Комбинированный полностью управляемый полупроводниковый вентиль и способ управления им

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в энергетике, электротехнической и электроэнергетической промышленности, на электротранспорте, в электроприводе, в том числе и высоковольтном. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности, перегрузочной способности полупроводникового вентиля и уменьшение в нем статических и динамических потерь, которая достигается тем, что комбинированный полностью управляемый полупроводниковый вентиль содержит два включенных параллельно вентиля (ветви) различных типов и демпфирующую цепь, подключенную параллельно им, причем каждый из вентилей имеет собственный драйвер. Первый вентиль представляет собой один или несколько включенных последовательно биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ), а второй вентиль - один или несколько включенных последовательно запираемых тиристоров (ЗТ), а драйверы обоих вентилей соединены с блоком формирования первичных импульсов управления, причем данный блок формирует два импульса включения и два импульса запирания таким образом, что сначала подается первый импульс включения на первую ветвь комбинированного полностью управляемого полупроводникового вентиля, представляющую собой один или несколько включенных последовательно БТИЗ, а затем подается второй импульс включения на вторую ветвь комбинированного полностью управляемого полупроводникового вентиля, представляющую собой один или несколько включенных последовательно ЗТ; в свою очередь при запирании вентиля сначала подается первый импульс запирания на вторую ветвь полупроводникового запираемого вентиля, представляющую собой один или несколько включенных последовательно ЗТ, а затем подается второй импульс запирания на первую ветвь, представляющую собой один или несколько включенных последовательно БТИЗ. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в энергетике, электротехнической и электроэнергетической промышленности, на электротранспорте, в электроприводе, в том числе и высоковольтном.

Уровень техники

Известен тиристорный запираемый вентиль, способ управления которым состоит в подаче на него в соответствующие моменты времени импульса включения и импульса запирания [1]. Недостатком такого вентиля являются высокие динамические потери и, главное, невозможность запереть вентиль в случае, когда ток через него превышает величину номинального повторяющегося запираемого тока I_TGQM.

Известен также запираемый вентиль на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ), способ управления которым также состоит в подаче на него в соответствующие моменты времени импульса включения и импульса запирания [2]. Недостатками такого вентиля являются, во-первых, высокие потери во включенном состоянии, а во-вторых, неспособность вентиля выдерживать длительные перегрузки по току.

Известен электрический преобразователь, в котором управляемые полупроводниковые элементы сгруппированы для параллельной работы так, что каждая из параллельных групп содержит два или более элемента, включенных параллельно, и управляются таким образом, что обеспечивается выравнивание токов в фазах преобразователя [3]. Недостаток вентилей данного преобразователя в том, что вентили незапираемы.

Известен также комбинированный вентиль [4], в состав которого входят два запираемых тиристора (ЗТ), два незапираемых тиристора, конденсатор и устройство управления упомянутыми вентилями, причем упомянутые вентили соединены в две цепи, включенные параллельно. Благодаря такому выполнению комбинированного вентиля обеспечивается функционирование его в преобразователе при работе последнего в выпрямительном и инверторном режимах. Недостатки используемых в [4] вентилей те же, что и в [1].

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для управления тиристорным вентилем, описанное в [5] и принятое нами за прототип. Устройство для управления тиристорным вентилем содержит цепь из последовательно соединенных элементов R и С делителя напряжения и датчика тока, присоединенную параллельно каждому из последовательно соединенных тиристоров или каждой группе из параллельных тиристоров. С целью упрощения управления и повышения надежности оно снабжено вспомогательным управляемым вентилем, блоком управления и блоками преобразования импульсов управления (драйверами), причем вспомогательный управляемый вентиль включен параллельно основному тиристорному вентилю.

Существенным недостатком устройства по [5] является использование в качестве вспомогательного электронного вентиля устаревшего типа. Такой способ и конструкция не позволяют обеспечить достаточно низкие статические и динамические потери в вентиле, которые требуются современной преобразовательной технике.

Сущность изобретения

Задача изобретения - повышение надежности, перегрузочной способности полупроводникового вентиля и уменьшение в нем статических и динамических потерь.

Поставленная задача решается тем, что комбинированный полностью управляемый полупроводниковый вентиль, содержит две включенные параллельно ветви из вентилей различных типов и демпфирующую цепь, подключенную параллельно им, причем каждая из ветвей имеет собственный драйвер, и одна из ветвей представляет собой один или несколько включенных последовательно биполярных транзисторов с изолированным затвором, а вторая из ветвей - один или несколько включенных последовательно запираемых тиристоров, причем входы драйверов обоих ветвей соединены с выходами блока формирования первичных импульсов управления.

Способ управления таким вентилем заключается в подаче соответствующих импульсов включения сначала на первую ветвь комбинированного полностью управляемого полупроводникового вентиля, представляющую собой один или несколько включенных последовательно БТИЗ, затем на вторую ветвь полупроводникового запираемого вентиля, представляющую собой один или несколько включенных последовательно ЗТ; в свою очередь при запирании вентиля соответствующие импульсы запирания подаются сначала на вторую ветвь полупроводникового запираемого вентиля, представляющую собой один или несколько включенных последовательно ЗТ, а затем на первую ветвь, представляющую собой один или несколько включенных последовательно БТИЗ.

Эта совокупность признаков позволяет решить задачу изобретения.

Осуществление изобретения

Сущность изобретения поясняют схема предлагаемого комбинированного полностью управляемого полупроводникового вентиля (фиг.1) и эпюры импульсов управления и кривые токов через вентиль в течение одного цикла работы (фиг.2).

Комбинированный полностью управляемый полупроводниковый вентиль (фиг.1) содержит две ветви 1 и 2 с собственными драйверами 3 и 4, демпфирующую цепь 5, блок формирования первичных импульсов управления 6. Ветвь 1 представляет собой один или несколько включенных последовательно БТИЗ, ветвь 2 - один или несколько включенных последовательно ЗТ.

Физическая сущность способа управления комбинированным полностью управляемым полупроводниковым вентилем поясняется эпюрами на фиг.2 и состоит в следующем.

При подаче в момент времени t₀ импульса включения на БТИЗ (ветвь 1 на фиг.1) БТИЗ открывается и через него начинает протекать ток I_БТИЗ. В момент времени t₁ подается импульс включения на ЗТ (ветвь 2 на фиг.1). При этом, поскольку ЗТ в открытом состоянии имеет меньшее прямое падение напряжения U_ТМ, чем БТИЗ, ЗТ открывается и ток переходит из цепи БТИЗ в цепь ЗТ; через ЗТ начинает протекать ток I_ЗТ. Длительность интервала t₀-t₁ выбирается таким образом, чтобы она была больше длительности процесса полного включения БТИЗ. При равных параметрах приборов по току и напряжению динамические потери при включении и выключении у БТИЗ меньше, чем у ЗТ. На интервале t₁-t₂. ток проводит ЗТ, статические потери в котором существенно меньше потерь в БТИЗ. В момент времени t₂ на ЗТ подается запирающий импульс и в переходном процессе запирания разность потенциалов U_Q1Q2 возрастает (фиг.2), что и является причиной перехода тока с ЗТ в БТИЗ, на электрод управления которого с момента t₀ подано напряжение U_GE с драйвера 3. Подчеркнем, что переход тока, а следовательно, и выключение ЗТ происходит при низком напряжении, близком к значению прямого падения напряжения на включенном ЗТ. Последнее обстоятельство принципиально важно, поскольку означает, что потери в ЗТ при выключении в таком режиме весьма малы. В момент времени t₃ подается запирающий импульс на БТИЗ. БТИЗ и комбинированный полностью управляемый полупроводниковый вентиль в целом запираются.

Таким образом включение комбинированного полностью управляемого полупроводникового вентиля происходит первоначально с полного напряжения за счет включения БТИЗ, который имеет малые потери на включение, а затем включается ЗТ с низкого напряжения, равного падению напряжения на включенном БТИЗ, из-за чего потери в ЗТ на включение так же малы. Затем суммарный ток комбинированного полностью управляемого полупроводникового вентиля I_∑ протекает через ЗТ, статические потери в котором, как указывалось ранее, малы. В свою очередь, как подчеркивалось выше, при запирании потерями в ЗТ можно пренебречь и все потери в комбинированном полностью управляемом полупроводниковом вентиле определяется потерями в БТИЗ.

Дополнительно укажем, что в аварийных режимах по сигналу от внешнего устройства при увеличении тока через открытый вентиль импульсы на запирание тиристора 2 и транзистора 1 подаются в том же порядке, что и в нормальном режиме, но сразу после поступления сигнала аварии на блок формирования первичных импульсов управления 6. Данное мероприятие позволяет достичь величины перегрузочной способности вентиля, ограниченной областью безопасной работы БТИЗ (фиг.2). Таким образом достигается поставленная цель - повышены надежность и перегрузочная способность полупроводникового вентиля, минимизированы суммарные потери в нем.

Устройство работает следующим образом: при подаче в момент времени t₀ (фиг.2) от блока формирования первичных импульсов управления 6 (фиг.1) импульса включения в драйвер 3 ветви 1 (БТИЗ на фиг.1) комбинированного полностью управляемого полупроводникового вентиля ветвь 1 открывается и через нее начинает протекать ток. В момент времени t₁ от блока формирования первичных импульсов управления 6 подается импульс включения в драйвер 4 ветви 2 (ЗТ на фиг.1), ЗТ открывается и ток переходит из ветви 1 в ветвь 2, через которую и течет вплоть до момента времени t₂. В момент времени t₂ блок формирования первичных импульсов управления 6 подает на драйвер 4 запирающий импульс, ветвь 2 запирается, ток переходит в ветвь 1, т.к. на электрод управления БТИЗ с момента t_о подано напряжение U_GE с драйвера 3 и начинает протекать ток ТБТИЗ. В момент времени t₃ блок формирования первичных импульсов управления 6 подает на драйвер 3 запирающий импульс и БТИЗ 1 запирается.

Источники информации

1. Гуревич М.К., Ерохин А.Н., Шершнев Ю.А. Высоковольтный запираемый вентиль. Сборник докладов VII Симпозиум Электротехника 2010, май 2003 г.

2. Bijlenga Во, Grunbaum Rolf, Johansson Thomas. SVC Light - a powerful tool for power quality improvement. ABB Review 6/1998.

3. Патент GB 1073346, кл. Н 02 М 7/17, патентодержатель ASEA АВ SE 19630010984 Electrical converter comprising at least one group of parallel-connected.

4. Патент России №2119712. Комбинированный вентиль тока. Балыбердин Л.Л., Бородич Д.В., Гуревич М.К., Поссе А.В., Шершнев Ю.А.

5. АС СССР. №695438 Устройство для управления тиристорным вентилем. Балыбердин Л.Л., Лавров Н.И., Меньшиков В.Я., Шершнев Ю.А. Заявка №2496572/24-07.

1. Комбинированный полностью управляемый полупроводниковый вентиль, содержащий две включенные параллельно ветви из вентилей различных типов и демпфирующую цепь, подключенную параллельно им, причем каждая из ветвей имеет собственный драйвер, отличающийся тем, что одна из ветвей представляет собой один или несколько включенных последовательно биполярных транзисторов с изолированным затвором, а вторая из ветвей - один или несколько включенных последовательно запираемых тиристоров, причем входы драйверов обоих ветвей соединены с выходами блока формирования первичных импульсов управления.

2. Способ управления комбинированным полностью управляемым полупроводниковым вентилем по п.1, заключающийся в том, что в блоке формирования первичных импульсов управления формируют два импульса включения и два импульса запирания таким образом, что сначала подается первый импульс включения на ветвь, представляющую собой один или несколько включенных последовательно биполярных транзисторов с изолированным затвором, а затем подается второй импульс включения на ветвь, представляющую собой один или несколько включенных последовательно запираемых тиристоров; в свою очередь при запирании сначала подается первый импульс запирания на ветвь, представляющую собой один или несколько включенных последовательно запираемых тиристоров, а затем подается второй импульс запирания на ветвь, представляющую собой один или несколько включенных последовательно биполярных транзисторов с изолированным затвором.