Устройство для ограничения напряжения на запираемом тиристоре Советский патент 1992 года по МПК H02M1/08 H02M7/12 

4

(Л

С

Сущность изобретения, при отключении запираемого тиристора 6 происходит заряд конденсатора 1 через диод 4 и эмиттертран- зистора 5. Ток заряда конденсатора усиливается транзистором, который шунтирует запираемый тиристор и ограничивает скорость нарастания напряжения. Ток разряда конденсатора при отпирании запираемого тиристора перетекает через резистор 7 и диод 2. 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

0 Фиг. 1

vj

Ј

М

VJ

5 Ч

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к элементам ограничения напряжения на полупроводниковых приборах.

Известно устройство ограничения напряжения (УОН) на силовом ключе, содержащее цепь из соединенных последовательно конденсатора и индуктивности, шунтированной диодом.

Недостатками такого устройства являются значительные масса и габариты, определяемые требуемой величиной емкости конденсатора и наличием дросселя, а также то, что устройство позволяет исключить подачу на запираемый тиристор (ЗТ) прямого напряжения лишь в начальной части переходного процесса, связанного с его выключением, однако на завершающей части процесса вследствие перезаряда конденсатора напряжение на ЗТ может в 3 и большее число раз превысить ЭДС источника питания,

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее цепь из последовательно соединенных конденсатора и резистора, шунтированного диодом, подключаемую паралельно ЗТ.

Недостатками этого устройства являются большая масса и габариты, значительная мощность потерь и относительно высокая стоимость. Указанные недостатки связаны с тем, что при выключении ЗТ прерывание тока происходит с большой скоростью - (di/dt 5: 1000 А/мкс), а ЗТ имеет повышенную чувствительность к электрическим воздействиям на интервалах коммутации. При этом в УОН требуется конденсатор с большой емкостью, и, кроме того, конденсатор и другие элементы УОН должны иметь специальную безындуктивную конструкцию.

Целью изобретения является уменьшение массы и габаритов.

Кроме того, может быть обеспечено увеличение надежности работы запираемого тиристора, расширение функциональных возможностей устройства и снижение мощности потерь.

Цель уменьшения массы, габаритов достигается тем, что требуемая емкость конденсатора, ограничивающего напряжение на ЗТ, во много раз меньше, чем в известных схемах, благодаря эффекту, создаваемому аналогом биполярного транзистора, включенным параллельно ЗТ, в цепь базы которого включен конденсатор. Такую схему можно рассматривать как эквивалентный конденсатор с усиленным в /Зраз емкостным эффектом, где J3- коэффициент

передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером.

Значительное уменьшение емкости конденсатора приводит к соответствующему уменьшению мощности потерь в нем при коммутации ЗТ.

Дополнительное усиление эффекта ограничения напряжения в моменты времени, когда внешнее напряжение на ЗТ может

0 достигать критических значений, получаем путем введения источника импульсов управления, обеспечивающего в указанные моменты времени требуемую степень шунтирования транзистором ЗТ и ограниче5 ния тем самым напряжения на нем. Этим обеспечивается увеличение надежности работы ЗТ.

Под расширением функциональных возможностей здесь понимается обеспече0 ние ограничение скорости нарастания тока (di/dt) через ЗТ на интервалах его включения. Это обеспечивается введением источника управляющих импульсов тока, переводящего шунтирующий транзистор в

5 проводящее состояние, на интервалах отпирания ЗТ. При этом обеспечивается режим, когда ток разряда конденсатора при включении ЗТ протекает через шунтирующий его транзистор, а через ЗТ проходит только на0 растающий ток внешней цепи. Этим достигается дополнительное повышение надежности работы ЗТ.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для ограничения напряжения

5 на запираемом тиристоре, содержащем конденсатор, первый вывод которого соединен с первой выходной клеммой устройства, предназначенной для подключения к аноду запираемого тиристора, а второй вывод со0 единен с анодом первого диода, и резистор, первый вывод которого связан с второй выходной клеммой устройства, предназначенной для подключения к катоду запираемого тиристора, введены аналог биполярного

5 транзистора и второй диод, анод которого соединен с вторым выводом резистора, а катод - с вторым выводом конденсатора, первый вывод которого соединен с коллектором аналога биполярного транзистора,

0 баз которого соединена с катодом первого диода, а эмиттер связан с второй выходной клеммой устройства. При этом аналог биполярного транзистора выполнен, виде составного транзистора, введены третий и

5 четвертый диоды и источник управляющих импульсов, первый вывод которого предназначен для подключения к управляющему электроду запираемого тиристора, а второй соединен с анодом третьего диода и катодом четвертого диода, анод которого соединен с второй выходной клеммой устройства, причем катод третьего диода соединен с базой аналога биполярного транзистора, введены третий и четвертый диоды, импульсный трансформатор и источник управляющих импульсов, выход которого соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора, причем катод третьего диода со- единен с базой аналога биполярного транзистора, анод третьего диода предназначен для подключения к управляющему электроду запираемого тиристора и соединен с катодом четвертого диода, анод которого соединен с эмиттером аналога биполярного транзистора и первым выводом резистора, связанным с второй выходной клеммой устройства через вторичную обмотку импульсного трансформатора, введен импульсный трансформатор, первичная обмотка которого выполнена с меньшим числом витков, чем вторичная, включенная между базой и эмиттером аналога биполярного транзистора, причем первый вывод резистора связан с второй выходной клеммой устройства через первичную обмотку импульсного трансформатора, введены третий диод, импульсный трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена со средним выводом, и генератор импульсов управления, выход которого соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора, начало вторичной обмотки которого предназначено для подключения к управляющему элеюроду запираемого тиристора, конец вторичной обмотки импульсного трансформатора через согласно включенный третий диод соединен с базой аналога биполярного транзистора, а средний вывод - с второй выходной клеммой устройства, введен стабилитрон, включенный параллельно конденсатору.

На фиг. 1 показан вариант схемы УОН с биполярным транзистором (БТр), шунтирующим ЗТ; на фиг. 2 - вариант схемы УОН с составным транзистором; на фиг. 3 - вариант схемы УОН с двумя дополнительными диодами и источником управляющих импульсов; на фиг. 4 - вариант схемы УОН с импульсным трансформатором и источником управляющих импульсов; на фиг. 5 - вариант схемы УОН с импульсным трансформатором (автотрансформатором); на фиг. 6 - вариант схемы УОН с источником управляющих импульсов и импульсным трансформатором с вторичной обмоткой со средним выводом; на фиг. 7- вариант схемы УОН со стабилитроном, включенным параллельно конденсатору; на фиг. 8 - эпюры тока и напряжения в УОН, выполненном по схемам фиг. 1 и 2; на фиг. 9 - эпюры тока и

напряжения в УОН, выполненном по схемам фиг. 3 и 4; на фиг. 10 - эпюры тока и напряжения в УОН, выполненном по схеме фиг. 5; на фиг. 11 - эпюры тока и напряжения в

УОН, выполненном по схеме фиг. 6; на фиг. 12 - эпюры тока и напряжения в УОН, выполненном по схеме фиг. 7.

УОН на фиг. 1 содержит конденсатор 1, соединенный одной клеммой с катодом диода 2. Общая точка 3 конденсатор 1 и диода 2 соединена через согласно включенный диод 4 с базой биполярного транзистора (БТр) 5, эмиттер которого соединен с катодом ЗТ 6 и через резистор 7 - с анодом диода 2.

Вторая клемма конденсатора 1 соединена с коллектором БТр 5 и анодом ЗТ 6. На фиг. 1 показана также индуктивность внешней цепи 8.

УОН на фиг. 2 отличается от фиг, 1 тем,

что катод диода 4 соединен с базой БТр 5 через цепи базы - эмиттер дополнительных биполярных транзисторов 9 и 10, коллекторы которых соединены с коллектором БТр 5. УОН на фиг. 3 отличается от фиг. 1 тем.

что введен источник 9 управляющих импульсов, одной клеммой подключенный к электроду управления ЗТ 6, а другой клеммой через согласно включенный диод 10 соединенный с базой БТр 5 и через встречно

включенный диод 11 -.с эмиттером БТр 5 и катодом ЗТ 6.

УОН на фиг. 4 отличается от фиг. 1 тем, что введен импульсный трансформатор 9, первичная обмотка которого подключена к

источнику 10 управляющих импульсов, вторичная обмотка одной клеммой подключена к катоду ЗТ 6, а второй клеммой через согласно включенный диод 11 - к электроду управления ЗТ 6. Катод диода 11 через согласно включенный диод 12 подключен к базе БТр 5.

На фиг. 5 УОН отличается от фиг. 1 тем, что имеет импульсный трансформатор (автотрансформатор) 9, через первичную обмотку Wi которого сопротивление 7 соединено с катодом ЗТ 6 и эмиттером БТр 5, а через вторичную обмотку Л/2 и сопротивление 10 база БТр 5 соединена с его эмиттером и катодом ЗТ 6.

На фиг. 6 УОН отличается от фиг. 1 тем, что имеет импульсный трансформатор 9 с дополнительным выводом 10 от вторичной обмотки 11. Первичная обмотка 12 соединена с источником 13 управляющих импульсов, вторичная обмотка началом соединена с электродом управления ЗТ 6, а концом через согласно включенный диод 14 - с базой БТр 5. Дополнительный вывод 10 вторичной обмотки соединен с катодом ЗТ 6.

На фиг. 7 УОН отличается от фиг. 1 тем, что параллельно цепи коллектор - база БТр 5 через диод 4 включен стабилитрон 9.

УОН на фиг. 1 работает следующим образом. При подаче напряжения конденсатор 1 заряжается от внешней сети через индуктивность 8 по контуру: конденсатор 1, дисд 4, база - эмиттер БТр 5. На интервале протекания зарядного тока конденсатора 1 БТр 5 переходит в проводящее состояние, по окончании тока запирается.

После подачи отпирающего импульса на ЗТ 6 он отпирается и конденсатор 1 разряжается по контуру: анод-катод ЗТ 6, резистор 7, диод 2.

После подачи на ЗТ 6 запирающего сигнала (момент ti на фиг. 8) начинается процесс его выключения и на нем, на БТр 5 и на конденсаторе 1 постепенно возрастает напряжение UAK. Конденсатор 1 заряжается по контуру: анод ЗТ 6, диод 4, база- эмиттер БТр 5, катод ЗТ 6. При этом коллекторный ток БТр 5 соответствует усиленному в {3 раз току конденсатора 1. Тем самым создается эффект наличия конденсатора, имеющего емкость в ( /3+1) раз большую, чем емкость самого конденсатора 1. Это позволяет, например, получить характер коммутационного процесса тот же, что и в схеме устройства, принятого в качестве прототипа, но достигается это при емкости конденсатора в ( / +1) раз меньшей.

На фиг. 8 приняты следующие обозначения: IA - анодный ток ЗТ 6; UAK - напряжения на ЗТ 6; UIM - подъем напряжения на ЗТ 6, определяемый напряжением на конденсаторе в момент t2 и напряжением на индуктивности контура УОН, связанным с быстрым переводом тока сети с ЗТ 6 на УОН; U2M - максимальное напряжение на ЗТ 6, соответствующее максимальному напряжению на конденсаторе 1,определяемому величиной энергии, накопленной в индуктивности 8 внешней цепи в момент ti начала выключения ЗТ 6; Е - ЭДС внешнего истэчника питания; U - провал напряжения на ЗТ 6 в момент t4, связанный с обрывом обратного тока диода 4 при разряде конденсатора через внешний источник питания; t5 - момент окончания переходного процесса, связанного с выключением ЗТ 6.

Таким образом, поскольку требуемая вел лчина емкости конденсатора в предлагаемом устройстве в ( /3+1) раз меньше, чем в известном УОН, то это обеспечивает соответствующее уменьшение массы и габаритов УОН и соответствующее снижение мощности потерь.

УОН, показанное на фиг. 2, работает так же, как и УОН на фиг. 1, однако величина коэффициента fl в этой схеме во много раз больше, что позволяет во столько же раз

уменьшить величину требуемой емкости конденсатора 1. При этом соответственно возрастает технический эффект.

УОН на фиг. 3 работает следующим образом.

При подаче напряжения УОН работает так же, как и схема на фиг. 1. При подаче на ЗТ 6 отпирающего импульса он протекает в контуре; источник 9 управляющих импульсов, электрод управления - катод ЗТ 6,

диод 11. При этом УОН работает так же, как и схема на фиг. 1.

Для прерывания тока в ЗТ от источника 9 управляющих импульсов в момент ti (фиг. 9) поступает импульс запирающего тока,

протекающего в контуре: диод 10, база- эмиттер БТр 5 и катод-электрод управления ЗТ 6. При этом одновременно с началом процесса запирания ЗТ 6 отпирается БТр 5, шунтируя ЗТ 6 и конденсатор 1, что существенно ограничивает величину напряжения UIM (фиг. 9, время t2), влияющую на надежность работы ЗТ 6. После окончания импульса запирающего тока () переходный процесс в УОН протекает так же, как и в

схеме фиг. 1.

УОН на фиг. 4 работает следующим образом.

При подаче напряжения УОН работает так же, как и схема на фиг. 1. При подаче на

ЗТ 6 отпирающего импульса он протекает в контуре: вторичная обмотка импульсного трансформатора 9, диод 11, электрод управления - кагод ЗТ 6. При подаче на ЗТ 6 запирающего импульса последний протекает в контуре: вторичная обмотка импульсного трансформатора 9, катод-электрод управления ЗТ 6, диод 12, база-эмиттер БТр

тому, который имеет место в УОН на фиг. 3 (см. фиг. 9).

УОН, показанное на фиг. 5, работает следующим образом.

При подаче напряжения УОН работает так же, как и УОН на фиг. 1.

При подаче отпирающего импульса на ЗТ 6 он отпирается и ток разряда конденсатора 1 замыкается в контуре: анод-катод ЗТ

6,первичная обмотка Wi импульсного авто- трансформатора 9, резистор 7, диод 2. Одновременно во вторичной обмотке Л/2 будет протекать импульс тока, замыкающийся в контуре: вторичная обмотка Л/2, резистор 10, база-эмиттер БТр 5. Последнее обеспечивает отпирание БТр 5 одновременно с

отпиранием ЗТ 6. Это позволяет резко уменьшить скорость нарастания тока IA в ЗТ б, поскольку весь ток разряда конденсатора Ur при соотношении W2/Wi /3 протекает через БТр 5(), минуя ЗТ6(фиг, 10). Это существенно повышает надежность работы ЗТ.

При запирании ЗТ 6 процессы в схеме УОН до момента времени t4 (фиг. 10) протекают так же, как в схеме УОН на фиг. 1. В момент t4 при обрыве обратного тока диода 4 ток разряда конденсатора 1 начинает снова протекать через обмотку Wi и ток, возни- кающий в Wa, отпирает БТр 5 в усилительном режиме. Ток разряда конденсатора 1 наряду с протеканием через внешний источник будет замыкаться также и через БТр 5, ускоряя окончание процесса разряда конденсатора до значения Е (момент ts). Тем самым уменьшается длительность переходного процесса при выключении ЗТ и улучшаются частотные свойства схемы.

УОН, показанное нэ фиг. 6, работает следующим образом.

При подаче напряжения от внешней сети происходит заряд конденсатора 1 так же, как и в УОН на фиг. 1.

Для включения ЗТ 6 управляющий импульс подают от части вторичной обмотки трансформатора 9 с полярностью плюс на электроде управления ЗТ 6 и минус на катоде. Напряжение другой части обмотки блокируется диодом 14. Величина тока импульса управления задается током первичной обмотки, поступающим от устройства 13.

Для запирания ЗТ 6 на первичную обмотку трансформатора 9 в момент to (фиг. 11) подают импульс тока обратной полярности и поступает запирающий импульс на электрод управления ЗТ 6 от первой части обмотки 11. От второй части обмотки 11 отпирающий импульс IG поступает на базу БТр 5 через диод 14. При этом анодный ток ЗТ 6 переводится на интервале на БТр 5. Так обеспечивается спадение тока ЗТ 6 при низком напряжении на нем и снижаются потери выключения в ЗТ 6. Тем самым увеличивается его запирающая способность и надежность работы. Наибольший ток базы БТр 5 выбирают таким, чтобы обеспечивалось протекание через БТр 5 тока, равного анодному току ЗТ 6 перед запиранием. Затем после перехода тока с ЗТ 6 на БТр 5 и выдержки времени (момент ts) ток базы IG транзистора уменьшают с заданной скорость - (dia/dt)1, обеспечивающей допустимую скорость нарастания напряжения на ЗТ 6 (интервал ). В момент t4 увеличивают скорость спада управляющего тока ic до значения - (dia/dt)2, при котором будет обеспечиваться наперед заданная величина U2M на ЗТ 6,

(diA/dt)2,

где LS- величина индуктивности 8 на фиг. 6. Практически можно снизить величину U2M в 2 раза по сравнению с другими известными схемами УОН.

Таким образом в УОН, выполненном по схеме фиг. 6, обеспечивается возможность полностью контролировать режим коммутации ЗТ, снижение требования к крутизне фронта управляющих импульсов тока и тем

самым упрощение аппаратуры и монтажа системы управления, повышение коммутирующей способности ЗТ и увеличение надежности за счет уменьшения мощности потерь при коммутации и снижения выбросов напряжения при запирании.

УОН, показанное на фиг. 7, работает следующим образом.

При подаче напряжения от внешней сети и при отпирании ЗТ 6 процессы в схеме

происходят так же, как и в схеме на фиг. 1. При запирании ЗТ 6 процессы в схеме (фиг. 7) до момента t3 протекают так же, как и в схеме УОН на фиг. 1. На интервале (фиг. 12) напряжение, прикладываемое к ЗТ 6,

превышает напряжение срабатывания стабилитрона 9 и ток протекает в контуре: анод ЗТ 6, стабилитрон 9, диод 4, цепь база-эми г- тер БТр 5, катод ЗТ 6. При этом напряжение на ЗТ 6 ограничивается величиной U2M, которая может быть такой же, как и в схеме фиг. 6. В момент te переходной процесс, связанный с выключением ЗТ 6, заканчивается.

Таким образом, предлагаемое УОН позволяет в 10 и большее число раз сократить требуемую емкость конденсатора в схеме УОН и тем самым значительно уменьшить массу, габариты и мощность потерь; не предъявлять к индуктивности цепей и элементов УОН особых требований и тем самым существенно упростить конструкцию и стоимость УОН; осуществлять контроль за ходом коммутационного процесса включения и выключения ЗТ как на отдельных отрезках времени, так и на всем интервале коммутации и тем самым снизить требования к форме тока управляющих импульсов ЗТ, а следовательно, упростить систему управления; снизить коммутационные потери

в ЗТ за счет уменьшения di/dt при включении и ограничения величины 1НМ и 1)2м при выключении. При этом расширяются функциональные возможности УОН и увеличивается коммутирующая способность ЗТ либо

существенно возрастает надежность его работы.

Формула изобретения

выводом резистора, связанным с второй вы- ходной клеммой устройства через вторичную обмотку импульсного трансформатора. 5. Устройство по пп. 1 и2,отличаю- щ е е с я тем, что, с целью расширения

функциональных возможностей и повышения надежности, введен импульсный трансформатор, первичная обмотка которого выполнена с меньшим числом витков, чем вторичная, включенная между базой и эмиттером аналога биполярного транзистора, причем первый вывод резистора связан с второй выходной клеммой устройства через первичную обмотку импульсного трансформатора.

средним выводом, и источник управляющих импульсов, выход которого соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора, начало вторичной обмотки которого предназначено для подключения к управляющему электроду запираемого тиристора, конец вторичной обмотки импульсного трансформатора через согласно включенный третий диод соединен с базой аналога биполярного транзистора, а средний вывод

- с второй выходной клеммой устройства.

ГО

Г-- rvT

т rOv|

ГО

Cvl

rO

Ш8.5

#

/т

10

1

6

V

j

Ь

5

н

3

W Д2

7

i фиг.

±

ЕЭ

V

Фиг

t, tz

з t

Фиг.8

Фиг.9

CM CM

r- r- T T r-CN

.i

t1 ttЈj

i

I

Фиг.П ts ts