DE1564577A1 - UEberspannungsschutz fuer Thyristoren - Google Patents

Description

• Überspannungssehutz für Thyristoren

  Auf den ersten Blick erscheint ein Überepannungsschutz für Thyri-

  storen nicht erforderlich zu sein, da es ja zum Wesen eines solchen

  3nuelementes gehört, daß es auch dann in den stromleitenden Zustand

  @:LnpL, wenn die anliegende Spannung einen bestimmten Grenzwert über-

  sc@reitet. Das gilt auch dann, wenn dem ThVristor kein Steuerstrom

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  zu@;elührt wird. Die zum Kippen erforderliche Grenzspannung liegt da-.

  bei;- entsprechend höher. Man spricht in diesem Fall von einem Zünden

  "über Kopf".

  Es hat sich ninn gezeigt, da13 ein solches Überkopf-Zünden bei. %eistungs.

  th:,rr:istoren mit Sicherheit vermieden werden muß, da selche- Bauelemente -

  bl e benden Schaden nehmen können, Üm das zu verhindern, hat. man

  zwischen die Artode und die Steuerstrecke eines leistungsthyristors über einen Widerstand eine Shoekley-Diode oder Zerierdiode geschaltet. Diese Dioden müssen so beschaffen sein, daß ein Strom# fluß erst dann möglich ist, wenn die maximal zulässige Betniebsspannung an dem Thyristor erreicht ist. Dann aber muB ein verhältnismCißig hoher Strom fließen können, damit der Thyristor mit Sicherheit durchzündet. Schaltungen, die die angegebenen Bedinungen erfüllen, sind mit . schwerwiegenden Nachteilen behaftet. So mußte beispielsweise mit Rücksicht auf die verhältnismäßig hohe maximal zulässige Betriebsspannung der Thyristoren eine Zenerdiode mit einer hohen Durchbruchsspannung und einer entsprechend hohen Verlustleistung verwendet werden. Der Nachteil der Shockley-Diode ist darin .zu sehen, daß ihr Kipp-Punkt nicht nur von dem Absolutwert sondern auch von dem Grad der Änderung der Spannung abhängt. Außerdem gibt es Shockley-Dioden nur mit einer Sperrspannung von maximal 200 bis 300 Volt. Es müßten daher mehrere derartige Dioden in Reihe geschaltet werden. Damit entsteht aber wieder das Problem, für eine gleichmäßige Potentialverteilung zu sorgen. Es wurde auch schon vorgeschlagen, anstelle der erwähnten Dioden einen kleinen Hilfsthyristor zu verwenden und diesen über Kopf zu zünden. Der Zündzeitpunkt hängt aber auch hierbei nicht nur-von dem Absolut-wert sondern ebenfalls auch von dem Differentialquotienten der Spannung ab. Eine weitere Unstcherheit liegt In der starken Temperaturabhängigkeit des, Klpp-Fuhktes, der such von: Exemplar zu "mplar sehr verschie4ene Wete h.ben kann. gin allen genannten Schutzschaltungen gemeinsamer Nachteil besteht ferner noch darin, daß der Ansprechpunkt.der Schutzschaltung nicht freizügig gewählt und dem zu schützenden Thyristor angepaßt werden kann, sondern von den verfügbaren Dioden bzw. Hilfsthyristoren abhängt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit tragbarem Aufwand eine Überspannungsschutzischaltung.zu schaffen, die nicht mehr die vorstehend genannten Nachteile bekannter Anordnungen aufweist, die also insbesondere eine leichte Veränderung des jeweils gewünschten Ansp reckwertes ermöglicht und nicht in unkontrollierter Weise von dem Differentialquotienten der Spannung abhängt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Anoden-Kathoden-Strecke des zu schützenden Thyristors ein Spannungsteiler mit wenigstens einem Kondensator parallel geschaltet i`st, und daß der Zweigdes Spannungsteilers mit dem Kondensator über eine Shockley-Diode der Steuerstrecke des Thyristors parallel liegt. Mit Hilfe des Spannungsteilern kann nun praktisch jede gewünschte Auslösespannung einfach eingestellt werden. Der Spannungsteiler besteht vorzugsweise aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen mit je einem parallel geschalteten Kondensator und kann direkt oder über eine Diode an die Anode des Thvristörs angeschlossen werden. Der erwähnte Kondensator stellt die zum Durchzünden des Thyristors erforderliche Energie bereit. Dadurch erhält aber der Spannungsteiler einen unerwünschten Frequenzgang. Die-

  ser lä2t sich ausgleichen, wenn man die Zeitkonstanten der beiden

  RC-Glieder eines solchen Spannungsteilers gleich macht. Dann ist. nämlich die am Abgriff des Spannungsteilers liegende Teilspannung immer ein genaues Abbild der am gesamten Spannungsteiler anliegen-,den Spannung. Mitunter ist aber eine kleine Nacheilung des Spannungsanstieges am Abgriff des Spannungsteilers gegenüber der Spannung an . dem Thyristor erwünscht. Hierzu braucht man nur die Zeitkonstante des im Steuerkreis des Thyristors liegenden RC-Gliedes etwas größer zu machen als die Zeitkonstante des anderen RC-Gliedes des Spannungsteilers. Bei einer umgekehrten Bemessung der beiden RC-Glieder erhält man dementsprechend eine schnellere Auslösung des Thyristors. Mitunter will man den Thyristor nicht nur dann zünden, wenn der,Absolutwert der an ihm liegenden Spannung einen bestimmten Maximalwert erreicht hat, sondern auch dann, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung unabhängig von ihrem Absolutwert einen bestimmten Wert erreicht hat. Zu diesem Zweck legt man zwischen die Shockley-.Diode und den Spannungsteiler - der in diesem Fall als frequenzunabhängiger Spannungsteiler bemessen wird - eine Entkopplungsdiode. Ferner wird die Shockley-Diode über eine zweite Entkopplungsdiode an einen Spannungsteiler angeschlossen, der aus der Reihenschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes besteht, der dbr Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors parallel geschaltet ist. Der für die Zülidung.der Shockley-Diode erforderliche Strom wird dann entweder von dem zweiten Spannungsteiler bei einem durch seine Zeitkonstante bestimmten Spannungsanstieg an den Thyristor oder von dem anderen Spannungsteiler bei einem bestimmten Absolutwert der Spannung am Thyristor geliefert. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeipsiele erläutert. Dabei sind funktionsgleiche Elementlein allen Ausführungsbeispielen mit gleichen Bezugszeichen versehen. In Figur 1 ist der zu schützende Thyristor mit p1-bezeichnet. Seiner Anoden-Kathoden-Strecke ist über ein Ventil n1 'ein Spannungsteiler bestehend aus den Widerständen r1 ünd r2 parallel geschaltet. Parallel zu jedem dieser Widerstände liegt ein Kondensator@c1 bzw. c2. Die Steuerstrecke des Thyristörs p1 ist über einen Widerstand r3 und eine Vierschicht-Diode p2, meist Shockley-Diode genannt, mit dem Abgriff des Spannungsteilers verbunden. Sobald die Spannung an dem Abgriff des Spannungsteilers einen durch die Bauart der Diode p2 bestimmten Grenzwert erreicht, kippt diese in den stromführenden Zustand, so daß sich der Kondensator c2 über die Steuerstrecke des Try ristors p1 und den Vorwiderstand r3 entladen kann. Da die zum Durchzünden des Thyristors erforderliche Energie von dem Kondensa:;or c2 geliefert wird und der Zündstrom für die Shockley-eDiode relativ klein ist, kann der ohmsche Spannungsteiler verhältnismäßig hochohmig ausgelegt werden.-Der Kondensator c1 hat dabei im wesentlichen dafür zu sorgen, daß die Anordnung auch sofort nach dem Einschalten betriebsbereit ist. -Die Anordnung nach Figur 2 ist gegenüber der nach Figur 1 durch einer zusätzlichen Spannungsteiler bestehend aus einem Kondensator c3 und einem mit diesem in Reihe geschalteten Widerstand r4 ergänzt, der der Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors p1 parallel geschaltet ist. Die Shockley-Diode p2 ist über eine Entkopplungsdiode n3 auch mit dem r Abgriff dieses zweiten Spannungsteilers verbunden. Aus diesem Grunde ist zwischen die Shockley-Diode p2 und den ereteri Spannungsteiler eben. falls eine_Entkopplungsdiode n2 gelegt. Die Shockley-Diode p2 kann daher zünden, wenn die Spannung an einem der beiden Spannungsteiler den erforderlichen Grenzwert erreicht hat. Der zweite Spannungsteiler wird dabei so bemessen, daß dieser Grenzwert der Spannung bei einer bestimmten Änderungsgeschwindigkeit der Spannung.an dem Thyristor beispielsweise bei 15 Volt //us erreicht ist. Der andereSpannungsteiler wird dagegen frequenzunabhängig dimensioniert, so daß er den Absolutwert der Spannung am Thyristor überwacht. Die Anordnung nach Figur 3 weist sowohl Merkmale der Anordnung nach Figur 1 wie auch der Anordnung nach Figur 2 auf. Wie bei der Anordnung nach Figur.2 liegt auch hier zwischen dem Hauptspannungateiler und der Shockley-Diode p2 eine Entkopplungsdiode n2. Anstelle des dem . Kondensator e2 parallel liegenden Widerstandes r2 ist hier aber eine Zenerdiode n5 vorgesehen, die so bemessen ist, daß die Spannung an dem Kondensator c2 niemals den zum Durchzünden der Shockley-Diode p2 erforderlichen Grenzwert erreichen kann. Den Zündstrom erhält die Shockley-Diode vielmehr über einen Stromzweig mit einem Widerstand r5, einer Avalanche-Diode n4 und einer Bntkopplungadiode n3. Über diesen Zweig ist die Shockley-Diode p2 mit der Anode des Thyristors l p1 verbunden. Der Auslösepunkt bzw. die Auslösespannung dieser Anordnung wird bestimmt durch die Grenzspannung der Avalanche-Diode -die auch eine Zenerdiode sein kann - bei der der Stromfluß über diesen Zweig stark zunimmt.

Claims (5)

1. Patent@aDrüche 1ö Überspannungsschutzschaltung für'einen Thyristor, dadurch gekennzeichnet, daaß der Anoden-Kathoden-Strecke des zu schützenden Thyristors (p1) ein Spannungeteiler mit mindestens einem Kondensator (c2) parallel geschaltet ist und daß der Zweig des Spannungsteilere mit dem Kondensator (c2) über eine Shockley-Diode (p2) der Steuerstrecke den Thyrietorn parallel geschaltet ist.
2. 2. Anordnung nach Anseruah 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler'- gegebenenfalls über eine Diode (n1) - an die An-ode des Thyrietors angeschlossen ist und aus zwei in Reihe ge- schalteten ohmeehen Widerständen (r1, r2 mit je einem parallel liegenden Kondensator (e1, c2) besteht.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilverhältnie frequenzunabhängig ist, d.h., daß die Zeitkonstanten der beiden RC-Glieder gleich sind.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstanten der beiden RG-Glieder etwas voneinander abweichen.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Abgriff des Spannun$eteilera und der Shockiey-Diod.e (p2) eine Entkopplungediode'(n2) liegt, daß der Verbindungspunkt zwischen Entkopplungsdiode und Shookley-Diode über eine weitere Ent- k(-r r,l@ingsdi.ode (n3) und einen Kondensator (c3) mit der Anode des 1--räs;,ors verbunden ist und daß der Kondensator mit einem Wider- > (r4) einen Spannungsteiler bildet, der parallel zu der n'.# den-Kathoden-Strecke des Thyristors liegt. a:'t@ "clau?1F" nach itrisT%ruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Span- j-ste:l.er se ber#.essen ist, daß die Shockley-D'..ode bei einem f7,e- ..-=::::fiten Gre:@zwer t des Spannungsanstieges an dem Tiiyris ,<.r durch- '::( :' inurir nach Anspruch 1, dadurch geke:inzeichnet, daß der 3pan- _-:#;Y.f-s fier aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren ! c 1 , c2) @en *# und über eire Diode (n1) der 'tnoden-Katrioden-Stre@:ze des (F,'' parallel geschaltet ist, daß de- im S teuerki-eis Je s 7;-; _#-r -,tor;; =i_egenden Kondensator (c2) eine Zenerdi ode (n5) und dem anderen Ycindensator (c1) ein Widerstand (r1) parallel daß zwischen Spannungsteiler und 3hockl.e"-Diode eine -:itr@(,nplungsdiode (n2) liegt, daß die Steuerele@;täc,rie ieo 11.:"ristors über die Shockley-Diode und eine weitere En t- korr;:ingsdiode (n7) und eine Avalanche-Diode (n4) mit der Innode des _'i<; rys @r.:'s verbunden ist und daß die Zenerdode (n5) so be- messen ist, da--i ihre Spannung zum Durchzünden der S:-iocfley-Diode ausreicht.