DE2502771B2

DE2502771B2 - Selbstgeführter Stromrichter mit mindestens einem rückwärts leitenden Thyristorschalter

Info

Publication number: DE2502771B2
Application number: DE19752502771
Authority: DE
Inventors: Werner 5760 Arnsberg Boesterling
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 1975-01-24
Filing date: 1975-01-24
Publication date: 1980-10-16
Also published as: DE2502771A1; DE2502771C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen selbstgeführten Stromrichter mit mindestens einem aus einer Gegenparallelschaltung eines Thyristors und einer Diode bestehenden rückwärts leitenden Thyristorschalter als Hauptthyristor mit Schwingkreislöschung mitteis einer parallelgeschalteten Reihenschaltung eines ebenfalls aus einer Gegenparallelschaltung eines Thyristors und einer Diode bestehenden rückwärts leitenden Thyristorschalters als Löschthyristor und eines Kondensators und einer Induktivität.

Derartige Stromrichter mit rückwärts leitenden Thyristorschaltern sind beschrieben, beispielswe e von M. Meyer in ETZ-A, 95 (1974), 2, Seiten 82 bis 84. Aus dieser Literaturstelle geht hervor, daß der rückwärts leitende Thyristor — eine Gegenparallelschaltung eines unipolaren Thyristors und einer Diode — bei Wechselrichtern und Gleichstromstellern großer Leistung eingesetzt wird. Es werden rückwärts leitende Thyristoren aber auch bei Stromrichtern- geringer Leistung eingesetzt z. B. bei nach Art eines Wechselrichters arbeitenden Thyrisior-Schwingschaltungsn, welche in der Endstufe für die Horizontalablenkung von Fernsehgeräten verwendet sind. In diesen Fällen, im folgenden und weiter unten werden sie daher als rückwärtsleitende Thyristorschalter bezeichnet. Für Stromrichter geringer Leistung werden rückwärts leitende Thyristorschalter bevorzugt, bei welchen je eine Diode und je ein Thyristor in einem Halbleiterbauelement monolithisch oder in einem Gehäuse hybrid integriert sind, da sich dadurch Vorteile wie z. B. leichtere Montierarbeit, vereinfachte Lagerhaltung etc. ergeben. Zur Anwendung kommt hierbei die Schwingkreislöschung der Thyristoren, wofür die Anzahl der benötigten Bau- und Schaltkreiselemente gering ist. Auch für Stromrichter höherer Leistung werden rückwärts leitende Thyristorschalter verwendet, bei welchen je eine Diode und je ein Thyristor monolithisch in einem Halbleiterbauelement integriert oder aus diskreten Halbleiterbauelementen zusammengesetzt sind. Bei letzteren ist eine fallweise optimale gegenseitige Anpassung der Bestandteile Thyristor und Diode hinsichtlich der statischen und der dynamischen Daten bzw. eine wirksamere Kühlung möglich.

Bei der Schwingkreislöschung von rückwärts leitenden Thyristoren oder Thyristorschaltern ist die Höhe der im beteiligten Thyristor auftretenden Rückwärts-Sperrspannung von der Durchlaßspannung der beteiligten Dioden abhängig (vgl »ETZ-A«, 95/1974, 2, S. 83

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^b0 linke Spalte Satz 2, ferner »AEG-Mitteilungen«, 54/1964, S. 463 rechte Spalte Abs. 3) und mithin gering. Demnach ist die höchste Rückwärts-Sperrspannung, die auftritt, die Durchlaßspannung der Dioden. Diese Rückwärts-Sperrspannung hat einen wesentlichen Einfluß auf die Freiwerdezeit, wenn sie nicht die Höhe erreicht, die für einen einwandfreien Ausräumpro^eß der äußeren Sperrschichten des Thyristors e^rforderlich ist. Dies ist der Fall, wenn bei Wechselrichterbetrieb einem Thyristor eine Gleichrichterzelle (Diode) gegenparallel geschaltet ist. Oberhalb von etwa 100 Volt ist der Einfluß der Rückwärts-Sperrspannung auf die Freiwerdezeit nur noch gering.

Infolge der geringen Rückwärts-Sperrspannung des beteiligten Thyristors sind auch die Ausschaltverluste gering. Jedoch ist bei der geringen Rückwärts-Sperrspannung in Höhe der Durchlaßspannung der erwähnten Dioden, nämlich von 0,7 bis etwa 2 Volt, die Freiwerdezeit verhältnismäßig lang und wird mit geringer werdender Rückwärts-Sperrspannung noch langer.

Es wurde gefunden, daß die Freiwerdezeit durch Einfügen einer Induktivität in den Diodenpfad der Gegenpsrallelschaltung verringert wird, da hiermit die Rückwärts-Sperrspannung über 100 Volt erhöht werden kann. Damit wird aber der zeitliche Verlauf der Rückwärts-Sperrspannung so verändert, daß die Vorwärts-Sperrspannung früher einsetzt und die Schonzeit des Thyristors kürzer wird.

Nach dem Buch »Thyristoren«, 2. Auflage 1970, Verlag B.G. Teubner Stuttgart, Seite 228 ist bei Thyristoren die Schonzeit (Zeitspanne, die nach dem Unterbrechen des Thyristorstromes vergeht, ehe wieder eine Vorwärts-Sperrspannung an den Thyristor gelegt wird) eine charakteristische Größe der zugeordneten Löschschaltung. Sie kann sich mit dem Betriebszustand ändern. Auch im ungünstigsten Betriebszustand, bei dem sie ihren kleinsten Wert hat, muß sie stets langer als die Freiwerdezeit des Thyristors sein. Die von der Löschschaltung zur Verfügung gestellte Schonzeit wird u. a. durch die im Kommutierungskondensator vor dem Löschvorgang gespeicherte Kommutierungsspannung bestimmt.

Am Beginn eines Löschvorganges liegt am Thyristor die Kommutierungsspannung in voller Höhe als Rückwärts-Sperrspannung. Sofern aber, wie eingangs vorausgesetzt, eine Diode dem Thyristor gegenparallelliegt, so liegt am Thyristor zu Beginn des Löschvorgangs ein nur geringer Teil der Kommutierungsspannung als Rückwärts-Sperrspannung, welcher der Summe der Diodendurchlaßspannung und der Spannung etwa gleich ist, die infolge des anfänglichen Rückstromes aus dem Kommutierungskondensator an der nicht unterdrückbaren parasitären Induktivität des Diodenstromzweiges entsteht. Infolge der geringen R Ickwärts-Sperrspannung in diesem Falle kann die Schonzeit kleiner als die Freiwerdezeit sein, zumal diese dann länger ist als wenn die Rückwärts-Sperrspannung z. B. 100 Volt beträgt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen rückwärts leitenden Thyristorschalter eines selbstgeführten Stromrichters mit einer dem Thyristorschalter parallelgeschalteten Löschschaltung der eingangs angegebenen Art ohne Verwendung einer Induktivität im Stromzweig der gegenparallelen Diode des Thyristorschalters, so auszubilden, daß die Freiwerdezeit möglichst kurz wird und die Schonzeit der Löschschaltung entsprechend kurz, jedoch hinreichend

länger als die Freiwerdezeit ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Gegenparallelschaltungen Dioden mit großer elektrischer Trägheit während der Durchlaßverzögerungszeit verwendet sind.

Dioden mit eiektrischer Trägheit während der Durchlaßverzögerungszeit sind an sich bekannt und auch hersteilbar. In DIN 41 781, Gleichrichterdioden für Leistungselektronik, Juli 1972 Seite 7 unten sind die Begriffe »Elektrische Trägheit« und »Durchlaßverzögerungszeit« erläutert

Mit der Erfindung wird die technische Lehre gegeben, daß das bei Gleichrichterdioden großer elektrischer Trägheit immanente Trägheitsverhalten während des Überganges vom sperrenden in den leitenden Zustand (der Diode) mit Erfolg zu dem Zweck auszunutzen ist, die Freiwerdezeit eines wie oben definierten Thyristorschalters möglichst kurz zu machen.

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß Dioden mit großer Trägheii während der Durchlaßverzögerungszeit zugleich auch schnell schaltbar und somit vorteilhaft verwendbar bei Mittelfrequenzstromrichtern sind.

Die Erfindung ist bei den gebräuchlichen Aufbauformer eines aus einer Gegenparallclschaltung bestehenden rückwärts leitenden Thyristorschalters anwendbar: Gleichrichterdiode und Thyristor monolithisch integriert, in ei:iem Gehäuse hybrid integriert sowie aus diskreten Halbleiterbauelementen zusammengesetzt.

Ein Anwendungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben.

In der Zeichnung ist als Schaltung eines selbstgeführien Stromrichters ein Gleichstromsteller 2 dargi-stellt, welcher einen rückwärts leitenden Hauptthyristorschalter 21 mit Schwingkreislöschung enthält. Der Gleichstromsteller 2 ist in einem Stromkreis mit einer Gleichstromquelle 1 und einem Verbraucher 3 mit einem ohmschen 31 und einem induktiven Widerstandsanteil 32 in Reihenschaltung angeordnet. Dem Verbraucher 3 ist eine Nulldiode 3' zugeordnet. Der Gleichstromsteller 2 besteht aus der Parallelschaltung des rückwärts leitenden Hauptthyristorschalters 21 und eines Zwangslösch-Stromzweiges, in welchem ein ebenfalls rückwärts leitender Löschthyristorschalter 22 mit einem Schwingkreiskondensator 23 und einer Schwingkreisinduktivität 24 in Reihenschaltung angeordnet sind. Die rückwärts leitenden Thyristorschalter 21 und 22 sind Gegenparallelschaltungen je eines Thyristors 211 bzw. 221 und einer Diode (Gleichrichterdiode) 212 bzw. 222, welche erfindungsgemäß Dioden mit einer großen elektrischen Trägheit während der Durchlaßverzögerungszeit sind. Diese Dioden nehmen beim Übergang vom sperrenden in den leitenden Zustand unter Vorwärtsspannung nach kurzer Verzögerungszeit ihren statischen differentiellen Durchlaßwiderstand an.

Es ist die Diode 212 mit einer elektrischen Trägheit während der Durchlaßverzögerungszeit verwendet, die so groß ist, daß sie bei der Zwangslöschung des Thyristors 211 unter Vorwärts-Spannung zumindest bis zum Ende der kurzen Sperrverzögerungszeit im Thyristor hohe Spannung aufnimmt. Hierdurch wird die Freiwerdezeit des Thyristors 211 optima! verkürzt, während demgegenüber die Schonzeit des Thyristors, welcher von dem von den Schwingkreiselementen 23, 24 in Reihenschaltung vorgegebenen Verlauf der Anodenspannung des rückwärts leitenden Thyristorschalters 21 insgesamt abhängt, nicht verkürzt wird.

Da, wie nachstehend erläutert, bei dem beschriebenen -> Gleichstromsteller der rückwärts leitende Löschthyristorschalter 22 nicht zwangsgelöscht wird, braucht die Diode 2?"? nicht notwendig große elektrische Trägheit während der Durchlaßverzögerungszeit aufzuweisen und entsprechend ausgewählt zu werden. Insofern bildet

l'j dieser Gleichstromsteller eine Ausnahme. Grundsätzlich ist sonst bei einem selbstgeführten Stromrichter für jeden zwangsgelöschten rückwärts leitenden Thyristorschalter eine Diode mit großer Trägheit vorgesehen.
Bei einem Gleichstromstellerderoben beschriebenen

ii Art wird bei der Inbetriebsetzung zunächst der Thyristor 221 des rückwärts leitenden Löschthyristor-Sv'halters 22 gezündet, damit der Kondensator 23 über den Verbraucher 3 entgegengesetzt der Löschpolarität geladen wird. Der Thyristor 221 wird alsdann stromfrei

jo durch Selbstlöschung. Nach dieser Selbstlöschung kann der Thyristor 211 des rückwärts leitenden Hauptthyristorschalters 21 gezündet werden, wobei der Thyristor einen Verbraucherstrom vorgegebener Größe einschaltet, welcher so lange fließt, bis der Thyristor 211

r, zwangsweise gelöscht wird. Beim Einschalten des Verbraucherstromes wird der Kondensator 23 über die Induktivität 24, den gezündeten Thyristor 211 und die Diode 222 des rückwärts leitenden Löschthyristorschalters auf Löschpolarität umgeladen. Zur Zwangslöschung

J" des Thyristors 211 wird dann der Thyristor 221 gezündet und dabei wird der Kondensator 23 über diesen Thyristor, den rückwärts leitenden Hauptthyristorschalter 21 und die Induktivität 24 rückumgeladen. Zuerst fließt der Umladungsstrom als Kommutierungsstrom

!"> über den Thyristor 221. Nach Erreichen der Rückstromspitze geht der Thyristor 211 in den gesperrten Zustand über, und es wird jetzt die Diode 212 spontan mit Durchlaßstrom beansprucht. An dieser tritt infolge ihrer großen Durchlaßträgheit eine anfangs hohe Vorwärts-

•w spannungsspitze auf, die am Thyristor 211 als Rückwärts-Sperrspannung anliegt und nach einer e-Funktion abfällt. Der Umladungsstrom fließt schließlich über die Diode 212 bis zur Beendigung der Umladung, wo dann der Thyristor 221 durch Selbstlöschung stromfrei wird.

■ti Damit ist ein Schaltzyklus des Gleichstromstellers beendet. Bei den alsdann folgenden Schaltzyklen sind die Vorgänge die gleichen wie beschrieben. Die Diode 212 ist so zu wählen, daß die Ausschaltverluste des rückwärts leitenden Hauptthyristorschalters 21 minimal

ίο werden.

Bei einem selbstgeführten Stromrichter wie dem vorangehend beschriebenen Gleichstromsteller können an die rückwärts leitenden Thyristorschalter, welche für einen Betrieb bei Schaltfrequenzen auch im Kilohertz-

Vi bereich bis zu etwa 30 kHz einsetzbar sind, hohe Anforderungen hinsichtlich der dynamischen Daten gestellt werden. Dies geht so weit, daß das Schaltverhalten bei optimaler Schaltungsauslegung des Stromrichters durch technologische Maßnahmen in Grenzen zu

bü halten ist, damit die im Betrieb auftretende Störstrahlung nicht merkbar auftritt. Es genügen hierfür zumeist die zur Erzielung bestimmter Entstörgrade bekannten Abschirmmaßnahmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Selbstgeführter Stromrichter mit mindestens einem aus einer Gegenparallelschaltung eines Thyristors und einer Diode bestehenden rückwärts leitenden Thyristorschalter als Hauptthyristor mit Schwingkreislöschung mittels einer parallelgeschalteten Reihenschaltung eines ebenfalls aus einer Gegenparallelschaltung eines Thyristors und einer Diode bestehenden rückwärts leitenden Thyristorschalters als Löschthyristor und eines Kondensators und einer Induktivität, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gegenparallelschaltungen (21, 22) Dioden (212, 222) mit großer elektrischer l'rägheit während der Durchlaßverzögerungszeit '5 verwendet sind.