Приборы и техника эксперимента, 2021, № 3, стр. 55-59

Современные тиристоры могут эффективно коммутировать мощные импульсы тока микросекундной длительности даже при небольшом размере полупроводниковых структур. Так, импульсные тиристоры специальной конструкции [1, 2] с площадью структур ~1 см² способны за время ~1 мкс коммутировать ток с амплитудой несколько килоампер.

Ниже приведены результаты исследований коммутатора микросекундных импульсов тока с рабочим напряжением 24 кВ, выполненного на основе блока из 14 последовательно соединенных малогабаритных тиристоров ТБ133-250-24 с диаметром структур 30 мм, серийно выпускаемых в ЗАО “Протон-электротекс” (Россия, г. Орёл).

При разработке коммутатора были определены параметры импульсов управления, обеспечивающие малые потери энергии в тиристорах и малый разброс моментов их включения, необходимый для устранения опасных перенапряжений на отстающих тиристорах в блоке. При исследовании 50 тиристоров ТБ133-250-24 в режиме коммутации мощных микросекундных импульсов тока было установлено, что падение напряжения в первые моменты после их переключения и разброс моментов переключения монотонно уменьшаются при увеличении амплитуды и скорости нарастания тока управления I_у. В процессе экспериментов было показано, что при использовании тока управления с фронтом ~300 нс коммутационные потери энергии в тиристорах стабилизируются на минимальном уровне при длительности тока управления >2 мкс и амплитуде I_у > 3 А. Величина разброса моментов включения достигала минимального значения (~80 нс) при I_у ~ 6 А.

Электрическая схема стенда для исследования высоковольтного тиристорного коммутатора приведена на рис. 1. Для переключения тиристоров Т₁–Т₁₄ использовалась описанная в [3] запускающая цепь, содержащая блок управления БУ и малогабаритные повышающие трансформаторы Тр с высокой электрической прочностью межобмоточной изоляции. Ее основными достоинствами являются достаточно высокое напряжение зарядки конденсатора С_к (U_к = 800 В) и малые коммутационные потери энергии в запускающем транзисторе Т_к.

Рис. 1.

Схема стенда для исследования высоковольтного тиристорного коммутатора. БУ – блок управления, ЦУ – цепь управления; Т_к – IRGPS60B120KD, Т₁–Т₁₄ – ТБ133-250-24; D – 60EPF12 ( 24 последовательно); V – 14N102K (2 последовательно); Тр – феррит Epcos N87 16 × 9.6 × 6.3 мм, w₁ = 1, w₂ = 5.

Большая величина U_к позволяет при сравнительно большой индуктивности трансформаторных цепей обеспечить требуемую для эффективного переключения тиристоров высокую скорость нарастания тока управления и использовать в цепи разряда С_к резистор R_к с достаточно большим сопротивлением, определяющим пренебрежимо малое влияние входных цепей тиристоров Т₁–Т₁₄ на процесс формирования импульсов тока I_у. Благодаря использованию мощной цепи управления ЦУ с выходным током 5 А транзистор Т_к обеспечивал коммутацию в одновитковые первичные обмотки трансформаторов Тр короткого (~5 мкс) тока с амплитудой ~30 А и фронтом ~300 нс. При этом через вторичные обмотки Тр протекали токи управления с амплитудой ~6 А. Варисторы V ограничивали величины всплесков напряжения на тиристорах, обусловленных неодновременным включением.

При включении блока тиристоров Т₁–Т₁₄ силовой конденсатор С разряжался по цепи L_н–R_н. Блок диодов D исключал возможность его перезаряда. На рис. 2 приведены осциллограммы тока I (~4 кА), протекающего через тиристорный блок при напряжении зарядки силового конденсатора 24 кВ, и падения напряжения U на тиристоре Т₁₄, который включался с задержкой ~50 нс после остальных тиристоров в блоке, подобранных так, что разброс моментов их включения не превышал 30 нс. Представленные осциллограммы свидетельствуют о неопасной для отстающего тиристора величине всплеска напряжения и о высоких коммутационных возможностях разработанного тиристорного коммутатора, которые определяют большие перспективы при его использовании.

Рис. 2.

Осциллограммы тока I   через тиристорный коммутатор и напряжения U на отстающем тиристоре. Масштаб по вертикали: тока – 1.1 кА/деление, напряжения – 500 В/деление; по горизонтали – 400 нс/деление.

На рис. 3 приведена схема мощного генератора, содержащего 4 силовых модуля с тиристорными коммутаторами Т. Он предназначен для коммутации в индуктивную нагрузку L_н спаренных разнополярных импульсов высокого напряжения.

Рис. 3.

Электрическая схема генератора. СУ – система управления, ЗУ – зарядное устройство, Ф – формирователь, ПР – пояс Роговского, ОС1–ОС5 – оптические сигналы; Т₁, Т₂ – IRGPS60B120KD (4 параллельно – Т₁, 2 параллельно – Т₂); D₁–D₃ – 80APF12 (D₃ – 2 параллельно), D₄ – HER508 (50 последовательно), D₅ – 1N4732A, D₆ – HFBR-1522Z, D – HЕR508 (28 последовательно), D_С – 60EPF12 (24 последовательно), Т – коммутатор на основе ТБ133-250-24 (14 последовательно); Тр – аморфный пермаллой 9КСР, 180 × 60 × 40 мм, w₁ = 1, w₂ = 32; ПР – феррит М2000НМ 40 × 25 × 11 мм, w₁ = 1, w₂ = 55.

Выходные импульсы высокого напряжения формируются при разряде силовых конденсаторов С. Для зарядки С используется зарядное устройство ЗУ, выполненное по схеме [4]. В исходном состоянии конденсатор С₀ заряжен до напряжения ~300 В от сети 220 В, 50 Гц, конденсатор С₃ (C₃ ≪ C₀) заряжен до напряжения 1 кВ током ${{I}_{{{{L}_{0}}}}}$, протекающим через индуктивность L₀. При включении транзистора Т₁ в первичную обмотку w₁ повышающего трансформатора Тр быстро коммутируется ток разряда конденсатора С₃. В результате через вторичную обмотку w₂ и диодный блок D₄ протекает ток ${{I}_{{{{w}_{2}}}}}$, обеспечивающий зарядку силовых конденсаторов. Так как их суммарная емкость, приведенная к первичной обмотке Тр, много больше емкости конденсатора С₃, то ток ${{I}_{{{{w}_{2}}}}}$ заряжает конденсаторы С до небольшого напряжения. Требуемое высокое напряжение зарядки силовых конденсаторов обеспечивается пачкой импульсов тока ${{I}_{{{{w}_{2}}}}}$, следующих с частотой 1.5 кГц.

При формировании первых импульсов в пачке ЗУ работает в режиме, близком к короткому замыканию. В этом режиме происходит существенная перезарядка С₃. Затем конденсатор С₃ перезаряжается повторно до напряжения исходной полярности. Так как диод D₃ препятствует протеканию обратного тока через транзистор T₁, то ток повторного перезаряда протекает по цепи D₁–D₂–L₀. В процессе повторного перезаряда транзистор T₁ не выключается, поэтому в момент, когда на конденсаторе С₃ восстанавливается исходная полярность напряжения, ток ${{I}_{{{{L}_{0}}}}}$ коммутируется в цепь D₃–Т₁. Так как потери энергии в этой цепи малы, то величина тока ${{I}_{{{{L}_{0}}}}}$ практически не изменяется до момента включения транзистора T₂, которое происходит с небольшой задержкой.

При включении T₂ напряжение зарядки конденсатора C₀ прикладывается к диоду D₁. В результате D₁ выключается, и конденсатор C₀ начинает разряжаться по цепи T₂–D₂–L₀–D₃–T₁. Ток ${{I}_{{{{L}_{0}}}}}$ нарастает практически линейно. В момент, когда ${{I}_{{{{L}_{0}}}}}$ достигает заданного значения, с формирователя импульсов обратной связи Ф в систему управления СУ поступает оптический сигнал готовности.

По этому сигналу СУ выключает транзисторы Т₁, Т₂. При этом ток ${{I}_{{{{L}_{0}}}}}$ коммутируется в цепь C₃–w₁. В результате происходит перемагничивание сердечника Тр и зарядка конденсатора C₃ до напряжения, определяемого величиной энергии, запасенной в индуктивности L₀. Формирователь Ф, выполненный на основе датчика Холла LAH 50-P и высокостабильного компаратора на операционных усилителях LF411, с большой точностью отслеживает момент достижения током ${{I}_{{{{L}_{0}}}}}$ заданного значения. В результате достигается высокая стабильность напряжения зарядки С₃ (разброс < 5%).

В конце процесса зарядки конденсаторов С амплитуда импульсов тока ${{I}_{{{{w}_{2}}}}}$ мала, так как величина напряжения на обмотке w₂, определяемая коэффициентом трансформации Тр, близка к напряжению на конденсаторах С. При этом ЗУ работает в режиме, близком к холостому ходу. В этом режиме после окончания импульса тока ${{I}_{{{{w}_{2}}}}}$ на конденсаторе С₃ остается значительное напряжение, которое прикладывается к обмотке w₁. В результате сердечник Тр насыщается, С₃ быстро перезаряжается через w₁, и режим работы ЗУ становится близок к ранее описанному режиму работы при формировании первых импульсов в пачке. Таким образом, в процессе зарядки конденсаторов С до заданного напряжения обеспечивается стабильная работа ЗУ и практически одинаковое напряжение зарядки конденсатора С₃.

Величина напряжения зарядки силовых конденсаторов U_C определяется количеством импульсов зарядного тока N_имп. График зависимости U_C от N_имп представлен на рис. 4, определенной при работе ЗУ на частоте 1.5 кГц.

Рис. 4.

График зависимости напряжения зарядки силовых конденсаторов U_C  от количества импульсов зарядного тока N_имп.

После формирования последнего импульса зарядного тока система СУ (рис. 3) вырабатывает оптический сигнал на включение блока управления БУ. Блок БУ осуществляет одновременное включение тиристорных коммутаторов Т. В результате в нагрузку L_н коммутируется быстро нарастающий выходной ток генератора I_н. Индуктивности L устраняют возможность перераспределения выходного тока в коммутаторы Т с наименьшим электрическим сопротивлением. При коммутации тока I_н конденсаторы С перезаряжаются и к нагрузке L_н прикладывается напряжение обратной полярности. Не поглощенная в нагрузке энергия рассеивается в резисторах R_С.

В процессе зарядки силовых конденсаторов С ток вторичной обмотки Тр измеряется датчиком тока на основе пояса Роговского ПР и стабилитрона D₅, который включается при большой амплитуде тока ${{I}_{{{{w}_{2}}}}}$, соответствующей режиму работы ЗУ при малом напряжении зарядки силовых конденсаторов. При включении D₅ в систему управления СУ поступает сигнал обратной связи с оптопередатчика D₆. В момент формирования последнего импульса зарядного тока СУ  проверяет наличие этого сигнала. Если он поступает в СУ, то это свидетельствует об аварии (пробой Т или С). В этом случае СУ останавливает работу генератора.

На рис. 5 приведены осциллограммы тока I_н через нагрузку L_н = 0.8 мкГн и напряжения на нагрузке U_н, полученные при напряжении зарядки силовых конденсаторов 24 кВ.

Рис. 5.

Осциллограммы выходного тока генератора I_н при напряжении зарядки силовых конденсаторов 24 кВ и напряжения на нагрузке U_н. Масштаб по вертикали: тока – 2.2 кА/деление, напряжения – 5 кВ/деление; по горизонтали – 400 нс/деление.

Как видно из осциллограмм, рассмотренный модульный генератор позволяет за время ~800 нс коммутировать ток с амплитудой ~12 кА. В этом режиме генератор был испытан на частоте 10 Гц, которая ограничивалась мощностью зарядного устройства ЗУ.

Используемые в силовых модулях тиристоры ТБ133-250-24 имели таблеточную конструкцию. Они были зажаты в блоки (рис. 6) и охлаждались малогабаритными вентиляторами ES9225YK24. Высокая скорость нарастания выходного тока достигалась благодаря малой монтажной индуктивности модулей, которые подключались к нагрузке L_н широкими бифилярными шинами.

Рис. 6.

Внешний вид блока тиристоров.

При исследовании генератора было установлено примерное равенство токов, протекающих через коммутаторы Т, что определяет возможность повысить выходной ток путем использования большего количества тиристорных модулей. Радикальное увеличение коммутируемой мощности и энергии может быть получено при использовании тиристоров аналогичной конструкции, но с большей рабочей площадью.