Устройство для управления запираемым тиристором

 

Сущность изобретения: расширение диапазона рабочей частоты, повышение предельного тока, повышение надежности работы , уменьшение массы, габаритов и мощности потерь достигается путем полного включения структуры запираемого гиристора, 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5l)s Н 02 M 1/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4710221/07 (22) 26,06.89 (46) 23.10.92. Бюл. № 39 (71) Всесоюзный электротехнический институт им,В.И,Ленина (72) М.И.Абрамович и А,А.Сакович (56) Заявка Японии

N 62-123966, кл. Н 02 М 7/48, 1987.

Заявка ФРГ

¹ 3517468, кл. Н 03 К 17/72, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЗАПИРАЕМЫМ ТИР ICTOP0M (57) Сущность изобретения: расширение диапазона рабочей частоты, повышение преПредложение 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 огра„„Я2 „„1771048 А1 дельного тока, повышение надежности работы, уменьшение массы, габаритов и мощности потерь достигается путем полного включения структуры запираемого тиристора, 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, ничения напряжения, величина коророй определяется высокой скоростью прерывания тока при выключении 3Т (до 2.10 А./мкс).

Наличие большой емкости ограничивает максимальную частоту ЗТ, увеличив ает массу и габариты, повышает мощность потерь.

Значительные потери мощности в ЗТ при его выключении ограничивают частоту и предельный так ЗТ, кумуляция тска 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 поле ой 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 элект1771048 роду управления 3Т, 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 полевь,х транзисторов.

К недостаткам устройства: относятся: большая скорость прерывания тока при выключении 3Т, что.приводит к необходимости иметь большую емкость в цепи ограничения напряжения, а следовательно приводит к ограничению рабочей частоты

3Т, увеличению массы, габаритов и мощности потерь устройства, кроме того, вследствии кумуляции тока при выключении 3Т по цепи управления. снижается предельный ток ЗТ и уменьшается надежность работы.

Следует иметь также в виде, что в цепи ограничения напряжения необходимо применять специальные безындуктивные конденсаторы и использовать монтаж, удовлетворяющий специальным требованиям минимизации распределенных индуктивностей. 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 3Т 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 индуктивностей. Это уменьшает стоимость устройства.

Указанная. цель достигается тем, что в устройстве управления запираемым тиристором, содержащем трансформатор, начало вторичной обмотки которого соединено с анодом первого 1иода 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

5

50 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 большем числе магнитопроводов, расположенных вокруг указанных полупроводниковых структур, каждый магнитопровод 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 у:ловиям монтажа.

Также тем, что полупроводниковые структуры 3Т и первого диода конструктивно связаны с трансформатором. имеют общую ось симметрии с его магнитопроводом и помещены в один корпус.

На фиг.1 показана электрическая схема устройства управления запираемым тиристо ром, На фиг.2 показаны токи и напряжения в схеме устройства.

На фиг.3 показаны токи и напряжения . при запирании ЗТ.

На фиг.4 показана конструкция устройства, объединенная с 3Т и имеющая трансформатор с шестью магнитопроводами.

На фиг.5 показана конструкция устройства, объединенная с 3Т и имеющая трансформатор с одним магнитопроводом.

Схема устройства управления запираемым тиристором 3Т1, 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 6 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, Ко1771048 нец вторичной обмотки 3 трансформатора 4 соединен с катодом ЗТ1. Первичная обмотка-11 трансформатора 4 соединена с источником 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 3Т1.

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 t< подают импульс положительного напряжения до тг длительностью порядка 20+30 мкс (фиг,2), При этом напряжение Оз вторичной обмотки 3 трансформатора 4 вызывает протекание тока з от начала 2 через резисторы 8 и

9, электрод управления и катод 3Т1 к концу обмотки 3, Импульсом тока ia переводится ЗТ1 в отпертое состояние. Избыток тока з замыкается через диод 5 и цепь анод— катод 3Т1. 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 потокосцепления 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 ta за 20 — 50 мкс перед тем, как ЗТ1 должен прервать ток подают импульс положительного напряжения на обмотку 11 трансформатора 4. Поскольку ЗТ1 отперт, ток ig вторичной обмотки трансформатора замыкается по контуру: начало 2 обмотки 3, анодкатод диода 5, анод-катод 3Т1, конец обмотки 3, Часть тока iz через резисторы 8 и 9 ответвляется на электрод управления

ЗТ1, снижая прямое падение напряжения в нем. При протекании тока iz 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 tg начинает протекать ток в цепи— конец обмотки 3 трансформатора 4, катоданод ЗТ1, катод-анод диода 5 (за счет обратного направления неосновных носителей в

его структуре), начало 2 обмотки. Креме 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 уравления 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 tg).

Фиг.3 иллюстрирует процесс запирания ЗТ1. В момент to подают импульс прямого напряжения на обмотку 11 трансформатора 4. Протекающий s контуре вторичной обмотки 3 ток iz обеспечивает накопление неосновных носителей заряда в структуре диода 5 (фиг.1), При изменении в момент <1 знака напряжения, подаваемого на обмотку 11, и перемене направления протекания тока в цепи обмотки 3, анодный ток ii+iz ЗТ1 на интервале t< — t2 сп«дает до нуля, а ток внешней цепи переводится на диод 5 и является для него обратным током.

На интервале выключения от t> до tg к ЗТ1 прямое напряжение не прикладывается. В момент tg обратный ток диода 5 прекращается и к ЗТ1 прикладывается прямое напряжение U>, При этом может быть допущена большая крутизна фронта напряжения (d+

/dt), т.к. ЗТ1 выключен. потери мощности практически отсутствуют и к электроду управления ЗТ1 приложено обратное напряжение обмотки 3. Большое допустимое d U l

/dt позволяет значительно уменьшить требуемую величину емкости узла ограчичения напряжения. При этом значительно уменьшается длительность переходного процесса (tBblKll), расширяется диапазон рабочей часToTbi ЗТ, уменьшается масса, габариты и мощность потерь в конденсаторе на рабочей частоте.

Показанный на фиг.4 вариант кг нструкции устройства. объединенной с ЗТ и имеющей трансформатор с шестью магнитопроводами. содержит;

1 — структура ЗТ1.

2 — структура первого диода.

1771048

55

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, обьединенной 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 теплопроводя щая прскладка, 9- токопроводящий стержень, соединяющий анодный токоподвод 5 с токоподводом 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 тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расши5 рения диапазона рабочей частоты, повышения предельного тока. увеличения надежности работы, уменьшения массы, габаритов и мощности мотерь, катод первого диода предназначен для подключения к

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

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

2, Устройство по п,1, о т л и ч а ю щ е е20 с я тем, что параллельно второму диоду включен резистор, относящийся к элементам подачи отпирающих импульсов.

3. Устройство по п,1, отл и ч а ю щеес я тем, что полупроводниковые структуры

25 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, 30 расположенных вокруг указанных полупроводниковых структур, каждый магнитопровод охватывается витками вторичной обмотки трансформатора и витками первичной обмотки в количестве, равном общему

35 числу витков первичной обмотки, деленному на количество магнитопроводов, витки вторичной обмотки соединены параллельно, а витки первичной обмотки — последовательно, причем площади сечений, 40 охватываемых каждым витком вторичной обмотки, равны между собой и минимальны по условиям монтажа, 4. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что полупроводниковые структуры

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

= кг. 2 иг. 3

1771048

Фиг. 4

1771048

50

Составитель М. Абрамович

Техред М.Моргентал Корре ор М, Максимишинец

Редактор Т. Иванова

Произоодс-,венно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3747 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5