DE2436282A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur uebertragung von zuendimpulsen fuer steuerbare halbleiterbauelemente - Google Patents

Description

DROWN, BOVÜHI & CIE ■ AKTIENGESELLSCHAFT

■ Mp.-Nr. 613/74 Mannheim, den 25. Juli 1974

! ZFE/P 3-Pp./Ha.

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Übertragung von Zündimpulsen für steuerbare Halbleiterbauelemente

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Übertragung von Zündimpulsen von einer mit Erdpotential verbundenen Steuerelektronik über einen Isoliertransformator zu einem oder mehreren im Starkstromnetz liegenden steuerbaren Halbleiterbauelementen wie Leistungsthyristoren, wobei Langimpulse in eine Rechteckspannung höherer Frequenz und gleicher Dauer umgesetzt, mittels des Isoliertransformators übertragen und durch Gleichrichtung in Langimpulse zurückverwandelt werden. Die Erfindung findet Anwendung in der Stromrichte rtechnik, beispielsweise bei der Ansteuerung von Drehstrombrüclien oder Stellgliedern mit Thyristoren.

Bei hohen Speisespannungen an den Kathoden der Thyristoren ergibt sich eine große Potentialdifferenz zwischen der Steuerelektronik, die die Zündimpulse erzeugt und in der Regel auf Erdpotential liegt, und den SteueisLektroden der Thyristoren. Aus diesem Grund ist eine Potentialtrennung zwischen der

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Steuerelektronik einerseits und dem Kreis,in dem die Steuerelektroden liegen,andererseits erforderlich. Weiterhin wird bezweckt, daß die Steuerelektroden der zu zündenden Thyristoren einmal beliebig lange mit Zündstrom versorgt werden können und daß zum anderen der Zündstrom mit einem steilen Anstieg einsetzt. Es sind drei unterschiedliche Verfahren bekannt, die dieses Problem bewältigen: ^!

a) Die Übertragung der Langimpulse geschieht mit Hilfe von

z^T.srei Übertragern. !

Zur Übertragung des Langimpulses wird ein Übertrager mit i einer großen Hauptinduktivität benötigt. Da ein solcher Übertrager eine beträchtliche Streuinduktivität besitzt, kann der Zündstrom nur langsam ansteigen. Deshalb wird ein zweiter Übertrager in geeigneter Weise parallel zum ersten geschaltet, der bei kleiner Haupt- und Streuinduktivi tat für einen steilen Stromanstieg sorgt (DT-AS 1 563 372).

b) Die Zündenergie und die Zündinformation v/erden getrennt

übertragen.

Ein Schaltverstärker ist galvanisch mit der Kathode des

zu zündenden Thyristors verbunden. Er wird über einen Hilfsfransformator mit Strom versorgt. Die aus Flanken der Zündimpulse gebildete Zündinformation wird mit Hilfe von Fotokoppler^ (Optokopplern- DT-OS 2 242 633) oder kleinen Iinpulstransformatoren sugeführt (DT-OS 1 6?3 450). Der Schaltverstärker bildet daraus Gleichstromimpulse und liefert diese mit steilen-Anstiegsflanken an den oder die zu zündenden Thyristoren.

c) Der Langimpuls wird in eine Reihe von Kurzimpulsen aufgeteilt.

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Hierzu gibt es zwei Verfahren:

Beim ersten wird der Langimpuls in einen gleichlangen Impulsrechen aufgeteilt, damit eine transformatorische Übertragung möglich wird. Die einzelnen Rechenimpulse sind zeitlich kurz, so daß Übertrager mit kleinen Induktivitäten verwendbar sind. Dieses Verfahren ist möglich, wenn zwischen den einzelnen Rechenimpulsen relativ lange Pausen zulässig sind.

Ist dies nicht der Fall, so muß der Langimpuls in eine rechteckförmige Wechselspannung umgesetzt, mit einem Transformator übertragen und durch Gleichrichtung wieder j η eii.en Langimpuls zurückverwandelt werden (DT-OS 2 140 174).

Bei den bekannten Verfahren ist folgendes Problem zu beachten:

Eine Einrichtung zur Übertragung von steilen Zündimpulsen ist auch empfindlich gegen Störungen. So kann z.B. das Schalten eines Schützes einen Fehlimpuls auslösen.

Es ist bekannt, zur Glättung und Störunterdrückung sekundärseitig Kondensatoren zu benutzen (DT-OS 2 140 174). Die im bekannten Falle an die sekundärseitigen Gleichrichter angeschlossenen Kondensatoren verschlechtern die Steilheit der Zündimpulse. Deshalb wird zwischen Kondensator und Zündelektrode des Leistungshalbleiters ein Diac als Kippelement eingesetzt, mit dem Ziel, einen stellen Zündstromanstieg zu sichern. Nachteilig ist hierbei, daß die Zeit von Beginn des Ansatzes der Rechteckspannung bis zum Beginn des Zündstromes Undefiniert ist.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung neben einer Störunterdrückung einen steilen Zündstromanstieg bei ausreichend langer Zündstromdauer zu erreichen.

Die Lösung besteht darin, daß erfindungsgemäß die erste Halbwelle der übertragenen Rechteckspannung zur Speicherung der Hilfsenergie für die Zündung und die zweite Halbwelle zur Aufsteuerung eines die Hilfsenergie an die Steuerelektrode des Leistungsthyristors übertragenden Schalt-

j Verstärkers genvtzt wird. . ,

Sofern eine mäanderförmige Rechteckwechselspannung vom ' Isoliertransformator übertragen wird, dient ausgehend von jeweils gleicher Polarität die erste Halbwelle zur Speicherung der Hilfsenergie und die zweite zur Zündung des Leistungsthyristors. ,

Die Lösung bedient sich zweckmäßig einer Schaltungsanordnung, bei der an die Sekundärwicklung des Isoliertransformators ein Energiespeicher angeschlossen ist und wobei der Energiespeicher zusammen mit der Arbeitsstrecke eines steuertaren Schaltverstärkers im Steuerelektroden-Katheden-Kreis des zu zündenden Leistungsthyristors liegt.

Die Schaltungsanordnung ist zweckmäßig derart aufgebaut, daß eine Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Isoliertransformators direkt mit der Kathode des zu zündenden Leistungsthyristors und mit einer Elektrode eines Kondensators verbunden ist, daß die Enden der Sekundärwicklung jeweils über eine Diode an die andere Elektrode des Kondensators angeschlossen sind und daß der gesteuerte Schaltverstärker mit seinem Eingang an die andere Elektrode des Kondensators und mit seinem Steuereingang über eine Diode an ein Ende des Isoliertransformators und mit seinem Ausgang

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an die Steuerelektrode des Leistungsthyristors angeschlossen ist.

Die Verwendung eines Schaltverstärkers als solche ist aus dem vorbeschriebenen bekannten Verfahren b) bekannt. Gegenüber diesem Verfahren dient jedoch im erfindungsgemäßen Verfahren der Isoliertransformator zur Übertragung der Hilfs energie für den Schaltverstärker und der Information über Anfang und Ende des Zündstrometj. Getrennte Impulstransformatoren oder Optokoppler sur Informationsübertragung v/erden nicht benötigt. Der Schaltverstärker ! kann sehr einfach aufgebaut sein. Er besteht zweckmäßig : nur aus einem einzigen Thyristor. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist sehr störsicher, weil im Gegensatz zur bekannten Anordnung c) die Hilfsenergie für den Schaltverstärker erst kurz vor dem Beginn des eigentlichen Zündbefehles zugeführt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eJnes in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,

Fig. 2 Liniendiagramme für Spannungen im Sekundärkreis a - d des Isoliertransformators, sofern primärseitig eine mäanderförmige Rechteckwechselcpannung ansteht,

Fig. 3 ein Liniendiagra™m einer anderen Primärspannung und

Fig. 4 ein Liniendiagrainm einer weiteren Primärspannung.

Fig. 1 zeigt einen Isoliertransformator mit einer Mittelanzapfung 1 an dessen Sekundärwicklung 2. Derartige Isoliertransformatoren sind als solche z.B. aus der US-PS 3 244 960 bekannt. Die Sekundärwicklung 2 ist weiterhin

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mit den beiden Enden 3 und 4 versehen. An das Ende 3 ist ein Gleichrichter 5, an das Ende 4 ein Gleichrichter 6 angeschlossen. Die Gleichrichter 5 und 6 sind kathodenseitig einmal mit der Parallelschaltung eines Kondensators 7 mit einem Entlade-Widerstand 8 und zum anderen mit der Anode eines Thyristors 9 verbunden. Die Steuerelektrode des

Thyristors 9 liegt über einen Widerstand 10 und eine Diode 11, ebenso wie der Gleichrichter 6 am Ende 4 der Sekundärwicklung 2. Zwischen der Kathode der Diode 11 und der Kathode des Thyristors 9 befindet sich ein Widerstand 12. Kathodenseitig folgen dem Thyristor 9 eine Zenerdiode 13 und Widerstände 14 bis 16. Die Widerstände 15 und 16 sind mit den Steuerelektrode^ der ^rju zündenden Leistungs-Thyristoren 17 und 18 verbunden, während der Widerstand 14 wie auch die Kathoden der leistungs-Thyristoren 17 und 18 (siehe Verbindung 19) mit der Kittelanzapfung 1 des Transformators verbunden sind.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 2a bis d die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung beschrieben.

Die nicht dargestellte Steuerelektronik erzeugt eine Priraärspannung gemäß Fig. 2a. Aus den übertragenen, gegenphasigen Spannungen an den Enden 3 und 4 - vgl. Fig. 2bbilden die Gleichrichter 5 und 6 durch eine Zweiweggleichrichtung eine Gleichspannung. Bei einer Primärspannung gemäß Fig. 2a soll die Rechteckschwingung so beginnen,

daß zuerst am Ende 3 die Spannung positiv wird. Der Kondensator 7 wird dann über die Diode 5 aufgeladen. Durch diese Belastung kann die Spannung am Ende 3 nicht gemäß einer Rechteckfunktion steil, sondern nur langsam gemäß einer Exponentialfunktion ansteigen-(Fig. 2c). Dies ist aber

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ohne Nachteil, weil der Thyristor 9 zunächst noch gesperrt ist und kein Strom an die zu zündenden Thyristoren 17 und 18 weitergegeben wird. Wenn die Spannung am Isoliertransformator die Polarität wechselt/ kann die Spannung am Ende 4 sprunghaft positiv werden, weil der Kondensator 7

schon aufgeladen ist und daher die Diode 6 stromlos bleibt. Der schnelle positive Spannungsanstieg am Ende 4 führt über den Widerstand 10 und die Diode 11 zur raschen Zündung des Thyristors 9. Der Thyristor 9 stellt damit sehr schnell über die Zenerdiode 13 und die Vorwiderstände 14 und 16 eine Verbindung zwischen dem geladenen Kondensator 7 und

den Steuerelektroden der Thyristoren 17 und 18 her. Da in diesem Stromkreis keine Induktivität vorhanden ist, kann der Zündstrom sehr schnell ansteigen (Fig. 2d). Das Ende des Zündstromes wird eingeleitet, indem die Rechteckspannung am Isoliertransformator abgeschaltet wird bzw. endet.

Die Schaltung nach Fig. 1 bietet einen besonderen Vorteil. Der Kondensator 7 darf eine beträchtliche Kapazität aufweisen, weil zu seiner Aufladung bei einer Rechteckspannung von z.B. 10 kHz an der Sekundärwicklung eine Zeit von 50 ns zur Verfügung steht. Dadurch v.^-J.rd nicht nur gute Glättung des Zündstromes für die Thyristoren 17 und 18 möglich, sondern es ergibt sich auch eine gute Störunterdrückung. Evtl. über den Isoliertransformator eingeschleppte Störimpulse müssen eine beträchtliche Intensität aufweisen, bevor sie den Kondensacor 7 soweit aufzuladen vermögen, daß die Kondensatorspannung die Gegenspannung der Zenerdiode übertrifft. Der Widerstand 8 sorgt dafüi·, daß der Kondensator 7 bis zur Spannung Null V entladen wird und damit die Schaltungsanordnung zur Übertragung des nächsten Langimpulses bereit ist.

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Für normale Kurzimpulse braucht der Isoliertransformator nicht mit einer symmetrischen Rechteckspannung gespeist zu werden. Es genügt bei entsprechender Abwandlung der Schaltung in Fig. 1, die unproblematisch ist, wenn der an die Primärwicklung angelegte Einzelimpuls der Gesamtlänge des gewünschten Zündstromes entspricht. Die Fig. 3 und 4 zeigen entsprechende Primärspannungen. Dabei bedeuten: Die Zeit von t- bis t~ die Ladezeit für den Kondensator 7, t2 den Zündzeitpunkt für den Thyristor 9, die Zeit von t~ bis t, die Zündstromdauer, z.B. 400 us. Die Ladezeit für den Kondensator 7 ist gering im Verhältnis

zur Zündstromdauer.

Es wird bei dieser Variante der relativ kurze Zündimpuls (z.B. 400 /Us) nicht in eine mäanderförmige Rechteckspannung zerlegt, sondern in einem Stück über den Isoliertransformator übertragen. ι

Weiterhin wird ein Vorimpuls von entgegengesetzter (s.Fig.25) oder gleicher Polarität (s.Fig.4) vorangeschickt, der den Kondensator 7 vorlädt.

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Claims (7)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Übertragung von Zündimpulsen von einer mit Erdpotential verbundenen Steuerelektronik über einen Isoliertransformator zu einem oder mehreren im Starkstromnetz liegenden steuerbaren Leistungs-Halbleiterbauelementen wie Leistungs-Thyristoren, wobei Langimpulse in eine Rechteckspannung höherer Frequenz und gleicher Dauer umgesetzt, mittels eines Isoliertransformators übertragen und durch Gleichrichtung in Langimpulse zurückverwandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbwelle der übertragenen Rechteckspannung zur Speicherung der Hilfsenergie für die Zündung und die zweite Halbwelle zur Aufsteuerung eines die Hilfs- : energie an die Steuerelektrode des Leistungs-Thyristors übertragenden Schaltverstärkers benutzt wird. '

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ausgehend von gleicher Polarität die erste Halbwelle einer mäanderförmigen Rechteckwechselspannung zur Speicherung der Hilfsenergie und die zweite zur Zündung genutzt wird.

3. Verfahren zur Übertragung von Zündinipulsen von einer mit Erdpotential verbundenen Steuerelektronik über einen Isoliertransforinator zu einem oder mehreren im Starkstromnetz liegenden steuerbaren Leistungs-Halbleiterbauelementen wie Leistungs-Thyristoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorimpuls zur Speicherung der Hilfsenergie für die Zündung und ein folgender relativ kurzer Zündimpuls zur Aufsteuerung eines die Hilfsenergie an die Steuerelektrode des LeistungsrThyristors übertragenden Schaltverstärkers benutzt wird.

4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2 oder 3> die eine mit Erdpotential verbundene Steuerelektronik, einen Isoliertransformator, an dessen Sekundärwicklung angeschlossene Gleichrichter und Glättungsein« richtungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an die Sekundärwicklung (2) ein Energiespeicher angeschlossen ist

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und daß der Energiespeicher zusammen mit der Arbeitsstrecke
eines steuerbaren Schaltverstärkers im Steuer-Elektroden-

iathpden-Kreis des zu zündenden Leistungs-Thyristors (17,18) iegt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mittelanzapfung (1) der Sekundärwicklung (2) des
Isoliertransformators direkt mit der Kathode des zu
zündenden Leistungs-Thyristors (17,18) und mit einer , Elektrode eines Kondensators (7) verbunden ist, daß die

Enden (3,4) der Sekundärwicklung (2) jeweils über eine

Diode (5 bzw. 6) an die andere Elektrode des Kondensators
(7) angeschlossen sind und daß der gesteuerte Schaltverstärker mit seinem Eingang an die andere Elektrode des ^: Kondensators (7), mit seinem Steuereingang über eine Diode ! an ein Ende (4) des Isoliurtransformators und mit seinem j Ausgang an die Steuorelektrodo des Leistungs-Thyristors (I7_r 18) angeschlossen ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als gesteuerter Schaltverstärker ein HilfsThyristor (9) dient, dessen Kathode über eine Zenerdiode
(13) und Yorwiderstände (15,16) mit der Steuerelektrode
des zu zündenden Leistungs-Thja-istors (17, bzw. 18) verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß derm Kondensator (7) ein Entladewiderstand (8)
parallel geschaltet ist.

M.

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