AT392703B

AT392703B - Anordnung zur steuerung von abschaltthyristoren hoeherer leistung

Info

Publication number: AT392703B
Application number: AT146985A
Authority: AT
Original assignee: Licentia Gmbh
Priority date: 1984-05-17
Filing date: 1985-05-15
Publication date: 1991-05-27
Also published as: ATA146985A; DE3418657C2; DE3418657A1

Description

AT 392 703 B

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren höherer Leistung unter Verwendung von potentialtrennenden Wandlern zwischen Leistungs- und Steuerteil sowie nachgeschalteten Gleichrichtungsmitteln.

Abschaltthyristoren oder auch GTO-Thyristoren genannt (Gate-Tum-Off-Thyristoren) finden immer breitere Anwendungsgebiete bei Wechselstrom- und Drehstromumrichtem sowie Gleichstrom-Stellern, weil sie den Leistungsteil vereinfachen, da die Kommutierungsmittel entfallen.

Grundsätzlich kann bekanntlich ein Abschaltthyristor über einen Steuerstrom der einen Polarität (meist positiv) eingeschaltet und durch einen Steuerstrom der anderen Polarität (meist negativ) abgeschaltet werden. In der Steuerungstechnik unterscheiden sich solche Abschaltthyristoren somit von herkömmlichen Thyristoren. Zumindest bei größeren GTO-Thyristoren sind darüber hinaus jedoch noch weitere Kriterien zu beachten. So darf während der Einschaltzeit dieser Steuerstrom nicht auf Null zurückgehen, d. h. nicht lücken, weil sonst ein Undefinierter, halb leitender/halb sperrender Zustand erreicht wird, der infolge der erhöhten Verlustleistung dem Thyristor gefährlich werden kann. Der Gleichstrom-Steuerimpuls muß deshalb so lange gehalten werden, wie der Anodenstrom fließt, d. h. das kann beliebig lange dauern. Zum Abschalten muß dann der positive Steuerstrom erst auf Null abgesenkt und dann ein negativer Gleichstrom-Löschimpuls gegeben werden, um besagten Schwebezustand zu vermeiden. Darüberhinaus ist eine negative Vorspannung erforderlich, bis wieder neu gezündet wird. In Fig. 2 sind diese prinzipiellen Steuervorgänge dargestellt.

Es sind bereits Anordnungen zur Steuerung von Abschaltthyristoren bekannt, die mit dauernd laufenden Chopperwandlem (das sind Zerhackerwandler) arbeiten, die Rechteckspannungen erzeugen, aus denen die erforderlichen Steuer- und Löschspannungen gewonnen werden (GB-Druckschrift der International Rectifier Co (GB LTD Oxted, Surrey, U.K. von April 1983 "The Gate tum-off-Thyristor and its Circuit Requirements", Verfasser: P. S. Wilson, Fig. 6 und zugehöriger Text)). Es sind dort auf der Leistungsseite diverse für Leistungspotential ausgelegte Speicher- und Schaltelemente für hohe Ströme notwendig, die die Schaltung aufwendig machen. Darüber hinaus sind weitere Maßnahmen erforderlich, um zu einer effektiven Potentialtrennung zwischen Steuer- und Leistungsteil zu kommen.

Eine Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren, wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 vorausgesetzt wird, ist z. B. aus "Elektronik", Heft 18 (1983), Seite 115 bis 118 bekannt. Dort finden zur Ansteuerung von Abschaltthyristoren auch höherer Leistung ebenfalls potentialtrennende Wandler zwischen Leistungs- und Steuerteil sowie nachgeschaltete Gleichrichtungsmittel Verwendung. Als Wandler für die Ansteuerung dienen im wesentlichen zwei Gegentaktwandler als Doppelwandler mit jeweils mehreren Wicklungen auf gemeinsamen Eisenkernen. Zünden und Löschen werden über den Doppelwandler durchgeführt, der eine nachgeschaltete Impulsstromquelle auf Leistungspotential speist, wobei das Löschen automatisch eingeleitet wird, wenn das Ansteuersignal entfällt

Die bekannte Schaltung mit einer Ansteuerung über besagten Doppelwandler ist relativ aufwendig, auch im Hinblick auf eine erforderliche spezielle zusätzliche Beschaltung auf der Leistungsseite. Der zwangsläufige Löschimpuls schränkt die Anwendungsmöglichkeiten ein.

Durch die US-PS 4 203 047 ist noch eine Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren höherer Leistung bekannt geworden, die potentialtrennende Wandler zwischen Leistungs- und Steuerteil sowie nachgeschaltete Gleichrichtungsmittel verwendet. Bei den dortigen Anordnungen werden die Impulsüberträger, von denen mindestens einer zwei Sekundärwicklungen trägt, zur Überlagerung von Impulsen zur Erzielung einer steilen Abschaltcharakteristik verwendet. Das hat mit der vorliegenden Erfindung nichts zu tun.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren höherer Leistung zu schaffen, die bei vereinfachtem Aufbau mit billigen und relativ wenigen Bauelementen auskommt, einen sehr steilen Zündimpuls mit Überhöhung und einen lückenlosen'Dauergatestrom liefert, d. h. einen Gatestrom, der zwar schwanken, aber nicht auf Null gehen darf. Fern» soll die Möglichkeit einer freien Löschimpulsgabe geboten werden. Darüber hinaus soll die Anordnung als passiver Bauteil ausführbar sein, einen einfachen Anschluß ermöglichen und zugleich die Forderung der Potentialtrennung zwischen Steuerungs- und Leistungsteil - wie an sich bekannt - erfüllen.

Diese Aufgabe wird für eine Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die in einem vom Leistungspotential getrennten Steuerteil erzeugten Zünd- und Löschimpulse sowie der Dauergatestrom und die negative Vorspannung für den Abschaltthyristor vier getrennten Einzelwandlem mit je einer Primär- und einer Sekundärwicklung entnommen werden, daß die Steuerung ausschließlich passiv über die Einzelwandler erfolgt, wobei für ein Einschalten des Abschaltthyristors zwei der Einzelwandler sekundärseitig parallelgeschaltet Verwendung finden, die primärseitig einerseits für die Übertragung eines Zündimpulses synchronparallel und andererseits für eine Erzeugung des Dauergatestroms mittels einer Rechteckspannung phasenversetzt parallel angesteuert werden und die sekundärseitig einerseits über Dioden entkoppelt mit dem Gate des Abschaltthyristors und andererseits über die Emitter-/Kollektorstrecke eines Leistungstransistors mit der Kathode des Abschaltthyristors verbunden sind und daß für ein Abschalten des Abschaltthyristors die beiden anderen Einzelwandler für eine Übertragung der Löschimpulse und eine Erzeugung negativer Vorspannung vorgesehen sind.

Dabei können einfache Eisenkemwandler anstelle von Mehrwicklungswandlem Verwendung finden, die in ihrer speziellen Gegentaktansteuerung, innerhalb eines großen Strombereiches nicht lückenden Dauergatestrom -2-

AT 392 703 B ermöglichen und durch ihre Mehrfachausnutzung, auch für den Zündimpuls hoher Steilheit, einen sonst zusätzlichen Wandler einsparen.

Von Vorteil ist auch, daß infolge der möglichen unterschiedlichen Wandlerübersetzungen die auf der Primärseite zu schaltenden Ströme niedrig gehalten werden können. Durch die Anordnung eines Leistungstransistors mit seiner Emitter-/Kollektorstrecke in die Verbindung zur Kathode des Abschaltthyristors kann vorteilhaft der "Zündkreis" der beiden Einzelwandler für das Einschalten vom "Löschkreis" der beiden anderen Einzelwandler für das Abschalten gezielt entkoppelt werden. Dabei ist es besonders zweckmäßig, die Basis des Leistungstransistors über einen niederohmigen Vorwiderstand mit dem Gate des Abschaltthyristors zu verbinden. Es wird damit erreicht, daß selbsttätig, ohne ein zusätzliches Signal oder eine Vorspannung bei einer Ansteuerung der Einzelwandler für das Einschalten des Abschaltthyristors sich auch der Leistungstransistor automatisch einschaltet Andererseits sperrt dieser Leistungstransistor bei einem Einschalten der Einzelwandler für das Ausschalten des Abschaltthyristors und die negative Spannung kann die Einzelwandler für das Einschalten des Abschaltthyristors nicht in die Sättigung führen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die beiden parallelgeschalteten Einzelwandler primärseitig zwei getrennte Eingangsanschlüsse und einen gemeinsamen Ausgangsanschluß auf und die Umschaltung von Synchron-Parallelbetrieb auf phasenversetzten Parallelbetrieb erfolgt logikgesteuert über diese Anschlüsse. Damit sind besonders einfache Anschlußmöglichkeiten geboten.

Es ist fern«- günstig, das Gate des Abschaltthyristors durch eine parallel zur Gate-Kathodenstrecke gelegte Reihenschaltung eines Widerstandes und einer Schottky-Diode niederohmig abzuschließen. Einerseits ist ein niederohmiger Anschluß nötig, immer dann, wenn die Steuerspannung ausfällt, andererseits würde ein bloßer Widerstand die negative Spannungsquelle stark belasten. Durch die gewählte Reihenschaltung mit einer Schottky-Diode läßt sich das Problem zweckmäßig umgehen.

Die aufgezeigte erfindungsgemäße Anordnung läßt sich leicht in einem passiven Baustein zusammenfassen. Solche Bausteine sind bei Reparatur- und Wartungsarbeiten dann leicht einsetzbar oder austauschbar.

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Schaltungsaufbau der erfindungsgemäßen Steueranoidnung,

Fig. 2 den erforderlichen Steuerstrom/Spannungsverlauf für einen GTO-Thyristor,

Fig. 3 den Verlauf des Dauergatestromes nach der Erfindung.

In Fig. 1 sind mit (TI) bis (T4) vier Einzelwandler mit je einer Primär- und einer Sekundärwicklung dargestellt. Weiter ersichtlich sind Ventile (VI) bis (V6), eine Schottky-Diode (V8), Widerstände (RI) bis (R5), ein Kondensator (CI), ein Leistungstransistor (V7) sowie der über sein Gate (G) zu steuernde Abschaltthyristor (1).

Die erfindungsgemäße Steueranordnung ist in einem passiven Baustein zusammengefaßt, der strichpunktiert umrahmt und mit (III) bezeichnet ist. Dieser Baustein liegt zwischen dem eigentlichen Leistungsteil (I) und dem davon potentialgetrennten Steuerteil (Π). Für die Steuerung müssen über die Einzelwandler folgende Signale an den Abschaltthyristor gegeben werden: Der Zündimpuls, der Dauergatestrom, der Löschimpuls und die negative Vorspannung. Der prinzipielle Steuerstrom-/Spannungsverlauf ist der Fig. 2 entnehmbar. Dabei schließt sich einem Zündimpuls (A) ein Dauergatestrom (B) an. Nach einem Löschimpuls (C) folgt eine negative Vorspannung (D) (schraffiert) bis zum nächsten Zündimpuls (A).

Um einen hohen Zündimpuls und ein hohes di/dt bei geringer Induktivität (L) realisieren zu können, werden beim Einschalten (Zünden) die Einzelwandler (TI) und (T2) zunächst auch synchron-parallel angesteuert. Die Sekundärwicklungen liegen in herkömmlicher Weise parallel, die Primärwicklungen sind als Dreileitungssystem mit den Anschlüssen (a), (b), (c) geschaltet. Dabei sind die Anschlüsse (b) und (c) als getrennte Eingänge und der Anschluß (a) als gemeinsamer Ausgang anzusehen.

Der anschließend notwendige Impulsrücken- bzw. Dauergatestrom wird dann von den Einzelwandlem (TI) und (T2) in einer phasenversetzten Parallelansteuerung, d. h. einer Art Gegentakt übertragen, wobei eine Rechteckspannung mit einer Taktfrequenz von ca. 10 kHz anliegt. Dabei ergibt sich ein Strom gemäß Fig. 3. Die Impulse für Zündung und Dauergatestrom werden von außen (über (II)) über eine Logik zugeführt, was hier nicht Gegenstand der Erfindung ist und daher als Darstellung fehlt. Sekundärseitig sind die Einzelwandler (TI) und (T2) über die Ventile (VI) und (V2) entkoppelt Der Steuerstromimpuls und der Dauergatestrom gelangen über die Ventile (VI) und (V2) auf das Gate (G) des leistungsschaltenden Abschaltthyristors (1) und über dessen Kathode und einem Leistungstransistor (V7) zurück zu den Einzelwandlem (TI) und (T2). Der im Gatekreis liegende Leistungstransistor (V7) schaltet bei positiver Spannung selbsttätig ein und sperrt bei negativer Spannung den Weg über die Sekundärwicklungen der Einzelwandler (TI), (T2). Dadurch ergeben sich für Zünden, Löschen und das Anliegen der negativen Vorspannung eindeutige Zustände. Durch die Polung der Ventile (V3) und (V4) im Sekundärkreis des Einzelwandlers (T3) für Löschen erhält das Gate (G) des Abschaltthyristors (1) negatives Potential und die Basis des Leistungstransistors (V7) wird negativ gegenüber Emitter und Kollektor vorgespannt, d. h. der Leistungstransistor (V7) sperrt bei negativem Potential. Gleiches gilt für Einzelwandler (T4) bei Anliegen negativer Vorspannung. Gegenüber früher verwendeter in Reihe liegender Dioden ergibt sich mit dem automatisch öffnenden Leistungstransistor (V7) bei positiver -3-

Claims

AT 392 703 B Basisvorspannung, d. h. im Betrieb, eine niedrigere Verlustleistung. Der Leistungstransistor (V7) selbst dient dazu, bei negativer Vorspannung einen Kurzschluß zu verhindern. Um den Abschaltthyristor (1) bei fehlender negativer Gate-Kathodenspannung voll sperrfähig zu halten, benötigt man einerseits einen niederohmigen Abschluß, was durch einen niederohmigen Widerstand (R5) parallel zur Gate-Kathodenstrecke erreicht wird. Andererseits würde dieser bloße Widerstand (R5) über die relativ hochohmige Spannungsquelle für die negative Vorspannung nahezu einen Kurzschluß bedeuten. Ein Stromfluß wird durch eine reihengeschaltete Diode verhindert Damit diese Einrichtung jedoch wirksam sein kann, soll die Schleusenspannung der Diode (V8) unterhalb der Gate-Kathodenspannung liegen, was man durch die Verwendung einer Schottky-Diode (V8) erreicht Während der Zeit, in der der Abschaltthyristor mit positivem Gatestrom angesteuert wird, fließt nur ein geringer Teil des Gesamtstromes über die parallel zur Gate-Kathodenstrecke gelegte Reihenschaltung des Widerstandes (R5) und der Schottky-Diode (V8). Durch die Erfindung ist eine Anordnung geschaffen worden, die insbesondere als Baustein besonders zweckmäßig die gestellte Aufgabe erfüllt PATENTANSPRÜCHE 1. Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren höherer Leistung unter Verwendung von potentialtrennenden Wandlern zwischen Leistungs- und Steuerteil sowie nachgeschalteten Gleichrichtungsmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß die in einem vom Leistungspotential getrennten Steuerteil (Π) erzeugten Zünd- und Löschimpulse sowie der Dauergatestrom und die negative Vorspannung für den Abschaltthyristor (1) vier getrennten Einzelwandlem (TI bis T4) mit je einer Primär- und einer Sekundärwicklung entnommen werden, daß die Steuerung ausschließlich passiv über die Einzelwandler (TI bis T4) erfolgt, wobei für ein Einschalten des Abschaltthyristors (1) zwei der Einzelwandler (TI, T2) sekundärseitig parallelgeschaltet Verwendung finden, die primärseitig einerseits für die Übertragung eines Zündimpulses synchronparallel und andererseits für eine Erzeugung des Dauergatestroms mittels einer Rechteckspannung phasenversetzt parallel angesteuert werden und die sekundärseitig einerseits über Dioden (VI, V2) entkoppelt mit dem Gate (G) des Abschaltthyristors (1) und andererseits über die Emitter-/Kollektorstrecke eines Leistungstransistors (V7) mit der Kathode des Abschaltthyristors (1) verbunden sind und daß für ein Abschalten des Abschaltthyristors (1) die beiden anderen Einzelwandler (T3, T4) für eine Übertragung der Löschimpulse (über (T3)) und eine Erzeugung negativer Vorspannung (über (T4)) vorgesehen sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden parallelgeschalteten Einzelwandler (TI, T2) primärseitig zwei getrennte Eingangsanschlüsse (b, c) und einen gemeinsamen Ausgangsanschluß (a) aufweisen und die Umschaltung von Synchron-Parallelbetrieb auf phasenversetzten Parallelbetrieb logikgesteuert über die Anschlüsse (a, b, c) erfolgt.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Leistungstransistors (V7) über einen niederohmigen Vorwiderstand (RI) mit dem Gate (G) des Abschaltthyristors (1) verbunden ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate (G) des Abschaltthyristors (1) durch eine parallel zur Gate-Kathodenstrecke gelegte Reihenschaltung eines Widerstandes (R5) und einer Schottky-Diode (V8) niederohmig abgeschlossen ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -4-