NO172018B - Forspennings- og utladningskrets for en tyristor-pulsgenerator - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en forspennings- og utladningskrets for en tyristor-pulsgenerator, omfattende kjerneinduktororganer som kan drives i metning for å muliggjøre energilagring og utladning under styring av portkobling av et seriekoblet tyristor-svitsjeorgan.

Mer spesielt vedrører oppfinnelsen en slik forbedret krets for å redusere tap og revers-spenningstransienter i tidligere kjente forspennings- og bærerutladningsnettverk.

I US patentskrift 4.230.955 tilhørende søkeren, er der omtalt en betydelig forbedring med hensyn til å unngå lekktap i forbindelse med både den mettbare, induktor-"forspenning" av tyristor-svitsjeanordninger og, i forbindelse med minoritetsbærer-"utladnings"-kretser som begrenser reversstrømmen ved tyristor-svitsjing. En slik forbedring baserer seg på overføringen av energi som resulterer fra hver forspenningsprosess og utladningsprosessen tilbake til kraftforsyningene ved respektive mettbare induktor-nettverk, idet disse nettverk tar aktiv del i energiutvekslingen og lagringsfunksjoner i tilbakestillingsprosessen (fig. 4). Selv om dette er funnet i praksis på en utmerket måte å løse disse tapsproblemer, vil de utførelsesformer som er omtalt i nevnte publikasjon, kreve to separate funksjons-mettbare induktorer, idet den ene kreves for styring av prepareringen eller forspenningen mens den annen for styring av utladningen.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det funnet mulig å styre begge funksjoner med et eneste mettbart induktor-nettverk og uten at tilbakestillings-nettverket tar del i energiutvekslingen eller tjener som en lagringsinduktor, slik tilfellet er ifølge nevnte patentskrift, noe som innebærer en betydelig forenkling og reduksjon i kostnader samt forbedring i virkningsgrad, noe som vil bli ytterligere forklart i det følgende.

Følgelig går en hensikt med den foreliggende oppfinnelse ut på å skaffe en ny og forbedret mettbar induktorkrets for tyristor-forspenning og utladningskretstap og eliminasjon av reverse spenningstransienter, idet kretsen omfatter de ovenfor omtalte og andre fordeler.

I sammendrag går oppfinnlsen ut på at kretsen i kombinasjon omfatter seriekoblede sekundærviklinger som er transformatorkoblet med nevnte induktororganer som kan bringes i metning, der sekundærviklingenes ende-terminaler via respektive diodeorganer og lagringsinduktans er forbundet med den ene pol av en likestrømsforsyning, idet den andre pol av likestrømsforsyningen er forbundet med en mellomliggende terminal for sekundærviklingene.

Andre og ytterligere hensikter vil i det følgende bli forklart nærmere og er også definert i de vedføyde patent-krav.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet nærmere under henvisning til de vedføyde tegningsfigurer. Figur 1 er et kretsdiagram som anskueliggjør en foretrukken utførelsesform for oppfinnelsen.

Figur 2A-2E viser forskjellige bølgeformdiagrammer.

Figur 2F er et tidsdiagram som forklarer virkemåten for kretsen på figur 1.

På figur 1 er der vist en del av en tyristor-pulsgenerator som gjør seg nytte av den foreliggende oppfinnelse. Pulsgeneratoren benytter seg av det velkjente resonans-oppladningsprinsipp hvor der benyttes en induktor L]_ med mettbar kjerne for levering av halv-sinusformede strømpulser fra likestrøm-kraftforsyningen E^ c til kondensatoren Ci og en lastkrets, som er betegnet med "LAST", og som kan omfatte en motstand, en mettbar magnetisk pulskompressor, en annen tyristor-krets, etc. Induktoren med mettbar kjerne tjener som primærviklingen "p" hos en transformator, hvis sekundær-vikling S1-S2 har sine terminaler forbundet med respektive dioder og D2/ samtidig som det mellomliggende uttak er forbundet med minus-terminalen eller minus-siden hos kraftforsyningen E^ c. Fellesterminalene for diodene D± og D2 er forbundet via en lagringsinduktans L2 til plussiden av likestrøm-kraftforsyningen E^ c.

Strømpulsen starter opp når en serieforbundet tyristor SCR^ blir portkoblet ved tidspunktet t=0, se figur 2C og 2F, og vedvarer i en halv resonansperiode med t= n Æ^C^ sek., da den naturlige oscillasjon reverserer retningen av strømmen gjennom SCR^ og slår denne av. Ved avslag vil den positive spenning eci på kondenstoren overskride E^q, slik at en nettoreversspenning vil opptre over SCR]^. Nevnte SCR- ± vil få igjen sin foroverrettede spenningsblokkerende evne etter noen få titalls av mikrosek. med reversert forspenning. Når nevnte SCR-^ har gjenvunnet sin utgangsposisjon, blir den oppladede kondensator isolert fra oppladningskretsen, og kondensatorens energi kan leveres til lasten. Ofte.vil en negativ spenning ecl forbli på som en følge av utladningen til lastkretsen. Denne negative spenning føyer seg til kraftforsyningsspenningen med hensyn til å drive den naturlige oscillasjon av induktoren og C± når SCR1 blir portkoblet. I forbindelse med "tapsløs" resonansoppladning vil kondensatorspenningen nå et positivt nivå som er to ganger kraftforsyningsspenningen pluss den negative restkondensatorspenningen. Således vil topp-til-topp kondensatorspenningen under stabil drift for pulsgeneratoren, ville være mange ganger likestrøm-forsyningsspenn-ingen E£C, slik det er vist ved 6 Edc på figur 2A. De halvsinusformede strømpulser som blir ført gjennom SCR^, se figur 2C, er tilsvarende store og vil ofte nå opp i verdier på flere tusen ampere.

Den strømbærende og strømbrytende evne hos en tyristor er begrenset ved hevingen i sjikttemperaturen som forårsakes av motstandsspredning. Motstandstapene er spesielt høye like efter portkoblingen når hele kretsspenningen påtrykkes det lille ledende område i sjiktet nær porten, og ved avslag når minoritetsbærerne som er lagret i sjiktet, blir sveipet ut av den reverserende spenning, samtidig som det ledende sjiktområde trekker seg sammen til null. Den kretskonfigura-sjon som er vist på figur 1, skaffer konstruktøren et hjelpemiddel til å redusere endringshastigheten for tyristor-strøm (di/dt) under de kritiske påslag- og avslags-intervaller. Kretsen fremskaffer en stor økning i ladnings-induktansen over den mettede verdi under de to kritiske intervaller, noe som derved reduserer di/dt. Ved påslag blir tyristor-sjiktet "forspent" ("primed") med en liten strømrampe som utvider ledersjiktområdet før hovedstrømpul-sen. Ved avslag vil tyristor-strømmen i den motsatte retning på samme måte være begrenset mens reverskretsspenningen "sveiper ut" minoritetsbærerne som er lagret i ledersjiktet (se "tidsdiagrammet" på figur 2F). Reversstrømmen blir avsluttet meget raskt, og den resulterende di/dt i den tilhørende kretsinduktans bevirker en transientpuls av reversspenning over det nå isolerende tyristor-sjikt. Reversstrømbegrensningen som fremskaffes av kretsen ifølge figur 1, holder denne transienten liten og unngår behovet for tidligere kjente serie-RC-tilstramningsnettverk over nevnte tyristor med tilhørende tap.

Slik det fremgår av figur 2A, vil kondensatorspenningen ecl følge portkoblingen hos SCRlf idet den tidligere utladning av C± gjennom lasten reverserte spenningen fra et positivt nivå på 6 Eq^, til et negativt nivå på -4E(jc, i likhet med det som er vist med stiplet linje til høyre. Disse spenn-ingsnivåer er vilkårlige og tjener bare som illustrasjon av den grunnleggende lov som gjelder for ovenfor omtalte resonansoppladning. En annen begynnelsestilstand er den magnetiske tilstand av induktoren 1,^ med mettbar kjerne. Slik det er vist ved prikkene og polariteten eller retningen for tilbakestillingsstrømmen Ir på figur 1, vil kjernen bli fullstendig tilbakestilt mellom utladnignssyklene fra en likestrøm-tilbakestillingsforsyning Ir forbundet via en tilbakestillingsinduktans Lr til en tilbakestillings-sekundærvikling S3 som er forbundet med som en transformator. Tilbakestillingsinduktansen Lr og vinningsforholdet for viklingene på L^, blir justert slik at tilbakestillings-strømmen Ir forblir hovedsakelig konstant under drifts-syklusen som nå vil bli beskrevet. Energiutvekslingen under tyristor-forspenningen og utladningen, noe som er et trekk ved den foreliggende oppfinnelse, finner sted over de mettbare kjernetransformatorviklinger for L1-S1-S2 til og fra den forholdsvis lille lagringsinduktor L2, via dioder og D2. Mens kjernen for den mettbare induktor er umettet, vil kjernen oppføre seg som en tett koblet transformator. Når metning finner sted, vil den innbyrdes kobling mellom primær- og sekundærvinningene og S1-S2 i store trekk forsvinne.

Før portpulsen på tidspunktet t=l, se figur 2F, vil nevnte SCR^ ha en foroverspenning på ca. 5 E^ c påtrykket seg. Når portkobling finner sted, vil motstanden i tyristor-sjiktet klappe sammen så å si umiddelbart til verdien nær null, og 5E(jc kretsspenningen blir overført til '^"-viklingen som utgjør primæren hos den mettbare induktor L]_. Fordi kjernen er umettet i retningen merket med prikk (figur 1) i hvilken spenningen er påtrykket, vil transformatorvirkning finne sted i sekundæren Slr se figur 2B, over hvilken der vil induseres en spenning 5E& C (vinningsforhold S^/p). Dioden D2 er tilbakeforspent, mens diode er forover-forspent, og der blir påtrykket en nettospenning ( 5( S^/ p- l) Eq-c over lagringsinduktoren L2. Fordi man for en induktor har terminalspenningen E=Ldi/dt, vil den strøm som føres inn i kraftforsyningen gjennom sekundæren Slf dioden D^ og L2, øke med en hastighet gitt av:

Via transformatorvirkningen for den mettbare induktor vil en lignende økende strøm (p/S^) ganger så stor passere gjennom primæren "p", SCP^ og inn i lastkondensatoren.

Slik det fremgår av figur 2C, 2B og 2D, vil de respektive økninger i hhv. lagringsinduktorstrøm i2 og tyristor-strømmen vedvare inntil firkantsløyfekjernen hos går brått i metning på tidspunktet t^, se figur 2F. Ved konstruksjon kan tyristor-strømmen ved enden av innlednings-eller oppladningsintervallet (O-t!) være noen få titalls ampere, noe som er lite sammenlignet med de mange tusen ampere som den påfølgende hovedpuls-tyristor-strøm har, men tilstrekkelig for å fremskaffe utvidelse av ledesjiktområdet i nevnte tyristor. Når kjernen går i metning, vil den innbyrdes kobling mellom primæren og sekundærene "p" (L^)-Si- S2 bli redusert brått, slik det er vist på figur 2B. På primærsiden blir kretsspenningen (noe under 5E<jc) påtrykket den mettede induktans av primærvinningen, og hovedkret-sens sinusformede gjenoppladning av lastkondensatoren finner sted i et intervall på n Æ[cJ sekunder.

Bak på sekundærsiden, ved tidspunktet t^, vil hovedkrets-spenningen som er koblet fra primæren, nesten forsvinne, hvilket innebærer at den (transformerte) tyristor-forspenn-ingsstrøm blir ført gjennom lagringsinduktoren L2, dioden Dl7 den lille mettede induktans av sekundæren Slf og inn i kraftforsyningen Edc. Denne sløyfestrøm inn i kraftforsyningen faller til null med en hastighet tilnærmet lik

og fullfører den ønskede avslutning med hensyn til å returnere den (omformede) tyristor-forspenningsenergi som er lagret i L2, til kraftforsyningen. Ved denne konstruksjon av den mettbare induktor Llf vil primær-tilsekundærkoblingen være liten under det mettede intervall t1-t2, se figur 2F, slik at bare en mindre del av hovedutladningsenergien blir avledet inn i L2 ulikt påvirkningen av kretsen i henhold til

nevnte patentskrift. Returneringen av primærenergien gjennom D, utgjør deres komplette kilde før hovedutladningen blir avsluttet ved t2, slik det fremgår av figur 2D.

Tilsvarende kretsoppførsel finner sted når hovedresonnansut-ladningsstrømmen går mot null mot sin vei nedover fra pulstopp. Den kretsspenning som påføres over den fremdeles mettede primærvikling hos den mettbare induktor, er nå negativ i forhold til prikkene (figur 1) fordi hovedpulsen di/dt er negativ. Når kjernen hos blir trukket ut av forovermetning, vil hele kretsspenningen (nå 6Edc fra minus Edc fra kraftforsyningen = 5Edc) fremkomme over primæren hos i negativ retning, se figur 2B. En strøm-rampe inn i kraftforsyningen Edc blir nå initiert på sekundærsiden via sekundæren S2, dioden D2 og lagringsinduktoren L2. Utsveipingsintervallet eller sluttutladningsinter-vallet for nevnte tyristor starter når primærstrømmen går negativ. Så lenge som der fortsatt er minoritetsbærere i tyristor-sjiktet, vil spenningsfallet over tyristor forbli lavt, samtidig som det stigende parti av strømrampen bakover gjennom tyristor og den tilsvarende sekundære strømrampe gjennom D2 vil vedvare, se figur 2E. Ved konstruksjon vil kjernen hos ikke nå metning i tilbakestillingsretningen før den reverse tyristor-sjiktstrøm blir avsluttet ved avslag av tyristor. Når avslaget begynner, vil tyristor-reversstrømmen helle raskt mot null, hvilket vil bevirke at den primære di/dt i metningsinduktoren går fra negativ tilbake til positiv. Som reaksjon på dette vil lagringsin-duktorstrømmen raskt skifte fra D2 til D^ med en hastighet som er begrenset av lekkinduktansen mellom sekundærene S2 og Slf slik det fremgår av figur 2D og 2E. For et kort tidsin-tervall vil begge dioder D^ og D2 lede på samme tid, hvilket innebærer kortslutning av sekundære hos L]_. Samtidig vil tyristor-sjiktet raskt gjeninnta sin reverserende spenningsblokkerende evne, hvilket innebærere fjerning av den kretsspenning som påtrykkes primæren hos L]_. Dioden D^ og lagringsinduktoren L2 blir etterlatt til å bære en transfor-mert rest av tyristor-sluttutladningsstrømmen til kraftforsyningen. Som ved tilfellet for oppladning eller den innledende fase vil denne strømføring bli forhindret av E^, og sluttutladningsenergien blir ført tilbake til kraftforsyningen. Når ledningen gjennom Di opphører, vil bare tilbakestillingsstrømmen være igjen for å påtrykke en magnetomotorisk kraft på metningskjernen. Slik det fremgår av figur 2B, vil der ved slutten av bølgeformen for sekundærspenningen, foreligge en forholdsvis lang spennings-puls når kjernen blir tilbakestilt.

Et nyttig trekk ved kretsen på figur 1 er at de to sekundær-vikl inger Si~S2 på metningskjernen ikke trenger å ha det samme antall vinninger. En hensiktsmessig krets av denne type kan f.eks. ha et vinningsforhold på 12:5 for primær-kretsdelen og 12:7 for sluttutladningen. Således vil den effektive induktans referert til primæren under tyristor-forspenningen, være forskjellig fra det som foreligger under sluttutladningen, slik at der eksisterer et middel for konstruksjonsuavhengighet mellom topp-forspenningskretsen og topp-sluttutladningsstrømmen. En annen krets uten denne uavhengighet kan benytte en senter-tappet sekundærvinning med S1=S2, eller en konvensjonell fullbølge fire-dioders bro over en eneste sekundærvinning (ikke vist).

Således vil kretsen på figur 1 ifølge den foreliggende oppfinnelse at noen felles trekk i forhold til dem omtalt i den ovenfor angitte patentskrift (figur 4 i dette), nemlig ved (a.) reduksjon av tyristor-tap under påslag og avslag ved reduksjon av den spenning som påføres nevnte tyristor i disse kritiske intervaller, og (b.) utførelsen av (a.) med meget lavere spredningstap enn ved tidligere kjente kretser med motstander. En betydelig fordel går ut på en fullstendig eliminering av revers-spenningstransienten som finner sted ved avslag av SCRX. Det vanlige hjelpemiddelet, som nevnt tidligere, er et seriekoblet RC-tilsramningsnettverk over SCRlf men disse brenner opp en stor mengde kraft. Dessuten vil begge kretskonfigurasjoner redusere kretsens di/dt ved avslag, slik at transientspenningene, som er proporsjonale med di/dt, blir tilsvarende mindre. Blandt de mer viktige og nye bidrag ved den foreliggende oppfinnelse og dennes nye krets, foreligger således elimineringen av en av de dyre og tapsbringende mettbare induktorer, samt det å utføre returen av forspennings- og utladningsenergi til kraftforsyningen umiddelbart. Ved den foreliggende krets vil tilbakestill-ingsinduktoren (L3) bibeholde sin forspenningsenergi gjennom hele oppladningsintervallet, hvilket bevirker noe effekttap (i R'i). Med den foreliggende oppfinnelse, se figur 1, utgjør den annen induktor L2 bare en liten og rimelig induktans når den tilbakestiller induktor Lr, noe som fordelaktig ikke bidrar til energiutveksling eller lagring, slik det er forklart ovenfor.

Således vil kretsen ifølge figur 1 tillate at et eneste, felles mettbar induktansnettverk å tjene som både forspennings- og sluttutladningskretsen for tyristor-svitsjeopp-ladningen (eller lagringen) og utladning hva angår hoved-krets-energitilførselen. Eventuelt kan der brukes et par kretser i push-pull-kobling, hver med en mettbar induktor (transformator) i nettverk L1-S1-S2, slik det er omtalt ovenfor. Ytterligere modifikasjoner vil også fremstå for fagfolk på området, og vil betraktes som å falle inn under oppfinnelsens idé og ramme slik oppfinnelsen er definert i patentkravene.

Claims (2)

1. Forspennings- og utladningskrets for en tyristor-pulsgenerator, omfattende kjerneinduktororganer (LI) som kan drives i metning for å muliggjøre energilagring og utladning under styring av portkobling av et seriekoblet tyristor-svitsjeorgan (SCR1), karakterisert ved at kretsen i kombinasjon omfatter seriekoblede sekundærviklinger (Sl, S2) som er transformatorkoblet med nevnte induktororganer (LI) som kan bringes i metning, der sekundærviklingenes ende-terminaler via respektive diodeorganer (Dl, D2) og lagringsinduktans (L2) er forbundet med den ene pol av en likestrømsforsyning, idet den andre pol av likestrømsforsyningen er forbundet med en mellomliggende terminal for sekundærviklingene.

2. Krets som angitt i krav 1, karakterisert ved at induktororganene (LI) med mettbar kjerne er ytterligere transformatorkoblet med en ytterligere vikling (S3) for å fremskaffe tilbakestillings-strøm gjennom en ytterligere tilbakestillingsinduktans (Lr). 3• Krets som angitt i krav 1, karakterisert ved at vinningsforholdene for de sekundære viklinger (Sl, S2) på hver side av nevnte mellomliggende terminal er av størrelsesorden 12:7 og 12:5.