Устройство для управления запираемым тиристором

(19 1)5 Н 02 М 1/08 ЕН ЕИ ПИ хническии инсти.Сак ч 48, 1987.2, 1986,03 К 17 ЛЕНИ УПРАОМ ия: ра , пов ширение дишение преичения неделяет ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Заявка ЯпонииМ 62-123966, кл, Н 02 МЗаявка ФРГМ 3517468, кл. Н 4) УСТРОИСТВО ДЛЯИРАЕМЫМ ТИРИСТОР7) Сущность изобретенпазона рабочей частот Предложение 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 1771048 А 1 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 НаП,1 яжЕНИя 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,ряжения, величина коророй опвысокой скоростью прерывания тока при выключении ЗТ (до 2 10 А./мкс). Наличие большой емкости ограничивает максимальную частоту ЗТ, увеличивает массу и габариты, повышает мощность потерь. Значительные потери мощности в ЗТ при его выключении ограничивают частоту и предельный так ЗТ, кумуляция тска ЗТ а 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 полеой 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 элект 1771048роду управления ЗТ, 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 ЗТ, что,приводит кнеобходимости иметь большую емкость в цепи ограничения напряжения, а следовательно приводит к ограничению рабочей частоты ЗТ, увеличению массы, габаритов и мощности потерь устройства, кроме того, вследствии кумуляции тока при выключении ЗТ 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 ЗТ 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 лиода 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 к55 5 10 15 20 253035404550 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 ЗТ 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 ЗТ и имеющая трансформатор с шестью магнитопроводами.На фиг,5 показана конструкция устройства, объединенная с ЗТ и имеющая трансформатор с одним магнитопроводом,Схема устройства управления запираемым тиристором ЗТ 1, показанная на фиг.1,содержит ЗТ 1, анод которого соединен с началом 2 вторичной обмотки 3 трансформатора 4 через встречно включенный первый диод 5, Электрод управления ЗТ 1 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 ЗТ 1 и его катодом включен симметричный стабилитрон 10, Ко 1771048нец вторичной обмотки 3 трансформатора 4 соединен с катодом ЗТ 1. Первичная обмотка 11 трансформатора 4 соединена с источником управляющих сигналов 12, Параллельно ЗТ 1 включен узел ограничения напряжения, содержащий резистор 13 и конденсатор 14. Резистор 8 вводится в схему при необходимости защиты электрода управления ЗТ 1 от протекания избыточного тока. Стабилитрон 10 вводится при необходимости ограничения напряжения на электроде управления ЗТ 1.Устройство работает следующим образом:В начале процесса ЗТ заперт, к аноду его приложено положительное по отношению к катоду напряжение силовой схемы, Для отпирания ЗТ 1 на обмотку 11 трансформатора 4 в момент т подают импульс положительного напряжения до т 2 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, электродуправления и катод ЗТ 1 к концу обмотки 3, Импульсом тока з переводится ЗТ 1 в отпертое состояние. Избыток тока з замыкается через диод 5 и цепь анод - катод ЗТ 1. 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 ЗТ 1, 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 ЗТ 1 в момент 1 з за 20 - 50 мкс перед тем, как ЗТ 1 должен прервать ток подают импульс положительного напряжения на обмотку 11 трансформатора 4. Поскольку ЗТ 1 отперт, ток з вторичной обмотки трансформатора замыкается по контуру: начало 2 обмотки 3, анод- катод диода 5, анод-катод ЗТ 1, конец обмотки 3, Часть тока 3 через резисторы 8 и 9 ответвляется на электрод управления ЗТ 1, снижая прямое падение напряжения в нем. При протекании тока 3 происходит накопление неосновных носителей заряда в структуре диода 5. Затем в момент 14 производят резкое изменение знака напряжения, приложенного к обмотке 11, При этом с момента а начинает протекать ток в цепи - конец обмотки 3 трансформатора 4, катод- анод ЗТ 1, 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 ЗТ 1 через его электрод управления, согласно направленный диод 7 и резистор 8 к началу 2 обмотки 3. При этом происходит спадение до нуля анодного тока ЗТ 1, а протекание обратного тока через электрод уп - равления обеспечивает ускорение выключения ЗТ 1. При таком способе выключения ЗТ 1, 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 с 6),Фиг.3 иллюстрирует процесс запирания ЗТ 1. В момент то подают импульс прямого напряжения на обмотку 11 трансформатора 4. Протекающий в контуре вторичной обмотки 3 ток з обеспечивает накопление неосновных носителей заряда в структуре диода 5 (фиг.1), При изменении в момент т знака напряжения, подаваемого на обмотку 11, и перемене направления протекания тока в цепи обмотки 3, анодный ток 1+з ЗТ 1 на интервале с-и спдает до нуля, а ток внешней цепи переводится на диод 5 и является для него обратным током. На интервале выключения от с до з к ЗТ 1 прямое напряжение не прикладывается, В момент сз обратный ток диода 5 прекращается и к ЗТ 1 прикладывается прямое напряжение О 1, При этом может быть допущена большая крутизна фронта напряжения (бО/ /бт), т,к. ЗТ 1 выключен, потери мощности практически отсутствуют и к электроду управления ЗТ 1 приложено обратное напряжение обмотки 3. Большое допустимое бО/ /б 1 позволяет значительно уменьшить требуемую величину емкости узла ограчичения напряжения. При этом значительно уменьшается длительность переходного процесса (трыкд), расширяется диапазон рабочей частбты ЗТ, уменьшается масса. габариты и мощность потерь в онденсаторе на рабочей частоте.Показанный на фиг,4 вариант кг нструкции устройства, объединенной с ЗТ и имеющей трансформатор с шестью магнитопроводами. содержит; 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1 - структура ЗТ 1.2 - структура первого диода,1771048 50 55 3 - изоляционная теплопроводящаяпрокладка,4 - анодный токоподвод устройства,5 - катодный токоподвод устройства,6 - корпус-изолятор устройства,7 - токоподвод к аноду ЗТ 1,8 - токоподвод к аноду первого диода,9 - магнитопровод трансформатора ипервичная обмотка,10. - токопроводящий стержень (элемент вторичной обмотки 3),11 - токопроводящий стержень, соединяющий анодный токоподвод 4 с анодомЗТ 1,12 - структура второго диода и резисторы.Остальные элементы устройства могутбыть размещены как внутри, так и вне корпуса 6,Показанный на фиг,5 вариант конструкции устройства, обьединенной с ЗТ и имеющей трансформатор с одниммагнитопроводом, содержит:2 - структура ЗТ 1,2 - структура первого диода,3 - токоподвод к аноду ЗТ 1 и катодупервого диода,4 - магнитопровод трансформатора ипервичная обмотка,5 - анодный токоподвод устройства,6 - катодный токоподвод устройства,7 - токопроводящий стержень (элементвторичной обмотки 3),8 - изоляционная теплопроводя щаяпрскладка,9- токопроводящий стержень, соединяющий анодный токоподвод 5 с токоподводом 3,10 - корпус-изолятор устройства.Остальные элементы устройства могутбыть размещены как внутри, так и вне корпуса 10. Формула изобретения1, 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 расши 5 рения диапазона рабочей частоты, повышения предельного тока. увеличениянадежности работы, уменьшения массы, габаритов и мощности мотерь, катод первогодиода предназначен для подключения к10 аноду запираемого тиристора, анод второгодиода предназначен для подключения кэлектроду управления запираемым тиристором, конец вторичной обмотки трансформатора предназначен для подключения к15 катоду запираемого тиристора, а первичнаяобмотка 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 е 20 с я тем, что параллельно второму диодувключен резистор, относящийся к элементам подачи отпирающих импульсов,3. Устройство по п,1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что полупроводниковые структуры25 запираемого тиристора и первого диодаконструктивно связаны. имеют общую осьсимметрии и помещены в общий корпус странсформатором, который выполнен надвух или большем числе магнитопроводов,30 расположенных вокруг указанных полупроводниковых структур, каждый магнитопровод охватывается витками вторичнойобмотки трансформатора и витками первичной обмотки в количестве, равном общему35 числу витков первичной обмотки, деленному на количество магнитопроводов, виткивторичной обмотки соединены параллельно, а витки первичной обмотки - последовательно, причем площади сечений,40 охватываемых каждым витком вторичнойобмотки, равны между собой и минимальныпо условиям монтажа,4, Устройство по п,1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что полупроводниковые структуры45 запираемого тиристора и первого диодаконструктивно связаны с трансформатором,имеют общую ось симметрии с магнитопроводом и помещены в один корпус.1771048 40 50 Составитель М. АбрамовичТехред М,Моргентал КоРРектор М. Максимишинец Редактор Т. Иванова Производственно-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, Раушская наб 4/5