DE2937672C2 - Steuerschaltung für einen Abschaltthyristor - Google Patents

Steuerschaltung für einen Abschaltthyristor

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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/72—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices having more than two PN junctions; having more than three electrodes; having more than one electrode connected to the same conductivity region
    • H03K17/722—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices having more than two PN junctions; having more than three electrodes; having more than one electrode connected to the same conductivity region with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit
    • H03K17/723—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices having more than two PN junctions; having more than three electrodes; having more than one electrode connected to the same conductivity region with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit using transformer coupling

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für einen Abschaltthyristor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Abschaltthyristoren oder Gate-Turn-Off-Thyristoren (GTO) sind Leistungshalbleiter, die durch Impulse einer Polarität gezündet (Zündimpuls) und durch Impulse entgegengesetzter Polarität wieder gelöscht werden können (Löschimpuls).
Der Zündimpuls für Abschaltthyristoren muß ähnlich beschaffen sein wie der für Thyristoren. Um die Einschaltverlustleistung gering zu halten, wird eine hohe Impulssteilheit angestrebt und der Zündimpuls am Anfang durch eine Stromspitze überhöht. Nach dem Zünden der Thyristoren soll außerdem die Zündbereitschaft noch erhalten bleiben, weil die Thyristoren durch Stromschwingungen leicht verlöschen können. In der Praxis werden daher Zündimpulse verwendet, die im wesentlichen aus einem kurzen, steilen Impuls großer Stromstärke und einem breiten Impuls geringer Stromstärke bestehen. Bei Langzeitimpulsen wird häufig die sogenannte Pulsrechenzündung angewandt, bei der erst nach einer Vielzahl von Zündimpulsen ein Löschimpuls abgegeben wird.
Durch einen Steuerungsimpuls entgegengesetzter Polarität wird der Abschaltthyristor wieder gelöscht. Der Löschimpuls für einen Abschaltthyristor ist ent-
sprechend der Abschaltstromverstärkung und des Durchlaßstromes des Abschaltthyristors aufzubringen.
Der optimale Betrieb beim Ausschalten ergibt sich durch Ansteuerung der Gate-Kathoden-Strecke aus einer Konstantspannungsquelle mit der höchstzulässigen Gate-Abschaltspannung. Die Gate-Abschaltspannung ist im Vergleich zur Zündspannung des Abschaltthyristors wesentlich größer.
Es werden daher von den Steuerimpulsen nicht nur entgegengesetzte Polaritäten für die Zündung und Löschung der Leistungshalbleiter gefordert, sondern auch grundsätzlich andere Eigenschaften der Impulse.
Eine Zusammenstellung des physikalischen Verhältnisses ist der Literaturstelle »Wissenschaftliche Berichte AEG-TELEFUNKEN«, 50 (1977), Heft 1/2. Seiten 39 bis 48, zu entnehmen.
Wegen des hohen Steuerleistungsbedarfs zum Ein- und Ausschalten von Abschaltthyristoren ist der wirtschaftliche Einsatz von Abschaltthyristoren wesentlich durch den Aufwand für die Steuerschaltung bestimmt Der Ansteuerung der Abschaltthyristoren kommt daher wesentliche Bedeutung zu.
Es sind Ansteuerschaltungen für Abschaltthyristoren
bekannt, bei denen die Steuerleistung sowohl zum Zünden als auch zum Löschen von Hiifsspannungsquellen zur Verfügung gestellt oder potentialfrei über Wandler übertragen wird.
Es ist durch die DE-OS 28 12 632 ein Steuerkreis für einen Abschaltthyristor bekanntgeworden, bei dem ein erster Schaltkreis vorgesehen ist, der so zwischen die Kathode und die Gate-Elektrode des Abschaltthyristors geschaltet ist, daß ein erster Impulsstrom mit großer Anstiegsgeschwindigkeit und schmaler Impulsbreite als Gegen- oder Sperrstrom von der Kathode zur Gate-Elektrode des Abschaltthyristors synchron mit dem Zeitpunkt des Sperrens dieses Thyristors fließt, und bei dem ein zweiter Schaltkreis vorgesehen ist., der zum ersten Schaltkreis so parallel geschaltet ist, daß ein zweiter Impulsstrom mit niedrigerer Anstiegsgeschwindigkeit und größerer Impulsbreite ils beim ersten Impulsstrom in Überlagerung zu diesem in Gegen- bzw. Sperrichtung und synchron bzw. im Takt mit dem Sperrzeitpunkt von der Kathode zur Gate- Elektrode fließt.
Bei einer Ausführungsform dieses Steuerkreises wird ein Übertrager verwendet, dessen Primärwicklung in Reihe mit einem elektronischen Schaltelement angeordnet ist. Der Übertrager besitzt vier Sekundärteilwicklungen, die alle für die Funktion des Steuerkreises notwendig sind. Diese vier Sekundärwicklungen stellen vier Quellen unterschiedlicher Spannungseinprägung dar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Steuerleistung sowohl zum Zünden als auch zum Löschen über einen Wandler zu übertragen, ohne daß die Stromflußrichtung zum Löschen des Abschaltthyristors im Primärkreis des Wandlers umgepolt werden muß. Gleichzeitig soll die Steuerinformation zum Zünden übertragen werden, so daß lediglich die Steuerinformation zum Löschen des Abschaltthyristors getrennt übertragen werden muß.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Gegenüber bekannten Anordnungen wird mit der erfindungsgemäßen Lösung der Schaltungsaufwand erheblich verringert:
Für die Impuls-Richtungsumkehr sind keine besonderen schalttechnischen Maßnahmen erforderlich, da die Impulse nur in einer Richtung über den Wandler übertragen werden. Gegenüber bekannten Lösungen mit ei-
nem Loschkondensator im Gate-Kathodenkreis des Abschaltthyristcrs wird die Schaltung insofern erheblich vereinfacht als der erhebliche Aufwand für die Fremdaufladung des Löschkondensators nicht erforderlich ist, da der Löschkondensator mit Hilfe der Magnetisierungsenergie des Zündübertragers aufgeladen wird. Damit entfällt nicht nur der relativ hohe Aufwand zur potentialfreien Auf- bzw. Nachladung des Löschkondensators, die Magnetisierungsenergie des lmpulsübertragers, die somit la nutzlose Abwärme umgewandelt wird, kann zur Aufladung des Löschkondensators sinnvoll eingesetzt werden. Damit wird der Wirkungsgrad der Steuerschaltung wesentlich erhöht.
Weitere günstige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Merkmalen der Unteransprüche zu entnehmen.
Anhand eines in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden.
Der Abschaltthyristor Ti bezieht seine Zünd- und Löschenergie potentialgetrennt über einen Übertrager 7>mitdern Übersetzungsverhältnis 0zwischen Primärwicklung Wl und Sekundärwicklung W2 aus einer Spannungsquelle Lf. In Reihe zur Primärwicklung Wl des Übertragers Tr ist ein elektronisches Schaltelement S angeordnet, das beispielsweise aus einem Transistor bestehen kann, an dessen Steueranschluß ein Impulsrechen angelegt werden kann. In Reihe zur Sekundärwicklung W2 des Übertragers Tr und damit parallel zur Gate-Kathoden-Strecke des Abschaltthyristor^ TX sind die Kollektor-Emitter-Strecke eines Hilfstransistors T3 und ein RC-Glied, das aus der Parallelschaltung eines Kondensators C1 und eines Widerstandes R 1 besteht, geschaltet. Die Basis des Hilfstransistors 7"3 ist über einen Widerstand R 2 an das Gate des Abschaltthyristors Tl angeschlossen. Ebenfalls parallel zur Gate-Kathoden-Strecke des Abscha'ithyristors Ti ist die Reihenschaltung eines Löschkondensators C2 und eines Löschthyrislors 72 mit kathodenseitigem Anschluß an der Kathode des Abschaltthyristors Ti geschaltet.
Schließlich ist im Steuerkreis des Abschaltthyristors Ti an die Verbindung des Emitters des Hilfstransistors mit der sekundären Übertragerwicklung W2 einerseits und die Verbindung des Löschkondensators C2 mit dem Löschthyristor T2 andererseits eine Diode D2 mit kathodenseitigem Anschluß am Löschkondensator C 2 angeschlossen. Zur Begrenzung der Spannung des Löschkondensators C2 auf die maximal zulässige Abschaksteuerspannung des Abschaltthyristors Ti ist parallel zur Primärwicklung Wi des Übertragers Tr die Reihenschaltung einer Z-Diode D3 und einer Diode D 1 geschaltet. Die Funktionsweise der Schaltung ergibt sich wie folgt:
Zum Zünden des Abschaltthyristors 7*1 wird das Schaltelement 5 geschlossen. Primärseitig fließt dann der Strom i\ durch den Übertrager Tr. Auf der Sekundärseite von Tr fließt der Strom h = ü · h als Zündstrom über die Gate- Kathoden-Strecke des Abschaltthyristors Ti, das RC-Glied Ri, Ci, den Hilfstrarisistor 73 und zurück in den Zündübertrager Tr. Verwendet man zur Ansteuerung des Abschaltthyristors Ti eine Pulsrechcnzündung, um das Bauelement im leitenden Zustand zu halten, so muß der Zündübertrager Tr nach jedem einzelnen impuls dieser Impulskette abmagnetisiert werden. Mit dieser Abmagnetisierungsenergie wird nun erfindungsgemäß de,· Löschkondensator C2 auf- bzw. nachgeladen.
Wird also das Schaltelement 5 geöffnet, so fließt ein Entmagnetisierungsstrom /3 in entgegengesetzter Richtung vom Übertrager Tr über die Diode D 2, den Löschkondensator C2 zum Übertrager Tr zurück. Dadurch wird der Kondensator C 2 geladen. Durch geeignete Wahl einer Z-Diode D 3 läßt sich die Spannung des Löschkondensators C 2 auf die max. zuläi-ige Abschaltsteuerspannung Ugq des Abschaltthyristors Ti begrenzen (Uz^u- Ugq). Ist der Löschkondensator C2 auf die Abschaltspannung Ugq aufgeladen, so erfolgt die Abmagnetisierung primärseitig über die parallel zur Primärwicklung Wi des Übertragers Tr geschaltete Reihenschaltung einer Diode D1 und einer in entgegengesetzter Durchlaßrichtung gepolten Z-Diode £>3. Zum Löschen wird der Löschthyristor 7*2 gezündet, so daß der Löschkondensator C 2 über die Kathoden-Gate-Strecke des Abschaltthyristors Ti entladen wird.
Die beschriebene Schaltungsanordnung ist vor allem bei der sogenannten Pulsrechenzündung anwendbar, bei der erst nach einer großen Zahl von Zündimpulsen ein Löschirrpuls erfolgt
In jedem Fall muß gewährleistet iiin, daß die dem Löschkondensator C2 entzogene Eneig'S El beim Abschalten kleiner ist, als die Summe der Magnetisierungsenergie zwischen zwei Abschaltvorgängen.
El<h ■ Em
El = Abschaltenergie,
Em = Magnetisierungsenergie,
η = Zahl der Zündimpulse zwischen zwei Abschaltvorgängen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Steuerschaltung für einen Abschaltthyristor mit einem Übertrager zwischen der Steuerspannungsquelle und der Zündstrecke des Abschaltthyristors, wobei in Reihe zur Primärwicklung des Übertragers (Tr) ein elektronisches Schaltelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß parallel zur Gate-Kathoden-Strecke des Abschaltthyristors (Tl) sowohl die Reihenschaltung der Sekundärwicklung (Wl) des Übertragers (Tr) mit einem Hilfstransistor (T3) als auch die Reihenschaltung eines Löschkondensators (Cl) mit einem Löschthyristor (T2) geschaltet sind, und
daß an die Verbindung der Sekundärwicklung (W2) des Übertragers (Tr) mit dem Hilfstransistor (T3) einerseits und an die Verbindung des Löschkondensators (C2) mit dem Löschthyristor (T2) andererseits eine Diode (Dl) mit kathodenseitigem Anschluß 2.Ti die Löschkondensator-Löschthyristor-Verbindung angeschlossen ist.
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum Hilfsthyristor (T3) ein RC-Glied aus der Parallelschaltung eines Widerstandes (Ri) und eines Kondensators (CX) geschaltet ist.
3. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Primärwicklung (W 1) des Übertragers die Reihenschaltung einer Diode (D 1) und einer in entgegengesetzter Durchlaßrichtung gepolun Z-Diode (D3) geschaltet ist.
4. Steuerschaltung nach dm Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zener-Spannung der Z-Diode (D 3) so beimesse τ wird, daß die Spannung des Löschkondensators (Cl) auf die maximal zulässige Abschaltspannung Vgq des Abschaltthyristors (T 1) begrenzt wird.
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