DE1613735A1 - Overvoltage protection for thyristors - Google Patents

Overvoltage protection for thyristors

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DE1613735A1
DE1613735A1 DE19671613735 DE1613735A DE1613735A1 DE 1613735 A1 DE1613735 A1 DE 1613735A1 DE 19671613735 DE19671613735 DE 19671613735 DE 1613735 A DE1613735 A DE 1613735A DE 1613735 A1 DE1613735 A1 DE 1613735A1
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Germany
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voltage
thyristor
overvoltage
ignition
overvoltage protection
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Application number
DE19671613735
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German (de)
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Johann Oismueller
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Andritz Hydro GmbH Austria
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Andritz Hydro GmbH Austria
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0824Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in thyristor switches
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/125Avoiding or suppressing excessive transient voltages or currents

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Description

überspannungsschutz für Thyristoren Thyristoren sind gegen Überspannungen sehr empfindlich und müssen dagegen geschützt werden. Diese Schutzmaßnahmen sind., besonders wenn Thyristoren direkt am Netz betrieben werden, oft sehr'auf= wendig und die Thyristoren müssen auf ein Vielfaches des Nenn= scheitelwertes der Betriebsspannung ausgelegt werden. Ein sicherer Schutz, besonders bei einfachen Thyristorschaltungen, wie z. B. bei der Einwegschaltung, kann dadurch erreicht werden, daß man gegen Spannungsspitzen in Sperrichtung des Thyristors durch Serienschalten mit einer Diode schützt, bei Auftreten von Spannungsspitzen in Vorwärtsrichtung den Thyristor dagegen zün= det. Die Zündung des Thyristors muß allerdings über das Gitter und darf nicht durch Überschreiten der Vorwärtsdurchbruchspan= nung erfolgen. Eine Beschaltung des Thyristors hat dabei nur mehr unter dem Gesichtspunkt zu er-Folgen, daß der durch eine überspan= nungsspitze verursachte Spannungsanstieg soweit verzögert wird, daß der Thyristor schon gezündet ist, bevor er noch an überspan= nung zu liegen kommt. Diese Beschaltung ist im wesentlichen unab= hängig von der Höhe der Spannungssp itze und ist im allgemeinen durch die Trägerstaueffektbeschaltung in Verbindung mit einer kleinen Vordrossel bereits vorhanden, es muß jedoch eine kleinste Span= nungsanstiegsgeschwindigkeit vorausgesetzt werden. Wenn ein Überspannungsschutz durch Zünden des Thyristors erfolgen soll, dann muß diese Zündung ohne nennenswerte Zeitverzögerung er= folgen, die Zündung muß sicher unter der Durchbruchspannung des Thyristors erfolgen und der Gitterstrom muß den vom Thyristorher=. steller verlangten Werten entsprechen. Als geeignetes Mittel, Thyristoren bei Auftreten von Spannungs= spitzen zu haben sich Zündfunkenstrecken erwiesen, wenn die Eigenheiten der Punkenstrecken berücksichtigt werden. Zünd= funkenstrecken haben eine Zündverzögerung, die von verschiedenen Parametern, im besonderen von der Höhe der angelegten Spannung, stark abhängt. Wird -jedoch die Zündfunkenstrecke mit einem Mehr= fachen der statischen Zündspannung betrieben, dann zündet die Funkenstrecke in einer sehr kurzen Zeit und es kann eine Grenz= kurve U Z /t Z angegeben werden (Fig. 1) -innerhalb der die wunken= strecke durchschlägt. Ein weiterer Vorteil, den die Funkenstrecke beim Zünden von Thy= ristoren bietet, ist der Umstand, daß die Brennspannung der Fun= kenstrecke nur mehr ein Bruchteil der Zündspannung der vunken= strecke ist, sodaß ein kräftiger Gitterstromstoß erzeugt werden kann.-Aus dem Beschriebenen ist abzuleiten, daß die Funkenstrecke mit einem Vielfachen der statischen Zündspannung betrieben werden muß, wenn die Zündung in kürzester Zeit und definiert erfolgen soll. Diesem Umstand wird in der ein Ausführungsbeispiel der Er= Eindung darstellenden Schaltung nach Fig. 2, die im folgenden be= schrieben wird, Rechnung getragen, u. zw. derart, daß nur die fallweise überlagerten Überspannungsspitzen an der Funkenstrecke gemessen werden, nicht aber die am Thyristor auftretende Grund= welle der Betriebsspannung zusätzlich mit den überlagerten Spit= zen. Durch dieses Meßverfahren werden die für den zu schützenden Thyristor gefährlichen Spannungsspitzen als Vielfaches der sta= tischen Zündspannung erfaßt, es können Streuungen der runken= strecken vernachläßigt werden und die Zündung erfolgt momentan. Ein Spannungsteiler Ri Ci am Eingang des zu schützenden Strom= . kreises wird so ausgelegt, daß bei Nennbetriebsspannung und Nenn= frequenz die Spannung U klein gegen U ist (up -L r-, 1 C 1 "- 0,05 x Uci). Das bedeutet, daß bei Normalbetrieb auch die Spannung an der Fun= kenstrecke ZF klein ist, sodaß eine Funkenstrecke mit entsprechend kleiner- Zündspannung gewählt werden kann. Gelangt an den Eingang eine- Spannungsspitze, --dann wächs.t #;#iuch U-1 oberhalb- einer bestimm-- ten Spannungsansti#egsg-esc - hwindi. gkelt (c-#. 2v pro, C.1, sec. ) annähernd proportion,31 und -zeitlich- u-nver7,ögE.-,ri. rr i-.t,--de-m -Eing-a.ngsspan-nungs-- sprung, -während der Spannungsanstieg am Thyris.tor durch das Vilter 2 C bestimmt wird. DieSpannung U wird über das Glied R C 3- 3 7 ki 2 2 gepuffert und zündet nach der '!7ünd'rurve U,/tI, die t'unkenstrecke ZF. Die Spannung bricht -iTz-r die-Brennspannung zusammen, es Pließt ein durch den Widerstand begrenzter krärtiger Gitterstrom, bis der "4- Kondensator C2 entladen ist, und es-w_i-rd damit der-Thyristor ge= zündet. Das Filter L P,2 G bzw. die -Thyr; stor--,Derr,-pannung muß -so gewählt werden, daß der Thyristor gezündet wird, bevor -seine 'Durchbruchs= spannung- erreicht -ist. Uiigünstiqster fietrieb,-:;-Pa,11, für den Filter und Thyristor auszulegen sind, sind Schaltspitzen mit unendlicher -.F-'lanlzensteilheit und einer Ampiitude, die -der DifPerenz Thyristor= durchbruchsspannung weniger BetrIebsschettelspannung entspricht (Fig.- 3). Diese Spannungsdifrerenz - t bed(,",-).tet -für die Funken-Strecke die niederste Zünd3pannung und damit-den größten 7,iindverzug-,j tz-krit.' auf,den--die Thyristorbeschaltung ausge= legt--verden mt?r-,. Als Auslegebedingung gl-It--immer, daE tkrit. -das ist die Zeit, nach der der Thyristor in der vol-len Spannung (Durchbruch-spannung) -liegen Wurde,. immer größer sein muß, als die kritische Zundzeit A tz I',rit. g. 3-)- fiegen- SpitzenspannUng in Sperrilchtung Thyristor durch M.i-t elner D-Lode D, gesc-hütz.t. erwendeten 1-"unke#nstrp-cken D i e zur Verw- r-.-. 1 Icining der Er Über-zrannu 'önnen mit--is iMeigas# j. u11t( n--saT)#leiter r'i! nied= -ernmel= -,j.!; e s4P sors- tir d -rige -,u«'n#l",r, --inr.--ina se- e.. -hutz von deanla-den- ve,#,wen,det werden-.: Overvoltage protection for thyristors Thyristors are very sensitive to overvoltages and must be protected against them. These protective measures are often very complex, especially when thyristors are operated directly on the mains, and the thyristors must be designed for a multiple of the nominal peak value of the operating voltage. A reliable protection, especially with simple thyristor circuits, such as. B. in the one-way circuit, can be achieved in that one protects against voltage peaks in the reverse direction of the thyristor by series connection with a diode, when voltage peaks occur in the forward direction, however, the thyristor ignites = det. The thyristor must, however, be triggered via the grid and not by exceeding the forward breakdown voltage. A connection of the thyristor only has to result from the point of view that the voltage rise caused by an overvoltage peak is delayed so far that the thyristor is already ignited before it comes to an overvoltage. This circuit is essentially independent of the height of the voltage peak and is generally already present due to the carrier back-up circuit in connection with a small choke, but a minimum voltage increase rate must be assumed. If overvoltage protection is to take place by igniting the thyristor, then this ignition must take place without any appreciable time delay, the ignition must take place safely below the breakdown voltage of the thyristor and the grid current must match that of the thyristor. correspond to the required values. As a suitable means of closing thyristors when voltage peaks occur spark gaps have been found when the peculiarities of the point gaps are taken into account. Ignition spark gaps have an ignition delay that depends heavily on various parameters, in particular on the level of the applied voltage. If, however, the ignition spark gap is operated with a multiple of the static ignition voltage, the spark gap ignites in a very short time and a limit curve UZ / t Z can be specified (Fig. 1) within which the spark gap breaks through . Another advantage that the spark gap offers when igniting thyristors is the fact that the burning voltage of the spark gap is only a fraction of the ignition voltage of the spark gap, so that a powerful grid surge can be generated it can be deduced that the spark gap must be operated with a multiple of the static ignition voltage if the ignition is to take place in the shortest possible time and in a defined manner. This fact is taken into account in the circuit according to FIG The fundamental wave of the operating voltage occurring at the thyristor is also shown with the superimposed peaks. With this measuring method, the voltage peaks that are dangerous for the thyristor to be protected are recorded as multiples of the static ignition voltage. A voltage divider Ri Ci at the input of the current to be protected = . circuit is designed in such a way that at nominal operating voltage and nominal frequency the voltage U is small compared to U (up -L r-, 1 C 1 "- 0.05 x Uci). This means that during normal operation the voltage at the Fun = the spark gap ZF is small, so that a spark gap with a correspondingly lower ignition voltage can be selected a- voltage peak, - then grows t #; # i also U-1 above- a certain-- th voltage rise # egsg-esc - hwindi. gkelt (c- #. 2v pro, C.1, sec. ) approximately proportion, 31 and -time- u-nver7, ögE .-, ri. rr i-.t, - de-m -Input-a.ngsspan-nungs-- jump, -during the voltage rise at the thyris.tor through the Vilter 2 C is determined. The voltage U is via the element R C 3- 3 7 ki 2 2 buffered and ignites after the '! 7ünd' curve U, / tI, the spark gap ZF. The voltage collapses -iTz-r the-burning voltage, it pours in Sharp grid current limited by the resistance until the "4- Capacitor C2 is discharged, and es-w_i-rd thus the thyristor ge = ignites. The filter LP, 2 G or the -Thyr; stor -, derr, - voltage must be chosen like this be that the thyristor is triggered before -its' breakdown = voltage reached -is. Most favorable operation, -:; - Pa, 11, for the filter and thyristor are to be designed, switching peaks are infinite -.F-slope steepness and an amplitude that -the difference thyristor = breakdown voltage corresponds to less operating note voltage (Fig. 3). This voltage difference - t cond (, ", -). Tet - for the Spark gap has the lowest ignition voltage and thus the highest 7, iindverzug-, j tz-crit. ' on, the - the thyristor circuit off = lays - verden mt? r- ,. As a design condition gl-It - always, daE tkrit. -That is the time after which the thyristor is in full voltage (Breakdown voltage) -has been made. must always be greater than the critical ignition time A tz I ', rit. G. 3 -) - Flying peak voltage in blocking thyristor With a D-Lode D, protected. used 1- "toads T he to Verw- r -.-. 1 icining the he About-zrannu 'can with - is iMeigas # j. u11t (n - saT) #leiter r'i! low = -ernmel = -, j.!; e s4P sors- tir d -rige -, u «'n # l", r, --inr .-- ina se- e .. -hutz von deanla-den- ve, #, whom, det be- .:

Claims (1)

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Überspannungsschutz für Thyristoren, wobei ein gerade gesperrter Thyristor bei Auftreten'einer seine-Durchbruchspannung in Vor= wärtsrichtung zu übersteigen drohenden Überspannung selbsttätig gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zündung mittels einer durch die Überspannung bewirkten Zündung einer Funken= strecke (ZF) herbeigeführt wird, deren Zündverzug dabei kleiner ist, als die Zeit zwischen dem Auftreten der Überspannung und dem Erreichen der Durchbruchspannung im Thyristor (Th) (pig.2). 2. überspannungsschutz nach Anspruch 1, dadurch-gekennzeichnet, daß die an die Funkenstrecke (z7) gelangende Spannung im-wesent= lichen nur die Differenz zwischen Überspannungsspitze und Span= nung der Grundwelle ist, * indem sie beispielsweise einem Wider= stand (P-1) entnommen wird, der in Rei,he mit einem Kondensator (ci ) im lietz (U, ) liegt (Fig. 2). 3. Uberspannungsschutz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich= net, daß die Zündspannung der Funkenstrecke kleiner, vorzugswei= se vLel kleiner ist, als die Differenz zwischen der Thyristor-- durchbruchspannung und dem Schei-telwer-t der Detriebsspannung. 4. Überspannungsschutz nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn= zeichnet, daß der Spannungsanstieg am Thyristor durch ein Fil= ter (I, E, 3 C, ) so verlangsamt ist, daß im Ansprechfall die '#'unkenstrec#e und damit auch der Thyristor zündet, bevor an diesem die Durchbruchspannung erreicht ist. « 5. übersp#-1-nnungsschutz nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch ge= kennzelchnet, daß die Überspannungsspitze so umgeformt wird, u. zw. beiqie-.sweise mittels eines aus Widerstand und Konden= sator (R., (# 2 ) bestehenden jldedes, daß ein kräftiger Zündim= puls zustande]-ommen kann (1-ig. 2). Überspannungsschutz nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß dem zu-schützenden-Thyristor (Th) eine Piode (D gleichsinnig in Reihe geschaltet ist, die ihn gegen Durchsch14ge in Sperrichtung schützt.
P atentans p r u che 1. Overvoltage protection for thyristors, one just blocked Thyristor when its breakdown voltage occurs in front = in the outward direction to exceed the impending overvoltage automatically is ignited, characterized in that this ignition means an ignition of a spark caused by the overvoltage = distance (ZF) is brought about, the ignition delay of which is smaller is than the time between the occurrence of the overvoltage and when the breakdown voltage is reached in the thyristor (Th) (pig.2). 2. Surge protection according to claim 1, characterized-characterized, that the voltage reaching the spark gap (z7) is essentially = only the difference between overvoltage peak and span = tion of the fundamental wave, * by, for example, a cons = stand (P-1) is taken in series with a capacitor (ci) lies in the lietz (U,) (Fig. 2). 3. Overvoltage protection according to claim 1 or 2, characterized in = net that the ignition voltage of the spark gap is smaller, preferably = se vLel is smaller than the difference between the thyristor breakdown voltage and the peak value of the operating voltage. 4. Overvoltage protection according to claim 1, 2 or 3, characterized = shows that the voltage rise across the thyristor is caused by a Fil = ter (I, E, 3 C,) is slowed down so that the '#' unkenstrec # e and with it the thyristor ignites before this the breakdown voltage is reached. « 5. überp # -1-nnungsschutz according to claim 1, 2, 3 or 4, thereby ge = characterizes that the overvoltage peak is transformed in such a way, and between two-way by means of a resistor and condensate = sator (R., (# 2 ) existing every thing that a powerful Zündim = pulse coming about] -can come about (1-ig. 2). Overvoltage protection according to Claim 1, 2, 3, 4 or 5, characterized
characterized in that the thyristor (Th) to be protected has a diode (D connected in series in the same direction, which protects it against breakdowns in the reverse direction.
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WO2019029796A1 (en) * 2017-08-09 2019-02-14 Siemens Aktiengesellschaft Power module for a converter and multilevel converter

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2019029796A1 (en) * 2017-08-09 2019-02-14 Siemens Aktiengesellschaft Power module for a converter and multilevel converter
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CH468115A (en) 1969-01-31

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