Способ выключения запираемого тиристора

) ОБРЕТЕНИЯ ПИСАН ВТОРСКОМУ ЕТЕЛЬСТВ(54) СПОСОБ ВЫКЛЮЧЕНИЯ ЗАПИРАЕМОГО ТИРИСТОРА(71) Научно-исследовательский институт попередаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения(56) Авторское свидетельство СССРМ. 741386, кл, Н 02 М 1/08, 1980.Дерменжи П, Г, Приходько А. И., Потапчук В, Б, Силовые запираемые тиристоры зарубежом, Электротехническая промышленность. Сер, 05,Полупроводниковые пиловые приборыи преобразователи на их основе. Обзорнаяинформация, 1987, вып. 4 (14), с, 4, рис. 1 а.ВгсзЬ Ретег Р. И/епцег Ац 1 аапббезсЬтзргпсе гогп ОТО Епзатк иЯсгогпгсЬТег зсЬаып 9 еп, - ЕестготесЬпй,1985, 67, М 8, М 12 - 14, 16 - 19.Заявка Японии М 58 - 52429, кл, Н 02 М1/06, опублик. 1983.(57) Сущность изобретения: способ позволяет повысить надежность работы силовых запиоаемых тиристоров и системы управления ими, а также снизить энергопотребление последней, Цель достигается за счет сокращения длительности основного запирающего импульса и обеспечения отрицательного смещения силовых запираемых тиристоров на завершающем этапе выключения путем пропускания в этот период через уп равля ющий переход дополнительного токового импульса, имеющего форму спадающей экспоненты с постоянной времени, равной времени жизни неосновных носителей в и-базе силовых запираемых тиристоров. Начальная амплитуда импульса со=Чаа/80, где Чаа - пробивное напряжение управляющего перехода; 80 - сопротивление управляющего перехода в момент окончания основного запирающего импульса,3 ил,напряжения), поупомянутого мануля.Импульс упэтом получаетсяобеспечивает настора на заверш(во время "хвостается отрицательщего перехода.Известен спра, состоящий в пэлектрод двух за Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразователях на базе запираемых тиристоров, особенно в высоковольтных вентилях из и последовательно соединенных тиристоров,Известен способ выключения запираемого тиристора, заключающийся в том, что отрицательный (запирающий) импульс тока управления формируют нарастающим от нулевого значения до максимального вплоть до достижения контрольным параметром в анодной цепи заданной величины (в данном случае до изменения полярности анодного равления запир экономичным, н дежного выключ ающем этапе в "т), так как не о ного смещения нием при способ не ния. тириключения еспечива- управляюособ выключения тиристоодаче на его управляющий пирающих сигналов - мощГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР чего - спадающим отмального значения до10 15 ного (токового) длительностью тч, и маломощного с длительностью, равной периоду приложения к СЗТ полокительного анодного напряжения. Этот способ позволяет запереть тиристор на всех этапах, в том числе обеспечить термостабильность и би/с 1 - стойкость на "хвосте" т, Однако при этом необходимо использование источников питания. напряжение которых ОБх не превышает напряжения пробоя управляющего р-и-перехода Оас, Для современных силовых запираемых тиристоров (СЗТ) требуются импульсы выключения с амплитудой 1 аам порядка сотен ампер и крутизной бас/й=(40 - 50) А/мкс. При ОвхОьо реализация импульсовтаких параметров наталкивается на значительные технические трудности, обусловленные наличием потерь энергии в цепях формирователя.Наиболее близким к предлагаемому является способ выключения СЗТ, состоящий в формировании запирающего импульса от источника питания, напрякение которого Овх больше пробивного напряжения управляющего перехода Оса, и отводе после восстановления блокирующих свойств этого перехода избыточного тока от него в шунтирующую цепь,В известном способе достигаются любые требуемыесом и б 1 ка/б, а кроме того, принудительно формируется смещение на управляющем переходе на время ть Однако в этом случае полезно используется лишь незначительная часть тока формирователя, а его большая часть отводится в шунтирующую цепь, что приводит к повышению мощности последней, а потому и к повышению энергопотребления формирователя в целом, что нежелательно во всех случаях, особенно при управлении цепочкой из и последовательных СЗТ, Избыточные токи в формирователе приводят к избыточному тепловыделению в нем, сникению надежности и усложнению системы управления. В процессе коммутации запирающего тока с рп-перехода в шунтирующую цепь возникают перенапрякения, которые могут привести к отказу СЗТ, Способ-прототип не предусматривает создания отрицательного смещения на весь период приложения к СЗТ положительного анодного напряжения (т. е. после завершения периода т), Такая ситуация недопустима при использовании СЗТ в преобразователях, где имеются коммутации анодного напрякения с высоким с 1 О/от,Целью изобретения является повышение надежности тиристора на всех этапах запирания и в прямом блокирующем состоянии,20 25 30 35 40 45 50 55 Поставленная цель достигается тем, что запирающий импульс формируют путем наложения трех импульсов; первого, представляющего собой треугольник с длительностью переднего фронта Ь, где Ь - время задержки запирания данного тиристора; второго, представляющего собой токовый импульс, спадающий по экспоненте с постоянной времени, равной времени жизни неосновных носителей в и-базе тиристора, и третьего импульса напрякения, по амплитуде не превышающего Оса, длительностью вплоть до подачи ближайшего импульса управления включением, причем начало второго импульса совпадает по времени с окончанием переднего фронта первого импульса, а начало третьего - с окончанием второго, в то время как амплитуда второго импульса в момент окончания первого составляетОао11 огде й - сопротивление управляющего перехода в указанный момент,Физическая сущность способа состоит в следующем,При запирании тиристора первым отрицательным импульсом управления (фиг, 2 а) избыточные носители интенсивно выводятся из р-базы, и к концу периода ть длящегося для различных типов СЗТ от 3 - 4 до 25 - 30 мкс, управляющий рп-переход СЗТ восстанавливается. Ток через СЗТ и, соответственно, через рп-переход резко обрывается, Однако к моменту обрыва тока в и-базе тиристора остались избыточные носители, которые не успели вывестись анодным током на этапы спада. Эти носители оказываются запертыми в и-базе и рекомбинируют в ней с постоянной времени жизни неосновных носителей тр, создавая в анодной цепи рекомбинационный ток - так называемый "ток хвоста" 1 ь который протекает также и через управляющий переход в прямом направлении, снижая его сопротивление Вь причем К(т)=Я, дахр(1/тр). Ток 1 в управляющем переходе способен привести к неконтролируемому включению СЗТ частью площади, снижению ОО/й - стойкости и термостабильности. Чтобы избежать этих крайне нежелательных явлений, требуется обеспечить отрицательное смещение рп-перехода на весь период приложения поло кительного анодного напряжения, Предлагаемый способ состоит в том, что это смещение достигается на двух физически различных этапах работы СЗТ - интервал времени т и все остальное время вплоть до подачи ближайшего импульса управления(фиг. 2 г) качественно различными способами, На время т за счет второго токового импульса через рп-переход пропускают следящий противоток (фиг. 2 б), а в остальное время когда переход полностью восстановлен, прикладывают отрицательное смещение ООба (фиг. 2 д) от маломощного источника (фиг, 2 в).Экономичный импульс смещения следит за изменениями сопротивления управляющего перехода и обеспечивает устойчивое смещение в любой момент времени при одновременном обеспечении достаточного по крутизне и амплитуде запирающего импульса, мощность и форма которого непосредственно в управляющем рп-переходе СЗТ практически совпадают с параметрами формирователя. На базе предлагаемого способа можно разработать устройство, которое автоматически отслеживает изменение параметра управляющего перехода СЗТ в процессе выключения, и формирует "оптимальный" запирающий импульс. Сникение потребляемой при запирании мощности позволяет управлять цепочкой из п последовательно включенных СЗТ.На фиг, 1 показана зависимость сопротивления уп равляющего перехода Я от времени на этап "хвоста"; на фиг, 2 диаграммы напряжений и токов в СЗТ при запирании по предлагаемому способу; на фиг, 3 - функциональная схема устройства для управления (вкл очения и выключения) СЗТ, реализующая предложенный способ.Устоойство (фиг. 3) содержит запираемый тиристоо 1, источник 2 питания, состоящий из источника питания цепи включения, образованного накопительным конденсатором 3, диодом 4 и одной вторичной обмоткой трансформатора 5, и источника питания цепи запирания, образованного конденсатором 6, диодом 7 и другой вторичной обмоткой того же трансформатора 5,устройство-задатчик 8 импульсов включения и устройство-задатчик 9 импульсов запирания, при этом первые выходы устройств 8 и 9 соединены соответственно с управляющими электродами модуляторных тиристоров 10 и 11 в цепях включения и запирания, а вторые их выходы - с базовыми электродами зарядных транзисторов 12 и 13, стоящих соответственно в цепях включения и запирания, формирующий конденсатор 14, включенный через ограничивающий резистор 15, формирующий конденсатор 16 и ЯС-цепь 17 - 18, включенные параллельно управляющему переходу запираемого тиристора 1, сопротивление 19 смещения, включенное мекду анодом диода 7 и электродом управления тиристора 1, а между электродом управления и катодом СЗТ 1 включен диод 20 и ограничительный диод 21.Устройство работает следующим образом,При подаче напряжения на трансформатор 5 через диоды 4 и 7 заряжаются накопительные конденсаторы 3 и 6. По сигналу с устройства-задатчика 9 выдаются управляющие импульсы на тиристор 11 в цепи запирания и транзистор 13 в цепи включения. При этом управляющего импульса запирания на СЗТ не формируется из-за отсутствия напряжения на конденсаторах 16 и 18, а также из-за отсутствия силового анодного тока в СЗТ, а транзистор 13 включается и происходит заряд формирующего конденсатора 14. Затем по сигналу на тиристор 10 и транзистор 12 поступают управляющие сигналы, В цепи модуляторный тиристор 10 )- конденсатор 14, ограничивающий резистор 15 - управляющий переход СЗТ 1 формируется положительный импульс управления. СЗТ включается, пропуская анодный ток. В то же время происходит заряд конденсаторов 16 и 18 через включенный транзистор 12. При поступлении следующего сигнала "Выкл." от устройства 9 на СЗТ 1 подается управляющий импульс выключения, а в цепи включения через транзистор 13 вновь заряжается конденсатор 14. Устройство управления введено в работу. Импульс выключения формируется наложением двух сигналов; первого - за счет разряда конденсатора 16 через управляющий рп-переход СЗТ 1 и второго - за счет разряда цепи Я 17-С 18 через тот же переход. Параметры Я 17 и С 18 таковы, что их постоянная т 1 = Я 17 С 18=-гр ) ) 1.Поэтому к концу периода времени т заряд с конденсатора 18 успевает стечь не более, чем на 10-.20%. В этот момент восстанавливается рп-переход, его сопротивление скачком увеличивается, а затем растет экспоненциально (фиг, 1) и превышает Я 17. Постоянная времени разряда дополнительной цепи становится гав=Я(1)С 18. Но при этом напряжение на С 18 еще существенно превышает Оса, и цепь защиты 20 - 21 пропускает ток, ограниченный только резистором 17. В этих двух цепях идут одновременно два различных процесса; в рп-переходе СЗТ ток спадает в соответствии с Я=Яехрт/ гр, а в шунтирующем ограничителе 20 и 21 - экспоненциально с постоянной т 1 = гр . Таким образом, переход всегда потребляет именно такой ток, который необходим для смещения на величину Оса. Ток1744772 50 вгорого импульса обрывается в тот момент, когда он становится меньше тока удеркания тиристора 11, С этого момента смещение Оса обеспечивается от накопительного конденсатора б через высокоомное ограничительное сопротивление 19,Устройство на фиг. 3 находится в таком состоянии до выдачи блоком 8 следующего сигнала "Вкл,", после чего цикл повторяется.Использование предлагаемого способа позволяет сформировать оптимальный (необходимый и достаточный) токовый импульс управления для запирания СЗТ и обеспечить устойчивое отрицательное смещение рп-перехода заданной величины при любых значениях сопротивления перехода. Устройство управления на его основе автоматически отслеживает изменение параметров управляющего перехода СЗТ и формирует необходимый и достаточный для смещения рп-перехода ток. Устройство на основе предлагаемого способа требует существенно меньшей мощности источников питания, поскольку по способу-прототипу необходимо сформировать длинный (около 100 мкс) запирающий импульс полной амплитудысам, В предлагаемом способе длительность импульса такой амплитуды сокращается на порядок. Это особенно существенно при конструировании высоковольтных вентилей на СЗТ,Таким образом у предлагаемого способа появляются следующие свойства: различные импульсы и раздельные цепи для их формирования на физически различных этапах выключения СЗТ, что исключает провалы в эпюре напряжения на управляющем электроде и следующие за ними неконтролируемые включения, приводящие к отказу СЗТ на этапе "хвоста"; мощность формирователя импульсов выключения соответствует мощности, потребляемой СЗТ на этапе запирания по управляющему электроду, а мощность источника смещения минимизирована, Этим достигается повышение надежности тиристора на всех этапах запирания и в прямом блокирующем направлении.Реализация предлагаемого способа не5 нуждается в отдельных мощных источникахсмещения; мощность одной цепи смещенияне превышает 0,5 Вт; цепь может быть запитана от источника в формирователе импульсов выключения; устройство управления на10 его основе не содержит мощных тепловыде-.ляющих элементов,Формула изобретенияСпособ выключения запираемого тиристора, состоящий в формировании запира 15 ющего импульса от источника питания,напрякение которого Ох больше пробивного напряжения управляющего переходаОас 1, и отводе после восстановления блокирующих свойств этого перехода избыточно 20 го тока от него в шунтирующую цепь, о тл и чаю щи йс я тем, что, с целью повышения надежности тиристора на всех этапахзапирания и в прямом блокирующем состоянии, упомянутый запирающий импульс25 формируют путем наложения трех импульсов; первого. представляющего собой треугольник с длительностью переднего фронтаь, где Ь - время задеркки запирания данного тиристора, второго, представляющего30 собой токовый импульс, спадающий по экспоненте с постоянной времени, равной времени жизни неосновных носителей в п-базетиристора, и третьего импульса напряжения, по амплитуде не превышающего Оса и35 длительностью вплоть до подачи ближайшего импульса управления включением, причем начало второго импульса совпадает повремени с окончанием переднего фронтапервого импульса, а начало третьего - с40 окончанием второго, в то время как амплитуда второго импульса в момент окончанияпервого составляето=Оба/%,где Яс - сопротивление управляющего пере 45 хода в указанный момент.12 1744772 Составитель Л.Билыбердинедактор Е.Копча Техред М.Моргентал Корректор А.Осауленко изводственн каз 2202 ВНИИПИ Го Тираж Подписноетвенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 тельский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина,