RU176085U1 - High-voltage switch of powerful bipolar current pulses - Google Patents

High-voltage switch of powerful bipolar current pulses Download PDF

Info

Publication number
RU176085U1
RU176085U1 RU2017113673U RU2017113673U RU176085U1 RU 176085 U1 RU176085 U1 RU 176085U1 RU 2017113673 U RU2017113673 U RU 2017113673U RU 2017113673 U RU2017113673 U RU 2017113673U RU 176085 U1 RU176085 U1 RU 176085U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
block
voltage
reverse
switch
current
Prior art date
Application number
RU2017113673U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Александрович Хапугин
Валентин Александрович Мартыненко
Вячеслав Васильевич Елисеев
Вячеслав Геннадьевич Мускатиньев
Станислав Иванович Толкачев
Original Assignee
Вячеслав Васильевич Елисеев
Акционерное Общество "Элпресс"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Вячеслав Васильевич Елисеев, Акционерное Общество "Элпресс" filed Critical Вячеслав Васильевич Елисеев
Priority to RU2017113673U priority Critical patent/RU176085U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU176085U1 publication Critical patent/RU176085U1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/06Circuits specially adapted for rendering non-conductive gas discharge tubes or equivalent semiconductor devices, e.g. thyratrons, thyristors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Область применения: импульсная электротехника и энергетика в системах питания лазеров, ускорителей, токамаков.Scope: pulsed electrical engineering and power engineering in power systems of lasers, accelerators, tokamaks.

Техническим результатом полезной модели является создание высоковольтного сильноточного полупроводникового ключа для коммутации мощных двуполярных импульсов тока в субмилли- и микросекундном диапазонах.The technical result of the utility model is the creation of a high-voltage high-current semiconductor switch for switching powerful bipolar current pulses in the submilli- and microsecond ranges.

Это достигается с помощью конструкции высоковольтного коммутатора, состоящего из блока запуска и коммутирующего блока, выполненного в виде последовательно соединенных реверсивно-включаемых динисторов с обратной проводимостью, к каждому из которых параллельно подключен резистор.

Figure 00000001
This is achieved using the design of a high-voltage switch, consisting of a start block and a switching block, made in the form of series-connected reverse-switched dynistors with reverse conductivity, to each of which a resistor is connected in parallel.
Figure 00000001

Description

Предлагаемая полезная модель относится к высоковольтным сильноточным полупроводниковым ключам, используемым в импульсной энергетике для коммутации мощных импульсов тока в субмилли- и микросекундном диапазонах в системах питания лазеров, ускорителей, токамаков.The proposed utility model relates to high-voltage high-current semiconductor switches used in pulsed energy for switching powerful current pulses in the submill and microsecond ranges in the power systems of lasers, accelerators, tokamaks.

Известна конструкция коммутатора на основе реверсивно-включаемых динисторов (РВД) [1], представляющего собой блок запуска 1 и коммутирующее устройство, состоящее из высоковольтного динисторного блока 2 последовательно соединенных реверсивно-включаемых динисторов 3, 4, зашунтированных варисторами 5, 6, 7, 8, блокирующего диода 9, зашунтированного резистором 10, и высоковольтного диодного блока 11, состоящего из последовательно соединенных диодов 12, 13, зашунтированных варисторами 14, 15, 16, 17, дросселя насыщения 18 (Фиг. 1). Причем диодный блок подключен к блоку РВД встречно-параллельно, его рабочее напряжение равно рабочему напряжению динисторного блока. Анод блока РВД и катод диодного блока соединены друг с другом медными шинами через дроссель насыщения 18, а катод блока РВД и анод диодного блока соединены непосредственно через шину.A known design of a switch based on reversible-switched dynistors (RVD) [1], which is a launch unit 1 and a switching device consisting of a high-voltage dinistor unit 2 connected in series to reverse-switched dynistors 3, 4, shunted by varistors 5, 6, 7, 8 blocking diode 9, shunted by resistor 10, and a high-voltage diode block 11, consisting of series-connected diodes 12, 13, shunted by varistors 14, 15, 16, 17, saturation inductor 18 (Fig. 1). Moreover, the diode block is connected to the RVD block counter-in parallel, its operating voltage is equal to the operating voltage of the dinistor block. The anode of the RVD block and the cathode of the diode block are connected to each other by copper buses through the saturation reactor 18, and the cathode of the block of the RVD and the anode of the diode block are connected directly through the bus.

Высоковольтный диодный блок 11 шунтирует высоковольтный блок 2 и предназначен для защиты блока РВД от пробоя, поскольку динисторный блок имеет высокие падения напряжения и большие потери электрической энергии при протекании обратного тока. Подключенные параллельно каждому РВД и диоду защитные цепи, состоящие из двух соединенных последовательно варисторов, предназначены для выравнивания напряжения на последовательно соединенных РВД 3, 4 и диодах 12, 13 и ограничения коротких импульсов перенапряжений, возникающих в силовых цепях при прохождении знакопеременных токовых импульсов через коммутатор. Общее количество варисторов в коммутаторе равно удвоенному суммарному числу РВД и диодов. Блок РВД защищен от протекания обратного тока блокирующей цепью «диод 9 - резистор 10». Диод 9 служит для блокировки протекания обратного тока через РВД на время задержки нарастания прямого тока через блок диодов. Резистор 10 служит для шунтирования диода 9 во время переходных процессов в диодах обратного тока в момент смены полярности коммутируемого импульса тока. В результате в цепи нагрузки реализуется режим коммутации мощных двуполярных импульсов тока.The high-voltage diode block 11 shunts the high-voltage block 2 and is designed to protect the high pressure block from breakdown, since the dinistor block has high voltage drops and large losses of electric energy when the reverse current flows. Protective circuits connected in parallel to each RVD and diode, consisting of two varistors connected in series, are designed to equalize the voltage on the RVD 3, 4 and diodes 12, 13 in series and to limit the short overvoltage pulses that occur in the power circuits when alternating current pulses pass through the switch. The total number of varistors in the switch is equal to twice the total number of RVD and diodes. The RVD block is protected against reverse current flow by the blocking circuit “diode 9 - resistor 10”. The diode 9 serves to block the flow of reverse current through the RVD for the delay time of the forward current rise through the block of diodes. The resistor 10 serves to bypass the diode 9 during transients in the reverse current diodes at the moment of changing the polarity of the switched current pulse. As a result, the switching mode implements the switching mode of powerful bipolar current pulses.

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, связанная с большим количеством межэлементных соединений, дросселем насыщения и силовыми шинами, приводит к увеличению коммутационных перенапряжений и снижению эксплуатационной надежности коммутатора.The disadvantage of this design of the switch is a relatively complex electrical circuit with a large number of main and auxiliary components. This increases its cost and complicates maintenance, and the high internal parasitic inductance associated with a large number of interconnects, a saturation inductor and power buses leads to an increase in switching overvoltages and a decrease in the operational reliability of the switch.

Данные недостатки устранены в предлагаемой конструкции высоковольтного коммутатора, состоящего из блока запуска и коммутирующего блока, выполненного в виде последовательно соединенных реверсивно-включаемых динисторов с обратной проводимостью, к каждому из которых параллельно подключен резистор.These shortcomings are eliminated in the proposed design of a high-voltage switch, consisting of a start block and a switching block, made in the form of series-connected reverse-switched dynistors with reverse conductivity, to each of which a resistor is connected in parallel.

Реверсивно-включаемый динистор с обратной проводимостью (РВДД) - это новая силовая интегральная схема, объединяющая в одном полупроводниковом кристалле силовой РВД переключатель и мощный диод обратного тока, размещенные в одном низкоиндуктивном металлокерамическом корпусе. Применение в качестве коммутирующего устройства блока РВДД позволяет переключать мощные двуполярные импульсы тока не двумя высоковольтными блоками (РВД и диодным, как у прототипа), а всего лишь одним высоковольтным блоком РВДД, обладающим по сравнению с прототипом низкой внутренней индуктивностью и низкими потерями энергии при коммутации импульсов тока в прямом и обратном направлениях.Reversible-switched reverse conductivity dinistor (RVDD) is a new power integrated circuit that combines in one semiconductor crystal a power RVD switch and a powerful reverse current diode located in one low-inductance cermet casing. The use of the RVDD block as a switching device allows switching powerful bipolar current pulses not with two high-voltage blocks (RVD and diode, as in the prototype), but with only one high-voltage RVDD block, which has low internal inductance and low energy losses when switching pulses compared to the prototype current in the forward and reverse directions.

Основные отличия нового коммутатора в сравнении с прототипом следующие:The main differences of the new switch in comparison with the prototype are as follows:

1. Отсутствует высоковольтный диодный блок и дроссель насыщения, поскольку ток управления от блока запуска и обратная полуволна коммутируемого силового тока протекают через встроенные в РВДД диоды обратного тока с малыми потерями мощности.1. There is no high-voltage diode unit and saturation inductor, since the control current from the start-up unit and the reverse half-wave of the switched power current flow through the reverse current diodes built into the HPR with low power losses.

2. Отсутствует блокирующая цепь, состоящая из силового диода и шунтирующего резистора, так как РВДД обладает высокой обратной проводимостью и может коммутировать достаточно высокие обратные токи.2. There is no blocking circuit, consisting of a power diode and a shunt resistor, since the high pressure hoses have high reverse conductivity and can switch sufficiently high reverse currents.

3. Защитные варисторы заменены более простыми и надежными резисторами, выравнивающими напряжение на сборке РВДД в статическом режиме, поскольку в блоке РВДД исключены перенапряжения, возникающие при коммутации токов в диодном блоке и в блокирующем диоде.3. The protective varistors are replaced by simpler and more reliable resistors that equalize the voltage on the assembly of the RVDD in static mode, since overvoltages arising from switching currents in the diode block and in the blocking diode are excluded in the block of the RVDD.

4. Снижены динамические потери при коммутации двуполярных импульсов тока за счет эффективной накачки РВДД обратным током.4. Reduced dynamic losses during switching of bipolar current pulses due to the effective pumping of the WFDD by reverse current.

Конструкция полезной модели поясняется на следующей электрической схеме (Фиг. 2):The design of the utility model is illustrated in the following electrical diagram (Fig. 2):

1 - блок запуска;1 - start block;

2 - высоковольтный блок последовательно соединенных реверсивно-включаемых динисторов с обратной проводимостью;2 - a high-voltage block of series-connected reverse-switched dynistors with reverse conductivity;

3, 4- реверсивно-включаемые динисторы с обратной проводимостью;3, 4- reversibly switched reverse conductors;

5, 6 - шунтирующие резисторы5, 6 - shunt resistors

В данной конструкции переключение высоковольтного блока РВДД производится с помощью блока запуска 1. В процессе переключения сначала от блока запуска на блок РВДД 2 кратковременно прикладывается напряжение обратной полярности и через динисторы 3, 4 протекает импульс тока управления. В результате в структуру динисторов вносится запускающий электрический заряд, обеспечивающий образование у коллекторного перехода слоя электронно-дырочной плазмы высокой концентрации. Затем от внешней силовой цепи (емкостного накопителя электрической энергии, не показанного на схеме) на блок РВДД прикладывается прямое напряжение, при этом плазменный слой вызывает встречную инжекцию эмиттерных переходов. РВДД 3, 4 переключаются и коммутируют в нагрузку ток разряда внешней силовой цепи (емкостного накопителя). После протекания прямого тока через блок РВДД во внешней цепи формируется силовой ток обратной полярности, который затем беспрепятственно коммутируется в блок РВДД через интегрированные в кремниевые структуры РВДД 3 и 4 диоды обратного тока. Величина обратного тока определяется только собственной индуктивностью блока РВДД и накопленным зарядом во внешней цепи. При этом силовой обратный ток служит эффективным током управления РВДД к моменту коммутации повторного импульса прямого тока. В результате с помощью высоковольтного блока РВДД в цепь нагрузки коммутируются мощные слабозатухающие двуполярные импульсы тока.In this design, the high-voltage RVDD block is switched using the start block 1. In the process of switching, the reverse polarity voltage is briefly applied from the start block to the RVDD block 2 and a control current pulse flows through the dinistors 3, 4. As a result, a triggering electric charge is introduced into the structure of the dinistors, which ensures the formation of a high concentration electron-hole plasma layer at the collector junction. Then, a direct voltage is applied from the external power circuit (capacitive storage of electric energy, not shown in the diagram) to the HPH unit, while the plasma layer causes a counter injection of emitter junctions. RVDD 3, 4 switch and switch the discharge current of the external power circuit (capacitive storage) into the load. After the direct current flows through the RVDD block in the external circuit, a reverse polarity power current is generated, which is then freely switched to the RVDD block through 3 and 4 reverse current diodes integrated into the silicon structures of the RVDD. The magnitude of the reverse current is determined only by the intrinsic inductance of the RVDD unit and the accumulated charge in the external circuit. At the same time, the power reverse current serves as the effective control current of the high pressure hitch to the moment of switching the repeated forward pulse. As a result, powerful weakly damped bipolar current pulses are switched into the load circuit using the high-voltage RVDD block.

Конкретное исполнение предложенного решения рассмотрим на примере коммутатора мощных двуполярных импульсов тока КПИ2-50-25 на импульсный ток 50 кА, напряжение 24 кВ. Коммутатор КПИ2-50-25 изготавливается на базе реверсивно-включаемых динисторов с обратной проводимостью (РВДД) диаметром полупроводниковых элементов 50 мм, собранных в низкопрофильные металлокерамические корпуса таблеточной конструкции высотой 14 мм. Высоковольтный блок коммутатора состоит из 15 последовательно соединенных РВДД, между которыми проложены контактные медные шины толщиной 1 мм для крепления шунтирующих резисторов. Со стороны анода и катода высоковольтного блока расположены одноименные шины толщиной 2 мм, предназначенные для подключения коммутатора к внешней силовой цепи и блоку запуска. Параллельно каждому РВДД подключены шунтирующие резисторы. Полупроводниковые приборы и шины в высоковольтном блоке РВДД коммутатора сжимаются с усилием 25 кН с помощью устройства прижима.We will consider the specific implementation of the proposed solution using the example of a switch of powerful bipolar current pulses KPI2-50-25 for a pulse current of 50 kA, voltage 24 kV. The KPI2-50-25 switch is manufactured on the basis of reversible-switched dynistors with reverse conductivity (RVDD) with a diameter of 50 mm semiconductor elements assembled in low-profile metal-ceramic cases of a tablet design with a height of 14 mm. The high-voltage switch unit consists of 15 series-connected RVDDs, between which 1 mm thick copper busbars are laid for fastening shunt resistors. On the side of the anode and cathode of the high-voltage block, the same busbars are 2 mm thick, designed to connect the switch to an external power circuit and to the starting block. In parallel to each RVDD shunt resistors are connected. Semiconductor devices and buses in the high-voltage block of the high pressure switch of the switch are compressed with a force of 25 kN using a clamp device.

Результаты сравнительных испытаний показали, что РВДД 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 коммутации 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 РВДД коммутатора по сравнению с прототипом меньше в 2,5 раза за счет исключения высоковольтного диодного блока и 11 элементов, входящих в состав прототипа.The results of comparative tests showed that the RVDD switch switches alternating current pulses of the same power as the RVDD switch (prototype). The tests were carried out in the discharge circuit for the preionization of the pump lamps of a high-power laser in the normal mode of switching bipolar current pulses: forward current with an amplitude of 20 kA, a duration of 200 μs, and the next reverse current immediately with an amplitude of 18 kA and a duration of 250 μs. The test results are positive. At the same time, the overall dimensions and cost of the RVDD switch compared to the prototype is 2.5 times less due to the exclusion of the high-voltage diode block and 11 elements that make up the prototype.

Список литературы:Bibliography:

[1] С.В. Короткое, Ю.В. Аристов и др. «Высоковольтные диодно-тиристорные коммутаторы мощных знакопеременных импульсов тока» ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, №4, с. 61-66.[1] C.V. Short, Yu.V. Aristov et al. “High-voltage diode-thyristor switches of powerful alternating current pulses” INSTRUMENTS AND TECHNIQUE, 2014, No. 4, p. 61-66.

Claims (1)

Высоковольтный коммутатор мощных двуполярных импульсов тока, состоящий из генератора запуска и коммутирующего блока, отличающийся тем, что коммутирующий блок выполнен в виде последовательно соединенных реверсивно-включаемых динисторов с обратной проводимостью, к каждому из которых параллельно подключен резистор.High-voltage switch of powerful bipolar current pulses, consisting of a start generator and a switching unit, characterized in that the switching unit is made in the form of series-connected reverse-connected dynistors with reverse conductivity, to each of which a resistor is connected in parallel.
RU2017113673U 2017-04-19 2017-04-19 High-voltage switch of powerful bipolar current pulses RU176085U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017113673U RU176085U1 (en) 2017-04-19 2017-04-19 High-voltage switch of powerful bipolar current pulses

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017113673U RU176085U1 (en) 2017-04-19 2017-04-19 High-voltage switch of powerful bipolar current pulses

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU176085U1 true RU176085U1 (en) 2017-12-27

Family

ID=63853461

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017113673U RU176085U1 (en) 2017-04-19 2017-04-19 High-voltage switch of powerful bipolar current pulses

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU176085U1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2242831C2 (en) * 2003-02-10 2004-12-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Voltage switching device incorporating load unit overcurrent protective gear
EP2533407A2 (en) * 2011-06-07 2012-12-12 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Switching circuit
RU124455U1 (en) * 2012-07-25 2013-01-20 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") RESONANT SWITCH
RU172407U1 (en) * 2016-12-23 2017-07-07 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича" (СПбГУТ) CONTROLLED RESONANT CURRENT INVERTER

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2242831C2 (en) * 2003-02-10 2004-12-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Voltage switching device incorporating load unit overcurrent protective gear
EP2533407A2 (en) * 2011-06-07 2012-12-12 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Switching circuit
RU124455U1 (en) * 2012-07-25 2013-01-20 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") RESONANT SWITCH
RU172407U1 (en) * 2016-12-23 2017-07-07 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича" (СПбГУТ) CONTROLLED RESONANT CURRENT INVERTER

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106253649B (en) Power converter sub-module with short-circuit device and power converter with same
KR102127036B1 (en) Direct-current transmission protection apparatus, current converter, and protection method
Martin et al. Investigation of low-voltage solid-state DC breaker configurations for DC microgrid applications
US11108320B2 (en) Method and voltage multiplier for converting an input voltage, and disconnector
CN107370119B (en) Solid-state direct-current breaker and its control method based on capacitive energy storage
US9640982B2 (en) Over-voltage protection system and method
US10607792B2 (en) Disconnecting device for galvanic direct current interruption
US8670253B2 (en) Converter protecting components against overvoltages
JPS6022798Y2 (en) Thyristor overvoltage protection circuit
CN104426405A (en) Modular multi-electric-level current converter and converter valve module unit thereof
CN110495084B (en) Protection device for MMC-HVDC sub-module
Xu et al. IGBT overcurrent turn-off tests for the MMC-based VSC valves
CN2577503Y (en) Over voltage protection device of single-phase bridge inverter for medium voltage frequency transformer
RU176085U1 (en) High-voltage switch of powerful bipolar current pulses
CN108233897A (en) A kind of pulse forming network based on cathode short circuit grid-controlled transistor
Feng et al. Research on the current commutation in a novel hybrid HVDC circuit breaker
Xue et al. A novel sub-module topology for MMC against DC side short-circuit faults
Davari et al. A flexible solid-state pulsed power topology
RU2733920C1 (en) Commutator of powerful bipolar current pulses
CN207868791U (en) A kind of direct current protection circuit and electronic equipment
CN112054485A (en) Electronic system
CN203840305U (en) Solid-state switch of parallel discharge
EP4333288A1 (en) Solid-state motor starter
CN216851779U (en) Voltage converter
Chen et al. Transient DC over-voltage protection for ITER PF AC/DC converter

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20180108

NF9K Utility model reinstated

Effective date: 20181009