Устройство для ограничения напряжения на запираемом тиристоре
Сущность изобретения, при отключении запираемого тиристора 6 происходит заряд конденсатора 1 через диод 4 и эмиттертранзистора 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.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)5 H 02 М 1/08, 7/12
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ! ! Ъ
)ф ф л с (21) 4777801/07 (22) 05.01.90 (46) 30,06,92. Бюл. ¹ 24 (71) Всесоюзный электротехнический институт им. В, И. Ленина (72) М, И. Абрамович, А. А, Сакович и Ю. И, Сидоров (53) 621,316.727(088.8) (56) Ромаш Э. М. и др. Высокочастотные транзисторные преобразователи, М.: Радио и связь, 1988, рис. 3.19б.
Тиристоры. Технический справочник.
Пер. с англ./ Под ред. В. А. Лабунцова, М.:
Энергия, 1971, рис, 14 — 8.
„„5U„„1744771 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ
НАПРЯЖЕНИЯ НА ЗАПИРАЕМОМ ТИРИСТОРЕ (57) Сущность изобретения; при отключении запираемого тиристора 6 происходит заряд конденсатора 1 через диод 4 и эмиттер транзистора 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, 1744771
20
30
40
50
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 3Т может в 3 и большее число раз превысить ЭДС источника питания, Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее цепь из последовател ьно соединен н ых конденсатора и резистора, шунтированного диодом, подкл ючаему ю паралел ьно 3Т.
Недостатками этого устройства являются большая масса и габариты, значительная мсщность потерь и относительно высокая стоимость. Указанные недостатки связаны с тем, что при выключении ЗТ прерывание тока происходит с большой скоростью— (di/dt 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 име.ь специальную безындуктивную конструкцию.
Целью изобретения является уменьшение массы и габаритов.
Кроме того, может быть обеспечено увеличение надежности работы запираемого тиристора, расширение функциональных возмо>кностей устройства и снижение мощности потерь.
Цель уменьшения массы, габаритов достигается тем, что требуемая емкость конденсатора, ограничивающего напряжение на 3Т, во много раз меньше, чем в известных схемах, благодаря эффекту, создаваемому аналогом биполярного транзистора, включенным параллельно ЗТ, в цепь базы ко "орого включен конденсатор, Такую схему можно рассматривать как эквивалентный конденсатор с усиленным в /3ðàç емкостным эффектом, где P — 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 3Т может достигать критических значений, получаем путем введения источника импульсов управления, обеспечивающего в указанные моменты времени требуемую степень шунтирования транзистором ЗТ и ограничения тем самым напряжения на нем. Этим обеспечивается увеличение наде>кности работы ЗТ, Под расширением функциональных возможностей здесь понимается обеспечение ограничение скорости нарастания тока (di/dt) через ЗТ на интервалах его включения, Это обеспечивается введением источника управляющих импульсов тока, переводящего шунтирующий транзистор в проводящее состояние, на интервалах отпирания 3Т. При этом обеспечивается режим, когда ток разряда конденсатора при включении 3Т протекает через шунтирующий его транзистор, а через ЗТ проходит только нарастающий ток внешней цепи, Этим достигается дополнительное повышение надежности работы ЗТ.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для ограничения напря>кения на запираемом тиристоре, содержащем конденсатор, первый вывод которого соединен с первой выходной клеммой устройства, предназначенной для подключения к аноду запираемого тиристора, а второй вывод соединен 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 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, 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 третии и четвертый диоды и источник управляющих импульсов, первый вывод которого пред-. назначен для подключения к управляющему электроду запираемого тиристора, а второй соединен с анодом третьего диода и катодом четвертого диода, анод которого соеди1744771
50
55 нен 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 соединен 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 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, введен стабилитрон, включенный параллельно конденсатору.
На фиг, 1 показан вариан 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 YGH c 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
35 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 3Т 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.
YOH 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 W> которого сопротивление 7 соединено с катодом 3Т 6 и эмиттером БТр
5, а через вторичную обмотку Wz и сопротивление 10 база БТр 5 соединена с его эмиттером и катодом 3Т 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.
1744771
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 конденса- 5 тор 1 заряжается от внешней сети через индуктивность 8 по контуру: конденсатор 1, дисд 4, база — эмиттер БТр 5. На интервале прстекания зарядного тока конденсатора 1
БТр 5 переходит в проводящее состояние, 10 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. 15
После подачи на ЗТ 6 запирающего сигнала (момент t1 на фиг. 8) начинается процесс его выключения и на нем, на БТр 5 и на конденсаторе 1 постепенно возрастает напряжение UAK. Конденсатор 1 заряжается 20 по контуру: анод ЗТ 6, диод 4, база — эмиттер
БТр 5, катод 3T ". При этом коллекторный ток БТр 5 соответствует усиленному в j3 раз току конденсатора 1, Тем самым создается эффект наличия конденсатора, имеющего 25 емкость s (P+1) раз большую, чем емкость самого конденсатора 1. Это позволяет, напримep, получить характер коммутационного процесса тот же, что и в схеме устройства, принятого в качестве прототипа, но дости- 30 гается это при емкости конденсатора в (P+1) раз меньшей.
На фиг. 8 приняты следующие обозначения; iA — анодный ток ЗТ 6; 0дк — напряжения на ЗТ 6; U 3Т 6, определяемый напряжением на конденсаторе в момент tz и напряжением на индуктивности контура УОН, связанным с быстрым переводом тока сети с ЗТ 6 на УОН; UzM — максимальное напряжение на 40 ЗТ 6, соответствующее максимальному напря>кению на конденсаторе 1, определяемому величиной энергии, накопленной в индуктивности 8 внешней цепи в момент ц начала выключения ЗТ 6; Š— ЭДС внешнего 45 источника 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, 50 связанного с выключением ЗТ 6. Таким образом, поскольку требуемая вел лчина емкости конденсатора в предлагаемсм устройстве в (/3+1) раз меньше, чем в 55 изв стном УОН, то это обеспечивает соответствуюшее 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 Р 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 YOH работает так же, как и схема на фиг. "., При подаче на 3Т 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 т (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 3Т 6 отпирается БТр 5, шунтируя ЗТ 6 и конденсатор 1, что существенно ограничивает величину напря>кения UrM (фиг, 9, время tz), влияющую на наде>кность работы ЗТ 6. После окончания импульса запирающего тока (tvrsn)t2) переходный процесс в УОН протекает так >ке, 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 — катод 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 5. При этом характер изменения тока и напряжения ЗТ 6 в схеме фиг. 6 аналогичен 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 W< импульсного автотрансформатора 9, резистор 7, диод 2. Одновременно Во вторичной обмотке WQ будет протекать импульс тока, замыкающийся в контуре; вторичная обмотка И/г, резистор 10, база — эмиттер БТр 5, Последнее обеспечивает отпирание БТр 5 одновременно с 1744771 10 отпиранием 3Т 6. Это позволяет резко уменьшить скорость нарастания тока iA в 3Т 6, поскольку весь ток разряда конденсатора i; при соотношении W2/W)= Рпротекает через БТр 5 (i>p=i„), минуя ЗТ 6 (фиг. 10). Это 5 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 10 момент t4 при обрыве обратного тока диода 4 ток разряда конденсатора 1 начинает снова протекать через обмотку W> и ток, возникающий в Wz, отпирает БТр 5 в усилительном режиме, Ток разряда конден- 15 сатора 1 наряду с протеканием через внешний источник будет замыкаться также и через БТр 5, ускоряя окончание процесса разряда конденсатора до значения Е (момент t5). Тем самым уменьшается длитель- 20 ность перехбдного процесса при выключении ЗТ и улучшаются частотные свойства схемы. УОН, показанное на фиг. 6, работает следующим образом. 25 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 30 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 первич- 35 ной обмотки, поступающим от устройства 13. Для запирания ЗТ 6 на первичную обмотку трансформатора 9 в момент to (фиг. 11) подают импульс тока обратной полярно- 40 сти и поступает запирающий импульс на электрод управления ЗТ 6 от первой части обмотки 11, От второй части обмотки 11 отпирающии импульс ia поступает на базу БТр 5 через диод 14. При этом анодный ток 45 ЗТ 6 переводится на интервале tt — t2 на БТр 5, Так обеспечивается спадение тока ЗТ 6 при низком напряжении на нем и снижаются потери выключения в ЗТ б, Тем самым увеличивается его запирающая способ- 50 ность 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 55 БТр 5 и выдержки времени (момент тз) ток базы а транзистора уменьшают с заданной скорос-.ь — (dia/dt)1, обеспечивающей допустимую скорость нарастания напряжения на ЗТ б (интервал сз — t4). В момент t4 увеличивают скорость спада управляющего тока ia до значения — (dia/dt)2, при котором будет обеспечиваться наперед заданная величина U2M на ЗТ 6, U2M= E+Ls(d i A/d t)2, где Ls — величина индуктивности 8 на фиг. 6. Практически можно снизить величину UzM в 2 раза по сравнению с другими известными схемами УОН. Таким образом в УОН, выполненном по схеме фиг. 6, обеспечивается воэможность 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 3Т 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 ts протекают так же, как и в схеме УОН на фиг. 1. На интервале сз — ;(фиг. 12) напряжение, прикладываемое к ЗТ 6, превышает напряжение срабатывания стабилитрона 9 и ток протекает в контуре: анод 3Т 6, стабилитрон 9, диод 4, цепь база — эмиттер БТр 5, катод ЗТ 6. При этом напряжение на ЗТ б ограничивается величиной Ugv, которая может быть такой же, как и в схеме фиг, б. В момент tg переходной процесс, связанный с выключением ЗТ б, 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 U>M и 02 при выключении. При этом расширяются функциональные возможности УОН и увеличивается коммутирующая способность ЗТ либо 1744771 50 55 существенно возрастает надежность его работы. Формула изобретения 1. Устройство для ограничения напряжения на запираемом тиристоре, содержащее конденсатор, первый вывод которого соединен с первой выходной клеммой устройства, предназначенной для подключения к аноду запираемого тиристора, а втоэой вывод соединен с анодом первого диода и резистор, первый вывод которого связан с второй выходной клеммой устройств», предназначенной для подключения к катоду запираемого тиристора, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов, введены аналог биполярного 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, база которого соединена с катодом первого диода, а эмиттер связан с второй выходной клеммой устройства. 2. Устройство по и. 1, о тл и ч а ю щ е ес я тем, что аналог биполярного транзистора выполнен в виде составного транзистора, 3. Устройство по пп, 1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения надежности работы введены третий и 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. 4. Устройство по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью усиления эффекта ограничения напряжения, введены третий и четвертый диоды, импульсный трансформатор и источник управляющих импульсов, выход которого соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора, причем катод третьего диода соединен с базой аналога биполярного транзистора, анод треть5 его 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 10 выводом резистора, связанным с второй выходной клеммой устройства через вторичную обмотку импульсного трансформатора. 5. Устройство по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения 15 функциональных возможностей и повышения надежности, введен импульсный трансформатор, первичная обмотка которого выполнена с меньшим числом витков, чем вторичная, включенная между базой и эмит20 тером аналога биполярного транзистора, причем первый вывод резистора связан с второй выходной клеммой устройства через первичную обмотку импульсного трансформатора, 25 6. Устройство по пп, 1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, введены третий диод, импульсный трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена со 30 средним выводом, и источник управляющих импульсов, выход которого соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора, начало вгоричной обмотки которого предназначено для подключения к управля35 ющему электроду запираемого тиристора, конец вторичной обмотки импульсного трансформатора через согласно включенный третий диод соединен с базой аналога биполярного транзистора, а средний вывод 40 — с второй выходной клеммой устройства. 7. Устройство по пп, 1 — 6, о т л и ч а ю ще е с я тем, что, с целью ограничения перенапряжений, введен стабилитрон, включенный параллельно конденсатору, 45 1744771 1744771 йиг М 1744771 1744771 1744771 <6 1744771 1 » г р 1 7 Составитель М,Абрамович Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор А.Осауленко Редактор Е.Копча Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 2202 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5
