ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ КОММУТАТОР С ДИНАМИЧЕСКИМ ОГРАНИЧЕНИЕМ ЭНЕРГИИ

1. Высоковольтный коммутатор предназначен для формирования в нагрузке импульсов энергии одной полярности и/или импульсов энергии противоположной полярности при дозированных разрядах, как минимум, одного высоковольтного источника энергии (например, заряженной батареи конденсаторов) и работает под управлением, по меньшей мере, одного контроллера,
в состав коммутатора входят блок электронных ключей, пропускающий ток нагрузки в заданном направлении и быстродействующий коммутатор, обеспечивающий динамическое изменение тока нагрузки, отличающийся тем, что
в состав блока электронных ключей входит, как минимум, один составной ключ, содержащий два или более последовательно соединенные управляемые силовые полупроводниковые приборы и устройства управления ими, сочетание параметров силовых полупроводниковых приборов определяют предельно допустимые значения и статические характеристики закрытого состояния высоковольтного коммутатора,
быстродействующий коммутатор настроен на формирование режима безопасного переключения составных ключей при переходах из одного стационарного состояния в другое стационарное состояние (например, при выключении одних ключей и включении других ключей), который обеспечивается за счет ограничения поставляемого в блок электронных ключей тока (напряжения) с ограниченными скоростями нарастания (спада), по меньшей мере, начиная с некоторых критических уровней, в течение времени переключения составных ключей, при нормальной работе высоковольтного коммутатора или при случайных отклонениях от нормальной работы.
2. Коммутатор по п.1, отличающийся тем, что быстродействующий коммутатор настроен на обеспечение безопасного электрического режима работы составных ключей, а также для регулирования тока с возможностью задания для импульсов тока нагрузки предопределенной и/или адаптируемой формы.
3. Коммутатор по п.1, отличающийся тем, что быстродействующий коммутатор настроен для динамического формирования скорости нарастания (спада) тока или напряжения переменной крутизны.
4. Коммутатор по п.1, отличающийся тем, что силовые полупроводниковые приборы, входящие в составные ключи могут быть выполнены по одной технологии или по различным технологиям.
5. Коммутатор по любому из пунктов 1, 2, 3, 4 отличающийся тем, что быстродействующий коммутатор подключен к нескольким высоковольтным источникам (к нескольким заряженным конденсаторам).
6. Коммутатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что быстродействующий коммутатор выполнен с использованием металлооксидных варисторов.
7. Коммутатор по п.1, отличающийся тем, что в состав блока электронных ключей введена Н-образная мостовая схема, состоящая, по меньшей мере, из двух пар электронных ключей, именуемая в дальнейшем изложении Н-мостом, одна пара ключей Н-моста задает в нагрузке положительную фазу импульса тока, а другая пара ключей, задает отрицательную фазу импульса тока, хотя бы один из ключей Н-моста содержит составной ключ (например, на однооперационных триодных тиристорах, биполярные транзисторах с изолированным затвором или МДП-транзисторах).
8. Коммутатор по п.1, отличающийся тем, что составные ключи подобранны по заданному сочетанию статических параметров закрытого состояния входящих в них силовых полупроводниковых приборов.
9. Коммутатор по любому из пп.1-4, 7, 8, отличающийся тем, что при чрезмерном нарастании тока через блок электронных ключей в статическом режиме быстродействующий коммутатор переходит в режим ограничения тока.
10. Коммутатор по любому из пп.1-4, 7, 8, отличающийся тем, что быстродействующий коммутатор используется для формирования тестовых импульсов тока.
11. Коммутатор по любому из пп.1-4, 7, 8, отличающийся тем, что быстродействующий коммутатор обеспечивает автоматическую компенсацию отклонений от предустановленного электрического режима в любой момент времени цикла разряда высоковольтного источника.
12. Коммутатор по любому из пп.1-4, 7, 8, отличающийся тем, что высокое напряжение высоковольтного источника устанавливают исходя из требуемого уровня энергии подаваемой в нагрузку без предварительного тестирования сопротивления нагрузки, а электрический режим нагрузки формируют с помощью быстродействующего коммутатора.
13. Коммутатор по п.1, отличающийся тем, что его элементы или часть его элементов, включающая составные ключи, размещены в объемной конструкции модуля с использованием изолирующих подложек и расположены так, чтобы уменьшить размеры коммутатора, с выполнением, по меньшей мере, части изоляционных промежутков между деталями с высоким напряжением с помощью нескольких слоев герметика (или различных типов герметика) со стабильными диэлектрическими свойствами, обеспечивающими максимально возможный уровень сопротивления изоляции, при этом механическая прочность конструкции обеспечивается первым и/или последующими слоями герметика после его отверждения и корпусом модуля, изоляционные промежутки между смежными металлическими проводниками модуля, к которым прикладывается высокое напряжение, выходящими из модуля в воздушную среду выполнены с учетом минимально возможной электрической прочности воздушной среды и фактических размеров присоединяемых контактов внешней схемы.
14. Коммутатор по любому из пп.1-4, 7, 8, 13, отличающийся тем, что быстродействующий коммутатор содержит, как минимум, один энергетически эффективный преобразователь, использующий высокочастотную импульсную модуляцию.
15. Коммутатор по любому из пп.1-4, 7, 8, 13, отличающийся тем, что блок электронных ключей содержит, по меньшей мере, один составной ключ содержащий тиристоры, а ток утечки закрытого состояния быстродействующего коммутатора меньше минимально возможного значения тока удержания тиристоров.
16. Способ применения составных ключей высоковольтного коммутатора в статических и динамических режимах, в частности, по любому из пп.1-15, которые составлены из последовательно соединенных управляемых силовых полупроводниковых приборов с предварительно заданными статическими параметрами заключающийся в том, что
обеспечивают динамическое ограничение скорости нарастания и спада поставляемого в переключаемые составные ключи тока (напряжения), исключающее недопустимые электрические перегрузки составных ключей, значения динамического ограничения устанавливают с учетом времени, в течение которого силовые полупроводниковые приборы переходят из одного стационарного состояния в другое стационарное состояние,
а также с учетом коммутационных эффектов индуктивностей и паразитных емкостей, которые естественным образом присутствуют в цепях составных ключей,
при этом составные ключи непосредственно используют:
в режиме ожидания разряда при закрытых составных ключах для изоляции нагрузки от высоковольтной цепи,
с током утечки, не превышающим максимально допустимого тока утечки, который задают таким образом, чтобы он не вызывал критической асимметрии напряжения закрытого состояния на силовых полупроводниковых приборах, приводящей к необратимому пробою составного ключа;
в режиме формирования разряда, когда составные ключи применяют для обеспечения требуемого пути прохождения тока от высоковольтной цепи в нагрузку за счет открытого состояния выбранных составных ключей.
17. Способ по п.16, отличающийся тем, что амплитуду тока открытого состояния составных ключей ограничивают в динамическом режиме таким образом, чтобы обеспечить тепловой режим составных ключей, при котором ток утечки последующего закрытого состояния составных ключей находился бы в допустимых пределах.