RU176085U1 - High-voltage switch of powerful bipolar current pulses - Google Patents
High-voltage switch of powerful bipolar current pulses Download PDFInfo
- 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
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 5
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS 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
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/06—Circuits specially adapted for rendering non-conductive gas discharge tubes or equivalent semiconductor devices, e.g. thyratrons, thyristors
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS 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
- H02M5/00—Conversion 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. 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.
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
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-
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
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)
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)
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 |
-
2017
- 2017-04-19 RU RU2017113673U patent/RU176085U1/en active IP Right Revival
Patent Citations (4)
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 |