СИЛОВОЙ ДВУХОПЕРАЦИОННЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ Советский патент 1973 года по МПК H02M1/08 

1

Известны силовые двухоперациоиные полупроводниковые модули для включения и отключения тока силовой цепи, например регуляторов напряжения, -содержащие силовой тиристор и узел принудительной коммутации, состоящий из обратного диода, вспомогательного тиристора, импульсного трансформатора и источника даухполярных импульсов.

Однако в процессе выключения силового тиристора к нему прикладывается малое обратное напряжение, равное прямому падению напряжения -на диоде. В таком режиме время восстановления управляемости силового тиристора увеличивается в несколько раз, что приводит к малой надежности схемы, малому диапазону рабочих частот и к дополнительному ограничению отключаемой мощности.

Кроме того, известные схемы не позволяют запирать напряжения обратного знака.

Для увеличения надежности, повыщения отключающей способности и расщирения диапазона рабочих частот предложенный силовой полупроводниковый 1модуль снабжен смещающим трансформатором и вольтодобавочным дросселем, через о бмотку которого и вторичную обмотку смещающего трансформатора узел принудительной коммутации подключен к силовому тиристору, а первичная обмотка смещающего трансформатора - к источнику однополярных импульсов.

а

Кроме того, для обеспечения возможности работы силового полупроводникового модуля в цепи переменного тока в одну из ветвей, соединяющих узел принудительной коммутации с цепью силового тиристора, включен диод в направлении, соответствующем протеканию коммутируемого тока через вспомогательный тиристор.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого силового двухоперационного полупроводникового модуля; па фиг. 2 - кривые, поясняющие принцип работы схемы; на фиг. 3 - вариа-нт схемы для работы в цепях переменного тока.

Силовой двухоперационный полупроводниковый модуль, предназначенный для включения и отключения тока силовой цепи, имеет входные клеммы 1 vi 2, которые включаются в

цепь коммутируемого то:ка. К клемме / подключены анод силового тиристора 3, катод обратного диода 4 и анод вспомогательного тиристора 5. Катод силового тиристора 3 соединен с анодом обратного диода 4 через

вольтодобавочный дроссель 6, клемму 2 и вторичную обмотку смещающего трансформатора 7, а анод обратного диода 4 - с катодом вспомогательного тиристора 5 через вторичную обмотку импульсного трансформатора 5 и с его

электродом управления через сопротивление 9. Первичная обмотка смещающего трансформатора 7 подключена к источнику однополярных импульсов (через диод 10 соединена параллельно с первичной Обмоткой импульсного трансформатора 8 и подключена к источнику // двухполярных импульсов). Возможны и другие варианты взаимного соединения указанных на фиг. 1 элементов схемы. На фиг. 2(а) показаны кривые тока ii,2, коммутируемого модулем и запираемого напряжения Li,2 на его входных клеммах. На фиг. 2(6) - кривые токов в коммутирующем контуре. За положительное направление во всех цепях принято направление тока от клеммы } к клемме 2. В определенный момент времени i благодаря подаче управляющего сигнала на электрод тиристора 3 Он отпирается, и через «его начинает протекать ток .a. Вольтодобавочный дроссель 6 может 1выполняться, например, на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса, который насыщается в самом начале протека«ия прямого тока iVa и поэтому практически не оказывает на него влияния. Для запирания тиристора 3 на первичные обмотки трансформаторов 7 и S от источника // подается импульс (момент времени 4) такого направления, чтобы -па их вторичных обмотках появилось напряжение с полярностью, указанной на фит. 1. Под действием этих напряжений вспомогательный тиристор 5 отпирается током, проходящим через сопротивление 9, а обратный диод 4 удерживается в запертом состоянии. Через вспомогательный тиристор 5 начинает проходить нарастающий ток is, а ток Is через силовой тиристор 3 начинает убывать. Когда в момент времени tz ток ic, станет равным току (i,.2, ток iz через силовой тиристор 3 спадет до нуля, а затем при дальнейщем нарастании тока Is через спловой тиристор 3 потечет нарастающий обратный ток. При этом сердечник вольтодобавочного дросселя 6 перемагничивается и запасает электромагнитную энергию. В момент времени /4 обратный ток is силового тиристора 3 достигает максимального значения, после чего начинает убывать. Ток is продолл ает нарастать, и с момента 4 начинает проходить ток и (через Oi6paTHbm диод 4). Вследствие уменьшения обратного така is на вольтодобавочнОм дросселе 6 возникает э. д. с. самоиндукции, направленная таким образом, что добавляется к напряжению, создаваемому на вторичной обмотке смещающего трансформатора 7. Это результирующее обратное напряжение t/3 обр обеспечивает достаточно быстрое спадение обратного тока и минимальное время восстановления управляющих свойств тиристора 3. В момент времени /s нмпульс тока k через обратный диод 4 спадает до нуля, а ток is становится снова равным току . В этот же момент от источника 11 на первичную обмотку трансформатора 8 подается импульс обратной полярности, вызывающий на его вторичнои оомотке появление импульса напряжения с полярностью, обратной той, которая указана на фиг. 1. На первичную обмотку трансформатора 7 импульс не подается благодаря наличию диода 10. Под действием этого импульса напряжения к мо.менту времени t ток (5 вспомогательного тиристора 5 уменьщится до нуля, а ток ti,2 переключится на диод 4 и потечет через него в виде обратного тока и. Затем через вспомогательный тиристор 5 начнет протекать увеличивающийся обратный ток, замыкаясь через обратный диод 4 и добавляясь к обратному току, равному ii,2. В момент времени 7 обратный ток is вспомогательного тиристора 5 достигает максимального значения, после чего достаточио быстро спадает до нуля (момент времени ts) под действием обратного напряжения, создаваемого вторичной обмоткой импульсного трансформатора 8 и прикладываемого к его аноду и электроду управления. Тиристор 5 выбирается с малым временем выключения и на меньщий ток, чем силовой тиристор 3, так как он проводит ток силовой .цепи в течение относительно небольшого промежутка времени. До Момента времени tg обратный ток диода 4 остается равным току ii,2, после чего ток ii,2 обрывается (момент времени ю), и модуль переходит в запертое состояние. Обратный диод 4 выбирается с BpeMeeeiM восстановления больщим, чем время востановления вспомогательного тиристора 5. Ток ii,2 при протекании по первичной обмотке смещающего трансформатора 7 в промежутке времени перемагничи.вает его сердечник. Процессы, происходящие в модуле, не оказывают влияния па ток ii,2, и его величина от момента включения модуля вплоть до момента 9 определяется сопротивлением цепи источника питания и натрузки. Так как время, равное длительности периода двухполярного импульса, получаемого от источника 11, постоянно и не зависит от изменения параметров цепи силового тока, оно легко быть учтено путем подачи двухполярного импульса с постоянным опережением по отнощению к требуемому моменту отключения модулем тока силовой цепи. Предложенный модуль может использоваться и в цепях переменного тока, для чего в одну из ветвей, соединяющую обратный диод 4 с выходной клеммой / или 2, включается диод 12 в направлении протекания прямого силового тока (см. фиг. 3). В этом случае досто инство по сравнению с известными схемами, когда запорный диод включается в силовую цепь, заключается в существенном уменьшении потерь, поскольку в предлагаемой схеме через диод протекает ток только в период коммутации. На основе использования модуля, предназначенного для работы в цепях переменного тока, могут быть построены различные преобразователи с улучшенными энергетическими

показателями, меньшими габаритами и весом и меньшей стоимостью, чем существующие, например регулируемые реверсивные и нереверсивные выпрямители; инверторы, передающие энергию в сеть переменного тока; преобразователи частоты с широким диапазоном регулирования частоты и напряжения на выходе; автономные инверторы без звена постоянного тока; статические компенсаторы реактивной мощности; регуляторы напряжения переменного тока и др.

Предлагаемый полупроводниковый модуль, как видно из нринцила его работы, позволяет обеспечить полное управление протеканием электрического тока в цепях постоянного и переменного -напряжения при нагрузке любого характера (индуктивной, индуктивно-емкостной, индуктивно-активной, шунтированной емкостью, активной с противо-э. д. с. и т. д.) и при изменении параметров нагрузки в широком диапазоне. Процессы, протекающие в схеме модуля, не оказывают нежелательных воздействий на процессы в нагрузке. В качестве коммутирующего элемента может применяться обычный силовой тиристор, обладающий большей нагрузочной способностью, чем применяемые в известных устройствах тиристоры с малым временем восстановления.

В модуле вместо одного силового тиристора может быть включена группа последовательно и параллельно соединенных тиристоров. Кроме того, возможно последовательное, параллельное и встречно-параллельное соединение модулей. Ограничение обратного тока и сравнительно небольшое обратное напряжение.

прикладываемое к силовому тиристору, позволяет свести к минимуму коммутационные потери при выключении. Мощность и габариты основных элементов узла принудительной коммутации тока меньше, чем при других известных схемах.

Предмет изобретения

1. Силовой двухоперапионный полупроводниковый модуль для включения п отключения тока силовой цепи, например регуляторов напряжения, содержащий силовой тиристор и узел принудительной коммутации, состоящий

из обратного диода, вспомогательного тиристора, импульсного трансформатора и источника двухполярных импульсов, отличающийся тем, что, с целью увеличения надежности, повышения отключающей способности и расщирения диапазона рабочих частот, он снабжен смещающим трансформатором и вольтодобавочным дросселем, через обмотку которого и вторичную обмотку смещающего трансформатора, узел принудительной коммутации подключей к силовому тиристору, а первичная обмотка смещающего трансформатора через диод - к источнику двухполярных импульсов. 2. Модуль по п. I, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности его работы

в цепи переменного тока, в одну из ветвей, соединяющих узел принудительной коммутации с цепью силового тиристора, включен диод в направлении, соответствующем протеканию коммутируемого тока через вспомогательвый тиристор.

г..

+

{/,2

I,

.... .