RU2111604C1

RU2111604C1 - Dc voltage changer

Info

Publication number: RU2111604C1
Application number: RU97105733A
Authority: RU
Inventors: С.И. Вольский; В.И. Чуев
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "Спецремонт"
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 1998-05-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: DC-to-DC voltage changer is provided with newly introduced integration gate, multiple-input current-mode gate, two additional reactors, two series RC circuits, and two additional diodes; each semiconductor switch member is built up of series-connected thyristor cells whose control inputs are integrated with control input of semiconductor switch member. EFFECT: improved reliability at high input voltage and improved protection of switching cells during switching moments. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям постоянного напряжения, и может быть использовано в преобразователях постоянного высоковольтного напряжения (в частности 4 кВ) в заданное количество постоянных напряжений различных уровней. The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to DC-DC converters, and can be used in DC-DC converters of high voltage (in particular 4 kV) to a predetermined number of constant voltages of various levels.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий основную и две дополнительные инверторные ячейки, каждая из которых выполнена на двух тиристорах, выходные трансформаторы, подключенные к выпрямителю, к генератору коммутирующих импульсов. (см. авт.св. СССР N 1705981, кл. H 02 M 3/305, 29.06.89). A known DC-voltage converter containing the main and two additional inverter cells, each of which is made on two thyristors, output transformers connected to a rectifier, to a switching pulse generator. (see ed. St. USSR N 1705981, class H 02 M 3/305, 06/29/89).

Однако известное устройство не обеспечивает надежную работу полупроводниковых ключевых элементов при высоком входном напряжении, особенно в случае их построения из нескольких последовательно соединенных тиристорных ячеек. However, the known device does not provide reliable operation of semiconductor key elements with a high input voltage, especially if they are built from several series-connected thyristor cells.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения, содержащий мост, плечи первой стойки которого образованы конденсаторами, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к первому выводу первичной обмотки силового трансформатора и к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вторичную обмотку силового трансформатора, подключенную через выпрямитель и фильтр к шинам выходного напряжения, и генератор задающий частоты (патент GB N 2045550, кл. H 02 M 3/24,1980). By technical nature, the closest to the proposed one is a DC-voltage converter containing a bridge, the shoulders of the first rack of which are formed by capacitors, some of the terminals of which are connected to the corresponding input voltage buses, other conclusions through the bridge diagonal formed by an oscillating circuit from a series-connected reactor and capacitor are connected to the first output of the primary winding of the power transformer and to the combined leads of the shoulders of the second pillar of the bridge, each of which is formed a semiconductor key element, the control input of which is connected to the output of the corresponding block for generating control signals, the secondary winding of the power transformer connected via a rectifier and a filter to the output voltage buses, and a frequency generator (patent GB N 2045550, class H 02 M 3/24, 1980).

Однако и это известное устройство не способно обеспечить надежную работу полупроводниковых ключевых элементов преобразователя при высоковольтном входном напряжении, так как не имеет соответствующих защитных узлов, предохраняющих их в момент коммутации. However, this known device is also not capable of ensuring the reliable operation of the semiconductor key elements of the converter with a high voltage input voltage, since it does not have the corresponding protective nodes protecting them at the time of switching.

Техническим результатом является обеспечение надежной работы устройства при высоковольтном входном напряжении и обеспечение защиты ячеек ключевых элементов в момент коммутации. The technical result is to ensure reliable operation of the device at high voltage input voltage and to protect the cells of key elements at the time of switching.

Для этого в преобразователь постоянного напряжения, содержащий мост, плечи первой стойки которого образованы конденсаторами, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к первому выводу первичной обмотки силового трансформатора и к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вторичную обмотку силового трансформатора, подключенную через выпрямитель и фильтр к шинам выходного напряжения, и генератор задающей частоты, введены логический элемент объединения, многовходовый переключающий логический элемент, два дополнительных реактора, две последовательные RC-цепи и два дополнительных диода, а каждый полупроводниковый ключевой элемент выполнен в виде последовательно соединенных тиристорных ячеек, управляющие входы которых объединены с управляющим входом полупроводникового ключевого элемента, причем второй вывод первичной обмотки силового трансформатора соединен с объединенными выводами конденсаторов первой стойки моста, вторая стойка которого зашунтирована соответствующей последовательной RC-цепью, резистор каждой из которых соединен с выводами прямовключенного дополнительного диода, а каждый дополнительный реактор включен между однополярными соответствующими выводами стоек моста, логический элемент объединения подключен к первому входу многовходового переключающего логического элемента, второй вход которого соединен с выходом генератора задающей частоты, а парафазные выходы многовходового переключающего логического элемента подключены к входам соответствующих блоков формирования сигналов управления, кроме того, каждая тиристорная ячейка содержит последовательную RC-цепь, подключенную параллельно тиристору, обратно включенному диоду и последовательно соединенным балластному резистору с оптопарой, выход которой является логическим выходом тиристорной ячейки, при этом резистор последовательной RC-цепи зашунтирован прямовключенным диодом, а управляющий электрод тиристора является управляющим входом тиристорной ячейки. To do this, into a DC-voltage converter containing a bridge, the shoulders of the first rack of which are formed by capacitors, some of the conclusions of which are connected to the corresponding input voltage buses, other conclusions through the bridge diagonal formed by an oscillating circuit from a series-connected reactor and capacitor are connected to the first output of the primary winding of the power transformer and to the combined leads of the shoulders of the second pillar of the bridge, each of which is formed by a semiconductor key element, the control input which is connected to the output of the corresponding control signal generation block, the secondary winding of the power transformer connected through the rectifier and filter to the output voltage buses, and the driving frequency generator, a combination logic element, a multi-input switching logic element, two additional reactors, two serial RC circuits and two additional diodes, and each semiconductor key element is made in the form of series-connected thyristor cells, the control inputs of which connected to the control input of the semiconductor key element, and the second terminal of the primary winding of the power transformer is connected to the combined terminals of the capacitors of the first rack of the bridge, the second rack of which is shunted by the corresponding serial RC circuit, the resistor of each of which is connected to the terminals of the direct-connected additional diode, and each additional reactor is turned on between the unipolar corresponding outputs of the bridge struts, the combining logic element is connected to the first input a switching logic element, the second input of which is connected to the output of the driving frequency generator, and the paraphase outputs of the multi-input switching logic element are connected to the inputs of the corresponding control signal generating units, in addition, each thyristor cell contains a serial RC circuit connected in parallel with the thyristor, the back-on diode and a series-connected ballast resistor with an optocoupler, the output of which is the logical output of the thyristor cell, while hist serial RC-circuit shunted pryamovklyuchennym diode and the control electrode of the thyristor is the control input of the thyristor cells.

Сущность изобретения заключается в том, что введение вышеописанных узлов и элементов и соответствующее их подключение в предлагаемом устройстве позволило снизить скорость нарастания напряжения на тиристорах в нормальном режиме работы преобразователя, снизить скорость нарастания тока и значение ударного тока в тиристорах при аварийном режиме работы, связанном с опрокидыванием устройства. The essence of the invention lies in the fact that the introduction of the above nodes and elements and their corresponding connection in the proposed device allowed to reduce the slew rate of the voltage on the thyristors in the normal mode of operation of the converter, to reduce the slew rate of the current and the value of the shock current in the thyristors during emergency operation associated with overturning devices.

Сравнение предлагаемого преобразователя с ближайшим аналогом позволяет утверждать о соответствии изобретения критерию "новизна", а отсутствие в аналогах отличительных признаков говорит о выполнении критерия "изобретательский уровень". Предварительные испытания позволяют утверждать о возможности широкого промышленного использования. Comparison of the proposed converter with the closest analogue allows us to state that the invention meets the criterion of "novelty", and the absence of distinctive features in the analogues indicates the fulfillment of the criterion of "inventive step". Preliminary tests suggest the possibility of wide industrial use.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - пример выполнения многовходового переключающего логического элемента. In FIG. 1 presents a schematic electrical diagram of the proposed Converter; in FIG. 2 is an example of a multi-input switching logic element.

Преобразователь содержит шины 1, 2 входного высоковольтного напряжения, к которым подключены одни выводы конденсаторов 3, 4, образующих плечи первой стойки моста. The converter contains buses 1, 2 of the input high-voltage voltage, to which one leads of the capacitors 3, 4 are connected, which form the shoulders of the first rack of the bridge.

Другие выводы конденсаторов 3, 4 через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора 5 и конденсатора 6, подключены к первому выводу первичной обмотки 7 силового трансформатора 8, вторичные обмотки 9-1...9-k которого через выпрямители 10-1...10-k и соответствующие фильтры 11-1...11-k подключены к шинам 12-1...12-k, 13-1... 13-k выходного напряжения. Other outputs of capacitors 3, 4 through the diagonal of the bridge, formed by an oscillatory circuit from series-connected reactor 5 and capacitor 6, are connected to the first output of the primary winding 7 of the power transformer 8, the secondary windings 9-1 ... 9-k of which through rectifiers 10-1 ... 10-k and the corresponding filters 11-1 ... 11-k are connected to the buses 12-1 ... 12-k, 13-1 ... 13-k of the output voltage.

Первый вывод первичной обмотки 7 силового трансформатора 8 подключен к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, выполненным в виде последовательно соединенных тиристорных ячеек 14-1...14-N и 15-1...15-N, управляющие входы которых соединены с выходом соответствующего блока 16 или 17 формирования сигналов управления, вход каждого из которых подключен к соответствующему парафазному выходу 18 или 19 многовходового переключающего логического элемента 20. Входы последнего соединены с выходами генератора 21 задающей частоты и логического элемента 22 объединения, который может быть выполнен в виде мультиплексора или логического элемента И. The first output of the primary winding 7 of the power transformer 8 is connected to the joint terminals of the shoulders of the second pillar of the bridge, each of which is formed by a semiconductor key element made in the form of series-connected thyristor cells 14-1 ... 14-N and 15-1 ... 15- N, the control inputs of which are connected to the output of the corresponding control signal generating unit 16 or 17, the input of each of which is connected to the corresponding paraphase output 18 or 19 of the multi-input switching logic element 20. The inputs of the latter are connected from the generator 21 outputs a driving frequency and logical combining element 22, which can be configured as a multiplexer or logic element I.

Второй вывод первичной обмотки 7 силового трансформатора 8 подключен к объединенным выводам конденсаторов 3,4 первой стойки моста. The second terminal of the primary winding 7 of the power transformer 8 is connected to the combined terminals of the capacitors 3.4 of the first rack of the bridge.

Кроме того, преобразователь содержит два дополнительных реактора 23, 24, две последовательных RC-цепи, первая из которых на резисторе 25 и конденсаторе 26, вторая на резисторе 27 и конденсаторе 28, а также два прямовключенных диода 29 и 30, соединенных с выводами резистора 25 и 27 соответственно. In addition, the converter contains two additional reactors 23, 24, two serial RC circuits, the first of which is on the resistor 25 and capacitor 26, the second on the resistor 27 and capacitor 28, as well as two directly connected diodes 29 and 30 connected to the terminals of the resistor 25 and 27, respectively.

Каждая тиристорная ячейка содержит последовательную RC-цепт на резисторе 31 и конденсаторе 32, подключенную параллельно силовому тиристору 33, обратно включенному диоду 34 и последовательно соединенному балластному резистору 35 с оптопарой 36, выход которой является логическим выходом тиристорной ячейки. Each thyristor cell contains a serial RC circuit on a resistor 31 and a capacitor 32, connected in parallel with a power thyristor 33, a back-connected diode 34, and a series-connected ballast resistor 35 with an optocoupler 36, the output of which is the logic output of the thyristor cell.

Резистор 31 последовательной RC-цепи зашунтирован прямовключенным диодом 37. Многовходовый переключающий элемент 20 (фиг. 2) может быть выполнен в виде последовательно соединенных элемента И 38 и триггера 39. Блоки 16 и 17 выполнены в виде стандартных формирователей одиночных импульсов. The resistor 31 of the serial RC circuit is shunted by a direct-connected diode 37. The multi-input switching element 20 (Fig. 2) can be made in the form of series-connected And 38 element and trigger 39. Blocks 16 and 17 are made in the form of standard single pulse shapers.

Преобразователь работает следующим образом. The converter operates as follows.

При наличии входного напряжения и закрытого состояния всех тиристоров 33, диодов 34, ячеек 14-1...14-N и 15-1...15-N на фотодиодах оптопар 36 формируются сигналы, под действием которых логический элемент 22 объединения вырабатывает первый сигнал разрешения для многовходового переключающего логического элемента 20. При этом генератор 21 постоянно с требуемой частотой вырабатывает второй сигнал разрешения для логического элемента 20. In the presence of an input voltage and a closed state of all thyristors 33, diodes 34, cells 14-1 ... 14-N and 15-1 ... 15-N, signals are generated on the photodiodes of the optocouplers 36, under the action of which the combination logic element 22 generates the first a permission signal for the multi-input switching logic element 20. In this case, the generator 21 constantly with the required frequency generates a second resolution signal for the logic element 20.

При совпадении двух разрешающих сигналов логический элемент 20 поочередно на выходах 18 или 19 вырабатывает сигналы, по фронту либо по срезу которых блоки 16 и 17 поочередно формируют сигналы управления на открытие тиристоров 33 силовых ячеек 14-1...14-N и 15-1...15-N соответственно. If two enable signals coincide, the logic element 20 alternately generates signals at the outputs 18 or 19, along the edge or at the slice of which the blocks 16 and 17 alternately generate control signals for opening the thyristors 33 of the power cells 14-1 ... 14-N and 15-1 ... 15-N, respectively.

Входное постоянное напряжение при поочередном открывании тиристоров 33 силовых ячеек 14-1...14-N верхнего плеча и тиристоров 33 силовых ячеек 15-1. . . 15-N нижнего плеча преобразуются на ректоре 5 и конденсаторе 6 колебательного контура в однофазное переменное напряжение и подается на первичную обмотку 7 силового трансформатора 8. The input DC voltage during the alternate opening of the thyristors 33 power cells 14-1 ... 14-N of the upper arm and the thyristors 33 power cells 15-1. . . The 15-N lower arm is converted at the reactor 5 and the capacitor 6 of the oscillatory circuit into a single-phase alternating voltage and is fed to the primary winding 7 of the power transformer 8.

Поступающее на первичную обмотку 7 переменное напряжение одного уровня преобразуется во вторичных обмотках 9-1...9-k в требуемые напряжения других уровней, которые после выпрямителей 10-1. ..10-k и сглаживающих фильтров 11-1...11-k образуют на положительных выходных клеммах 12-1...12-k и отрицательных выходных клеммах 13-1...13-k требуемые выходные напряжения преобразователя. The alternating voltage of one level supplied to the primary winding 7 is converted in the secondary windings 9-1 ... 9-k into the required voltages of other levels, which are after rectifiers 10-1. ..10-k and smoothing filters 11-1 ... 11-k form the required output voltage of the converter on the positive output terminals 12-1 ... 12-k and negative output terminals 13-1 ... 13-k.

Дополнительные реакторы 23, 24, две последовательных RC-цепи на резисторах 25, 27 и конденсаторах 26, 28, а также прямовключенные диоды 29 30 образуют коллективные защитные цепи. Additional reactors 23, 24, two serial RC circuits on resistors 25, 27 and capacitors 26, 28, as well as directly connected diodes 29 30 form collective protective circuits.

При этом реакторы 23, 24 ограничивают максимальную скорость нарастания напряжения на силовых тиристорах 33 при обратном восстановлении соответствующих им силовых обратно включенных диодов 34 и при отпирании тиристоров 33 противоположного плеча, а также в соответствии с величиной индуктивности уменьшают коммутационные токи и одновременно увеличивают время рассматриваемых коммутационных процессов. При этом при обратном восстановлении силовых обратно включенных диодов 34 реакторы 23, 24 незначительно влияют на коммутационные процессы, так как в этом случае с ними последовательно функционирует контурный реактор 5. При отпирании силовых тиристоров противоположного плеча роль реакторов 23 и 24 возрастает, так как величина их индуктивности а данном случае становится доминирующей. At the same time, the reactors 23, 24 limit the maximum voltage rise rate on the power thyristors 33 when the corresponding back power diodes 34 corresponding to them are reversed and when the thyristors 33 of the opposite arm are unlocked, as well as in accordance with the inductance, reduce the switching currents and at the same time increase the time of the considered switching processes . In this case, during the reverse recovery of power back-on diodes 34, the reactors 23, 24 slightly affect the switching processes, since in this case the loop reactor 5 operates sequentially with them. When the thyristors of the opposite arm are unlocked, the role of the reactors 23 and 24 increases, since their value inductance in this case becomes dominant.

Кроме того, реакторы 23 и 24 ограничивают величину и скорость нарастания ударного тока при опрокидывании инвертора напряжения. In addition, the reactors 23 and 24 limit the magnitude and rate of rise of the shock current during the overturning of the voltage inverter.

Следует отметить, что величина ударного тока при опрокидывании инвертора обычно на порядок превышает величину рабочего максимального тока защитных реакторов 23 и 24. В связи с этим целесообразным представляется применение защитных реакторов 23 и 24 без магнитопроводов, в которых нет необходимости учитывать процессы насыщения стали при ударных аварийных токах и вследствие этого иметь переизбыток стали и соответствующей массы. It should be noted that the magnitude of the shock current during overturning of the inverter is usually an order of magnitude higher than the working maximum current of the protective reactors 23 and 24. In this regard, it seems advisable to use protective reactors 23 and 24 without magnetic cores, in which there is no need to take into account the processes of steel saturation during shock emergency currents and as a result have an excess of steel and the corresponding mass.

Конденсаторы 26 и 28 за счет накопления электрической энергии при коммутационных процессах ограничивают максимальное значение скорости нарастания напряжения на закрытых ячейках. Последовательно соединенные с ними диоды 29 и 30 обеспечивают минимальную разницу между значениями скорости нарастания напряжения на закрытых ячейках и конденсаторах 26 и 28. При этом резисторы 25 и 27 обеспечивают допустимые величины разрядного тока конденсаторов 26 и 28 RC-цепей. Capacitors 26 and 28 due to the accumulation of electrical energy during switching processes limit the maximum value of the voltage rise rate in closed cells. The diodes 29 and 30 connected in series with them provide the minimum difference between the values of the voltage rise rate at the closed cells and capacitors 26 and 28. In this case, the resistors 25 and 27 provide the permissible discharge currents of the capacitors 26 and 28 of the RC circuits.

Аналогичные функции выполняют индивидуальные защитные цепочки: на резисторе 31, конденсаторе 32 и прямовключенном диоде 37 каждой тиристорной ячейки 14-i и 15-i преобразователя только применительно к соответствующему им силовому тиристору 33. Individual functions are performed by individual protective circuits: on the resistor 31, capacitor 32, and diode 37 of each thyristor cell 14-i and 15-i of the converter only in relation to the corresponding power thyristor 33.

Причем при несанкционированном отпирании или запирании силовых тиристоров 33 в соответствующих оптопарах 36 не формируется сигнал, под действием чего логический элемент 22 объединения не вырабатывает первый сигнал разрешения для многовходного переключающего логического элемента 20. Благодаря этому прекращается подача управляющих сигналов на открытие тиристоров 33 силовых ячеек 14-1. ..14-N и 15-1...15-N и аварийная ситуация естественным образом прекращается. Moreover, with unauthorized unlocking or locking of the power thyristors 33 in the corresponding optocouplers 36, a signal is not generated, under which the combining logic element 22 does not generate the first enable signal for the multi-input switching logic element 20. Due to this, the control signals for opening the thyristors 33 of the power cells 14- are stopped one. ..14-N and 15-1 ... 15-N and the emergency naturally terminates.

Таким образом, введение вышеописанных элементов и их комплексное использование с другими элементами и блоками устройства позволяют решить поставленную задачу: обеспечение надежной работы устройства при высоковольтном входном напряжении. Thus, the introduction of the above elements and their combined use with other elements and units of the device allows us to solve the problem: ensuring reliable operation of the device at high voltage input voltage.

Claims

1. A DC voltage converter comprising a bridge, the shoulders of the first rack of which are formed by capacitors, some of the terminals of which are connected to the corresponding input voltage buses, other outputs through the bridge diagonal formed by an oscillating circuit from a series-connected reactor and capacitor, are connected to the first terminal of the primary winding of the power transformer and to the combined leads of the shoulders of the second pillar of the bridge, each of which is formed by a semiconductor key element, the control input of which connected to the output of the corresponding control signal generation unit, the secondary winding of the power transformer connected via a rectifier and a filter to the output voltage buses, and a reference frequency generator, characterized in that a combination logic element is introduced, switching a logic element, two additional reactors, two serial RC- circuit and two additional diodes, and each semiconductor key element is made in the form of series-connected thyristor cells, the control inputs of which are are single with the control input of the semiconductor key element, and the second terminal of the primary winding of the power transformer is connected to the combined terminals of the capacitors of the first rack of the bridge, the second rack of which is shunted by the corresponding serial RC circuit, the resistor of each of which is connected to the terminals of the direct-connected additional diode, and each additional reactor is turned on between the unipolar corresponding outputs of the bridge racks, the logical output of each of the thyristor cells through a logic element The combination is connected to the first input of the switching logic element, the second input of which is connected to the output of the driving frequency generator, and the paraphase outputs of the switching logic element are connected to the inputs of the corresponding control signal generating units, while the signals from the logic outputs of each thyristor cell switch the switching logic element by a signal from the master oscillator in the presence of an input voltage and a closed state of all semiconductor key elements s.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that each thyristor cell contains a serial RC circuit connected in parallel with the thyristor, a back-connected diode and a series-connected ballast resistor with an optocoupler, the output of which is a logical output of the thyristor cell, while the resistor is a serial RC- the circuit is shunted by a direct-connected diode, and the thyristor control electrode is the control input of the thyristor cell.