Коммутация электрической мощности с эффективной защитой переключателя

Коммутация электрической мощности с эффективной защитой переключателя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение в основном относится к электросиловым системам, таким как силовые генераторы, силовые модуляторы и тому подобное, и в частности касается проблемы коммутации электрической мощности и защиты переключателей в таких системах.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Электросиловые системы применяются практически во всех отраслях промышленности, и обычно в их состав входит некое коммутирующее оборудование для управляемой передачи электроэнергии или электрической мощности на нужную нагрузку. Коммутация электрической мощности используется в самых разнообразных приложениях, таких как локомотивы, автомобили, конвейеры, эскалаторы и лифты, оборудование для кондиционирования воздуха, бытовые электроприборы, СВЧ приборы, медицинское оборудование, лазерные оптические приводы и радары.

Примером обычных силовых систем является силовой модулятор, который представляет собой устройство, которое управляет потоком электроэнергии. Если силовой модулятор предназначен для создания электрических импульсов, то он также называется импульсным модулятором или импульсным генератором. В наиболее обычном своем применении силовой модулятор подает серию высокомощных электрических импульсов на выбранную нагрузку. Например, такие мощные электрические импульсы применяются для подачи энергии на лампы усилителей СВЧ в системах ускорителей электронов и/или в системах генерирования волн СВЧ, применяющихся, например, в медицине и радиолокации. В большинстве мощных радиолокаторов модуляторы используются для подачи силовых импульсов на источник волн СВЧ, который, в свою очередь, подает энергию в виде периодических пачек СВЧ импульсов в антенну. Разумеется, существуют другие различные варианты применения. Также следует отметить, что к качеству генерируемых импульсов могут предъявляться высокие требования. Среди рассматриваемых параметров можно упомянуть энергию импульса, длительность импульса, время нарастания, время спада и равномерность импульса.

Конструкция силовых модуляторов не сильно изменилась со времен второй мировой войны. Как правило, силовой модулятор состоит из источника мощности, на который поступает питание от электросети переменного тока и который повышает напряжение, преобразует переменный ток в постоянный и далее подает питание на накопитель, обычно состоящий из конденсаторной батареи. Это необходимо потому, что входная линия электропитания обычно не может обеспечить требуемую пиковую мощность, и указанная пиковая мощность небольшими порциями берется из накопителя, а в самом накопителе происходит постоянное восполнение или восстановление за счет источника питания постоянного тока при намного меньшем энергопотреблении. Часть энергии из накопителя затем передается на второй, меньший накопитель, так называемый формирователь импульсов (ФИ), который состоит из нескольких взаимосвязанных катушек индуктивности и конденсаторов.

ФИ быстро заряжается, к примеру, до 20 кВ, и затем на мгновение соединяется с импульсным трансформатором посредством высоковольтного переключателя для подачи на импульсный трансформатор половины зарядного напряжения. Высоковольтный переключатель обычно представляет собой плазменный переключатель или переключатель на ионизированном газе, например, водородный тиратрон, который можно только включить, но нельзя выключить. Далее, от ФИ требуется создать импульс и подать мощность в нагрузку в виде прямоугольного импульса, имеющего относительно малое время нарастания и время спада по сравнению с длительностью импульса. ФИ разряжается в режиме бегущей волны, то есть волна электрического импульса идет от замкнутого конца к "разомкнутому" концу, отражается от указанного разомкнутого конца и идет обратно на замкнутый конец, забирая при прохождении энергию из конденсаторов накопителя энергии и подавая ее на импульсный трансформатор. Импульс оканчивается, когда бегущая волна проходит ФИ в обоих направлениях, и из схемы извлекается вся запасенная энергия. Напряжение ФИ до переключения равно V, а напряжение, подаваемое на первичную обмотку импульсного трансформатора, равно V/2 или немного меньше.

В случае отказа какого-либо из компонентов ФИ, после замены указанного компонента необходимо заново настроить ФИ для получения оптимальной формы импульса. Это утомительная и опасная работа, поскольку она должна выполняться при включенном высоком напряжении ФИ. Кроме этого, если нужна разная длительность импульса, то необходимо заменить и/или заново настроить весь блок формирователя импульсов.

После подачи импульса формирователь импульсов должен полностью перезарядиться до напряжения V для подачи следующего импульса. Для сохранения повторяемости от импульса к импульсу в районе нескольких десятых долей процента необходимо высокоточное управление большим зарядным напряжением. Кроме того, полный заряд и полный разряд конденсаторов формирователя импульсов в каждом импульсе, который генерируется с частотой от нескольких сотен до нескольких тысяч раз в секунду, предъявляет особые требования к диэлектрическим материалам указанных конденсаторов, в результате чего конденсаторы приходится выполнять с очень низкими механическими напряжениями и, следовательно, с малой плотностью энергии. В результате этого формирователь импульсов представляет собой достаточно объемную конструкцию.

Все традиционные силовые модуляторы, работающие на высоковольтных переключателях формирователей импульсов, например, тиратронах или кремниевых управляемых выпрямителях, не защищены от короткого замыкания в нагрузке (что происходит достаточно часто, например, при работе магнетронных ламп). Поскольку эти модуляторы не могут быть выключены во время импульса, возможно возникновение очень больших токов повреждения, которые могут вывести из строя как модулятор (особенно упомянутые переключатели), так и нагрузку. При этом отсутствует возможность прервать подачу тока, поскольку высоковольтные формирователи импульсов не могут быть выключены до тех пор, пока величина тока не достигнет нуля.

Дополнительную информацию по традиционным импульсным генераторам можно найти в 5-м томе серии документов по радарам M.I.Т. Radiation laboratory: "Pulse Generators" (Импульсные генераторы), под редакцией Glasoe и LeBacqz, Wiley, N.Y. (конец 1940-х годов).

Патент США 5,905,646 относится к новой концепции силового модулятора, в котором используется один или более переключателей 20 с электронным управлением для более или менее непосредственного подключения и отключения источника 10 мощности к импульсному трансформатору 30 и/или нагрузке 40, как схематично показано на фиг.1. Источник 10 мощности образован одним или более конденсаторами накопителя энергии, заряжаемыми от источника питания постоянного тока. Длительностью импульса управляет схема 22 управления, которая включает переключатель для обеспечения начала импульса и выключает его для прекращения импульса. Для обеспечения достаточной равномерности импульса может использоваться специальная схема, которая компенсирует падение напряжения в ходе разряда конденсатора. Этот новый тип модулятора, который иногда называют LCW-модулятором, по первым буквам фамилий его изобретателей - Lindholm (Линдхольм), Crewson (Крусан) и Woodburn (Вудберн), имеет некоторые преимущества по сравнению с традиционными модуляторами, основанными на формирователе импульсов:

- Снята необходимость в схеме формирователя импульсов.

- Обеспечивается более компактная конструкция.

- Меньшие паразитные потери.

- Повышенный ресурс.

- Возможна электронная регулировка длительности импульса. При этом отсутствует необходимость в замене схем или перенастройке. В идеале, при необходимости длительность импульса может изменяться даже от импульса к импульсу.

- Напряжение, подаваемое на нагрузку, равно напряжению на конденсаторе, а не его половине, как в случае с модуляторами на основе формирователя импульсов. Это означает, что может быть использована вся номинальная мощность переключателя, а не ее половина (полное напряжение и ток).

На фиг.2 показана принципиальная схема типового LCW-модулятора текущего уровня техники. Источник мощности 10 представляет собой, как правило, источник питания постоянного тока, который заряжает конденсатор аккумулирования энергии. Переключатель 20 с электронным управлением, например, IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), подключает конденсатор к первичной обмотке повышающего импульсного трансформатора 30 через пассивную сглаживающую цепь.

Хотя LCW-модулятор является большим шагом вперед в конструкции модуляторов, этому решению также свойственны некоторые недостатки. Простое и более или менее непосредственное соединение между заряженным конденсатором (конденсаторами) и нагрузкой приводит к тому, что в случае неисправности в нагрузке, например короткого замыкания, на переключатель могут действовать разрушительные токи и напряжения.

Некоторые современные твердотельные переключатели, например, переключатели IGBT, имеют встроенную защиту от короткого замыкания. Однако прерывание больших токов обычно сказывается на сроке службы IGBT весьма непредсказуемым образом. И хотя некоторые IGBT с номинальным постоянным током 1600 А имеют номинальное значение тока короткого замыкания "10Х", что означает, что они способны прервать ток, в десять раз больший номинального постоянного тока, т.е. 16000 А, приблизительно за десять микросекунд, все равно это единичное за весь срок службы переключателя событие, и обычно не предполагается многократного прерывания таких токов.

Следовательно, необходимо защитить переключатели от неисправностей в нагрузке, таких как короткие замыкания, для предотвращения выхода переключателя из строя и/или для увеличения срока его службы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение решает указанные и другие проблемы устройств текущего уровня техники.

Основная задача данного изобретения заключается в защите переключателя(ей) в силовых коммутирующих системах устройств электропитания от неисправностей в нагрузке и тому подобного.

В частности, предпочтительно защитить переключатель(и) от короткого замыкания в нагрузке.

Также задачей настоящего изобретения является защита переключателя(ей) от неисправностей, вызванных обрывом цепи в нагрузке.

Конкретной целью является сохранение преимуществ современных схем силовых модуляторов на основе переключателей с электронным управлением и решение проблемы разрушительных токов, возникающих при неисправности в нагрузке, и/или проблемы всплесков напряжения.

Еще одной конкретной целью является разработка усовершенствованной системы коммутации электрической мощности.

И еще одной конкретной целью является разработка усовершенствованной силовой электрической системы.

Эти и другие задачи решаются настоящим изобретением, как указано в прилагающейся формуле изобретения. Основная идея изобретения заключается во введении линии задержки между переключателем и силовым выходом системы коммутации электрической мощности, чтобы искрение нагрузки не воздействовало на переключатель на протяжении времени задержки, обеспечиваемого этой линией. Это позволяет обнаружить искрение нагрузки и активно защитить переключатель, как правило, путем его отключения, до того как на него начнет действовать искрение нагрузки. В качестве альтернативы, задержка в линии может достаточно большой, чтобы при нормальной импульсной работе переключатель уже был выключен до того, как до него дойдет ток повреждения нагрузки. В любом случае переключатель будет выключен при нормальном токе и не подвергнется разрушительному действию перегрузки по току и напряжению.

В основном, система коммутации электрической мощности согласно положениям данного изобретения предпочтительно содержит силовой вход и силовой выход, переключатель для коммутации импульсов с силового входа на силовой выход, линию передачи, соединяющую переключатель и силовой выход и предназначенную для передачи импульса с временной задержкой для защиты переключателя от нагрузочного тока повреждения.

Для того чтобы снизить задержку и, следовательно, физические размеры линии передачи, очень важно обнаруживать токи повреждения, вызванные неисправностью в нагрузке, и активно защищать переключатель, предпочтительно путем немедленного его отключения, т.е. до того, как его достигнет перегрузка по току. Коммутация предпочтительно выполняется электронно-управляемым включением и выключением переключателя, при этом переключатель включается для того, чтобы начать подавать импульс, и выключается для того, чтобы прекратить импульс. Большинство переключателей с электронным управлением, например современные твердотельные переключатели, имеют так называемое время накопления заряда, которое соответствует временной задержке между подачей сигнала на выключение и ответной реакцией переключателя, а именно, началом выключения тока. Эта временная задержка часто также называется задержкой выключения переключателя. Следовательно, если только не генерируются крайне короткие импульсы, линия передачи должна быть предпочтительно сконфигурирована с задержкой большей, чем задержка выключения переключателя, чтобы имелось время для действительного выключения переключателя.

Как дополнительная мера безопасности, для большей надежности, задержка в линии передачи обычно превышает сумму задержки выключения переключателя и времени спада тока, так что подача тока может быть полностью перекрыта до того, как последствия неисправности достигнут переключателя.

Для предотвращения воздействия на форму импульса в предпочтительном варианте линия передачи имеет задержку большую, чем половина длительности импульса. Таким образом, в течение импульса исключено возникновение отражений, вызванных линией передачи.

В предпочтительном варианте, линия передачи представляет собой индуктивно-емкостную (LC) линию передачи, которая во многом сходна с традиционными схемами формирователя импульсов, но имеет совершенно другую функцию. Линия передачи не используется для хранения энергии импульса, как в случае с формирователем импульсов, она всего лишь представляет собой линию задержки для передачи энергии импульса с более или менее тем же напряжением на выходе, что и на входе. Для формирователя импульсов выходное напряжение составляет лишь половину от входного, а для извлечения энергии из конденсатора необходима бегущая волна.

Как дополнительная мера безопасности, к входу линии передачи параллельно конденсатору индуктивно-емкостной линии передачи может быть присоединен диод для подавления выбросов.

Линия задержки передачи может быть реализована другим способом, например, на основе некоторого количества насыщающихся сердечников.

Согласно примеру осуществления настоящего изобретения, для модификации формы импульса линия передачи может быть фактически спроектирована как неоднородная линия передачи. Например, полное сопротивление выхода линии задержки может отличаться от полного сопротивления входа линии задержки, так что достигается плавное изменение полного сопротивления в линии задержки. Если полное сопротивление выхода линии задержки меньше, чем полное сопротивление входа линии задержки, то можно, например, компенсировать падение напряжения, возникающее в ходе разряда конденсаторного источника мощности, и поддерживать плоскостность импульса в пределах 1 процента от средней амплитуды импульса. В качестве примера, плавное изменение полного сопротивления может быть достигнуто путем размещения внутри обмотки линии задержки проводящего стержня с сужающимся поперечным сечением.

Как правило, полное сопротивление линии передачи согласовано с нагрузкой, с которой будет использоваться система коммутации электрической мощности, и таким образом энергия импульса полностью поступает в нагрузку, а не возвращается обратно в модуль генерирования импульсов.

Однако проблема короткого замыкания в нагрузке является не единственной. Кроме этого следует упомянуть еще проблему обрыва цепи в нагрузке. Поэтому система коммутации электрической мощности согласно настоящему изобретению в предпочтительном варианте содержит схему ограничения напряжения, например, металлооксидный варистор, установленный на выходе линии передачи, что обеспечивает защиту от обрыва цепи в нагрузке.

Изобретение применимо ко всем силовым системам с коммутацией, в которых переключатели должны быть защищены от токов повреждения, вызванных неисправностью в нагрузке. Полная система питания, такая как силовой модулятор для генерирования импульсной выходной мощности, включает, например, повышающий трансформатор, установленный между линией передачи и силовым выходом. Трансформатор может представлять собой трансформатор с "расщепленным" сердечником при конфигурации схемы согласно патенту США 5,905,646 или патенту США 6,741,484.

Настоящее изобретение имеет следующие преимущества:

- Эффективная защита переключателя при помощи задержки передачи.

- Высокая выходная мощность. Система питания согласно данному изобретению может дать в четыре (4!) раза больше мощности, чем традиционная система питания без защиты переключателя при помощи задержки.

- Защита от короткого замыкания в нагрузке.

- Обнаружение токов повреждения, вызванных неисправностью в нагрузке, и активное отключения переключателя, что снижает задержку и следовательно физические размеры линии передачи.

- Линия задержки с интегрированной компенсацией спада напряжения импульса.

- Защита от обрыва цепи в нагрузке.

Другие преимущества, предоставляемые данным изобретением, станут понятны после рассмотрения приведенных ниже вариантов осуществления настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение, вместе с изложенными далее задачами и его преимуществами, для облегчения понимания будет далее описано со ссылкой на прилагающиеся чертежи, в которых:

Фиг.1 изображает принципиальную блок-схему системы электропитания с электронным управлением включением-выключением силового переключателя согласно текущему уровню техники.

Фиг.2 изображает принципиальную схему примера LCW-модулятора согласно текущему уровню техники.

Фиг.3 изображает принципиальную блок-схему системы питания согласно основному примеру осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 изображает схематическую сигнальную диаграмму для импульса с относительно большой временной задержкой.

Фиг.5 изображает принципиальную блок-схему системы питания с активным обнаружением тока и активным выключением согласно примеру предпочтительного осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6 изображает схематическую сигнальную диаграмму для временной задержки, которая меньше задержки на фиг.4.

Фиг.7 изображает принципиальную схему примера системы коммутации электрической мощности на основе LC линии передачи согласно первому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 изображает схематическую сигнальную диаграмму, показывающую задержанный импульс с компенсацией спада напряжения согласно положениям данного изобретения.

Фиг.9 изображает принципиальную схему примера системы коммутации электрической мощности на основе LC линии передачи согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.10 изображает принципиальную схему примера системы коммутации электрической мощности на основе LC линии передачи согласно третьему предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.11 изображает принципиальную блок-схему силового модулятора согласно примеру осуществления настоящего изобретения.

Фиг.12 изображает принципиальную схему силового модулятора согласно еще одному примеру осуществления настоящего изобретения.

Фиг.13 изображает принципиальную схему силового модулятора согласно примеру предпочтительного осуществления настоящего изобретения.

Фиг.14 изображает принципиальную схему силового модулятора согласно еще одному примеру предпочтительного осуществления настоящего изобретения.

Фиг.15 изображает принципиальную схему, поясняющую выполнение линии задержки согласно положениям настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На всех чертежах для обозначения сходных или аналогичных элементов будут использоваться одинаковые номера позиций.

Для удобства изложения следует начать с краткого анализа основной проблемы. Как уже упоминалось выше, LCW-модулятор имеет ряд преимуществ по сравнению с системами модуляции на основе формирователя импульсов. Однако имеются и некоторые недостатки. Простое и более или менее непосредственное соединение между заряженным конденсатором и нагрузкой приводит к тому, что в случае короткого замыкания в нагрузке на LCW-модулятор воздействуют большие и наносящие ущерб токи и напряжения. Это происходит, например, во многих системах СВЧ модуляции, поскольку нагрузка (например, лампа клистрона или магнетрона) может искрить и действительно непредсказуемо искрит при подаче импульса. Изобретатели пришли к выводу, что единственный выход в случае короткого замыкания в нагрузке - это как можно быстрее отключить переключатель(и). Но твердотельные переключатели характеризуются отличной от нуля задержкой выключения. Например, для переключателя IGBT время от понижения напряжения на затворе IGBT до того, как IGBT начнет выключать подачу тока, обычно составляет от 0,1 до 2 микросекунд, и если модулятор должен создавать время нарастания импульса менее микросекунды, то его внутренняя индуктивность будет достаточно низкой, так что ток в нагрузке (и переключателе) во время этой задержки может многократно превысить ток, характерный для нормального импульса. И когда переключатель, наконец, прерывает этот большой ток, то внутренняя индуктивность цепи противодействует этому изменению, вызывая бросок напряжения в переключателе. То есть описанная угроза двояка - если переключатель не поврежден большим током, то это может сделать скачок напряжения.

Основная идея настоящего изобретения заключается в установке линии задержки между переключателем и силовым выходом системы коммутации электрической мощности таким образом, чтобы переключатель был защищен от перегрузки по току, вызванной неисправностью в нагрузке, путем задержки в линии передачи, как показано на фиг.3. Система питания на фиг.3 аналогична приведенной на фиг.1, за исключением линии 25 задержки, надлежащим образом установленной между переключателем 20 и (опция) трансформатором 30 или фактической нагрузкой 40. По существу, система коммутации электрической мощности на фиг.3 содержит силовой вход, соединенный с источником 10 мощности, и силовой выход, соединенный с трансформатором 30 (если таковой используется) или нагрузкой 40. С точки зрения коммутации мощности, (дополнительный) трансформатор может считаться частью нагрузки; это только лишь вопрос логики рассмотрения. Система коммутации электрической мощности также имеет переключатель 20 для коммутации энергетического импульса с силового входа на силовой выход и линию 25 передачи, подключенную между переключателем и силовым выходом и предназначенную для передачи импульса с определенной задержкой, что позволяет защитить указанный переключатель от возможных токов повреждения, вызванных неисправностью в нагрузке. Такой принцип защиты переключателя применим в основном ко всем системам коммутации электрической мощности, но особенно полезен для переключателей с управлением включением/выключением, таких как IGBT, МСТ (тиристор с МОП - (металл-оксид-полупроводник) управлением), GTO (запираемый тиристор), ICT (транзистор с инверсионным каналом), MosFet (полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП)), а также других современных твердотельных переключателей, которые используются с соответствующим пусковым устройством или схемой 22 управления.

Таким образом, силовому переключателю 20 никогда не придется прерывать ток, превышающий его номинальные параметры, и при этом также значительно снижен обратный бросок напряжения при выключении. Это дает возможность выдерживать повторяющееся искрение в нагрузке, например, в магнетронном модуляторе.

Линия передачи может быть, например, сконфигурирована с достаточно длительной задержкой, чтобы переключатель в нормальном режиме уже был выключен то того, как его достигнут токи повреждения от нагрузки, как показано на фиг.4. Импульс, обозначенный пунктиром, представляет собой импульс, как он "виден" переключателю, а импульс, обозначенный сплошной линией, представляет собой задержанный импульс, каким он представляется нагрузке на силовом выходе.

Таким образом, настоящее изобретение при помощи временной задержки обеспечивает защиту переключателя от перегрузки по току, вызванной коротким замыканием в нагрузке. Кроме этого, согласно настоящему изобретению, переключатель способен работать при своих полных расчетных параметрах напряжения и тока, вследствие чего он используется более эффективно. В случае схемы на основе формирователя импульсов, переключатель доставляет в нагрузку только половину рабочего (заряжающего) напряжения, и поскольку он последовательно подвергается действию коротких замыканий в нагрузке, он должен работать при токе, составляющем половину от номинала, из-за того, что ток на переключателе в случае короткого замыкания в нагрузке увеличивается вдвое. В итоге получается, что система согласно принципу защиты, предложенному в данном изобретении, может дать в четыре (4!) раза больше мощности, чем традиционная система питания без защиты переключателя при помощи задержки. В этом отношении линия передачи согласно положениям данного изобретения в предпочтительном варианте в основном не влияет на напряжение, хотя возможно интегрирование в указанную линию передачи некой модуляции напряжения для компенсации спада напряжения на конденсаторном источнике мощности, как будет объяснено далее.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения, который схематично показан на фиг, 5, система коммутации электрической мощности также оборудована датчиком 27 тока, который обнаруживает ток повреждения, и в случае обнаружения такового, подает сигнал на выключение переключателю. Таким образом, также возможно активно обнаруживать нагрузочные токи повреждения и активно выключать переключатель до того, как на нем отразятся симптомы неисправности в нагрузке. Другими словами, переключатель будет выключен (разомкнут) при нормальном токе и не подвергнется действию перегрузки по току и перенапряжения. Возможны другие способы защиты переключателя в ответ на обнаружение тока повреждения, например, выключение (размыкание) дополнительного нормально замкнутого переключателя.

Датчик 27 тока предпочтительно устанавливают на выходе линии задержки. Возможно применение любого датчика тока, известного из уровня техники, например, датчика на основе катушки индуктивности и шунтирующего сопротивления. В предпочтительном варианте указанный датчик связан с компаратором (не показан), который обрабатывает выходной сигнал датчика. При этом компаратор может быть настроен таким образом, что он переключается при превышении выходным сигналом определенного значения выше нормального тока, например, полуторакратного нормального тока. Тогда, если в нагрузке возникает неисправность и ток увеличивается вдвое, это приводит к срабатыванию компаратора. Например, в случае использования переключателя IGBT, выходное напряжение от компаратора может быть затем использовано для включения полевого МОП-транзистора, расположенного на затворе IGBT, и для отключения подачи напряжения затвора IGBT. Возможна фиксация срабатывания, так что для возобновления подачи импульсов потребуется сигнал сброса или по меньшей мере увеличение длительности сигнала отключения, так чтобы он оставался активным дольше, чем длительность переходных процессов при коротком замыкании, протекающих в линии задержки, и, таким образом, до того как будет разрешена подача нового отпирающего импульса, IGBT удерживается в выключенном состоянии в течение указанного интервала времени. Система в целом может быть не заземлена, но если она все-таки заземлена, то датчик тока в предпочтительном варианте должен быть установлен на линии высокого напряжения.

Использование датчика тока и активное отключение переключателя также означает, что по сравнению с основным вариантом осуществления изобретения, приведенным на фиг.3, может быть снижена задержка. Отсюда вытекает еще одно важное преимущество, а именно, возможность сделать конструкцию более компактной, поскольку также происходит уменьшение физических размеров линии передачи. В отношении вышесказанного важно учитывать, какая задержка необходима. Обычно задержка должна быть больше, чем задержка выключения переключателя, если не генерируются очень короткие импульсы (если задержка выключения составляет несколько микросекунд, а при этом генерируются импульсы с длительностью в доли микросекунд, то достаточно, чтобы задержка превысила длительность субмикросекундного импульса). Как дополнительная мера безопасности, для большей надежности, задержка в линии передачи обычно превышает сумму задержки переключателя при выключении и времени спада тока, так что подача тока может быть полностью перекрыта до того, как последствия неисправности достигнут переключателя. Для предотвращения воздействия на форму импульса в предпочтительном варианте линия передачи имеет задержку большую, чем половина длительности импульса. Таким образом, исключено возникновение в течении импульса отражений, вызванных линией передачи.

В качестве примера рассмотрим переключатель IGBT с задержкой отключения, допустим, равной 2 микросекундам (время между понижением напряжения затвора IGBT и ответом IGBT в виде начала выключения тока), и временем спада тока после указанной задержки, допустим, равным 0,5 микросекунды. При таких условиях желательно обеспечить задержку, по меньшей мере, 2 микросекунды, или в предпочтительном варианте по меньшей мере 2,5 микросекунды, чтобы ток мог быть полностью выключен до того, как последствия неисправности достигнут IGBT. При выполнении указанного условия, обратный выброс напряжения будет таким же, как если бы IGBT работал с обычной активной нагрузкой. При этом выключаемый ток не превышает номинальный, и запирающее напряжение также не превышает допустимых пределов.

Размещение 2,5-микросекундной линии задержки между каждым импульсным модулем и первичной обмоткой импульсного трансформатора по существу "разъединяет" импульсный модуль от нагрузки на 5 микросекунд. Другими словами, модуль "увидит" нагрузку только через 5 микросекунд или через полный цикл прохождения сигнала по линии задержки. Это помогает упростить настройку модулятора и делает его менее чувствительным к полному сопротивлению нагрузки, особенно, если длина линии задержки равна по меньшей мере половине от максимальной длительности импульса, который необходимо получить от модулятора. При необходимости получить максимальный 10-микросекундный импульс, линия задержки должна быть "длиной" по меньшей мере 5 микросекунд, чтобы обеспечить описанное выше разъединение. При условии соблюдения описанных выше требований плоскостность вершины импульса модулятора и выброс на фронте импульса могут быть "настроены" на рабочем месте при помощи искусственной нагрузки, присоединенной к линии задержки, которая будет имитировать паразитную индуктивность и емкость импульсного трансформатора и сопротивление нагрузки, что в результате обеспечит генерирование на нагрузке импульса правильной формы без полномасштабного тестирования или испытательных прогонов.

Фиг.7 изображает принципиальную схему примера системы коммутации электрической мощности на основе LC линии передачи согласно первому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. В предпочтительном варианте, линия задержки является пассивной линией задержки передачи, например, индуктивно-емкостной (LC) линией передачи. LC-линия задержки в основном похожа на традиционную схему формирователя импульсов, но имеет совершенно другую функцию. Линия передачи не используется для хранения энергии импульса, как в случае с формирователем импульсов, она всего лишь представляет собой линию задержки для передачи импульса с более или менее тем же напряжением на выходе, что и на входе. Для формирователя импульсов выходное напряжение составляет лишь половину от входного, а для извлечения энергии конденсатора необходима бегущая волна. Таким образом, линия задержки (передачи) согласно настоящему изобретению не является схемой формирователя импульсов.

В примере осуществления были испытаны конденсаторы RIFA 0,68 мкФ, 1600 В при токе в 1000 А, напряжении в 1000 В и частоте 400 кГц. Результаты испытаний показали, что эти изделия достаточно надежны, чтобы использоваться в качестве конденсаторов в линии задержки. Значительным преимуществом указанных конденсаторов является их высокое качество при невысокой стоимости. Узлы линии задержки можно разместить внутри корпуса импульсного трансформатора, при этом находящаяся в нем охлаждающая жидкость будет обеспечивать эффективное охлаждение указанных компонентов. При этом после "настройки" всего силового модулятора и его запуска обычно отсутствует необходимость регулировать линию задержки.

Как правило, линия задержки имеет две выходные клеммы для подключения к нагрузке для защиты от перегрузки по току, вызванной коротким замыканием в нагрузке. Другие эквивалентные конфигурации будут описаны далее.

Как правило, полное сопротивление (импеданс) линии передачи согласован с нагрузкой, с которой будет использоваться система коммутации электрической мощности, и таким образом энергия импульса полностью поступает в нагрузку, а не возвращается обратно в модуль(и) генерирования импульсов.

Хотя линия задержки обычно передает импульс на выход с более или менее тем же напряжением, что и на входе линии передачи, линия передачи может быть на самом деле спроектирована как неоднородная линия передачи для регулирования таким образом формы импульса. Например, полное сопротивление на выходе линии задержки передачи может отличаться от полного сопротивления на входе для получения таким образом плавного изменения полного сопротивления в линии задержки. Если полное сопротивление на выходной стороне линии задержки передачи меньше, чем полное сопротивление на входной стороне линии задержки передачи, то можно, например, компенсировать спад напряжения в ходе разряда конденсаторного источника мощности и поддерживать плоскостность импульса с точностью десятых долей процента от средней амплитуды импульса, как схематически показано на фиг.8. Например, плавное изменение полного сопротивления может быть получено путем размещения внутри обмотки линии задержки проводящего стержня (конусообразной формы).

Фиг.9 изображает принципиальную схему примера системы коммутации электрической мощности на основе LC-линии передачи согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. В системе коммутации электрической мощности на фиг.9 как дополнительная мера безопасности предусмотрен диод для ограничения выбросов, подключенный ко входу линии передачи параллельно конденсатору индуктивно-емкостной линии передачи. То есть, диод для ограничения выбросов установлен в начале линии задержки. Его установка дает некоторые преимущества. Поскольку диод подключен параллельно конденсатору, который является частью линии задержки, обратное напряжение и ток не будут прилагаться к этому диоду мгновенно, что позволяет включать и выключать его более плавно, в отличие от быстрых диодов, используемых в переключателе IGBT для ограничения броска запирающего напряжения на коллекторе. Указанный диод для ограничения выбросов может быть установлен последовательно с небольшим