RU2400916C1 - Design of inverter with forced switching - Google Patents
Design of inverter with forced switching Download PDFInfo
- Publication number
- RU2400916C1 RU2400916C1 RU2009132468/09A RU2009132468A RU2400916C1 RU 2400916 C1 RU2400916 C1 RU 2400916C1 RU 2009132468/09 A RU2009132468/09 A RU 2009132468/09A RU 2009132468 A RU2009132468 A RU 2009132468A RU 2400916 C1 RU2400916 C1 RU 2400916C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- sat
- voltage
- saturation
- saturable
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к устройству инвертора с принудительной коммутацией, в частности к устройству инвертора с принудительной коммутацией для источника напряжения большой мощности, которое содержит устройства запираемого вентиля, такие как, например, вентили, коммутируемые по управляющему электроду (GCTs), транзисторы с изолированным затвором и увеличенной инжекцией (IEGTs) или биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBTs), обратные диоды и схему фиксации уровня.The present invention relates to a forced-switching inverter device, in particular to a forced-switching inverter device for a high power voltage source, which comprises lockable valve devices, such as, for example, gate-switched valves (GCTs), insulated gate transistors, and Extended Injection (IEGTs) or Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), Reverse Diodes, and Level Lock Circuit.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION
Каждое из устройств инвертора с принудительной коммутацией для источника напряжения большой мощности содержит устройства запираемого вентиля, обратные диоды, схему фиксации уровня и блок аккумулирования постоянного тока, например батарею конденсаторов. В зависимости от области применения применяют различные разновидности конфигурации принципиальной схемы, например конфигурацию прерывателя, двухуровневую конфигурацию, трехуровневую конфигурацию и многоуровневую конфигурацию.Each of the forced-switching inverter devices for a high-power voltage source contains lockable gate devices, reverse diodes, a level locking circuit, and a direct current storage unit, such as a capacitor bank. Depending on the application, various types of circuit configuration are used, for example, a chopper configuration, a two-level configuration, a three-level configuration, and a multi-level configuration.
В открытом состоянии каждый из используемых на практике высоковольтных обратных диодов, имеющих запирающую способность, например 4,5 кВ или 6 кВ, накапливает существенное количество носителей заряда. Затем эти носители заряда должны быть извлечены обратным током до того, как будет получено закрытое состояние.In the open state, each of the high-voltage reverse diodes used in practice, having a blocking capacity of, for example, 4.5 kV or 6 kV, accumulates a significant amount of charge carriers. Then, these charge carriers must be removed by reverse current before a closed state is obtained.
Вследствие наличия такого обратного тока восстановления эти диоды будут иметь относительно низкое полное сопротивление в течение короткого отрезка времени после инициирования условия реверсирования. Следовательно, во избежание появления любого избыточного тока необходимо применять какое-либо управление током. По существу, были предложены следующие два типа управления обратным током восстановления с помощью пассивных элементов:Due to the presence of such a reverse recovery current, these diodes will have a relatively low impedance for a short time after initiating the reversal condition. Therefore, in order to avoid the occurrence of any excess current, it is necessary to apply some kind of current control. Essentially, the following two types of reverse recovery current control using passive elements have been proposed:
(a) управление током с помощью линейных анодных электрических реакторов и(a) current control using linear anode electric reactors and
(b) управление током с помощью насыщаемых сердечников.(b) current control with saturable cores.
Ниже приведено описание управления током обратного восстановления линейного анодного электрического реактора известного уровня техники, который раскрыт в приведенных ниже патентных документах:The following is a description of the control current reverse recovery linear anode electric reactor of the prior art, which is disclosed in the following patent documents:
(a) в выложенной публикации Европейского патента № EP-0776083-A2 (которую ниже именуют первым патентным документом);(a) in European Patent Laid-Open Publication No. EP-0776083-A2 (which is hereinafter referred to as the first patent document);
(b) в патенте США № 5768114, который относится к семейству первого патентного документа; и(b) in US patent No. 5768114, which relates to the family of the first patent document; and
(c) в патенте Японии № JP-3749580-B2, который относится к другому семейству первого патентного документа.(c) in Japanese Patent No. JP-3749580-B2, which relates to another family of the first patent document.
В первом патентном документе раскрыто бездемпферное управление обратного восстановления линейным анодным электрическим реактором и раскрыта схема прерывателя для источника напряжения большой мощности с принудительной коммутацией, в которой используют линейный анодный электрический реактор, из известного уровня техники. Схема прерывателя содержит конденсатор связи по постоянному току, питание которого обеспечено через входные линии, плечо переключателя, содержащее устройство запираемого вентиля, и обратный диод, анодный электрический реактор и схему фиксации уровня, содержащую фиксирующий диод.In the first patent document, a damper-free reverse recovery control by a linear anode electric reactor is disclosed, and a circuit breaker circuit for a forced-switching high-power voltage source using a linear anode electric reactor of the prior art is disclosed. The chopper circuit includes a DC coupling capacitor, which is supplied via input lines, a switch arm containing a lockable gate device, and a return diode, an anode electric reactor, and a level locking circuit containing a fixing diode.
В экспериментальном примере схемы прерывателя после уменьшения тока, текущего через обратный диод, до нуля обратный диод затем обеспечивает обратное восстановление, а именно носители заряда в обратном диоде по-прежнему сохраняют высокую проводимость, в то время как направление анодного тока изменяется на противоположное. Вследствие этого напряжение на обратном диоде остается близким к нулю в течение некоторого отрезка времени. После этого напряжение на обратном диоде может снизиться, приближаясь к значению напряжения связи по постоянному току. А именно вследствие индуктивности анодного электрического реактора анодный ток, текущий в обратном диоде, продолжает увеличиваться, и затем этот же самый ток может быть переключен в схему фиксации уровня. В этом случае напряжение на обратном диоде остается близким к значению напряжения на конденсаторе связи по постоянному току, и анодный ток, протекающий через обратный диод, может быть уменьшен.In the experimental example of the chopper circuit, after the current flowing through the reverse diode to zero, the reverse diode then provides reverse recovery, namely, the charge carriers in the reverse diode still maintain high conductivity, while the direction of the anode current is reversed. As a result, the voltage at the reverse diode remains close to zero for a certain period of time. After that, the voltage at the reverse diode may decrease, approaching the value of the DC coupling voltage. Namely, due to the inductance of the anode electric reactor, the anode current flowing in the reverse diode continues to increase, and then the same current can be switched into a level fixing circuit. In this case, the voltage at the reverse diode remains close to the DC voltage across the coupling capacitor, and the anode current flowing through the reverse diode can be reduced.
В типичных характеристиках зависимости анодного напряжения от анодного тока для использованного выше обратного диода для каждого протекающего через него прямого тока обратное напряжение приближается к наибольшему значению тогда, когда анодный ток также приближается к наибольшему значению. В таком случае в диоде создается высокая кажущаяся мощность обратного восстановления при повышенном анодном напряжении, вызывающая, следовательно, высокий уровень вредного воздействия обратного восстановления. Кроме того, такая кажущаяся мощность обратного восстановления лишь незначительно уменьшается при уменьшении прямого тока. При использовании типичного диода уменьшение прямого тока с 6000 А до 100 A, то есть в 60 раз, может уменьшить величину кажущейся мощности обратного восстановления всего лишь в 2 раза. Вследствие этого обратный диод при таком условии будет наиболее предрасположен к выходу из строя при обратном восстановлении из-за малого уровня прямого тока.In typical characteristics of the dependence of the anode voltage on the anode current for the reverse diode used above, for each forward current flowing through it, the reverse voltage approaches the highest value when the anode current also approaches the highest value. In this case, a high apparent power of reverse recovery is created in the diode with an increased anode voltage, causing, therefore, a high level of harmful effects of reverse recovery. In addition, this apparent reverse recovery power only decreases slightly with decreasing forward current. When using a typical diode, reducing the forward current from 6000 A to 100 A, that is, 60 times, can reduce the apparent reverse recovery power by only 2 times. As a result, the reverse diode under this condition will be most prone to failure during reverse recovery due to the low level of forward current.
Следующим по порядку, ниже приведено описание управления обратным током восстановления с помощью насыщаемого сердечника, который раскрыт в следующих патентных документах:Next in order, the following describes the control of the reverse recovery current using a saturable core, which is disclosed in the following patent documents:
(a) в патенте Японии № JP-3745561-B2 (который ниже именуют вторым патентным документом) и(a) in Japanese Patent No. JP-3745561-B2 (which is hereinafter referred to as the second patent document) and
(b) в патенте США № 6392907, который относится к семейству второго патентного документа.(b) in US patent No. 6392907, which relates to the family of the second patent document.
Во втором патентном документе раскрыт инвертор с принудительной коммутацией, в котором используют управление обратным восстановлением с помощью насыщаемых сердечников. В инверторе один или два насыщаемых сердечника обрезают ток, втекающий, по меньшей мере, в один из двух конденсаторов связи по постоянному току. Во время обратного восстановления обратного диода обратный ток восстановления устанавливается исключительно фиксирующей цепью, содержащей фиксирующий конденсатор, фиксирующий диод и фиксирующие резисторы.A second patent document discloses a forced-commutated inverter that utilizes saturable core reverse recovery control. In the inverter, one or two saturable cores cut off the current flowing into at least one of the two DC coupling capacitors. During reverse recovery of the reverse diode, the reverse recovery current is set exclusively by the fixing circuit, which contains a clamp capacitor, a clamp diode, and clamp resistors.
Для данной области применения обычно выбирают насыщаемые сердечники с малыми потерями. В магнитном потоке B с напряженностью H характеристики электрического поля насыщаемого сердечника насыщаемый сердечник действует на малое магнитное поле, а переключение вызывают между двумя крайними состояниями насыщения, соответствующими максимальному магнитному потоку Bmax и минимальному магнитному потоку Bmin. Это приводит к генерации с малыми потерями. Таким образом, предотвращено накопление большого количества энергии в анодном электрическом реакторе.For this application, low loss saturable cores are usually chosen. In magnetic flux B with intensity H of the electric field characteristic of the saturated core, the saturated core acts on a small magnetic field, and switching is caused between two extreme saturation states corresponding to the maximum magnetic flux B max and the minimum magnetic flux B min . This results in low loss generation. Thus, the accumulation of a large amount of energy in the anode electric reactor is prevented.
Однако при внедрении таких насыщаемых сердечников, в частности трехфазного трехуровневого инвертора из известного уровня техники, содержащего насыщаемые сердечники, возникла другая сопутствующая проблема. Когда напряжение конденсатора связи по постоянному току заряжается током из другой фазы, то насыщаемые сердечники трехуровневого инвертора принимают электрический ток на основе токов смещения, текущих в фиксирующих конденсаторах, а затем эти насыщаемые сердечники переключают в соответствующее состояние насыщения. Таким образом, насыщаемые сердечники могут быть установлены в состояние, непосредственно противоположное тому состоянию, которое необходимо для защиты обратного диода при обратном восстановлении. В таком случае обратный ток восстановления, текущий в обратном диоде, увеличится при высоком значении dI/dt, что вероятнее всего вызовет выход из строя обратного диода.However, when introducing such saturable cores, in particular a three-phase three-level inverter of the prior art containing saturable cores, another related problem arose. When the voltage of the DC coupling capacitor is charged with current from a different phase, the saturable cores of the three-level inverter receive an electric current based on the bias currents flowing in the fixing capacitors, and then these saturable cores are switched to the corresponding saturation state. Thus, saturable cores can be set in a state directly opposite to that which is necessary to protect the reverse diode during reverse recovery. In this case, the reverse recovery current flowing in the reverse diode will increase at a high value of dI / dt, which is most likely to cause the failure of the reverse diode.
В схеме инвертора большой мощности, в которой используют линейные анодные электрические реакторы, возникает проблема использования большой индуктивности для удовлетворения требованиям типичных высоковольтных обратных диодов. Во время каждого цикла переключения в таких электрических реакторах накапливается и высвобождается значительное количество энергии, которая создает существенный вклад в суммарные потери инвертора. Вдобавок к этому, схема инвертора большой мощности, в которой используют линейные анодные электрические реакторы, дает чисто индуктивную нагрузку на высоковольтные обратные диоды. Такая чисто индуктивная нагрузка оказывает самое большое вредное воздействие на эти обратные диоды. В этом случае ситуации наличия наиболее серьезного вредного воздействия наблюдают при малом токе нагрузки, что, следовательно, препятствует потребности в использовании нежелательно высоких значений индуктивности.In a high power inverter circuit using linear anode electric reactors, the problem arises of using high inductance to meet the requirements of typical high voltage reverse diodes. During each switching cycle, a significant amount of energy is accumulated and released in such electric reactors, which makes a significant contribution to the total losses of the inverter. In addition, a high power inverter circuit using linear anode electric reactors provides a purely inductive load on the high voltage reverse diodes. Such a purely inductive load has the greatest harmful effect on these reverse diodes. In this case, situations of the presence of the most serious harmful effects are observed at a low load current, which, therefore, impedes the need for using undesirably high inductance values.
Инверторы большой мощности из известного уровня техники, в каждом из которых используют насыщаемые сердечники, содержат сердечники с двумя четко определенными состояниями насыщения. Вследствие этого, в преобразователях большой мощности, в которых используют устройства с быстрым включением, такие как, например, вентили, коммутируемые по управляющему электроду (GCT), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или транзисторы с изолированным затвором и увеличенной инжекцией (IEGT), имеется риск перегрузки при обратном восстановлении из-за ошибочной установки состояния насыщения сердечника.High power inverters of the prior art, each using saturable cores, contain cores with two well-defined saturation states. As a result, high power converters that use quick-turn-on devices, such as, for example, gate-switched valves (GCTs), IGBTs or IGBTs (IEGTs) There is a risk of overload during reverse recovery due to the erroneous setting of the core saturation state.
Основной задачей настоящего изобретения является создание устройства инвертора с принудительной коммутацией, которое при реальном применении способно выполнять четко определенные операции почти в любых условиях с надежным управлением обратным током восстановления диода.The main objective of the present invention is to provide an inverter device with forced switching, which, in actual use, is capable of performing well-defined operations in almost any environment with reliable control of the reverse current of the diode recovery.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Согласно настоящему изобретению в нем предложено устройство инвертора большой мощности с принудительной коммутацией, имеющего максимальный номинальной выходной ток IRout, включающего в себя, по меньшей мере, один конденсатор связи по постоянному току, по меньшей мере, одну анодную индуктивность рассеяния, по меньшей мере, одно плечо переключателя, по меньшей мере, одну схему фиксации уровня и, по меньшей мере, один блок с насыщаемым сердечником. Конденсатор связи по постоянному току имеет пульсацию напряжения, характеризующуюся максимальным значением dVm абсолютной величины скорости нарастания dVDC/dt, которое удовлетворяет соотношению -dVm≤dVDC/dt≤dVm, а анодная индуктивность рассеяния соединена последовательно с конденсатором связи по постоянному току. Плечо переключателя содержит схему последовательного соединения, по меньшей мере, одного устройства запираемого вентиля и, по меньшей мере, одного обратного диода, а схема фиксации уровня содержит, по меньшей мере, один фиксирующий конденсатор, по меньшей мере, один фиксирующий диод и, по меньшей мере, одну схему сброса напряжения уровня фиксации, которая содержит, по меньшей мере, один резистор.According to the present invention, there is provided a high-power forced-switching inverter device having a maximum nominal output current I Rout , including at least one DC coupling capacitor, at least one anode dissipation inductance, at least one shoulder of the switch, at least one level locking circuit, and at least one block with a saturable core. The DC coupling capacitor has a ripple voltage characterized by a maximum value dV m of the absolute value of the slew rate dV DC / dt, which satisfies the relation -dV m ≤ dV DC / dt≤dV m , and the anode dissipation inductance is connected in series with the coupling coupling DC coupling . The switch arm comprises a series connection of at least one lockable valve device and at least one return diode, and the level locking circuit comprises at least one fixing capacitor, at least one fixing diode, and at least at least one voltage level latching circuit, which contains at least one resistor.
Устройство инвертора большой мощности с принудительной коммутацией отличается тем, что блок с насыщаемым сердечником имеет одну из линейной характеристики насыщения и плавной характеристики насыщения, каждая из которых имеет ток насыщения, равный Isat, и ток насыщения Isat установлен таким образом, что он является большим, чем ток смещения, созданный вследствие скорости нарастания dVm, при емкости C31, по меньшей мере, одного фиксирующего конденсатора, чтобы удовлетворялось соотношение из приведенного ниже уравнения:A forced-switching high-power inverter device is characterized in that the saturable core unit has one of the linear saturation characteristics and smooth saturation characteristics, each of which has a saturation current equal to I sat , and the saturation current I sat is set so that it is large than the bias current created due to the slew rate dV m , with a capacitance C 31 of at least one fixing capacitor, so that the relation from the equation below is satisfied:
IRout>Isat>C31×dVm I Rout > I sat > C 31 × dV m
Поскольку в вышеупомянутом устройстве инвертора большой мощности с принудительной коммутацией блок с насыщаемым сердечником используется в устройстве инвертора с принудительной коммутацией, которое имеет встроенное четко определенное исходное состояние и принудительное воздействие, то при реальном применении может быть реализовано четко определенное функционирование почти в любых условиях. Вследствие этого может быть реализовано надежное управление обратным током восстановления диода. Since in the aforementioned high-power forced-switching inverter device, a saturable core unit is used in a forced-switching inverter device that has a built-in clearly defined initial state and forced action, well-defined operation can be realized under actual use in almost any conditions. As a result, reliable control of the reverse recovery current of the diode can be realized.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
На чертеже Фиг. 1A изображена принципиальная электрическая схема, показывающая конфигурацию схемы прерывателя большой мощности с принудительной коммутацией согласно первому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.In the drawing of FIG. 1A is a circuit diagram showing a configuration of a circuit of a large power circuit breaker with a forced switching according to a first preferred embodiment of the present invention.
На чертеже Фиг. 1B изображена принципиальная электрическая схема, показывающая конфигурацию двухуровневого инвертора большой мощности с принудительной коммутацией согласно первому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.In the drawing of FIG. 1B is a circuit diagram showing a configuration of a two-level, high power, forced-switching inverter according to a first preferred embodiment of the present invention.
На чертеже Фиг. 1C изображена принципиальная электрическая схема, показывающая конфигурацию трехуровневого инвертора большой мощности с принудительной коммутацией согласно первому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.In the drawing of FIG. 1C is a circuit diagram showing a configuration of a three-level, high power, forced-commutated inverter according to a first preferred embodiment of the present invention.
На чертеже Фиг. 1D изображен график, показывающий электрическую характеристику интеграла напряжения по времени ∫Vdt от тока I каждого из блоков 5a, 5b и 5c с насыщаемыми сердечниками, показанных на чертежах Фиг. 1A, Фиг. 1B и Фиг. 1C, и показывающий их ток насыщения Isat.In the drawing of FIG. 1D is a graph showing the electrical characteristic of the voltage integral over time ∫Vdt versus current I of each of
На чертеже Фиг. 2A изображен график, показывающий электрическую характеристику интеграла напряжения по времени ∫Vdt от тока I для каждого из блоков 5a, 5b и 5c с насыщаемыми сердечниками, показанных на чертежах Фиг. 1A, Фиг. 1B и Фиг. 1C, наряду с определением интеграла их напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat, согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.In the drawing of FIG. 2A is a graph showing the electrical characteristic of the voltage integral over time ∫Vdt versus current I for each of the
На чертеже Фиг. 2B изображен график, показывающий зависимость между зарядом Qrr обратного восстановления и прямым током I, текущим в типичном высоковольтном кремниевом диоде большой мощности при повышенной температуре перехода.In the drawing of FIG. 2B is a graph showing the relationship between the reverse recovery charge Q rr and the forward current I flowing in a typical high-voltage high-power silicon diode at an elevated transition temperature.
На чертеже Фиг. 2C изображена временная диаграмма сигналов, показывающая (a) напряжения V5a и V5b блоков 5a и 5b с насыщаемым напряжением, (b) нормированный магнитный поток F5a и F5b в них и (c) напряжение V22 и ток I22 диода 22, для использования в двухуровневом инверторе большой мощности из Фиг. 1B в том случае, когда выходной ток Iout=100 A.In the drawing of FIG. 2C is a waveform diagram showing (a) voltages V 5a and V 5b of
На чертеже Фиг. 2D изображена временная диаграмма сигналов, показывающая (a) напряжения V5a и V5b блоков 5a и 5b с насыщаемым напряжением, (b) нормированный магнитный поток F5a и F5b в них и (c) напряжение V22 и ток I22 диода 22, для использования в двухуровневом инверторе большой мощности из Фиг. 1B в том случае, когда выходной ток Iout=400 A.In the drawing of FIG. 2D is a timing diagram of the signals showing (a) voltages V 5a and V 5b of
На чертеже Фиг. 2E изображена временная диаграмма сигналов, показывающая (a) напряжения V5a и V5b блоков 5a и 5b с насыщаемым напряжением, (b) нормированный магнитный поток F5a и F5b в них и (c) напряжение V22 и ток I22 диода 22, для использования в двухуровневом инверторе большой мощности из Фиг. 1B в том случае, когда выходной ток Iout=1000 A.In the drawing of FIG. 2E is a waveform diagram showing (a) voltages V 5a and V 5b of
На чертеже Фиг. 2F изображена временная диаграмма сигналов, показывающая (a) напряжения V5a и V5b блоков 5a и 5b с насыщаемым напряжением, (b) нормированный магнитный поток F5a и F5b в них и (c) напряжение V22 и ток I22 диода 22, для использования в двухуровневом инверторе большой мощности из Фиг. 1B в том случае, когда выходной ток Iout=3000 A.In the drawing of FIG. 2F is a waveform diagram showing (a) voltages V 5a and V 5b of
На чертеже Фиг. 2G изображена временная диаграмма сигналов, показывающая (a) напряжения V5a и V5b блоков 5a и 5b с насыщаемым напряжением, (b) нормированный магнитный поток F5a и F5b в них и (c) напряжение V22 и ток I22 диода 22, для использования в двухуровневом инверторе большой мощности из Фиг. 1B в том случае, когда выходной ток Iout=6000 A.In the drawing of FIG. 2G is a waveform diagram showing (a) voltages V 5a and V 5b of
На чертеже Фиг. 2H изображен график, показывающий расчетную зависимость анодного напряжения от анодного тока диода 22 для каждого выключения, где параметром является выходной ток Iout.In the drawing of FIG. 2H is a graph showing the calculated dependence of the anode voltage on the anode current of the
На чертеже Фиг. 2I изображен график, показывающий расчетную зависимость мощности обратного восстановления от анодного напряжения на диоде 22, где параметром является выходной ток Iout.In the drawing of FIG. 2I is a graph showing a calculated dependence of reverse recovery power on the anode voltage of
На чертеже Фиг. 2J изображен график, показывающий расчетную зависимость мощности обратного восстановления, вызывающей вредное воздействие, от выходного тока Iout диода 22 для различных конфигураций схемы и соответствующих установочных параметров интеграла напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat.In the drawing of FIG. 2J is a graph showing the calculated dependence of the reverse recovery power causing the harmful effect on the output current I out of diode 22 for various circuit configurations and the corresponding settings of the voltage integral over time at saturation ∫Vdt sat .
На чертеже Фиг. 3A изображена блок-схема, показывающая блок 5a с насыщаемым сердечником согласно третьему предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.In the drawing of FIG. 3A is a block diagram showing a
На чертеже Фиг. 3B на виде в перспективе показан внешний вид блока 5a с насыщаемым сердечником из Фиг. 3A.In the drawing of FIG. 3B is a perspective view showing the appearance of the
На чертеже Фиг. 4 изображена принципиальная электрическая схема, показывающая конфигурацию инвертора большой мощности с принудительной коммутацией согласно четвертому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.In the drawing of FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a high power inverter with forced switching according to a fourth preferred embodiment of the present invention.
На чертеже Фиг. 5A изображена принципиальная электрическая схема, показывающая конфигурацию блока 5a с насыщаемым сердечником, предназначенного для использования в инверторе большой мощности с принудительной коммутацией согласно пятому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.In the drawing of FIG. 5A is a circuit diagram showing a configuration of a
На чертеже Фиг. 5B изображена первая часть временной диаграммы сигналов в несбалансированном случае, показывающая (a) ток I5a блока 5a с насыщаемым сердечником и (b) ток I71 индуктивности 71 из Фиг. 5A и нормированный магнитный поток F51 насыщаемого индуктора 51 из Фиг. 5A.In the drawing of FIG. 5B is a first portion of the signal timing diagram in the unbalanced case, showing (a) the current I 5a of the saturated
На чертеже Фиг. 5C изображена вторая часть временной диаграммы сигналов в несбалансированном случае, показывающая (a) ток I5a блока 5a с насыщаемым сердечником и (b) ток I71 индуктивности 71 из Фиг. 5A и нормированный магнитный поток F51 насыщаемого индуктора 51 из Фиг. 5A.In the drawing of FIG. 5C is a second portion of the signal timing diagram in the unbalanced case, showing (a) the current I 5a of the saturated
На чертеже Фиг. 5D изображена первая часть временной диаграммы сигналов в предпочтительном случае, показывающая (a) ток I5a блока 5a с насыщаемым сердечником и (b) ток I71 индуктивности 71 из Фиг. 5A и нормированный магнитный поток F51 насыщаемого индуктора 51 из Фиг. 5A.In the drawing of FIG. 5D is a first portion of the signal timing diagram, in the preferred case, showing (a) the current I 5a of the saturated
На чертеже Фиг. 5E изображена вторая часть временной диаграммы сигналов в предпочтительном случае, показывающая (a) ток I5a блока 5a с насыщаемым сердечником и (b) ток I71 индуктивности 71 из Фиг. 5A и нормированный магнитный поток F51 насыщаемого индуктора 51 из Фиг. 5A.In the drawing of FIG. 5E is a second portion of the signal timing diagram in the preferred case, showing (a) the current I 5a of the saturated
На чертеже Фиг. 6A изображена принципиальная электрическая схема, показывающая конфигурацию инвертора большой мощности с принудительной коммутацией согласно шестому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.In the drawing of FIG. 6A is a circuit diagram showing a configuration of a high power inverter with forced switching according to a sixth preferred embodiment of the present invention.
На чертеже Фиг. 6B изображена временная диаграмма сигналов, показывающая напряжение V5a блока 5a с насыщаемым сердечником из Фиг. 6A, а также напряжение V22 и ток I22 диода 22 обратного тока из Фиг. 6A, когда схема 3 фиксации уровня содержит фиксирующий резистор 331 с типичной индуктивностью 331a рассеяния фиксирующего резистора, равной 1,5 мкГн (микрогенри).In the drawing of FIG. 6B is a waveform diagram showing the voltage V 5a of the saturated
На чертеже Фиг. 6C изображена временная диаграмма сигналов, показывающая напряжение V5a блока 5a с насыщаемым сердечником из Фиг. 6A, а также напряжение V22 и ток I22 диода 22 обратного тока из Фиг. 6A, когда непосредственно в самом начале происходит усиление обратного тока восстановления диода, а позже к индуктивности рассеяния фиксирующего резистора 331a добавлено демпфирование.In the drawing of FIG. 6C is a waveform diagram showing the voltage V 5a of the saturated
На чертеже Фиг. 7A изображена принципиальная электрическая схема, показывающая конфигурацию инвертора большой мощности с принудительной коммутацией согласно седьмому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.In the drawing of FIG. 7A is a circuit diagram showing a configuration of a high power, high power inverter according to a seventh preferred embodiment of the present invention.
На чертеже Фиг. 7B изображена временная диаграмма сигналов в случае без какого-либо сердечника 336, вызывающего задержку, показывающая напряжение V5a блока 5a с насыщаемым сердечником, напряжение V5b блока 5b с насыщаемым сердечником, напряжение V22 и ток I22 диода 22 обратного тока, и ток I33 схемы 33 сброса напряжения уровня фиксации.In the drawing of FIG. 7B is a timing diagram of signals in the case without any
На чертеже Фиг. 7C изображена временная диаграмма сигналов в случае с наличием сердечника 336, вызывающего задержку, показывающая напряжение V5a блока 5a с насыщаемым сердечником, напряжение V5b блока 5b с насыщаемым сердечником, напряжение V22 и ток I22 диода 22 обратного тока, и ток I33 схемы 33 сброса напряжения уровня фиксации.In the drawing of FIG. 7C is a timing diagram of signals in the case of a
НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯBEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Ниже приведено описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на приложенные чертежи. Аналогичные друг другу компоненты или элементы обозначены одинаковыми номерами позиций.The following is a description of preferred embodiments of the invention with reference to the attached drawings. Similar components or elements are denoted by the same reference numbers.
ПЕРВЫЙ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯFIRST PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
На чертеже Фиг. 1A показана конфигурация схемы прерывателя большой мощности с принудительной коммутацией согласно первому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. На чертеже Фиг. 1B показана конфигурация двухуровневого инвертора большой мощности с принудительной коммутацией согласно первому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. На чертеже Фиг. 1C показана конфигурация трехуровневого инвертора большой мощности с принудительной коммутацией согласно первому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, а на чертеже Фиг. 1D показана электрическая характеристика интеграла напряжения по времени ∫Vdt от тока I для каждого из блоков 5a, 5b и 5c с насыщаемыми сердечниками, показанных на Фиг. 1A, Фиг. 1B и Фиг. 1C, и показан их ток насыщения Isat.In the drawing of FIG. 1A shows a configuration of a circuit of a large power circuit breaker according to a first preferred embodiment of the present invention. In the drawing of FIG. 1B shows a configuration of a two-level, high power, forced switching inverter according to a first preferred embodiment of the present invention. In the drawing of FIG. 1C shows a configuration of a three-level, high power, forced-switching inverter according to a first preferred embodiment of the present invention, and FIG. 1D shows the electrical characteristic of the voltage integral over time ∫Vdt versus current I for each of the
СХЕМА ПРЕРЫВАТЕЛЯCIRCUIT DIAGRAM
Со ссылкой на Фиг. 1A, схема прерывателя согласно данному предпочтительному варианту осуществления изобретения имеет входные клеммы T1 и T2 и выходную клемму T11. Схема прерывателя содержит конденсатор 11 связи по постоянному току, плечо 2 переключателя, схему 3 фиксации уровня, анодный индуктор 41 рассеяния, блок 5a с насыщаемым сердечником и контроллер 91. Плечо 2 переключателя содержит последовательную схему устройства 21 запираемого вентиля, которым является, например, вентиль, коммутируемый по управляющему электроду (GCT), транзистор с изолированным затвором и увеличенной инжекцией (IEGT) или биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), и обратный диод 22. Схема 3 фиксации уровня содержит фиксирующий конденсатор 31, фиксирующий диод 32 и схему 33 сброса напряжения уровня фиксации, которая содержит фиксирующий резистор 331. Контроллер 91 периодически генерирует и выводит сигнал напряжения для управления затвором на вентиль устройства 21, запираемого вентиля.With reference to FIG. 1A, a chopper circuit according to this preferred embodiment of the invention has input terminals T1 and T2 and an output terminal T11. The chopper circuit includes a
В схеме прерывателя между входными клеммами T1 и T2 подключен конденсатор 11 связи по постоянному току. Входная клемма T1 соединена через анодную индуктивность 41 рассеяния с одним концом плеча 2 переключателя и с одним концом схемы 3 фиксации уровня. С другой стороны, входная клемма T2 соединена через блок 5a с насыщаемым сердечником с другим концом плеча 2 переключателя и с другим концом схемы 3 фиксации уровня.In the chopper circuit, a
В этом случае блок 5a с насыщаемым сердечником может управлять обратным током восстановления, текущим из обратного диода 22 в конденсатор 11 связи по постоянному току. Анодная индуктивность 41 рассеяния может представлять собой отдельный элемент, который предназначен для ограничения тока, текущего из конденсатора 11 связи по постоянному току через устройство 21, запираемого вентиля, обратный диод 22 и блок 5a с насыщаемым сердечником. Однако анодная индуктивность 41 рассеяния может также быть уменьшена до очень низкого значения индуктивности рассеяния шины.In this case, the saturated
Ниже приведено описание функционирования схемы прерывателя.The following is a description of the operation of the circuit breaker.
Состояние 1: Устройство 21 запираемого вентиля находится в открытом состоянии State 1:
Когда устройство 21 запираемого вентиля находится в открытом состоянии, ток нагрузки течет из входной клеммы T1, которую именуют "клеммой P (положительной клеммой)", через анодную индуктивность 41 рассеяния и устройство 21 запираемого вентиля к выходной клемме T11. В таком случае обратный диод 22 является запертым. В зависимости от заряда в фиксирующем конденсаторе 31 ток может вытекать из анодной индуктивности 41 рассеяния через фиксирующий конденсатор 31, затем через схему параллельного соединения фиксирующего диода 32 и схему 33 сброса напряжения уровня фиксации и далее через блок 5a с насыщаемым сердечником к входной клемме T2, которую именуют "клеммой N (Отрицательной клеммой)", до тех пор, пока напряжение на фиксирующем конденсаторе 31 не станет равным напряжению на конденсаторе 11 связи по постоянному току. После этого напряжение на блоке 5a с насыщаемым сердечником становится равным нулю, и протекание тока прекращается. Согласно Фиг. 1D, блок 5a с насыщаемым сердечником достигает близкое к центру положение его характеристики, показанной на Фиг. 1D, соответствующей так называемой кривой намагничивания. Таким образом, достигнут полный сброс блока 5a с насыщаемым сердечником и фиксирующего конденсатора 31 в исходное состояние.When the shut-off
Состояние 2: запирание устройства 21 запираемого вентиляState 2: locking
Когда происходит запирание устройства 21 запираемого вентиля, то на его выводах появится некоторое избыточное напряжение вследствие анодной индуктивности 41 рассеяния. Схема 3 фиксации уровня тесно связана проводным соединением со схемой, имеющей малую паразитную индуктивность, например 200 нГн (наногенри) или 400 нГн. В таком случае ток, вытекающий из устройства 21 запираемого вентиля, будет скоммутирован в схему 3 фиксации уровня, где тот же самый ток, в основном, течет в фиксирующем конденсаторе 31 и в фиксирующем диоде 32. Затем, тот же самый ток течет в обратном диоде 22 и выводится через выходную клемму T11.When the
Состояние 3: устойчивое состояние при запирании устройства 21 запираемого вентиляState 3: steady state when locking
По мере того как продолжает течь выходной ток Iout, происходит зарядка фиксирующего конденсатора 31 до более высокого уровня, вызывая возникновение отрицательного потенциала на выходной клемме T11. Соответственно, блок 5a с насыщаемым сердечником принимает и накапливает то же самое напряжение, создавая интеграл напряжения по времени ∫Vdt, и это приводит к проводимому току согласно Фиг. 1D. Если выходной ток Iout нагрузки является большим, чем ток насыщения Isat блока 5a с насыщаемым сердечником, как показано на Фиг. 1D, то блок 5a с насыщаемым сердечником входит в состояние насыщения и переключает напряжение на его клеммах таким образом, что оно становится равным нулю. Если Iout<Isat, то блок 5a с насыщаемым сердечником остается в линейной и ненасыщенной области характеристики из Фиг. 1D и проявляет эквивалентную индуктивность в качестве своей схемы, но также уменьшает напряжение на свои клеммах до нуля, сохраняя значение интеграла напряжения по времени ∫Vdt равным значению в состоянии равновесия. As the output current I out continues to flow, the fixing
Состояние 4: включение устройства 21 запираемого вентиляState 4: turning on the
После включения устройства 21 запираемого вентиля ток Iout снова будет скоммутирован на входную клемму T1. Обратный диод 22 принимает обратное смещение и, следовательно, течет обратный ток восстановления. Это приводит к тому, что направление тока в блоке 5a с насыщаемым сердечником становится обратным и, согласно Фиг. 1D, возникает напряжение на его клеммах. Это приводит к протеканию индуктивного тока в блоке 5a с насыщаемым сердечником до тех пор, пока не будет достигнуто противоположное насыщение. Вследствие этого, такой ток будет иметь почти постоянную малую величину dI/dt, определяемую эквивалентной индуктивностью Lequ блока 5a с насыщаемым сердечником в ненасыщенной области характеристики из Фиг. 1D.After turning on the shut-off
В отличие от такой эквивалентной индуктивности схема 3 фиксации уровня непосредственно подает изменение тока в плечо 2 переключателя с высоким значением dI/dt. Это приводит к извлечению носителей заряда из обратного диода 22, который затем получает обратное смещение. В этом случае нагрузочную характеристику обратного восстановления для обратного диода 22, главным образом, определяет схема 33 сброса напряжения уровня фиксации. Следовательно, за счет того что в схеме 3 фиксации уровня предусмотрено наличие чисто фиксирующего резистора 331, в обратном диоде 22 получено состояние резистивной нагрузки при обратном восстановлении.In contrast to such equivalent inductance, the
Во время этого промежутка времени обратного восстановления блоком 5a с насыщаемым сердечником накоплен некоторый интеграл напряжения по времени ∫Vdt, и, согласно Фиг. 1D, он создает некоторый ток. Когда прекращается протекание обратного тока восстановления, то блок 5a с насыщаемым сердечником сбрасывает заряд фиксирующего конденсатора 31 и возвращается в состояние, соответствующее почти центру характеристики насыщения из Фиг. 1D.During this reverse recovery time period, a
ДВУХУРОВНЕВЫЙ ИНВЕРТОРTWO-LEVEL INVERTER
Со ссылкой на Фиг. 1B, двухуровневый инвертор с принудительной коммутацией помимо компонент, показанных на Фиг. 1A, дополнительно содержит следующие компоненты: With reference to FIG. 1B, a two-level inverter with forced switching in addition to the components shown in FIG. 1A further comprises the following components:
(a) устройство 23 запираемого вентиля, которое подключено параллельно обратному диоду 22, (a) a
(b) обратный диод 24, который подключен параллельно устройству 21 запираемого вентиля, (b) a
(c) блок 5b с насыщаемым сердечником, имеющий характеристику, подобную характеристике блока 5a с насыщаемым сердечником, который введен между входной клеммой T1 и анодной индуктивностью 41 рассеяния, и(c) a
(d) контроллер 92, который генерирует и выводит сигналы напряжения для управления вентилем, подаваемые, соответственно, на вентили устройств 21 и 23 запираемого вентиля, для попеременного запирания устройств 21 и 23 запираемого вентиля.(d) a
В этом случае вместо плеча 2 переключателя из Фиг. 1A предусмотрено наличие плеча 2b переключателя, содержащего два диода 22 и 24. Управление частью обратного тока восстановления каждого из обратных диодов 22 и 24, исходящего из конденсатора 11 связи по постоянному току, обеспечивает, по меньшей мере, один из блоков 5a и 5b с насыщаемым сердечником. Как показано на Фиг. 1B, схема двухуровневого инвертора выполнена симметричной, та же самая схема может принимать положительный ток нагрузки, выходящий во внешнюю схему, и может принимать отрицательный ток нагрузки, который течет во внутреннюю схему. Функционирование двухуровневого инвертора очень сходно с функционированием, объяснение которого приведено применительно к схеме прерывателя из Фиг. 1A, для обоих направлений тока нагрузки, за исключением одного отличия, объяснение которого приведено ниже для положительного тока нагрузки.In this case, instead of the
Когда устройство 21 запираемого вентиля переводят в открытое состояние, то питание на его анод не поступает непосредственно из конденсатора 11 связи по постоянному току через анодную индуктивность 41 рассеяния подобно тому, как это происходит в прерывателе, показанном на Фиг. 1A. Вместо этого к этой линии подключен блок 5b с насыщаемым сердечником, и он находится в центральном положении характеристики блока 5b с насыщаемым сердечником, показанной на Фиг. 1D, поскольку перед этим моментом ток отсутствовал. Вследствие этого, устройство 21 запираемого вентиля, в основном, проводит ток, исходящий из схемы 3 фиксации уровня, до тех пор, пока не произойдет насыщение блока 5b с насыщаемым сердечником, вследствие чего происходит соединение устройства 21 запираемого вентиля с конденсатором 11 связи по постоянному току.When the shut-off
ТРЕХУРОВНЕВЫЙ ИНВЕРТОР THREE-LEVEL INVERTER
Со ссылкой на Фиг. 1C, трехуровневый инвертор с принудительной коммутацией содержит плечо 2c переключателя вместо плеча 2b переключателя из Фиг. 1B и дополнительно содержит входную клемму T3, блок 5c с насыщаемым сердечником, схему 6 фиксации уровня и анодную индуктивность 42 рассеяния в дополнение к тем элементам, которые показаны на Фиг. 1B. Кроме того, трехуровневый инвертор с принудительной коммутацией содержит контроллер 93, предназначенный для управления устройствами 21, 23, 25 и 27 запираемого вентиля вместо контроллера 92 из Фиг. 1B. Как показано на Фиг. 1C, конденсатор 11 связи по постоянному току подключен между входными клеммами T1 и T3, а конденсатор 12 связи по постоянному току подключен между входными клеммами T2 и T3. Входная клемма T3 соединена через блок 5a с насыщаемым сердечником со схемами 3 и 6 фиксации уровня и с плечом 2c переключателя. Входная клемма T2 соединена через блок 5c с насыщаемым сердечником с плечом 2c переключателя. Схема 6 фиксации уровня содержит фиксирующий конденсатор 61, фиксирующий диод 62 и схему 63 сброса напряжения уровня фиксации, содержащую резистор 631.With reference to FIG. 1C, a three-level forced-switching inverter comprises a
Плечо 2c переключателя содержит не только четыре диода 21, 23, 25 и 27 для запирания вентиля, но также и шесть обратных диодов 22, 24, 26, 28, 291 и 292 для использования в типичном трехуровневом инверторе, а именно они включают в себя обратный диод 22, обратный диод 24, обратный диод 26, обратный диод 28, обратный диод 291 нулевой точки и обратный диод 292 нулевой точки. Среди этих обратных диодов 22, 24, 26, 28, 291 и 292 два обратных диода 22 и 28 не получают обратного тока восстановления в инверторе. Другие четыре обратных диода 24, 26, 291 и 292 могут получать обратный ток восстановления, по меньшей мере, из одного из конденсаторов 11 и 12 связи по постоянному току.The
Такой обратный ток восстановления будет течь по линии P через входную клемму T1 тогда, когда обратный диод 24 получает обратный ток восстановления, течь по линии C через входную клемму T3 тогда, когда обратный диод 291 нулевой точки или обратный диод 292 нулевой точки получают обратный ток восстановления, или течь по линии N тогда, когда обратный диод 26 получает обратный ток восстановления. Вследствие этого, в каждой из этих линий P, C и N расположен, по меньшей мере, один из блоков 5a, 5b и 5c с насыщаемым сердечником. Трехуровневый инвертор из Фиг. 1C функционирует аналогично функционированию двухуровневого инвертора из Фиг. 1B.Such reverse recovery current will flow through line P through input terminal T1 when
ДРУГИЕ МНОГОУРОВНЕВЫЕ ИНВЕРТОРЫOTHER MULTI-LEVEL INVERS
На чертежах Фиг. 1A, Фиг. 1B и Фиг. 1C показаны наиболее широко используемые инверторы большой мощности с принудительной коммутацией, однако настоящее изобретение не ограничено ими. Могут быть предусмотрены другие многоуровневые инверторы, содержащие те же самые блоки 5a, 5b и 5c с насыщаемым сердечником.In the drawings of FIG. 1A, FIG. 1B and FIG. 1C illustrates the most widely used high power forced-switching inverters, but the present invention is not limited to them. Other multilevel inverters may be provided comprising the same
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ОПАСНОГО ВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ДИОД ДЛЯ ПОНИМАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА НИЖНЕМ ПРЕДЕЛЕ ТОКА НАСЫЩЕНИЯ Isat RISK OF HAZARDOUS INFLUENCE ON THE DIODE TO UNDERSTAND THE CHARACTERISTIC AT THE LOWER LIMIT OF THE SATURATION CURRENT I sat
Однако обратные диоды 24 и 26 и/или обратные диоды 291 и 292 нулевой точки могут подвергаться опасному вредному воздействию при обратном восстановлении, если блоки 5a, 5b и/или 5c с насыщаемым сердечником не находятся в правильном состоянии насыщения до включения устройства 21, 23, 25, и 27 запираемого вентиля. Такое неправильное состояние намагниченности может возникать вследствие тока, текущего в блоках 5a, 5b и/или 5c с насыщаемым сердечником, вызванного сбросом фиксирующего конденсатора 31 или 61.However, the
Неправильное состояние насыщения также может являться результатом тока смещения, текущего к фиксирующему конденсатору 31, имеющему емкость C31, или к фиксирующему конденсатору 61, имеющему емкость C61. Такой ток смещения возникает вследствие изменения напряжения на конденсаторе 11 или 12 связи по постоянному току. Максимальное значение такого тока вычисляют согласно уравнению Idis=C31×dVm или Idis=C61×dVm, где dVm обозначает максимальное значение абсолютной величины скорости нарастания напряжения на конденсаторе 11 связи по постоянному току или на конденсаторе 12 связи по постоянному току. Следовательно, скорость нарастания dVm удовлетворяет следующему соотношению -dVm≤dVDC/dt≤dVm, где dVDC/dt - скорость нарастания напряжения на конденсаторе 11 или 12 связи по постоянному току.The abnormal saturation state may also result from a bias current flowing to the
По существу, кажется, там отсутствуют какие-либо средства предотвращения того, что такой ток смещения может влиять на состояние насыщения блока 5a, 5b или 5c с насыщаемым сердечником. Однако необходимо удостовериться, что блок с сердечником не будет приближаться к неподходящему состоянию насыщения. Вследствие этого, необходима характеристика с самовозвратом, которая может возвращать состояние насыщения в четко определенное безопасное положение при всех обстоятельствах.Essentially, it seems that there is no way to prevent such a bias current from affecting the saturation state of the saturated
Такая характеристика с возвратом отсутствует в характеристике сердечника из известного уровня техники, которая может обеспечивать только одно устойчивое состояние насыщения в любом крайнем положении. Вместо этого должна быть обеспечена линейная область, показанная на Фиг. 1D, или, по меньшей мере, криволинейная, гладкая область между предельными значениями насыщения для определения уровня возврата непосредственно между обоими предельными значениями насыщения.Such a return characteristic is absent in the core characteristic of the prior art, which can provide only one stable saturation state in any extreme position. Instead, the linear region shown in FIG. 1D, or at least a curved, smooth region between saturation limit values to determine the return level directly between both saturation limit values.
Кроме того, сброс напряжения фиксирующего конденсатора и передача любого тока смещения должны выполняться таким образом, чтобы добиться достаточного расстояния до насыщения, когда включено одно из устройств 21, 23, 25 или 27 запираемого вентиля. Следовательно, ток насыщения Isat должен быть выбран, по меньшей мере, таким образом, чтобы он был большим, чем максимальное значение всех таких токов смещения, текущих в блоке 5a, 5b или 5c с насыщаемым сердечником, удовлетворяя следующему соотношению: Isat>Idis=C31×dVm или Isat>Idis=C61×dVm.In addition, the reset of the voltage of the fixing capacitor and the transfer of any bias current must be performed in such a way as to achieve a sufficient distance to saturation when one of the
Кроме того, очевидно, что предпочтительным является, когда блок 5a, 5b или 5c с насыщаемым сердечником будет сохранять, по меньшей мере, 75% своей номинальной способности развязки, когда он испытывает наиболее сильную токовую нагрузку, равную Idis=C31×dVm или Idis=C61×dVm. Вследствие этого должно быть задано следующее уравнение:In addition, it is obvious that it is preferable when the
Isat>4×Idis=4×C31×dVm, или I sat > 4 × I dis = 4 × C 31 × dV m , or
Isat>4×Idis=4×C61×dVm Isat> 4 × I dis = 4 × C 61 × dV m
ПОНИМАНИЕ ВЕРХНЕГО ПРЕДЕЛА ДЛЯ ТОКА НАСЫЩЕНИЯ Isat UNDERSTANDING THE TOP LIMIT FOR A SATURATION CURRENT I sat
По существу, объясненные выше условия могут быть легко удовлетворены путем выбора очень высокого значения для тока насыщения Isat. Однако блок 5a, 5b или 5c с насыщаемым сердечником будет сохранять энергию E в ненасыщенном состоянии точно таким же образом, как это делает линейный индуктор. Если такое ненасыщенное состояние демонстрирует чисто линейную характеристику, то такая энергия E может быть вычислена согласно следующему уравнению:Essentially, the conditions explained above can be easily satisfied by choosing a very high value for the saturation current I sat . However, a
E=1/2×Lequ×I2,E = 1/2 × L equ × I 2 ,
где Lequ обозначает эквивалентную индуктивность блока 5a, 5b или 5c с насыщаемым сердечником, которая равна Lequ=V/(dI/dt)=∫Vdtsat/I в таком линейном режиме. Когда достигнуто насыщение, то энергия, накопленная на этот момент времени, оказывается захваченной. В таком случае эта величина энергии Esat становится равной Esat=1/2×Lequ×Isat 2. Она высвобождается в электрическую схему тогда, когда впоследствии блок с сердечником снова выводят из этого состояния насыщения.where L equ denotes the equivalent inductance of a
Поскольку, как установлено, одним из основных недостатков из известного уровня техники является большое количество накопленной энергии, то для обеспечения низких потерь инвертора требуется малое количество накопленной энергии. Вследствие этого, обязательным условием является установка малой величины тока насыщения Isat. Она должна быть установлена меньшей, чем максимальный номинальный выходной ток IRout, для достижения состояния насыщения при любых обстоятельствах следующим образом: 0<Isat<IRout. Кроме того, для достижения низкого уровня накопленной энергии очень предпочтительным является уровень ниже 20% от максимального номинального выходного тока, чтобы выполнялось приведенное ниже неравенство:Since it has been established that one of the main disadvantages of the prior art is the large amount of stored energy, a low amount of stored energy is required to ensure low inverter losses. As a consequence, a prerequisite is to set a small value of the saturation current I sat . It must be set lower than the maximum rated output current I Rout in order to achieve a saturation state under any circumstances as follows: 0 <I sat <I Rout . In addition, to achieve a low level of stored energy, it is highly preferable that the level is below 20% of the maximum rated output current, so that the following inequality holds:
0<Isat<IRout/50 <I sat <I Rout / 5
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТАCALCULATION EXAMPLES
Наконец, будут приведены примеры расчета на основании значений, полученных на практике, которые изложены ниже.Finally, examples of calculation based on the values obtained in practice, which are described below, will be given.
Инвертор большой мощности имеет максимальный номинальный выходной ток IRout=6000 A, номинальное напряжение связи по постоянному току VDC=3500 В и среднюю частоту переключений 400 Гц. Каждый из конденсаторов 11 и 12 связи по постоянному току может соответствовать обычному значению, допускающему пульсации напряжения величиной, приблизительно, ±10% при номинальном пиковом выходном токе, предельное значение которого из соображений безопасности обычно устанавливают равным INoutpeak=IRout/1,5=4000 A. Вследствие этого может возникнуть скорость изменения напряжения связи по постоянному току dVDC/dt≤ (3500 [В]×2×10%)/1,25 [миллисекунды]=560 [вольт/миллисекунду (В/мс)]=dVm. В таком инверторе обычно может требоваться, чтобы величина емкости фиксирующего конденсатора 31 составляла C31=20 мкФ. В таком случае, в первом предпочтительном варианте осуществления изобретения должно быть установлено соотношение 4×C31×dVm=4×20 [мкФ]×560 [вольт/миллисекунду (В/мс)]=44,8 [A]<Isat, при этом для предпочтительного верхнего предела Isat<6000 A/5=1200 A.The high-power inverter has a maximum rated output current I Rout = 6000 A, nominal DC coupling voltage V DC = 3500 V and an average switching frequency of 400 Hz. Each of the
ВТОРОЙ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯSECOND PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
Со ссылкой на чертежи Фиг. 2A, Фиг. 2B, Фиг. 2C, Фиг. 2D, Фиг. 2E, Фиг. 2F, Фиг. 2G, Фиг. 2H, Фиг. 2I и Фиг. 2J продемонстрированы и объяснены дополнительные характеристики блока 5a, 5b и 5c с насыщаемым сердечником, который может быть применен в инверторе из первого предпочтительного варианта осуществления изобретения, используемые для создания инвертора большой мощности с принудительной коммутацией согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.With reference to the drawings of FIG. 2A, FIG. 2B, FIG. 2C, FIG. 2D, FIG. 2E, FIG. 2F, FIG. 2G, FIG. 2H, FIG. 2I and FIG. 2J, the additional characteristics of a
На чертеже Фиг. 2A изображен график, на котором показана электрическая характеристика зависимости интеграла напряжения по времени ∫Vdt от тока I для каждого из блоков 5a, 5b и 5c с насыщаемыми сердечниками, показанных на чертежах Фиг. 1A, Фиг. 1B и Фиг. 1C, наряду с определением интеграла их напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat, согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. На чертеже Фиг. 2B изображен график, на котором показана зависимость между зарядом Qrr обратного восстановления и прямым током I, текущим в типичном высоковольтном кремниевом диоде большой мощности при повышенной температуре перехода.In the drawing of FIG. 2A is a graph showing the electrical characteristic of the time integral of the voltage integral напряженияVdt versus current I for each of the
В дополнение к этому, на чертеже Фиг. 2C изображена временная диаграмма сигналов, на которой показаны (a) напряжения V5a и V5b блоков 5a и 5b с насыщаемым напряжением, (b) нормированный магнитный поток F5a и F5b в них и (c) напряжение V22 и ток I22 диода 22, для использования в двухуровневом инверторе большой мощности из Фиг. 1B в том случае, когда выходной ток Iout=100 A. На чертеже Фиг. 2D изображена временная диаграмма сигналов, на которой показаны (a) напряжения V5a и V5b блоков 5a и 5b с насыщаемым напряжением, (b) нормированный магнитный поток F5a и F5b в них и (c) напряжение V22 и ток I22 диода 22, для использования в двухуровневом инверторе большой мощности из Фиг. 1B в том случае, когда выходной ток Iout=400 A. На чертеже Фиг. 2E изображена временная диаграмма сигналов, на которой показаны (a) напряжения V5a и V5b блоков 5a и 5b с насыщаемым напряжением, (b) нормированный магнитный поток F5a и F5b в них и (c) напряжение V22 и ток I22 диода 22, для использования в двухуровневом инверторе большой мощности из Фиг. 1B в том случае, когда выходной ток Iout=1000 A. На чертеже Фиг. 2F изображена временная диаграмма сигналов, на которой показаны (a) напряжения V5a и V5b блоков 5a и 5b с насыщаемым напряжением, (b) нормированный магнитный поток F5a и F5b в них и (c) напряжение V22 и ток I22 диода 22, для использования в двухуровневом инверторе большой мощности из Фиг. 1B в том случае, когда выходной ток Iout=3000 A. На чертеже Фиг. 2G изображена временная диаграмма сигналов, на которой показаны (a) напряжения V5a и V5b блоков 5a и 5b с насыщаемым напряжением, (b) нормированный магнитный поток F5a и F5b в них и (c) напряжение V22 и ток I22 диода 22, для использования в двухуровневом инверторе большой мощности из Фиг. 1B в том случае, когда выходной ток Iout=6000 A. В частности, на чертежах Фиг. 2C-Фиг. 2G показаны сигналы, наблюдаемые во время коммутации тока нагрузки из обратного диода 22 в устройство 21 запираемого вентиля, при различных значениях положительного тока нагрузки в двухуровневом инверторе из Фиг. 1B, имеющего максимальный номинальный выходной IRout=6000 A и интеграл напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat=2,4 милливольт×секунду, а также при температуре перехода обратного диода 22, установленной равной ее максимальному допустимому значению.In addition to this, in the drawing of FIG. 2C is a signal timing diagram showing (a) voltages V 5a and V 5b of
Кроме того, на чертеже Фиг. 2H изображен график, на котором показана расчетная зависимость анодного напряжения от анодного тока диода 22 для каждого выключения, где параметром является выходной ток Iout, для условий, показанных на чертежах Фиг. 2C-Фиг. 2G. На чертеже Фиг. 2I изображен график, на котором показана расчетная зависимость мощности обратного восстановления от анодного напряжения на диоде 22, где параметром является выходной ток Iout. На Фиг. 2J изображен график, на котором показана расчетная зависимость мощности обратного восстановления, вызывающей вредное воздействие, от выходного тока Iout диода 22 для различных конфигураций схемы и соответствующих установочных параметров интеграла напряжения насыщения по времени ∫Vdtsat, в частности на Фиг. 2J показана зависимость наиболее высокого значения мощности обратного восстановления при обратном напряжении, равном 3,5 кВ или более высоком, которую далее именуют "мощностью обратного восстановления, вызывающей вредное воздействие", от выходного тока Iout инвертора, наблюдающаяся в различных режимах схемы инвертора:In addition, in the drawing of FIG. 2H is a graph showing the calculated dependence of the anode voltage on the anode current of the
(1) на кривой 101 показана мощность обратного восстановления, вызывающая вредное воздействие, при использовании схемы из известного уровня техники с линейным анодным электрическим реактором 41, имеющим индуктивность L41, равную 7 мкГн;(1) curve 101 shows the reverse recovery power causing a harmful effect when using the prior art circuit with a linear anode
(2) на кривой 102 показана мощность обратного восстановления, вызывающая вредное воздействие, в том случае, когда интеграл напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat=0,6 милливольт×секунду, и индуктивность L41=1 мкГн;(2)
(3) на кривой 103 показана мощность обратного восстановления, вызывающая вредное воздействие, в том случае, когда интеграл напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat=1,2 милливольт×секунду, и индуктивность L41=1 мкГн;(3) curve 103 shows the power of the reverse recovery, which causes a harmful effect, in the case when the voltage integral over time at saturation ∫Vdt sat = 1.2 millivolts × second, and the inductance L 41 = 1 μH;
(4) на кривой 104 показана мощность обратного восстановления, вызывающая вредное воздействие, в том случае, когда интеграл напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat=2,4 милливольт×секунду, и индуктивность L41=1 мкГн;(4) curve 104 shows the power of reverse recovery, which causes a harmful effect, in the case when the voltage integral over time at saturation ∫Vdt sat = 2.4 millivolts × second, and the inductance L 41 = 1 μH;
(5) на кривой 105 показана мощность обратного восстановления, вызывающая вредное воздействие, в том случае, когда интеграл напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat=3,6 милливольт×секунду, и индуктивность L41=1 мкГн;(5) curve 105 shows the power of the reverse recovery, which causes a harmful effect, in the case when the voltage integral over time at saturation милVdt sat = 3.6 millivolts × second, and the inductance L 41 = 1 μH;
(6) на кривой 106 показана мощность обратного восстановления, вызывающая вредное воздействие, в том случае, когда интеграл напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat=4,8 милливольт×секунду, и индуктивность L41=1 мкГн; и(6)
(7) на кривой 107 показана допустимая мощность обратного восстановления, вызывающая вредное воздействие, адаптированная к анодному электрическому реактору. В схеме прерывателя из известного уровня техники без блока 5a с насыщаемым сердечником из Фиг. 1A значения для кривой 107 получены экспериментально с использованием адаптированного линейного анодного электрического реактора для каждого установленного значения тока, нагружающего диод до полной пропускной способности при таком установленном значении анодного тока.(7)
На чертеже Фиг. 2A показана типичная петля гистерезиса, наблюдающаяся при наличии блока 5a с насыщаемым сердечником из первого предпочтительного варианта осуществления изобретения. В этом случае интеграл напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat определяется значением при насыщении, которое характеризуется тем, что блок с сердечником находится в состоянии с низкой индуктивностью.In the drawing of FIG. 2A shows a typical hysteresis loop observed with a
Такая характеристика, демонстрирующая почти постоянный наклон в ненасыщенном состоянии и другой, очень малый наклон в состоянии насыщения, может быть получена посредством одиночного сердечника или посредством набора сердечников, все из которых имеют одинаковые характеристики. Однако также может быть применен блок с сердечником, имеющий градиентное изменение индуктивности. Такой блок с сердечником может быть получен с использованием последовательного соединения блоков с сердечниками, которые имеют различные характеристики, или с использованием соответствующего материала, из которого выполнен сердечник. Кроме того, в этом случае интеграл насыщения определяют как наивысшее достижимое значение ∫Vdt в реальных условиях.Such a characteristic, showing an almost constant slope in the unsaturated state and another, very small slope in the saturation state, can be obtained by means of a single core or by a set of cores, all of which have the same characteristics. However, a core block having a gradient change in inductance can also be used. Such a core block can be obtained using a series connection of blocks with cores that have different characteristics, or using the appropriate material from which the core is made. In addition, in this case, the saturation integral is defined as the highest attainable value of ∫Vdt in real conditions.
На чертеже Фиг. 2B показан заряд обратного восстановления как функция прямого тока для типичного высоковольтного кремниевого диода. Зависимость является сильно нелинейной. В этом случае при низком токе имеется большой заряд на один ампер прямого тока, текущего в диоде.In the drawing of FIG. 2B shows a reverse recovery charge as a function of forward current for a typical high voltage silicon diode. The dependency is highly nonlinear. In this case, at low current there is a large charge per ampere of direct current flowing in the diode.
На чертежах Фиг. 2C-Фиг. 2G показаны результаты, полученные с диодом, используемым в двухуровневом инверторе из второго предпочтительного варианта осуществления изобретения, при различных значениях выходного тока Iout инвертора. На Фиг. 2C показан результат при выходном токе Iout=100 A, На Фиг. 2D показан результат при выходном токе Iout=400 A, на Фиг. 2E показан результат при выходном токе Iout=1000 A, на Фиг. 2F показан результат при выходном токе Iout=3000 A и на Фиг. 2G показан результат при выходном токе Iout=IRout=6000 A. В этих случаях на верхнем графике каждого из чертежей Фиг. 2C-Фиг. 2G показано напряжение V5a на блоке 5a с насыщаемым сердечником и напряжение V5b на блоке 5b с насыщаемым сердечником. На среднем графике каждого из чертежей Фиг. 2C-Фиг. 2G показан магнитный поток F5a в состоянии насыщения блока 5a с насыщаемым сердечником и магнитный поток F5b в состоянии насыщения блока 5b с насыщаемым сердечником. На нижнем графике каждого из чертежей Фиг. 2C-Фиг. 2G показан анодный ток I22, текущий в обратном диоде 22 , и анодное напряжение V22 на обратном диоде 22. Каждый из блоков 5a и 5b с насыщаемым сердечником имеет интеграл напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat=2,4 милливольт×секунду и ток насыщения Isat=160 A, следовательно, он имеет эквивалентную индуктивность Lequ=15 мкГн.In the drawings of FIG. 2C-FIG. 2G shows the results obtained with the diode used in the two-level inverter of the second preferred embodiment of the invention, for different values of the output current I out of the inverter. In FIG. 2C shows the result with an output current I out = 100 A, FIG. 2D shows the result with the output current I out = 400 A, in FIG. 2E shows the result with an output current I out = 1000 A, FIG. 2F shows the result with an output current I out = 3000 A and in FIG. 2G shows the result with the output current I out = I Rout = 6000 A. In these cases, in the upper graph of each of the drawings of FIG. 2C-FIG. 2G shows the voltage V 5a on the saturated
Со ссылкой на Фиг. 2C, оба блока: блок 5a с насыщаемым сердечником и блок 5b с насыщаемым сердечником начинают функционирование с нулевого напряжения в момент времени t=334 микросекунды. В этот момент блок 5b с насыщаемым сердечником имеет уровень насыщения, равный нулю, в то время как блок 5a с насыщаемым сердечником имеет уровень насыщения ∫Vdt=0,62×∫Vdtsat. В этот момент времени t=334 микросекунды обратный диод 22 имеет прямое смещение, вследствие чего анодный ток I22=100 A и анодное напряжение V22=1,5 В. При включении устройства 21 запираемого вентиля, в момент времени t=335 микросекунд оба блока: блок 5a с насыщаемым сердечником и блок 5b с насыщаемым сердечником получают соответствующие напряжения, и это приводит к изменению состояния насыщения обоих блоков, и обратный диод 22 получает отрицательный анодный ток I22. В этом случае такой анодный ток I22 возникает, в основном, из схемы 3 фиксации уровня, и он быстро увеличивается, почти достигая значения I22=1 кА (килоампер). Однако такой большой анодный ток приложен к обратному диоду 22 только в состоянии относительно малого анодного напряжения, и через некоторое время, в момент времени t=336 микросекунд, анодный ток I22 может уже уменьшиться, в то время как анодное напряжение V22 на обратном диоде 22 медленно приближается к значению напряжения на конденсаторе 11 связи по постоянному току, равному, например, VDC=3650 В. В течение всего этого промежутка времени оба блока: блок 5a с насыщаемым сердечником и блок 5b с насыщаемым сердечником остаются в ненасыщенном состоянии, обеспечивая полную индуктивность, равную 2×Lequ=30 мкГн для развязки или электрической изоляции плеча 2b переключателя из Фиг. 1B от конденсатора 11 связи по постоянному току.With reference to FIG. 2C, both blocks: a
Со ссылкой на чертеж Фиг. 2D, с выходным током Iout=400 A, блок 5a с насыщаемым сердечником начинает функционирование уже с уровнем напряжения насыщения ∫Vdt=1×∫Vdtsat, вследствие чего блок 5a с насыщаемым сердечником уже был полностью насыщен. В этом случае блок 5b с насыщаемым сердечником первым изменяет состояние насыщения, переходя в состояние полного насыщения. Блок 5a с насыщаемым сердечником включается позже, затем полностью проходит ненасыщенную область и достигает противоположного насыщения в момент времени t=941 микросекунда. Таким образом, обратный диод 22 не получает какой-либо ток из конденсатора 11 связи по постоянному току, поскольку блок 5a с насыщаемым сердечником обеспечивает его развязку, до тех пор, пока анодное напряжение V22 не достигнет уровня напряжения постоянного тока VDC=3650 В и обратный ток восстановления не станет равным нулю. Следовательно, обеспечена индуктивность 1×Lequ=15 мкГн для развязки плеча 2b переключателя от конденсатора 11 связи по постоянному току, когда диод переходит в состояние, в котором к нему приложено высокое напряжение.With reference to the drawing of FIG. 2D, with the output current I out = 400 A, the
Со ссылкой на чертеж Фиг. 2E, с выходным током Iout=1000 A, блок 5a с насыщаемым сердечником снова начинает функционирование при полном насыщении. Блоки 5a и 5b с насыщаемым сердечником становятся активными один после другого. Блок 5a с насыщаемым сердечником теперь достигает полного насыщения уже в момент времени t=1540 микросекунд, то есть приблизительно за 4 микросекунды до конца заднего фронта тока диода. Вследствие этого, конденсатор 11 связи по постоянному току в этот момент времени напрямую соединен с обратным диодом 22 и, следовательно, его анодный ток I22 немного возрастает.With reference to the drawing of FIG. 2E, with the output current I out = 1000 A, the saturated
Со ссылкой на чертеж Фиг. 2F, с выходным током Iout=3000 A, оба блока: блок 5a с насыщаемым сердечником и блок 5b с насыщаемым сердечником действуют еще быстрее, и обратный ток восстановления протекает в течение более продолжительного времени. Вследствие этого, блок 5a с насыщаемым сердечником уже достиг состояния насыщения за 7,5 микросекунд до конца заднего фронта тока диода, что, следовательно, приводит к значительному увеличению анодного тока I22.With reference to the drawing of FIG. 2F, with an output current I out = 3000 A, both blocks: block 5a with a saturable core and
Со ссылкой на чертеж Фиг. 2G, с выходным током Iout=6000 A этот эффект является еще более заметным. Однако даже в этом случае анодное напряжение V22 достигло значения V22=2 кВ, когда обратный диод 22 соединен с конденсатором 11 связи по постоянному току. Несмотря на малую индуктивность контура, обеспечиваемую анодной индуктивностью 41 рассеяния, равную, например, L=1 мкГн, скорость нарастания dI22/dt анодного тока I22 является весьма малой и величина анодного тока I22 остается такой, что I22<2000 A.With reference to the drawing of FIG. 2G, with an output current I out = 6000 A, this effect is even more noticeable. However, even in this case, the anode voltage V 22 has reached the value V 22 = 2 kV when the
На чертеже Фиг. 2H оценены соответствующие рабочие области обратного восстановления путем построения графика анодного напряжения V22 как функции анодного тока I22 для каждого обратного восстановления обратного диода 22. Эта оценка показывает, что при высоком анодном напряжении при обратном восстановлении в интервале от низкого до среднего прямых токов Iout=100 A и 400 A анодный ток является малым.In the drawing of FIG. 2H, the corresponding reverse recovery work areas are estimated by plotting the anode voltage V 22 as a function of the anode current I 22 for each reverse recovery of the
На чертеже Фиг. 2I показан следующий этап оценки. На нем показано произведение обратного напряжения восстановления и обратного тока восстановления, то есть мощности обратного восстановления, как функции обратного напряжения восстановления или анодного напряжения V22. В тех случаях, когда выходной ток Iout=100 A и Iout=400 A, величина мощности обратного восстановления при анодном напряжении V22=3,5 кВ является малой. В этом случае схема двухуровневого инвертора согласно второму предпочтительному варианту осуществления изобретения полностью защищает обратный диод 22 при этих условиях.In the drawing of FIG. 2I shows the next evaluation step. It shows the product of reverse recovery voltage and reverse recovery current, that is, reverse recovery power, as a function of reverse recovery voltage or anode voltage V 22 . In cases where the output current is I out = 100 A and I out = 400 A, the magnitude of the reverse recovery power at an anode voltage of V 22 = 3.5 kV is small. In this case, the two-level inverter circuit according to the second preferred embodiment of the invention fully protects the
На чертеже Фиг. 2J показан другой этап оценки, а именно сравнение путем построения графика мощности обратного восстановления, вызывающей вредное воздействие, как функции выходного тока Iout инвертора для различных конфигураций схемы и различных установочных параметров интеграла напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat. В этом случае вредное воздействие на диод при обратном восстановлении в режиме максимальной расчетной нагрузки из известного уровня техники изображено на Фиг. 2J пунктирной кривой 101. Из графика, показанного на Фиг. 2J, понятно следующее: что касается кривой 101, то малое установленное значение интеграла напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat по сравнению с интегралом напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat=0,6 милливольт×секунду, показанным на кривой 102, уже может уменьшить вредное воздействие на диод в случае более малого анодного тока I22. Однако в случае более высокого анодного тока I22, при переходе к анодному току I22=400 A, вредное воздействие на диод является более сильным, чем показанное на кривой 101.In the drawing of FIG. Figure 2J shows another evaluation stage, namely, a comparison by plotting the power of the reverse recovery causing harmful effects as a function of the inverter output current I out for various circuit configurations and various settings of the voltage integral over time at saturation ∫Vdt sat . In this case, the harmful effect on the diode during reverse recovery in the mode of maximum design load from the prior art is shown in FIG. 2J by dashed curve 101. From the graph shown in FIG. 2J, the following is clear: as for curve 101, the small set value of the voltage integral over time at saturation ∫Vdt sat compared to the voltage integral over time at saturation ∫Vdt sat = 0.6 millivolts × second shown on
Установка интеграла напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat=1,2 милливольт×секунду, как показано на кривой 103 из Фиг. 2J, уменьшает вредное воздействие на диод ниже уровня, наблюдаемого в схеме из известного уровня техники, которой соответствует кривая 101, при всех значениях тока, меньших, чем 2800 A.Setting the voltage integral over time at saturation ∫Vdt sat = 1.2 millivolts × second, as shown in curve 103 of FIG. 2J reduces the harmful effect on the diode below the level observed in the circuit of the prior art, which corresponds to curve 101, for all current values less than 2800 A.
Установка интеграла напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat=2,4 милливольт×секунду, как показано на кривой 104, приводит к уменьшенному уровню вредного воздействия во всем рабочем диапазоне.Setting the voltage integral over time at saturation ∫Vdt sat = 2.4 millivolts × second, as shown in curve 104, leads to a reduced level of harmful effects in the entire operating range.
Установка интеграла напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat=3,6 милливольт×секунду, как показано на кривой 105, или ∫Vdtsat=4,8 милливольт×секунду, как показано на кривой 106, приводит к очень низкому уровню вредного воздействия во всем рабочем диапазоне.Setting the voltage integral over time at saturation ∫Vdt sat = 3.6 millivolts × second, as shown in curve 105, or ∫Vdt sat = 4.8 millivolts × second, as shown in
Следовательно, искомое значение для интеграла напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat получают из Фиг. 2J. Посредством кривой 107 введена допустимая мощность обратного восстановления, вызывающая вредное воздействие, адаптированная к анодному электрическому реактору, которую обозначают как Prrlar(I). В случае схемы прерывателя из известного уровня техники, показанной на Фиг. 1A, без какого-либо блока 5a с насыщаемым сердечником, кривая 107 представляет собой график максимальной допустимой мощности обратного восстановления, вызывающей вредное воздействие, для высоковольтного диода, полученный при изменении анодного электрического реактора 41. В этом случае для каждого текущего значения кривой 107 новое значение для анодного электрического реактора 41 устанавливают таким образом, чтобы обратный диод 22 был нагружен до его предела при его обратном восстановлении от такого тока.Therefore, the sought value for the time integral of the voltage at saturation ∫Vdt sat is obtained from FIG. 2J. Through
Второй предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения способен обеспечивать хорошую адаптацию к этим максимальным допустимым значениям вредного воздействия следующим образом. Когда интеграл напряжения по времени при насыщении выбран равным ∫Vdtsat=0,6 милливольт×секунду, то мощность обратного восстановления, вызывающая вредное воздействие, Prr(I) согласно кривой 102 уже является меньшей, чем допустимая мощность обратного восстановления, вызывающая вредное воздействие, которая адаптирована к анодному электрическому реактору, для такого диода, представленная кривой 107 при полном выходном токе Iout инвертора в интервале 0≤Iout≤IRout. A second preferred embodiment of the present invention is capable of providing good adaptation to these maximum allowable exposure values as follows. When the voltage integral over time at saturation is chosen equal to ∫Vdt sat = 0.6 millivolt × second, then the reverse recovery power causing the harmful effect, P rr (I) according to
Согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения значение интеграла напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat далее выбирают таким образом, чтобы Prr(I)≤1/2×Prrlar(I) по, меньшей мере, при одном значении выходного тока Iout в интервале 0≤Iout≤IRout. На Фиг. 2J кривая 106 близка к такому пределу, что: в случае Iout=IRout=6000 A, мощность Prrlar(I) на кривой 107 равна 7,9 МВА (мегавольт-ампер), тогда как мощность Prr(I) на кривой 106 равна 4,1 МВА. В таком режиме поскольку интеграл напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat=4,8 милливольт×секунду, то восстановление диода является чрезвычайно плавным, но блоки 5a и 5b с насыщаемым сердечником стали гораздо большими, следовательно, происходит передача большого количества энергии, соответственно, в схему 3 фиксации уровня и в схему 6 фиксации уровня.According to a second preferred embodiment of the present invention, the value of the saturation voltage integral over time ∫Vdt sat is then chosen so that P rr (I) ≤1 / 2 × P rrlar (I) with at least one output current value I out in the
Таким образом, инвертор согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения адаптируется предпочтительным способом к характеристикам типичных кремниевых диодов большой мощности. Применены очень малые значения анодной индуктивности 41 и 42 рассеяния и очень малые блоки 5a и 5b с сердечником, что приводит к низкой себестоимости и к низким потерям в инверторе при его работе.Thus, the inverter according to the second preferred embodiment of the present invention adapts in a preferred way to the characteristics of typical high power silicon diodes. Applied very small values of the
ТРЕТИЙ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯTHIRD PREFERRED EMBODIMENT FOR CARRYING OUT THE INVENTION
На чертеже Фиг. 3A изображена блок-схема, на которой показан блок 5a с насыщаемым сердечником согласно третьему предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, а на чертеже Фиг. 3B на виде в перспективе показан внешний вид блока 5a с насыщаемым сердечником из Фиг. 3A.In the drawing of FIG. 3A is a block diagram showing a
Со ссылкой на Фиг. 3 показан блок 5a с насыщаемым сердечником, который может быть применен в первом или во втором предпочтительных вариантах осуществления изобретения для создания инвертора большой мощности с принудительной коммутацией согласно третьему предпочтительному варианту осуществления изобретения. В данном предпочтительном варианте осуществления изобретения блок 5a с насыщаемым сердечником содержит насыщаемый индуктор 51, где насыщаемый индуктор 51 содержит, по меньшей мере, один зазор 5g.With reference to FIG. 3 shows a
В магнитный контур блока 5a с насыщаемым сердечником может быть введен зазор 5g из иного вещества. В большинстве случаев такое вещество в зазоре 5g является полностью немагнитным, что зависит от механической конструкции сердечника, и веществом в зазоре 5g может являться пластик какого-либо типа или просто воздух.A gap 5g of another substance may be introduced into the magnetic circuit of the
В этом случае магнитный поток Φ должен проходить через вещество сердечника и через вещество в зазоре. В веществе, из которого выполнен магнитный сердечник, магнитная индукция B = Φ/A, где A - площадь поперечного сечения, через которое проникает магнитный поток Φ, следовательно, она создает магнитное поле Hfe=B/µµ0, тогда как магнитное поле в немагнитном веществе Hair=B/µ0. В таком случае для определения тока, проникающего через сердечник, вычисляют интеграл ∫Hds вдоль замкнутого контура, проходящего через сердечник и зазор 5g блока 5a с насыщаемым сердечником. Если размер зазора 5g является достаточно большим, чтобы интеграл ∫Hds являлся доминирующим, то индуктивность L намотанной катушки его сердечника приблизительно равна L=(µ0 n2 A)/lair, где lair обозначает толщину зазора 5g, заполненного немагнитным веществом, а "n" - количество витков.In this case, the magnetic flux Φ must pass through the core material and through the substance in the gap. In the material from which the magnetic core is made, magnetic induction B = Φ / A, where A is the cross-sectional area through which the magnetic flux Φ penetrates, therefore, it creates a magnetic field H fe = B / µµ 0 , while the magnetic field in non-magnetic substance H air = B / µ 0 . In this case, to determine the current penetrating through the core, the integral ∫Hds is calculated along the closed loop passing through the core and the gap 5g of the saturated
Зазор 5g часто применяют в магнитных сердечниках индукторов или трансформаторов при наличии большой постоянной составляющей тока в таких компонентах. Зазор 5g часто именуют "воздушным зазором" и кривую намагничивания изменяют таким образом, чтобы предоставлять или создать увеличенную область, имеющую почти линейную зависимость намагничивания. Следовательно, она представляет собой линейную область, которая должна быть продлена за счет зазора 5g и которую используют, а насыщение вещества, из которого выполнен сердечник, является совершенно нежелательным.The gap 5g is often used in the magnetic cores of inductors or transformers in the presence of a large DC component of the current in such components. The gap 5g is often referred to as the "air gap" and the magnetization curve is changed so as to provide or create an enlarged region having an almost linear dependence of magnetization. Therefore, it is a linear region that must be extended by the 5g gap and which is used, and the saturation of the substance from which the core is made is completely undesirable.
Однако, в третьем предпочтительном варианте осуществления изобретения введен зазор 5g для создания такой характеристики, которая, например, показана на Фиг. 1D. В этом случае зазор 5g, как показано выше, устанавливает эквивалентную индуктивность Lequ сердечника, и это приводит к тому, что он устанавливает ток насыщения Isat ∫Vdtsat/Lequ. Следовательно, третий предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения представляет очень эффективный способ реализации блоков 5a, 5b и 5c с насыщаемым сердечником, каждый из которых имеет линейную характеристику.However, in a third preferred embodiment of the invention, a gap 5g is introduced to create a characteristic which, for example, is shown in FIG. 1D. In this case, the gap 5g, as shown above, sets the equivalent inductance L equ of the core, and this leads to the fact that it sets the saturation current Isat ∫ Vdt sat / L equ . Therefore, a third preferred embodiment of the present invention provides a very efficient way to implement
ЧЕТВЕРТЫЙ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯFOURTH PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
На чертеже Фиг. 4 изображена принципиальная электрическая схема, на которой показана конфигурация инвертора большой мощности с принудительной коммутацией согласно четвертому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.In the drawing of FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a high power inverter with forced switching according to a fourth preferred embodiment of the present invention.
В данном предпочтительном варианте осуществления изобретения каждый из блоков 5a, 5b и 5c с насыщаемым сердечником реализован посредством схемы параллельного соединения насыщаемого индуктора 51, 52 или 53 и соответствующего индуктора 71, 72 или 73 линейного электрического реактора, где насыщаемые индукторы 51, 52 и 53 характеризуются интегралом напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat, а линейные электрические реакторы 71, 72 и 73 характеризуются величиной эквивалентной индуктивности Lequ=∫Vdtsat/Isat. Следует отметить, что контроллер 94 функционирует аналогично функционированию контроллера 93.In this preferred embodiment of the invention, each of the
В инверторе согласно четвертому предпочтительному варианту осуществления изобретения наиболее предпочтительные характеристики каждого из блоков 5a, 5b и 5c с насыщаемым сердечником достигнуты за счет схемы параллельного соединения двух отдельных устройств. В этом случае каждое устройство специально предназначено для одной из предпочтительных характеристик интеграла напряжения по времени при насыщении ∫Vdtsat и эквивалентной индуктивности Lequ в линейной области. Таким образом, реализованы стабильные и имеющие малые потери блоки 5a, 5b и 5c с насыщаемым сердечником. Другими словами, насыщаемые индукторы 51, 52 и 53 выбраны таким образом, что имеют наименьшие потери на гистерезис, а линейные индукторы 71, 72 и 73 рассчитаны только лишь на ток насыщения Isat. Наименьших потерь на гистерезис обычно достигают за счет использования насыщаемого сердечника, имеющего крутую и узкую кривую намагничивания, которая в этом случае приводит к очень малому току насыщения насыщаемого сердечника.In the inverter according to the fourth preferred embodiment of the invention, the most preferred characteristics of each of the
В отличие от линейного анодного электрического реактора, примененного в инверторе из известного уровня техники, линейный индуктор рассчитан только лишь на ток насыщения Isat. Вследствие этого, низкие потери на гистерезис в паре с низкой проводимостью приводят к высокому КПД инвертора.Unlike the linear anode electric reactor used in the inverter of the prior art, the linear inductor is designed only for saturation current I sat . As a result, low hysteresis losses coupled with low conductivity lead to high inverter efficiency.
ПЯТЫЙ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯFIFTH PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
На чертежах Фиг. 5A-Фиг. 5E показан инвертор большой мощности с принудительной коммутацией согласно пятому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. На чертеже Фиг. 5A изображена принципиальная электрическая схема, на которой показана конфигурация блока 5a с насыщаемым сердечником, предназначенного для использования в инверторе большой мощности с принудительной коммутацией согласно пятому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. В данном предпочтительном варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг. 5A, резисторы 511 и 711 включены, соответственно, в состав цепи насыщаемого индуктора 51 и в состав цепи линейного индуктора 71, и они сбалансированы согласно следующему уравнению:In the drawings of FIG. 5A-FIG. 5E shows a high power, high power inverter according to a fifth preferred embodiment of the present invention. In the drawing of FIG. 5A is a circuit diagram illustrating a configuration of a
(IDC5a×R511)/R711≤Isat/2 и(I DC5a × R 511 ) / R 711 ≤I sat / 2 and
предпочтительно (IDC5a×R511)/R711≤Isat/5preferably (I DC5a × R 511 ) / R 711 ≤I sat / 5
В эксперименте из Фиг. 5A использованы следующие параметры:In the experiment of FIG. 5A, the following parameters were used:
(a) интеграл напряжения по времени ∫Vdt=2,4 милливольт×секунду для насыщаемого индуктора 51;(a) the voltage integral over time ∫Vdt = 2.4 millivolts × second for
(b) сопротивление резистора 511, R511=10 мкОм (микроом);(b) the resistance of the
(c) индуктивность линейного индуктора 71, L71=Lequ=25 мкГн;(c) the inductance of the
(d) выходной ток насыщения Isat=96 A;(d) saturation output current I sat = 96 A;
(e) постоянный ток, текущий в блоке 5a с насыщаемым сердечником, IDC5a= -1000 A и(e) direct current flowing in
(f) переменный ток, текущий в блоке 5a с насыщаемым сердечником, IAC5a=3000 Apeak.(f) alternating current flowing in
Ниже приведено объяснение влияния баланса резисторов 511 и 711 на характеристики инвертора со ссылкой на чертежи Фиг. 5B-Фиг. 5E, на которых показаны типичные сигналы блока 5a с насыщаемым сердечником под нагрузкой со смещением постоянной составляющей IDC5a=1000 А в момент времени t1. После этого нагрузку прекращают для проверки возврата сердечника в исходное состояние. На чертежах Фиг. 5B-Фиг. 5E на верхнем графике показан ток I5a, текущий в блоке 5a с насыщаемым сердечником, а на нижнем графике показан ток I71, текущий в линейном индукторе 71, а также показан нормированный магнитный поток или нормированная намагниченность насыщаемого индуктора 51.The following is an explanation of the effect of the balance of
На чертеже Фиг. 5B изображена первая часть временной диаграммы сигналов в несбалансированном случае, на которой показан (a) ток I5a блока 5a с насыщаемым сердечником и (b) ток I71 индуктивности 71 из Фиг. 5A и нормированный магнитный поток F51 насыщаемого индуктора 51 из Фиг. 5A, а на чертеже Фиг. 5C изображена вторая часть временной диаграммы сигналов в несбалансированном случае, на которой показан (a) ток I5a блока 5a с насыщаемым сердечником и (b) ток I71 индуктивности 71 из Фиг. 5A, и нормированный магнитный поток F51 насыщаемого индуктора 51 из Фиг. 5A. На чертежах Фиг. 5B и Фиг. 5C показан несбалансированный случай, в котором R511=R711=10 мкОм (микроом). Как показано на Фиг. 5B, при проверке возврата в исходное состояние через промежуток времени t1=4 миллисекунд блок 5a с сердечником ведет себя следующим образом. В этом случае блок 5a с сердечником возвращается в режим, имеющий состояние насыщения ∫Vdt=0×∫Vdtsat. Однако, как показано на Фиг. 5C, при проверке возврата в исходное состояние через некоторое время в момент времени t1=199 миллисекунд происходит сбой возврата блока 5a с сердечником в исходное состояние следующим образом. В этом случае блок 5a с сердечником возвращается в состояние ∫Vdt= -1×∫Vdtsat.In the drawing of FIG. 5B shows the first part of the signal timing diagram in the unbalanced case, which shows (a) the current I 5a of the saturated
На чертеже Фиг. 5D изображена первая часть временной диаграммы сигналов в предпочтительном случае, на которой показан (a) ток I5a блока 5a с насыщаемым сердечником и (b) ток I71 индуктивности 71 из Фиг. 5A и нормированный магнитный поток F51 насыщаемого индуктора 51 из Фиг. 5A, а на чертеже Фиг. 5E изображена вторая часть временной диаграммы сигналов в предпочтительном случае, на которой показан (a) ток I5a блока 5a с насыщаемым сердечником и (b) ток I71 индуктивности 71 из Фиг. 5A и нормированный магнитный поток F51 насыщаемого индуктора 51 из Фиг. 5A. На чертежах Фиг. 5D и Фиг. 5E показан предпочтительный случай, в котором R511=10 мкОм и R711=1 мОм (миллиОм). Как показано на Фиг. 5D, при проверке возврата в исходное состояние через промежуток времени t1=4 миллисекунд блок с сердечником 5a ведет себя следующим образом. В этом случае блок 5a с сердечником возвращается в режим, имеющий состояние насыщения ∫Vdt=0×∫Vdtsat. Как показано на Фиг. 5E, при проверке возврата в исходное состояние через некоторое время в момент времени t1=199 миллисекунд блок 5a с сердечником по-прежнему хорошо возвращается в исходное состояние следующим образом. В этом случае блок 5a с сердечником возвращается в состояние ∫Vdt=0,07×∫Vdtsat.In the drawing of FIG. 5D shows the first part of the signal timing diagram in the preferred case, showing (a) the current I 5a of the saturated
Наконец, упомянуто, что должна наблюдаться зависимость от времени. Из Фиг. 5D также понятно, что ток, текущий в линейном индукторе 71 и в резисторе 711 индуктора, задается интегралом напряжения по времени, которое подается на них во время каждого перехода тока блока 5a с насыщаемым сердечником через ноль. Затем ток, текущий в линейном индукторе 71, сохраняется постоянным, поскольку напряжение на блоке 5a с насыщаемым сердечником становится малым. В этом случае постоянная времени резистивно-индуктивной цепи (RL-цепи) из компонентов 71 и 711, должна быть достаточно большой для удержания тока, удовлетворяя следующим соотношениям:Finally, it is mentioned that a time dependence should be observed. From FIG. 5D it is also clear that the current flowing in the
τ71-711>2×tH, и τ71-711>2×tL,τ 71-711> 2 × t H, and
где tH и tL обозначают значения продолжительности по времени, соответственно, положительного и отрицательного токов в блоке 5a с насыщаемым сердечником. Кроме того, постоянная времени определяется значениями сопротивления R711 и индуктивности L7 следующим образом:where t H and t L denote the values of the time duration, respectively, of the positive and negative currents in
τ71-711=L71/R711 τ 71-711 = L 71 / R 711
В таком случае делают следующий вывод о верхнем пределе:In this case, make the following conclusion about the upper limit:
R711<1/2×L71/tH, и R711<1/2×L71/tL R 711 <1/2 × L 71 / t H, and R 711 <1/2 × L 71 / t L
Кроме того, предпочтительным является даже значительно более высокое сохранение тока. Следовательно, более предпочтительными являются следующие соотношения:Furthermore, even significantly higher current storage is preferred. Therefore, the following ratios are more preferred:
R711<1/4×L71/tH, и R711<1/4×L71/tL.R 711 <1/4 × L 71 / t H, and R 711 <1/4 × L 71 / t L.
Инвертор согласно пятому предпочтительному варианту осуществления изобретения может надежно выполнять правильный сброс блока 5a с насыщаемым сердечником в исходное состояние.An inverter according to a fifth preferred embodiment of the invention can reliably correctly reset a saturated
ШЕСТОЙ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯSIXTH PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
На чертеже Фиг. 6A изображена принципиальная электрическая схема, на которой показана конфигурация инвертора большой мощности с принудительной коммутацией согласно шестому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. В частности, данный предпочтительный вариант осуществления изобретения ориентирован на обратное восстановление обратного диода 22 и обратного диода 24, которые показаны на Фиг. 6A, но с тем же успехом может быть применен для других конфигураций, таких как, например, схема прерывателя, трехуровневый инвертор и т.п. Следует отметить, что контроллер 96 функционирует аналогично функционированию контроллера 92.In the drawing of FIG. 6A is a circuit diagram illustrating a configuration of a high power, high power inverter according to a sixth preferred embodiment of the present invention. In particular, this preferred embodiment of the invention is focused on reverse recovery of the
Высоковольтные обратные диоды 22 и 24 обычно имеют тенденцию становиться "мгновенно действующими", если они рассчитаны на высокую скорость и на низкие потери при обратном восстановлении. Мгновенное действие проявляется в конце процесса обратного восстановления. В этом случае извлечение всех носителей заряда происходит внезапно, а затем обратный ток восстановления падает до тока, равного нулю. Вследствие этого в них наблюдаются большие всплески и колебания избыточного напряжения.High
Характер мгновенного действия сильно зависит от прямого тока, текущего в каждом из диодов 22 и 24. При большом прямом токе при высокой нагрузке каждый из диодов 22 и 24 обычно может иметь относительно плавный характер поведения, но при малом прямом токе он является настолько мгновенного действующим, что он может быть разрушен уже при относительно малой скорости нарастания dI/dt.The nature of the instantaneous action strongly depends on the direct current flowing in each of the
В традиционной схеме из известного уровня техники, которая представляет собой схему прерывателя из Фиг. 1A без блока 5a с насыщаемым сердечником, режим обратного восстановления каждого из диодов 22 и 24 зафиксирован одинаковой скоростью нарастания dI/dt в случае малого и большого прямого тока. Тогда в случае малого прямого тока это приводит к сравнительно большому обратному току восстановления. В этом случае максимум обратного тока восстановления и максимум обратного напряжения восстановления возникают одновременно во времени. Вышеупомянутое условие привязки по времени является характерным для чисто индуктивной нагрузки, и именно она наиболее необходима для диодов 22 и 24.In the conventional circuit of the prior art, which is the circuit breaker of FIG. 1A without
В отличие от традиционной схемы прерывателя инвертор большой мощности с принудительной коммутацией согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения может справиться с трудной ситуацией обратного восстановления в случае малого прямого тока намного лучше, как уже показано на Фиг. 2J. Дальнейшее усовершенствование достигнуто посредством шестого предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения.Unlike the conventional chopper circuit, a high power, high-power inverter according to a second preferred embodiment of the present invention can cope with the difficult situation of reverse recovery in the case of low forward current much better, as already shown in FIG. 2J. Further improvement has been achieved through a sixth preferred embodiment of the present invention.
На чертеже Фиг. 6B изображена временная диаграмма сигналов, на которой показано напряжение V5a блока 5a с насыщаемым сердечником из Фиг. 6A, а также напряжение V22 и ток I22 обратного диода 22 из Фиг. 6A, когда схема 3 фиксации уровня содержит фиксирующий резистор 331 с типичной индуктивностью 331a рассеяния фиксирующего резистора, равной 1,5 мкГн (микрогенри). Выходной ток Iout установлен равным Iout=100 A.In the drawing of FIG. 6B is a signal timing diagram showing the voltage V 5a of the saturated
Инвертор большой мощности с принудительной коммутацией согласно шестому предпочтительному варианту осуществления изобретения особо ориентирован на такую трудную ситуацию обратного восстановления в случае малого прямого тока. Шестой предпочтительный вариант осуществления изобретения дополнительно содержит схему 33 сброса напряжения уровня фиксации, которая состоит из схемы параллельного соединения, содержащей следующие схемы:A forced-switched high power inverter according to a sixth preferred embodiment of the invention is particularly oriented to such a difficult reverse recovery situation in the case of a small forward current. The sixth preferred embodiment of the invention further comprises a clamp
(a) схему параллельного соединения, содержащую фиксирующий резистор 331 и индуктивность 331a рассеяния (или эквивалентную индуктивность) фиксирующего резистора; и(a) a parallel connection circuit comprising a
(b) схему параллельного соединения из резистивно-емкостной цепи (RC-цепи) с низким полным сопротивлением, которая содержит резистор 333, ограничивающий импульсы, импульсный конденсатор 334 и индуктивность 334a рассеяния.(b) a low impedance resistive-capacitive circuit (RC) parallel circuit, which includes a
Вышеупомянутая резистивно-емкостная (RC) цепь рассчитана таким образом, что наибольший вклад в общий ток схемы 33 сброса напряжения уровня фиксации она вносит в самом начале приема изменения напряжения. Это приводит к тому, что резистивно-емкостная цепь увеличивает обратный ток восстановления диода в самом начале, а позже она добавляет демпфирование к индуктивности 331a рассеяния фиксирующего резистора.The aforementioned resistive-capacitive (RC) circuit is designed in such a way that it makes the greatest contribution to the total current of the
На чертеже Фиг. 6C изображена временная диаграмма сигналов, на которой показано напряжение V5a блока 5a с насыщаемым сердечником из Фиг. 6A, а также напряжение V22 и ток I22 обратного диода 22 из Фиг. 6A, когда непосредственно в самом начале происходит усиление обратного тока восстановления, текущего через диод, а позже к индуктивности рассеяния фиксирующего резистора 331a добавлено демпфирование. Как показано на Фиг. 6C, обратное восстановление обратного диода 22 (или 24) стало чрезвычайно плавным и обеспечена чрезвычайно хорошая поддержка для диода 22 (или 24) во время накопления заряда.In the drawing of FIG. 6C is a signal timing chart showing the voltage V 5a of the saturated
СЕДЬМОЙ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯSEVENTY PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
На чертеже Фиг. 7A изображена принципиальная электрическая схема, на которой показана конфигурация инвертора большой мощности с принудительной коммутацией согласно седьмому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Данный предпочтительный вариант осуществления изобретения ориентирован на уменьшение потерь. Следует отметить, что контроллер 97 функционирует аналогично функционированию контроллера 92.In the drawing of FIG. 7A is a circuit diagram illustrating a configuration of a high power forced-switching inverter according to a seventh preferred embodiment of the present invention. This preferred embodiment of the invention is aimed at reducing losses. It should be noted that the
На чертеже Фиг. 7B изображена временная диаграмма сигналов в случае без наличия какого-либо сердечника 336, вызывающего задержку, на которой показано напряжение V5a блока 5a с насыщаемым сердечником, напряжение V5b блока 5b с насыщаемым сердечником, напряжение V22 и ток I22 обратного диода 22, и ток I33 схемы 33 сброса напряжения уровня фиксации. В этом случае выходной ток Iout установлен равным Iout=3000 A.In the drawing of FIG. 7B is a timing diagram of signals in the case without any core 336 causing a delay, which shows the voltage V 5a of the saturated
Из Фиг. 7B понятно, что при высоком токе нагрузки в схеме 33 сброса напряжения уровня фиксации в течение относительно длительного промежутка времени (t1-t2) протекает относительно большой ток без какого-либо влияния на обратное восстановление соответствующих обратных диодов 22 и 24. Промежуток времени (t1-t2) порожден переходом блока 5b с насыщаемым сердечником из одного состояния в другое, который позволяет устройству 21 запираемого вентиля питаться током из схемы 3 фиксации уровня. Вышеупомянутый электрический ток вызывает рассеяние мощности в схеме 33 сброса напряжения уровня фиксации.From FIG. 7B, it is understood that at a high load current in the
Согласно седьмому предпочтительному варианту осуществления изобретения в линию фиксирующего резистора 331 и индуктивности 331a рассеяния фиксирующего резистора дополнительно введен сердечник 336, вызывающий задержку. Вышеупомянутым сердечником 336, вызывающим задержку, может являться просто другой насыщаемый сердечник. Однако действующее значение тока, текущего в сердечнике 336, вызывающем задержку, является значительно меньшим, чем ток, текущий в каждом из основных блоков 5a, 5b и 5c с насыщаемым сердечником. Следовательно, сердечник 336, вызывающий задержку, может быть выполнен значительно меньшим, чем сердечник каждого из блоков 5a, 5b и 5c с насыщаемым сердечником.According to a seventh preferred embodiment of the invention, a delay core is additionally inserted into the line of the fixing
На чертеже Фиг. 7C изображена временная диаграмма сигналов в случае с наличием сердечника 336, вызывающего задержку, на которой показано напряжение V5a блока 5a с насыщаемым сердечником, напряжение V5b блока 5b с насыщаемым сердечником, напряжение V22 и ток I22 обратного диода 22, и ток I33 схемы 33 сброса напряжения уровня фиксации. Из чертежа Фиг. 7C понятно, что сердечник 336, вызывающий задержку, задерживает ток I33, текущий в ограничительном резисторе 331. Вследствие этого достигнуто уменьшение потерь, в особенности, при большом рабочем токе.In the drawing of FIG. 7C shows a timing diagram of signals in the case of a
ПРИГОДНОСТЬ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ЦЕЛЯХSUITABILITY FOR INDUSTRIAL PURPOSES
Как подробно изложено выше, согласно вышеупомянутому устройству инвертора большой мощности с принудительной коммутацией, поскольку в устройстве инвертора с принудительной коммутацией, которое имеет встроенное четко определенное исходное состояние и принудительное воздействие, используют блок с насыщаемым сердечником, то при четко определенном применении может быть реализовано четко определенное функционирование почти в любых условиях. Вследствие этого может быть реализовано надежное управление током обратного восстановления диода.As described in detail above, according to the aforementioned device of a high power inverter with forced switching, since the device of the inverter with forced switching, which has a built-in clearly defined initial state and forced action, use a block with a saturable core, a well-defined application can be realized functioning in almost any environment. As a result, reliable control of the reverse recovery current of the diode can be realized.
Claims (13)
по меньшей мере, одну анодную индуктивность рассеяния, соединенную последовательно с конденсатором связи по постоянному току;
по меньшей мере, одно плечо переключателя, включающее в себя схему последовательного соединения, по меньшей мере, одного устройства запираемого вентиля и, по меньшей мере, одного обратного диода;
по меньшей мере, одну схему фиксации уровня, включающую в себя, по меньшей мере, один фиксирующий конденсатор, по меньшей мере, один фиксирующий диод и, по меньшей мере, одну схему сброса напряжения уровня фиксации, которая включает в себя, по меньшей мере, один резистор и, по меньшей мере, один блок с насыщаемым сердечником,
в котором упомянутый, по меньшей мере, один блок с насыщаемым сердечником имеет одну из линейной характеристики насыщения и плавной характеристики насыщения, каждая из которых имеет ток насыщения, равный Isat, и в котором ток насыщения Isat установлен таким образом, что он является большим, чем ток смещения, создаваемый вследствие скорости нарастания dVm, при емкости C31 упомянутого, по меньшей мере, одного фиксирующего конденсатора, чтобы удовлетворялось соотношение
IRout>Isat>C31×dVm.1. The device is a high power inverter with forced switching, having a maximum rated output current I Rout , comprising: at least one DC coupling capacitor having a voltage ripple characterized by a maximum value dV m of the absolute value of the slew rate dV DC / dt, which satisfies the relation dV m ≤ dV DC / dt≤dV m ;
at least one anode dissipation inductance connected in series with the coupling capacitor for direct current;
at least one switch arm including a series connection of at least one lockable valve device and at least one reverse diode;
at least one level fixing circuit including at least one fixing capacitor, at least one fixing diode and at least one fixing level voltage reset circuit, which includes at least one resistor and at least one saturable core block,
wherein said at least one saturable core unit has one of a linear saturation characteristic and a smooth saturation characteristic, each of which has a saturation current equal to I sat , and wherein a saturation current I sat is set so that it is large than the bias current generated due to the slew rate dV m , with capacitance C 31 of the at least one fixing capacitor, so that the ratio
I Rout > I sat > C 31 × dV m .
IRout>Isat>4×C31×dVm.2. The high power inverter device with forced switching according to claim 1, in which the saturation current I sat is set in such a way that satisfies the relation
I Rout > I sat > 4 × C 31 × dV m .
в котором ток насыщения Isat установлен таким образом, что удовлетворяет соотношению
IRout/5>Isat>C31×dVm.3. The device is a high power inverter with forced switching according to claim 1 or 2,
in which the saturation current I sat is set in such a way that satisfies the relation
I Rout / 5> I sat > C 31 × dV m .
IRout/5>Isat>4×C31×dVm.4. The high-power inverter device with forced switching according to claim 1 or 2, in which the saturation current I sat is set in such a way that satisfies the relation
I Rout / 5> I sat > 4 × C 31 × dV m .
(IDC5a×R511)/R711≤1/2×Isat и
R711<1/2×L71/tH и R711<1/2×L71/tL.8. The device of the high-power inverter with forced switching according to claim 7, in which in said at least one block with a saturable core flows the maximum DC component I DC5a , in which said at least one block with a saturable core contains at least one saturable core bus resistance R 511 and at least one inductor resistance R 711 , and wherein said at least one saturable core bus resistance R 511 and said at least at least one inductor resistance R 711 is set in such a way that they satisfy the equations below, where t H is the duration of the positive current and t L is the duration of the negative current flowing in the saturable core block:
(I DC5a × R 511 ) / R 711 ≤1 / 2 × I sat and
R 711 <1/2 × L 71 / t H and R 711 <1/2 × L 71 / t L.
(IDC5a×R511)/R711≤1/2×Isat и
R711<1/4×L71/tH и R711<1/4×L71/tL.9. The high-power forced-switching inverter device of claim 8, wherein said at least one saturated core bus resistance R 511 and said at least one inductor resistance R 711 are set in such a way that they satisfy the following equations:
(I DC5a × R5 11 ) / R 711 ≤1 / 2 × I sat and
R 711 <1/4 × L 71 / t H and R 711 <1/4 × L 71 / t L.
(IDC5a×R511)/R711≤1/5×Isat и
R711<1/2×L71/tH и R711<1/2×L71/tL.10. The high-power forced-switching inverter device of claim 8, wherein said at least one saturated core bus resistance R 511 and said at least one inductor resistance R 711 are set in such a way that they satisfy the following equations:
(I DC5a × R 511 ) / R 711 ≤1 / 5 × I sat and
R 711 <1/2 × L 71 / t H and R 711 <1/2 × L 71 / t L.
(IDC5a×R511)/R711≤1/5×Isat и
R711<1/4×L7l/tH и R711<1/4×L71/tL.11. The forced-switching high-power inverter device of claim 8, wherein said at least one saturated core bus resistance R 511 and said at least one inductor resistance R 711 are set in such a way that they satisfy the following equations:
(I DC5a × R 511 ) / R 711 ≤1 / 5 × I sat and
R 711 <1/4 × L 7l / tH; and R 711 <1/4 × L 71 / t L.
в котором упомянутая, по меньшей мере, одна схема сброса напряжения уровня фиксации дополнительно содержит, по меньшей мере, один фиксирующий резистор, по меньшей мере, один импульсный конденсатор и, по меньшей мере, один резистор, ограничивающий импульсы.12. The device is a high power inverter with forced switching according to claim 1 or 2,
wherein said at least one fixation level voltage reset circuit further comprises at least one fixing resistor, at least one pulse capacitor and at least one pulse limiting resistor.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009132468/09A RU2400916C1 (en) | 2007-01-30 | 2007-01-30 | Design of inverter with forced switching |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009132468/09A RU2400916C1 (en) | 2007-01-30 | 2007-01-30 | Design of inverter with forced switching |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2400916C1 true RU2400916C1 (en) | 2010-09-27 |
Family
ID=42940558
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009132468/09A RU2400916C1 (en) | 2007-01-30 | 2007-01-30 | Design of inverter with forced switching |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2400916C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU168787U1 (en) * | 2016-05-17 | 2017-02-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" | THREE-PHASE THREE-LEVEL VOLTAGE INVERTER CONTROL DEVICE WITH FIXED NEUTRAL POINT |
-
2007
- 2007-01-30 RU RU2009132468/09A patent/RU2400916C1/en active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU168787U1 (en) * | 2016-05-17 | 2017-02-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" | THREE-PHASE THREE-LEVEL VOLTAGE INVERTER CONTROL DEVICE WITH FIXED NEUTRAL POINT |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2599261C2 (en) | Submodule for modular multistage frequency converter | |
JP3422002B2 (en) | DC-DC converter circuit and inductive load drive device using the DC-DC converter circuit | |
EP0975084B1 (en) | Method and apparatus for switching circuit system including a saturable core device | |
US6563723B2 (en) | Fault tolerant power supply circuit | |
US7315439B2 (en) | Method and circuit arrangement for limiting an overvoltage | |
AU2002327436A1 (en) | Fault tolerant power supply circuit | |
US20040052011A1 (en) | Arc suppression circuit for electrical contacts | |
US20160336743A1 (en) | Methods and systems of impedance source semiconductor device protection | |
US5063488A (en) | Switching power source means | |
RU2139620C1 (en) | Current limiter | |
US6373732B1 (en) | Apparatus and method for parallel synchronous power converters | |
EP0399313A2 (en) | Inverter circuit utilizing the reserve voltage capabilities of symmetrical gate turn off thyristors | |
JPS5895979A (en) | Reactive snubber circuit for inductive load clamp diode | |
RU2400916C1 (en) | Design of inverter with forced switching | |
US5952738A (en) | Switching circuit for an inductive load | |
US9537394B2 (en) | Switch protection i auxiliary resonant circuit | |
EP1396926A1 (en) | DC-DC converter with active clamp circuit | |
JP4630904B2 (en) | Self-excited inverter device | |
JP3390602B2 (en) | DC / DC converter device | |
WO2020132440A1 (en) | Intrinsically safe circuitry | |
US10754366B2 (en) | Power switching circuits having a saturable inductor | |
US11558050B2 (en) | Switching arrangement | |
US20030169023A1 (en) | Circuit for reducing switching losses in electronic valves | |
US20230012109A1 (en) | Over-voltage protection circuitry | |
KR100286952B1 (en) | Current limiter |