Способ выключения запираемого тиристора Советский патент 1992 года по МПК H02M1/08 H02H7/20 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразователях на базе запираемых тиристоров, особенно в высоковольтных вентилях из п последовательно соединенных тиристоров.

Известен способ выключения запираемого тиристора, заключающийся в том, что отрицательный (запирающий) импульс тока управления формируют нарастающим от нулевого значения до максимального вплоть до достижения контрольным параметром в. анодной цепи заданной величины (в данном случае до изменения полярности анодного

напряжения), после чего - спадающим от упомянутого максимального значения до нуля.

Импульс управления запиранием при этом получается экономичным, но способ не обеспечивает надежного выключения тиристора на завершающем этапе выключения (во время хвоста it), так как не обеспечивается отрицательного смещения управляющего перехода.

Известен способ выключения тиристора, состоящий в подаче на его управляющий электрод двух запирающих сигналов - мощvjN х| х| ю

ного (токового) длительностью tgq, и маломощного с длительностью, равной периоду приложения к СЗТ положительного анодного напряжения. Этот способ позволяет запереть тиристор на всех этапах, в том числе обеспечить термостабильность и du/dt - стойкость на хвосте tt. Однако при этом необходимо использование источников питания, напряжение которых UBx не превышает напряжения пробоя управляющего p-n-перехода UGQ. Для современных силовых запираемых тиристоров (СЗТ) требуются импульсы выключения с амплитудой IGQM порядка сотен ампер и крутизной diRG/dt(40-50) А/мкс. При реали- зация импульсовтаких параметров наталкивается на значительные технические трудности, обусловленные наличием потерь энергии в цепях формирователя.

Наиболее близким к предлагаемому яв- ляется способ выключения СЗТ, состоящий в формировании запирающего импульса от источника питания, напряжение которого Usx больше пробивного напряжения управляющего перехода UGQ, и отводе после вое- становления блокирующих свойств этого перехода избыточного тока от него в шунтирующую цепь.

В известном способе достигаются любые требуемые IGQM и diRG/dt. а кроме того, принудительно формируется смещение на управляющем переходе на время tt. Однако в этом случае полезно используется лишь незначительная часть тока формирователя, а его большая часть отводится в шунтирую- щую цепь, что приводит к повышению мощности последней, а потому и к повышению энергопотребления формирователя в целом, что нежелательно во всех случаях, особенно при управлении цепочкой из п последовательных СЗТ. Избыточные токи в формирователе приводят к избыточному тепловыделению в нем, снижению надежности и усложнению системы управления. В процессе коммутации запирающего тока с рл-перехода в шунтирующую цепь возникают перенапряжения, которые могут привести к отказу СЗТ. Способ-прототип не предусматривает создания отрицательного смещения на весь период приложения к СЗТ положительного анодного напряжения (т. е. после завершения периода tt). Такая ситуация недопустима при использовании СЗТ в преобразователях, где имеются коммутации анодного напряжения с высоким dU/dt.

Целью изобретения является повышение надежности тиристора на всех этапах запирания и в прямом блокирующем состоянии.

Поставленная цель достигается тем, что запирающий импульс формируют путем наложения трех импульсов: первого, представляющего собой треугольник с длительностью переднего фронта ts, где ts - время задержки запирания данного тиристора; второго, представляющего собой токовый импульс, спадающий по экспоненте с постоянной времени, равной времени жизни неосновных носителей в n-базе тиристора, и третьего импульса напряжения, по амплитуде не превышающего UGQ, длительностью вплоть до подачи ближайшего импульса управления включением, причем начало второго импульса совпадает по времени с окончанием переднего фронта первого импульса, а начало третьего - с окончанием второго, в то время как амплитуда второго импульса в момент окончания первого составляет UGQ

Но

to

где Rt0 сопротивление управляющего перехода в указанный момент.

Физическая сущность способа состоит в следующем.

При запирании тиристора первым отрицательным импульсом управления (фиг. 2а) избыточные носители интенсивно выводятся из р-базы, и к концу периода tt, длящегося для различных типов СЗТ от 3-4 до 25-30 мкс, управляющий pn-переход СЗТ восстанавливается. Ток через СЗТ и, соответственно, через pn-переход резко обрывается. Однако к моменту обрыва тока в n-базе тиристора остались избыточные носители, которые не успели вывестись анодным током на этапы спада. Эти носители оказываются запертыми в n-базе и рекомбинируют в ней с постоянной времени жизни неосновных носителей гр , создавая в анодной цепи ре- комбинационный ток - так называемый ток хвоста It, который протекает также и через управляющий переход в прямом направлении, снижая его сопротивление Rt, причем Rt(t)Ri0-exp(T/Tp) Ток в управляющем переходе способен привести к неконтролируемому включению СЗТ частью площади, снижению dU/dt - стойкости и термостабильности. Чтобы избежать этих крайне не- желательных явлений, требуется обеспечить отрицательное смещение рп-пе- рехода на весь период приложения положительного анодного напряжения. Предлагаемый способ состоит в том, что это смещение достигается на двух физически различных этапах работы СЗТ - интервал времени tt и все остальное время вплоть до подачи ближайшего импульса управления

(фиг. 2г) качественно различными способами. На время tt за счет второго токового импульса через pn-переход пропускают следящий противоток (фиг. 26), а в остальное время когда переход полностью восстановлен, прикладывают отрицательное смещение U UGQ (фиг. 2д) от маломощного источника (фиг. 2в).

Экономичный импульс смещения следит за изменениями сопротивления управляющего перехода и обеспечивает устойчивое смещение в любой момент времени при одновременном обеспечении достаточного по крутизне и амплитуде запирающего импульса, мощность и форма которого непосредственно в управляющем pn-переходе СЗТ практически совпадают с параметрами формирователя. На базе предлагаемого способа можно разработать устройство, которое автоматически отслеживает изменение параметра управляющего перехода СЗТ в процессе выключения, и формирует оптимальный запирающий импульс. Снижение потребляемой при запирании мощности позволяет управлять цепочкой из п последовательно включенных СЗТ.

На фиг. 1 показана зависимость сопротивления управляющего перехода Rt от вре- мени на этап хвоста ; на фиг. 2 - диаграммы напряжений и токов в СЗТ при запирании по предлагаемому способу; на фиг. 3 - функциональная схема устройства для управления (включения и выключения) СЗТ, реализующая предложенный способ.

Устоойство (фиг. 3) содержит запираемый тиристоо 1, источник 2 питания, состоящий из источника питания цепи включения, образованного накопительным конденсатором 3, диодом 4 и одной вторичной обмоткой трансформатора 5, и источника питания цепи запирания,образованного конденсатором 6, диодом 7 и другой вторичной обмоткой того же трансформатора 5, устройство-задатчик 8 импульсов включения и устройство-задатчик 9 импульсов запирания, при этом первые выходы устройств 8 и 9 соединены соответственно с управляющими электродами модуляторных тиристоров 10 и 11 в цепях включения и запирания, а вторые их выходы - с базовыми электродами зарядных транзисторов 12 и 13, стоящих соответственно в цепях включения и запирания, формирующий конденсатор 14, включенный через ограничивающий резистор 15, формирующий конденсатор 16 и RC-цепь 17-18, включен- ные параллельно управляющему переходу запираемого тиристора 1,сопротивление 19 смещения, включенное между анодом диода 7 и электродом управления тиристора 1, а между электродом управления и катодом СЗТ 1 включен диод 20 и ограничительный диод 21.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения на трансформатор 5 через диоды 4 и 7 заряжаются накопительные конденсаторы 3 и 6. По сигналу с

устройства-задатчика 9 выдаются управляющие импульсы на тиристор 11 в цепи запирания и транзистор 13 в цепи включения. При этом управляющего импульса запирания на СЗТ не формируется из-за отсутствия

напряжения на конденсаторах 16 и 18, а также из-за отсутствия силового анодного тока в СЗТ, а транзистор 13 включается и происходит заряд формирующего конденсатора 14. Затем по сигналу на тиристор 10

и транзистор 12 поступают управляющие сигналы. В цепи модуляторный тиристор 10 |- конденсатор 14. ограничивающий резистор 15 - управляющий переход СЗТ 1 формируется положительный импульс

управления. СЗТ включается, пропуская анодный ток. В то же время происходит заряд конденсаторов 16 и 18 через включенный транзистор 12. При поступлении следующего сигнала Выкл. от устройства

9 на СЗТ 1 подается управляющий импульс выключения, а в цепи включения через транзистор 13 вновь заряжается конденсатор 14. Устройство управления введено в работу. Импульс выключения формируется наложением двух сигналов: первого - за счет разряда конденсатора 16 через управляющий pn-переход СЗТ 1 и второго - за счет разряда цепи R17-C18 через тот же переход. Параметры R17 и С18 таковы, что их

постоянная n R17-C18J rp ts.

Поэтому к концу периода времени ts заряд с конденсатора 18 успевает стечь не более, чем на 10-20%. В этот момент восстанавливается pn-переход, его сопротивление скачком увеличивается, а затем растет экспоненциально (фиг. 1) и превышает R17. Постоянная времени разряда дополнительной цепи становится (t) С18. Но при этом напряжение на С18 еще существенно превышает UGQ, и цепь защиты 20- 21 пропускает ток, ограниченный только резистором 17. В этих двух целях идут одновременно два различных процесса: в рп-пе- реходе СЗТ ток спадает в соответствии с

Rt Rtoexpt/ rp, а в шунтирующем ограничителе 20 и 21 - экспоненциально с постоянной Г гр . Таким образом, переход всегда потребляет именно такой ток, который необходим для смещения на величину UGQ. Ток

второго импульса обрывается в тот момент, когда он становится меньше тока удержания тиристора 11. С этого момента смещение UGQ обеспечивается от накопительного конденсатора 6 через высокоомное ограни- чительное сопротивление 19.

Устройство на фиг. 3 находится в таком состоянии до выдачи блоком 8 следующего сигнала Вкл., после чего цикл повторяется.

Использование предлагаемого способа позволяет сформировать оптимальный (необходимый и достаточный) токовый импульс управления для запирания СЗТ и обеспечить устойчивое отрицательное смещение pn-перехода заданной величины при любых значениях сопротивления перехода. Устройство управления на его основе автоматически отслеживает изменение параметров управляющего перехода СЗТ и формирует необходимый и достаточный для смещения pn-перехода ток. Устройство на основе предлагаемого способа требует существенно меньшей мощности источников питания, поскольку по способу-прототипу необходимо сформировать длинный (около 100 мкс) запирающий импульс полной амплитуды IGQM. В предлагаемом способе длительность импульса такой амплитуды сокращается на порядок. Это особенно су- щественно при конструировании высоковольтных вентилей на СЗТ.

Таким образом у предлагаемого способа появляются следующие свойства: различные импульсы и раздельные цепи для их формирования на физически различных этапах выключения СЗТ. что исключает провалы в эпюре напряжения на управляющем электроде и следующие за ними неконтролируемые включения, приводящие к отказу СЗТ на этапе хвоста ; мощность формирователя импульсов выключения соответствует мощности, потребляемой СЗТ на этапе запирания по управляющему электроду, а мощность источника смещения минимизи-

рована. Этим достигается повышение надежности тиристора на всех этапах запирания и в прямом блокирующем направлении. Реализация предлагаемого способа не нуждается в отдельных мощных источниках смещения; мощность одной цепи смещения не превышает 0,5 Вт; цепь может быть запи- тана от источника в формирователе импульсов выключения; устройство управления на его основе не содержит мощных тепловыделяющих элементов.

Формула изобретения Способ выключения запираемого тиристора, состоящий в формировании запирающего импульса от источника питания, напряжение которого UBx больше пробивного напряжения управляющего перехода UGQ, и отводе после восстановления блокирующих свойств этого перехода избыточного тока от него в шунтирующую цепь, о т- личающийся тем, что, с целью повышения надежности тиристора на всех этапах запирания и в прямом блокирующем состоянии, упомянутый запирающий импульс формируют путем наложения трех импульсов, первого, представляющего собой треугольник с длительностью переднего фронта is, где ts - время задержки запирания данного тиристора, второго, представляющего собой токовый импульс, спадающий по экспоненте с постоянной времени, равной времени жизни неосновных носителей в п-базе тиристора, и третье го импульса напряжения, по амплитуде не превышающего UGQ и длительностью вплоть до подачи ближайшего импульса управления включением, причем начало второго импульса совпадает по времени с окончанием переднего фронта первого импульса, а начало третьего - с окончанием второго, в то время как амплитуда второго импульса в момент окончания первого составляет

lto UGQ/Rt.

где Rt - сопротивление управляющего перехода в указанный момент.

, /7/. ттг I | третий Ь //Л нКпувЬс j I (напряжения/

Сущность изобретения: способ позволяет повысить надежность работы силовых за- пиоаемых тиристоров и системы управления ими, а также снизить энергопотребление последней. Цель достигается за счет сокращения длительности основного запирающего импульса и обеспечения отрицательного смещения силовых запираемых тиристоров на завершающем этапе выключения путем пропускания в этот период через управляющий переход дополнительного токового импульса, имеющего форму спадающей экспоненты с постоянной времени, равной времени жизни неосновных носителей в n-базе силовых запираемых тиристоров. Начальная амплитуда импульса lto VGQ/Rto, где VGQ - пробивное напряжение управляющего перехода; Rto - сопротивление управляющего перехода в момент окончания основного запирающего импульса. 3 ил со С

Иапряжение naynp за-де ar VL

U

ей