DE1488856A1

DE1488856A1 - Thyristor controlled circuit

Info

Publication number: DE1488856A1
Application number: DE19661488856
Authority: DE
Inventors: Sinclair William Donald
Original assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Current assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Priority date: 1965-07-20
Filing date: 1966-07-19
Publication date: 1969-10-02
Also published as: GB1081585A

Description

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Associated Electrical Industries Limited, London S.W. 1 EnglandAssociated Electrical Industries Limited, London S.W. 1 England

Th./r istorgesteuerte Sc h.a. 1 b un g Th./r istor- controlled sc ha 1 b un g

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung, bei der der Strom eines von einer Wechselstromquelle gespeisten Verbrauchers von einer Halbleitervorrichtung gesteuert wird, die mindestens einen Thyristor enthält oder von mindestens einem Thyristor gebildet wird.The invention relates to an electrical circuit in which the current of a consumer fed by an alternating current source is controlled by a semiconductor device including at least one thyristor or by at least one thyristor is formed.

Halbleiterbauelemente erfordern eine Art Überlastungsschutz, da selbst ein kurzzeitiges Überschreiten der maximal zulässigen Temperatur eines pn-Überganges des Bauelementes den Verlust der Λ Steuerbarkeit des Bauelementes zur Folge haben kann, wenn das Bauelement ein Thyristor ist, oder das Bauelement kann, im Falle einer Diode, für immer zerstört werden. Bei Schaltungen dieser Art ist es daher üblich, den normalen Betriebsstrom durch das oder die Halbleiterbauelemente auf einen Wert zu begrenzen, bei dem sich eine Übergangstemperatur im Bauelement einstellt, die unter dem maximal zulässigen Wert liegt. Dadurch kann die Temperatur des Bauelementes um einen geringen Betrag ansteigen, ohne daß die Übergangstemperatur über den maximal zulässigen Wert ansteigt. Im Normalbetrieb der Schaltung werden somit das oder die Halbleiterbauelemente unterhalb ihrer maximalen Nennleistung betrieben.Semiconductor devices require some sort of overload protection, because even a short-term exceeding the maximum permissible temperature of the device can cause loss of Λ controllability result in a pn junction of the device when the device is a thyristor, or the component can, in the case of a diode, to be destroyed forever. In circuits of this type, it is therefore customary to limit the normal operating current through the semiconductor component or components to a value at which a transition temperature is established in the component that is below the maximum permissible value. As a result, the temperature of the component can rise by a small amount without the transition temperature rising above the maximum permissible value. During normal operation of the circuit, the semiconductor component or components are thus operated below their maximum rated power.

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Schaltungsanordnung zur Rege Lung des einem Verbraucher aus einer Weohselstromquelle zu- ^eführten Stroms zu schaffen, bei der das oder jedes zur Steuerung des Stroms verwendete Halbleiterbauelement unter normalen Bedingungen mit nahezu maximaler Nennleistung sicher betrieben werden kann.The object of the invention is therefore to provide a circuit arrangement for regulating the power supply to a consumer from a Weohselstromquelle. ^ to create a current, with which the or each to the control The semiconductor component used for the current is safely operated under normal conditions with almost maximum rated power can be.

Gf maß der Erfindung enthält eine elektrische Schaltung zur Regelung des einem Verbraucher aus einer Wechselstromquelle zuge-Gf measure of the invention includes an electrical circuit for regulation which is supplied to a load from an alternating current source

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_₂_ U88856_ ₂ _ U88856

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führten Stroms mindestens einem Thyristor zwischen Verbraucher und Stromquelle, eine dem Istwert der Temperatur des Thyristorüberganges proportionale Spannung erzeugende Vorrichtung und eine diese Spannung mit einer Bezugsspannung vergleichende und ein der Differenz zwischen diesen Spannungen proportionales Signal erzeugende Vorrichtung, die die Leitfähigkeit des Thyristors derart steuert, daß eine Überhitzung des Thyristorüberganges verhindert wird.led current of at least one thyristor between consumer and current source, one of the actual value of the temperature of the thyristor junction proportional voltage generating device and a device comparing this voltage with a reference voltage and a signal generating device proportional to the difference between these voltages, which measures the conductivity of the Controls the thyristor in such a way that overheating of the thyristor junction is prevented.

Je nachdem, ob es sich um eine einphasige oder eine mehrphasige Wechselstromquelle handelt, können ein oder mehrere Thyristoren verwendet werden. Außerdem kann eine gesteuerte VoIlwegbrückenschaltung, bestehend aus Dioden und Thyristoren, verwendet werden. Wenn die Schaltung mehr als einen Thyristor enthält, kann für jeden Thyristor eine Vorrichtung zur Erzeugung der Istwertspannung und eine Vorrichtung zum Vergleichen der IstwertSpannung mit der Bezugsspannung vorgesehen sein. Andererseits kann die Schutzvorrichtung auch nur für einige Thyristoren vorgesehen sein, unter der Annahme, daß sich der Verbraucherstrom zu gleichen Teilen auf die Thyristoren aufteilt. Andere nicht im Rahmen der Erfindung liegende Maßnahmen können getroffen werden, um eine ungleiche Verteilung des Verbraucherstromes auf die Thyristoren anzuzeigen.Depending on whether it is a single-phase or a multi-phase AC power source, one or more thyristors be used. In addition, a controlled full bridge circuit, consisting of diodes and thyristors can be used. If the circuit has more than one thyristor contains, a device for generating the actual value voltage and a device for comparison can for each thyristor the actual value voltage can be provided with the reference voltage. On the other hand, the protection device can only be provided for some thyristors, assuming that the Divides consumer current equally between the thyristors. Other measures not within the scope of the invention can be taken to indicate an uneven distribution of the load current to the thyristors.

Die Ansprechgeschwindigkeit dieser Schaltung ist hoch, und da der Istwert der Übergangstemperatur in eine elektrische Größe umgeformt und mit einem ebenfalls elektrischen Sollwert, der Bezugsspannung, verglichen wird, kann der normale Betriebsstrom des oder jedes Thyristors dicht bei seinem maximal zulässigen Betriebsstrom liegen. 'The response speed of this circuit is high, and because the actual value of the transition temperature into an electrical quantity is converted and compared with a likewise electrical setpoint value, the reference voltage, the normal operating current of the or each thyristor can be close to its maximum permissible Operating current. '

Die dem Istwert der Temperatur des gleichrichtenden Überganges proportionale Spannung wird von einer analogen Vorrichtung geliefert, die von einem dem Istwert des Verbraucherstromes pi'o-The voltage proportional to the actual value of the temperature of the rectifying junction is supplied by an analog device, which depends on the actual value of the consumer current pi'o-

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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

U88856U88856

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portionalen Signal gespeist wird. Bei der analogen Vorrichtung kann es sich entweder um eine elektrische Schaltung, deren Übertragungswiderstand die gleiche mathematische Darstellung hat wie die Beziehung zwischen Augenblickswert der Übergangstemperatur und Thyristor strom, oder um ein anderes Halbleiterbauelement handeln, das so angeordnet ist, daß die Temperatur seines gleichgerichteten Übergangs jederzeit proportional der des Thyristors ist.proportional signal is fed. The analog device can either be an electrical circuit, its transmission resistance has the same mathematical representation as the relationship between instantaneous transition temperature and thyristor current, or another semiconductor component act, which is arranged so that the temperature of its rectified Transition is always proportional to that of the thyristor.

Die mathematische Beziehung für die Schaltungsform der analogen Vorrichtung kann leicht verwirklicht werden. Die Durchlaßkennlinie des Bauelementes, das heißt die Abhängigkeit des Stroms von der Spannung und mithin die Abhängigkeit des Stroms von der f VerlußtIeistung wird bestimmt. Die Umrechnung in die Übergangßtemperatur läßt sich anhand .The mathematical relationship for the circuit shape of the analog device can be easily realized. The transmission characteristic of the component, i.e. the dependence of the current on the voltage and therefore the dependence of the current on the f Power loss is determined. The conversion into the transition temperature can be based on.

a) der thermischen Widerstandsübergangskennlinie unda) the thermal resistance transition characteristic and

b) des stationären Zustandes der thermischen Widerstandskennlinie vornehmen.b) the steady state of the thermal resistance curve.

Ein dritter "Faktor, die Zeitkonstante des thermischen Systems des Bauelementes, ermöglicht es, den gesamten Aufheiz- und AbkühlVorgang des Überganges zu errechnen und den genauen Wert der Übergangstemperatur für jede Gruppe stationärer Zustandsbedingungen bei überlagerten Übergangsbedingungen zu bestimmen. A third "factor, the time constant of the thermal system of the component, it enables the entire heating and cooling process of the transition and the exact value of the transition temperature for each group of steady state conditions to be determined for superimposed transition conditions.

Das als Alternativausführung für die analoge Vorrichtung ge~ Viählte Halbleiterbauelement hätte dann eine derartige Durchlaßkennlinie, daß ihre Übergangsverlustleistung immer proportiomal derjenigen des Thyristors wäre. Ferner würde das Bauelement mit Materialien befestigt und umgeben werden, deren Abmessungen und thermischen Konstanten derart bemessen werden, daß das thermische Ubergangsverhalten proportional der des Thyristors wäre.The ge ~ as an alternative version for the analog device Fourth semiconductor component would then have such a forward characteristic, that their transition power loss is always proportional that of the thyristor. Furthermore, the component would be attached and surrounded with materials, their dimensions and thermal constants are dimensioned such that the thermal Transition behavior would be proportional to that of the thyristor.

_ zj. _ 9 0 9840/0431_ zj. _ 9 0 9840/0431

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Dieses analoge Bauelement würde in engem thermischen Kontakt mit der Wärmeableit- oder Kühlvorrichtung des Thyristors angeordnet, aber meistens elektrisch isoliert, um die Temperaturmessung zu erleichtern. Durch diese Maßnahme wird die Übergangstemperatur des analogen Bauelementes durch die Temperatur des Thyristors um den genau gleichen Betrag wie die des Thyristors geändert. "Die Übergangstemperatur des analogen Bauelementes würde beispielsweise durch Vergleichen seines Spannungsabfalls in Durchlaßrichtung bei einem niedrigen festen Strom während der nichtleitenden Periode mit einer Bezugsspännung, die dessen Spannungsabfall in Durchlaßrichtung bei beispielsweise 20° G entspricht, mit Hilfe eines direkt gekoppelten Differenzgleichspannungsverstärkers gemessen. Die Ausgangsspannung des Verstärkers wäre proportional der Abweichung der Temperatur des.Überganges des„analogen Bauelementes und mithin der Abweichung der Thyristorübergangstemperatur von der Bezugstempe^ ratur.This analog component would be placed in close thermal contact with the thyristor's heat sink or cooling device, but mostly electrically isolated for temperature measurement to facilitate. As a result of this measure, the transition temperature of the analog component is determined by the temperature of the thyristor changed by exactly the same amount as that of the thyristor. "The transition temperature of the analog component would, for example, by comparing its forward voltage drop at a low fixed current during the non-conductive period with a reference voltage, which corresponds to its voltage drop in the forward direction at, for example, 20 ° G, with the aid of a directly coupled differential DC voltage amplifier measured. The output voltage of the amplifier would be proportional to the deviation in temperature des.überganges of the "analog component and therefore the deviation the thyristor transition temperature from the reference temperature.

Die Erfindung wird nun anhand der Abbildung eines Ausführungsbeispieles beschrieben., wobei alle aus der Beschreibung und der Abbildung hervorgehenden Einzelheiten zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit.dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden.The invention will now be described with reference to the illustration of an exemplary embodiment, all of which are derived from the description and the figure emerging details can contribute to the solution of the task within the meaning of the invention and mit.dem will were included in the application for patenting.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltung dargestellt und in Fig. 2. eine Schnittansicht einer analogen Vorrichtung, die in einer Ausführung der Erfindung verwendet wird. r:1 is a block diagram of an embodiment of the invention Circuit shown and in Fig. 2. a sectional view of an analog device shown in an embodiment of the invention is used. r:

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wird der einem Verbraucher zugeführte Strom von einer Halbleitervorrichtung 2 gesteuert, die mindestens einen Thyristor enthält. Der Verbraucherstrom wird von edner dreiphasigen Wechselstromquelle geliefert, die über einen Schalter 3 an die Primärwicklungen eines Dreiphasentransformators 4- angeschlossen ist. Die Se-In the circuit shown in Fig. 1 is a consumer supplied current controlled by a semiconductor device 2, which includes at least one thyristor. The consumer flow is supplied by a three-phase alternating current source, which is connected to the primary windings via a switch 3 a three-phase transformer 4- is connected. These-

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kundärwicklungen des Transformators sind an die Halbleiter-Vorrichtung 2 angeschlossen, die einen Vollwegbrückengleichrichter mit mindestens einem Gleichrichter pro Phase, in diesem Falle einen Thyristor, enthält. Eine Zündschaltung 5 liefert 'die Zündimpulse für jeden Thyristor während abwechselnder Halbwellen der jeweiligen Phasenspannung der Stromquelle, so daß dem Verbraucher 1 ein nur in einer Richtung fließender Strom zugeführt wird. Durch Verschieben der Phasenlage der Zündimpulse relativ zur Phasenlage der Speisewechselspannung kann die Größe des VerbraucherStroms geändert werden.secondary windings of the transformer are attached to the semiconductor device 2 connected, which have a full-wave bridge rectifier with at least one rectifier per phase, in in this case a thyristor. An ignition circuit 5 delivers' the ignition pulses for each thyristor during alternating Half-waves of the respective phase voltage of the power source, so that the consumer 1 only in one direction flowing current is supplied. By shifting the phase position of the ignition pulses relative to the phase position of the AC supply voltage the size of the consumer flow can be changed will.

Der in jeder Phase zur Halbleitervorrichtung 2 fließende Wechselstrom wird überwacht, z.B. von einem (nicht gezeigten) Stromwandler, und ein kleiner Ausgangsstrom mit gleichem Eurvenverlauf wie der Phasenstrom aber kleinerer Amplitude erzeugt. Diese Ströme werden den jeweiligen analogen Vorrichtungen, die als Ganzes mit 6 bezeichnet sind, zugeführt. Jede analoge Vorrichtung liefert eine Ausgangsspannung, die proportional dem Istwert der Übergangstemperatur desjenigen Thyristors ist, der in dex^vjenigen Phase liegt, mit der sie verbunden, ist. Die Ausgangsspannung eines jeden analogen Bauelementes wird jeweils einer Vergleichsschaltung ? zugeführt, von denen nur eine angedeutet ist, und außerdem wird eine vorgewähl te Spannung von einer Bezugsvorrichtung 8 der Vergleichsschaltung zugeführt. Die Vergleichsschaltungen vergleichen die beiden Eingangsspannungen und liefern eine der Differenz der beiden Eingangsspannungen proportionale Spannung. Die Spannungen werden über eine elektrische Verbindung zwischen jeder Vergleichsschaltung 7 und der Zündschaltung 5 der Zündschaltung zugeführt und steuern die Phasenlage der den jeweiligen Thyristoren zugeführten Zündimpulse.The alternating current flowing to the semiconductor device 2 in each phase is monitored, for example by a current transformer (not shown), and a small output current with the same curve as the phase current but with a smaller amplitude is generated. These currents are fed to the respective analog devices, which are designated as a whole by 6. Each analog device provides an output voltage that is proportional to the actual value of the transition temperature of that thyristor is in dex ^v jenigen phase with which it is connected, is. The output voltage of each analog component is given to a comparison circuit ? supplied, of which only one is indicated, and also a preselected voltage is supplied from a reference device 8 to the comparison circuit. The comparison circuits compare the two input voltages and supply a voltage proportional to the difference between the two input voltages. The voltages are supplied to the ignition circuit via an electrical connection between each comparison circuit 7 and the ignition circuit 5 and control the phase position of the ignition pulses supplied to the respective thyristors.

Wenn die von der Vergleichsschaltung 7 gelieferte Differenz-If the difference supplied by the comparison circuit 7

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I H O O O Ό Ό IHOOO Ό Ό

— Ό —- Ό -

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spannung anzeigt, daß sich die Übergangstemperatur des betref-' fenden Thyristors ihrem maximal zulässigen Wert nähert, wird die Phasenlage der Zündimpulse des Thyristors derart eingestellt, daß der von diesem Thyristor geführte Verbraucherstrom und mithin dessen Übergangstemperatur verringert wird. Im Falle einer besonders starken Überlastung werden die Zündimpulse derart verzögert, daß der Verbraucherstrom auf null reduziert wird. Die Ansprechgeschitfindigkeit der Schaltung ist so groß, daß der Phasenwinkel der Impulse innerhalb einer Halbwelle der Frequenz der Wechselstromquelle verschoben werden kann. Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme kann die Differenzspannung, wenn der Betrag der Differenzspannung von irgendeiner Vergleichsschaltung 7 anzeigt, daß die maximal zulässige Übergangstemperatur irgendeines Thyristors erreicht ist, zur Trennung des Thyristors von der Stromquelle durch Betätigen des Schalters 3 verwendet werden.voltage indicates that the transition temperature of the fenden thyristor approaches its maximum permissible value the phase position of the firing pulses of the thyristor is set in such a way that that the consumer current carried by this thyristor and thus its transition temperature is reduced. In the event of In the event of a particularly severe overload, the ignition pulses are delayed in such a way that the consumer current is reduced to zero. The response speed of the circuit is so great that the Phase angle of the pulses can be shifted within a half-wave of the frequency of the alternating current source. As an additional Safety measure can be the differential voltage if the magnitude of the differential voltage from any comparison circuit 7 indicates that the maximum permissible transition temperature of any thyristor has been reached, for the separation of the thyristor from the power source can be used by pressing switch 3.

Vorteile der erfindungsgemäßen Thyristorschutzschaltung sind, daß die Schaltung unempfindlich auf den Spannungsverlauf der Speisespannung ist, daß durch Einstellen der Bezugsspannung jeder beliebige Sicherheitsfaktor vorgewählt und der Thyristor nahezu ständig mit seiner Nennleistung betrieben werden kann.Advantages of the thyristor protection circuit according to the invention are that the circuit is insensitive to the voltage curve of the Supply voltage is that by setting the reference voltage any safety factor is preselected and the thyristor can be operated almost continuously at its rated output.

Jede analoge Vorrichtung kann-eine Schaltung aus Widerständen, Kondensatoren oder anderen Bauelementen, z.B. Dioden und Hall-Generatoren enthalten, deren Werteso gewählt werden, daß die mathematische Beziehung zwischen der Temperatur des gleichrichtenden Thyristorüberganges und irgendeiner Einstellung von stationären Verbraucherstromzuständen mit überlagerten Übergangsbedingungen oder -zuständen dargestellt wird. Any analog device can - a circuit of resistors, Contain capacitors or other components, e.g. diodes and Hall generators, the values of which are chosen so that the mathematical relationship between the temperature of the rectifying thyristor junction and any setting of steady-state Load current states with superimposed transition conditions or states is shown.

Andererseits kann als analoge Vorrichtung auch ein weiteres Halbleiterbauelement verwendet werden, daß eine derart gewählte Durchlaßkennlinie hat, daß seine übergangsverlustleistung immer proportional zu derjenigen des Thyristors ist. Eine der-On the other hand, a further semiconductor component can also be used as an analog device that one selected in this way Forward characteristic has that its transfer power loss is always proportional to that of the thyristor. One of the-

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artige analoge Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. Eine Siliziumdiode 10 ist auf einem Kupferblock 11 und der Block in guter thermischer Verbindung auf einet Platte 12 aus ei-r nem elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Material, z.B. Aluminiumoxid, angeordnet. Eine Metallhülse 13 umgibt die Diode, den Kupferblock und einen Teil der Platte 12, und diese Bauteile werden in der Hülse von einem festen, elektrisch isolierenden !Füllmittel 14-, z.B. Harz, gehalten, das den Raum zwischen den Bauteilen und der Innenwand der Hülse weitgehend ausfüllt. Ein Teil der Platte 12 ragt geringfügig über ein Ende der Hülse hinaus, und dieses Ende % der Hülse ist mit einem durchbohrten Flansch 15 versehen, mit dem die Hülse an dem leitenden Wärmeableiter befestigt werden kann, an dem: der Thyristor zu dem die analoge Vorrichtung gehört, befestigt ist, so daß der vorstehende Teil der Platte in gütern ffhermigchen Kontakt mit dem Wärmeableiter steht« ; .like analog device is shown in FIG. A silicon diode 10 is arranged on a copper block 11 and the block is in good thermal connection on a plate 12 made of an electrically insulating, thermally conductive material, for example aluminum oxide. A metal sleeve 13 surrounds the diode, the copper block and part of the plate 12, and these components are held in the sleeve by a solid, electrically insulating! largely fills out. Part of the plate 12 protrudes slightly beyond one end of the sleeve, and this end % of the sleeve is provided with a pierced flange 15 by which the sleeve can be attached to the conductive heat sink to which: the thyristor to which the analogous device is attached so that the protruding part of the plate is in good thermal contact with the heat sink «; .

Das andere Ende der Hülse wird von einer elektrisch isolierenden Abdeckung 16 abgeschlossen, die einen zweiwegig abgeschirmten Anschiüßteil i? trägt. Die Anschlüsse des Anschlußteils sind innen an die Elektroden der Diode angeschlossen, während äußere Anschlüsse ebenfalls am Anschlußteil vorgenommen werden können. ■ <The other end of the sleeve is covered by an electrically insulating one Cover 16 completed, which is a two-way shielded connection part i? wearing. The connections of the connector are connected inside to the electrodes of the diode, while external connections are also made on the connector can be. ■ <

909840/0 A3 1909840/0 A3 1

■-.r-■ -.r-

Claims

Patent claims

1. Electrical circuit for regulating a consumer from an alternating current source supplied current, in which at least one thyristor between the consumer and the Current source is and the conductivity of the thyristor is changed to regulate the current so that a overheating of the thyristor junction is prevented, characterized in that the conductivity of the thyristor is controlled by a voltage equal to the difference between one of the actual value of the temperature of the thyristor junction proportional voltage and a reference voltage.

2. Circuit according to claim 1, characterized in that the differential voltage the phase position of the firing pulses supplied to the thyristor and thus the thyristor in

depending on the voltage at the thyristor conductive controls.

3. Circuit according to claim 1 or 2, characterized in that " that the actual value of the temperature of the thyristor junction proportional voltage from an analog device in the form of an electrical circuit, the transmission impedance of which is the same mathematical Representation has how the relationship between the actual value of the transition temperature of the thyristor and the current through the thyristor, and that the device is fed by a voltage proportional to the thyristor current.

4. A circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the actual value of the temperature of the thyristor junction proportional voltage is supplied by an analog device using a semiconductor rectifier in such thermal relationship to the thyristor contains that the Gieieh-

8AD-ORiQiNAi8AD-ORiQiNAi

909840/04 3 1909840/04 3 1

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Right transition temperature always proportional to
"■ temperature of the thyristor junction is _r and that this
Device is fed by a voltage proportional to the thyristor load current.

5 · Circuit according to claim 4-, wherein the thyristor on

attached to a heat sink, characterized in that the semiconductor equalizer is in thermal relationship is arranged to the heat sink.

6. Circuit according to claim 5> characterized in that

the semiconductor rectifier is a thyristor-heat sink is disposed in thermal etc. Eontakt with a body of electrically insulating, thermally conductive material arranged diodes and the body in thermal contact with the.

90 9 8 407 0 4-3