Устройство для управления запираемым тиристором Советский патент 1992 года по МПК H02M1/08 

Предложение относится к области электроники и конкретно к устройствам управления запираемыми тиристорами (ЗТ).

Известно устройство управления ЗТ, содержащие: первый полевой транзистор, включенный между анодом и электродом управления ЗТ; второй полевой транзистор, включенный в силовую цепь последовательно с ЗТ, цепь из последовательно соединенных диодов, включенных между электродом управления ЗТ, затвором и свободным электродом полевого транзистора, цепь ограничения напряжения на ЗТ. Затворы первого и второго полевых транзисторов соединены с источником управляющих сигналов 1. Недостатком таких устройств являются: существенное ограничение рабочих токов и напряжения ЗТ, связанное с наличием первого полевого транзистора в силовой цепи ЗТ и второго полевого транзистора в цепи управления, имеющих предельные значения токов и напряжений значительно меньшие, чем у ЗТ. Кроме того, необходима большая емкость конденсатора в узле ограничения напряжения, величина коророй определяется высокой скоростью прерывания тока при выключении ЗТ (до 2-103 А /мкс). Наличие большой емкости orpai-ичивает максимальную частоту ЗТ. увеличивает массу и габариты, повышает мощность потерь. Значительные потери мощности в ЗТ при его выключении ограничивают частоту и предельный ток ЗТ, кумуляция тока ЗТ в процессе выключения по цепи управления снижает надежность работы.

Известно также устройство управления ЗТ, содержащее трансформатор, первый и второй выпрямители на диодах, первый и второй электрические фильтры, элементы подачи отпирающих импульсов такие как первый биполярный и первый пол езди транзисторы, резисторы и стабилитроны, элементы подачи запирающих импульсов такие как второй биполярный и второй полевой транзисторы и дополнительные резисторы, цепь ограничения напряжения на ЗТ и источник управляющих сигналов 2. Выходы всех транзисторов подключены к электСП

с

VJ VI

О 00

роду управления ЗТ, средняя точка вторичной обмотки трансформатора подключена к катоду ЗТ, а входы транзисторов соединены с источником управляющих сигналов. Достоинством таких устройств являются расширение диапазона рабочих токов и напряжений в связи с отсутствием в силовой цепи и цепи управления полевых транзисторов.

К недостаткам устройства относятся: большая скорость прерывания хока при выключении ЗТ, что приводит к необходимости иметь большую емкость в цепи ограничения напряжения, а следовательно приводит к ограничению рабочей частоты ЗТ, увеличению массы, габаритов и мощности потерь устройства, кроме того, вследст- ЁИИ кумуляции тока при выключении ЗТ по цепи управления, снижается предельный ток ЗТ и уменьшается надежность работы. Следует иметь также в виде, что в цепи ограничения напряжения необходимо применять сп-ециальные безындуктивные конденсаторы и использовать монтаж, удовлетворяющий специальным требованиям минимизации распределенных индуктивно- стей. Это повышает стоимость устройства.

Целью изобретения является расширение диапазона рабочей частоты, повышение предельного тока, увеличение надежности работы, уменьшение массы, габаритов и мощности потерь.

Расширение диапазона рабочей частоты, уменьшение массы, габаритов и мощности потерь достигается за счет уменьшения требуемой емкости конденсатора цепи ограничения напряжения; повышение предельного тока ЗТ достигается за счет исключения потерь в нем при выключении, увеличение надежности работы достигается благодаря отсутствию при выключении ЗТ напряжения на нем и кумуляции тока. Кроме того, в цепи ограничения напряжение не требуются специальные безындуктивные конденсаторы и нет специальных требований к монтажным соединениям в устройстве в части минимизации распределенных ин- дуктивностей. Это уменьшает стоимость устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве управления запираемым тиристором, содержащем трансформатор, начало вторичной обмотки которого соединено с анодом первого диода и с катодом второго диода, элементы подачи отпирающих импульсов, источник управляющих сигналов и цепь ограничения напряжения, катод первого диода предназначен для подключения к аноду запираемого тиристора, анод второго диода предназначен для подключения к

электроду управления запираемым тиристором, конец вторичной обмотки трансформатора предназначен для подключения к катоду запираемого тиристора, а первичная

обмотка соединена с источником управляющих сигналов, выполненным в виде формирователя двуполярных сигналов.

Также тем, что параллельно второму диоду включен резистор, относящийся к

элементам подачи отпирающих импульсов. Также тем, что полупроводниковые структуры ЗТ и первого диода конструктивно связаны, имеют общую ось симметрии и помещены в общий корпус с трансформатором, который выполнен на двух или большемчислемагнитопроводов, расположенных вокруг указанных полупроводниковых структур, каждый магчитопро- вод охватывается витками вторичной

обмотки трансформатора и витками первичной обмотки в количестве, равной общему числу витков первичной обмотки,деленному на количество магнитопроводов, витки вторичной обмотки соединены параллельно, а

витки первичной обмотки последовательно, при чем площади сечений, охватываемых каждым витком вторичной обмотки, равны между собой и минимальны по условиям монтажа.

Также тем, что полупроводниковые структуры ЗТ и первого диода конструктивно связаны с трансформатором, имеют общую ось симметрии с его магнитопроводом и помещены в один корпус.

Нафиг.1 показана электрическая схема

устройства управления запираемым тиристором.

На фиг.2 показаны токи и напряжения Р схеме устройства.

На фиг.З показаны токи и напряжения при запирании ЗТ.

На фиг.4 показана конструкция устройства, объединенная с ЗТ и имеющая трансформатор с шестью магнитопроводами.

На фиг.5 показана конструкция устройства, объединенная с ЗТ и имеющая трансформатор с одним магнитопроводом.

Схема устройства управления запираемым тиристором ЗТ1, показанная на фиг.1.

содержит ЗТ1, анод которого соединен с началом 2 вторичной обмотки 3 трансформатора 4 через встречно включенный первый диод 5. Электрод управления ЗТ1 соединен с общей точкой б вторичной обмотки трансформатора 4 и диода 5 через включенный согласно второй диод 7 и дополнительный резистор 8. Параллельно диоду 7 включен резистор 9, а между электродом управления ЗТ1 и его катодом

включен симметричный стабилитрон 10. Конец вторичной обмотки 3 трансформатора 4 соединен с катодом ЗТ1. Первичная обмот- ка-11 трансформатора 4 соединена с источ- ником управляющих сигналов 12. Параллельно ЗТ1 включен узел ограничения напряжения, содержащий резистор 13 и конденсатор 14. Резистор 8 вводится в схему при необходимости защиты электрода управления ЗТ1 от протекания избыточного тока. Стабилитрон 10 вводится при необходимости ограничения напряжения на электроде управления ЗТ1.

Устройство работает следующим образом:

В начале процесса ЗТ заперт, к аноду его приложено положительное по отношению к катоду напряжение силовой схемы. Для отпирания ЗТ1 на обмотку 11 трансформатора 4 в момент ц подают импульс поло- жительного напряжения до t2 длительностью порядка 20+30 мкс (фиг.2). При этом напряжение Уз вторичной обмотки 3 трансформатора 4 вызывает протекание тока is от начала 2 через резисторы 8 и 9, электрод управления и катод ЗТ1 к концу обмотки 3. Импульсом тока з переводится ЗТ1 в отпертое состояние. Избыток тока 1з замыкается через диод 5 и цепь анод - катод ЗТ1. Через интервал времени порядка 100 мкс, соответствующий рассасыванию остаточного заряда в диоде 5 на первичную обмотку 11 трансформатора 4 подается импульс напряжения обратной полярности для перемагничивания сердечника трансформатора. Чтобы избежать влияния на работу в проводящем состоянии ЗТ1, это напряжение выбирается малой величины, а длительность его приложения выбрана такой, чтобы вольтсекундная величина пото- косцепления была бы достаточной для перемагничивания сердечника и подготовки устройства к работе в следующем такте. Вместо подачи размагничивающего импульса напряжения можно соответственно увеличить сечение магнитопровода трансформатора. Для запирания ЗТ1 в момент ts за 20-50 мкс перед тем, как ЗТ1 должен прервать ток подают импульс положительного напряжения на обмотку 11 трансформатора 4. Поскольку ЗТ1 отперт, ток з вторичной обмотки трансформатора замыкается по контуру: начало 2 обмотки 3, анод- катод диода 5, анод-катод ЗТ1, конец обмотки 3. Часть тока з через резисторы 8 и 9 ответвляется на электрод управления ЗТ1, снижая прямое падение напряжения в нем. При протекании тока з происходит накопление неосновных носителей заряда в структуре диода 5. Затем в момент t4 производят резкое изменение знака напряжения,

приложенного к обмотке 11. При этом с момента ts начинает протекать ток в цепи - конец обмотки 3 трансформатора 4, катод- анод ЗТ1, катод-анод диода 5 (за счет обратного направления неосновных носителей в его структуре), начало 2 обмотки. Кроме того, часть тока обмотки 3 протекает от катода ЗТ1 через его электрод управления, согласно направленный диод 7 и резистор 8 к

началу 2 обмотки 3. При этом происходит спадение до нуля анодного тока ЗТ1, а протекание обратного тока через электрод управления обеспечивает ускорение выключения ЗТ1. При таком способе выключения ЗТ1, величина выделяющихся коммутационных потерь снижается практически до нуля. Когда заряд неосновных носителей в диоде 5 экстрагируется протекающим обратным током, диод 5 восстанавливает вентильную прочность в обратном направлении и ток внешней цепи прерывается (момент te).

Фиг.З иллюстрирует процесс запирания ЗТ1. В момент to подают импульс прямого напряжения на обмотку 11 трансформатора 4. Протекающий в контуре вторичной обмотки 3 ток з обеспечивает накопление неосновных носителей заряда в структуре диода 5 (фиг.1), При изменении в

момент ti знака напряжения., подаваемого на обмотку 11, и перемене направления протекания тока в цепи обмотки 3, анодный ток Н+1з ЗТ1 на интервале ti-ta спгдает до нуля, а ток внешней цепи переводится на

диод 5 и является для него обратным током. На интервале выключения от ti до тз к ЗТ1 прямое напряжение не прикладывается. В момент ts обратный ток диода 5 прекращается и к ЗТ1 прикладывается прямое напряжение LH. При этом может быть допущена большая крутизна фронта напряжения (diy /dt), т.к. ЗТ1 выключен, потери мощности практически отсутствуют и к электроду управления ЗТ1 приложено обратное напряжение обмотки 3. Большое допустимое dlV /dt позволяет значительно уменьшить требуемую величину емкости узла ограничения напряжения. При этом значительно уменьшается длительность переходного процесса

(Твыкл). расширяется диапазон рабочей час- тбты ЗТ, уменьшается масса, габариты и мощность потерь в конденсаторе на рабочей частоте.

Показанный на фиг.4 вариант конструкции устройства, объединенной с ЗТ и имеющей трансформатор с шестью магнитопроводами. содержит:

1- структура ЗТ1.

2- структура первого диода.

3- изоляционная теплопроводящая прокладка,

4- анодный токоподвод устройства,

5- катодный токоподвод устройства,

6- корпус-изолятор устройства,

7- токоподвод к аноду ЗТ1,

8- токоподвод к аноду первого диода,

9- магнитопровод трансформатора и первичная обмотка,

10- токопроводящий стержень (элемент вторичной обмотки 3),

11- токопроводящий стержень, соединяющий анодный токоподвод 4 с анодом ЗТ1,

12- структура второго диода и резисторы.

Остальные элементы устройства могут быть размещены как внутри, так и вне корпуса 6.

Показанный на фиг.5 вариант конструкции устройства, объединенной с ЗТ и имеющей трансформатор с одним магнитопроводом, содержит:

2 - структура ЗТ1,

2- структура первого диода,

3- токоподвод к аноду ЗТ1 и катоду первого диода,

4- магнитопровод трансформатора и первичная обмотка.

5- анодный токоподвод устройства,

6- катодный токоподвод устройства,

7- токопроводящий стержень (элемент вторичной обмотки 3),

8- изоляционная теплопроводящая прокладка,

9- токопроводящий стержень, соединяющий анодный токоподвод 5 с токоподво- дом 3,

10- корпус-изолятор устройства. Остальные элементы устройства могут

быть размещены как внутри, так и вне корпуса 10.

Формула изобретения 1, Устройство для -управления запираемым тиристором, содержащее трансформатор, начало вторичной обмотки которого соединено с анодом первого диода и с катодом второго диода, элемент подачи отпирающих импульсов, источник управления сигналов и цепь ограничения напряжения, о т- личающееся тем, что, с целью расширения диапазона рабочей частоты, повышения предельного тока, увеличения надежности работы, уменьшения массы, габаритов и мощности мотерь, катод первого диода предназначен для подключения к

аноду запираемого тиристора, анод второго диода предназначен для подключения к электроду управления запираемым тиристором, конец вторичной обмотки трансформатора предназначен для подключения к

катоду запираемого тиристора, а первичная обмотка соединена с источником управляющих сигналов, выполненным в виде формирователя двухполярных сигналов.

2.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что параллельно второму диоду

включен резистор, относящийся к элементам подачи отпирающих импульсов.

3.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что полупроводниковые структуры

запираемого тиристора и первого диода конструктивно связаны, имеют общую ось симметрии и помещены в общий корпус с трансформатором, который выполнен на двух или большем числе магнитопроводов,

расположенных вокруг указанных полупроводниковых структур, каждый магнитопровод охватывается витками вторичной обмотки трансформатора и витками первичной обмотки в количестве, равном общему

числу витков первичной обмотки, деленному на количество магнитопроводов, витки вторичной обмотки соединены параллельно, а витки первичной обмотки- последовательно, причем площади сечений,

охватываемых каждым витком вторичной обмотки, равны между собой и минимальны по условиям монтажа.

4.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что полупроводниковые структуры

запираемого тиристора и первого диода конструктивно связаны с трансформатором, имеют общую ось симметрии с магнитопроводом и помещены в один корпус.

1771048

иг. 3

9

| .,:-Ч Ј.;

i i 1ч: | К

I,1 . . I - -

чин,1- ццд игитавагдггжяве /

t,i. I

--f i i

-LflL - I 4:

- .fr.U

vf.

1777777/ 7 f r -i/TT . 77ТГЛ Г-

i i 1ч: | К

I,1 . . I - -

жяве

-LflL - I 4:

- .fr.U

vf.

t,i. I

--f i i

vS

ч .X 5

У-О 0

Сущность изобретения: расширение диапазона рабочей частоты, повышение предельного тока, повышение надежности работы, уменьшение массы, габаритов и мощности потерь достигается путем полного включения структуры запираемого гиристо- ра, в том числе и при малых токах нагрузки, а также двухступенчатого выключения, при котором запирарание тиристора производится при отсутствии прямого напряжения на нем благодаря тому, что вторичная обмотка трансформатора управления подключена через включенный согласно первый диод к цепи анод-катод тиристора и через встречно включенный диод, -шунтированный сопротивлением, к цепи катод управляющий электрод тиристора. 5 ил.

8W) L ill

8 7

5