DE2450369A1 - Thyristorschaltung - Google Patents

Thyristorschaltung

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DE2450369A1 DE19742450369 DE2450369A DE2450369A1 DE 2450369 A1 DE2450369 A1 DE 2450369A1 DE 19742450369 DE19742450369 DE 19742450369 DE 2450369 A DE2450369 A DE 2450369A DE 2450369 A1 DE2450369 A1 DE 2450369A1
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thyristor
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bridging
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Masao Hagihara
Takahiko Iida
Michiharu Ishido
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Mitsubishi Electric Corp
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    • 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
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/04Modifications for accelerating switching
    • H03K17/0403Modifications for accelerating switching in thyristor switches

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Description

  • Thyristorschaltung Die Erfindung betrifft eine Thyristorschaltung.
  • In Thyristorschaltungen für Impuls strom mit einem großen Stromanstiegskoeffizienten di/dt setzt man einen magnetischen Verstärker in Reihe zum Thyristor, um die Bildung eines heißen Bereichs im Thyristor zu verhindern. Während der ungesättigten Perioden der Sättigungsdrossel (magnetischer Verstärker, Steuerdrossel) fließt jedoch nur ein geringer Strom für die Erregerstromkomponente durch den Thyristor. Daher wird der anfängliche Leitungsbereich des Thyristors nicht vergrößert, so daß die Sättigungsdrossel nicht zu einer Verbesserung von di/dt wirksam wird. Erfindungsgemäß wird eine Überbrückungsschaltung mit einer konstanten Diode (konstante Spannung), einer Drossel, einem Kondensator und einem Widerstand parallel zu der Sättigungsdrossel geschaltet, wodurch ein genügend großer Strom für die Verbreiterung des anfänglichen Beitungsbereichs während der ungesättigten Periode der Sättigungsdrossel zum Thyristor fließt. Wenn ein Thyristor mit einem geringen Stromanstiegskoeffizienten di/dt gezündet wird und ein Strom mit einem großen Stromanstiegskoeffizienten fließt, sowird der Stromfluß auf denjenigen Halbleiterbereich konzentriert, der zunächst leitend wird.
  • Daher kann es zu einer Aufheizung nur dieses Bereiches kommen, welcher dabei auf eine hohe Temperatur gebracht wird. Im allgemeinen wird ein solcher Bereich, welcher auf eine hohe Temperatur aufgeheizt wird als heißer Fleck oder heißer Bereich bezeichnet. Wenn die Temperatur des heißen Flecks zu stark ansteigt, kann es zur Zerstörung des Thyristors kommen und somit besteht eine Grenze für di/dt.
  • Fig. 1 zeigt eine Schaltung mit einem derartigen Thyristor, in welcher zur Verbesserung von di/dt eine Sättigungsdrossel in Reihe zum Thyristor geschaltet ist. Die Wirkung der Sättigungsdrossel besteht darin, daß nur die Erregerstromkomponente der Sättigungsdrossel durch den Thyristor fließt.
  • Die Sättigungsdrossel wird mit der gesamten Spannung der Schaltung beaufschlagt, bis die Sättigungsdrossel gesättigt ist auch wenn der Thyristor gezündet wird. Somit wurde angenommen, daß die Wirkung der Sättigungsdrossel in einer Verbesserung von di/dt durch Vergrößerung des anfänglichen Beitungsbereichs des Thyristors und durch Senkung des Schaltverlustes besteht. Bei den herkömmlichen Schaltungen ist jedoch die durch den Thyristor fließende Erregerstromkomponen te der Sättigungsdrossel während der Periode der Sättigung der Sättigungsdrossel gering. Daher ist die vorgesehene Sättigungsdrossel im praktischen Gebrauch nicht besonders wirksam für eine Vergrößerung des anfänglichen teitungsbereichs und für eine Senkung des Schaltverlustes, so daß eine Senkung der Temperatur des heißen Flecks und eine Verbesserung von di/dt nicht erreicht wird.
  • Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Thyristorschaltung zu schaffen, mit welcher die Temperatur des heißen Flecks des Thyristors niedrig gehalten wird und eine Beschädigung des Thyristors vermieden wird und der Stromanstiegskoeffizient di/dt verbessert wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Thyristorschaltung gelöst, welche eine Überbrückungsschaltung mit einer vorbestimmten Impedanz parallel zur Sättigungsdrossel aufweist, so daß während der ungesättigten Periode der Sättigungsdrossel ein geringer Strom durch die Überbrückungsschaltung fließt, so daß die Sättigungsdrossel nach Vergrößerung des teitungsbereichs des Thyristors gesättigt wird und somit ein Impulsstrom mit großem Stromanstiegskoeffizienten di/dt fließt.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. ia eine herkömmliche Thyristorschaltung; Fig. 7b eine graphische Darstellung der Spannungs- und Stromwellenformen und Fig. 2 bis 5 vier Ausfülirungsformen der erfindungsgemäßen Thyristorschaltung und die dazugehörigen Wellenformen für Spannung und Strom.
  • Fig. 2a zeigt eine erste Aus fiihrungs form der erfindungsgemäßen Thyristorschaltung mit einer Gleichstromquelle 1, einem Widerstand 2, einem Kondensator 3, einer Drossel 4, einer Sättigungsdrossel 5, einem Thyristor 6, einer Avalanche-Diode 7 und einer Diode 8.
  • Der Kondensator 3 wird über den Widerstand 2 durch die Gleichstromquelle 1 aufgeladen. Wenn an die Steuerelektrode des Thyristors 6 ein Steuersignal angelegt wird und der Thyristor gezündet wird, so entlädt sich der Kondensator 3 über die Drossel 4 und die Sättigungsdrossel 5. Im Falle einer herkömmlichen Schaltung ohne Nebenschaltung parallel zur Sättigungsdrossel 5 liegt die Spannung des aufgeladenen Kondensators 3 an beiden Anschltissen der Sättigungsdrossel 5 an bis die Sättigungsdrossel 5 gesättigt ist. Somit fließt während der Periode der Spannungsbeaufschlagung der Sättigwigsdrossel 5 im wesentlichen kein Strom durch den Thyristor und nur die Erregerstromkomponente der Sättigungsdrossel 5 fließt hindurch.
  • Dieser Strom liegt gewöhnlich unterhalb einiger Ampere, so daß: sich der anfängliche Leitungsbereich des Thyristors im wesentlichen nicht verbreitert. Somit fließt der Hauptimpulsstrom mit großem di/dt (Hauptlaststrom) durch die SSttigungs- -drossel 5 zum Thyristor 6 wenn die Sättigungsdrossel 5 den Sättigungszustand erreicht. Die Stromwellenform und die Spannungswellenform sind für diesen Fall in Fig. ib angegeben, wobei Vsal die an den beiden Anschlüssen der Sittigungsdrossel 5 anliegende Spannung bezeichnet. i bezeichnet den Strom.
  • In der erfindungsgemäßen Schaltung liegen die Avalanche-Diode 7 und die Diode 8 parallel zur Sättigungsdrossel 5 und die Avalanche-Diode 7 wird durch die an der Sättigungsdrossel 5 anliegende Spannung leitend, so daß ein Nebenstrom durch die Diode 8 fließt. Somit muß die Lawinendurchbruchsspannung der Avalanche-Diode 7 geringer gewählt werden als die an der Sättigungsdrossel 5 anliegende Spannung. Während der ungesättigten Periode der Sättigungsdrossel fließt ein vorbestimmter Strom durch die Nebenschaltung zum Thyristor 6, so daß der anfängliche leitungsbereich des Thyristors 6 durch diesen Stromfluß verbreitert wird. Sobald die Sättigungsdrossel 5 gesättigt ist, beginnt ein Strom mit großem di/dt (Hauptlaststrom) zu fließen. Der während der ungesättigten Periode fließende Strom entspricht einer Differentialspannung zwischen der Spannung des Kondensators 3 und der tawinendurchbruchsspannung der Avalanche-Diode 7. Somit kann die Stromstärke durch Auswahl der tawinendurchbruchsspannung der Avalanche-Diode 7 gewählt werden.
  • Der gemäß Fig. 2a durch die Avalanche-Diode 7 fließende Strom a ergibt sich aus der Gleichung wobei Ec die Spannung des Kondensators 3 und EA die Lawinendurchbruchs spannung der Avalanche-Diode 7 bezeichnen. Der Stromanstiegskoeffizient dia/dt ergibt sich aus folgender Gleichung: A µ sec ] sec Der Stromanstiegskoeffizient di/dt wird auf das sache im vergieicn zu einer 3cnai-cung onne lneDensenaltung gesenkt. Die Stromwellenform dieser Periode ist in Fig. 2b wiedergegeben. Man kann anstelle der Avalanche-Diode 7 auch eine Zener-Diode oder eine Diode konstanter Spannung verwenden. Das heißt, man kann eine Diode verwenden, welche unter der an beiden Anschlüssen während der ungesättigten Periode der Sättidungsdrossel 5 anliegenden Spannung leitend wird.
  • Fig. 3a zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Thyristorschaltung wobei in der Nebenstromschaltung eine Drossel 9 liegt. Wenn bei dieser Schaltung der Thyristor 6 gezündet wird, so liegt die Spannung an der Sättigungsdrossel ;5 an und der Strom fließt durch die Drossel 9 der Uberbrückungsleitung zum Thyristor 6 während dieser Periode ähnlich wie im Falle der ersten Ausführungsform. Die Stromstärke kann auf einfache Weise gewählt werden, indem man die Induktanz der Drossel 9 auswählt. Der durch die Nebenstromleitung fließende Strom d wird durch folgende Gleichung wiedergegeben: wobei C die Kapazität des Kondensators 3, Ec die Spannung des aufgeladenen Kondensators 3; L die Induktanz der Drossel 4 und L0 die Induktanz der Drossel 9 in der Überbrückungsschal tung bedeuten. Der Stromanstiegskoeffizient did/dt ergibt sich aus folgender Gleichung: (A/sec) Der Stromanstiegskoeffizient liegt um das (L/L + TO)-fache unterhalb dem Stromanstiegskoeffizienten bei einer Schaltung ohne eine solche Überbrückung.
  • Der Hauptimpulsstrom mit großem di/dt (Hauptlaststrom) fließt durch die Sättigungsdrossel 5 zum Thyristor 6 wenn die Sättigungsdrossel 5 gesättigt ist.
  • Die Stromwellenform und die Spannungswellenform für diese Ausführungsformen sind in Fig. 3b wiedergegeben, wobei Id die Stromstärke d durch die Überbrückung bei gesättigter Sättigungsdrossel 5 bezeichnet.
  • Fig. 4a zeigt eine dritte Ausfahrmlgsform der erfindungsgemäßen Thyristorschaltung, wobei ein Kondensator 10 die Sättigungsdrossel 5 überbrückt. Hierbei ergibt sich eine ähnliche Funktionsweise wie bei der obigen Ausführungsform.
  • Der durch die Überbrückungsschaltung fließende Strom id ergibt sich aus nachstehender Gleichung: wobei 0 die Kapazität des Kondensators 10 bezeichnet und 0 wobei die übrigen Symbole die oben beschriebene Bedeutung haben. Es gilt 0 « C. Der Stromanstiegskoeffizient did/dt 0 ergibt sich aus der Gleichung: Ec did/dt = Ec (A/sec) L Der Stromanstiegskoeffizient ist gleich demjenigen einer Schaltung ohne Überbrückung. der Spitzenwert Idm des Stroms ist jedoch um das -fache erhöht, so daß kein heißer Fleck gebildet wird. Die Stromwellenform und die Spannungswellenform für diese Ausführungsform sind in Fig. 4c dargestellt.
  • Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Thyristorschaltung, wobei ein Widerstand 1f die Sättigungsdrossel 5 überbrückt. Der durch die Überbrückung fließende Strom id ergibt sich aus nachstehender Gleichung Der Stromanstiegskoeffizient did/dt ist gemäß dieser Gleichung unendlich. Da jedoch die Drossel 4 in allen praktischen Fällen in Reihe geschaltet ist, ergibt sich der Stromanstiegskoeffizient aus der nachstehenden Gleichung did/dt Ec/L (A/1u sec) und ist somit im wesentlichen gleich dem Stromanstiegskoeffizienten der Schaltung ohne Überbrückung. In vorliegendem Falle ergibt sich jedoch der Spitzenwert des Stroms 1d aus der Gleichung: 1d = E /R (A).
  • c Demgemäß wird im Thyristor 6 kein heißer Fleck aufgrund von did/dt gebildet. Die Stromwellenform und die Spannungswellenform dieser Ausführungsform sind in Fig. 5b wiedergegeben.
  • In den Schaltungen der Figuren 3a bis 5a kann der durch die Überbrückung fließende Strom d dadurch festgelegt werden, ddaß man einen geeigneten Wert der Drossel 9, des Kondensators 10 oder des Widerstandes 11 auswählt. Der jeweilige Wert wird so ausgewählt, daß der anfängliche Leitungsbereich des Thyristors vergrößert wird und somit die Bildung eines heißen Flecks im Thyristor verhindert wird. Auf diese Weise kann jeweils sichergestellt werden, daß der Leitungsbereich des Thyristors zur Zeit des Durchflusses des Hauptimpulsstroms nach Sättigung der Sättigungsdrossel 5 vergrößert ist und daß der gesamte Koeffizient di/dt gesenkt ist, so daß die Temperatur des heißen Flecks des Thyristors verringert ist. Bei obigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Thyristorschaltung wird eine Drossel, ein Kondensator oder ein Widerstand in der Überbrückung verwendet, wobei diese Schaltungselemente nicht kombiniert werden. Es ist jedoch möglich, mehrere geeignete Schaltungselemente dieser Art gleichzeitig in der Überbrückung einzusetzen.
  • Somit ist in der erfindungsgemäßen Thyristorschaltung zur Erzeugung eines Impulsstroms mit hohem Stromanstiegskoeffizienten di/dt eine Sättigungsdrossel in Reihe zu dem Thyristor geschaltet und von einem konstanten Spannungselement oder einem geeigneten Impedanzelement, welches parallel zur Sättigungsdrossel liegt, überbrückt, wodurch der Anstieg der Temperatur des heißen Flecks im Thyristor verhindert wird und der Stromanstiegskoeffizient di/dt verbessert wird. Dies wird mit einfachen Schaltungsmitteln erreicht. Die Erfindung eignet sich nicht nur für die gewöhnlichen Thyristoren mit unilateraler Gleichrichtung, sondern auch für einen Thyristor mit bilateraler Gleichrichtung und für andere Halbleitereinrichtungen.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜ0RE
    Elektrische Schaltung mit einem Halbleiterelement einen Stromfluß mit hohem Stromanstiegskoeffizienten di/dt und mit einer hierzu in Reihe geschalteten Sättigungsdrossel, gekennzeichnet durch eine parallel zur Sättigungsdrossel (5) liegende Überbrückung (7 - 11), welche während der ungesättigten Periode der Sättigungsdrossel (5) einen für die Verbreiterung des anfänglichen teitungsbereichs des Halbleiterelements (6) ausreichenden Strom führt.
  2. 2. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (6) ein Thyristor ist.
  3. 3. Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überbrückung ein Schaltungselement (7,8) konstanter Spannung umSßt, welches aufgrund der während der ungesättigten Periode der Sättigungsdrossel (5) an dieser anliegenden Spannung leitend wird.
  4. 4. Elektrische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überbrückung eine Avalanche-Diode (7) und eine Diode (8) in Reihenschaltung enthält.
  5. 5. Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überbrückung eine Drossel (9) und/oder einen Kondensator (10) und/oder einen Widerstand (11) in Reihenschaltung enthält.
    L e e r s e i t e
DE19742450369 1973-10-23 1974-10-23 Elektrische Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschaltelement vom Thyristor-Typ Expired DE2450369C2 (de)

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JP48119293A JPS5245633B2 (de) 1973-10-23 1973-10-23
JP13462573A JPS5086255A (de) 1973-11-29 1973-11-29
JP13588673A JPS5087263A (de) 1973-12-03 1973-12-03

Publications (2)

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DE2450369A1 true DE2450369A1 (de) 1975-04-24
DE2450369C2 DE2450369C2 (de) 1983-11-10

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CN107458230A (zh) * 2017-08-17 2017-12-12 中车青岛四方车辆研究所有限公司 动车组蓄电池充电控制系统及方法

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DE1156165B (de) * 1962-10-26 1963-10-24 Licentia Gmbh Anordnung mit steuerbaren, Zuendeigenschaften besitzenden Halbleiterzellen
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Title
"Elektrie" 1968, S.236-238 *

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