DE2258112B2 - Schutzschaltung zum schutz von thyristoren gegen ueberspannungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines steuerbaren Halbleiterventils gegen Überspannungen entsprechend dem Oberbegriff vorstehenden Patentanspruches. Sie findet Anwendung in der Leistungselektronik.

Der Schutz von gesteuerten Halbleiterventilen in Form von Thyristoren gegen gelegentlich auftretende energiereiche Überspannungen in Vorwärtsrichtung des Halbleiterventils stellt ein technisches Problem dar, weil Thyristoren in Vorwärtsrichtung nicht spannungsmäßig überlastet werden dürfen. Die höchstzulässige periodische Spitzenspannung in Sperrichtung ist höher als diejenige in Vorwärtsrichtung. Damit bestimmt normalerweise die Vorwärtsrichtung den höchstzulässigen Wert der periodischen Spitzensperrspannungen. Ein auch nur kurzes Überschreiten der zulässigen Vorwärtssperrspannung für einige Millisekunden führt in der Regel zur Zerstörung des betreffenden gesteuerten Halbleiterventils. Die allgemein bekannten Beschallungen mit Kondensatoren und Widerständen oder mit einem zwischen Anode und Kathode des steuerbaren Halbleiterventils geschalteten Überspannungsbegrenzers, z. B. eines spannungsabhängigen Widerstandes (VDR) eines Selen-Überspannungsbegrenzers (Thyrectoren), einer stoßspannungsfesten Siliciumdiode, der beim Überschreien des Überspannungsgrenzwertes den Strom aufnimmt, scheiden für Anwendungen bei hohen Leistungen wegen entsprechend aufwendiger Dimensionierung aus. Erschwerend für eine wirksame und definierte Spannungsbegrenzung wirkt sich dabei die Tatsache aus, daß steuerbare Halbleiter selbst eine Zündverzögerungszeit von mindestens ca. 2 μβ haben. Bei sehr steilen Spannungsflanken könnte dadurch auch bei extrem schneller Erfassungs-, Auswerte- und Zündeinrichtung die Spannung wesentlich über den Ansprechwert ansteigen.

Eine bekannte Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung in Form einer monolithischen Festkörperschaltung eröffnet eine andere Möglichkeit, ähnliche Schwierigkeiten zu lösen (DE-OS 20 12 173). Im bekannten Fall besteht das Problem, einen Thyristor möglichst schnell bei einer vorgegebenen Schaltspannung und unter Verminderung der Verlustleistung einzuschalten sowie die dazu notwendige Schaltung monolithisch zu integrieren. Zur Lösung ist ein weiteres, vier Zonen abwechselnden Leitungstyp aufweisendes Halbleiterbauelement integriert, das bei einer Schaltspannung unterhalb der Durchbruchspannung des Thyristors durchbricht und dabei ein rasches Durchschalten des Thyristors bewirkt. — In der integrierten Ausführung schließt sich eine mit der Metallisierung für den Steuerelektrodenanschluß des integrierten Systems versehene »Zündzone« an den der Anode des Thyristors benachbarten pn-Übergang an, und die eine der äußeren Zonen des Halbleiterbauelementes stellt zusammen mit dieser Zündzone eine gemeinsam diffundierte Zone dar, während die andere der äußeren Zonen mit der Basiszone des Thyristors verbunden ist. Das weitere Halbleiterbauelement kann eine Zenerdiode sein. — Der beschriebene Einschaltvorgang tritt auch bei Überspannungen auf, so daß eine gewisse Schutzfunktion gegeben ist. Die Überspannung, welche die beabsichtigte Zündung auslöst, wirkt jedoch nicht auf die Hauptanschlüsse, Anode — Kathode, sondern auf die Steuerstrecke. Eine vorbestimmte Schutzfunktion gegsn Überspannungen zwischen Anode und Kathode besteht nicht.

Die bekannte Anordnung ist im weiteren von ihrer Struktur und den angegebenen Abmessungen her (z. B. quadratisches Halbleiterplättchen von 0,6 mm Kantenlänge) für geringe Leistungen bestimmt. Bei hohen Sperrspannungen in Rückwärtsrichtung sind Kurzschlüsse über das in an sich vorteilhafter Weise nur schwach dimensionierte weitere Bauelement möglich.

Es ist weiterhin eine integrierte Thyristoranordnung mit einem Haupt-, einem Zünd- bzw. Teil- und einem sogenannten Diodenthyristor bekannt, wobei die Reihenschaltung der beiden letzteren zwecks Selbstzündung der Anordnung als Schutzmaßnahme eine geringere Kippspannung als der erstere besitzt, bei steigender positiver Sperrspannung der Diodenthyristor zuerst zündet, daraufhin der Teilthyristor zündet und, hauptsächlich aufgrund des durch den Thyristor fließenden kapazitiven Stromstoß, eine Selbstzündung über die ganze Thyristorfläche bewirkt (DE-OS 19 27 834). Anstelle des Diodenthyristors kann ein optisch gesteuerter Thyristor verwendet werden, wobei die Anordnung über denselben auch im Normalfall und potentialgetrennt gezündet werden kann. In jedem Fall muß der integrierte Halbleiterkörper zwei getrennte Kathodenbereiche aufweisen. Das bzw. die Zusatzelemente liegen in Reihe zum Kathodenanschluß.

Die beiden vorbeschriebenen bekannten Maßnahmen erfordern also spezielle integrierte Halbleiterbauelemente und sind als Schutzbeschaltung für übliche diskrete steuerbare Halbleiterventile, insbesondere Leistungsthyristoren, nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beschallung zum Schutz von steuerbaren Halbleiterventilen zu schaffen, welche technisch einfach ist und zuverlässig anspricht. Dabei soll eine Selbstzündung des steuerbaren Ventiles zum Schutz gegen Zerstörung durch Überspannungen in Vorwärtsrichtung erreicht werden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen des Patentanspruches. Mit diesen Beschaltungsmaßnahmen für einen Thyristor üblicher Bauart wird durch das zusätzliche Bauelement nicht nur ein automatischer Schutz gegen Überspannungen in Vorwärtsrichtung zwischen Anode und Kathode erreicht, sondern die in Reihe zu dem zusätzlichen Bauelement liegende Diode

erlaubt auch relativ hohe negative Sperrspannungen, weil sie bei entsprechend hohem positiven Potential an der Kathode mit ihrem sperrenden pn-übergang Kurzschlüsse über das relativ schwach dimensionierte zusätzliche Bauelement verhindert.

Das Bauelement kann vorteilhafterweise als Avalanchediode oder als Zink-Oxydelement ausgebildet sein.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung kann mit Vorteil sowohl zum Schutz von Gleichstromverbrauchern üis auch von Wechselstromverbrauchern vor Überspannung verwendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen Thyristor mit einer Beschattung durch ein Bauelement und eine Diode zwischen Steuerelektrode und Anode,

F i g. 2 die Stromspannungskennlinie des Bauelementes,

Fig.3 eine Ausführungsform zum Schutz vor Überspannung in beiden Richtungen mit zwei gegeneinander in Serie geschalteten Bauelementen und

Fig.4 eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Wechselspannungsverbrauchers vor Überspannung.

In F i g. 1 ist der Thyristor 1 an seiner Anode A und seiner Steuerelektrode G mit einem Bauelement 2 verbunden, das eine Stromspannungskennlinie nach F i g. 2 aufweist. In Reihe zum Bauelement 2 und in Durchlaßrichtung bezüglich der Anode A und der Steuerelektrode G des Thyristors 1 liegt eine Diodj 3. Es versteht sich bei der auf die wesentlichen Elemente beschränkten schematischen Darstellung, daß Bauelemente wie ein üblicher Widerstand vor der Steuerelektrode zur Einstellung des Zünd- bzw. Steuerstromes fortgelassen sind.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung erläutert:

Im Bereich zwischen U=O und U=UKn weist das Bauelement 2 einen hohen differentiellen Widerstand, oberhalb dieses Bereiches dagegen einen sehr geringen differentielien Widerstand auf. Es handelt sich also um ein auf eine bestimmte Kippspannung Ukh dimensioniertes Bauelement. Das Bauelement 2 mit seiner spannungsabhängigen und spannungsrichtungsabhängigen Kennlinie (F i g. 2) ist in der Weise zwischen A und G des Thyristors 1 geschaltet (Fig. 1), daß beim Auftreten einer positiven Sperrspannun-j zwischen Anode A und Gitter G beim Überschreiten des Spannungswertes Ukh das Bauelement 2 einen geringen differentiellen Widerstand aufweist, d. h. leitend wird, so Hierbei ist es wesentlich, daß der differentielle Widerstand im Gebiet der Spannungsbegrenzung so niedrig ist, daß das Element in der Lage ist, die im Bereich der Spannungsbegrenzung auftretende hohe Verlustleistung (=Unn· I) über einige \is aufzunehmen.

Die Sperrspannung zwischen A — G liegt in praktisch gleicher Höhe auch am Bauelement 2, weil zwischen den Punkten G und K praktisch nur eine in Vorwärtsrichtung beanspruchte Diodenstrecke (pn-übergang) liegt. Vor Überschreiten des Spannungswertes U_K„ fließt über das Bauelement 2 ein geringer Sperrstrom in der Größenordnung von ΙΟμΑ der zu einer Zündung des Thyristors nicht ausreicht. Wird der Spannungsweri Un_n überschritten, so zündet der Thyristor !, die Spannung zwischen den Punkten A und K des Thyristors 1 verringert sich auf den Wert der Durchlaßspannung des Thyristors, so daß auch das Bauelement 2 nach Zündung des Thyristors 1 nicht mehr leitend und damit thermisch nicht mehr beansprucht wird. Insbesondere dieser Punkt ist wesentlich, weil man hierdurch mit Elementen 2 kleiner Baugröße auskommen kann.

Wird der Thyristor 1 auch mit negativer Sperrspannung beansprucht, was in aller Regel der Fall ist, so wird ein Kurzschluß über das Bauelement 2 durch die Diode 3 verhindert.

Es besteht analog zur Diodenbeschaltung auch die vorteilhafte Möglichkeit, ein Bauelement 2a zu verwenden (F i g. 3), das eine Kennlinie nach F i g. 2 sowohl bei positiver Spannung als auch bei negativer Spannung U aufweist. Dies kann in sehr einfacher Weise durch Gegeneinanderschaltung von zwei in Serie geschalteten Bauelementen 2 mit der Kennlinie nach Fig.2 geschehen. Vorteilhafterweise kann zwischen die Anschlüsse G und K des Thyristors 1 noch eine Diode 4 in Sperrichtung geschaltet werden, um eine unzulässige Strom- oder Spannungsbeanspruchung der Steuerelektroden-Kathoden-Sperrschicht zu verhindern.

Die Anordnung kann, wie Fig.4 zeigt, zum Schutz von Wechselspannungsverbrauchern benutzt werden. Zwischen den Anschlußklemmen eines zu schützenden Wechselspannungsverbrauchers 6 sind zwei Thyristoren la, ib antiparallel geschaltet. Ferner sind zwischen den beiden Klemmen zwei Dioden 4a, 4b vorgesehen, die einmal mit nur einem Bauelement 2a für beide Thyristoren la, ib und zum anderen mit den Steuerelektroden G der Thyristoren la bzw. ib verbunden sind. Das Bauelement 2 weist eine spannungsrichtungsunabhängige, spannungsabhängige

Stromspannungscharakteristik wie im Fall der Ausführungsform nach F i g. 3 auf. Beim Auftreten von Überspannung jeglicher Polarität an den Klemmen des Wechselstromverbrauchers 6 zünden die Thyristoren la, ib einzeln oder gemeinsam bis zum Abklingen der Überspannung.

Die Schaltungsanordnung ist auch auf Thyristoren anwendbar, die von einem üblichen Zündwinkelsteuergerät gesteuert werden und zusätzlich mit der beschriebenen Schaltungsanordnung geschützt werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schaltungsanordnung zum Schutz eines steuerbaren Halbleiterventils gegen Überspannungen während der Sperrphase in Vorwärtsrichtung, bei dem die Steuerelektrode und eine weitere Elektrode des steuerbaren Halbleiterventils mit einem Bauelement verbunden sind, das im Bereich unterhalb einer vorgebbaren Spannung in der Größenordnung der höchstzulässigen Überspannung in der Vorwärtsrichtungssperrphase des steuerbaren Halbleiterventils einen hohen und oberhalb des Bereiches dieser vorgebbaren Spannung einen niedrigen differentiellen Widerstand aufweist, so daß beim Auftreten der Überspannung eine Zündung des steuerbaren Halbleiterventils herbeigeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem zwischen Anode (A) und Steuerelektrode (G) des steuerbaren Halbleiterventils (1) liegenden Bauelement (2) eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode (3) in Serie geschaltet ist.