Тиристорный ключ Советский патент 1992 года по МПК H02M1/08 

VI

CJ

VI о о

Сущность изобретения. Тиристорный ключ содержит последовательно соединенные двухоперационный тиристор 1 и источник 2 напряжения, параллельно которым подключена вспомогательная цепь, состоящая из последовательно соединенных накопительного диода 3 и зашунтированного обратным диодом 4 дросселя. Для увеличения коммутируемых токов при одновременном повышении перегрузочной способности введен однооперационный тиристор 6, включенный параллельно вспомогательной цепи, причем силовыми выводами тиристорного ключа являются анод и катод однооперационного тиристора. 5 з.п.ф-лы, 5 ил. (Л

Фиг.1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при построении тиристорных импульсных регуляторов, стабилизаторов, автономных инверторов и других преобразовательных устройств, в которых используются полностью управляемые ключи.

Известны полностью управляемые ти- ристорные ключи, содержащие одноопера- ционный тиристор и узел принудительной коммутации, причем в узле принудительной коммутации используется целый ряд элементов - коммутирующие конденсаторы, дроссели, вспомогательные тиристоры, диоды.

Однако такие ключи обладают большими дополнительными потерями энергии, им свойственны перенапряжения, возникающие на элементах ключа. Кроме того, наличие емкостных и индивидуальных элементов, вспомогательных диодов и тиристоров ухудшает массогабаритные показатели полностью управляемого тиристорного ключа. В ряде случаев режим работы узла принудительной коммутации оказывает влияние на форму напряжения на нагрузке.

Эти недостатки устраняются в полностью управляемых тиристорных ключах, содержащих двухоперационный тиристор с демпфирующей цепью.

Наиболее близкий к предлагаемому является тиристорный ключ, содержащий двухоперационный тиристор с демпфирующей цепью, действие которой основано на инерционных свойствах низкочастотного диода. Данная демпфирующая цепь содержит последовательно соединенные источник напряжения, транзистор, зашунтированный обратным диодом, и накопительный диод.

Недостатком данного тиристорного ключа является ограниченная коммутируемая мощность в режиме длительного (условно-непрерывного) протекания анодного тока. Таким образом, данный тиристорный ключ имеет ограниченную область применения (по коммутируемому току). Кроме того, перегрузочная способность этого тиристорного ключа ниже, чем у полностью управляемыхключей,содержащих однооперационный тиристор с узлом принудительной коммутации.

Целью изобретения является увеличение коммутируемых токов при одновременном повышении перегрузочной способности.

Поставленная цель достигается тем, что в известный тиристорный ключ, содержащий последовательно соединенные двухоперационный тиристор и источник напряжения, параллельно которым подключена вспомогательная цепь, состоящая из последовательно соединенных накопительного

диода и зашунтированного обратным диодом элемента, формирующего прямой ток через накопительный диод, введен одно- операционный тиристор, анодом подключенный к катоду накопительного диода, а

катодом - к положительному выводу источника напряжения, причем силовыми выводами тиристорного ключа являются анод и катод однооперационного тиристора, а элемент, формирующий прямой ток через накопительный диод, выполнен в виде дросселя. Кроме того, с целью обеспечения обратной вентильной прочности, введен дополни- тельный диод, включенный между однооперационным тиристором и вспомогательной цепью, причем катод дополнительного диода соединен с катодом однооперационного тиристора. Элемент, формирующий прямой ток через накопительный диод, выполнен в видеуправляемого ключа. С целью повышению надежности запирания и увеличения коммутируемой мощности источник напряжения выполнен в виде источника двуполярных импульсов. С целью упрощения введены цепь отпирания, состоящая из последовательно соединенных токоограничителя и диода, и цепь запирания, состоящая из последовательно соединенных токоограничителя и обратного диода, причем цепи отпирания и запирания

соединены параллельно и подключены между управляющим электродом двухопераци- онного тиристора и катодом однооперационного тиристора.

На фиг. 1-4 изображены схемы тиристорных ключей; на фиг. 5 - временные диаграммы, поясняющие принцип их работы. Тиристорный ключ, изображенный на фиг. 1 и 3, содержит последовательно соединенные двухоперационный тиристор 1 и источник 7 напряжения, параллельно которым подключены вспомогательная цепь, состоящая из накопительного диода 3 и зашунтированного обратным диодом 4 элемента, формирующего прямой ток через накопительный диод 3, и однооперационный тиристор 6.

Тиристорный ключ, изображенный на фиг. 2, снабжен дополнительным диодом 7,

включенным между однооперационным тиристором 6 и вспомогательной цепью, причем катод дополнительного диода 7 соединен с катодом однооперационного тиристора 6.

Тиристорный ключ, изображенный на фиг. 4, дополнительно снабжен цепью отпирания, состоящей из последовательно соединенных токоограничивающего элемента 8 и диода 9, и цепью запирания, состоящей из последовательно соединенных токоограничивающего элемента 10 и обратного диода 11, причем цепи отпирания и запирания соединены параллельно и подключены между управляющим электродом двухопераци- онного тиристора 1 и катодом однооперационного тиристора 6.

Тиристорный ключ работает следующим образом.

Пусть до момента to силовой одноопе- рационный тиристор 6 открыт и проводит ток нагрузки н. В момент времени to отпирают двухоперационный тиристор 1, осуществляя перевод тока с тиристора 6 на тиристор 1. В контуре 2-6-1-2 начинает протекать ток, скорость нарастания которого ограничивается монтажными индуктив- ностями данного контура. В момент времени ti заканчивается рассасывание избыточного заряда у анодного р-n перехода тиристора 6, этот р-n переход восстанавливает блокирующие свойства и начинается спад тока в контуре 2-6-1-2. С момента ti на тиристоре 6 появляется обратное анодное напряжение. Соответственно, к дроссе- л,ю 5 также с момента ti прикладывается напряжение и в контуре 2-5-3-1-2 происходит нарастание тока. Скорость этого нарастания определяется значением напряжения источника 2 и индуктивностью дросселя 5. При протекании тока по указанному контуру происходит накопление заряда в диоде 3 на интервале (to, t2). Интервал (to, t2) tB.cx. является также временем, предоставляемым схемой для выключения од- нооперационного тиристора 6. В момент времени tz подают запирающий импульс управления на двухоперационный тиристор 1. Последний начинает запираться и его анодный ток переводится на вспомогательную цепь. Двухоперационный тиристор 1 запирается в облегченном режиме, так как на этапе спада анодного тока к нему не прикладывается анодное напряжение, Следовательно, потери при запирании тиристора 1 практически отсутствуют. В момент времени ta заканчивается процесс рассасывания избыточных носителей около р-n перехода диода 3, а затем на интервале (ta, t) протекает процесс восстановления обратной вен- тильной прочности диода 3. Инерционность этого процесса ограничивает скорость нарастания анодного напряжения на тиристорах 6 и 1. В момент Т4 коммутационные процессы в тиристорном ключе заканчиваются и схема готова к следующей коммутации.

При использовании в качестве элемента, формирующего прямой ток через накопительный диод, управляемого ключевого элемента 5 (см. фиг. 3), например, однооперационного тиристора,отличие в работе ти- ристорного ключа заключается в том, что можно посредством регулируемой задержки At между отпиранием двухоперацион- ного тиристора 1 и ключевого элемента 5 регулировать накапливаемый в диоде 3 заряд и, соответственно, время облегченного выключения независимо от времени, предоставляемого для запирания тиристора 6. Это позволяет увеличить КПД и надежность тиристорного ключа, за счет уменьшения мощности, выделяющейся в элементах тиристорного ключа, и уменьшения средней мощности источника 2 напряжения.

При использовании в качестве источника 2 напряжения источника двуполярных импульсов отличие в работе тиристорного ключа состоит в том, что в момент времени t2 изменяется полярность напряжения источника 2 и к двухоперационному тиристору 1 прикладывается обратное напряжение, т.е. он работает в режиме комбинированной коммутации (см. пунктир на фиг. 5). Это позволяет увеличить .надежность запирания двухоперационного тиристора и увеличит коммутируемую им мощность.

Введение дополнительных цепей отпирания и запирания позволяет исключить формирователь импульсов управления для двухоперационного тиристора 1, что значительно упрощает Тиристорный ключ.

Тиристорный ключ (см. фиг. 4) работает аналогично описанному, причем при полярности на зажимах источника 2, указанной на фиг. 4 без скобок, по цепи 2-8-9 - входная цепь тиристора 1-2 протекает отпирающий ток управления тиристора 1, а с момента tz при изменении полярности напряжения источника 2 (см. полярность в скобках фиг. 4), по цепи 2 - входная цепь тиристора 1-11- 10-2 протекает запирающий ток управления тиристора 1.

Однооперационные тиристоры выпускаются на предельные рабочие токи существенно большие, чем наиболее мощные двухоперационные тиристоры. Перегрузочная способность у однооперационного тиристора выше, чем у двухоперационного. Кроме того, как видно из принципа работы тиристорного ключа, ток нагрузки протекает через однооперационный тиристор на этапе проводящего состояния ключа, а через двухоперационный тиристор - только на этапе коммутации однооперационного тиристора.

Таким образом, в предлагаемом устройстве двухоперационный тиристор работает в импульсном режиме, а как показали экспериментальные исследования, в таком режиме работы двухоперационного тиристора в несколько раз возрастает предельно запираемый ток по сравнению с режимом длительно протекающего тока. Кроме того, двухоперационный тиристор включается и выключается в облегченном режиме (включение тиристора происходит при низком напряжении, а при выключении нарастание напряжения на нем осуществляется после спада анодного тока), т.е. тепловыделение в его полупроводниковой структуре на этапах включения и выключения практически отсутствует, что дополнительно увеличивает предельно запираемый ток.

Таким образом, в предлагаемом устройстве благоприятные условия работы двухоперационного тиристора (импульсный режим с большой скважностью, а также облегченные условия включения и выключения) позволяют существенно увеличить предельный коммутируемый двухопераци- онным тиристором ток и как бы подтянуть его к коммутируемому току более мощного однооперационного тиристора.

Таким образом двухоперационный и од- нооперационный тиристоры в предлагаемом устройстве используются в наиболее благоприятных режимах эксплуатации. Это позволяет существенно увеличить коммутируемый тиристорным ключом ток и повысить его перегрузочную способность по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

однооперационный тиристор, анодом подключенный к катоду накопительного диода, а катодом - к положительному выводу источника напряжения, причем силовыми выводами тиристорного ключа являются анод и катод однооперационного тиристора.

прямой ток через накопительный диод, выполнен в виде управляемого ключа.

надежности запирания и увеличения коммутируемой мощности, источник напряжения выполнен в виде источника двуполярных импульсов.

введены цепь отпирания, состоящая из последовательно соединенных токоограничи- теля и диода, и цепь запирания, состоящая из последовательно соединенных токоограничителя и обратного диода, причем цепи отпирания и запирания соединены параллельно и подключены между катодом одно- операционного тиристора и управляющим электродом двухоперационного тиристора.

2SJ

7

j6r

, f

+3Фиг. 2

2SJ

V

7

% 4/

j

J0T

0W2.J

V

V У

0г/2.4

9&г. f

b ts 4