SU1481872A1

SU1481872A1 - High-voltage semiconductor switch

Info

Publication number: SU1481872A1
Application number: SU874194443A
Authority: SU
Inventors: Дмитрий Апполонович Румянцев; Нина Георгиевна Опарникова; Владимир Константинович Иванов
Original assignee: Проектно-конструкторское бюро электрогидравлики АН УССР
Priority date: 1987-02-16
Filing date: 1987-02-16
Publication date: 1989-05-23

Abstract

Изобретение относитс к электротехнике и может быть использовано в экспериментальной физике, а также в р де отраслей промышленности ,в частности, в электрогидравлических установках дл коммутации больших энергий. Цель изобретени - повышение надежности и улучшение условий эксплуатации. Дл этого в коммутаторе корпус выполнен в виде цилиндра 1 с герметичными крышками - нижней 2 и верхней 3 и заполнен охлаждающей жидкостью 4. К внутренней части верхней крышки жестко прикреплен вентильный столб. Полупроводниковыми элементами его служат тиристоры, чередующиес с дисковыми охладител ми, на поверхности которых размещены блоки управлени и демпфирующие RC- цепочки. Дисковые охладители соединены попарно друг с другом с помощью ст жных узлов. С целью улучшени работы в услови х тр ски и вибрации между корпусом и нижним дисковым охладителем вентильного столба к последнему с помощью болтов 16 своей верхней частью жестко крепитс электроизол ционный фиксирующий диск 17. По поверхности фиксирующего диска расположены сквозные отверсти , служащие дл перетекани охлаждающей жидкости к наружной поверхности компенсационной диафрагмы 20. Дл компенсации избыточного давлени , создаваемого охлаждающей жидкостью в процессе работы коммутатора, служит воздушна полость, образованна нижней съемной крышкой 2 и компенсационной диэлектрической диафрагмой 20. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.The invention relates to electrical engineering and can be used in experimental physics, as well as in a number of industries, in particular, in electrohydraulic installations for switching high energies. The purpose of the invention is to increase reliability and improve operating conditions. To do this, in the switch case is made in the form of a cylinder 1 with hermetic covers - the bottom 2 and the top 3 and filled with coolant 4. A valve column is rigidly attached to the inside of the top cover. The semiconductor elements of it are thyristors alternating with disk coolers, on the surface of which control blocks and damping RC circuits are placed. Disk coolers are connected in pairs with each other using expansion nodes. In order to improve the operation under conditions of vibration and vibration between the casing and the lower disk cooler of the valve column, an electrically insulating fixing disk 17 is rigidly fixed to the latter by means of bolts 16. Through holes of the fixing disk are located on the surface of the fixing disk. the outer surface of the compensating diaphragm 20. To compensate for the excess pressure created by the coolant during the operation of the switch, an air cavity is formed bo ttom removable cover 2 and the compensating dielectric diaphragm 20. ZP 2 f-ly, 5 ill.

Description

1one

Изобретение относитс к электротехнике и может быть использовано в экспериментальной физике, а также в р де отраслей промышленности, в част- ности в электрогидравлических установках дл коммутации больших гий.The invention relates to electrical engineering and can be used in experimental physics, as well as in a number of industries, in particular, in electrohydraulic installations for switching large gy.

Цель изобретени - повышение надежности и улучшение условий эксплуа- тации.The purpose of the invention is to increase reliability and improve operating conditions.

На фиг,1 представлен коммутатор, общий вид; на фиг.2 - то же, продольный разрез; на фиг.З - сечение А-А на фиг,2; на фиг.4 - разрез Б-В на фиг.З крепление импульсного трансформатора управлени к дисковому охладителю ) ; на фиг.З - разрез В-В на фиг.З (ст жной узел, с помощью которого попарно друг к другу креп тс дисковые охладители).Fig, 1 shows the switch, a general view; figure 2 is the same, a longitudinal section; on fig.Z - section aa on fig, 2; Fig. 4 shows a section B-B in Fig. 3: a fastening of a pulse control transformer to a disk cooler); Fig. 3 shows a section B-B in Fig. 3 (a clamping unit with which disk coolers are fixed in pairs to each other).

В высоковольтном полупроводниковом коммутаторе корпус выполнен в виде полого цилиндра 1 с герметичными крышками - нижней 2 и верхней 3 и за- полней охлаждающей жидкостью.4. К внутренней части верхней крышки жестко прикреплен вентильный столб. Полупроводниковыми элементами его служат тиристоры 5, чередующиес с дисковыми охладител ми 6, на поверхности которых закреплены блоки управлени , включающие импульсные трансформаторы 7 управлени и демпфирующие RC-цепочки , конденсаторы 8, резисторы 9 и ва- ристоры 10. Импульсные трансформаторы 7 управлени выполнены на ферритовых кольцах, первична обмотка представл ет собой отрезок кабел 11, а вторична обмотка состоит из шестнадцати витков обмоточного провода.In a high-voltage semiconductor switch, the case is made in the form of a hollow cylinder 1 with hermetic caps — the bottom 2 and top 3 and the full cooling liquid.4. A valve post is rigidly attached to the inside of the top cover. Its semiconductor elements are thyristors 5, alternating with disk coolers 6, on the surface of which control units are fixed, including pulse control transformers 7 and damping RC chains, capacitors 8, resistors 9 and varistors 10. Control pulse transformers 7 are made on ferrite the rings, the primary winding is a length of cable 11, and the secondary winding consists of sixteen turns of winding wire.

Дисковые охладители с расположенными между ними тиристорами с помощью ст жных узлов 12 соединены попарно друг с другом и равномерно расположены по высоте столба, что позвол ет обеспечить равномерное прижатие всех тиристоров и их более надежную работу .Disk coolers with thyristors located between them are connected in pairs with each other by means of clamping nodes 12 and evenly spaced along the height of the column, which ensures uniform pressure of all thyristors and their more reliable operation.

Ст жной узел 12 состоит из двух крепежных болтов 13 и 14, имеющих один правую, другой левую резьбы, и ст гивающей втулки 15, имеющей внутреннюю резьбу - с одной стороны правую , с другой левую. Наружна поверхность втулки имеет форму шестигранника , под ключ.The attachment assembly 12 consists of two fastening bolts 13 and 14, having one right and another left thread, and a tightening sleeve 15, having an internal thread — on the one hand right, and on the other hand left. The outer surface of the sleeve is hexagonal, turnkey.

Така конструкци ст жного узла дает возможность быстрой замены вышедшего из стро полупроводникового элемента без разборки всего вентильного столба.Such a structure of the clamping unit allows fast replacement of a failed semiconductor element without disassembling the entire valve column.

С целью улучшени работы коммутатора в услови х тр ски и вибрации, а также дл предотвращени электрического контакта между корпусом и нижним дисковым охладителем вентильного столба к последнему с помощью болтов 16 своей верхней частью жестко кре-, питс электроизол ционный фиксирующий диск 17, выполненный в виде усеченного конуса. Нижн часть диска через резиновую прокладку 18 упираетс в приваренное к стакану кольцо 19. По поверхности фиксирующего диска расIn order to improve the operation of the switch under conditions of vibration and vibration, as well as to prevent electrical contact between the housing and the lower disk cooler of the valve column to the latter, the electrically insulating fixing disk 17, made in the form of truncated cone. The lower part of the disk through the rubber gasket 18 abuts against the ring 19 welded to the glass. On the surface of the fixing disk

положены сквозные отверсти , служащие дл перетекани охлаждающей жидкости к наружной поверхности компенсационной диафрагмы 20. Дл компенсации избыточного давлени , создаваемого охлаждающей жидкостью в процессе работы коммутатора, служит воздушна полость, образованна нижней съемной крышкой 2 и компенсационной диэлектрической диафрагмой 20. Крепление диафрагмы с одновременной герметизацией нижней части корпуса осуществл етс прижатием нижней крышки с помощью болтов 21 к приваренному кольцу.through holes are provided to allow the coolant to flow to the outer surface of the compensation diaphragm 20. To compensate for the excess pressure created by the cooling liquid during switch operation, an air cavity formed by the lower removable cover 2 and the compensation dielectric diaphragm 20 is mounted. part of the body is carried out by pressing the bottom cover with bolts 21 to the welded ring.

Верхн крышка 3 через резиновую прокладку 22 с помощью болтов 22 крепитс к фланцу 24, приваренному к . верхней части цилиндрического стака- на.The top cover 3 is fastened to the flange 24 welded to the flange through a rubber gasket 22 by means of bolts 22. the upper part of the cylindrical glass.

Подключение коммутатора к силовой цепи и к цепи управлени осуществл етс с помощью высоковольтного герметичного ввода 25, прикрепленного с помощью болтов 26 к верхней крышке.The switch is connected to the power circuit and to the control circuit by means of a high-voltage hermetic lead-in 25, attached with bolts 26 to the top cover.

Дл заполнени корпуса охлаждающей жидкостью в верхней крьпцке 3 расположены два отверсти , в которые вкручиваютс концевые штуцеры 27 с закрепленными на них ниппел ми 28 дл присоединени рукавов. С целью обеспечени более интенсивного охлаждени штуцеры могут быть использованы дл прокачки охлаждающей жидкости через коммутатор. При необходимости эти отверсти можно заглушить пробками.In order to fill the body with coolant, two holes are located in the upper chamber 3, into which the end fittings 27 are screwed with nipples 28 fixed to them to attach the sleeves. In order to provide more intensive cooling, the fittings can be used to pump coolant through the switch. If necessary, these holes can be plugged with plugs.

.Коммутатор работает следующим образом .40The switch operates as follows .40

Высокое напр жение (до 10 кВ) от накопител и сигналы управлени подаютс на высоковольтный многоканальный ввод 25, к одной из клемм которого подключена нагрузка. Поскольку ти- 45 ристоры 5, составл ющие вентильный столб коммутатора, имеют четырехслой- ную структуру полупроводника с чередующимс типом электропроводности, то при подключении к тиристору напр - CQ жени крайние p-n-переходы включаютс в пр мом направлении, средний р-п- переход в обратном направлении и тиристор находитс в закрытом состо -. , нии, которое характеризуетс большим „ напр жением и прохождением малых то- ков через него. Следовательно, весь вентильный столб находитс в выключенном состо нии.A high voltage (up to 10 kV) from the accumulator and control signals are fed to the high voltage multichannel input 25, to one of the terminals of which the load is connected. Since the thyristors 5, which make up the switch column of the switch, have a four-layer semiconductor structure with an alternating type of electrical conductivity, when connected to a thyristor, for example, the pitch line CQ switches in the forward direction, the middle pn junction in the opposite direction and the thyristor is closed. , nii, which is characterized by high voltage and the passage of small currents through it. Consequently, the entire valve column is in the off state.

Q 5 Q 5

0 0

5 five

Q Q

5five

00

5 Q 5 Q

Чтобы перевести тиристоры вентильного столба в открытое состо ние, необходимо накопление в каждом тиристоре избыточного отрицательного зар да электродов в n-базе и избыточного положительного зар да дырок в Р-базе. Осуществл етс это с помощью подачи на управл ющий электрод каждого тиристора импульса напр жени . Так как коммутатор предназначен дл коммута- , ции больших импульсных токов,необходимо одновременное включение всех тиристоров вентильного столба.In order to transfer the thyristors of the valve column to the open state, it is necessary to accumulate in each thyristor an excess negative charge of the electrodes in the n-base and an excess positive charge of the holes in the P-base. This is accomplished by applying a voltage pulse to each control thyristor on the control electrode. Since the switch is intended for switching high impulse currents, it is necessary to simultaneously turn on all the thyristors of the valve column.

Поэтому управление тиристорами осуществл етс следующим образом: управл ющий импульс подаетс на высоковольтный многоканальный ввод 25, коммутатора , к которому подключена пер- . вична обмотка импульсного трансформатора управлени . Вторичные обмотки трансформаторов 7 подключены к каждо- му тиристору 5. При подаче импульса управлени происходит отпирание каждого тиристора вентильного столба и коммутатор включаетс , коммутиру накопленную в накопител х энергию в нагрузку .Therefore, the thyristors are controlled as follows: a control pulse is applied to the high-voltage multichannel input 25, the switch to which the switch is connected. The winding of the pulse control transformer is immaterial. The secondary windings of the transformers 7 are connected to each thyristor 5. When a control pulse is applied, each thyristor of the valve column is unlocked and the switch is turned on, switching the energy stored in the accumulators to the load.

Вследствие неоднородности структуры полупроводниковых элементов существует разброс времени включени у тиристоров. Дл исключени выхода их из стро применены шунтирующие RC-цепочки 8 и 9. При работе коммутатора в составе генератора импульсных токов возможны перенапр жени . На тиристорах дл их исключени , а также дл выравнивани напр жени на тиристорах в статическом режиме, примен ютс шунтирующие варисторы 10. Если доб- .ротность разр дного контура обеспечивает синусоидальный характер разр да , то возможно ступенчатое регулирование энергии, выдел емой в нагрузке , с помощью изменени длительности времени включени тиристора, так как тиристоры 5 - диоды, из которых набран вентильный столб коммутатора, имеют следующую особенность при комг. мутации токов синусоидальной формы. Если длительность управл ющего сигнала меньше периода разр дного тока, то .тиристор-диод пропустит лишь первый период разр дного тока. При увеличении длительности импульса управлени увеличитс и количество периодов разр дного тока, выдел ющихс в нагруз--. ке.Due to the heterogeneity of the structure of semiconductor elements, there is a variation in the turn-on time of thyristors. Shunt RC chains 8 and 9 are used to prevent them from breaking out. When the switch operates as part of a pulse current generator, overvoltages are possible. On thyristors, in order to exclude them, as well as to equalize the voltage on the thyristors in a static mode, shunt varistors 10 are used. If the Q-factor of the discharge circuit ensures the sinusoidal nature of the discharge, then stepwise regulation of the energy released in the load with by changing the duration of the thyristor on time, since the thyristors 5 - the diodes of which the switch column of the switch is recruited, have the following feature when comg. mutations of sinusoidal currents. If the duration of the control signal is less than the period of the discharge current, then the thyristor-diode will miss only the first period of the discharge current. As the duration of the control pulse increases, the number of discharge current periods released into the load will also increase. ke.

Тепловой режим коммутатора характеризуетс максимальной установившейс температурой. Кремневые структуры позвол ют довести ее до 100°С, не измен своих параметров, нагрев до такой температуры вызовет увеличение объема охлаждающей жидкости 4 в случае охлаждени корпуса коммутатора внешней средой на 0,5 л. Дл компенсации этого объема необходима гибка компенсационна система, роль которой выполн ет компенсационна диафрагма 20.The thermal mode of the switch is characterized by a maximum steady state temperature. Flint structures make it possible to bring it to 100 ° C without changing its parameters; heating to such a temperature will cause an increase in the volume of coolant 4 in the case of cooling the switch body by the external medium by 0.5 liters. To compensate for this volume, a flexible compensation system is needed, the role of which is performed by the compensation diaphragm 20.

Система охлаждени коммутатора позвол ет эксплуатировать его с повышенными частотами (до 100 Гц), обеспечива при этом заданный перегрев структур полупроводниковых вентилей (тиристоров). Тем самым значительно повышаетс надежность работы коммутатора в целом.The switch cooling system allows it to be operated at higher frequencies (up to 100 Hz), while providing a predetermined overheating of the structures of semiconductor gates (thyristors). This greatly increases the reliability of the switch as a whole.

Использование предлагаемого решени позвол ет повысить надежность и улучшить услови эксплуатации коммутатора за счет обеспечени более интенсивного охлаждени тиристоров.по высоте вентильного столба, обеспечивает оперативное изменение частоты срабатывани тиристоров, значительно ускор ет замену любых вышедших из стро элементов.The use of the proposed solution allows to increase the reliability and improve the operating conditions of the switch by providing more intensive cooling of the thyristors. At the height of the valve column, it provides an operative change in the frequency of thyristors operation, significantly accelerates the replacement of any out of order elements.

Формула и 3j обретени Formula and 3j gain

Claims

1. A high-voltage semiconductor switch containing a valve pole consisting of thyristors, which, together with the appropriate control units and damping RS-chains, is placed in a closed case made in the form of a cylinder and filled with a cooling fluid, which is in order to increase reliability and improve operating conditions, it is equipped with disk coolers and clamping units, and the casing is made with lower and upper covers, and the valve post thyristors alternate with cooling chambers, on top of which are located control blocks and damping RC-chains, disk coolers are connected in pairs with each other using tension nodes and are evenly distributed along the height of the column, which is rigidly fixed on the upper case cover.

2. The switch according to claim 1, about tl and h and h - 5 y and with the fact that it is equipped with an electrically insulating locking disk, on the surface of which through holes are made, rigidly connected, - other with the lower cooler of the valve pillar.

3. The switch according to claim 1, about t l and h a-y y and with the fact that it is equipped with a dielectric compensation membrane installed in the lower part g of the housing between the locking disk and the lower cover with the formation between it and the last air cavity.

Zi

SI

2 818Vl

6-B turned

FIG. J

pulled

FI.5