СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H01L29/74 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в электротехнической промышленности, электроэнергетике, мощном радиостроении и электроприводе.

Уровень техники

Известен способ управления, при котором включение тиристора осуществляется управляющим импульсом определенной амплитуды и длительности [1]. При таком способе управления тиристор включается только тогда, когда анодный ток в приборе превысит ток удержания I_L - параметр конкретного тиристора, приводимый в справочных данных на него. Если, после того как импульс включения закончился, анодный ток спадет ниже I_L, тиристор может перейти обратно в закрытое состояние, что недопустимо с точки зрения надежности работы тиристора, особенно в составе высоковольтного вентиля.

Известен способ управления тиристором (или цепочкой последовательно включенных тиристоров) [2], в соответствии с которым на вход формирователя импульсов управления подается узкий импульс, и в случае если в заданном интервале проводимости ток прекратился и на тиристоре возрастает напряжение, по сигналу с датчика напряжения система управления формирует повторный узкий импульс включения. Достоинством способа является его экономичность. К недостаткам следует отнести сложность технической реализации, оправданную только в случае очень крупных энергетических объектов, в которых следящие системы выполняют и ряд других функций.

В связи с этим ведущие фирмы [3] предлагают использовать «длинный» импульс управления, содержащий форсированную часть с амплитудой и длительностью, на порядок большими, чем минимальный ток управления и время включения тиристора соответственно, и сопровождающую часть с амплитудой не менее, чем вдвое большей минимального тока управления, и длительностью, равной всему времени прохождения анодного тока. Этот способ, принятый нами за прототип, обеспечивает надежное включение тиристора любых параметров, но приводит к значительным потерям в цепи управления и к большей мощности аппаратуры формирования импульса управления, а иногда - в тиристорах с большими токами управления - и к перегреву приэлектродной области прибора.

Сущность изобретения

Задача изобретения - снижение потерь в цепи управления и повышение надежности работы тиристорного преобразователя в целом. Поставленная задача решается тем, что импульс управления имеет заполнение с частотой F≥1/t_q, где t_q - время выключения тиристора, причем длительность единичного импульса управления λ определяется выражением λ=Т(I_L/I_АМ), где I_L - ток удержания тиристора; I_АМ - амплитуда анодного тока; Т - период частоты F.

Устройство, реализующее вышеуказанный способ управления тиристором или цепочкой из n последовательно включенных тиристоров, содержит первичную систему управления и датчик тока, включенный последовательно с тиристорами, причем выход первичной системы управления и выход датчика тока подключены к входу генератора импульсов постоянной частоты F, но переменной длительности λ, зависящей от сигнала с датчика тока и определяемой выражением λ=Т(I_L/I_АМ), а выход генератора импульсов подключен к входу блока электрооптических каналов, выходы которых, в свою очередь, подключены к входам формирователей импульсов управления, соединенных с управляющими входами тиристоров V1…Vn соответственно.

Осуществление изобретения

Физическая сущность изобретения поясняется эпюрами на фиг.1 и состоит в следующем.

При прохождении через силовой тиристор анодного тока i_a (фиг.1a) возможно самопроизвольное выключение тиристора, если в соответствии с режимом работы преобразователя или вследствие сбоя расчетного режима значение амплитуды анодного тока i_a станет меньше тока удержания I_L для данного типа тиристоров. Тогда анодный ток i_a может прерваться. Прерывание тока вызывается снижением плотности неосновных носителей р_n в толстой n-базе ниже допустимого предела

(р_n)_мин, что приводит к нарушению положительной обратной связи между эмиссией электронов из эмиттера и эмиссией дырок из коллектора, которая и является основным физическим механизмом поддержания силового анодного тока тиристора. Чтобы этого не произошло, предлагается постоянно поддерживать плотность р_n на уровне выше (р_n)_мин за счет периодического «впрыскивания» носителей импульсом тока управления. Период Т чередования импульсов управления (фиг.1в) не должен превышать тройного времени жизни неосновных носителей τ_р, поскольку за время, большее 3τ_р, в отсутствие поддерживающего тока практически все неосновные носители успеют рекомбинировать. Параметр τ_р не доступен из заводских каталогов, поэтому с точностью, достаточной для инженерных применений, можно принять 3τ_р=t_q [4], где t_q - время выключения, являющееся каталожным параметром для любого типа тиристоров [5]. Таким образом, для обеспечения устойчивого прохождения силового тока должно быть выполнено условие

,

или, что то же самое,

,

где

F - несущая частота (частота заполнения) «длинного» импульса управления. Для дальнейшего снижения потерь длительность λ импульса управления устанавливается обратно пропорциональной I_AM (фиг.1а) и определяется выражением λ=Т(I_L/I_АМ), которое и отражает тот факт, что большие анодные токи не нуждаются в поддержке, и в пределе λ может быть сведено к нулю и, наоборот, при I_AM≈I_L длительность импульса должна быть максимальной, то есть в предельном случае λ=Т.

Структурная схема устройства для реализации предложенного способа приведена на фиг.2. Устройство управления тиристором или цепочкой из n последовательно включенных тиристоров содержит первичную систему управления 1 и датчик тока 2, включенный последовательно с тиристорами, причем выход первичной системы управления 1 и выход датчика тока 2 подключены к входу генератора импульсов 3 постоянной частоты F, но переменной длительности λ, зависящей от сигнала с датчика тока 2 и определяемой выражением λ=Т(I_L/I_AM), а выход генератора импульсов 3 подключен к входу блока электрооптических каналов 4, выходы которых, в свою очередь, подключены ко входам формирователей импульсов управления 5.1…5.n, соединенных с управляющими входами тиристоров V1…Vn соответственно.

Устройство управления тиристором или цепочкой из n последовательно включенных тиристоров работает следующим образом.

При поступлении в генератор импульсов 3 переднего фронта сигнала от первичной системы управления 1 этот сигнал через блок электрооптических каналов 4 поступает в формирователи импульсов управления 5.1…5.n, которые выдают на управляющие входы тиристоров V1…Vn форсированную часть импульса управления с амплитудой и длительностью на порядок больше, чем минимальный ток управления и время включения тиристора t_f соответственно.

На этом переходной процесс заканчивается.

Дальнейшее формирование импульсов управления идет с постоянной частотой F, задаваемой непосредственно генератором импульсов 3, который, кроме того, меняет длительность импульсов. Длительность импульсов от генератора 3 соответствует выражению λ=Т(I_L/I_AM), то есть обратно пропорциональна значению сигнала, поступившего с датчика тока 2 (такая функция легко осуществима, например, с помощью аналого-цифрового преобразователя). Дальнейшее преобразование в блоке электрооптических каналов 4 никак не влияет на длительность импульсов. То же относится и к формирователям импульсов управления 5.1…5.n. Введение электрооптического канала обусловлено чисто технической необходимостью гальванической развязки потенциалов тиристоров от потенциала первичной системы управления 1. При поступлении в генератор импульсов 3 заднего фронта сигнала от первичной системы управления 1 импульсы управления с выхода генератора импульсов 3, т.е. и со всех тиристоров V1…Vn, снимаются.

Следования единичных импульсов с частотой F внутри «длинного» импульса управления в соответствии с условием F≥1/t_q обеспечивают надежное поддержание анодного тока при меньшем энергопотреблении. Изменение длительности импульсов λ обратно пропорционально амплитуде анодного тока, позволяет уменьшать длительность λ вплоть до прекращения генерации дополнительных импульсов, что ведет к дальнейшему снижению потерь в цепи управления. Устройство для реализации предложенного способа не содержит блоков со значительным энергопотреблением. Таким образом, поставленная цель - снижение потерь в цепи управления и повышение надежности работы тиристорного преобразователя в целом - достигнута.

Источники информации

1. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник // М.: Энергоатомиздат, 1985.

2. Горшков B.C., Данькин Е.Ф., Панов Г.В., Январев А.И. Световая система управления и контроля блока БВПМ-700/120. Электротехническое оборудование для вставки постоянного тока // Сб. научных трудов ВЭИ им. В.И.Ленина. М.: Энергатомиздат, 1986, стр.42-47.

3. Phase Control Thyristors / ABB Semiconductors AG/ Application, 1996.

4. Ф.Джентри, Ф.Гутцвиллер, Н.Голоньяк, Э.фон Застров.Управляемые полупроводниковые вентили. - М.: Мир, 1967, глава 6.

5. ОАО «Электровыпрямитель». Краткий каталог «Полупроводниковые приборы силовой электроники», г.Саранск, www.elvpr.ru.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в электротехнической промышленности, электроэнергетике, мощном радиостроении и электроприводе. Сущность изобретения: способ управления тиристором состоит в формировании импульса управления, содержащего форсированную и сопровождающую часть, которая имеет заполнение с частотой F≥1/t_q, где t_q - время выключения тиристора, а кроме того, обеспечивается переменная длительность единичного импульса заполнения λ=T(I_L/I_AM), где I_L - ток удержания тиристора, I_AM - амплитуда анодного тока, Т - период частоты F. Устройство управления тиристором или цепочкой из n последовательно включенных тиристоров, реализующее предложенный способ, содержит первичную систему управления, датчик тока, включенный последовательно с тиристорами, генератор импульсов постоянной частоты, но переменной длительности λ=T(I_L/I_AM), блок электрооптических каналов и формирователь импульсов управления. Техническим результатом изобретения является снижение потерь в цепи управления и повышение надежности работы тиристорного преобразователя в целом. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления тиристором, состоящий в подаче импульса управления, содержащего форсированную часть с амплитудой и длительностью на порядок большими, чем минимальный ток управления и время включения тиристора соответственно, и сопровождающую часть с амплитудой не менее, чем вдвое большей минимального тока управления, и длительностью равной всему времени прохождения анодного тока, отличающийся тем, что импульс управления имеет заполнение с частотой
F≥1/t_q, где
t_q - время выключения тиристора, причем длительность единичного импульса управления λ определяется выражением
λ=T(I_L/I_AM), где
I_L - ток удержания тиристора;
I_AM - амплитуда анодного тока, Т - период частоты F.

2. Устройство управления тиристором или цепочкой из n последовательно включенных тиристоров по п.1, содержащее первичную систему управления и датчик тока, включенный последовательно с тиристорами, причем выход первичной системы управления и выход датчика тока подключены к входу генератора импульсов постоянной частоты F, но переменной длительности λ, зависящей от сигнала с датчика тока и определяемой выражением λ=Т (I_L/I_AM), а выход генератора импульсов подключен к входу блока электрооптических каналов, выходы которых, в свою очередь, подключены к входам формирователей импульсов управления, соединенных с управляющими входами тиристоров VI…Vn соответственно.