电力电子脉冲变流用大功率类火花开关管制造技术

技术编号:7028065 阅读:234 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本实用新型专利技术涉及一种电力电子脉冲变流用大功率类火花开关管,属气体功率电子开关器件技术领域。由主电极、触发电子枪、储氢单元、密封管体和外电路组成,主电极为两个双端封闭并离开一定距离的同轴空心柱体第一阳极和第二阳极;触发电子枪包括管状阴极、钨电热丝、外管和触发极,装于主电极下且枪口对准第二阳极电子入射孔;储氢单元内置氢化钛粉末且表面螺旋状绕有电热丝;外电路包括主电源及其负载、触发电源及其分压电阻、电热丝电源及电子开关。利用两阳极间的类火花放电实现主电极之间通断,具有耐压高、导通电流大、重复开关频率高、易触发开通、导通压降低、允许输出端短路等优点,适宜作为间接式恒能量脉冲斩波变频调速系统中主开关元件使用。(*该技术在2020年保护过期,可自由使用*)

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种在电力电子变流主回路中使用的高压大功率类火花开关器件,属气体功率电子开关器件

技术介绍
随着低碳、节能、环保行动的不断深入和发展,应用IOKV以上高压变频调速系统进行节能的企业越来越多。然而,目前的高压变频调速系统普遍存在价格昂贵、结构复杂、 工作不可靠等问题,其中又以半导体功率主开关器件易烧毁的问题最为突出。尽管研发人员做了大量的努力来缓解该问题,但一直未能从根本上解决。从理论和现有技术的实践情况来看,IOKV以上的供电电压,在系统主回路的工作过程中不可避免地会形成高的di/dt和dv/dt,而这些高di/dt和dv/dt与回路分布电感及电容作用后,又会形成极高的尖峰电压和尖峰电流,这些尖峰电压或电流与电源的作用正向叠加后再作用在回路的半导体功率主开关器件上,由于固态半导体功率开关器件的过压、过流能力极差,因此很容易导致这些主开关器件因过压或过流而损坏。在系统其它条件 (如电源电压、调制频率、输出功率等)不可改变的情况下,只有降低主开关器件的开关速度,才能解决过高di/dt和dv/dt的问题,但降低主开关器件的开关速度,需要以增加器件的开关损耗和增加输出波形中高次谐波损耗为代价,从技术上来看,这种代价是得不偿失的。因此,除非找到一种全新的、不存在器件过压和过流的变流主回路拓扑结构,寻找一种新的、具有极强过压、过流能力的功率开关器件来代替现有的器件,才能在现有技术的基础上全面解决上述问题。从已有技术来看,所有真空器件和固态半导体器件均达不到上述技术要求,唯一有可能达到要求的只有气体开关器件。目前已应用的气体开关器件主要有气体火花开关、 充气间流管和类火花开关三种类型,应用领域主要集中在高能物理、高能激光及部分医疗设备上。从工作原理及性能指标来看,气体火花开关和充气闸流管明显不能用于电力电子变流,而类火花开关在原理上有达到这个要求的潜力。类火花放电是上世纪50年代末期发现的一种低气压气体放电现象,利用这种放电现象制成的真空电子器件(即类火花开关管),具有耐压高、功率大、电流上升速度快和重复频率高等特点,可以替代间流管、触发管、 真空开关管和引燃管等器件,目前主要在等离子体聚焦、高能激光、加速器等装置中应用, 其结构特点是表面闪络触发式或预燃电荷注入触发式。对于表面闪络触发方式,其触发极效寿命不长(IO5 IO7次之间);而预燃式电荷注入方式触发虽寿命较长(IO7 IO9次之间),但触发电压要随管子的充气压力变化且触发延迟时间过长(延迟时间8 20 μ);这些特性均使已有类火花开关管不适合应用于电力高压变频调速系统。例如有效触发寿命数仅为IO5 IO9次,若将它们用于载波频率为IOkHz的变频调速系统时,有效寿命期仅为 10秒钟到1. 3天之间!这对需长时间(数十天到几年)连续工作的变频调速系统来说是不可想象的。同样触发电压的变化及延迟时间过长亦使变频调速系统难以正确完成所需的输出波形。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种可用于IOkHz以上电力高压变频调速系统、具有强过压过流能力和长寿命的大功率类火花开关管,其在关断时具有很高的关断阻抗和极高的耐受电压,在导通时则具有低的管压降及大的容许通过电流,允许输出短路但不会烧坏器件,具有快的开关速度和高的重复工作频率,能很好地解决高压变频调速系统现有主开关器件易烧毁的问题。本技术的技术方案是该大功率类火花开关管由绝缘(陶瓷、玻璃、工程塑料等)密封管体IV及装于其中的电极单元(I)、触发单元(II),以及外电路组成,主电极单元 I安装在绝缘密封管体IV的上中部位,由两个双端封闭、端面平行且保持一定距离的同轴空心金属圆柱体(可用不锈钢等导电材料制成)及其电引出端组成,上、下圆柱体分别为第一阳极Al和第二阳极A2,第一阳极Al的下端面圆心位置开有圆孔dn,第二阳极A2上下两端面的圆心位置分别开有园孔d21和d22,孔dn与d21的直径相等且为1. 5 9mm,d22的孔径为1 10mm(根据触发电子枪的结构确定),两个圆柱电极的内直径为10 50mm、壁厚为0. 2 4mm,其端面平行离开的距离为1. 5 12mm,第一阳极Al和第二阳极A2的二根电连接线al、a2穿过密封管体IV与外电路连接。触发单元(II)是由位于最里面且内壁敷有厚度为0. 3 1. 5mm的碳酸钡氧化物的圆管状阴极K、均勻绕于圆管阴极K的外壁并与阴极绝缘的螺旋状钨电热丝F1、套于钨电热丝F1外面的绝缘(陶瓷、玻璃等)外管B、呈螺旋状均勻绕于绝缘外管B上段外表面的触发极G四个自内向外的同心圆管组成的电子枪, 其与第二阳极的d22同轴安装于主电极下面,枪口对准第二阳极的电子入射孔d22并与其相隔1. 5 6mm,钨电热丝F1、圆管阴极K,触发极G的四根电连接线fll、fl2、k、g穿过密封外壳与外电路连接。密封管体IV内电子枪旁还平行安装有储氢单元(III),由内置氢化钛粉末H且表面开有小气孔的绝缘(陶瓷、玻璃等)圆筒储氢罐T及螺旋状均勻绕于其外面的电热丝F2组成,电热丝F2的两根引出线f21、f22穿过密封管体IV与外电路连接;绝缘密封管体IV内工作压力保持在4 150帕之间(密封管体工作时管体内的压力,可根据实际需要,通过调整储氢罐T内氢化钛粉末的用量,从而控制氢气释放量来实现)。外电路由主电源Wl及其串联负载&、触发电源W2及其分压电阻队和R2、电热丝电源W3及电子开关 SW组成;主电源Wl的正极串联负载&后接第一阳极Al,主电源Wl的负极与触发电源W2的正极、分压电阻R1的上端、电子开关SW的定触点2端连接后再接于第二阳极A2上,分压电阻&的上端与分压电阻R1的下端及开关管的阴极K连接,触发电源W2的负极与分压电阻 R2的下端、电子开关的SW的定触点3端、电热丝电源W3的负极、钨电热丝F1的一个引出端 fll、电热丝F2的一个引出端f21相连,电子开关SW的动触点1端接触发极G,电热丝电源 W3的正极与钨电热丝F1的另一个引出端f 12、电热丝F2的另一个引出端f22相连,电子开关SW的控制输入端4接外部控制信号。本开关管工作时,先接通电子枪和储氢罐的电热丝电源W3约5到10分钟,待管内氢气压力和及阴极K表面温度达到要求后,再接通主电源Wl和触发电源W2,此时,触发电子枪触发电子束射入第二阳极的电子入射孔d22内,引起第二阳极内腔的气体分子雪崩式快速形成高浓度的等离子体,当内腔等离子的浓度达到足够的量值后,从离子喷孔d21中喷射出并迅速扩散到第一阳极Al的端面上,从而形成两电极之间的电流通道。当外部信号Vi为高电平脉冲期间,电子开关SW的动触点1与定触点2相连接,开关管的触发极G的电位高于阴极K的电位,开关管的第一阳极Al与第二阳极A2之间呈低阻抗而导通;其余时间Vi 为低电平,开关管的触发极G的电位低于阴极K的电位,触发开关管的第一阳极Al与第二阳极A2之间呈高阻抗而关断。在高压变频调速系统主回路中使用本大功率类火花开关管, 即可通过上述过程实现高压变频调速系统的快速、重复触发开关。本大功率类火花开关管通过改变阳极结构,利用帕邢曲线最低点左支所特有的类火花放电效应、以及空心电极内等离子体的雪崩式增大效应,来完成主电极本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种电力电子脉冲变流用大功率类火花开关管,由绝缘密封管体(Ⅳ)及装于其中的主电极单元(Ⅰ)、触发单元(Ⅱ),以及外电路组成,其特征是主电极由上下两个端面平行保持一定距离的同轴空心金属圆柱体第一阳极A1和第二阳极A2、及其电引出端组成,安装在密封管体(Ⅳ)的上中部位,其第一阳极A1和第二阳极A2的二根电连接线a1、a2穿过密封管体(Ⅳ)与外电路连接;触发单元(Ⅱ)是由圆管状阴极K、钨电热丝 、陶瓷外管B、触发极G四个自内向外的同心圆管组成的电子枪,安装于主电极(Ⅰ)下面且枪口对准第二阳极的电子入射孔,其钨电热丝、圆管阴极K,触发极G的四根电连接线f11、f12、k、g穿过密封外壳与外电路连接;密封管体(Ⅳ)内电子枪旁边与其平行安装有储氢单元(Ⅲ),由内置氢化钛粉末H且表面开有小气孔的绝缘圆筒储氢罐T及螺旋状均匀绕于其外表的电热丝组成,电热丝的两根引出线f21、f22穿过密封管体Ⅳ与外电路连接;外电路由主电源W1及其串联负载、触发电源W2及其分压电阻和、电热丝电源W3及电子开关SW组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:卢诚洪元富
申请(专利权)人:昆明理工大学
类型:实用新型
国别省市:53

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