Инвертор Советский патент 1993 года по МПК H02M7/523 

Изобретение относится к сильноточной полупроводниковой электронике и может быть использовано в электротермии и плаз- мохимии.

Целью изобретения является увеличение мощности.

Суть изобретения поясняется чертежом, где 1 - источник питания, подключенный ко входным выводам инвертора, 2 - дроссель фильтра, 3, 4, 5, б- плечи моста инвертора, 7 - коммутирующий конденсатор, 8 - разделительный конденсатор, 9 - нагрузка, подключенная к выходным выводам инвертора, 10-дроссель, 11 -обратный диод, 12 - реверсивно включаемый динистор (РВД), 13 - блок управления, 14 - дополнительный диод, 15 - резистор, 16 - тиристор, 17 - конденсатор, 18 - зарядное устройство, 19 - дополнительный дроссель, 20 - первый дроссель насыщения, 21 - отсекающий диод, 22 - второй дроссель насыщения,

Коммутационный узел инвертора собран по мостовой схеме. Во внешней диагонали моста установлены последовательно соединенные разделительный конденсатор

со

8 и нагрузка 9, подключенная к выходным выводам инвертора, во внутренней диагонали переменного тока - коммутирующий конденсатор 7. Источник питания 1 подключен ко входным выводам инвертора и соединен последовательно с дросселем фильтра 2, конденсатором 8 и нагрузкой 9. .

В состав каждого плеча 3, 4, 5, 6 входят последовательно соединенные дроссель 10, дроссель насыщения 20 и вентильная ячейка, состоящая из последовательно соединенных отсекающего диода 21 и РВД 12. Параллельно вентильной ячейке подключена последовательная цепь, состоящая из дросселя насыщения 22 и обратного диода 11, Катод диода 11 соединен с анодом диода 21, катод диода 21 соединен с анодом РВД 12. Параллельно РВД 12 подключен блок управления 13.

В состав блока 13 входят последовательно соединенные тиристор 16, дроссель 19 и конденсатор 17 с зарядным устройством 18, а также последовательно соединенные диод 14 и резистор 15. Катод диода 14 подключен к аноду тиристора 16.

В предлагаемом инверторе формирование гармонических колебаний на нагрузке 9 происходит в результате прямого и обратного перезаряда конденсатора 7 через диаметрально противолежащие плечи 3, б и 4, 5. Прямой перезаряд конденсатора 7 происходит по цепям РВД плечей 3, 6 и 4, 5. Обратный - по цепям обратных диодов этих плеч. Каждое плечо инвертора работает с частотой f, при этом на нагрузке 9 возникают колебания, следующие с частотой 2f.

Переходные процессы, возникающие в схеме инвертора при коммутации тока в нагрузку 9, рассмотрим на примере плеча 3.

Переключение РВД 12 в проводящее состояние осуществляется в результате включения блока управления 13, вырабатывающего короткий (1-2 мкс) импульс тока управления, являющийся обратным по отношению к основному току, коммутируемому РВД 12 в процессе прямого перезаряда конденсатора 7. В силу конструктивных особенностей РВД 12 ток управления распределяется однородно по его площади и обуславливает последующее однородное переключение этого прибора.

При прохождении через РВД 12 тока управления дроссели насыщения 20. 22, обладающие в исходном состоянии достаточно большой индуктивностью, препятствуют ответвлению этого тока в цепь обратного диода 11 и в цепь конденсатора 7. В результате практически весь ток, формируемый блоком управления 13. проходит через

РВД 12 и в его структуре накапливается значительный заряд включающих носителей, необходимый для однородного переключения,

В процессе прохождения тока управления через РВД 12 к дросселям 20, 22 прикладывается напряжение, приводящее к перемагничиванию их сердечников, Величина напряжения, прикладываемого к дрос0 селю 22,фактически равна величине напряжения на РВД 12 при прохождении тока управления. Параметры этого дросселя выбираются таким образом, чтобы в процессе запуска РВД 12 сердечник дросселя 22 не

5 насыщался и его индуктивность была велика, а в процессе формирования тока обратного перезаряда конденсатора 7, проходящего через диод 11, сердечник дросселя 22 быстро насыщался и индуктив0 ность дросселя становилась пренебрежимо малой. Практически это легко осуществляется,так как величина падения напряжения на РВД 12 при прохождении тока управления много меньше величины напряжения заря5 да конденсатора 7. В процессе запуска РВД / 12 дроссель 20 блокирует фактически все напряжение, прикладываемое к РВД 12 до момента включения блока управления 13, Параметры дросселя 20 выбираются таким

0 образом, чтобы к моменту окончания тока управления его сердечник приходил в состояние насыщения. При этом индуктивность дросселя 20 резко уменьшается и ток в цепи плеча 3 резко нарастает, Так как к моменту

5 окончания тока управления в структуре РВД 12 уже накоплен достаточный заряд включающих носителей, то при насыщении сердечника дросселя 20 РВД 12 без задержки переключается и коммутирует ток прямого

0 перезаряда конденсатора 7.

После окончания процесса прямого перезаряда конденсатора 7 к вентильной ячейке плеча 3 прикладывается обратное напряжение. При этом сердечник дросселя

5 22 очень быстро насыщается и по цепи диода 11 проходит ток обратного перезаряда конденсатора 7, Диод 21 блокирует напряжение, возникающее в цепи диода 11,и создает бестоковую паузу в цепи РВД 12,

0 необходимую для его выключения. Так как индуктивность дросселя 22 в насыщенном состоянии очень мала, то он фактически не оказывает влияния на процесс обратного перезаряда конденсатора 7 и на процесс

5 выключения РВД 12.

После окончания тока обратного перезаряда конденсатора 7 к РВД 12 прикладывается прямое напряжение, которое он блокирует до момента следующего включения блока управления 13.

Формирование тока управления в блоке 13 происходит следующим образом. В исходном состоянии конденсатор 17 заряжен до небольшого напряжения от зарядного устройства 18 в указанной на чертеже полярности. При включении тиристора 16 происходит разряд конденсатора 17 через РВД 12, тиристор 16 и дроссель 19. Ток разряда является током управления РВД 12. Вследствие малого электрического сопротивления РВД 12 в обратном направлении разряд конденсатора 17 носит колебательный характер и конденсатор 17 перезаряжается до напряжения, близкого к исходному. Повторный разряд конденсатора 17 проходит через дросселе 19, резистор 15, диод 14 и включенный РВД 12. Он носит апериодический характер. В результате запасенная в конденсаторе 17 энергия рассеивается на резисторе 15 и блок 13 полностью обесточивается.

Существование тока повторного разряда конденсатора 17, проходящего через включенный РВД 12, играет важную роль в переходном режиме запуска инвертора и при изменении сопротивления нагрузки 9. Как известно в этих режимах работы инвертора наблюдается значительное изменение напряжения на конденсаторах 7, 8. В результате меняется величина напряжения, прикладываемого к дросселю 20 в процессе запуска РВД 12,и время перемагничивания сердечника этого дросселя. При увеличении времени перемагничивания сердечника дросселя 20 момент его насыщения может наступить позже момента окончания тока управления РВД 12. При этом величина накопленного в структуре РВД 12 заряда включающих носителей резко уменьшается вследствие их рекомбинации, что приводит к неоднородному включению РВД 12 и к его пробою.

Благодаря достаточно длительному существованию тока повторного разряда конденсатора 17. РВД 12 поддерживается во включенном состоянии до момента насыщения сердечника дросселя 20 даже при существенном увеличении времени его пе- ,ремагничивания. При этом однород- н бсть переключения РВД 12 сохраняется,

Вследствие однородного переключения потери энергии в РВД инвертора невелики и слабо зависят от длительности коммутируемых импульсов тока. Малые потери энергии обуславливают большие коммутационные возможности РВД, которые на частотах свыше 10 кГц в 3-5 раз {5} превосходят возможности обычных тиристо- роз.

Таким образом, в результате эффективного использования РВД предельная мощность предлагаемого инвертора на частоте свыше 10 кГц возрастает в несколько раз по

5 сравнению с устройством-прототипом.

Эффективное использование РВД осуществляется благодаря введению в схему инвертора дополнительных элементов, совокупная связь которых обеспечивает одно0 родное переключение и надежное выключение РВД.

Так, введение в схему инвертора дросселей насыщения позволяет осуществить однородное переключение РВД, при кото5 ром их коммутационные возможности максимальны. Введение в схему отсекающих диодов обеспечивает надежное выключение РВД. Использование предлагаемых блоков управления позволяет создать необ0 ходимый для однородного переключения ток управления и сохранить работоспособность инвертора в переходном режиме запуска и при изменении сопротивления нагрузки.

5Новизна совокупности существенных признаков предлагаемого устройства заключается в следующем.

Несмотря на то, что применение РВД в качестве коммутирующих элементов изве0 стно, в несимметричных инверторах они не использовались ,так как не было возможным обеспечить однородное переключение и надежное выключение РВД. Разработанная схема позволяет использовать РВД в этом

5 классе устройств при однородном их включении и надежном выключении, что и обеспечивает увеличение мощности инвертора.

По предлагаемой схеме был собран

0 мощный инвертор ультразвукового диапазона. В качестве РВД 12 использовались опытные образцы РВД (3), разработанные в, ФТИ АН СССР, они имели рабочую площадь 4 CMZ, повторяющееся напряжение 1 кВ,

5 время выключения 10 мкс. Дроссели насыщения 20, 22 были выполнены на феррито- вых кольцах марки НМС-2500 размером : : 45 х 30 х 20 и имели один виток. Дроссель 20; состоит из 15 колец, дроссель 22 - из 2

0 колец. В качестве диодов 21 и 11 использовались опытные образцы кремниевых высо кочастотных диодов, разработанные в ФТИ АН СССР, они имели рабочую площадь 4 см , повторяющееся напряжение 1 кВ и вре- 5 мя восстановления 0,5 мкс. В качестве тири- сто-ров 16 использовались тиристоры ТЧИ-100, в качестве диодов 14 - ДЛ 132-50. РВД, диоды, тиристоры и дроссели насыщения охлаждались проточной водой. Дроссели 2. 10 и 19 были выполнены без

ферромагнитных сердечников. Индуктивность этих дросселей соответственно 100, 4 и 1 мкГн. В качестве конденсаторов 7, 8 использовались конденсаторы марки К 75- 45, в качестве конденсаторов 17 - марки К 78-2. Емкость конденсаторов 7, 8 - 4 мкФ, конденсатора 17 - 1 мкФ. Сопротивление резистора 15 - 2,5 Ом, Источник 1 имел плавную регулировку выходного напряжения и был собран на основе тиристорного выпрямителя, питающегося от сети 3 х380 В, 50 Гц, Зарядное устройство 18 питалось от однофазной сети 220 В, 50 Гц и состояло из понижающего трансформатора, мостового выпрямителя, емкости фильтра, зарядного дросселя и вспомогательного тиристора. При включении вспомогательного тиристора обеспечивался заряд конденсатора 17 до напряжения 150 В.

В процессе испытаний инвертор на базе РВД успешно работал на частоте 33 кГц при разных величинах электрического сопротивления нагрузки, При этом максимальная мощность инвертора составила 50 кВт, что в 3-5 раз выше предельной мощности инвертора устройства-прототипа, собранного на базе тиристоров.

Так как коммутационные возможности РВД при их однородном включении возрастают фактически пропорционально их рабочей площади, то при использовании предлагаемой схемы инвертора оказывается возможным создание ультразвуковых полупроводниковых устройств мощностью свыше 100 кВт, Необходимость создания таких устройств диктуется современным уровнем развития электротермии и плазмо- химии.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1. Инвертор, содержащий подключенные к входным выводам через дроссель фильтра последовательную цепь, состоящую из разделительного конденсатора и выходных выводов, и мост с коммутирующим конденсатором в диагонали переменного тока, в каждое плечо которого включены вентильная ячейка с последовательно соединенным дросселем и обратный диод, а также систему управления, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности, в каждое плечо моста введены два дросселя насыщения, каждая вентильная ячейка выполнена в виде последовательно соединенных отсекающего диода и реверсивно включаемого динистора, а система управления выполнена в виде четырех блоков, каждый из которых подключен параллельно соответствующему реверсивно включаемому динистору, катодом соединенному с положительным выводом указанного блока управления, первый дроссель насыщения включен между дросселем плеча и

вентильной ячейкой, а второй дроссель насыщения соединен одним концом с анодом , обратного диода, а другим концом - с катодом реверсивно включаемого динистора, соединенного анодом с катодом отсекающего диода, к аноду которого подключен катод обратного диода.

2. Инвертор по п. 1, отличающийся тем, что каждый блок управления выполнен в виде последовательно соединенных тиристора, дополнительного дросселя и конденсатора с зарядным устройством, причем параллельно тиристору подключена цепь, состоящая из последовательно соединенных резистора и дополнительного диода, катод которого

подключен к аноду тиристора.

Использование: в сильноточной полупроводниковой электронике, в электротермии и плазмохимии. Сущность изобретения: устройство содержит мост, в каждое плечо которого включены отсекающий диод (21) и реверсивно включаемый динистор (12). Последовательно с дросселем (10) включен первый дроссель насыщения (20), а последовательно с обратным диодом (11) - второй дроссель насыщения (22). Система управления выполнена в виде четырех блоков, каж-. дый из которых подключен параллельно реверсивно включаемому динистору. В устройстве обеспечивается однородное переключение и надежное выключение реверсивно включаемых вентилей. 1 з. п. ф-лы, 1 ил. (Л С 00 S о