Силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в источниках питания для индукционных нагревателей, в сварочных инверторах и других электротехнологических нагрузках повышенной частоты. Полезная модель расширяет область применения силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки. Силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка содержит, подключенную к выводам постоянного тока последовательную цепь, включающую управляемые вентили, общая точка соединения которых соединена с выводом переменного тока, зашунтированную встречным диодом. 2 илл.

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в источниках питания для индукционных нагревателей, в сварочных инверторах и других электротехнических нагрузках повышенной частоты. Полезная модель расширяет область применения силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки.

Известна силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка, содержащая подключенную к выводам постоянного тока последовательную цепь, включающую управляемые вентили, общая точка соединения которых соединена с выводом переменного тока, зашунтированные, каждый, встречным диодом (П.2289190 РФ, МКИ Н02М 5\44. Способ управления инвертором напряжения \ Е.М.Силкин - Заявл. 12.05.03, Опубл. 10.12.06, Б.И. 34).

Недостатком силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки является узкая область применения. При использовании известной вентильной ячейки на высоких частотах в преобразователях на основе инверторов тока с квазирезонансной коммутацией возможна асимметрия токов встречных диодов, что может привести к возрастанию коммутационных потерь в отдельных управляемых вентилях. При использовании известной вентильной ячейки на высоких частотах в преобразователях на основе согласованных инверторов с резонансной коммутацией или инверторов напряжения с квазирезонансной коммутацией предельная частота работы ограничивается большими временами вывода, накопленных в базах управляемых вентилей и встречных диодов, зарядов неравновесных носителей. Это обусловлено малыми величинами напряжений на управляемых вентилях в интервалах проводимости встречных диодов в согласованных инверторах или, соответственно, на встречных диодах в интервалах проводимости управляемых вентилей в инверторах напряжения.

Известна силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка, содержащая подключенную к выводам постоянного тока последовательную цепь, включающую управляемые вентили с последовательными диодами, общая точка соединения которых соединена с выводом переменного тока (Силкин Е.М. Транзисторные преобразователи частоты для индукционного нагрева // Электротехника. - 2004. - 10. - С.24-30).

Недостатком силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки является узкая область применения. При использовании известной вентильной ячейки на высоких частотах в преобразователях на основе инверторов тока с квазирезонансной коммутацией возможна асимметрия токов управляемых вентилей и последовательных диодов в интервалах коммутаций, что может привести к возрастанию коммутационных потерь в отдельных управляемых вентилях. При использовании известной вентильной ячейки на высоких частотах в преобразователях на основе согласованных инверторов с резонансной коммутацией или инверторов напряжения с квазирезонансной коммутацией предельная частота работы ограничивается большими временами вывода, накопленных в базах управляемых вентилей, зарядов неравновесных носителей. Это обусловлено малыми величинами коммутационных напряжений на управляемых вентилях.

Известна силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка, содержащая подключенную к выводам постоянного тока последовательную цепь, включающую управляемые вентили, общая точка соединения которых соединена с выводом переменного тока (П.2152682 РФ, МКИ Н02М 5\45. Преобразователь частоты / Е.М.Силкин - Заявл. 13.04.99, Опубл. 10.07.00, Б.И. 19).

Указанная силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка является наиболее близкой по технической сущности к полезной модели и выбрана в качестве прототипа.

Недостатком известной силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки является узкая область применения. При использовании вентильной ячейки на высоких частотах в преобразователях на основе инверторов тока с квазирезонансной коммутацией велики коммутационные потери в управляемых вентилях. При использовании известной вентильной ячейки на высоких частотах в преобразователях на основе согласованных инверторов с резонансной коммутацией или инверторов напряжения предельная частота работы ограничивается, соответственно, раскачкой напряжений на управляемых вентилях и большими коммутационными потерями в них. В известной вентильной ячейке возможно применение только управляемых вентилей с обратной блокирующей способностью.

Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки, что является целью полезной модели.

Указанная цель достигается тем, что силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка содержит подключенную к выводам постоянного тока последовательную цепь, включающую управляемые вентили, общая точка соединения которых соединена с выводом переменного тока, зашунтированную встречным диодом.

Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения (применимости) силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки. В заявляемой вентильной ячейке возможно применение как однооперационных, так и двухоперационных управляемых вентилей. При этом коммутационные потери в вентилях и встречном диоде для схемы любого класса являются минимальными. В работающей ячейке обеспечивается эффективный вывод накопленных зарядов неравновесных носителей из базовых структур управляемых вентилей за счет более высокого уровня напряжения на них в интервалах проводимости встречного диода, что расширяет диапазон допустимых выходных частот. Полностью исключается асимметрия токов управляемых вентилей в схемах преобразователей электрической энергии на основе независимых инверторов тока с квазирезонансной коммутацией.

Расширение области применения силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами и новым порядком включения элементов в схеме силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки, реализуемым новым способом управления и новыми связями, то есть отличительными признаками изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемой управляемой асимметричной вентильной ячейки являются существенными.

На фиг.1 приведена принципиальная схема силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки, а на фиг.2 изображены диаграммы сигналов в элементах схемы.

Силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка содержит, подключенную к выводам постоянного тока последовательную цепь, включающую управляемые вентили 1, 2, общая точка соединения которых соединена с выводом переменного тока, зашунтированную встречным диодом 3.

Силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка в установившемся режиме работает следующим образом. Управляемые вентили 1, 2 включаются и проводят ток поочередно с частотой сигнала переменного тока =1/T, где T - длительность периода сигнала переменного тока.

На фиг.2 (первая и вторая диаграммы) изображены сигналы управления s₁ и s₂ управляемых вентилей 1 и 2, соответственно. В интервале времени [t₁ , t₂] сигналы управления перекрываются. Ток, протекающий через выводы постоянного тока, является ограниченным и постоянным по величине.

При работе силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильная ячейка потенциал u ~ вывода переменного тока изменяется в соответствии с третьей диаграммой фиг.2, а ток i ~, протекающий в цепи вывода переменного тока, изменяется в соответствии с четвертой диаграммой фиг.2.

На седьмой и восьмой диаграммах фиг.2 представлены кривые токов i₁ управляемого вентиля 1 и i₂ управляемого вентиля 2. Токи i₁, i₂ управляемых вентилей 1, 2 имеет форму трапеции. В интервале [t₁, t ₂] перекрытия ток t₁ выключающегося управляемого вентиля 1 спадает с заданной скоростью, а ток t₂ включающегося вентиля 2 нарастает с равной скоростью, обеспечиваемыми элементами в цепи вывода переменного тока. Выполняется соотношение i ₁+i₂=const.

В интервале [t ₂, t₃] за счет потенциала вывода переменного тока проводит ток i₃ встречный диод 3. Форма кривой тока i₃ встречного диода 3 соответствует представленной на девятой диаграмме фиг.2.

При форме потенциала u ~ на выводе переменного тока, соответствующей третьей диаграмме фиг.2, формы напряжений на управляемых вентилях 1, 2 будут соответствовать сигналам u₁ и u₂, приведенным на пятой и шестой диаграммах фиг.2.

В качестве управляемых вентилей 1, 2 в силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейке могут быть использованы любые типы однооперационных или двухоперационных вентилей (тиристоры, транзисторы, составные структуры). Встречный диод 3 может быть обычным, pin-диодом или диодом Шоттки. Использование диодов Шоттки позволяет расширить диапазон рабочих частот силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки и, соответственно, область применения. Диаграммы фиг.2 (s₁, s₂) приведены для варианта выполнения управляемых вентилей 1, 2 на основе транзисторов.

Заявляемая силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка является асимметричной, так как не обладает обратной блокирующей способностью (при смене полярности потенциалов на выводах постоянного тока).

Как видно из диаграмм фиг.2 токи i₁, i₂ управляемых вентилей 1, 2 и i₃ встречного диода 3 изменяются с конечными скоростями di₁/dt, di₂/dt и di ₃/dt, что обеспечивает низкие коммутационные потери в них.

При изменении токов i₁, i₂ управляемых вентилей 1, 2 по закону, установленному фиг.2, осуществляется эффективный вывод накопленных зарядов неравновесных носителей из структуры выключающегося управляемого вентиля (1 - в интервале [t₁, t₂]).

На фиг.2 изображены характерные временные диаграммы сигналов на элементах при работе силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки в схемах инверторов тока с квазирезонансной коммутацией. Положительные свойства заявляемой полезной модели проявляются и при применении ее в инверторах других классов. Но формы сигналов токов i₁i₃ и напряжений u₁, u₂ будут отличаться от приведенных на фиг.2.

По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки. Ячейка может быть выполнена в виде модуля заданной конструкции с уменьшенным общим числом чипов силовых вентилей любого типа. При этом коммутационные потери в управляемых вентилях и встречном диоде для схем различных классов остаются минимальными. В работающей ячейке обеспечивается эффективный вывод накопленных зарядов неравновесных носителей из базовых структур управляемых вентилей за счет более высокого уровня напряжения на них в интервалах проводимости встречного диода, что расширяет диапазон допустимых выходных частот. В интервалах проводимости встречного диода к выключенному управляемому вентилю прикладывается напряжение оптимального уровня, равное сумме напряжений на включенном управляемом вентиле и встречном диоде. За счет использования общего диода полностью исключается асимметрия токов управляемых вентилей в схемах преобразователей электрической энергии на основе независимых инверторов тока с квазирезонансной коммутацией.

Дополнительно, по сравнению с прототипом, может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части преобразовательных устройств и расширена область применения за счет обеспечения возможности использования встречных диодов со сниженными требованиями к их параметрам, меньшим числом полупроводниковых приборов и более низкой ценой.

По сравнению с прототипом, дополнительно, повышается надежность работы и коэффициент полезного действия преобразовательных устройств на основе заявляемой силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки при работе на высоких частотах за счет уменьшения коммутационных потерь энергии в управляемых вентилях и встречном диоде.

Силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка, содержащая подключенную к выводам постоянного тока последовательную цепь, включающую управляемые вентили, общая точка соединения которых соединена с выводом переменного тока, зашунтированную встречным диодом.