Способ управления двухоперационным тиристором

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках питания на основе инверторов тока для установок индукционного нагрева и плазмохимического синтеза озона. Изобретение повышает надежность работы двухоперационного тиристора в инверторах тока. Способ управления двухоперационным тиристором заключется в поочередной подаче на управляющий электрод двухоперационного тиристора отпирающих и запирающих импульсов тока управления. Измеряют анодный ток двухоперационного тиристора, задают уровень тока, сравнивают измеренный анодный ток с заданным уровнем тока. Перед подачей запирающего импульса тока управления на управляющий электрод двухоперационного тиристора анодный ток снижают до заданного уровня тока с заданной скоростью путем встречного разряда на двухоперационный тиристор предварительно заряженного конденсатора через дроссель. Подают запирающий импульс тока управления на управляющий электрод двухоперационного тиристора в момент равенства измеренного анодного тока заданному уровню тока. 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках питания на основе инверторов тока для установок индукционного нагрева и плаз-мохимического синтеза озона.

Известен способ управления двухоперационным тиристором, заключающийся в поочередной подаче на управляющий электрод двухоперационного тиристора отпирающих и запирающих импульсов тока управления, одновременно с подачей запирающего импульса тока управления на управляющий электрод двухоперационного тиристора анодный ток прерывают путем запирания дополнительного высокочастотного низковольтного транзистора, включенного последовательно с двухоперационным тиристором (Chin S., Chen D. A GTO circuit using IGT and MOSFET as gate driver // Conf. Rec. IEEE Ind. Appl. Soc. 22 ng Annu. Meet., Oct. 18-23, 1987. - New York, 1987. - P.483-492).

Недостатком способа управления двухоперационным тиристором является низкая надежность работы двухоперационного тиристора в инверторах тока, что обусловлено высокими уровнями перенапряжений при выключениях прибора, технической сложностью при применении дополнительного высокочастотного низковольтного транзистора, значительными электрическими потерями в структуре двухоперационного тиристора при подаче на управляющий электрод запирающих импульсов тока управления большой амплитуды, необходимостью использования ненадежных демпфирующих цепей и драйверов повышенной мощности.

Известен способ управления двухоперационным тиристором, заключающийся в поочередной подаче на управляющий электрод двухоперационного тиристора отпирающих и запирающих импульсов тока управления, отпирающие и запирающие импульсы тока управления имеют высокую скорость нарастания и величину, сравнимую с анодным током двухоперационного тиристора (Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. - М.: Издательский дом Додэка-XXI, 2001. - С.96).

Способ управления получил название жесткого (HD) управления. Недостатком способа управления двухоперационным тиристором является низкая надежность работы двухоперационного тиристора в инверторах тока, что обусловлено высокими уровнями перенапряжений при выключениях прибора, значительными электрическими потерями в структуре двухоперационного тиристора при подаче на управляющий электрод запирающих импульсов тока управления большой амплитуды, необходимостью использования ненадежных демпфирующих цепей и драйверов повышенной мощности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ управления двухоперационным тиристором, заключающийся в поочередной подаче на управляющий электрод двухоперационного тиристора отпирающих и запирающих импульсов тока управления (Уильямс Б. Силовая электроника: приборы, применение, управление. Справочное пособие: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - С.126).

Известный способ рассматривается в качестве прототипа.

Недостатком способа управления двухоперационным тиристором является низкая надежность работы двухоперационного тиристора в инверторах тока, что обусловлено высокими уровнями перенапряжений при выключениях прибора, значительными электрическими потерями в структуре двухоперационного тиристора при подаче на управляющий электрод запирающих импульсов тока управления большой амплитуды, необходимостью использования ненадежных демпфирующих цепей и драйверов повышенной мощности.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы двухоперационного тиристора в инверторах тока, что является целью изобретения.

Указанная цель достигается тем, что в способе управления двухоперационным тиристором, заключающемся в поочередной подаче на управляющий электрод двухоперационного тиристора отпирающих и запирающих импульсов тока управления, измеряют анодный ток двухоперационного тиристора, задают уровень тока, сравнивают измеренный анодный ток с заданным уровнем тока, перед подачей запирающего импульса тока управления на управляющий электрод двухоперационного тиристора анодный ток снижают до заданного уровня тока с заданной скоростью путем встречного разряда на двухоперационный тиристор предварительно заряженного конденсатора через дроссель, подают запирающий импульс тока управления на управляющий электрод двухоперационного тиристора в момент равенства измеренного анодного тока заданному уровню тока.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение надежности работы двухоперационного тиристора в инверторах тока за счет снижения уровней перенапряжений при выключениях прибора, уменьшения коммутационных потерь и электрических потерь в структуре двухоперационного тиристора при подаче на управляющий электрод запирающих импульсов тока управления меньшей амплитуды, которая может быть строго постоянной, не зависящей от режима работы двухоперационного тиристора, исключения возможных режимов локализации анодного тока в частях структуры прибора, понижения температуры структуры, использования более надежных демпфирующих цепей и драйверов на меньшую мощность.

Повышение надежности работы двухоперационного тиристора в инверторах тока является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями, порядком их выполнения, то есть отличительными признаками изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого инвертора тока являются существенными.

На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа управления двухоперационным тиристором, на фиг.2 - временные диаграммы токов управляющего электрода двухоперационного тиристора и его анодной цепи, поясняющие принцип управления.

Способ управления двухоперационным тиристором реализуется следующими действиями. На управляющий электрод двухоперационного тиристора поочередно подают отпирающие и запирающие импульсы тока управления. При этом измеряют анодный ток двухоперационного тиристора, задают уровень тока, сравнивают измеренный анодный ток с заданным уровнем тока. Перед подачей запирающего импульса тока управления на управляющий электрод двухоперационного тиристора анодный ток снижают до заданного уровня тока с заданной скоростью путем встречного разряда на двухоперационный тиристор предварительно заряженного конденсатора через дроссель. Подают запирающий импульс тока управления на управляющий электрод двухоперационного тиристора в момент равенства измеренного анодного тока заданному уровню тока.

Устройство для реализации способа управления двухоперационным тиристором содержит подключенный через дроссели фильтра 1, 2 однофазный мост на четырех двухоперационных тиристорах 3 - 6, в диагонали переменного тока которого включена последовательная цепь, содержащая дроссель 7, конденсатор 8, шунтирующий выходные выводы устройства 9, и второй коммутирующий дроссель 10, блок управления 11, выводы которого соединены с управляющими электродами двухоперационных тиристоров и выводами датчиков тока 12, 13, включенных в анодные цепи двухоперационных тиристоров катодной группы однофазного моста.

Устройство работает следующим образом. Диагональные пары моста двухоперационных тиристоров 3, 6 и 4, 5 включаются и выключаются поочередно с частотой, равной частоте выходного переменного напряжения устройства. Устройство преобразует постоянное напряжение источника питания, подключаемого к входным выводам «+» «-» устройства, в переменное напряжение на нагрузочном контуре, содержащем конденсатор 8 и индуктор 9. Дроссели фильтра 1, 2 имеют индуктивное сопротивление на частоте выходного напряжения устройства, более чем в три раза превышающее эквивалентное активное сопротивление нагрузки, чем обеспечивается практическое сглаживание тока через них и входного тока моста на двухоперационных тиристорах 3 - 6. Блок управления 11 обеспечивает формирование и подачу отпирающих и запирающих импульсов управления двухоперационными тиристорами 3 - 6. Блок управления 11 выполняется по любой из известных схем блоков управления инверторами на двухоперационных тиристорах. Электромагнитные процессы в каждом из полупериодов выходного напряжения устройства протекают аналогично. При этом через двухоперационные тиристоры анодной 3, 5 и катодной 4, 6 групп протекают одинаковые токи и к ним прикладываются одинаковые напряжения, то есть схема устройства обладает свойством симметрии. Для контроля уровней анодных токов двухоперационных тиристоров анодной 3, 5 и катодной 4, 6 групп достаточно производить измерение анодного тока двухоперационных тиристоров одной из групп. Датчики тока 12, 13 включены в анодные цепи двухоперационных тиристоров катодной группы 4, 6. Они могут быть выполнены на основе элементов Холла. Реализацию способа управления двухоперационным тиристором рассмотрим на примере коммутации тока двухоперационными тиристорами 4, 6. К моменту включения двухоперационного тиристора 4 конденсатор 8 заряжен с полярностью, показанной на схеме. Через двухоперационный тиристор 6 протекает ток, равный входному току устройства. При подаче отпирающего импульса управления на двухоперационный тиристор 4 конденсатор 8 начинает разряжаться через дроссели 7, 10 на двухоперационный тирстор 6 по цепи: 8-7-12-4-6-13-10-8. Ток разряда конденсатора 8 направлен встречно току двухоперационного тиристора 6. В результате ток двухоперационного тиристора 6 с заданной скоростью, определяемой величиной суммарной индуктивности дросселей 7, 10, снижается, а ток двухоперационного тиристора 4 возрастает. Величина анодного тока двухоперационного тиристора 6 непрерывно измеряется датчиком тока 13 и сравнивается с заданным уровнем тока в блоке управления 11. В момент равенства измеренного анодного тока двухоперационного тиристора 6 заданному уровню тока на управляющий электрод двухоперационного тиристора 6 подают запирающий импульс тока управления. Происходит выключение двухоперационного тиристора 6. Заданный уровень тока выбирают из условия обеспечения минимальных уровней потерь в структуре приборов и коммутационных перенапряжений при заданном уровне напряжения на конденсаторе 8.

На временных диаграммах представлены кривые изменения токов управления i_У6, i_У4 соответственно двухоперационных тиристоров 6, 4 и анодный ток i_А6 двухоперационного тиристора 6. Отпирающие импульсы тока управления положительные, запирающие импульсы тока управления отрицательные. В момент времени t₁ подается отпирающий импульс тока управления на двухоперационный тиристор 4. Анодный ток двухоперационного тиристора 6 при включении двухоперационного тиристора 4 снижается с заданной скоростью от номинального I_H до заданного I_M (более низкого) уровня. В момент времени t₂ подается запирающий импульс тока управления на двухоперационный тиристор 6. В момент времени t₃ анодный ток двухоперационного тиристора 6 снижается до нуля и тиристор 6 выключается и восстанавливает свои управляющие свойства. На следующем полупериоде выходного напряжения устройства для двухоперационных тиристоров 4, 6 порядок включения и выключения меняются на обратный. Процессы коммутации двухоперационных тиристоров 3, 5 происходят аналогично процессам для двухоперационных тиристоров 4, 6.

По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы двухоперационного тиристора в инверторах тока. Устанавливая заданный уровень тока, можно обеспечить практическое отсутствие коммутационных перенапряжений. Так как включение и выключение двухоперационных тиристоров осуществляется с заданной ограниченной скоростью изменения анодного тока, снижается вероятность локализации тока и локального перегрева структуры прибора. Одновременно снижаются уровни запирающих импульсов тока управления, что снижает потери и температуру структуры прибора. Для рассматриваемой области применения не могут использоваться возможности сеточной защиты прибора. При этом нагрузочная компенсирующая емкость может выполнять роль разрядного элемента. Уменьшение уровней перенапряжений и запирающих импульсов тока управления позволяет уменьшить установленную мощность элементов демпферных цепей и драйверов управления. В результате повышается и надежность работы двухоперационного тиристора.

Дополнительно может быть существенно повышен коэффициент полезного действия преобразовательных устройств, использующих заявляемый способ управления двухоперационным тиристором, за счет снижения статических и динамических потерь в приборах, потерь в демпферных цепях и блоках управления преобразовательных устройств, уменьшена установленная мощность элементов преобразовательных устройств при реализации их на заданную выходную мощность.

Способ управления двухоперационным тиристором, заключающийся в поочередной подаче на управляющий электрод двухоперационного тиристора отпирающих и запирающих импульсов тока управления, отличающийся тем, что измеряют анодный ток двухоперационного тиристора, задают уровень тока, сравнивают измеренный анодный ток с заданным уровнем тока, перед подачей запирающего импульса тока управления на управляющий электрод двухоперационного тиристора анодный ток снижают до заданного уровня тока с заданной скоростью путем встречного разряда на двухоперационный тиристор предварительно заряженного конденсатора через дроссель, подают запирающий импульс тока управления на управляющий электрод двухоперационного тиристора в момент равенства измеренного анодного тока заданному уровню тока.