ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H03K17/64 H03K17/56 

Изобретение относится к сильноточной полупроводниковой технике и может быть использовано в источниках питания мощных лазеров, в устройствах для очистки промышленных отходов, а также в мощных преобразователях в качестве сильноточного переключателя.

Известен переключатель [1] содержащий входную цепь из последовательно включенных дросселя насыщения и реверсивно включаемого динистора (РВД), а так же блок запуска, подключенный параллельно РВД и состоящий из диода, ключевого элемента, индуктивного элемента двух конденсаторов и резистора. Первый конденсатор подключен параллельно РВД, резистор подключен параллельно второму конденсатору, анод диода соединен с анодом РВД, первый вывод второго конденсатора подключен к катоду РВД, второй вывод второго конденсатора подключен к первому выводу индуктивного элемента, ключевой элемент подключен между катодом и вторым выводом индуктивного элемента.

В исходном состоянии первый конденсатор заряжен до величины входного напряжения, прикладываемого к РВД. При включении ключевого элемента через диод, индуктивный элемент и второй конденсатор проходит ток перезаряда первого конденсатора. В процессе перезаряда дроссель насыщения имеет большую индуктивность и проходящий через него ток пренебрежительно мал. При этом величина тока, проходящего через ключевой элемент, определяется в основном параметрами элементов блока запуска. В момент смены полярности напряжения на первом конденсаторе к РВД прикладывается обратное напряжение и он шунтирует первый конденсатор. При этом проходящий через индуктивный элемент ток замыкается через РВД и является током управления. В процессе прохождения через РВД тока управления происходит передача энергии, запасенной в индуктивном элементе, во второй конденсатор. В момент насыщения сердечника индуктивность дросселя насыщения резко уменьшается и к РВД вновь прикладывается прямое напряжение. При этом ток управления обрывается, РВД без задержки переключается и коммутирует мощный импульс входного тока. После окончания процесса коммутации избыточная энергия, запасаемая во втором конденсаторе, рассеивается на резисторе. При этом к диоду прикладывается обратное напряжение и он препятствует прохождению тока разряда второго конденсатора через ключевой элемент. Последнее обстоятельство способствует выключению ключевого элемента.

Недостатком рассмотренного переключателя является отсутствие эффективного обратного перемагничивания сердечника дросселя насыщения, стабилизирующего его магнитное состояние, при следующих актах переключения РВД.

За прототип принят переключатель [2] Переключатель содержит входную цепь из последовательно соединенных дросселя насыщения, первого диода и РВД, цепь запуска, подключенную параллельно РВД и состоящую из источника питания цепи запуска, тиристора, конденсатора и индуктивного элемента, а также второй диод и резистор. Анод тиристора соединен с анодом РВД и с катодом первого диода. Первый вывод индуктивного элемента соединен с катодом РВД, а второй вывод с катодом второго диода и с первым выводом конденсатора. Катод тиристора подключен ко второму выводу конденсатора. Источник питания подключен параллельно конденсатору и соединен положительным выводом с его первым выводом. Резистор включен между анодом второго диода и вторым выводом конденсатора. Анод первого диода соединен с первым выводом дросселя насыщения. Второй вывод дросселя насыщения и катод РВД подключены к цепи емкостного накопителя, формирующего импульсы входного тока. К первому выводу дросселя насыщения также подключена зарядная цепь, формирующая ток заряда емкостного накопителя. В известном переключателе эффективное обратное перемагничивание сердечника дросселя насыщения осуществляется путем пропускания через рабочую обмотку этого дросселя тока заряда емкостного накопителя, формирующего импульсы входного тока.

В исходном состоянии конденсатор заряжен от источника питания до небольшого напряжения, величина которого существенно меньше величины входного напряжения, прикладываемого к РВД. Напряжение заряда конденсатора блокирует тиристор и второй диод. При включении тиристора к РВД прикладывается обратное напряжение, а входное напряжение блокирует дроссель насыщения. В результате приложения обратного напряжения через РВД проходит ток управления, являющийся током перезаряда конденсатора. Так как начальная индуктивность дросселя насыщения достаточно велика, то током через дроссель можно пренебречь и величина тока управления определяется в основном параметрами элементов цепи запуска. После насыщения сердечника дросселя его индуктивность резко уменьшается, при этом ток через дроссель резко нарастает, к РВД вновь прикладывается прямое напряжение, он без задержки переключается и коммутирует импульс входного тока, обусловленного разрядом емкостного накопителя. Первый диод исключает возможность прохождения через переключатель обратного тока и придает ему вентильный характер. Так как электрическое сопротивление РВД в обратном направлении пренебрежимо мало, то в процессе формирования тока управления происходит значительный перезаряд конденсатора. Напряжение перезаряда блокирует тиристор, а оставшаяся в конденсаторе избыточная энергия рассеивается на резисторе. После окончания процесса коммутации через дроссель насыщения проходит ток заряда емкостного накопителя, формируемый зарядной цепью. В результате осуществляется эффективное обратное перемагничивание сердечника дросселя насыщения, стабилизирующее его магнитное состояние при следующем переключении РВД.

Недостатком устройства прототипа являются дополнительные потери энергии при обратном перемагничивании сердечника дросселя насыщения.

Задача изобретения создание переключателя, обладающего уменьшенными потерями энергии.

Указанная задача решается в переключателе, содержащем входную цепь из последовательно соединенных дросселя насыщения, диода, реверсивно включаемого динистора; полупроводниковый разделительный элемент, резистор; цепь запуска, подключенную параллельно реверсивно включаемому динистору и состоящую из последовательно соединенных тиристора, конденсатора, индуктивного элемента; а так же источник питания цепи запуска, подключенный параллельно конденсатору или реверсивно включаемому динистору, причем анод тиристора соединен с анодом реверсивно включаемого динистора и катодом диода, полупроводниковый разделительный элемент соединен анодом с первым выводом резистора, а катодом
с первым выводом конденсатора.

Новым в заявляемом переключателе является то, что в него введена цепь из последовательно соединенных дополнительного индуктивного элемента и обмотки размагничивания дросселя насыщения, подключенная между выводом конденсатора и вторым выводом резистора.

На фиг. 1, 2 представлены варианты электрических схем сильноточного переключателя, здесь 1 дроссель насыщения; 2 диод; 3 реверсивно включаемый динистор; 4 цепь запуска; 5 конденсатор; 6 индуктивный элемент; 7 источник питания цепи запуска; 8 тиристор; 9 - полупроводниковый разделительный элемент; 10 резистор; 11 дополнительный индуктивный элемент; 12 обмотка размагничивания дросселя насыщения.

Заявляемый переключатель содержит входную цепь из последовательно соединенных дросселя насыщения 1, диода 2, РВД 3; цепь запуска, подключенную параллельно РВД 3 и состоящую из последовательно соединенных тиристора 8, конденсатора 5, индуктивного элемента 6; источник питания цепи запуска 7, подключенный параллельно конденсатору 5 (фиг. 1) или РВД 3 (фиг. 2), цепь из последовательно соединенных полупроводникового разделительного элемента 9, резистора 10, дополнительной индуктивности 11 и обмотки размагничивания 12, дросселя насыщения 1, включенную параллельно конденсатору 5, причем анод тиристора 8 соединен с анодом РВД 3 и катодом диода 2, катод полупроводникового разделительного элемента 9 соединен с первым выводом конденсатора 5, второй вывод конденсатора 5 подключен к катоду тиристора 8.

Переключатель (фиг. 1) работает следующим образом.

В исходном состоянии конденсатор 5 заряжен от источника питания 7, выполненного в виде зарядного устройства, до небольшого напряжения с указанной на фиг. 1 полярностью. При включении тиристора 8 происходит перезаряд конденсатора 5 через индуктивный элемент 6 и РВД 3, имеющий в обратном направлении очень малое электрическое сопротивление. В результате через РВД 3 проходит короткий импульс обратного тока, являющегося током управления 1. В процессе прохождения I_у сердечник дросселя 1 находится в ненасыщенном состоянии, индуктивность дросселя 1 велика и величина тока, проходящего через входные вводы переключателя, мала. При этом ток управления I_у оказывается лишь немного меньше тока перезаряда конденсатора 5, и энергоемкость цепи запуска 4 невелика. Ток I_у обуславливает накопление в структуре РВД 3 значительного включающего заряда, необходимого для последующего однородного по площади переключения. После насыщения сердечника дросселя 1 его индуктивность резко уменьшается. В результате к РВД 3 вновь прикладывается прямое напряжение, он однородно переключается и коммутирует быстронарастающий импульс входного тока. Вследствие однородного по площади переключения потери энергии в РВД 3 малы, а коммутационные возможности фактически пропорциональны его рабочей площади.

Вследствие малых потерь энергии в элементах цепи запуска 4 конденсатор 5 в процессе формирования тока управления I_у перезаряжается до напряжения, соизмеримого с напряжением заряда в исходном состоянии. Возникающее на конденсаторе 5 обратное напряжение блокирует тиристор 8, при этом повторный перезаряд конденсатора 5 осуществляется через обмотку размагничивания 12, дополнительный индуктивный элемент 11 и резистор 10. В процессе повторного перезаряда конденсатора 5 через обмотку 12 происходит эффективное обратное перемагничивание сердечника дросселя 1, приводящее этот сердечник в исходное магнитное состояние к моменту следующего переключения РВД 3. Резистор 10 служит для рассеивания избыточной энергии, накопленной в конденсаторе 5 вследствие его перезаряда. Дополнительный индуктивный элемент 11 блокирует напряжение, возникающее на обмотке 12 в процессе формирования тока I_у. Диод 2 блокирует обратное напряжение, возникающее на входных вводах переключателя после коммутации импульса входного тока. При этом в цепи РВД 3 возникает безтоковая пауза, необходимая для его выключения. В переключателе фиг. 1 полупроводниковый разделительный элемент 9 выполнен в виде диода. Диод 9 блокирует напряжение заряда конденсатора 5 в исходном состоянии.

В схеме (фиг. 2) роль источника питания 7 выполняет конденсатор 7, заряженный в исходном состоянии до напряжения, прикладываемого к входным клеммам переключателя и блокируемого РВД 3. При включении тиристора 8 происходит перезаряд конденсатора 7 через индуктивный элемент 6 и конденсатор 5, имеющий достаточно большую емкость и фактически не влияющий на процесс формирования тока перезаряда конденсатора 7. При изменении полярности напряжения на конденсаторе 7 к РВД 3 прикладывается обратное напряжение, при этом через него замыкается ток индуктивного элемента 6, являющийся током управления I_у. В процессе перезаряда конденсатора 7 и прохождения через РВД 3 тока I_у дроссель насыщения 1 имеет большую индуктивность и препятствует нарастанию тока через входные клеммы переключателя. В момент насыщения сердечника дросселя 1 его индуктивность резко уменьшается, при этом входной ток резко нарастает, ток I_у спадает до нуля, и к РВД 3 вновь прикладывается прямое напряжение. В результате РВД 3 без задержки переключается и коммутирует мощный импульс входного тока. Диод 2 исключает возможность прохождения через входные вводы переключателя импульса тока обратной полярности и создает в цепи РВД 3 паузу тока, необходимую для его выключения.

В процессе перезаряда конденсатора 7 и формирования тока управления I_у происходит заряд конденсатора 5 до небольшого напряжения, которое после окончания входного тока блокируется тиристором 8. Разряд конденсатора 5 осуществляется через обмотку размагничивания 12, дополнительный индуктивный элемент 11 и резистор 10. Ток разряда конденсатора 5, проходящий через обмотку 12, обуславливает эффективное обратное перемагничивание сердечника дросселя 1 и стабилизирует его магнитное состояние к моменту следующего переключения РВД 3. Резистор 10 обеспечивает рассеяние избыточной энергии, накопленной в конденсаторе 5. Дополнительный индуктивный элемент 11 блокирует напряжение, возникающее на обмотке 12 в процессе переключения РВД 3 и устраняет ее шунтирующее влияние в процессе прямого перемагничивания сердечника дросселя насыщения 1. Полупроводниковый разделительный элемент диод 9 исключает повторный перезаряд конденсатора 5 через обмотку 12 в случае возникновения на нем некоторого обратного напряжения. При этом остающаяся в конденсаторе 5 энергия используется при следующем переключении РВД 3, обуславливая увеличение тока управления I_у.

Таким образом, благодаря введению в схему переключателя цепи из последовательно соединенных дополнительного индуктивного элемента 11 и обмотки размагничивания 12, дросселя насыщения, избыточная энергия, запасаемая в конденсаторе 5 не рассеивается бесполезно, как в устройстве-прототипе, а используется для обратного перемагничивания сердечника дросселя 1. При этом стабилизация магнитного состояния сердечника дросселя 1 обуславливается не дополнительной энергией, потребляемой из внешней цепи, а избыточной энергией, остающейся в самом переключателе после коммутации входного тока. Так как дополнительная энергия на обратное перемагничивание сердечника дросселя насыщения 1 в предлагаемом переключателе не потребляется, то общие потери в нем уменьшаются на величину этой энергии.

Некоторая модификация предлагаемых схем сильноточного переключателя может быть осуществлена в случаях, когда величина индуктивности дополнительного индуктивного элемента 11 не может быть достаточно большой, например, при работе на высоких частотах, когда необходимо быстро обесточить цепи переключателя. При малой величине индуктивности дополнительного элемента 11, недостаточной для надежного разделения входной цепи переключателя и цепи обмотки размагничивания 12, в качестве полупроводникового разделительного элемента 9 может быть использован тиристор, включение которого осуществляется после окончания входного тока. В результате в процессе коммутации электрическое сопротивление цепи обмотки размагничивания 12 оказывается очень велико и она не влияет на работу переключателя, а после окончания входного тока через обмотку 12 проходит короткий импульс тока, обусловливающий эффективное обратное перемагничивание сердечника дросселя 1.

По предлагаемым схемам были собраны сильноточные переключатели микросекундного диапазона. В качестве РВД 3 использовались опытные образцы, разработанные в ФТИ им. А.Ф.Иоффе. Приборы имели рабочую площадь 4 см² и рабочее напряжение 1200 В. Тип диода 2 ДЧ 123-320, диода 9 ДЛ 112-25, тиристора 8 ТЧ-25. Сердечник дросселя 1 был выполнен в виде кольцевого магнитопровода размером 90х40х20 мм из пермаллоя 50 НП толщиной 20 мкм, он имел 4 витка в рабочей обмотке и 1 виток в обмотке размагничивания 12. Величина индуктивности индуктивного элемента 6 1,5 мкГн, дополнительного индуктивного элемента 11 12 мкГн. Величина емкости конденсатора 5 0,5 мкФ, величина сопротивления резистора 10 10 Ом. При использовании схемы фиг. 2 источник энергии 7 был выполнен в виде конденсатора с емкостью 0,056 мкФ, а при использовании схемы фиг. 1 в виде зарядного устройства, состоящего из понижающего сетевого трансформатора, мостового диодного выпрямителя, емкости фильтра 50 мкФ и зарядного резистора 2 кОм, выходное напряжение источника 7 составляло 200 В.

В процессе испытания величина напряжения, прикладываемого к входным клеммам переключателя, составляла 600 В, частота срабатываний 50 Гц, амплитуда коммутируемого тока 5 кА, длительность импульсов коммутируемого тока 20 мкс. Сильноточный переключатель, собранный как по схеме фиг. 1, так и по схеме фиг. 2 надежно работал в устройстве электроразрядной очистки воды, при этом коммутируемые импульсы тока подавались на первую обмотку повышающего трансформатора, ко второй обмотке которого был подключен биореактор.

Список литературы
1. Грехов И.В. Коротков С.В. Основные принципы построения мощных генераторов импульсов на базе реверсивно включаемых динисторов // В кн. "Исследования и разработки высоковольтных преобразователей на базе новых полупроводниковых приборов". Сборник трудов НИИПТ. Санкт-Петербург. Энергоатомиздат. 1992. с. 65.

2. Грехов И.В. Коротков С.В. Яковчук Н.С. Исследование реверсивно включаемых динисторов в сильноточных импульсных режимах // Электротехника. 1986 г. вып. 3, с. 45.

Изобретение относится к сильноточной полупроводниковой технике и может быть использовано в источниках питания мощных лазеров, в устройствах для очистки промышленных отходов, а также в мощных преобразователях в качестве сильноточного переключателя. Задачей изобретения является создание переключателя, обладающего уменьшенными потерями энергии. Указанная задача решается с помощью переключателя, содержащего входную цепь из последовательно соединенных дросселя насыщения, диода, реверсивно включаемого динистора; полупроводниковый разделительный элемент и резистор, цепь запуска, подключенную параллельно реверсивно включаемому динистору и состоящую из последовательно соединенных тиристора, конденсатора, индуктивного элемента; а также источник питания цепи запуска, подключенный параллельно конденсатору или реверсивно включаемому динистору, причем анод тиристора соединен с анодом реверсивно включаемого динистора и катодом диода, полупроводниковый разделительный элемент соединен анодом с первым выводом резистора, а катодом - с первым выводом конденсатора. Новым в переключателе является то, что в него введена цепь из последовательно соединенных дополнительной индуктивности и обмотки размагничивания дросселя насыщения, подключенная между вторым выводом конденсатора и вторым выводом резистора. 2 ил.

Переключатель тока, содержащий дроссель насыщения, первый вывод которого соединен с анодом диода, катод которого соединен с анодом реверсивно включаемого динистора, катод которого соединен с первым входным вводом переключателя тока, цепь запуска, состоящую из тиристора, конденсатора и индуктивного элемента, первый вывод последнего соединен с катодом реверсивно включаемого динистора, второй вывод через конденсатор соединен с катодом тиристора, причем второй вывод индуктивного элемента соединен с катодом полупроводникового разделительного элемента, анод которого соединен с первым выводом резистора, источник питания цепи запуска, дополнительный индуктивный элемент, отличающийся тем, что источник питания цепи запуска подключен параллельно конденсатору или параллельно реверсивно включаемому динистору, а дроссель насыщения содержит обмотку размагничивания дросселя насыщения, первый вывод которой соединен с катодом тиристора, анод которого соединен с анодом реверсивно включаемого динистора, второй вывод обмотки размагничивания дросселя насыщения через дополнительный индуктивный элемент соединен с вторым выводом резистора, а второй вывод дросселя насыщения соединен с вторым входным вводом переключателя тока.