом насыщения сердечника дросселя. При этом напряжение на РВД меняет знак, РВД переключается и через него проходит мощный быстронарастающий импульс входного тока. После окончания процесса коммутации через обмотки размагничивания дросселя и трансформатора проходит небольшой ток размагничивания, приводящий сердечник этих нелинейных элементов в исходное магнитное состояние.

Недостатком устройства прототипа является большая энергоемкость цепи управления, обеспечивающей накопление в структуре РВД полного включающего заряда.

Другим недостатком является отсутствие мер, исключающих возможность резких всплесков напряжения на РВД. Кроме того, при быстром перезаряде коммутирующего конденсатора (длительность тока управления не превышает 1 2 мкс) на тиристоре цепи управления возникает значительные перенапряжения в момент его обратного восстановления из-за ЭДС самоиндукции на катушке индуктивности этой цепи, что может привести к пробою тиристора. Нежелательной является также и возможность трансформации напряжения в цепь управления и в цепь размагничивания при заряде второго конденсатора устройства. При этом может произойти аварийное переключение ключевых элементов этих цепей. Рассмотренные недостатки снижает надежность работы РВД по причине возможного переключения под воздействием "эффекта du/dt" или из-за нарушения режима работы цепей управления и размагничивания, вызванного пробоем или аварийным включением ключевых элементов этих цепей.

Задачей изобретения является уменьшение энергоемкости цепи управления и повышение надежности работы переключающего устройства за счет повышения надежности РВД.

Указанная задача решается в переключающем устройстве, содержащем коммутирующую цепь из последовательно соединенных дросселя насыщения, диода и реверсивно включаемого динистора, трансформатор, цепь управления из последовательно соединенных тиристора, катушки индуктивности и первого конденсатора, подключенную параллельно первой обмотке трансформатора, цепь размагничивания, состоящую из последовательно соединенных обмотки размагничивания дросселя насыщения и источника тока; второй конденсатор, соединенный одним выводом с анодом реверсивно включаемого динистора, источник напряжения, подключенный параллельно первому конденсатору и соединенный положительным выводом с началом первой обмотки трансформатора, начало второй обмотки которого соединено с катодом реверсивно включаемого динистора. Новым является то, что в устройство дополнительно введены резистор, два дополнительных диода и обмотка размагничивания трансформаторов, при этом резистор включен между концом второй обмотки трансформатора и вторым выводом второго конденсатора, первый дополнительный диод подключен параллельно первому конденсатору и его катод соединен с положительным полюсом источника напряжения; второй дополнительный диод подключен параллельно второй обмотке трансформатора и его катод соединен с ее началом, обмотка размагничивания трансформатора соединена последовательно с обмоткой размагничивания дросселя насыщения и источником тока цепи размагничивания, причем трансформатор выполнен в виде трансформатора насыщения.

Указанная задача решается при выполнении источника тока цепи размагничивания в виде цепи из последовательно соединенных катушки индуктивности, тиристора и конденсатора, а также источника напряжения и диода, подключенных параллельно конденсатору, причем катод диода соединен с положительным полюсом источника напряжения.

Суть изобретения поясняется чертежом, на котором представлена электрическая схема переключающего устройства.

Приняты следующие обозначения:
1 дроссель насыщения, 2 диод коммутирующей цепи, 3 реверсивно включаемый динистор (РВД), 4 обмотка размагничивания дросселя, 5 обмотка размагничивания трансформатора насыщения, 6 источник тока цепи размагничивания, 7 второй конденсатор, 8 трансформатор насыщения, 9 - тиристор, 10 катушка индуктивности, 11 первый конденсатор, 12 источник напряжения, 13 резистор, 14 первый дополнительный диод, 15 второй дополнительный диод, 16 катушка индуктивности цепи размагничивания, 17 - тиристор цепи размагничивания, 18 диод цепи размагничивания, 19 - конденсатор цепи размагничивания, 20 источник напряжения цепи размагничивания, 21 входная цепь, 22 катушка индуктивности входной цепи, 23 конденсатор входной цепи, 24 источник напряжения входной цепи.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В исходном состоянии конденсаторы 11, 19 заряжены до небольшого напряжения от источников 12, 20. Конденсатор 7 заряжен до напряжения источника 25 прикладываемого к входным клеммам устройства. При включении тиристора 17 происходит разряд конденсатора 19 через обмотки размагничивания 4, 5 и катушку 16. При этом осуществляется размагничивание сердечников дросселя 1 и трансформатора 8. Диод 18 исключает перезаряд конденсатора 19, при этом устраняется возможность перенапряжения на тиристоре 17 и достигается медленный спад тока размагничивания после достижения максимального значения, что облегчает процесс согласования момента коммутации входного тока с максимумом тока размагничивания. Катушка индуктивности 16 блокирует напряжение, возникающее на обмотках размагничивания 4, 5 в процессе коммутации входного тока.

В момент максимума тока размагничивания включается тиристор 9 и происходит разряд конденсатора 11 через первую обмотку трансформатора 8. При этом на второй обмотке трансформатора 8 возникает импульс напряжения с амплитудой, превышающей величину напряжения заряда конденсатора 7. В результате к РВД 3 прикладывается обратное напряжение и через него проходит импульс обратного тока управления I_у. Амплитуда тока в цепи тиристора 9 и конденсатора 7 ограничиваются резистором 13, а так же индуктивностью рассеяния трансформатора 8 и индуктивность катушки 10.

Момент окончания тока I_у совпадает с моментом насыщения сердечника трансформатора 3. При этом напряжение на РВД 3 меняет знак, РВД 3 переключается и через него проходит дополнительный импульс прямого тока I_доп>I_у, обусловленный разрядом конденсатора 7 через резистор 13 и вторую обмотку трансформатора 8. В процессе прохождения через РВД 3 тока I_доп в его структуре накапливается значительный заряд, необходимый для последующей коммутации мощного импульса входного тока, обусловленного разрядом конденсатора 23 входной цепи 21. Резистор 13 ограничивает амплитуду тока I_доп, индуктивность второй обмотки трансформатора 8 скорость его нарастания. Диод 14 исключает перезаряд конденсатора 11 после насыщения сердечника трансформатора 8, что устраняет возможность перенапряжений на тиристоре 9.

При прохождении через РВД 3 импульсов тока I_у и I_доп сердечник дросселя 1 остается ненасыщенным и индуктивность дросселя достаточно велика. При этом входной ток через дроссель 1 очень мал и не оказывает существенного влияния на процесс формирования токов I_у и I_доп. При насыщении сердечника дросселя 1 его индуктивность резко уменьшается и входной ток через РВД 3 резко нарастает. Так как момент резкого нарастания входного тока наступает после прохождения через РВД 3 импульса тока I_доп, обуславливающего накопление в его структуре значительного включающего заряда, то процесс коммутации осуществляется однородно по площади РВД 3 с малыми потерями энергии. При этом амплитуда и скорость нарастания входного тока могут быть чрезвычайно велики.

В процессе коммутации конденсатор 23 перезаряжается через катушку индуктивности 22 и сопротивление нагрузки 24 до небольшого обратного напряжения. Диод 2 блокирует это напряжение и создает в цепи РВД 3 паузу тока, необходимую для его выключения. После выключения РВД 3 происходит повторный заряд конденсаторов 23 и 7 от источника 25. Диод 15 устраняет трансформацию напряжения в цепь тиристоров 9, 17 при заряде конденсатора 7 и, совместно с конденсатором 7 и резистором 13, ограничивает скорость нарастания напряжения на РВД 3 при возможном возникновении на входных клеммах устройства нежелательных всплесков напряжения.

Таким образом, введение в схему устройства резистора и выполнение трансформатора в виде трансформатора насыщения позволило обеспечить двухступенчатый запуск РВД, при котором значительная часть включающего заряда поставляется в структуру РВД внешней цепью, а цепь управления формирует лишь небольшую часть этого заряда. В результате существенно снижается энергоемкость цепи управления. Введение в схему устройства двух диодов уменьшило вероятность возникновения всплесков напряжения на РВД и ключевых элементарных цепей управления и размагничивания. При этом повысилась надежность работы РВД, так как снизилась вероятность аварийного переключения и пробоя под воздействием "эффекта du/dt" или из-за нарушения режима работы цепей управления и размагничивания.

По предлагаемой схеме было собрано высоковольтное переключающее устройство с рабочим напряжением 20 кВ. В качестве РВД 3 использовались опытные образцы, разработанные в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН. Приборы имели рабочую площади 4 см² и рабочее напряжение 1800 В. Блок РВД 3 состоялся из 13 последовательно соединенных динисторов. Параллельно каждому динистору подключены два последовательно соединенных варистора СН-2А-820В, выравнивающее напряжение в статическом режиме. Дроссель 1 и трансформатор 8 были изготовлены из набора кольцевых магнитопроводов, имеющих высоту 20 мм, внутренний диаметр 40 мм, внешний диаметр 90 мм. Дроссель 1 состоял из 13 магнитопроводов и имел 5 витков, трансформатор 8 из 2 магнитопроводов и имел в первой обмотке 1 виток, а во второй -12 витков. В качестве материала сердечников использовалась лента из пермаллоя 50 НП толщиной 20 мкм. Сопротивление резистора 13 39 Ом (ТВО, 10 Вт), емкость конденсаторной батареи 7 19,8 нФ (6 штук К15-10 3,3 нФ, включенные параллельно). Индуктивность катушки 16 600 мкГн, индуктивность катушки 10 1 мкГн, емкость конденсатора 19 4 мкФ, емкость конденсатора батареи 11 1,64 мкФ (2 штуки 75 60, 0,82 мкФ, включенные параллельно). Тип диода 18-ДЛ 112-10-10, диода 2- ДЧ 123-320-12, тиристора 17- Т142-80-12. Тиристорный блок 9 выполнен из трех последовательно соединенных тиристоров ТБ 151-50-10, диодный блок 14 из двух последовательно соединенных диодов ДЛ 123-320-14, диодный блок 15 из 20 последовательно соединенных диодов ДЛ112-10-14. Обмотки размагничивания 4,5 один виток, амплитуда тока размагничивания 15 А. Выходное напряжение источника 12 2,8 кВ, источника 20 300 кВ, источника 20 300 Б, источника 25 20 кВ. Емкость конденсаторный батареи 23 6 мкФ, величина индуктивности 22 1 мкГн (паразитная индуктивность монтажа), величина сопротивления 24 1,2 Ом.

В процессе испытания рассмотренное устройство на частоте 1 Гц при номинальном входном напряжении 20 кВ коммутировало импульсы тока с амплитудой 10 кА, длительностью 15 мкс. При этом амплитуда тока управления I_у составляла около 100 А при длительности t_доп=1,5 мкс. Таким образом в предлагаемом устройстве энергоемкость цепи управления уменьшена более чем в 10 раз по сравнению с устройством прототипом, где цепь управления за интервал времени t_Σ=t_у+t_дт должна сформировать полный включающий заряд
В указанном режиме было осуществлено свыше 10⁶ переключений без изменения электрических характеристик устройства, что подтверждает высокую надежность работы РВД и всего устройства в целом.

Источники инфоpмации.

1. Грехов И. В. Коротков СВ. Основные принципы построения мощных импульсных систем и высокочастотных генераторов на основе реверсивно включаемых динисторов. Электротехника. 1991 г. N 11, стр.27.

2. Там же стр.28.

3. Авторское свидетельство N 1258263. Способ переключения тиристора с обратной проводимостью. Авторы Горбатюк А.В. Грехов И.В. Коротков С.В. Яковчук Н.С. кл. H 03 K 3/57.

Использование: в источниках питания мощных лазерах и ускорителей, а также в преобразовательной технике в качестве переключающего устройства. Сущность изобретения: для уменьшения энергоемкости цепи управления и повышения надежности работы переключающего устройства за счет повышения надежности работы реверсивно включаемого динистора (РВД) в переключающее устройство, содержащее коммутирующую цепь из последовательно соединенных дросселя насыщения (ДН), диода (Д) и РВД, трансформатор (Т), цепь управления из последовательно соединенных тиристора (ТИР), катушки индуктивности и первого конденсатора (К), подключенную параллельно первой обмотке Т, цепь размагничивания из последовательно соединенных обмотки размагничивания ДН и источника тока (ИТ), второй К, соединенный одним выводом с анодом РВД, источник напряжения (ИН), подключенный параллельно первому К и соединенный положительным выводом с началом первой обмотки Т, начало второй обмотки которого соединен с катодом РВД, введены резистор (Р), два дополнительных Д и обмотка размагничивания Т, при этом П включен между концом второй обмотки Т и вторым выводом второго К, первый дополнительный Д подключен параллельно первому К и его катод соединен с положительным полюсом (ИН), второй дополнительный Д подключен параллельно второй обмотке Т и его катод соединен с ее началом, обмотка размагничивания Т соединена последовательно с обмоткой размагничивания ДН и ИТ цепи размагничивания, причем Т выполнен в виде Т насыщения, а ИТ цепи размагничивания содержит цепь из последовательно соединенных катушки индуктивности, ТИР и К, а также ИН и Д, подключенные параллельно К, причем катод Д соединен с положительным полюсом ИН. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Переключающее устройство, содержащее коммутирующую цепь из последовательно соединенных дросселя насыщения, диода и реверсивно включаемого динистора, трансформатор, цепь управления из последовательно соединенных тиристора, катушки индуктивности и первого конденсатора, подключенную параллельно первой обмотке трансформатора, цепь размагничивания из последовательно соединенных обмотки размагничивания дросселя насыщения и источника тока, второй конденсатор, соединенный одним выводом с анодом реверсивно включаемого динистора, источник напряжения, подключенный параллельно первому конденсатору и соединенный положительным выводом с началом первой обмотки трансформатора, начало второй обмотки которого соединено с катодом реверсивно включаемого динистора, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены резистор, два дополнительных диода и обмотка размагничивания трансформатора, при этом резистор включен между концом второй обмотки трансформатора и вторым выводом второго конденсатора, первый дополнительный диод подключен параллельно первому конденсатору и его катод соединен с положительным полюсом источника напряжения, второй дополнительный диод подключен параллельно второй обмотке трансформатора и его катод соединен с ее началом, обмотка размагничивания трансформатора соединена последовательно с обмоткой размагничивания дросселя насыщения и источником тока цепи размагничивания, причем трансформатор выполнен в виде трансфторматора насыщения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник тока цепи размагничивания содержит цепь из последовательно соединенных катушки индуктивности, тиристора и конденсатора, а также источник напряжения и диод, подключенные параллельно конденсатору, причем катод диода соединен с положительным полюсом источника напряжения.