Способ выключения запираемого тиристора
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 управляющий переход дополнительного токового импульса, имеющего форму спадающей экспоненты с постоянной времени, равной времени жизни неосновных носителей в n-базе силовых запираемых тиристоров . Начальная амплитуда импульса lto VGQ/Rto, где VGQ - пробивное напряжение управляющего перехода; Rto - сопротивление управляющего перехода в момент окончания основного запирающего импульса . 3 ил со С
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР 11.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4780611/07 (22) 09.01.90 (46) 30.06.92. Бюл, N 24 (71) Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения (72) Л. Л. Балыбердин, М. К, Гуревич и Ю, А.
Шершнев (53) 621.316.727:621.316,925,4(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
N 741386,,кл. Н 02 М 1/08, 1980.
Дерменжи П, Г, Приходько А. И., Потапчук В. Б. Силовые запираемые тиристоры за рубежом, Электротехническая промышленность. Сер, 05.
Полупроводниковые пиловые приборы и преобразователи на их основе. Обзорная информация, 1987, вып. 4 (14), с. 4, рис. 1а.
Вгсsh Peter F. Weniger Aufwand
Gesichtspi nkte zum GT0 Einsatz in
Stromrichter schaltungen, — EIectrotechnik, 1985, 67, N8,,N 12 — 14, 16 — 19.
Заявка Японии N 58 — 52429, кл, Н 02 М
1/06, опублик. 1983.
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 Ы, „1744772 At (54) СПОСОБ ВЫКЛЮЧЕНИЯ ЗАПИРАЕМОГО ТИРИСТОРА (57) Сущность изобретения: способ позволяет повысить надежность работы силовых запираемых 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
Ir< =— V a/R<>, где Vga — пробивное напряжение управляющего перехода; Rt< — сопротивление управляющего перехода в момент окончания основного запирающего импульса. 3 ил. напряжения), после чего — спадающим от упомянутого максимального значения до нуля.
Импульс управления запиранием при этом получается экономичным, но способ не обеспечивает надежного выключения. тиристора на завершающем этапе выключения (во время "хвоста" t<), так как не обеспечивается отрицательного смещения управляющего перехода.
Известен способ выключения тиристора, состоящий в подаче на его управляющий электрод двух запирающих сигналов — мощ1744772
15 ного (токового) длительностью tgq, и маломощного с длительностью, равной периоду приложения к СЗТ поло>кительного анодного напряжения. Этот способ позволяет запереть тиристор на всех этапах, в том числе обеспечить термостабильность и du/d<— стойкость на "хвосте" t<, Однако при этом необходимо использование источников питания. напряжение которых U y, не превышает напряжения пробоя управляющего р-и-перехода Usa. Для современных силовых запираемых тиристоров (СЗТ) требуются импульсы выключения с амплитудой laaM порядка сотен ампер и крутизной йкс/dt=(40 — 50) А/мкс. При Uex Наиболее близким к предлагаемому является способ выключения СЗТ, состоящий в формировании запирающего импульса от источника питания. напря>кение которого Овх больше пробивного напряжения управляющего перехода Uaa, и отводе после восстановления блокирующих свойств этого перехода избыточного тока от него в шунтирующую цепь. В известном способе достигаются любые требуемые IGQM и diRG/dt. 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 B 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, сни>кению наде>кности и усложнению системы управления. В процессе коммутации запирающего тока с рп-перехода в шунтирующую цепь возникают перенапря>кения, которые могут привести к отказу СЗТ. Способ-прототип не предусматривает создания отрицательного смещения на весь период прило>кения к СЗТ положительного анодного напряжения (т. е. после завершения периода tt), Такая ситуация недопустима при использовании СЗТ в преобразователях, где имеются коммутации анодного напря>кения с высоким dU/бт. Целью изобретения является повышение надежности тиристора на всех этапах запирания и в прямом блокирующем состоянии. Поставленная цель достигается тем, что запирающий импульс формируют путем наложения трех импульсов; первого, представляющего собой треугольник с длительностью переднего фронта ts, где ts— 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 напря>кения, по амплитуде не превышающего Uga, 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 составляет Uga о где R o — сопротивление управляющего перехода в указанный момент. Физическая сущность способа состоит в следующем. При запирании тиристора первым отрицательным импульсом управления (фиг. 2а) 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" It, который протекает также и через управляющий переход в прямом направлении, снижая его сопротивление Вь причем R (t)=R< .Bxp(t/тр). Ток li в управляющем переходе способен привести к неконтролируемому включению СЗТ частью площади, снижению dU/dt — 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 вЂ” интервал времени т1 и все остальное время вплоть до подачи ближайшего импульса управления 1744772 45 55 (фиг. 2г) качественно различными способами. На время tt за счет второго токового импульса через рп-переход пропускают следящий противоток (фиг. 2б), а в остальное время когда переход полностью восстановлен, прикладывают отрицательное смещение U Uga (фиг. 2д) от маломощного источника (фиг, 2в). 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. Сни>кение потребляемой при запирании мощности позволяет управлять цепочкой из и последовательно включенных С3Т. На фиг, 1 показана зависимость сопротивления уп равляющего перехода Rt от времени на этап "хвоста"; на фиг, 2 диаграммы напряжений и токов в С3Т 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 RC-цепь 17 — 18, включенные параллельно управляющему переходу запираемого тиристора 1, сопротивление 19 смещения, включенное ме>кду 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 С3Т 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 cv.ãíàëó на тиристор 10 и транзистор 12 поступают управляющие сигналы. В цепи модуляторный тиристор 10 - конденсатор 14, ограничивающий резистор 15 — управляющий переход С3Т 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 С3Т 1 и второго — за счет разряда цепи R17-С18 через тот же переход. Параметры R17 и С18 таковы, что их постоянная z = R17 С18=тр ) ) ts. Поэтому к концу периода времени ts заряд с конденсатора 18 успевает стечь не более, чем на 10-.20 Д. В этот момент восстанавливается рп-переход, его сопротивление скачком увеличивается. а затем растет экспоненциально (фиг. 1) и превышает R17. Постоянная времени разряда дополнительной цепи становится tz=R (t) ° С18. Но при этом напряжение на С18 еще существенно превышает Uga, и цепь защиты 20— 21 пропускает ток, ограниченный только резистором 17. В этих двух цепях идут одновременно два различных процесса; в рп-переходе С3Т ток спадает в соответствии с Rr=Rioexpt/ гр, а в шунтирующем ограничителе 20 и 21 — экспоненциально с постоянной т = гр . Таким образом, переход всегда потребляет именно такой ток, который необходим для смещения на величину Uag. Ток 1744 172 50 вгорого импульса обрывается в тот момент, когда он становится меньше тока удер>кания тиристора 11. С этого момента смещение Uga обеспечивается от накопительного конденсатора 6 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 l1 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 амплитуды Icing<. 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 не 5 нуждается в отдельных мощных источниках смещения; мощность одной цепи смещения не превышает 0,5 Вт; цепь может быть запитана от источника в формирователе импульсов выключения; устройство управления на 10 его основе не содержит мощных тепловыде-. ляющих элементов. Формула изобретения Способ выключения запираемого тиристора, состоящий в формировании запира15 ющего импульса от источника питания, напря>кение которого U»; больше пробивного напряжения управляющего перехода Urn, и отводе после восстановления блокирующих свойств этого перехода избыточно20 го тока от него в шунтирующую цепь, о тл и чаю щи йс я тем, что, с целью повышения надежности тиристора на всех этапах запирания и в прямом блокирующем состоянии, упомянутый запирающий импульс 25 формируют путем наложения трех импульсов: первого. представляющего собой треугольник с длительностью переднего фронта ts, где ts — время задер>кки запирания данного тиристора, второго, представляющего 30 собой токовый импульс, спадающий по экспоненте с постоянной времени, равной времени жизни неосновных носителей в п-базе тиристора, и третьего импульса напряжения, по амплитуде не превышающего Uaa u 35 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 40 окончанием второго, в то время как амплитуда второго импульса в момент окончания первого составляет Iio=Uau/Ri, где R — сопротивление управляющего пере45 хода в указанный момент. 1744772 7у 1(и имоу (токой 1744772 40 50 Составитель Л. Бил ыбердин Техред М.Моргентал Корректор А.Осауленко Редактор Е.Копча Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 2202 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
