DE2758227A1

DE2758227A1 - Schutzschaltung fuer einen thyristor

Info

Publication number: DE2758227A1
Application number: DE19772758227
Authority: DE
Inventors: Nagataka Seki; Yukio Watanabe
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1976-12-25
Filing date: 1977-12-27
Publication date: 1978-06-29
Also published as: GB1587620A; DE2758227B2; JPS5380542A; JPS5855749B2; US4275430A; DE2758227C3

Description

TOKYO SHIBATTRA ELECTRIC CO., LTD. MBNbMBe37

72 HoriVawa-cho, MOOO München 80

Saiwai—Vu. TeL 089^982085-87

^{011 Γ} ' -Mac0629802 Mdd

Kawasaki—shi

Japan

27.DSZÖ77

Schutzschaltung für einen Thyristor

Die Erfindung betrifft eine Spannungsänderungs—Schutzschaltung für einen Thyristor, insbesondere für einen Auftastimpuls-Abschaltthyristor (gate turn-off thyristor), nachfolgend als GTO-Ttoyristor bezeichnet·

GTO-Thyristoren ext geringer Leistung sind auf de» Markt. Es ist auch möglich geworden, GTO-Tbyristoren großer Leistung, mit Stromstärken von 2OO A bis 600 A, herzustellen. GTO-Thyristoren werden als Wandler wie beispielsweise Inverter eingesetzt« Wenn ein GTO—Thyristör mit geringer Leistung beispielsweise in einem Inverter eingesetzt wird, **o ergeben sich keine schwierigen Probleme· Schwierige Probleme ergeben sich jedoch dann, wenn ein GTO-Thyristor hoher Leistung in einem Inverter benutzt werden soll. Eines dieser Probleme ist der Schutz der Spannungsänderung dv/dt.

Dv/dt ist eine abrupte positive Spannungsänderung zwischen der Anode und der Katode eines GTO—Thyristors. Wenn dv/dt einen bestimmten, für den GTO—Thyristor spezifischen Grenzwert überschreitet, so wird der GTO—Thyristor unweigerlich ae7,iindet. Dieser Grenzwert wird dv/dt—Kennung genannt. Ein GTO-Thyristor hat eine niedrigere dv/dt—Kennung als ein normaler Thyristor. Daher müssen Maßnahmen ergriffen werden, um dv/dt eines GTO—Thyristors zu schützen.

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Nachfolgend soll erläutert werden, wie dieser Schutz von dv/dt bislang versucht wurde, beispielsweise in einem Inverter aus vier GTO-Thyristoren. Zwischen dem ersten und dem zweiten GTO-Thyristor ist eine erste Reaktanzspule eingeschaltet, und zwischen den dritten und vierten GTO-Thyristor eine zweite Reaktanzspule. Eine Last ist zwischen den neutralen Anschlüssen der beiden Reaktanzspulen eingeschaltet. Der erste und zweite GTO-Thyristor sind in Reihe geschaltet, ebenso wie der dritte und vierte Thyristor untereinander. Zwischen diesen Reihenschaltungen ist eine Gleichstromquelle angeschlossen. Die vier GTO-Thyristoren sind über die beiden Reaktanzspulen miteinander in Brücke geschaltet. An jeden GTO-Thyristor ist ein Dämpfkreis angeschlossen.

In einem solchen Inverter bilden die Dämpfungskreise und Reaktanzspulen eine dv/dt-Schutzschaltung. Die Reaktanzspulen wirken genauso wie ein Rückstromkreis, der bei einem üblichen Thyristor erforderlich ist. Als Folge hiervon kann die Fähigkeit jedes GTO-Thyristors zur Selbst-Funkenlöschung nicht voll genutzt werden. Wenn der erste GTO-Thyristor gezündet ist und abgeschaltet wird, so hört weiterhin sofort der Stromfluß in der ersten Reaktanzspule auf, vodurch eine hohe Spannung an der ersten Reaktanzspule erzeugt wird. Die hohe Spannung wirkt zwischen der Anode und der Katode des ersten GTO-Thyristors, so daß der erste GTO-Thyristor unbeabsichtigt wieder gezündet wird.

Um eine solche unbeabsichtigte Zündung zu vermeiden, sollte die Kapazität eines Kondensators in dem Dämpfkreis am ersten GTO-Thyristor so groß gehalten werden oder sollte der zweite GTO-Thyristor vor dem Abschalten des ersten GTO— Thyristors gezündet werden, so daß in einem ersten Spulenabschnitt der ersten Reaktanzspule zwischen dem ersten GTO-Thyristor und dem neutralen Anschluß der ersten Reak-

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tanzspule fließender Strom in einen zweiten Spulenabschnitt der ersten Reaktanzspule zwischen dem zweiten GTO-Thyristor und dem neutralen Anschluß der ersten Reaktanzspule fließt. Diese Methode beeinträchtigt jedoch unweigerlich die elektrischen Eigenschaften der GTO-Thyristoren; die GTO-Thyristoren können nicht in vollem Umfange die gewünschte schnelle AIIF-ZU-Steuerung bieten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine dv/dt-Schutzschaltung zu schaffen, welche dv/dt eines GTO-Thyristors unterdrückt, ohne aber die elektrischen Eigenschaften des GTO-Thyristors zu beeinträchtigen.

Eine erfindungsgemäße dv/dt-Schutzschaltung weist zur Lösung dieser Aufgabe eine sättigbare Reaktanzspule auf, die an einen GTO-Thyristor angeschlossen ist, eine Auftastimpulsquelle, die zwischen dem Gate und der Anode des GTO-Thy*- ristors durch die sättigbare Reaktanzspule eingeschaltet ist, um ein Absehaltsignal dem Gate des GTO-Thyristors und der sättigbaren Reaktanzspule als Rückstrom zur Rückschaltung zuzuführen, und weist schließlich einen zwischen der Anode und der Katode des GTO-Thyristors eingeschalteten Dämpfkreis auf.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung, insbesondere in Verbindung mit den zusätzlichen Ansprüchen. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen dv/dt-Schutzschaltung,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Auftastimpulsquelle für Abschal tsignale,

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Fig. 3 ein Schaltbild einer Anderen nusführung:jform der fcrtincunj, r-ri <ipv ein RingK(;rn an der .Catodensei — te eines GTO-Tnyristors angeordnet ist,

Fig. 4 eine aer Schutzschaltung gemäß Fig. 3 im wesentlichen entsprechende Schaltung und

Fig. 5 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Ringkern an der Anodenseite eines GTO-Thyristors angeordnet ist.

In der Schaltung gemäß Fig. 1 ist ein GTO-Thyristor 11 mit seiner Katode über eine sättigbare Reaktanzspule 1P an einen Lastanschluß 13 angeschlossen. Die Anode des GTO-Thyristors ist beispielsweise mit einer Gleichstromquelle verbunden. Zwischen dem Gate und der Katode des GTO-Thyristors 11 ist ein Widerstand 15 eingeschaltet. Weiterhin ist zwischen der Anode und der Katode des GTO-Thyristors 11 ein Dämpfkreis 16 eingeschaltet. Der Dämpfkreis 16 ist durch einen Kondensator 16a, einen Widerstand 16b, der mit dem Kondensator 16a in Reihe liegt, und durch eine Diode 16c gebildet, die parallel zum Widerstand 16b geschaltet ist. Eine Auftastimpulsquelle 17 ist zwischen dem Gate des GTO—Thyristors 11 und der Leitung zwischen der sättigbaren Reaktanzspule 12 und dem Lastanschluß 13 eingeschaltet, um so dem Gate des GTO-Thyristors 11 ein Abschaltsignal zuzuführen. Zwischen dem Gate und der Katode des GTO-Thyristors 11 ist eine weitere Auftastimpulsquelle 18 eingeschaltet, die dem Gate des GTO-Thyristors 11 ein entsprechendes Auslösesignal zuführen kann.

Die Abschalt-Impulsquelle 17 ist in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise aufgebaut. Eine Gleichstromquelle 17a ist in Reihe geschaltet mit einem Impulsübertrager 17b, einem Widerstand 17c und einem npn-Transistor 17d. Ein Kondensator 17e ist parallel zum Widerstand 17c geschaltet,

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um den Stromanstieg in der Reihenschaltung zu verbessern. Der negative Anschluß der Sekundärwindung des Impulsübertragers 17 ist an die Katode eines Thyristors 17f angeschlossen. Ein veiterer Widerstand 17g ist zwischen das Gate des Thyristors 17f und den positiven Anschluß der Sekundärwindung des Impulsübertragers 17b angeschlossen. Ein Anschluß 17h ist von der Leitung zwischen dem Widerstand 17g und dem positiven Anschluß der Sekundärwindung des Impulsiibertragers 17b abgezweigt und in der aus Fig. ersichtlichen Weise mit dem Gate des GTO-Thyristors 11 verbunden. Weiterhin ist ein Anschluß 17i an die Anode des Thyristors I7f und an die Leitung zwischen der sättigbaren Reaktanzspule 12 und dem Lastanschluß 13 in Fig. 1 eingeschaltet.

Bei einer derartigen, in Fig. 2 veranschaulichten Abschaltimpulsquelle 17 wird der npn-Transistor 17d angeschaltet, wenn ein Steuersignal der Basis des Transistors 17d zugeführt wird. Dann wird eine Spannung in der Sekundärwindung des Impulsübertragers 17b in der Richtung erzeugt, die in Fig. 2 durch einen Punkt angegeben ist. Auf diese Weise wird der Thyristor 17f angeschaltet oder ausgelöst und so die Spannung zwischen den Anschlüssen 17h und 17i erzeugt. In diesem Falle wird der Anschluß 17h negativ und der Anschluß 17i positiv. Der Thyristor I7f vermeidet einen Kurzschluß der Auslöse—ImpulsquelIe 18 durch die Sekundärwindung des Impulsübertragers 17b.

Die Aus1öse-ImpulsquelIe 18 entspricht im Aufbau im wesentlichen einer Ausiöse-ImpulsquelIe für einen üblichen Thyristor, weshalb nicht näher hierauf eingegangen werden muß.

Wenn der GTO—Thyristor 11 durch ein Abschaltsignal aus der Impulsquelle 17 nach Zündung abgeschaltet wird, tritt ein positives dv/dt zwischen dem Lastanschluß 13 und der Gleich-

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spannungsquelle 14 auf. Das positive dv/dt ist proportional zu i/jLC, wobei L die Induktanz der Drosselspule und C die Kapazität des Kondensators 16a bedeuten. Um dv/dt zu vermindern, reicht es daher aus, eine Drosselspule mit einer hohen Induktanz oder Induktivität L zu verwenden. Die Reaktanzspule 12 ist sättigbar und wird während des normalen Betriebs beispielsweise eines Inverters mit dem GTO-Thyristor 11 gesättigt, selbst wenn sie hohe Induktivität aufweist. Die sättigbare Reaktanzspule 12 hat somit leinen Einfluß auf die normalen Betriebseigenschaften der Vorrichtung. Da die Reaktanzspule 12 eine hohe Induktivität hat, wird darüberhinaus, wenn die Spule nicht gesättigt oder ein Stromschalter geschlossen oder geöffnet wird, das positive dv/dt am GTO-Thyristor 11 vermindert.

In der Thyristortechnik ist es bekannt, eine sättigbare Reaktanzspule derart in Reihe mit einem Thyristor zu schalten. Jedoch kann eine sättigbare Reaktanzspule gegebenenfalls nicht zurückgestellt oder nicht-sättigbar gemacht werden, da ein GTO-Thyristor nur einen kleinen Erholungs-Rückstrom (reverse recovery current) aufweist. Dies könnte in einer Schaltung gemäß Fig. 1 nicht auftreten. Da die Drosselspule 12 sicher zurückgestellt wird, weil die sättigbare Drosselspule 1 2 an die Katode des GTO-Thyristors 11 angeschlossen ist und ein Abschaltstrom für das Gate die Drosselspule 12 in Gegenrichtung durchfließt.

Wenn das Abschaltsignal aus der Abschalt-Impulsquelle nicht scharf ansteigt, so könnte der GTO-Thyristor gegebenenfalls nicht abgeschaltet werden. Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 ist die sättigbare Reaktanzspule 12 gesättigt worden, wenn der GTO-Thyristor 12 abgeschaltet werden soll. Selbst dann, wenn der Stromfluß in der sättigbaren Reaktanzstufe 12 wechselt, bleibt somit die Induktivität L der Reaktanzspule 12 im wesentlichen konstant. Daher steigt

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das Abschaltsignal für das Gate scharf an und wird der GTO-Thyristor 12 beim Anlegen eines Abschaltsignales unfehlbar abgeschaltet.

Die sättigbare Reaktanzspxile 12 ist durch einen Kern und eine Spule in dem Stromkreis gemäß Fig. 1 gebildet. Anstelle hiervon könnte sie auch durch einen Ringkern 19 gebildet werden, wie er in Fig. 3 veranschaulicht ist. In diesem Falle erstrecken sich zwei Leitungen 20 und durch den Ringkern 19. Die Leitung oder der Leitungsdraht ist zwischen die Katode des GTO-Thyristors 11 und den Lastanschluß 13 eingeschaltet, während der Leitungsdraht 21 zwischen der Katode des GTO-Thyristors 11 und der Auftastimpulsquelle 17 für das Absehaltsignal eingeschaltet ist. Ein entsprechender Schaltkreis für eine sättigbare Reaktanzspule 22 ist in Fig. 4 veranschaulicht. Weiterhin ist eine Diode 15a zwischen das Gate und die Katode des GTO-Thyristors 11 eingeschaltet. Die in Fig. 3 dargestellte dv/dt-Schutzschaltung arbeitet im Ergebnis ähnlich wie diejenige gemäß Fig. 1.

In der Schaltung gemäß Fig. 3 ist die sättigbare Reaktanzspule 22 an die Katode des GTO-Thyristors 11 angeschlossen. Statt dessen kann auch ein Anschluß an die Anode des GTO-Thyristors 11 erfolgen, wie dies in Fig. 5 veranschaulicht ist. In diesem Falle erstrecken sich ebenfalls zwei Leitungen 23 und 24 durch den Ringkern 18. Die Leitung 23 liegt zwischen der Anode des GTO-Thyristors 11 und der Gleichstromquelle 14, während die Leitung 24 zwischen dem Gate des GTO-Thyristors 11 und der Abschalt-Impulsquelle liegt und eine Diode 25 aufweist. Auch das Arbeitsergebnis der dv/dt-Schutzschaltung gemäß Fig. 5 entspricht im wesentlichen derjenigen gemäß Fig. 1.

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Wenn der GTO-Thyristor abgeschaltet wird, so wird im allgemeinen eine übermäßige Gegenspannung zwischen dem Gate und der Katode des GTO-Thyristors angelegt. Um eine solche übermäßige Gegenspannung zu vermeiden, sollte zwischen die Anode und die Katode des GTO-Thyristors in Reihenschaltung eine Diode und eine Zenerdiode eingeschaltet werden· Im erfindungsgemäßen Zusammenhang muß eine Zenerdiode nicht eingesetzt werden oder kann eine Zenerdiode von geringer Kapazität völlig ausreichen, um den GTO-Thyristor gegen eine Überspannung zwischen Gate und Katode zu sichern. Dies liegt daran, daß eine übermäßige Gegenspannung lediglich an der sättigbaren Reaktanzspule 12 angelegt wird.

Wenn ein GTO-Thyristor fehlerhaft nicht abschaltet, so kann ein Leistungsverlust auftreten und den GTO-Thyristor durchschlagen. Dies kann durch die Erfindung vermieden werden. Da die sättigbare Reaktanzspule 12 eine hohe Induktivität hat, steigt der Strom im GTO-Thyristor 11 nicht schnell an. Nur dann, wenn ein Zündungssignal an das Gate des GTO-Thyristors 11 angelegt wird, bevor der Strom anzusteigen beginnt, wird der Strom in der gesamten Oberfläche der Halbleiterbereiche verteilt, welche den GTO-Thyristor 11 bilden, und ist niemals in einem begrenzten Bereich des GTO-Thyristors 11 begrenzt. Deswegen wird der GTO-Thyristor nicht durchschlagen oder beschädigt.

Weiterhin kann der Leistungsverlust durch den Dämpfkreis einfach dadurch minimiert werden, daß die Kapazität des Kondensators 16a vermindert wird. Die Kapazität des Kondensators 16a kann vermindert werden, da die sättigbare Reaktanzspule 12 eine hohe Induktivität besitzt. Dies bedeutet, daß die Hochfrequenz-Schaltfähigkeit des GTO-Thyristors optimal ausgenutzt werden kann.

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Claims

TOKYO SHTBAURA EI.RCTRTC CO., LTD. Möhistraße 37

D-8000 München 80 72 Horikawa-cho,

. . Td.: 089/982085-87

Saiwai-ku, Telex: 0529802 hnkld

Kawasaki-shi Telegramme: eWpsokl

Japan

² * ⁰^. 1977

Patentansprüche

dv/dt-Schutzscnaltung fir txnen (in»-T -yr · ^ tor nit e Gate, fcjxnar i node und eine""" Katode, der bei Anlegen eines Auslösesignales gezunuet und bei Anlegen eines AbschaLtsignales abgeschaltet wird, wobei zumindest für das Abschaltsignal eine Auftastimpalsquelle vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung einen parallel zum GTO-Thyristor (11) geschalteten Dämpfkreis, eine in Reihe zum GTO-Thyristor geschaltete sättigbare Reaktanzspule (12) und eine Einrichtung aufweist, mit der die sättigbare Reaktanzspule (12) dadurch rückgestellt werden kann, daß ein Abschaltestrom aus der Abschalt-Impulsquelle in Gegenrichtung des Stromflusses in der Reaktanzspule diese durchfließt.
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sättigbare Reaktanzspule (12) mit einem Ende an die Katode des GTO-Thyristors (11) angeschlossen ist, und daß die Rückstelleinrichtung das Abschaltsignal aus der Abschal t-Impuls quelle (17) an das andere Ende der sättigbaren Reaktanzspule (12) anlegt.

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3. Schutzschaltuna nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pättigbare Reaktanz spule durch einen Ringkern (?<")) gebildet ist, wob^-i eine erste Leitung (PO) sich von der Anode des GTO-Thyristors (11) aus durch den Ringkern erstreckt, und eine zweite Leitung sich vom Gate des GTO-Thyristors (11) aus durch der Ringkern zur Abschal t-Impulsguelle (17) hin erstreckt.
4. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch aekennzeichnet, daß die sättigbare Reaktanzspule durch einen Ringkern gebildet ist, wobei eine erste Leitung (23) sich von der Katode des GTO-Thyri«?tors (11) aus durch den Ringkern hindurch erstreckt und eine zweite Leitung sich vom Gate des GTO-Thyristors (11) aus durch den Ringkern hindurch zur Abschalt—Impulsguelle (17) erstreckt.
5. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanzspule (12) hohe Induktivität aufweist.
6. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gate und der Katode des GTO-Thyristors (11) ein Widerstand (i6b) eingeschaltet ist.
7. Sclwitzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gate und der Katode des GTO-Thyristors (11) eine Diode (i6c) eingeschaltet ist.

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