ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к сильноточной полупроводниковой электронике и может быть использовано в лазерной и ускорительной технике.

Известен высоковольтный переключатель [1], содержащий последовательно включенные блок реверсивно включаемых динисторов (РВД), диод и дроссель с насыщающимся сердечником, а также блок запуска, состоящий из последовательно соединенных блока тиристоров, индуктивного элемента и конденсатора. Блок запуска подключен параллельно блоку РВД, причем анод блока тиристоров соединен с анодом блока РВД, а положительный вывод конденсатора - с катодом блока РВД. Недостатком рассмотренного переключателя является большое напряжение на блоке тиристоров, превышающее напряжение блока РВД на величину напряжения заряда конденсатора.

За прототип принят высоковольтный переключатель [2]. Переключатель содержит блок запуска, конденсатор, блок реверсивно включаемых динисторов, диод, нелинейный элемент с насыщающимся сердечником, выполненный в виде дросселя, и повышающий трансформатор. Блок запуска включен параллельно первой обмотке повышающего трансформатора и соединен положительным выводом с ее началом. Первый вывод второй обмотки повышающего трансформатора через конденсатор соединен с катодом диода и с анодом блока РВД. Анод диода подключен к первому выводу дросселя. Катод РВД соединен с выходной клеммой переключателя и с в вторым выводом второй обмотки повышающего трансформатора, являющимся ее началом. Второй вывод дросселя соединен с входной клеммой переключателя. Блок запуска содержит последовательно соединенные блок тиристоров, индуктивный элемент и дополнительный конденсатор, параллельно которому подключена зарядная цепь. В этом переключателе напряжение на блоке тиристоров существенно уменьшается благодаря использованию повышающего трансформатора. Недостатком прототипа является то, что при использовании в блоке РВД мощных динисторов с большой площадью полупроводниковой структуры, чрезмерно велика становится амплитуда импульсов тока в блоке запуска, которая, как известно, пропорциональна площади используемых РВД. При этом ухудшается режим работы тиристорного блока в блоке запуска, что приводит к понижению его надежности. Кроме того, в устройстве- прототипе не предусмотрена стабилизация магнитного состояния дросселя и повышающего трансформатора. При этом амплитуда и длительность импульсов тока управления блоком РВД могут оказаться недопустимо малыми, что приведет к ненадежной работе переключателя.

Задачей предлагаемого изобретения является создание высоковольтного переключателя, обладающего повышенной надежностью за счет стабилизации магнитного состояния дросселя и повышающего трансформатора и уменьшения амплитуды импульсов тока, проходящего через элементы блока запуска.

Указанная задача решается в высоковольтном переключателе, содержащем блок запуска, первый конденсатор, первый блок реверсивно включаемых динисторов, первый диод, нелинейный элемент с насыщающимся сердечником, выполненный в виде дросселя, повышающий трансформатор, причем параллельно его первой обмотке включен блок запуска и соединен положительным выводом с ее началом, а первый вывод второй обмотки повышающего трансформатора через первый конденсатор соединен с катодом первого диода, анод которого подключен к первому выводу дросселя.

Новым в заявляемом высоковольтном переключателе является то, что в него введены второй диод, второй блок реверсивно включаемых динисторов, второй конденсатор, резистор, индуктивный элемент, обмотка размагничивания дросселя и обмотка размагничивания повышающего трансформатора, выполненного с насыщающимся сердечником, причем второй вывод вторичной обмотки этого трансформатора соединен с анодом первого блока реверсивно включаемых динисторов, катод которого подключен к первому выводу второго конденсатора и к катоду второго блока реверсивно включаемых динисторов, анод которого соединен с одним из выводов дросселя, катод второго диода подключен к аноду первого диода и к второму выводу второго конденсатора, а анод - к первому выводу вторичной обмотки повышающего трансформатора, являющемуся ее началом, при этом параллельно первому конденсатору включены последовательно соединенные обмотка размагничивающего дросселя, резистор, индуктивный элемент и обмотка размагничивания повышающего трансформатора.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2, на которых представлены электрические схемы высоковольтного переключателя.

Высоковольтный переключатель содержит первый блок РВД 1, нелинейный элемент 2 с насыщающимся сердечником, выполненный в виде дросселя, второй конденсатор 3, повышающий трансформатор 4 с насыщающимся сердечником, второй блок 5 РВД, блок запуска 6, резистор 7, входную клемму 8, выходную клемму 9, обмотку 10 размагничивания дросселя, индуктивный элемент 11, второй диод 12, первый диод 13, первый конденсатор 14, обмотку размагничивания 15 повышающего трансформатора, индуктивный элемент 16 блока запуска, тиристор 17 блока запуска, диод 18 блока запуска, конденсатор 19 блока запуска, зарядное устройство 20 блока запуска.

Обмотка размагничивания 10 дросселя 2, резистор 7, индуктивный элемент 11, обмотка размагничивания 15 повышающего трансформатора 4 соединены последовательно и подключены параллельно первому конденсатору 14. Конденсатор 14 включен между катодом первого диода 13 и первым выходом второй обмотки повышающего трансформатора 4, являющимся его началом. Анод первого диода 13 подключен к катоду второго диода 12 и к первому выводу дросселя 2, второй вывод дросселя 2 соединен с входной клеммой 8. Анод второго диода 12 подключен к первому выводу второй обмотки трансформатора 4. Анод первого блока РВД 1 соединен с вторым выводом второй обмотки трансформатора 4. Катод первого блока РВД 1 подключен к первому выводу второго конденсатора 3, к катоду второго блока РВД 5 и к выходной клемме 9. Второй вывод второго конденсатора 3 соединен с анодом первого диода 13. Анод второго блока РВД 5 в схеме на фиг. 1 подключен к второму выводу дросселя 2, а в схеме на фиг. 2 - к первому выводу дросселя 2. Блок запуска включен параллельно первой обмотке повышающего трансформатора 4. Положительный вывод зарядного устройства 20 соединен с началом первой обмотки повышающего трансформатора 4, с первым выводом конденсатора 19 и с катодом диода 18. Отрицательный вывод зарядного устройства 20 соединен с вторым выводом конденсатора 19 и с катодом тиристора 17. Индуктивный элемент 16 включен между анодом тиристора 17 и концом первой обмотки повышающего трансформатора 4.

В схемах на фиг. 1 и 2 второй блок РВД 5 состоит из мощных динисторов с большой рабочей площадью и предназначен для коммутации импульсов основного тока, формируемых внешней цепью, подключаемой между входной 8 и выходной 9 клеммами переключателя. Ток управления блока РВД 5 формируется с помощью второго конденсатора 3 и первого блока РВД 1. Ток управления блока РВД 1 формируется с помощью блока запуска, трансформатора 4 и второго диода 12. Так как амплитуда тока управления блока РВД 5 много меньше амплитуды основного тока, то в блоке РВД 1 используются маломощные динисторы с малой рабочей площадью. При этом амплитуда тока управления блока РВД 1 невелика, что обуславливает малую амплитуду тока через элементы блока запуска 6. Дроссель 2 исключает влияние внешней цепи на процесс формирования токов управления блоков РВД 1 и РВД 5. Цепь размагничивания, состоящая из последовательно соединенных резистора 7, индуктивного элемента 11, обмотки размагничивания 15, первого конденсатора 14 и обмотки размагничивания 10 обеспечивает обратное перемагничивание сердечников дросселя 2 и трансформатора 4, стабилизируя их магнитное состояние.

Схема на фиг. 1 работает следующим образом.

При включении тиристора 17 блока запуска 6 происходит разряд конденсатора 19, предварительно заряженного до небольшого напряжения от зарядного устройства 20. Ток разряда замыкается через индуктивный элемент 16 и первую обмотку повышающего трансформатора 4. При этом на второй обмотке трансформатора 4 возникает короткий импульс напряжения, амплитуда которого превышает величину напряжения на втором конденсаторе 3, равную величине входного напряжения переключателя. В результате происходит подзаряд конденсатора 3 через второй диод 12, вторую обмотку трансформатора 4 и первый блок РВД 1, имеющий в обратном направлении пренебрежимо малое электрическое сопротивление. Ток подзаряда конденсатора 3 является током управления блока РВД 1-Iy1 и обуславливает накопление в структурах реверсивно включаемых динисторов этого блока включающего заряда, необходимого для последующего однородного по площади переключения с малыми коммутационными потерями энергии. В момент насыщения сердечника трансформатора 4 к блоку РВД 1 прикладывается прямое напряжение, он без задержки переключается и коммутирует быстро нарастающий импульс тока перезаряда конденсатора 3, проходящий через вторую обмотку трансформатора 4, первый диод 13 и первый конденсатор 14. В процессе перезаряда конденсатора 3 дроссель 2, имеющий в исходном состоянии значительную индуктивность, блокирует входное напряжение переключателя. При этом входной ток пренебрежимо мал и практически не оказывает влияния на процесс перезаряда конденсатора 3.

Так как емкость конденсатора 14 достаточно велика, то величина напряжения, возникающего на нем, при перезаряде конденсатора 3 мала и конденсатор 14 не оказывает существенного влияния на процесс формирования тока перезаряда конденсатора 3. Спустя некоторое время после изменения полярности напряжения на конденсаторе 3, происходит насыщение сердечника дросселя 2. При этом индуктивность дросселя 2 резко уменьшается и конденсатор 3 начинает повторно перезаряжаться через дроссель 2, второй блок РВД 5 и внешнюю цепь, подключенную между входной 8 и выходной 9 клеммами переключателя. Ток перезаряда конденсатора 3, замыкающийся через блок РВД 5, является током управления этого блока - Iy2 и обуславливает накопление в структурах реверсивно включаемых динисторов включающего заряда, необходимого для их однородного переключения. В момент окончания тока Iy2 к блоку РВД 5 прикладывается прямое напряжение, он без задержки переключается и коммутирует мощный импульс входного тока, формируемый внешней цепью. После окончания процесса коммутации происходит разряд конденсатора 14 через резистор 7, индуктивный элемент 11 и обмотки размагничивания 10 и 15. При этом осуществляется обратное перемагничивание сердечников дросселя 2 и трансформатора 4, стабилизирующее их магнитное состояние при следующем акте коммутации. Индуктивный элемент 11 блокирует напряжение, возникающее на обмотках размагничивания 10 и 15 в процессе коммутации входного тока. Резистор 7 обеспечивает рассеивание энергии, запасаемой в дополнительном конденсаторе 14. Диод 18 блока запуска 6 исключает перезаряд конденсатора 19 и устраняет возможность перенапряжений на индуктивном элементе 16 и тиристоре 17 в момент обратного восстановления тиристора 17.

В схеме на фиг. 2 в отличие от схемы фиг. 1 анод второго блока РВД 5 подключен не к второму, а к первому выводу дросселя 2. В результате ток управления через блок РВД 5 начинается фактически сразу после изменения полярности напряжения на конденсаторе 3. При этом блок РВД 5, имеющий в обратном направлении пренебрежимо малое электрическое сопротивление, шунтирует конденсатор 3 и через него замыкается ток второй обмотки трансформатора 4, являющийся током управления Iy2. Момент окончания тока Iy2 совпадает с моментом насыщения сердечника дросселя 2. При этом индуктивность дросселя 2 резко уменьшается, к блоку РВД 5 прикладывается прямое напряжение, он без задержки переключается и коммутирует мощный импульс входного тока, формируемый внешней цепью. Рассмотренные отличительные особенности схемы на фиг. 2 позволяют обеспечить требуемый ток управления блока РВД 5 при меньшем, чем на схеме на фиг. 1 токе перезаряда конденсатора 3, так как в процессе перезаряда этого конденсатора дроссель 2 блокирует внешнее напряжение переключателя. При этом влияние внешней цепи пренебрежимо мало и через блок РВД 5 проходит практически весь ток перезаряда конденсатора 3, а не часть его, как в схеме на фиг. 1. Однако в схеме на фиг. 2 через дроссель 2 проходит полный ток переключателя, существенно превышающий ток перезаряда конденсатора 3, проходящий через дроссель 2 в схеме на фиг. 1, что делает схемы на фиг. 1 и 2 в целом равнозначными.

Таким образом, благодаря введению в схему высоковольтного переключателя второго конденсатора, второго диода, второго блока РВД и выполнению повышающего трансформатора в виде трансформатора насыщения существенно уменьшается амплитуда тока, формируемого блоком запуска, так как запускаемый им блок РВД состоит из маломощных динисторов с малой рабочей площадью и малым током управления. Кроме того, благодаря введению в схему высоковольтного переключателя резистора, индуктивного элемента, обмотки размагничивания дросселя и обмотки размагничивания повышающего трансформатора, стабилизируется магнитное состояние дросселя и повышающего трансформатора за счет обратного перемагничивания их сердечников после окончания процесса коммутации. Уменьшение амплитуды тока, проходящего через элементы блока запуска, и стабилизация магнитного состояния дросселя и повышающего трансформатора обуславливают повышение надежности высоковольтного переключателя.

По предлагаемым схемам на фиг. 1 и 2 были собраны высоковольтные переключатели с рабочим напряжением 10 кВ, отличающиеся только параметрами конденсаторов 3 и 14: в переключателе на схеме фиг. 1 величины емкостей конденсаторов 3 и 14 составляли соответственно 0,2 и 20 мкФ, а в схеме на фиг. 2 - 0,04 и 4 мкФ. В блоках 1 и 5 использовались реверсивно включаемые динисторы с рабочим напряжением 2 кВ. Маломощный блок РВД 1 состоял из пяти последовательно включенных приборов с рабочей площадью 4 см², а мощный блок РВД 5 - из пяти последовательно включенных приборов с рабочей площадью 20 см². Сердечники дросселя 2 и трансформатора 4 были изготовлены из кольцевых ленточных магнитопроводов размером 90х40х20 мм. Дроссель 2 состоял из четырех магнитопроводов и имел четыре витка. Трансформатор 4 состоял из одного магнитопровода и имел коэффициент трансформации 15 (один виток в первой обмотке и 15 во второй). В качестве материала магнитопроводов использовался пермаллой 50 НП толщиной 20 мкм. Обмотки размагничивания 10 и 15 имели по одному витку, сопротивление резистора 7 - 30 0м, индуктивность элементов 11 и 16 - 100 и 0,5 мкГн соответственно, емкость конденсатора 19 - 5 мкФ, тип диодов 12, 13 и 18 - ДЛ 132-50-12, тип резистора 17-ТБ 151-50-12. Зарядное устройство 20 содержало повышающий сетевой трансформатор, диодный выпрямитель и токоограничивающий резистор и имело выходное напряжение 1 кВ. В процессе испытаний было осуществлено свыше 10⁴ коммутаций импульсов тока в 50 кА длительностью 100 мкс при входном напряжении 10 кВ. Амплитуда тока управления блока РВД 5 составляла около 1000 А при длительности 1 мкс, а амплитуда тока управления блока РВД 1 - 65 А для схемы на фиг. 1 и 50 А для схемы на фиг. 2 при длительности около 2,5 мкс. Малая амплитуда тока управления блока РВД 1 обуславливает малую амплитуду тока, проходящего через элементы блока запуска 6. Для схемы на фиг. 1 она составляла порядка 975 А, а для схемы на фиг. 2 - порядка 750 А, что существенно меньше, чем в устройстве-прототипе, где амплитуда тока через элементы блока запуска возросла бы во столько же раз, во сколько амплитуда тока управления блока РВД 5 превышает амплитуду тока управления блока РВД 1, то есть в 15 раз для схемы на фиг. 1 и в 20 раз для схемы на фиг. 2.

Источники информации.

1. Грехов И. В., Коротков С.В. Основные принципы построения мощных импульсных и высокочастотных генераторов на основе реверсивно включаемых динисторов. Электротехника, 1991, N 11, с.27, рис.З.

2. Грехов И. В., Коротков С. В. Основные принципы построения мощных импульсных и высокочастотных генераторов на основе реверсивно включаемых динисторов. Электротехника, 1991, N 11, с.28, рис.4

Высоковольтный переключатель относится к сильноточной полупроводниковой электронике может быть использован в лазерной и ускорительной технике, при этом решается задача повышения надежности за счет стабилизации магнитного состояния дросселя (Др) и повышающего трансформатора (Тр) и уменьшения амплитуды импульсов тока, проходящего через элементы блока запуска (БЗ), которая достигается тем, что в высоковольтный переключатель, содержащий БЗ, первый конденсатор (К), первый блок реверсивно включаемых динистров (РВД), первый диод (Д), нелинейный элемент с насыщающимся сердечником, выполненный в виде Др, повышающий Тр, причем параллельно его первой обмотке включен БЗ и соединен положительным выводом с ее началом, а первый вывод второй обмотки повышающего Тр через первый К соединен с катодом первого Д, анод Д подключен к первому выводу До, введены второй К резистор (Р), индуктивный элемент, второй Д, второй блок РВД, обмотка размагничивания Др и обмотка размагничивания повышающего Тр, выполненного с насыщающимся сердечником , второй вывод вторичной обмотки которого соединен с анодом первого блока РВД, катод которого подключен к первому выводу второго К и к катоду второго блока РВД, анод которого соединен с одним из выводов Др, катод второго Д подключен к аноду первого Д и второму выводу второго К, а анод - к первому выводу вторичной обмотки повышающего Тр, являющемуся ее началом, при этом параллельно первому К включены последовательно соединенные обмотка размагничивания Др, Р, индуктивный элемент и обмотка размагничивания повышающего Тр. 2 ил.

Высоковольтный переключатель, содержащий блок запуска, первый конденсатор, первый блок реверсивно включаемых динисторов, первый диод, нелинейный элемент с насыщающимся сердечником, выполненный в виде дросселя, повышающий трансформатор, причем параллельно его первой обмотке включен блок запуска и соединен положительным выводом с ее началом, а первый вывод второй обмотки повышающего трансформатора через первый конденсатор соединен с катодом первого диода, анод которого подключен к первому выводу дросселя, отличающийся тем, что в переключатель дополнительно введен второй конденсатор, резистор, индуктивный элемент, второй диод, второй блок реверсивно включаемых динисторов, обмотка размагничивания дросселя и обмотка размагничивания повышающего трансформатора, выполненного с насыщающимся сердечником и второй вывод вторичной обмотки которого соединен с анодом первого блока реверсивно включаемых динисторов, катод которого подключен к первому выводу второго конденсатора и к катоду второго блока реверсивно включаемых динисторов, анод которого соединен с одним из выводов дросселя, катод второго диода подключен к аноду первого диода и второму выводу второго конденсатора, а анод к первому выводу вторичной обмотки повышающего трансформатора, являющемуся ее началом, при этом параллельно первому конденсатору включены последовательно соединенные обмотка размагничивания дросселя, резистор, индуктивный элемент и обмотка размагничивания повышающего трансформатора.