Коммутатор мощных двуполярных импульсов тока
Изобретение относится к высоковольтным твердотельным коммутаторам, используемым в ускорительной и лазерной технике, радиолокации, электрооборудовании управляемого термоядерного синтеза, электроразрядных, электромагнитных и пучковых технологиях. Техническим результатом изобретения является создание высоковольтного сильноточного полупроводникового ключа, управляемого маломощным импульсом тока, аналогичным импульсу управления обычного тиристора, предназначенного для работы в режимах коммутации мощных двуполярных импульсов тока в субмиллисекундном и микросекундном диапазоне. Технический результат достигается с помощью конструкции высоковольтного коммутатора, состоящего из электрически и механически соединенных между собой коммутирующего блока, выполненного в виде последовательно соединенных реверсивно-включаемых динисторов с интегрированным управлением, зашунтированных резисторами и демпфирующими цепочками, и встроенного в коммутатор генератора запуска, в состав которого входят блок управления тиристорами и импульсные трансформаторы, вследствие чего высоковольтный блок РВДТ включается маломощным импульсом управления, коммутируя первый мощный импульс прямого тока, подобно тиристору, а последующие знакопеременные импульсы силового тока коммутируются по механизму реверсивно-включаемого динистора с обратной проводимостью, обеспечивая эффективную работу коммутатора в режимах переключения мощных слабозатухающих двуполярных импульсов тока. 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к высоковольтным полупроводниковым переключателям тока и может быть использовано в импульсной технике для коммутации мощных двуполярных импульсов тока в системах питания лазеров, ускорителей, токамаков, электроразрядного технологического оборудования в микросекундном и субмиллисекундном диапазонах.
Известна конструкция высоковольтного коммутатора знакопеременных импульсов тока на основе реверсивно-включаемых динисторов (РВД) [1], представляющего собой коммутирующий блок 1 и генератор запуска 2 (Фиг. 1), электрически и механически соединенных между собой. Коммутирующий блок 1 состоит из высоковольтной сборки последовательно включенных реверсивно-включаемых динисторов 3, 4, зашунтированных варисторами 5, 6 и высоковольтной сборки последовательно соединенных диодов 7, 8, зашунтированных варисторами 9, 10. Диодная сборка подключена встречно - параллельно к сборке РВД, аноды каждой сборки соединены с катодами соседней сборки медными шинами. Диодная сборка служит для защиты реверсивно-включаемых динисторов от протекания через них импульсов силового тока при приложении к коммутатору обратного напряжения. Подключенные параллельно к каждому РВД и диоду варисторы 5, 6 и 9, 10 предназначены для выравнивания статического напряжения на последовательно соединенных РВД 3, 4 и диодах 7, 8, а также для ограничения перенапряжений при коммутации знакопеременных импульсов тока. Генератор запуска 2 состоит из сборки последовательно включенных импульсных тиристоров 11, 12, зашунтированных выравнивающими резисторами 13, 14 и RC - снабберами, представляющих собой цепочки последовательно соединенные конденсаторов 15, 16 и резисторов 17, 18. Запуск РВД производится от внешнего оптического сигнала, поступающего на вход блока управления 19, который на выходе вырабатывает импульс управления на первичную обмотку импульсных трансформаторов 20, 21. Включение тиристоров 11, 12 осуществляется импульсами
тока, поступающих с вторичных обмоток трансформаторов 20, 21 через защитные резисторы 22, 23. В результате происходит быстрый разряд высоковольтного конденсатора 24 через тиристорную сборку и формирующие ток накачки РВД катушки индуктивности 25, 26 и резистор 27. В момент максимума разрядного тока напряжение на конденсаторе 24 изменяет знак. При этом к блоку РВД прикладывается обратное напряжение и через него протекает ток накачки блока РВД. Дроссель с насыщающимся сердечником 28 служит для электрической развязки коммутирующего блока 1 и генератора запуска 2 на время протекания тока накачки.
Недостатком данной конструкции коммутатора является относительно сложная электрическая схема с большим количеством основных и вспомогательных компонентов. Это увеличивает его стоимость и усложняет обслуживание, а высокая внутренняя паразитная индуктивность коммутирующего блока и генератора запуска, связанная с большим количеством межэлементных соединений и силовых шин, а также наличием дросселя насыщения и катушек индуктивности, приводит к увеличению коммутационных перенапряжений и снижению эксплуатационной надежности коммутатора.
Данные недостатки устранены в предлагаемой конструкции коммутатора двуполярных импульсов тока, состоящего из электрически и механически соединенных между собой коммутирующего блока, выполненного в виде последовательно соединенных реверсивно-включаемых динисторов с интегрированным управлением и генератора запуска, состоящего из блока управления тиристорами и импульсных трансформаторов цепей управления, образующих единое устройство.
Реверсивно-включаемый динистор с интегрированным управлением (РВДТ) - представляет собой силовую интегральную схему, объединяющую в одном полупроводниковом кристалле асимметричный тиристор и реверсивно-включаемый динистор с обратной проводимостью (РВДД), размещенным в одном металлокерамическом корпусе [2]. Применение в качестве коммутирующего устройства блока последовательно соединенных РВДТ позволяет
переключать мощные двуполярные импульсы тока не двумя высоковольтными блоками РВД и диодов, как у прототипа, а одним блоком, собранным на РВДТ. При этом включение коммутатора двуполярных импульсов тока осуществляется не с помощью большого, как у прототипа, высоковольтного тиристорного ключа для формирования мощных импульсов тока управления (накачки), а малогабаритного и легкого блока, который используется для включения обычных тиристоров, у которых токи управления в 100 раз меньше, чем токи накачки РВД.
Основные отличия нового коммутатора в сравнении с прототипом следующие:
1. В коммутирующем блоке отсутствует высоковольтная сборка последовательно соединенных диодов, зашунтированных варисторами.
2. В генераторе запуска отсутствуют:
- высоковольтная сборка из последовательно соединенных импульсных тиристоров, зашунтированных выравнивающими резисторами и RC - снабберами;
- высоковольтный конденсатор, две катушки индуктивности и резистор, формирующие ток накачки блока РВД.
3. Отсутствует дроссель с насыщающимся сердечником, служащий для электрической развязки блока РВД и генератора запуска в течение времени протекания тока накачки.
4. Защитные варисторы заменены более простыми и надежными выравнивающими резисторами и RC-цепями.
Конструкция изобретения поясняется на следующей электрической схеме (Фиг. 2):
1 - коммутирующий блок РВДТ;
2 - генератор запуска;
3, 4 - реверсивно-включаемые динисторы с интегрированным управлением;
5, 6 - выравнивающие резисторы;
7, 8 - снабберные резисторы;
9, 10 - снабберные конденсаторы;
11 - блок управления тиристорами;
12, 13 - импульсные трансформаторы цепей управления;
14, 15 - защитные резисторы
В данной конструкции коммутатора двуполярных импульсов тока коммутирующий блок 1, состоящий из последовательно соединенных реверсивно-включаемых динисторов с интегрированным управлением 3, 4, зашунтированных выравнивающими резисторами 5, 6 и RC-цепями 7, 9, 8, 10, управляется встроенным в коммутатор генератором запуска 2, включающим в себя блок управления 11, импульсные трансформаторы 12, 13 и защитные резисторы 14, 15.
Запуск блока РВДТ в режим коммутации мощных знакопеременных импульсов тока производится от внешнего оптического сигнала, поступающего на вход блока управления 11, который на выходе вырабатывает импульс управления на первичную обмотку трансформаторов 12, 13. Включение РВДТ 3, 4 осуществляется импульсами тока управления малой мощности, поступающих с вторичных обмоток трансформаторов 12, 13 через защитные резисторы 14, 15, аналогично тиристорным ключам.
Импульсы управления включают встроенный в каждый РВДТ асимметричный тиристор, через который протекает первый положительный силовой импульс тока. После протекания прямого тока через блок РВДТ во внешней цепи формируется силовой ток обратной полярности, который затем коммутируется в блок РВДТ через диоды обратного тока, встроенного в РВДТ реверсивно-включаемого динистора с обратной проводимостью. Величина обратного тока определяется только собственной индуктивностью блока РВДТ и накопленным зарядом во внешней цепи. При этом силовой обратный ток служит эффективным током управления РВДТ к моменту коммутации повторного импульса прямого тока. В результате с помощью единичного импульса управления, аналогичного по форме, амплитуде и длительности току
управления тиристоров, высоковольтный блок РВДТ коммутирует в цепь нагрузки мощные слабозатухающие двуполярные импульсы тока.
Конкретное исполнение предложенного решения рассмотрим на примере коммутатора мощных двуполярных импульсов тока КПИ4-50-25 на импульсный ток 50 кА, напряжение 24 кВ. Коммутатор КПИ4-50-25 изготавливается на базе реверсивно-включаемых динисторов с интегрированным управлением (РВДТ) диаметром полупроводниковых элементов 56 мм, собранных в низкопрофильные металлокерамические корпуса таблеточной конструкции высотой 14 мм. Высоковольтный блок коммутатора состоит из 15 последовательно соединенных РВДТ, между которыми проложены контактные медные шины толщиной 1 мм для крепления выравнивающих резисторов и RC-снабберов. Со стороны анода и катода высоковольтного блока расположены медные шины толщиной 2 мм, предназначенные для подключения коммутатора к внешней силовой цепи. Блок управления генератора запуска закреплен винтами рядом с коммутирующим блоком на общей изолирующей плите и соединен с выводами управления РВДТ через вторичные обмотки импульсных трансформаторов. Импульсные трансформаторы генератора запуска смонтированы на печатной плате, которая крепится винтами непосредственно к стойке коммутирующего блока. Близкое расположение узлов генератора запуска относительно коммутирующего блока минимизирует паразитную индуктивность выводов управления. Параллельно каждому РВДТ подключены выравнивающие резисторы и RC-снабберы. Полупроводниковые приборы и шины в высоковольтном блоке РВДТ коммутатора сжимаются с усилием 25 кН с помощью устройства прижима.
Результаты сравнительных испытаний показали, что РВДТ коммутатор переключает знакопеременные импульсы тока той же мощности, что и РВД коммутатор (прототип). Испытания были проведены в разрядном контуре предионизации ламп накачки мощного лазера в штатном режиме коммутаций двуполярных импульсов тока: прямой ток амплитудой 20 кА, длительностью 200 мкс и следующий сразу за ним обратный ток амплитудой 18 кА,
длительностью 250 мкс. Результаты испытаний положительные. При этом габаритные размеры и стоимость РВДТ коммутатора по сравнению с прототипом меньше в 3 раза за счет исключения высоковольтных диодных и тиристорных блоков, дросселя насыщения и высоковольтного конденсатора, входящих в состав прототипа.
[1] С.В. Коротков, Ю.В. Аристов и др. «Высоковольтные диодно-тиристорные коммутаторы мощных знакопеременных импульсов тока» ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, №4, с. 61-66
[2] Патент на изобретение №2697874 от 21.03.2019 г. «Реверсивно-включаемый динистор с интегрированным управлением»
Коммутатор мощных двуполярных импульсов тока, состоящий из коммутирующего блока и генератора запуска, электрически и механически соединенных между собой, отличающийся тем, что коммутирующий блок выполнен в виде последовательно соединенных реверсивно-включаемых динисторов с интегрированным управлением, зашунтированных резисторами и демпфирующими цепочками, а генератор запуска состоит из блока управления тиристорами и импульсных трансформаторов.
