DE2503977C3

DE2503977C3 - Carrier damper protection circuit for semiconductor valves of a converter arrangement

Info

Publication number: DE2503977C3
Application number: DE19752503977
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Ing. 1000 Berlin Golde
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1975-01-29
Filing date: 1975-01-29
Publication date: 1980-08-14
Also published as: DE2503977A1; DE2503977B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Trägerstaueffekt-Schut/beschaltung für Halblciterventile gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Schutzbeschaltung ist durch die DE-AS 14 88 349 bekannt.The invention relates to a carrier jam effect protection / wiring for half-liter valves according to the preamble of claim 1. Such a protective circuit is known from DE-AS 14 88 349.

Beim Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand führt ein Halbleiterventil einen überhöhten dynamischen Sperrstrom, d.h. einen Strom in Rückwärtsrichtung durch das Ventil, bis durch Verschiebung und Rekombination der Ladungsträger der mittlere pn-Übcrgang des Halbleiterventils so weit an Ladungsträgern verarmt ist, daß es Spannung in Sperrichtung aufnehmen kann. Die Amplitude dieses Rückstromes durch das Ventil ist abhängig von der Höhe und Abfallflanke des Ventilstromes in Vorwärtsrichtung, vom Scheitelwert der Sperrspannung und von der Temperatur des Halbleiterventils, so daß die Fläche unter der Rückstrom-Zeitkurve identisch ist mit der Trägerstau-Ladung. Sie ist bei vorgegebenen Werten der Beanspruchung, wie /.. B. Strom, Steilheit etc., eine Eigenschaft des verwendeten Ventil-Typs, die nicht ohne Auswirkung auf andere Eigenschaften des Ventils verändert werden kann.During the transition from the conductive to the blocking state, a semiconductor valve leads an excessive dynamic reverse current, i.e. a current in the reverse direction through the valve, until the mean pn transition of the semiconductor valve is so depleted of charge carriers through displacement and recombination of the charge carriers that there is voltage in Can accommodate blocking direction. The amplitude of this return flow through the valve depends on the level and falling edge of the valve flow in the forward direction, on the peak value of the blocking voltage and on the temperature of the semiconductor valve, so that the area under the return flow time curve is identical to the carrier accumulation charge. With specified values of the load, such as / .. B. current, slope, etc., it is a property of the valve type used, which cannot be changed without affecting other properties of the valve.

Beim Übergang vom leitenden zum sperrenden Zustand eines Halbleitervenlils in einem unvermeidbar induktivitätsbehafteten Stromkreis treten Überspannungen auf, die durch den bisherigen und dann zu Null werdenden Ventilstrom durch das Halbleiterventil in Vorwärtsrichtung bedingt sind. Zur Bedämpfung dieser Überspannungen sind Anordnungen aus den DE-OS 19 56 '45 und DE-OS 20 51 409 bekannt, bei denen die infolge des Vorwärtsstromes in den Induktivitäten des Schaltkreises gespeicherte Energie über Schaltmittel verlustmindernd zumindest teilweise in die Spannungsquelle zurückgespeist wird. During the transition from the conductive to the blocking state of a semiconductor valve in one unavoidable inductive circuit occur overvoltages, which by the previous and then to zero the valve flow through the semiconductor valve in the forward direction. To dampen this Overvoltages are arrangements from DE-OS 19 56 '45 and DE-OS 20 51 409 known, in which the As a result of the forward current in the inductances of the circuit, stored energy via switching means is at least partially fed back into the voltage source in a loss-reducing manner.

ίο Neben diesem Problem der Bedämpfung der Über-• spannungen infolge des Vorwärtsstromes besteht die Schwierigkeit, die im Halbleiterventil aufgrund des Trägerstaueffekts infolge des Rückstroms aufgestaute elektrische Ladung trotz der im Kreis vorhandenen Induktivität sinnvoll abzubauen. Die Erfindung bezieht sich ausschließlich auf das letztgenannte Problem.ίο In addition to this problem of dampening over- • Stresses due to the forward current is the difficulty in the semiconductor valve due to the Carrier accumulation effect as a result of the reverse current, accumulated electrical charge despite the existing in the circuit To reduce inductance sensibly. The invention relates solely to the latter problem.

Zum Abbau der aufgrund des Trägerstaueffekts aufgestauten elektrischen Ladung ist es erforderlich, als Schutzbeschaltung einen Nebenweg zum Ventil zu schaffen. Eine derartige Schutzbeschaltung in Form eines /?C-Gliedes ist durch die eingangs genannte DE-AS 14 88 349 bekannt. Dabei wird die gespeicherte Energie, die sich aus dem Produkt der Kommutierungsspannung Ud mit der Trägerstauladung Q ergibt, nach Zwischenspeicherung im Kondensator in den ohmschen Widerständen in Wärme umgesetzt. Bei einer Betriebsfrequenz /"des Halbleiterventils ergeben sich die dabei entstehenden Verluste V zu V = Ud ■ Q · f, die beim Betrieb mit höherer Frequenz (z.B. im kHz-Bereich) erheblich ins Gewicht fallen. Sie bestimmen dann die Gesamtverluste und damit den Kühlmittelbedarf und den Wirkungsgrad der Stromrichteranordnung.To reduce the electrical charge that has built up due to the carrier accumulation effect, it is necessary to create a bypass path to the valve as a protective circuit. Such a protective circuit in the form of a /? C element is known from DE-AS 14 88 349 mentioned at the beginning. The stored energy, which results from the product of the commutation voltage Ud and the carrier accumulated charge Q, is converted into heat in the ohmic resistors after being temporarily stored in the capacitor. At an operating frequency / "of the semiconductor valve, the resulting losses V = V = Ud ■ Q · f, which are significant when operating at a higher frequency (eg in the kHz range). They then determine the total losses and thus the coolant requirement and the efficiency of the converter arrangement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzbeschaltung anzugeben, bei der die aufgrund des Trägerstaueffekts vorhandene Energie bis auf die ventilinterne Ausschaltbarkeit an die speisende Quelle zurückgeliefert wird, also keine Bedämpfungsverluste auftreten.The invention is based on the object of specifying a protective circuit in which the due to the Carrier back-up effect, except for the valve-internal switch-off to the feeding source is returned, so no damping losses occur.

Diese Aufgabe wird bei einer Trägerstaueffekt-Schutzbeschaltung der eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.This task is carried out with a carrier jam effect protective circuit of the type specified at the beginning solved according to the invention by the features characterized in claim 1.

Diese Lösung bewirkt nach Zwischenspeicherung der Energie im Kondensator eine Rücklieferung in die speisende Spannungsquelle und eine wirksame Trägerstau-Schutzbeschaltung der zu schützenden Halbleiterventile, so daß auch ein Betrieb der Stror.irichteranordnung mit höheren Frequenzen verlustarm durchführbar ist.After the energy has been temporarily stored in the capacitor, this solution causes it to be returned to the feeding voltage source and an effective carrier jam protection circuit of the semiconductor valves to be protected, so that an operation of the current rectifier arrangement can be carried out with low loss at higher frequencies.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous further developments of the invention are characterized in the subclaims.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll nachstehend die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigtOn the basis of an embodiment shown in the drawing, the invention is intended below are explained in more detail. It shows

Fig. 1 einen Wechselrichter, dessen Halbleiterventil mit der erfindungsgemäßen Beschallung versehen ist und1 shows an inverter, the semiconductor valve of which is provided with the sound system according to the invention and

Fig. 2 die dazugehörigen zeitlichen Verläufe der Ströme und Spannungen undFig. 2 shows the associated time courses of the currents and voltages and

F i g. 3 die Beschallung eines Thyristors mit getrennter Beschallung des zugehörigen Rückstromventils.F i g. 3 the sound of a thyristor with separate sound of the associated non-return valve.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung ist Teil eines Wechselrichters mit dem Wechselrichterausgang Rund einem Konstantspannungseingang 9.The arrangement shown in FIG. 1 is part of an inverter with the inverter output A and a constant voltage input 9.

Konstantspannungs-Eingang bedeutet dabei, daß der <jlL'ichstrom-Zwisehenkreis kapazitiv abgeschlossen ist und damit sein Ausgangs-Innenwiderstanil mit steigender Frequenz gegen Null geht. Parallel zur Spannungs-Constant voltage input means that the direct current intermediate circuit is capacitively terminated and so its initial internal resistance tends to zero with increasing frequency. Parallel to the voltage

quelle 9 ist ein Eingangskondensator 8 geschaltet. Dem zu schützenden Halbleiterventil, einem anodenseitig mit der positiven Klemme der Konstantspannungsquelle 9 verbundenen Thyristor 1, ist eine Reihenschaltung einer in Sperrichtung des Thyristors 1 gepolten ersten Diode 3, eines Beschaltungskondensators 4 und einer zweiten, ebenfalls in Sperrichtung des Thyristors 1 gepolten Diode 5 parallelgeschaltet. Ober eine Drossel 7 ist die Verbindung zwischen erster Diode 3 und Beschaltungskondensator 4 mit der positiven Klemme und über eine dritte Diode 6 die Verbindung zwischen Beschaltungskondensator 4 und zweiter Diode 5 mit der negativen Klemme der Konstantspannungsquelle 9 zusammengeschaltet. Die dritte Diode 6 ist dabei anodenseitig mit der negativen Klemme der Konstantspannungsquelle 9 verbunden. Stellvertretend für den nicht näher dargestellten Kommutierungskreis des Thyristors !,der durch die Induktivität des Wechselrichtertransformators sowie der Leitungen gegeben ist, ist eine Induktivität 10 dargestellt Da die drei Dioden 3, 5 und 6 nur für sehr kurze Zeit Strom führen, kann ihre Baugröße gegenüber der des Thyristors 1 vernachlässigbar klein bleiben, womit auch ihre eigene Trägerstauladung vernachlässigbar ist Anhand der zeitlichen Darstellung in der Fig.2 soll die Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 1 näher erläutert werden.source 9, an input capacitor 8 is connected. To the semiconductor valve to be protected, one on the anode side with the positive terminal of the constant voltage source 9 connected thyristor 1 is a series circuit of a first diode polarized in the reverse direction of the thyristor 1 3, a wiring capacitor 4 and a second, also connected in parallel in the reverse direction of the thyristor 1 diode 5. Above a throttle 7 is the Connection between first diode 3 and wiring capacitor 4 with the positive terminal and via a third diode 6 the connection between the wiring capacitor 4 and the second diode 5 are connected to the negative terminal of the constant voltage source 9. The third diode 6 is connected to the negative terminal of the constant voltage source 9 on the anode side tied together. Representing the commutation circuit, not shown, of the thyristor! the inductance of the inverter transformer and of the lines is given, is an inductance 10 As the three diodes 3, 5 and 6 only carry current for a very short time, their size can be compared to that of the thyristor 1 remain negligibly small, so that their own carrier accumulated charge is negligible The mode of operation of the arrangement should be based on the time representation in FIG F i g. 1 will be explained in more detail.

Zum Zeitpunkt fo möge die Löschung des Thyristors 1 erfolgen. Im Ausschaltzeitpunkt fi hat der in Fig.2a dargestellte Verlauf des Thyristorstromes /« einen Wert Ir erreicht, der durch die Induktivität des Kommutierungskreises aufrechterhalten wird. Übernimmt uer Thyristor 1 im Ausschaltzeitpunkt fi Sperrspannung, dann kommutiert der Rückstrom ir vom Thyristor 1 auf den durch die beiden Dioden 3 und 5 und den Beschaltungskondensator 4 gegebenen Abkommutierungskreis. Der Beschaltungskondensator 4 war im Ausschaltzeitpunkt ii auf eine Spannung U_c in der Höhe der Eingangs-Gleichspannung Ud aufgeladen. Diese Kondensatorspannung U_c wird vom Ausschaltzeitpunkt fi im Abkommutierungskreis wirksam und führt zum Abbau des Rückstromes /r mit der Eigenfrequenz des Abkommutierungskreises, bis zum Zeitpunkt /2 der Strom in im Abkommutierungskreis zu Null geworden ist (F i g. 2b). Die magnetische Energie des Thyristor-Kommutierungskreises ist damit dem Beschaltungskondensator 4 zugeflossen. Infolge der damit verbundenen Erhöhung der Kondensatorspannung U_c über die Eingangs-Gleichipannung Udhinaus kommt es zu einer langsamen Rückschwingung der Kondensatorspannung Uc, die sich in einem Stromfluß il über die dritte Diode 6 so und die Drossel 7 auswirkt (F i g. 2c), wodurch die vom Kommutierungskreis übernommene Energie des Beschaltungskondensators 4 dem parallel zur Konstantspannungsquelle 9 geschalteten Eingangskondensator 8 und damit einer nutzbringenden Verwendung zugeführt wird. Am Ende dieses Vorgangs, zum Zeitpunkt /3, liegt die Kondensatorspannung U_c im gleichen Maße um einen Spannungshub AU unter der Eingangsgleichspannung Ud wie sie zum Zeitpunkt h darüber lag (F i g. 2d). Da die dem Eingangs-Kondensator 8 zugeführte Energie nur von der Eingangs-Gleichspannung Ud und der Trägerstauladung abhängt, ist mit der Wahl der Kapazität des Beschaltungskondensators 4 der Spannungshub Δ U für alle Betriebszustände und unabhängig von der Induktivität 10 des Kommutierungskreises festgelegt Die Induktivität der Drossel 7 wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß sich zusammen mit der Kapazität des Beschaltungskondensators 4 etwa die Betriebsfrequenz ergibt. Der Rückschwing-Vorgang ist dann innerhalb einer Halbperiode der Betriebsfrequenz abgeschlossen.The thyristor 1 may be extinguished at the time fo. At the switch-off time fi, the course of the thyristor current shown in FIG. 2a has reached a value Ir which is maintained by the inductance of the commutation circuit. If uer thyristor 1 takes over reverse voltage at the switch-off time fi, then the reverse current ir commutates from thyristor 1 to the decommutation circuit given by the two diodes 3 and 5 and the connection capacitor 4. The wiring capacitor 4 was charged at the switch-off time ii to a voltage U _c equal to the input DC voltage Ud. This capacitor voltage U _c takes effect from the switch-off time fi in the commutation circuit and leads to a reduction in the return current / r with the natural frequency of the commutation circuit until the current in in the commutation circuit has become zero at time / 2 (FIG. 2b). The magnetic energy of the thyristor commutation circuit has thus flowed to the wiring capacitor 4. As a result of the associated increase in the capacitor voltage U _c above the input DC voltage Ud , there is a slow back oscillation of the capacitor voltage Uc, which has the effect of a current flow il through the third diode 6 so and the choke 7 (FIG. 2c). , whereby the energy of the wiring capacitor 4 taken over by the commutation circuit is fed to the input capacitor 8 connected in parallel to the constant voltage source 9 and thus to a useful use. At the end of this process, at time / 3, the capacitor voltage U _{c is to} the same extent by a voltage swing AU below the input DC voltage Ud as it was above it at time h (FIG. 2d). Since the energy supplied to the input capacitor 8 only depends on the input DC voltage Ud and the carrier back-up charge, the voltage swing Δ U is determined for all operating states and independently of the inductance 10 of the commutation circuit with the selection of the capacitance of the wiring capacitor 4. The inductance of the choke 7 is expediently chosen so that, together with the capacitance of the wiring capacitor 4, the operating frequency is approximately the same. The swingback process is then completed within one half cycle of the operating frequency.

Durch die Anordnung der Beschallung nach F i g. 1 wird bei einer Anwendung des Erfindungsgegenstandes in einem Wechselrichter außer dem Halbleiterventil auch das mit ihm verbundene Rückstromventil geschützt, sofern sich der Beschaltungskreis hinreichend induktivitätsarm aufbauen läßt Ist dies nicht sichergestellt, muß für das Rückstromventil ein getrennter, induktivitätsarmer Beschaltungskreis aufgebaut werden. The arrangement of the sound system according to FIG. 1 becomes when using the subject matter of the invention In addition to the semiconductor valve, the non-return valve connected to it is also protected in an inverter, if the circuit can be set up with a sufficiently low inductance If this is not ensured, a separate, low-inductance circuit must be set up for the non-return valve.

Die in F i g. 3 dargestellte Anordnung enthält neben der Beschallung des Thyristors 1 auch eine Trägerstaueffektbeschaltung des Rückstromventils 2, die aus einer Reihenschaltung einer vierten Diode 11, eines zweiten Beschaltungskondensators 12, einer fünften Diode 13 und eines zusätzlichen Kondensators 14 besteht. Die Beschaltungskapazitäten 4 und 12 können, da sie doppelt vorhanden und parallelgeschaltet sind, halbiert werden. Die Drossel 7 und die dritte Diode 6 des Rückschwingkreises für den Thyristor 1 sind für beide Beschaltungskondensatoren 4 und 12 wirksam und können daher bei der Beschallung des Rückstromventils 2 mitbenutzt werden. Der zusätzliche Kondensator 14 gestattet eine entsprechende Verkleinerung des Eingangskondensators 8.The in F i g. The arrangement shown in FIG. 3 contains not only the sound of the thyristor 1 but also a carrier jam effect circuit of the backflow valve 2, which consists of a series connection of a fourth diode 11, a second Wiring capacitor 12, a fifth diode 13 and an additional capacitor 14 consists. the Circuit capacities 4 and 12 can be halved because they are available twice and connected in parallel will. The choke 7 and the third diode 6 of the resonant circuit for the thyristor 1 are for both Wiring capacitors 4 and 12 are effective and can therefore be used when sounding the backflow valve 2 can also be used. The additional capacitor 14 allows a corresponding reduction in the size of the input capacitor 8th.

Bei einer Parallelschaltung mehrerer Halbleiterventile 1 müssen lediglich die Abkommutierungskreise induktivitätsarm aufgebaut und daher in räumlicher Nachbarschaft zum jeweiligen Halbleiterventil angeordnet sein. Der Rückschwingkreis über die Drossel, Beschaltungskondensator, dritten Ventil und Eingangskondensator kann in beliebiger Höhe induktivitätsbehaftet sein. Die Drossel braucht daher für eine beliebige Zahl parallelgeschalteter Halbleiterventile nur einmal vorhanden zu sein.When several semiconductor valves 1 are connected in parallel, only the commutation circuits need to be connected Constructed with low inductance and therefore arranged in close proximity to the respective semiconductor valve be. The resonant circuit via the choke, wiring capacitor, third valve and input capacitor can have any amount of inductivity be. The throttle therefore only needs once for any number of semiconductor valves connected in parallel to be present.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Trägerstaueffekt-Beschaltung mit nutzbringender Verwendung der magnetischen Energie des Kommutierungskreises ist bei allen Wechselrichter-Typen, insbesondere für Mittelfrequenz-Umrichter und Gleichstromstellern möglich, sofern auf der Eingangs- oder Ausgangsseite eine Konstantspannungsquelle hinreichend geringen Innenwiderstandes, vorzugsweise ein Kondensator, zur Verfügung steht.The application of the carrier jam effect circuit according to the invention with beneficial use of the magnetic energy of the commutation circuit is common to all inverter types, especially for Medium-frequency converters and DC converters possible, provided they are on the input or output side a constant voltage source of sufficiently low internal resistance, preferably a capacitor, for Available.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Carrier jam effect protective circuit for semiconductor valves containing a power converter arrangement fed by a constant voltage source a low-inductance series circuit arranged anti-parallel to the semiconductor valves a first diode, a wiring capacitor and a second diode, characterized in that, that the connection point between the first diode (3) and the wiring capacitor (4) via a choke (7) with one pole (-) of the constant voltage source and the connection point between the wiring capacitor (4) and the second diode (5) via a third diode (6) to the other pole (H-) of the constant voltage source (9) is connected in such a way that the wiring capacitor (4) during the erasing process supplied charge flows in the form of an oscillation into the constant voltage source (9).

2. Protective circuit arrangement according to claim 1 for use in inverters from controllable Main valves and non-controllable return flow valves, characterized in that for the Main valve and the associated return flow valve a common carrier jam effect suppressor circuit is available.

3. protective circuit arrangement according to claim 2, characterized in that when separated Protective circuit for main and non-return valve of the resonant circuit from one of the two protective circuits common choke (7) and third diode (6).

4. protective circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that at a parallel connection of several semiconductor valves, the resonant circuit of all protective circuits contains only a common choke (7) and third diode (6).