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Thyristorschaltung Die Erfindung betrifft eine Thyristorschaltung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Hauptimpulsstrom mit großem di/dt (Hauptlaststrom) fließt durch
die Sättigungsdrossel 5 zum Thyristor 6 wenn die Sättigungsdrossel 5 gesättigt ist.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.