Тиристорный ключ — SU 1737661 (original) (raw)
(51)5 Н 02 М 1/08 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Московский энергетический институт (72) О.Г.Булатов, А.В,Жеглов, П,В.Перов, С.В.Одынь и С.В.Рябых(56) Авторское свидетельство СССР М. 915183, опублик. 1982.Забродин Ю.С. Узлы принудительной конденсаторной коммутации тиристоров. М,; Энергия, 1974, с. 128.Булатов О.Г. и др, Мощные ключи на тиристорах, выключаемых по цепи управления. - Электротехническая промышленность. Сер.05. Силовая преобразовательная техника; Обзорная информация, 1988, вып, 19, с. 1 - 48. ив.,Ж.до 1737 бб 1 А 1(57) Сущность изобретения. Тиристорный ключ содержит последовательно соединенные двухоперационный тиристор 1 и источник 2 напряжения, параллельно которым подключена вспомогательная цепь, состоящая из последовательно соединенных накопительного диода 3 и зашунтированного обратным диодом 4 дросселя, Для увеличения коммутируемых токов при одновременном повышении перегрузочной способности введен однооперационный тиристор 6, включенный параллельно вспомогательной цепи, причем силовыми выводами тиристорного ключа являются анод и катод однооперационного тиристора. 5 з.п.ф-лы, 5 ил,Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при построении тиристорныхимпульсных регуляторов, стабилизаторов,автономных инверторов и других преобразовательных устройств, в которых используются полностью управляемые ключи.Известны полностью управляемые тиристорные ключи, содержащие однооперационный тиристор и узел принудительной 10коммутации, причем в узле принудительнойкоммутации используется целый ряд элементов - коммутирующие конденсаторы,дроссели, вспомогательные тиристоры, диоды. 15Однако такие ключи обладают большими дополнительными потерями энергии, имсвойственны перенапряжения, возникающие на элементах ключа. Кроме того, наличие емкостных и индивидуальных 20элементов, вспомогательных диодов и тиристоров ухудшает массогабаритные показатели полностью управляемоготиристорного ключа. В ряде случаев режимработы узла принудительной коммутации 25оказывает влияние на форму напряженияна нагрузке,Эти недостатки устраняются в полностью управляемых тиристорных ключах, содержащих двухоперационный тиристор с 30демпфирующей цепью.Наиболее близкий к предлагаемому является тиристорный ключ, содержащийдвухоперационный тиристор с демпфирующей цепью, действие которой основано на 35инерционных свойствах низкочастотногодиода. Данная демпфирующая цепь содержит последовательно соединенные источник напряжения, транзистор,зашунтированный обратным диодом, и накопительный диод.Недостатком данного тиристорногоключа является ограниченная коммутируемая мощность в режиме длительного(условно-непрерывного) протекания анодного 45тока, Таким образом, данный тиристорныйключ имеет ограниченную область применения (по коммутируемому току), Кроме того,перегрузочная способность этого тиристорного ключа ниже, чем у полностью управляемых ключей, содержащиходнооперационный тиристор с узлом принудительной коммутации.Целью изобретения является увеличение коммутируемых токов при одновременном повышении перегрузочнойспособности.Поставленная цель достигается тем, чтов известный тиристорный ключ, содержащий последовательно соединенные двухоперационный тиристор и источник напряжения, параллельно которым подключена вспомогательная цепь, состоящая из последовательно соединенных накопительного диода и зашунтированного обратным диодом элемента, формирующего прямой ток через накопительный диод, введен одно- операционный тиристор, анодом подключенный к катоду накопительного диода, а катодом - к положительному выводу источника напряжения, причем силовыми выводами тиристорного ключа являются анод и катод однооперационного тиристора, а элемент, формирующий прямой ток через накопительный диод, выполнен в виде дросселя.Кроме того, с целью обеспечения обратной вентильной прочности, введен дополнительный диод, включенный между однооперационным тиристором и вспомогательной цепью, причем катод дополнительного диода соединен с катодом однооперационного тиристора. Элемент, формирующий прямой ток через накопительный диод, выполнен в видеуправляемого ключа. С целью повышению надежности запирания и увеличения коммутируемой мощности источник напряжения выполнен в виде источника двуполярных импульсов. С целью упрощения введены цепь отпирания, состоящая из последовательно соединенных токоограничителя и диода, и цепь запирания, состоящая из последовательно соединенных токоограничителя и обратного диода, причем цепи отпирания и запирания соединены параллельно и подключены между управляющим электродом двухоперационного тиристора и катодом однооперационного тиристора. На фиг. 1 - 4 изображены схемы тиристорных ключей; на фиг. 5 - временные диаграммы, поясняющие принцип их работы.Тиристорный ключ, изображенный на фиг, 1 и 3, содержит последовательно соединенные двухоперационный тиристор 1 и источник 7 напряжения, параллельно которым подключены вспомогательная цепь, состоящая из накопительного диода 3 и зашунтированного обратным диодом 4 элемента, формирующего прямой ток через накопительный диод 3, и однооперационный тиристор 6.Тиристорный ключ, изображенный на фиг. 2, снабжен дополнительным диодом 7, включенным между однооперационным тиристором 6 и вспомогательной цепью, причем катод дополнительного диода 7 соединен с катодом однооперацион ного тиристора 6.Тиристорный ключ, изображенный на фиг. 4, дополнительно снабжен цепью отпирания, состоящей из последовательно соединенных токоограничивающего элемента 8 и диода 9, и цепью запирания, состоящей из последовательно соединенных токоограничивающего элемента 10 и обратного диода 11, причем цепи отпирания и запирания соединены параллельно и подключены между управляющим электродом двухоперационного тиристора 1 и катодом однооперацион ного тиристора 6.Тиристорный ключ работает следующим образом.Пусть до момента 1 о силовой однооперационный тиристор 6 открыт и проводит ток нагрузкин. В момент времени 1 о отпирают двухоперационный тиристор 1, осуществляя перевод тока с тиристора 6 на тиристор 1, В контуре 2 - 6 - 1 - 2 начинает протекать ток, скорость нарастания которого ограничивается монтажными индуктивностями данного контура, В момент времени 11 заканчивается рассасывание избыточного заряда у анодного р-и перехода тиристора 6, этот р-и переход восстанавливает блокирующие свойства и начинается спад тока в контуре 2 - 6 - 1 - 2, С момента т 1 на тиристоре 6 появляется обратное анодное напряжение. Соответственно, к дроссеФлю 5 также с момента т 1 прикладывается напряжение и в контуре 2 - 5 - 3 - 1 - 2 происходит нарастание тока. Скорость этого нарастания определяется значением напряжения источника 2.и индуктивностью дросселя 5. При протекании тока по укаэанному контуру происходит накопление заряДа в ДиоДе 3 на интеРвале (со, с 2). ИнтеРвал (то, т 2) = те.сх, ЯВЛЯЕТСЯ таКжЕ ВРЕМЕНЕМ, ПРЕ- доставляемым схемой для выключения однооперационного тиристора 6. В момент времени с подают запирающий импульс управления на двухоперационный тиристор 1. Последний начинает запираться и его анодный ток переводится на вспомогательную цепь. Двухоперационный тиристор 1 запирается в облегченном режиме, так как на этапе спада анодного тока к нему не прикладывается анодное напряжение, Следовательно, потери при запирании тиристора 1 практическиотсутствуют. В момент времени те заканчивается процесс рассасывания избыточных носителей около р-п перехода диода 3, а затем на интервале (тэ, с 4) протекает процесс восстановления обратной вентильной прочности диода 3, Инерционность этого процесса ограничивает скорость нарастания анодного напряжения на тиристорах 6 и 1, В момент 14 коммутационные процессы в тиристорном ключе заканчиваются и схема готова к следующей коммутации.При использовании в качестве элемента, формирующего прямой ток через нако пительный диод, управляемого ключевогодэлемента 5 (см. фиг, 3), например, однооперационного тиристора, отличие в работе тиристорного ключа заключается в том, что можно посредством регулируемой задерж ки Л 1 между отпиранием двухоперационного тиристора 1 и ключевого элемента 5регулировать накапливаемый в диоде 3 заряд и, соответственно, время облегченного выключения независимо от времени, предо ставляемого для запирания тиристора 6.Это позволяет увеличить КПД и надежность тиристорного ключа, за счет уменьшения мощности, выделяющейся в элементах тиристорного ключа, и уменьшения средней 20 мощности источника 2 напряжения.При использовании в качестве источника 2 напряжения источника двуполярных импульсов отличие в работе тиристорного ключа состоит в том, что в момент времени 25 12 изменяется полярность напряжения источника 2 и к двухоперационному тиристору 1 прикладывается обратное напряжение, т,е. он работает в режиме комбинированной коммутации (см. пунктир на фиг. 5). Это по зволяет увеличить надежность запираниядвухоперационного тиристора и увеличит коммутируемую им мощность.Введение дополнительных цепей отпирания и запирания позволяет исключить 35 формирователь импульсов управления длядвухоперационного тиристора 1, что значител ьно уп рощает тиристорный ключ.Тиристорный ключ (см. фиг. 4) работаетаналогично описанному, причем при поляр ности на зажимах источНика 2, указанной нафиг, 4 без скобок, по цепи 2 - 8 - 9 - входная цепь тиристора 1 - 2 протекает отпирающий ток управления тиристора 1, а.с момента 1 при изменении полярности напряжения ис точника 2 (см. полярность в скобках фиг. 4),по цепи 2 - входная цепь тиристора 1-11- 10 - 2 протекает запирающий ток управления тиристора 1.Однооперационные тиристоры выпу скаются на предельные рабочие токи существенно большие, чем наиболее мощные двухоперационн ые тиристоры. Перегрузочная способность у однооперационного тиристора выше, чем у двухоперацион ного.55 Кроме того, как видно из принципа работытиристорного ключа, ток нагрузки протекает через однооперационный тиристор на этапе проводящего состояния ключа, а через двух- операционный тиристор - только на этапе коммутации однооперационного тиристора,1737661 50 55 Таким образом, в предлагаемом устройстве двухоперационный тиристор работает в импульсном режиме, а как показали экспериментальные исследования, в таком режиме работы двухоперационного тиристора в несколько раз возрастает предельно запираемый ток по сравнению с режимом длительно протекающего тока. Кроме того, двухоперационный тиристор включается и выключается в облегченном режиме (включение тиристора происходит при низком напряжении, а при выключении нарастание напряжения на нем осуществляется после спада анодного тока), т.е. тепловыделение в его полупроводниковой структуре на этапах включения и выключения практически отсутствует, что дополнительно увеличивает предельно запираемый ток.Таким образом, в предлагаемом устройстве благоприятные условия работы двух- операционного тиристора (импульсный режим с большой скважностью, а также облегченные условия включения и выключения) позволяют существенно увеличить предельный коммутируемый двухоперационным тиристором ток и как бы "подтянуть" его к коммутируемому току более мощного однооперацион ного тиристора.Таким образом двухоперационный и однооперационный тиристоры в предлагаемом устройстве используются в наиболее благоприятных режимах эксплуатации. Это позволяет существенно увеличить коммутируемый тиристорным ключом ток и повысить его перегрузочную способность по сравнению с прототипом.Формула изобретения 1. Тиристорный ключ, содержащий последовательно соединенные двухоперационный тиристор и источник напряжения, параллельно которым подключена вспомогательная цепь, состоящая из последовательно соединенных накопительного диода и зашунтированного обратным диодом элемента, формирующего прямой ток через накопительный диод, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью увеличения коммутируемых токов одновременном повышении перегру 5 зочной, способности, введеноднооперационный тиристор, анодом подключенный к катоду накопительного диода,а катодом - к положительному выводу источника напряжения, причем силовыми выво 10 дами тиристорного ключа являются анод икатод однооперационного тиристора,2. Тиристорный ключ по п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что элемент, формирующийпрямой ток через накопительный диод, вы 15 полнен в виде дросселя,3, Тиристорный ключ по и. 2, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью обеспеченияобратной вентильной прочности, введен дополнительный диод, включенный между од 20 нооперационным тиристором ивспомогательной цепью, причем катод дополнительного диода соединен с катодомоднооперационного тиристора.4. Тиристорный ключ по и, 1, о т л и ч а 25 ю щ и й с я тем, что элемент, формирующийпрямой ток через накопительный диод, выполнен в виде управляемого ключа,5. Тиристорный ключ по пп. 1 - 4, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения30 надежности запирания и увеличения коммутируемой мощности, источник напряжениявыполнен в виде источника двуполярныхимпульсов.6, Тиристорный ключ по и. 5, о т л и ч а 35 ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения,введены цепь отпирания, состоящая из последовательно соединенных токоограничителя и диода, и цепь запирания, состоящаяиз последовательно соединенных токоогра 40 ничителя и обратного диода, причем цепиотпирания и запирания соединены параллельно и подключены между катодом однооперационногО тиристора и управляющимэлектродом двухоперационного тиристора.45,Максимишине орре актор Т.Лазорен роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 каз 190 ВНИИ оставитель А,Жегловехред М,Моргентал Тираж Подписноесударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5