DE2506021A1

DE2506021A1 - Ueberspannungs-schutzschaltung fuer hochleistungsthyristoren

Info

Publication number: DE2506021A1
Application number: DE19752506021
Authority: DE
Inventors: Dante Edmond Piccone; Istvan Somos
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-02-21
Filing date: 1975-02-13
Publication date: 1975-08-28
Also published as: CH582436A5; SE7501982L; SE405779B; JPS6022798Y2; CA1032605A; FR2262408A1; GB1495823A; JPS5918576U; DE2506021C2; US3886432A; FR2262408B1; IT1031708B; JPS50120555A

Description

überspannungs-Schutzschaltung für Hochleistungsthyristoren

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine elektrische Schaltung zum Triggern einer gesteuerten Pestkörper-Schaltvorrichtung für relativ große Ströme und Spannungen, wenn der Vorrichtung eine Vorspannung in Durchlaßrichtung merklicher Größe aufgedrückt ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Verbesserungen für eine überspannungs-Schutzschaltung für Thyristoren, die in der US-PS 3 662 250 beschrieben ist.

Zum Stand der Technik werden weiterhin die folgenden US-Patentschriften genannt: 2 585 796, 3 293 449» 3 405 344, 3 573 550 und 3 626 271.

509835/06 57

"Thyristor" ist ein allgemeiner Name für eine Familie von bistabilen Halbleiterschaltern,wie beispielsweise steuerbarenSiliziumgleichrichtern, die durch ein Halbleiterplättchen mit einer Vielzahl von Schichten abwechselnden P- und N-Leitfähigkeitstypen zwischen zwei den Hauptstrom führenden Metallelektroden gekennzeichnet sind, die als Anode bzw. Kathode bezeichnet werden. Wenn ein Thyristor mit einer Lastimpedanz in Reihe geschaltet ist und eine Vorspannung in Durchlaßrichtung angelegt wird (d. h. das Anodenpotential ist positiv in bezug auf die Kathode), dann sperrt üblicherweise der Thyristor den Laststromfluß, bis er durch das Anlegen eines geeigneten Steuersignals an seine Steuereinrichtung getrlggert oder "gezündet" wird, woraufhin er abrupt von einem hohen Widerstand auf einen sehr kleinen Widerstand umschaltet, d. h. er befindet sich in einem in Durchlaßrichtung leitenden Zustand. Anschließend kehrt die Vorrichtung in ihren nicht-leitenden (Ausschalt-)Zustand zurück, wenn der Durchlaßstrom unter einen gegebenen Haltewert abgesenkt wird.

Die Nennwerte für den Durchlaßstrom und die Spitzenspannung eines Thyristors werden durch den Hersteller spezifiziert. Diese Nennwerte bestimmen unter angegebenen Bedingungen und ohne Beschädigung des Thyristors den maximalen Laststrom, den der Thyristor im eingeschalteten Zustand leiten kann, und die maximale angelegte Spannung, der er im ausgeschalteten Zustand mit Sicherheit standhalten kann. Hohe Nennströme werden im allgemeinen dadurch erhalten, daß relativ großflächige Halbleiterplättchen verwendet werden, während hohe Nennspannungen relativ dicke Basisschichten in den Plättchen erfordern. So kann beispielsweise ein Thyristor mit einem mittleren Nennstrom in Durchlaßrichtung von 1250 Ampere und einer Spitzensperrspannung in Durchlaßrichtung von 26OO Volt bei einer Betriebstemperatur am übergang von 70⁰C ein Plättchen (wafer) besitzen, dessen Fläche etwa 19,35 cm (3,0 Zoll²) und dessen Dicke 0,75 mm (0,03 Zoll) betragen. Für Applikationen mit höherer Spannung kann eine Vielzahl derartiger Thyristoren in Reihe geschaltet und gemeinsam betätigt werden, um ein steuerbares elektrisches Halbleiterventil zu bilden. Ein

50 9 8 35/0657

derartiger Anwendungsfall ist die Hochspannungs-Gleichstromübertragung, wo eine Vielzahl derartiger Ventile miteinander verbunden und so angeordnet ist, daß ein Starkstromkonverter zum Steuern des großen Leistungsflusses zwischen Gleichstrom- und Wechse1stromabschnitten eines Hochspannungs-Leistungsübertragungssystems zu bilden.

Während derjenigen zyklisch wiederkehrenden Intervalle, in denen das vorstehend beschriebene Konverterventil in einem Ausschaltoder Sperrzustand ist, sind das Ventil und seine zugehörigen Gegenstände anfällig für Beschädigung durch extra hohe Spannungsstöße, die durch eine Vielfalt unterschiedlicher transienter Erscheinungen erzeugt werden können, wie beispielsweise durch Blitzschläge, Durchführungs-Überschläge oder Inverter-Kommutierungsfehler. Blitz- bzw. überspannungsableiter werden gewöhnlich dazu verwendet, um transiente Überspannungen harmlos abzuleiten und zu unterdrücken. Es wird jedoch für nicht praktikabel und unklug gehalten, sich allein auf solche Ableiter zu stützen, um Halbleiterventile zu schützen, wenn diese unnormalen Spannungsstößen in der Durchlaßrichtung ausgesetzt sind. Da darüber hinaus der Ableiter gewöhnlich über das gesamte Ventil geschaltet ist, gibt es keine Garantie, daß jeder Einzelthyristor des Ventils nicht individuell einer überhöhten Spannung ausgesetzt wird. Wenn ein Stoß der Durchlaßanodenspannung an einem einzelnen Thyristor auf einen kritischen Wert oberhalb der Abschaltspitzenspannung erhöht werden würde, schaltet der Thyristor aufgrund eines Spannungsdurchbruches ein. Diese Art der Einschaltung, die durch einen Lawinendurchbruch,einen Durchgriff oder eine überhöhte Streuung hervorgerufen werden kann, ist in der Thyristortechnik eine bekannte Erscheinung. Es ist weiterhin bekannt, daß das normale di/dt-Verhalten von üblichen Hochspannungsthyristoren (beispielsweise Thyristoren mit Spitzensperrspannungen von über I5OO Volt) stark vermindert ist, wenn der Thyrslstor auf diese Weise eingeschaltet wird.

509835/0657

-H-

In der eingangs genannten US-PS 3 662 250 ist eine verbesserte, auf überspannung ansprechende Triggerschaltung beschrieben zum Schützen eines Hochleistungs-Hauptthyristors vor einem Spannungsdurchbruch in Durchlaßrichtung. Die Schutzschaltung umfaßt eine Vielzahl von PNPN-Halbleiterelementen niederer Spannung, die zwischen die Anode und die Steuerelektrode (Gatter) des Haupt thyristors geschaltet sind, und eine LC-Reihenschaltung, die zwischen die Steuerelektrode und die Kathode geschaltet ist. Die PNPN-Elemente sind so ausgewählt, daß sie in einer Spannungsdurchbruchsart einschalten, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung am Hauptthyristor eine vorbestimmte Schwellwertgröße erreicht, die kleiner als der Durchbruchswert des Thyristors ist, woraufhin dieser durch einen scharfen Steuerstoß getriggert wird, bevor die Spannung einen zerstörerisch hohen Wert erreicht.

Zwar hat die vorstehend beschriebene Überspannungs-Schutzschaltung in der Praxis gut gearbeitet, es wurde jedoch gefunden, daß sie gewisse Charakteristiken besitzt, die den Bereich ihrer voraussichtlichen Applikationen auf unerwünschte Weise begrenzen. Die entsprechende Koordination zwischen dem Durchbruchswert der Schutzschaltung und demjenigen des Hauptthyristors kann gefährdet sein, wenn die Geschwindigkeit des Anstieges der Vorspannung in Durchlaßrichtung extrem hoch ist, beispielsweise 6000 Volt pro Mikrosekunde, oder wenn ein Durchlaßspannungsstoß einer bestehenden Sperrspannung großer Amplitude überlagert wird.

Demzufolge ist es eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, weitere Verbesserungen bei der überspannungs-Triggerschaltung der aus der US-PS 3 662 250 bekannten Art zu schaffen.

Weiterhin soll das Leistungsvermögen einer derartigen überspannungs -Triggerschaltung vergrößert werden, um so die Bedingungen zu erweitern, unter denen sie mit Sicherheit eingesetzt werden kann.

509835/0657

Diese Aufgaben werden durch eine Schaltungsanordnung gelöst, in der ein Hauptthyristor oder eine Gruppe paralleler Thyristoren mit einer Schutzschaltung parallel geschaltet ist, die Überspannungs-Abtastmittel in Reihe mit einer Energiespeicherungseinrichtung aufweist, und die Verbindungsstelle dazwischen ist mit der Steuereinrichtung des Hauptthyristors gekoppelt. Die Überspannungs-Abtastmittel umfassen eine Vielzahl von PNPN-HaIbleiterelementen in Reihe mit wenigstens einem PN-Halbleiterelement. Die Energiespeicherungseinrichtung wird durch einen Kondensator gebildet. Der Thyristor wird getriggert, wenn die PNPN-Elemente vom sperrenden Zustand in einen leitenden Zustand umschalten, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung über dem Thyristor auf eine vorbestimmte Schwellwertgröße anwächst. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zahlreiche Widerstände über die entsprechenden Elemente der Überspannungs-Abtastmittel geschaltet, um so ^de Sperrspannung auf diese Elemente zu verteilen, die über dem Hauptthyristor auftritt. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein Kondensator einem der PNPN-Elemente der Überspannungs-Abtastmittel zugeordnet, um so die Zunahme der vorstehend erläuterten Schwellwert größe der Vorspannung in Durchlaßrichtung mit zunehmenden Anstieggeschwindigkeiten zu begrenzen. Vorzugsweise ist zwischen der Schutzschaltung und der Steuereinrichtung des Hauptthyristors eine Trenndiode verwendet, und über diese Diode ist ein Widerstand geschaltet, um die Ansammlung von Ladung auf dem Kondensator zu verhindern, wenn der Hauptthyristor in Sperrichtung vorgespannt ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1 ist ein schematisches Schaltbild von einem steuerbaren elektrischen Halbleiterventil mit einer Reihenschaltung aus Hochleistungsthyristoren.

Figur 2 ist eine schematische Darstellung von einer der über-.

509835/0657

spannungs-Schutzschaltungen, die in Figur 1 in Blockform dargestellt sind.

Figur 2A ist eine schematische Darstellung einer Abwandlung eines Teiles der in Figur 2 gezeigten Schaltungsanordnung.

Figur 3 ist eine Kurvendarstellung der Spannungsdurchbruchscharakteristik von einer typischen bekannten Schutzschaltung.

Figur 4 ist eine Zeitdarstellung von gewissen Spannungen, die in der bekannten Schaltungsanordnung während eines bestimmten Vorspannungsstoßes bestehen.

In Figur 1 ist eine Reihenschaltung aus doppelten Hauptthyristoren H₁ bis 11 gezeigt, die zwischen Anschlüssen a und d angeordnet sind, um ein steuerbares Hochspannungs-Halbleiterventil zu bilden, das für eine Verwendung mit anderen identischen Ventilen in einem elektrischen Leistungswandler für ein Hochspannungs-Gleichstromleistungsversorgungssystem geeignet ist. Jeder der Hauptthyristoren des Ventils ist ein Hoehleistungs-Halbleiter mit relativ großen Abmessungen, wobei jede Halbleitervorrichtung mit Steueranschlüssen versehen ist, um den Thyristor zu triggerh, wenn er mit einem kompatiblen Steuersignal in Gegenwart einer Vorspannung in Durchlaßrichtung über den Hauptelektroden gespeist wird. Auch wenn die Steuereinrichtung andere bekannte Formen annehmen kann, ist die Steuereinrichtung, die symbolisch in Figur 1 zu Darstellungszwecken gezeigt ist, eine Steuerelektrode, die auf einen steuernden Stromimpuls geeigneter Polarität, Größe und Dauer anspricht. Ein derartiges Steuersignal wird dem Thyristor durch eine äußere Steuer-Treiberschaltung (nicht -gezeigt) periodisch zugeführt, die mit einem Satz Steueranschlüssen 12 verbunden 1st.

Die Nennspannung des dargestellten Ventils ist ein Vielfaches der Spannungsbelastbarkeit seiner einzelnen Thyristoren. Der Nennstrom hängt von dem maximalen Nenndurchlaßstrom der einzelnen

509835/0657

Thyristoren ab, und auf Wunsch können zusätzliche parallele Thyristoren verwendet werden. In der Praxis wird das Ventil noch andere Leistungskomponenten haben, wie sie in der US-PS 3 423 664 beschrieben sind. Um das 'Ventil einzuschalten, werden alle seine Hauptthyristoren gleichzeitig getriggert, und wenn das Ventil auf diese Weise gezündet ist, kann es frei einen Laststrom führen in einer Durchlaßrichtung, bis es anschließend durch die Lei-

tungsspannungskommutierung abgeschaltet wird. Zu verschiedenen Zeiten während seiner zyklischen leitenden oder nicht-leitenden Intervalle muß das in Figur 1 gezeigte Ventil großen Spitzenspannungen widerstehen, die das zugehörige Leistungssystem normalerweise aufdrückt. Zusätzlich kann ein Ventil in seinem ausgeschalteten Zustand abnormalen Spannungsstößen ausgesetzt sein aufgrund transienter Erscheinungen, wie Blitzschlägen oder Durchführungsüberschlägen. Um dazu beizutragen, daß eine Beschädigung des Ventils aufgrund von übermäßig hohen Rückwärts- oder Vorwärts -Sperrspannungen verhindert ist, ist ein geeigneter Spannungsstoßunterdrücker wie der überspannungsableiter 13 über die Ventilklemmen a und d geschaltet.

Aus Gründen, die in der US-PS 3 662 250 näher beschrieben sind, ist jede der Hauptthyristorebenen des Ventils mit einer überspannungs-Triggerschaltung 14 versehen. Die Einzelheiten des gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiels einer derartigen Schaltungsanordnung sind schematisch in Figur 2 gezeigt. Wie dort gezeigt ist, umfaßt die überspannungs-Triggersehaltuhg 14 Überspannungs-Abtastmitte1 I5, die mit Energiespeicherungsmittel l6 zwischen ersten und zweiten Anschlüssen 17 und 18 in Reihe geschaltet sind. Der erste Anschluß 17 ist mit der Anode des zugehörigen Hauptthyristors (beispielsweise Thyristor 11.-) verbunden, und der zweite Anschluß 18 steht mit der Kathode dieses Thyristors in Verbindung, wodurch die Reihenschaltung der Überspannungs-Abt astmitte 1 15 und die Energiespeichermittel l6 parallel zu dem Hauptthyristor angeordnet ist. Die Triggerschaltung weist ferner einen dritten Anschluß 19 auf, der über eine Trenndiode 20 und einen Widerstand 21 mit dem Verbindungspunkt 22

509835/06 5 7

ihrer zwei Teile 15 und 16 verbunden ist. Der dritte Anschluß ist mit der Steuerelektrode des zugehörigen Hauptthyristors durch einen Leiter 23 verbunden.

Die Energiespeichereinrichtung 16 der Triggerschaltung 14 enthält vorzugsweise einen Kondensator 24, der mit einer Induktivität bzw. einer Drossel 25 in Reihe geschaltet ist. Die Drossel 25 sollte einen relativ kleinen Induktivitätswert besitzen, der beispielsweise weniger als 10 Mikrohenrie betragen kann. Nur wo ein einzelner Hauptthyristor an jeder Ebene des Ventils verwendet wird, wie es in Figur 1 gezeigt ist, könnte diese Induktivität aus der Energiespeichereinrichtung weggelassen werden, wenn ein Kondensator 24 genügend der Kapazität verwendet werden würde.

Vorzugsweise enthält die überspannungs-Abtasteinrichtung 15 eine Reihenschaltung aus in einer Richtung leitenden Vorrichtungen

27 und 28 und einer Induktivität 29. Alle Vorrichtungen 27 und

28 sind so gepolt, daß sie Strom in der gleichen Richtung leiten wie der parallele Hauptthyristor. Die Vorrichtungen 27 (in Figur sind drei gezeigt, obwohl in der Praxis auch mehr oder weniger verwendet werden könnten) sind PNPN-Halbleiter-Schaltelemente

mit übereinstimmender Polarität in Reihe miteinander verbunden. Die Vorrichtungen 28 sind kleine PN-Halbleiterelemente, die sicherstellen, daß die überspannungs-Abtasteinrichtung 15 eine Rückwärts-Nennspannung hat, die diejenige des zugehörigen Hauptthyristors übersteigt.

Jedes PNPN-Element 27 kann einen Hilfsthyristor mit kleineren Nennspannungen und Nennströmen bilden und eine kleinere Größe besitzen als jeder der Hauptthyristoren des Ventils. Sein charakteristischer Überschlagsspannungswert ist ein vorbestimmter Bruchteil der Gesamt_spannung, die über der überspannungs-Abtast einrichtung 15 besteht, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung an dem zugehörigen Hauptthyristor einen vorbestimmten Schwellwert erreicht, und die vorbestimmten Bruchteile aller Hilfsthyristoren 27 sind auf entsprechende Weise ausgewählt,

509835/0657

25Q6021

so daß deren Summe gleich der Gesamtspannung ist.Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde dieses Ergebnis dadurch erhalten, daß drei Thyristoren der Type General Electric C122 in Reihe geschaltet wurden, die Jeweils einen Nennstrom mit einem Effektivwert von 8 Ampere und eine Abschaltspannung von 400 Volt besaßen. Derartige Vorrichtungen können nach einer Spannungsdurchbruchsart getriggert oder eingeschaltet werden, indem an ihre entsprechende Hauptelektroden eine Durchlaßspannung in der Nähe voni750 Volt angelegt wird. In diesem Beispiel ist die Spitzenabsehaltspannung, die normalerweise an dem Hauptthyristor angelegt wird, kleiner als 2000 Volt, und demzufolge bleibt jeder der Hilfsthyristoren 27 normalerweise in seinem einen großen Widerstand aufweisenden Sperrzustand. Wenn jedoch die Vorspannung in Durchlaßrichtung an dem Hauptthyristor auf eine Schwellgröße von etwa 2200 Volt (diese Größe ist kleiner als der Durchschlagswert des Hauptthyristors) ansteigt, dann schaltet jeder der Hilfsthyristoren abrupt in den einen kleinen Widerstand aufweisenden, in einer Richtung leitenden Zustand um. Bei einem so gearteten Betrieb leitet die überspannungs-Abtasteinrichtung 15 sofort einen Stromimpuls zwischen den Anschlüssen 17 und 19, und dieser Strom liefert ein Triggersignal (i ) für die Steuereinrichtung des zugehörigen Hauptthyristors. Infolgedessen wird der Hauptthyristor getriggert, bevor die Vorspannung in Durchlaßrichtung ihren kritischen Durchbruchswert erreicht. Wenn der Hauptthyristor einmal eingeschaltet ist, wird der Strom von der parallelen überspannungs-Abtasteinrichtung 15 abgeleitet, und die Hilfsthyristoren, die nicht mehr genügend Strom erhalten, schalten bald ab. Die Abschaltung der Hilfsthyristoren wird durch die schwlngungsdämpfende Wirkung der Energiespeichereinrich^tung 16 unterstützt. :

Solange die überspannunga-Abtasteinrichtung 15 immer von ihrem Sperrzustand in ihren stromleitenden Zustand bei einer Größe der Vorspannung in Durchlaßrichtung umschaltet, die kleiner als der Durchbruchswert des Hauptthyristors ist, mit dem sie verbunden ist, ist der Hauptthyristor gegenüber nachteiligen Konsequenzen der Einschaltung nach der Spannungsdurchbruchsart richtig,ge-"

509835/065?

geschützt. Die Hilf st thyristoren 27 werden durch das Einschalten in dieser Art nicht beschädigt. Dies liegt daran, daß sie einzeln kleine, eine niedrige Spannung aufweisende Vorrichtung sind und daß sie nur für einen relativ kurzen Zeitraum leiten müssen. Die Übergangskapazität derartiger Vorrichtungen ist relativ klein, wodurch ein mögliches Problem einer vorzeitigen weichen Triggerung des Hauptthyristors· aufgrund des Kondensatorladestromes zwischen den Anschlüssen 17 und 22 vermieden ist, wenn sich die Vorspannung in Durchlaßrichtung ihrem Schwellwert nähert. Das dv/dt-Verhalten der Hilfsthyristoren ist wünschenswert groß, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, und die Immunität gegenüber einer dv/dt-Zündung kann in der Tat dadurch sichergestellt werden, daß ihre Steuerelektroden direkt mit ihren entsprechenden Kathoden verbunden werden, wie es in Figur 2 gezeigt ist.

Der Spannungsdurchbruchswert eines Thyristors hat die Neigung, bei relativ hohen Anstiegsgeschwindigkeiten der Vorspannung in Durchlaßrichtung anzusteigen. Diesliegt an der natürlichen Zeitverzögerung in der Lawinenwirkung, die stattfindet, wenn der Durchbruchswert erreicht wird. Die Verzögerung ist so kurz (typischerweise 50 bis 100 Nanosekunden), daß ihre Wirkung bei relativ kleinen Anstiegsgeschwindigkeiten der Vorspannung in Durchlaßrichtung (beispielsweise weniger als 500 Volt/Mikrosekunde) vernachlässigbar ist. Bei höheren Anstiegs geschwindigkeiten der Durchlaßspannung nimmt der Spannungsdurchbruchswert als eine Punktion der Anstiegsgeschwindigkeit merklich zu. Dies ist in Figur 3 gezeigt, wo die Kurve 30 die Schwellwertgröße der Vorspannung in Durchlaßrichtung darstellt, der bewirkt, daß die drei in Figur 2 dargestellten Hilfsthyristoren in ihren stromleitenden Zustand umschalten. Der Schwellwert ist mit 2,2 kV bei kleinen Anstiegsgeschwindigkeiten der Vorspannung angenommen.

die

Unter der Annahme, daß/bei der Lawinenwirkung auftretende Verzögerung 50 Nanosekunden beträgt, nimmt die Schwellwertgröße um 50 Volt bei 1 kV/yu sek um 100 Volt bei 2 kV ^sek und um 300 Volt bei 6 kV u. sek, zu.Es wurde gefunden, daß bei relativ großem

509835/0657

- li -

dv/dt (beispielsweise mehr als 3 kV/us) die Schwellwert größe, bei der die Überschlags-Abtasteinrichtung überschlägt, auf einen Wert zunehmen kann, der größer als die kritische Durchbruchsspannung des zugehörigen Hauptthyristors (dargestellt in Figur 3 durch die Kurve 31) ist. Falls dies auftreten würde, wäre der Hauptthyristor nicht richtig geschützt und deshalb sollte die Überspannungs-Schutzschaltung nicht für ein System verwendet werden, wo Spannungsstoße in Durchlaßrichtung mit Geschwindigkeiten ansteigen können, die größer sind als die Geschwindigkeit, bei der die Überkreuzung auftreten kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Bereich von dv/dt, für den die überspannungs-Schutzschaltung sicher angewendet werden kann, dadurch erweitert, daß zu der überspannungs-Abtasteinrichtung 15 geeignete Mittel hinzugefügt werden, um den Anstieg der Schwellwertgröße der Vorspannung in Durchlaßrichtung mit zunehmenden Anstiegsgeschwindigkeiten zu begrenzen. Gemäß Figur 2 umfaßt die zusätzliche Anordnung einen Kondensator 35, der einem der PNPN-Elemente 27 parallel geschaltet ist. Der Kondensator 35, der eine relativ kleine Kapazität (typischerweise in der Größenordnung von 10 bis 100 Pikofarad) besitzt, ist so ausgewählt, daß sein Blindwiderstand auf geelgente Weise abnimmt mit zunehmenden Anstiegsgeschwindigkeiten der Vorspannung in Durchlaßrichtung, wodurch ein wachsender Anteil der Vorspannung über die anderen zwei PNPN-Elemente 27 gelegt wird, bis die letzteren Elemente bei einer kleineren Vorspannung durchschlagen als diejenige, die einen Durchschlag bewirken würde, wenn der Kondensator 35 weggelassen wäre. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, einen zusätzlichen Kondensator zu einem zweiten Element PNPN-Elemente parallel zu schalten oder Abstufungskondensatoren mit ungleichen Kapazitätswerten über alle drei Elemente .27 zu schalten.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel zum Begrenzen der Zunahme der Schwellwertgröße der Vorspannung mit.zunehmenden Anstiegsgeschwindigkeiten der Vorspannung ist in Figur 2A dargestellt,

509835/0657

wo ein Kondensator 35A nicht einem PNPN-Element 27 parallel geschaltet ist, sondern zwischen die Anode und die Steuerelektrode. Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit der Durchlaßspannung zunimmt, schaltet das Element 27 in seinen stromleitenden Zustand bei zunehmend kleineren Werten der Anodenspannung aufgrund des Zusammenwirkens des durch den Kondensator 35A fließenden Steuerstromes und der dv/dt-Wirkung.

In den vorstehenden zwei Absätzen wurde erläutert, wie der zusätzliche Kondensator 35 (oder 35A) die Arbeitsweise der überspannungs-Abtasteinrichtung 15 beeinflußt, falls die angelegte Spannung mit einer relativ konstanten hohen Geschwindigkeit ansteigt; bis der Überschlagspunkt erreicht ist. Die gleichen Mittel bewirken eine wünschenswerte Änderung der Schwellwertgröße bei Durchlaßspannungsstößen, die mit steilen Fronten (über 500 Volt/ Mikrosekunde) beginnen, sich dann aber abflachen unterhalb des stationären Durchschlagswertes des Hauptthyristors. Ein derartiger Stoß hat die Neigung, eine verzögerte Einschaltung des Hauptthyristors aufgrund des dv/dt-Effektes herbeizuführen, aber die Schutzschaltung gemäß der Erfindung spricht früher an und triggert den Thyristor, bevor er durch Einschalten in der dv/dt-Art beschädigt werden kann.

einigen Applikationen der Erfindung kann ein Stoß der Durchlaßspannung gelegentlich einer bestehenden großen Vorspannung in Sperrlchtung (d. h. größer als der vorstehend angegebene Schwellwerk) überlagert sein. Wenn eine überspannungs-Schutzschaltung gemäß der in der bereits erwähnten US-PS 3 662 250 beschriebenen Art in Sperrichtung vorgespannt ist, liegt praktisch die gesamte Spannung über den PN-Elementen 28, deren Sperrwiderstand viel größer ist als derjenige der PNPN-Elemente 27. Es wurde gefunden, daß die PNPN-Elemente bei einem Wert der Vorspannung in Durchlaßrichtung durchschlagen können, der kleiner als die gewünschte Schwellwertgröße ist, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung vom umgekehrt vorgespannten Zustand ansteigt. Um diese Erscheinung zu verstehen, sollte man sich klar machen,

509835/0657

daß der in Sperr!chtung vorgespannte PN-Übergang in jedem der Halb leite relemente 27 und 28 eine gewisse Kapazität C besitzt, und infolgedessen fließt bei plötzlichen Änderungen in der aufgedrückten Spannung ein Ladestrom i durch alle übergänge dieser in Reihe geschalteten Elemente. Da die innere Kapazität von jedem der PNPN-Elemente 27 etwa gleich derjenigen eines PN-EIementes 28 1st, kann angenommen werden, daß sich die Spannung über jedem Element mit im wesentlichen gleicher Geschwindigkeit (dv/dt=i/C) ändern muß. In Figur 4 stellt die Kurve 32 die Vorspannung am Hauptthyristor dar, wenn sie in einem positiven oder Vorwärtssinn von einem negativen oder Sperrwert von etwa 2600 Volt rasch ansteigt, und die entstehende Spannung über den PNPN-Elementen ist durch eine gestrichelte Linie 33 und die entstehenden Spannung über den PN-Elementen ist durch eine weitere gestrichelte Linie 3^ dargestellt. Beide gestrichelten Linien haben nahezu die gleichen Steigungen. Wie dort gezeigt ist, kann die Spannung 33 über den PNPN-Elementen den Durchbruchswert (beispielsweise 2200 Volt) erreichen, während die Größe der Vorspannung in Durchlaßrichtung noch relativ klein (beispielsweise in der Nähe 17OO) ist und bevor die letztere Spannung die kritische Schwellwertgröße erreicht hat, bei der die Schutzspannung arbeiten soll.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese falsche Arbeitsweise der Überspannungs-Schutz schaltung dadurch verhindert,, daß zu der überspannungs-Abtasteinrichtung 15 geeignete Mittel hinzugefügt werden, um zwischen den PNPN- und den PN-Elementen jede Sperrspannung aufzuteilen, die über dem Hauptthyristor auftritt. Gemäß Figur 2 umfaßt die zusätzliche Anordnung zahlreiche Widerstände 36 und 37, die den entsprechenden Elementen 27 und 28 der überspannungs-Abtasteinrichtung parallel geschaltet sind. Jedem PNPN-Element 27 ist ein getrennter Widerstand 36 parallel geschaltet und den drei PN-Elementen 28 ist ein gemeinsamer Widerstand 37 parallel geschaltet. Diese Widerstände sind so gewählt, daß derjenige Teil der Vorspannung in Sperrichtung, der auf die PN-Elemente 28 verteilt ist, kleiner ist als ein

509835/0657

-IH-

kritischer Bruchteil "χ" der Gesamtspannung, wobei dieser Bruch teil aus der folgenden Gleichung berechnet werden kann:

₍v_Rev ♦ T₈₀)(I - !^_)

27

_x

^VRev

Darin ist V_R die maximale Größe der Sperrspannung, die den Hauptelektroden 17, 18 des geschützten'Thyristors aufgedrückt werden kann, V_ß0 der Wert der Durchlaßspannung, die einen Durchbruch der PNPN-Elemente der überspannungs-Abtasteinrichtung 15 bewirkt, C 27 ist der resultierende Wert der Kapazität der PNPN-Elemente 27 und CpQ.ist der resultierende Wert der Kapazität der PN-Elemente 28. Wenn beispielsweise V_ß0= 2 kV und V_Rev = 3 kV ist und wenn Cpo gleich Cp₇ angenommen wird, ist χ = 5 . Mit anderen Worten muß für dieses Beispiel die Sperrspannung über den PN-Elementen kleiner als 83,3 % der Gesamtspannung und die Sperrspannung über den PNPN-Elementen muß mehr als 16,7 % der Gesamtspannung betragen. Vorzugsweise sind in der Praxis die Widerstandswerte der Widerstände 36 und 37 so gewählt, daß jede Vorspannung in Sperrrichtung im wesentlichen gleich zwischen den PNPN-Elementen einerseits und den PN-Elementen andererseits aufgeteilt wird. Dieses Verhältnis liefert eine weiträumige Sicherheitsgrenze für den Fall eines SpannungsStoßes mit steiler Front, wenn der den PNPN-Elementen parallel geschaltete Widerstand durch die Wirkung des Kondensators 35 vermindert wird, und trotzdem erhält sie einen ausreichenden Widerstand parallel zu den PN-Elementen, um eine ungünstige Streuung (Verlust) durch die Überspannungs-Abtasteinrichtung während zyklischer Intervalle der normalen Sperrvorspannung zu vermeiden. Da wenigstens 50 % Sperrspannung auf die PNPN-Elemente 27 verteilt wird, ist die Spannung über diesen Elementen in der Tat gleich der Vorspannung über dem Hauptthyristor, wenn letztere auf einen positiven Wert ansteigt, aufgrund eines Stoßes in der Vorwärtsrichtung, und das in dem vorhergehenden Absatz beschriebene Problem 1st vermieden.

509835/0657

Gemäß einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde etwa ein Megohm für den Widerstand 37 und etwa der gleiche ohm'sche Widerstand für die drei Widerstände 36 verwendet. Dieser Widerstandswert kann unter den einzelnen getrennten Widerständen 36 gemäß den Vorwärts- und Durchbruchspanriungen der entsprechenden PN-Elemente 27 aufgeteilt werden. Alternativ können die Überspannungsteilerwiderstände 36 verwendet werden, um eine richtige Arbeitsweise der Triggerschaltung 14 sicherzustellen» falls die Summe der Durchbruchswerte der einzelnen Elemente 27 die spezifizierte Schwellwertgröße der Vorspannung in Durchlaßrichtung überschreitet, die diesem aufgedrückt ist. Zu diesem Zweck sollten die relativen ohm^rschen Werte der Widerstände 36 in geeigneter Weise abgeändert werden, so daß die Spannung über wenigstens einem der PNPN-Elemente den Durchbruchswert des entsprechenden Elementes erreicht, sobald die Gesamtspannung über der Überspannungs-Abt ast einrichtung 15 in der Vorwärtsrichtung auf die spezifizierte Größe ansteigt. Zu Darstellungszwecken sei angenommen, daß Vg₀ = 2100 Volt ist, daß zwei der PNPN-Elemente Durchbruchspannungswerte von jeweils 800 Volt haben und daß das dritte PNPN-Element einen Durchbruchswert von 700 Volt hat. In diesem Fall würde ein Widerstand von 330 Kiloohm für jeden der drei Widerstände 36 gewählt, so daß die Spannung an dem dritten Element immer dann seinen Durchschlagswert erreicht, wenn die gesarate Vorspannung in Durchlaßrichtung 2100 Volt erreicht. Sobald die Spannung über dem dritten Element ihren Durchbruchswert erreicht, beginnt in diesem Element eine Lawinenwirkung. Die Lawinenwirkung ist charakterisiert durch einen scharfen Anstieg des Reststromes (leakage current), und wenn dieser Strom auf einen gewissen Einschaltwert ansteigt, schlägt das dritte Element über oder schaltet in einen in Durchlaßrichtung leitenden Zustand mit geringem Widerstand um. Solange der Eins ehalt wert des Reststromes vernachlädsigbar ist im Vergleich zum Strom in den Spannungsteilerwiderständen 36 (etwa 2 Milliampere); erfolgt der Lawinendurchbruch des dritten Elementes im wesentlichen augenblicklich. Wenn einmal eines der drei PNPN-Elemente durchschlägt müssen die anderen zwei folgen und die Überspannungs-Abtastein-

50 9835/0657

richtung schaltet abrupt von einem sperrenden in den leitenden Zustand um. Somit können die Widerstünde 36 dazu verweildet werden zu vermeiden, daß PNPN-Elemente mit Durchbruchswerten ausgewählt werden müssen₃ deren Summe genau gleich der spezifizierten Schwellwertgröße der Oberspannungs-Triggerschaltung ist.

Wie aus Figur 2 zu ersehen ist, ist auch über die Trenndiode 20 der bekannten Schaltungsanordnung ein Widerstand 38 geschaltet. Der Zweck dieses Widerstandes besteht darin, einen Nebenschlußpfad zu bilden, der den Kondensator 2k daran hindert₉ eine merkliche Ladung zu sammeln ₃ falls über dem Hauptthyristor eine hohe Vorspannung in Sperrichtung anliegt. Dies begrenzt die Spannung an dem Knotenpunkt 22 auf einen nur kleinen prozentualen Anteil (beispielsweise i %) der gesamten Vorspannung in Sperrichtung.

Auch wenn vorstehend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben wurde_s so sind doch noch verschiedene Abwandlungen möglich. Beispielsweise könnten Abstufungskondenaatoren mit gewählten kleinen Kapazitäten (in der Größenordnung von ICX) Pikofarad) den entsprechenden PNPN-Elementen 2? parallel geschaltet werden (entweder zusätzlich oder anstelle der Spannungsteilerwiderstände 36)9 um die gewünschte Verteilung der Spannung unter den in Reihe geschalteten Elementen 2? im Falle des Auftretens eines Überspannungsstoßes mit steiler Front zu erzwingen, um dadurch Jeden nachteiligen Einfluß auszuschalten, den die inneren Kapazitäten dieser Elemente auf eine Spannungsverteilung haben könnten.

S09835/0657

Claims

- 17 Ansprüche

/l. JS ehalt ungs anordnung zum Triggern eines Hochleistungs-Thyristors mit einer Überspannungs-Abtasteinrichtung, die mit einem Energiespeicher zwischen den Hauptanschlüssen des Thyristors und Mitteln zum Koppeln des Knotenpunktes der Abtasteinrichtung und des Energiespeichers mit der Steuereinrichtung des Thyristors in Reihe geschaltet ist, und der Thyristor triggerbar ist, wenn die Abtasteinrichtung von einem sperrenden Zustand in einen stromleitenden Zustand umschaltet bei einer Vorspannung in Durchlaßrichtung an seinen Hauptelektroden, die auf einen vorbestimmten Schwellwert ansteigt, wobei die Abtasteinrichtung wenigstens ein PNPN-HaIbleiterelement aufweist₅ das mit wenigstens einem PN-Halbleiterelement in Reihe geschaltet und so gepolt ist, daß es Strom in der gleichen Richtung wie der Thyristor leitet, dadurch g e k en η zeichnet , daß die Überspannungs-Abtasteinrichtung (15) Mittel (35; 35Aj 36, 37) zum Ändern des Schwellwertes der Vorspannung in Durchlaßrichtung als Punktion ihrer Anstiegsgeschwindigkeit aufweist„
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zahlreiche Widerstände (36, 37) den entsprechenden Elementen der überspannungs-Abtasteinrichtung (15) parallel geschaltet sind, so daß eine über den Hauptelektroden auftretende Sperrspannung auf die Elemente aufteilbar ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c; h gekennzeichnet, daß die überspannungs-Abtasteinrichtung (15) zahlreiche PNPN-Elemente (27) und zahlreiche PN-Elemente (28) aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Widerstandswerte

50 983 5/065 7

der Widerstände (36, 37) derart gewählt sind, daß die Sperrspannung über den PN-Elementen (28) im wesentlichen in einem Bereich zwischen 20 und 80 % der gesamten Sperrspannung über den Hauptelektroden liegt.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß den PNPN-HaIb!eiterelementen (27) zahlreiche Widerstände (36) parallel geschaltet sind, deren relative ohm'sche Werte derart gewählt sind, daß die Spannung über wenigstens einem der Elemente die Durchbruchsspannung des entsprechenden Elementes immer dann erreicht, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung den vorbestimmten Schwellwert erreicht.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Summe der vorgewählten Durchbruchsspannungswerte der einzelnen PNPN-Elemente (2?) den Schwellwert überschreitet.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet , daß die überspannungs-Abtasteinr^chtung (15) wenigstens ein PN-Halbleiterelement (28), das mit den PNPN-Elementen (27) in Reihe geschaltet und gleich gepolt ist, und einen Widerstand (37) aufweist, der dem PN-Element (28) parallel geschaltet ist, so daß mit den zahlreichen Widerständen (36) ein Spannungsteiler für eine Sperrspannung gebildet ist, die der Abtasteinrichtung (15) aufgedrückt ist.
8i Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die überspann ungs-Abtasteinrichtung Mittel zum Begrenzen des Anstieges der Schwellwertgröße der Vorspannung in Durchlaßrichtung mit zunehmenden Anstiegsgeschwindigkeiten aufweist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennze i cn net, daß die Überspannungs-Abtast-

50983570657

einrichtung (15) zahlreiche PNPN-Halbleiterelemente (27) aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet und derart gepolt sind, daß sie Strom in der gleichen Richtung wie der Thyristor (H₁-».11 ) leiten, und die Begrenzungsmittel einen Kondensator (35) umfassen, der einem der Elemente parallel geschaltet ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Überspannungs-Äötasteinrichtung (15) zahlreiche Hilfsthyristoren {27) aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet und derart gepolt sind, daß sie Strom in der gleichen Richtung leiten wie der Hochleistungs-Thyristor(IL... 11 ) und die so angeordnet sind, daß sie nach einer Spannungsdurehbruehsart einschalten, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung den Schwellwert erreicht und die Begrenzungsmittel einen Kondensator C35A) umfassen, der zwischen der Anode und der Steuerelektrode von einem der Hilfsthyristoren (27) angeordnet ist.
11. Sciialtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-10, da 'lurch gekennzeichnet, daß di3 Kopplun&onuutel exne Trenndiode (20), die in Übereinstimmung mit den Halbleiterelementen (27, 28) gepolt ist, und einen Widerstand (38) umfassen, der der Trenndiode (20) parallel geschaltet ist.

509835/0657

Leerseite