DE2812632C2

DE2812632C2 - Steuerkreis für einen GTO-Thyristor

Info

Publication number: DE2812632C2
Application number: DE2812632A
Authority: DE
Inventors: Nagataka Fuchu Tokio/Tokyo Seki
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1977-03-24
Filing date: 1978-03-22
Publication date: 1985-03-07
Also published as: US4203047A; GB1583620A; JPS53117368A; DE2812632A1; JPS6056062B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Steuerkreis für einen GTO-Thyristor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiger Steuerkreis ist aus der US-PS 40 01 607 bekannt
Ein üblicher GTO-Thyristor (gate turn-off-Thyristor.

d. h. ein durch einen an das Gate angelegten Impuls abschaltbarer Thyristor^ mit einer Anode A und einer Kathode K besitzt den Vierschichtaufbau gemäß Fig. IA aus den Bereichen Pe, Nb, Pb, und /VV, wobei eine Steuerelektrode G im Basisbereich P_b vom p-Leitfähigkeitstyp angeordnet ist. Wenn bei diesem Aufbau eine positive Spannung an die Anode A und eine negative Spannung an die Kathode K angelegt wird, während eine positive Impulsspannung derart zwischen der Steuerelektrode G und der Kathode K liegt, daß die Steuerelektrode G positiv ist, fließt ein Anodenstrom zwischen der Anode A und der Kathode K. Der Anodenstrom wird durch Anlegen einer negativen Impulsspannung zwischen der Steuerelektrode G und der Kathode K auf Null verringert, so daß die Steuerelektrode G negativ wird. Ein derartiger GTO-Thyristor wird durch das Symbol gemäß F i g. 1B dargestellt.

Bei der Verwendung eines solchen GTO-Thyristors in einer praktisch eingesetzten Schaltung ist der Aufbau des Sperrsteuerkreises sehr wesentlich. Dieser Steuerkreis entspricht einem Kommutierungskreis eines üblichen Transistors, und er hat großen Einfluß auf die Arbeitsweise und Zuverlässigkeit der einen solchen Thyristor verwendenden Schaltungen.
Bisher wurde in der Praxis kein GTO-Thyristor großer Leistung eingesetzt, so daß auch die bisherigen Abschalt-Steuerkreise in der Praxis keine Probleme aufwarfen. Beispiele für solche Abschaltsteuerkreise sind z.B. aus »Electronics«, 23.3.1964, Seiten64-71, bekannt.

Derzeit stehen aber Hochleistungs-GTO-Thyristoren mit einem Anodenstrom in der Größenordnung von 200—600A zur Verfügung. Für das Abschalten bzw. Sperren eines so großen Anodenstroms ist es erforderlich, einen Sperrstrom von 100—200 A von der Kathode K zur Steuerelektrode G einzuleiten, wobei die Anstiegsgeschwindigkeit (dildt) dieses Sperrstroms etwa 30 Α/μ5 betragen muß. Die bisherigen bekannten Steuerkreise vermögen diesen Anforderungen nicht zu genügen.

Die Fig.2A bis 2C veranschaulichen die Wellenformen, die beim GTO-Thyristor bei dessen Sperren auftreten. Insbesondere veranschaulicht Fi g. 2A den Anodenstrom I_A im GTO-Thyristor, während F i g. 2B die Spannung Vc zwischen der Steuerelektrode G und der Kathode K des Thyristors und F i g. 2C den zwischen der Kathode Kund Steuerelektrode Ghervorgerufenen Sperrstrom Ic darstellen. Der Sperrstrom /<; beginnt zum Zeitpunkt ί = ίο zu fließen. Der Anodenstrom I \

beginnt sich vom Zeitpunkt t = to an zu verkleinern, und zwar wegen der Erhöhung der Impedanz zwischen der Anode A und der Kathode K, während zum Zeitpunkt t = fi die Ladungsträger im Basisbereich Pb auf Null reduziert sind, so daß die Bereiche Nr und Pb wieder isoliert sind. Anschließend werden die in den Bereichen N_b und Pb befindlichen Ladungsträger als Gate-Strom Ic zu einem äußeren Absaugkreis entladen, wodurch eine vollkommene Isolierung oder Trennung zwischen der Anode A und der Kathode K erzielt wird. In F i g. 2C gibt d/r/df die Anstiegsgeschwindigkeit des Sperrstroms an, während Icp den Scheitel- oder Spitzenwert des Sperrstroms bedeutet

Der Steuerkreis muß den folgenden Bedingungen genügen:

1. Die Anstiegsgeschwindigkeit dlc/dt des Sperrstroms muß hoch sein. Bei einer niedrigen Anstiegsgeschwindigkeit der GTO-Thyristor infolge eines großen Schaltverlusts zerstört Divise Anstiegsgeschwindigkeit muß ein Mehrfaches von 10 A/us betragen.

2. Der Scheitelwert Icp des Sperrstroms Ic muß über einem vorbestimmten Wert liegen, wenn die Steuerelektrode G und die Kathode K kurzgeschlossen verbunden sein sollen. Das Verhältnis IaIIg des Anodenstroms I_A zum Sperrstrom Ic, mit den der GTO-Thyristor gesperrt werden kann, wird gewöhnlich als Sperrgewinn G bezeichnet, wobei typischerweise G — 3—5 gilt Bei einem Anodenstrom U = 600 A und einem Sperrgewinnn G = 3 ist daher ein Scheitelwert von Icp — 200 A erforderlich.

3. Die in den betreffenden Bereichen Pb und Nb gespeicherten Ladungsträger Q_slg müssen im Steuerkreis absorbierbar sein. Dies bedeutet, daß die Menge Q_s der vom Steuerkreis zum GTO-Thyristor gelieferten Ladungsträger der Beziehung Qs > Qsig genügen muß.

Im folgenden sind die bei den bisherigen Sperrsteuerkreisen zu lösenden Probleme beschrieben. Diese bisherigen Steuerkreise umfassen einen solchen vom Lade- und Entladekondensator-Typ und einen solchen des Impulsübertrager-Typs, wie sie grundsätzlich in den Fig.3A bzw. 3B dargestellt sind (vgl. auch »Electronics«, a. a. o.). Beim zuerst genannten Typ gemäß F i g. 3A wird ein Kondensator 21 im voraus durch einen nicht dargestellten Ladekreis auf die angegebene Polarität aufgeladen, und es wird ein Sperrstrom /_G von der Kathode K zur Steuerelektrode G des Thyristors 1 geleitet, indem ein Schalter 22 synchron mit dem Sperrzeitpunkt dieses Thyristors 1 geschlossen wird. Der durch die Steuerelektrode G und die Kathode K des GTO-Thyristors 1 sowie den Steuerkreis gebildete geschlossene Kreis besitzt eine Induktivität von mindestens 1—2μΗ, auch wenn die Verdrahtung mit möglichst kurzen Leistungslängen ausgeführt ist. Unter der Voraussetzung von d/c/dr = 30 Α/μ$ kann daher der vorhergenannten Bedingung (1), d. h. der Bedingung betreffend d/c/di, dadurch entsprochen werden, daß der Kondensator 21 so aufgeladen wird, daß seine Klemmenspannung V_c gleich 30—60 V ist. Darüber hinaus kann der zweiten Bedingung, d. h. der Bedingung bezüglich Icp, dadurch entsprochen werden, daß die Widerstandskomponente des erwähnten, geschlossenen Kreises ausreichend klein ausgelegt wird. Weiterhin läßt sich die Bedingung (3), d. h. (?_s > Q_slg, dadurch lösen, daß ein Kondensator 21 mit einer Kapazität über einer Größe benutzt wird, die als Q_ngl V- (V_c = Klemmenspannung) über den Kondensator 21 bestimmt wird. In diesem Fall muß die Kapazität des Kondensators 21 einigen 10 bis 100 μΡ betragen.

Bei Verwendung des Sperr-Steuerkreises gemäß F '· g. 3A ergeben sich jedoch die folgenden Schwierigkeiten: Wenn nämlich dieser GTO-Thyristor aufgrund eines Schadens oder Fehlers in der ihn enthaltenden

ίο Schaltung schnell bzw. plötzlich gesperrt wird oder wenn dieser Thyristor für Hochfi equenzzwecke eingesetzt werden soll, ist es in erster Linie wünschenswert, den Kondensator 21 in möglichst kurzer Zeit z. B. in einer Zeitspanne in der Größenordnung von 100 μβ aufzuladen. Dieses Erfordernis führt jedoch zu außerordentlich hohen Kosten für den Ladekreis, weil der Ladesirom umgekehrt proportional zur Ladeperiode zunimmt Zum zweiten ist es äußerst schwierig, eine Schutzschaltung zu konstruieren, die verhindert, daß die zwischen der Steuerelektrode G und der Kathode K des GTO-Thyristors angelegte Spannung Vgä über einen vorbestimmten Wert hinaus ansteigt Es ist ersichtlich, daß die Spannung Vor um so größer ist, je höher die Spannung über den Kondensator 21 ist Da nun die Durchbruchspannung des Übergangs bzw. der Sperrschicht zwischen den Bereichen Ne und Pb 15 V beträgt, tritt ein Durchbruch dieses Übergangs bzw. dieser Sperrschicht auf, wenn die zwischen die Steuerelektrode G und die Kathode K angelegte Sperrspannung 15 V übersteigt Zur Verhinderung dieses Durchbruchs wird eine Schutzschaltung aus einer Z-Diode 12 und einer Diode 11 zwischen die Steuerelektrode G und die Kathode K geschaltet um dadurch die genannte Spannung Vgr zur Z-Diode 12 zu begrenzen. Die Diode 11 verhindert daß der Durchschaltstrom, vom nicht dargestellten Durchschaltsteuerkreis des GTO-Thyristors zum Teil in die Schutzschaltung fließt

Der vom Abschaltkreis zum GTO-Thyristor zu liefernde Sperrstrom wird, wie erwähnt, entsprechend dem Anodenstrom I_A zum Abschalten des Thyristors bestimmt. Zum Sperren des GTO-Thyristors bei extrem kleinem Anodenstrom wird daher nur ein Teil der genannten Abschalt- oder Sperrleistung zum Sperren des GTO-Thyristors benutzt, während der Rest durch das Schutzelement, wie die Z-Diode 12, verbraucht wird. Bei Erhöhung der Kapazität oder Leistung des GTO-Thyristors nimmt der erwähnte Sperrstrom bzw. die Sperrleistung zu, so daß eine Sperrleistung in der Größenordnung von 100 W benötigt wird. Wenn eine so hohe Leistung von der Z-Diode 12 verbraucht werden soll, müssen etwa 15 handelsübliche Z-Dioden maximaler Nennleistung parallelgeschaltet werden.

Im folgenden sind die mit der Impulsübertragungsschaltung gemäß F i g. 3B verbundenen Schwierigkeiten erläutert. Wenn die Schalter 32 und 33 gemäß F i g. 3B gleichzeitig mit dem Abschalten oder Sperren des GTO-Thyristors 1 geschlossen werden, wird der Impulsübertrager 31 durch eine nicht dargestellte Gleichspannungsquelle erregt so daß ein Sperrstrom Ig von der Kathode K zur Steuerelektrode G das GTO-Thyristors (1) fließt. Da bei dieser Anordnung das Aufladen des Kondensators 21, wie im Fall von F i g. 3A, nicht erforderlich ist, eignet sie sich für Hochleistungszwecke. Da jedoch im Impulsübertrager 31 eine Streuinduktivität orhanden ist, ist die Anstiegsgeschwindigkeit d/c/di des Ausgangsimpulsstroms niedrig (z. B. etwa ein Fünftel derjenigen bei der Schaltung nach F i g. 3A). Infolgedessen kann die genannte Bedingung (1) (bezüglich d/_o·/

dt) nicht erfüllt werden, sofern nicht die Stromquellenspannung für den Impulsübertrager erhöht wird. Hierdurch wird die Kapazität der erwähnten Schutzschaltung erhöht.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß dann, wenn alle drei Bedingungen (I)-(3) für den Sperr-Steuerkreis bei den bisherigen Schaltungen erfüllt werden sollen, der Aufbau der zwischen die Steuerelektrode G und die Kathode K geschalteten Schutzschaltung unvermeidlich erweitert werden muß, was zu Einbußen in verschiedener anderer Hinsicht führt, z. B. bezüglich Leistung und Kosten des Steuerkreises sowie bezüglich der Teileanordnung.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines verbesserten Steuerkreises, welcher bei verringertem Stromverbrauch die Anlegung eines Sperrstroms mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit an den GTO-Thyristors ermöglicht, so daß dieser Steuerkreis für GTO-Thyristoren großer Leistung geeignet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Steuerkreis nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch das in dessen kennzeichnenden Teil enthaltene Merkmal gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 4.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1A und 1B schematische Darstellungen für den Aufbau bzw. das Symbol eines GTO-Thyristors,

F i g. 2A bis 2C graphische Darstellungen von Welleniormen zur Erläuterung des Sperrvorganges bei einem GTO-Thyristor,

F i g. 3A und 3B Schaltbilder bekannter Sperr-Steuerkreise,

F i g. 4 ein Schaltbild mit dem grundsätzlichen Schaltungsaufbau des erfindungsgemäßen Steuerkreises,

F i g. 5 eine graphische Darstellung des Steuerelektroden-Sperrstroms bei dem erfindungsgemäßen Steuerkreis,

F i g. 6 ein Schaltbild einer speziellen Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 7 ein Schaltbild einer Abwandlung der Ausführungsform gemäß F i g. 6 und

F i g. 8 bis 12 Schaltbilder weiterer Ausführungsformen der Erfindung.

Gemäß F i g. 4 weist ein erster Schaltkreis einen Kondensator 21 auf, der durch eine nicht dargestellte Stromquelle mit der eingezeichneten Polarität aufgeladen wird und der zwischen Steuerelektrode und Kathode eines GTO-Thyristors 1 über einen Schalter 22 geschaltet ist, der synchron mit dem Sperren d?s Thyristors schließbar ist. Wenn sich der Kondensator 21 entlädt, liefert er einen ersten Stromimpuls Ic ι (vgl. Fig. 5), mit schneller Anstiegsgeschwindigkeit d/o/df und vergleichsweise kurzer Dauer, wobei der Stromimpuls zwischen die Kathode K und die Steuerelektrode G des Thyristors 1 angelegt wird. Ein zweiter Schaltkreis umfaßt einen Impulstransformator bzw. Übertrager 31, dessen Primärwicklung über einen Schalter 32 mit einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden und dessen Sekundärwicklung über einen Schalter 33 zwischen die Steuerelektrode G und die Kathode K geschaltet ist Wenn die Schalter 32 und 33 im Gleichtakt mit dem Schalter 22 geschlossen werden, besitzt die Sekundärwicklung die angegebene Polarität (der schwarze Punkt entspricht der positiven Polarität), und sie liefert einen zweiten Stromimpuls Ip2, der eine niedrigere Anstiegsgeschwindigkeit und eine längere Dauer als der Entladungsstrom /ei des Kondensators 21 besitzt und der zwischen den der Kathode K und der Steuerelektrode G liegt Der Impulsübertrager 31 ist an eine Gleichstromquelle niedriger Spannung angeschlossen. Wenn die Schalter 22, 32 und 33 zum Zeitpunkt t = /₀ (F i g. 2A bis 2C) schließen, fließt der Strom /& der durch den dem Sekundärwicklungsstrom Ip2 des Impulsübertragers 31 überlagerten Entladungsstrom /ei des Kondensators 21 gebildet wird, als Sperrstrom von der Kathode K zur Steuerelektrode G. Durch Verkürzung der Entladungsperiode des Kondensators 21 kann ein Sperrstroni hoher Anstiegsgeschwincligkeit d/c/df und mit hohem Scheitelwert geliefert werden. Dies bedeutet, daß damii den obigen Bedingungen (1) und (2) für den Sperr-Steuerkreis genügt werden kann. Außerdem kann der Impulsübertrager 31 auch die Bedingung (3) erfüllen, weil der Sekundärwicklungsstrom Ip₂ eine niedrigere Anstiegsgeschwindigkeit d/p2/df als die genannte Geschwindigkeit Ic i/df. jedoch eine lange Dauer besitzt.

F i g. 6 zeigt eine erste, im folgenden zu beschreibende Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Elemente 11,12 und 21 dieselben sind wie in Fig. 3A und 3B und daher nicht näher erläutert zu werden brauchen.

Ein Thyristor 22, der entsprechend dem Schalter 22 gemäß F i g. 4 wirkt, ist als erstes Schaltelement vorgesehen, und ein Widerstand 13 liegt zwischen Steuerelektrode G und Kathode K. Ein erster Impulsübertrag^· 101 ist mit seiner Primärwicklung 101-1 über ein zweites Schaltelement bzw. einen Transistor 102 an eine Stromquelle 100 und mit seiner Sekundärwicklung 101-2 an deren einem Ende (positive Klemme) über eine Diode 104 und eine Drossel 105 an die Anode des ersten Schaltelements 22 angeschlossen, während das andere Ende (negative Klemme) mit der Kathode des Schaltelements 22 verbunden ist Eine Diode 106 ist mit der angegebenen Polarität über die Sekundärwicklung 101-2 geschaltet Zwischen die Anode der Diode 104 und die Steuerelektrode G des GTO-Thyristors ist ein Widerstand 103 geschaltet. Ein zweiter Impulsübertrager 31 ist mit seiner Primärwicklung 31-1 mit der angegebenen Polarität über einen Widerstand 35 und ein drittes Schaltelement 32 an die Stromquelle 100 angeschlossen, während seine Sekundärwicklung 31-2 mit dem einen Ende (negative Klemme) über ein Schaltelement 33 (Thyristor) an die Steuerelektrode G und mit dem anderen Ende (positive Klemme) an die Kathode K angeschlossen ist Die Primärwicklung 31-1 kann selbstverständlich auch mit einer anderen Stromversorgung als der Stromquelle 100 verbunden sein. Die Klemmenspannung über der Sekundärwicklung 31-2 liegt über einen Widerstand 34 an der Steuerelektrode des Schaltelements 33. Weiterhin ist die Klemmenspannung über eine Sekundärwicklung 31-3 des zweiten Impulsübertragers 31 über einen Widerstand 23 zwischen Kathode und Steuerelektrode des ersten Schaltelements 22 angekoppelt Der Schaltkreis mit dem Kondensator 21 und dem ersten Schaltelement 22 entspricht dem ersten Schaltkreis gemäß Fig.4. Die Stromquelle 100, das zweite Schaltelement 102, der Impulsübertrager 101 sowie die Dioden 104 und 106 und die Drossel 105 dienen als Stromquelle zum Aufladen des Kondensators 21. Der Schaltkreis aus dem Impulsübertrager 31, dem dritten Schaltelement 32 dem Thyristor 33 und der Stromquelle 100 entspricht dem zweiten Schaltkreis gemäß F i g. 4. Die schwarzen Punkte an den jeweiligen Wicklungen der beiden Impulsübertrager 101 und 31 geben die positive Polarität der Spannung an, die über diese

7 8

Wicklungen bei geschlossenen Schaltelementen indu- därwicklung 31-2 auf diese Weise auf den Wert Null

ziert wird. reduziert wird, sperrt der Transistor 32. Wenn die Span-

Der Schaltkreis gemäß Fig.6 arbeitet wie folgt: nung über der Sekundärwicklung 31-2 höher ist als die

Wenn das zweite Schaltelement 102 angesteuert wird, Zenerspannung, wird der über die Z-Diode 12 und die

wird der erste Impulsübertrager 101 erregt, so daß er 5 Diode 11 fließende Strom ebenfalls vom Impulsübertra-

eine Spannung über die Sekundärwicklung 101-2 indu- ger 31 geliefert, und zwar zusätzlich zu dem für den

ziert. Infolgedessen fließt ein Strom über einen ge- erwähnte Entladung der Ladungsträger des GTO-Thy-

schlossenen Stromkreis von der Sekundärwicklung ristors 1 erforderlichen Strom. Aus diesem Grund sollte

101-2 über den Widerstand 103 und die Steuerelektrode die induzierte Spannung über der Sekundärwicklung

G sowie die Kathode K zurück zur Sekundärwicklung io 31-2 unter dem Schutzspannungspegel, d. h. der Zener-

101-2. Damit wird der GTO-Thyristor eingeschaltet. spannung, liegen. Wenn der Transistor 32 sperrt, wird

Gleichzeitig wird auch ein Stromfluß über einen ge- der Thyristor 33 ebenfalls gesperrt. Ersichtlicherweise

schlossenen Stromkreis von der Sekundärwicklung kann bei der dargestellten Ausführungsform das Ende

101-2 über die Diode 104, die Drossel 105, den Konden- des Sperrvorgangs des GTO-Thyristors 1 mit einer

sator 21 und die Steuerelektrode b sowie die Kathode K 15 niedrigen Kapazität des Kondensator 21 und auch ohne

zur Sekundärwicklung 101-2 zurück eingeleitet, so daß Erhöhung der Kapazität der Schutzschaltung erreicht

der Kondensator 21 mit der angegebenen Polarität auf- werden.

geladen wird. Die sich über den Kondensator 21 aufbau- Der Thyristor 33 gemäß F i g. 6 ist vorgesehen, um ende Spannung V_c erreicht ungefähr die doppelte Grö- beim Durchschalten des GTO-Thyristors ein teilweises ße der über die Sekundärwicklung 101-2 induzierten 20 Fließen des Durchschaltstroms vom Durchschalt-Steu-Spannung, was auf die Wirkung der Drossel 105 zurück- erkreis zur Sekundärwicklung 31-2 zu verhindern. Der zuführen ist. In diesem Fall wird die durch die Drossel Thyristor 33 kann daher gemäß F i g. 7 durch eine An-105 und den Kondensator 21 bestimmte Stromschwing- zahl von mit der Sekundärwicklung 31-2 in Reihe gefrequenz genügend höher eingestellt als die Frequenz schalteten Dioden 33a ersetzt werden, wobei der Spandes den GTO-Thyristor 1 verwendenden Schaltkreises. 25 nungsabfall über dieser Diodengruppe größer gewählt Der Transistor 102 kann so eingestellt sein, daß er nach wird als die Durchschaltspannung zwischen der Steuer-Abschluß des Aufladens des Kondensators 21 sperrt. elektrode G und der Kathode K des GTO-Thyristors.

Wenn der GTO-Thyristor 1 anschließend gesperrt F i g. 8 zeigt eine zweite, im folgenden zu beschreiwerden soll, wird das dritte Schaltelement 32 (Transi- bende Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die stör) durch geschaltet Zu diesem Zeitpunkt werden die 30 aus der Diode 11 und der Z-Diode 12 bestehende über die Sekundärwicklung 31-2 und 31-3 des zweiten Schutzschaltung gemäß Fig.6 weggelassen und statt Impulsübertragers 31 anliegenden Spannungen mit den dessen Dioden 37 und 36 mit den angegebenen Polaritäangegebenen Polaritäten an die jeweiligen Steuerelek- ten parallel zum Transistor 32 bzw. Thyristor 33 getroden der Thyristoren 33 und 22 angelegt, um letztere schaltet sind. Bei dieser Konstruktion wird nach dem gleichzeitig anzusteuern. Beim Ansteuern des Thyri- 35 Sperren des GTO-Thyristors 1 die im Kondensator 21 stors 22 wird der Kondensator 21 schnell über einen verbleibende Energie zur Stromquelle 100 zurückgegeschlossenen Stromkreis entladen, der vom Kondensa- führt Wenn bei der Ausführungsform gemäß F i g. 6 bei tor 21 über den Thyristor 22 und die Kathode K sowie Betätigung des Sperr-Steuerkreises der Anodenstrom die Steuerelektrode G zum Kondensator 21 zurück ver- J_A des GTO-Thyristors 1 praktisch Null beträgt, wird läuft, so daß ein Sperrstrom (erster Stromimpuls), bei 40 letzterer augenblicklich abgeschaltet bzw. gesperrt, so /π in Fig.5 angegeben, zwischen der Kathode K und daß der vom Kondensator 21 nach dem Sperren des der Steuerelektrode Gfließt Beim Ansteuern des Thyri- GTO-Thyristors 1 entladene Strom zur Z-Diode 12 stors 33 fließt ebenfalls ein Sperrstrom (zweiter Strom- fließt und von dieser verbraucht wird. Bei der Schaltung impuls) (Ip₂ in F i g. 5) gleichzeitig über einen geschlos- gemäß F i g. 8 sind jedoch ein geschlossener Stromkreis senen Stromkreis von der Sekundärwicklung 31-2 über 45 aus dem Kondensator 21, dem Thyristor 22, der Kathodie Kathode K, die Steuerelektrode G sowie den Thyri- de K, der Sekundärwicklung 31-2, des Impulsübertrastor 33 zurück zur Sekundärwicklung 31-2. Der GTO- gers 31, der Diode 36 und dem Kondensator 21 sowie Thyristor 1 kann mit dem resultierenden Strom Ig dieser ein geschlossener Stromkreis mit der Primärwicklung beiden Sperrströme /ei und Zp₂ ohne weiteres abge- 31-1, der Stromquelle 100, der Diode 37 und der Primärschaltet bzw. gesperrt werden. Der Kondensator 21, der 50 wicklung 31-1 vorgesehen. Der genannte Entladungseine vergleichsweise niedrige Kapazität besitzt, beendet strom des Kondensators 21 fließt somit über diese gedas Entladen innerhalb einer kurzen Zeitspanne (vgl. schlossenen Stromkreise, so daß seine Energie zur den Strom /ei in Fig. 5), so daß der Strom über den Stromquelle iöö rückgekoppelt und nicht in der Schutz-Thyristor 22 ohne weiteres auf einen Wert unter dem schaltung gemäß F i g. 6 verbraucht wird. In diesem Fall Haltestrom verringert wird; nach dem Sperren des 55 kann die über die Sekundärwicklung 31-2 induzierte GTO-Thyristors 1 wird die über seiner Kathode K und Spannung auf einen niedrigeren Wert als die Durchseine Steuerelektrode G erzeugte Sperrspannung un- bruchspannung zwischen der Steuerelektrode G und mittelbar zwischen Kathode und Anode des Thyristors der Kathode K des Thyristors 1 eingsteilt werden. Der 22 angelegt so daß letzterer ohne weiteres gesperrt Strom, welcher der Sekundärwicklung 31-2 beim werden kann. Wenn die Spannung über die Sekundär- 60 Durchschalten des GTO-Thyristors 1 mit dem Ansteuwicklung 31-2 des zweiten Impulsübertragers 31 auf ei- ern des Transistors 32 zugeführt wird, fließt über eine nen niedrigeren Wert als die Zenerspannung der Z-Dio- Schleife aus der Sekundärwicklung 31-2, der Kathode K, de 12 eingestellt ist wird nach der Entladung der in den der Diode 106, dem Widerstand 103, dem Thyristor 33 Bereichen Nb und Pb des GTO-Thyristors gespeicher- und der Sekundärwicklung 31-2, so daß der Strom über ten Ladungsträger über die Sekundärwicklung 31-2 der 65 die Sekundärwicklung auf einen sehr niedrigen Wert an letzterer anliegende Strom durch den Widerstand 13 begrenzt ist Wenn der GTO-Thyristor 1 bei der zweiten so begrenzt daß er praktisch die Größe Null erreicht In Ausführungsform im Fall einer niedrigen Last gesperrt dem Augenblick, in welchem der Strom über die Sekun- wird, wird ersichtlicherweise die Überschußenergie des

Kondensators 21 zur Stromquelle 100 zurückgeführt und rückgespeichert, während außerdem der nach Beendigung des Sperrens über die Sekundärwicklung 31-2 fließende Strom auf eine sehr niedrige Größe begrenzt wird. Wenn der Thyristor 1 andererseits bei voller Last gesperrt wird, kann den obigen Bedingungen (1) bis (3) für den Sperr-Steuerkreis entsprochen werden. Auf diese Weise kann ein GTO-Thyristor mit einem Sperr-Steuerkreis mit sehr großem Nutzwert versehen werden.

F i g. 9 zeigt eine dritte Auführungsform der Erfindung, die sich dadurch auszeichnet, daß die Mittel zum Aufladen des Kondensators 21 von denjenigen bei der Ausführungsform nach der F i g. 6 verschieden sind. Bei den Schaltungen nach F i g. 6 und 8 wird der Kondensator 21 über die Steuerelektrode G und die Kathode K des GTO-Thyristors 1 aufgeladen. Bei der dritten Ausführungsform kann dagegen das Aufladen ohne Hilfe der Steuerelektrode G und der Kathode K erfolgen, so daß die Größe des Ladestroms frei wählbar ist. Außerdem ist bei dieser Schaltung die Zahl der verwendeten Thyristoren um einen Thyristor kleiner als in Fig.6, weil der erste und der zweite Schaltkreis über die Dioden 24 und 38 parallelgeschaltet sind. Hierbei sind ein erster Impulsübertrager 101a mit einer Primärwicklung

101 a-1, einer ersten Sekundärwicklung 101 a-2, und einer zweiten Sekundärwicklung 101 a-3 sowie ein zweiter Impulsübertrager 31a mit einer Primärwicklung 3Ia-I und einer Sekundärwicklung 31a-2 vorgesehen. Die erste Sekundärwicklung lOla-2 ist über eine Diode 104 und eine Drossel 105 mit dem Kondensator 21 verbunden, so daß letzterer mit der angegebenen Polarität aufgeladen werden kann. Die zweite Sekundärwicklung 101 a-3 ist mit der angegebenen Polarität über einen Widerstand 103 zwischen die Steuerelektrode G und die Kathode K des GTO-Thyristors 1 eingeschaltet Die positive Elektrode des Kondensators 21 ist über eine Diode 24 und ein erstes Schaltelement 22 (Thyristor) an die Kathode K des GTO-Thyristors 1 angeschlossen, während seine negative Elektrode mit der Steuerelektrode G dieses Thyristors 1 verbunden ist Die Sekundärwicklung 31 a-2 des zweiten Impulsübertragers 3ta ist mit der angegebenen Polarität über eine Diode 38 und das erste Schaltelement 22 (Thyristor) zwischen die Kathode K und die Steuerelektrode G geschaltet Aus F i g. 9 ist ersichtlich, daß beim Durchschalten des zweiten Schaltelements

102 (Transistor) der GTO-Thyristor 1 durchgeschaltet wird, während gleichzeitig der Kondensator 21 mit der angegebenen Polarität aufgeladen wird; beim Durchschalten des dritten Schaltelements 32 (Transistor) werden der erste Impulsstrom vom Kondensator 21 und der zweite Impulsstrom der zweiten Sekundärwicklung 31a-2 gleichzeitig den GTO-Thyristor 1 zugeführt

F i g. 10 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, deren Besonderheit darin besteht daß ein einziger Impulsübertrager für die beiden Schaltkreise gemeinsam benutzt wird. Gemäß Fig. 10 weist ein Impulstransformator bzw. -übertrager 41 sechs Wicklungen 41-1 bis 41-6 auf. Die Primärwicklung 41-1 ist dabei über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand 43 und einem Kondensator 44 sowie ein viertes Schaltelement 42 (Transistor) an eine Stromquelle 100 angeschlossen. Ahnlich wie bei den vorher beschriebenen Figuren ist die positive Seite der in jede Wicklung bei angesteuertem Transistor 42 induzierten Spannung mit einem schwarzen Punkt bezeichnet Die positive Klemme der zweiten Wicklung (erste Sekundärwicklung) 41-2 ist über einen Widerstand 103 an eine Steuerelektrode G angeschlossen, die negative Klemme der zweiten Wicklung 41-2 und die positive Klemme der dritten Wicklung (zweite Primärwicklung) 41-3 sind gemeinsam über einen Thyristor 33 mit der angegebenen Polarität mit der Steuerelektrode G verbunden, und die negative Klemme der dritten Wicklung 41-3 ist an die Kathode K angeschlossen. Eine Diode 36 ist mit der angegebenen Polarität zwischen die Kathode K und die Steuerelektrode G des Thyristors 33 geschaltet, dessen Steuerelektrode G über einen Widerstand 34 mit der negativen Klemme der dritten Wicklung 41-3 verbunden ist. Die positive Klemme der vierten Wicklung (dritte Sekundärwicklung) 41-4 ist über eine Diode 104, eine Drossel 105 und ein erstes Schaltelement (Thyristor) 22 an die Kathode K angeschlossen, während ihre negative Klemme an der Steuerelektrode G liegt. Der Kondensator 21 ist zwischen die Steuerelektrode G des GTO-Thyrisiors 1 und die Anode des Thyristors 22 eingeschaltet. Die positive Klemme der fünften Wicklung (vierte Sekundärwicklung) 41-5 ist mit der Kathode K verbunden, während ihre negative Klemme über eine Diode 25 und einen Widerstand 23 an die Steuerelektrode des Thyristors 22 angeschlossen ist. Die sechste Wicklung (zweite Primärwicklung) 41-6 liegt mit ihrer positiven Klemme über eine Diode 45 mit der angegebenen Polarität an der negativen Klemme der Stromquelle 100 und mit der negativen Klemme an der Stromquelle 100.

Wenn der Transistor 42 angesteuert wird, wird der GTO-Thyristor 1 durch die resultierende Spannung aus den über die zweite und die dritte Wicklung 41-2 bzw. 41-3 induzierten Spannungen durchgeschaltet. Wenn eine Spannung über die vierte Wicklung 41-4 induziert wird, wird außerdem, ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 9, der Kondensator 21 aufgrund der Resonanzwirkung zwischen Kondensator 21 und Drossel 105 mit der angegebenen Polarität aufgeladen. Im Gegensatz zum dritten Schaltelement (Transistor) 32 wird das vierte Schaltelement (Transistor) 42 während der Durchschaltperiode des GTO-Thyristors 1 im Durchschaltzustand gehalten. Während dieses Durchschaltzustands wird der Impulsübertrager 41 gesättigt, wodurch der über die erste Wicklung 41-1 fließende Strom auf eine durch einen Widerstand 43 bestimmte Größe begrenzt wird.

Wenn die Spannung der Stromquelle 100 mit E und der Widerstandswert des Widerstandes 43 mit R bezeichnet werden, entspricht der über die erste Wicklung bzw. die erste Primärwicklung 41-1 des Impulsübertragers 4t fließende Strom dem Wert E/R. Wenn der Transistor 42 zum Abschalten des GTO-Thyristors 1 sperrt, wird der Erregerstrom über den Impulsübertrager 41 abgeschaltet wobei die Polarität der über jede Wicklung induzierten Spannung im Augenblick des Abschältens oder Sperrens gegenüber der angegebenen Polaritat umgekehrt wird. Infolgedessen werden die Thyristoren 22 und 33 gleichzeitig angesteuert Beim Ansteuern des Thyristors 22 fließt ein erster Impulsstrom vom Kondensator 21 in Gegen- oder Sperrichtung von der Kathode K zur Steuerelektrode G; beim Ansteuern des Thyristors 33 fließt der Strom über die dritte Wicklung 41-3 als zweiter Impulsstrom in Gegen- oder Sperrichtung von der Kathode K zur Steuerelektrode G, und zwar über eine Schleife von der dritten Wicklung 41-3 über die Kathode K, die Steuerelektrode G und den Thyristor 33 zurück zur dritten Wicklung 41-3. Wenn die Windungszahlen der Wicklungen 41-1 und 41-6 mit π 1 bis π 6 bezeichnet werden, so ergibt sich die Größe des Stroms über die dritte Wicklung 41-3, d. h. der Höchst-

,vert des zweiten Impulsstroms, zu . Durch den

-esultierenden Strom aus dem Entladungsstrom (d.h. erster Impulsstrom) mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit rom Kondensator 21 und dem Strom von der dritten Wicklung 41-3, der eine längere Dauer besitzt als der Entladungsstrom, (d. h. zweiter Impulsstrom) kann somit der GTO-Thyristor 1 ohne weiteres durchgeschaltet werden.

Wenn sich die Schaltung gemäß Fig. 10 beim Sperren des GTO-Thyristors 1 in einem Zustand geringer Last befindet, erholt sich die Isolierung oder Trennung zwischen der Steuerelektrode G und der Kathode K des GTO-Thyristors 1, bevor der Kondensator 21 vollständig entladen ist. In diesem Fall wird die zusätzliche Ladung des Kondensators 21 über eine Schleife vom Kondensator 21 über den Thyristor 22, die Kathode K, die dritte Wicklung 41-3, die Diode 36 und den Kondensator 21 entladen. Durch entsprechende Wahl des Verhältnisses zwischen der Windungszahl η 6 der sechsten Wicklung bzw. zweiten Primärwicklung 41-6 und der Windungszahl η 3 der dritten Wicklung 41-3 des Impulsübertragers 41 wird hierbei das Potential auf der sechsten Wicklung 41-6 an der Seite des schwarzen Punkts niedriger als das Potential an der negativen Klemme der Stromquelle 100, wodurch die Diode 45 durchgeschaltet und die Klemmenspannung über die zweite Sekundärwicklung 41-6 auf der Spannung E festgehalten wird. Die Klemmenspannung über der dritten Wicklung 41-3 wird dabei zu n3£/n6. Ersichtlicherweise kann somit die Zahl der Windungen π 3 und η 6 so gewählt werden, daß diese Spannung η 3EIn 6 unter der Durchbruchspannung zwischen den Anschlüssen G und K des GTO-Thyristors 1 liegt Auf diese Weise kann die Überschußenergie des Kondensators 21 zur Stromquelle 100 zurückgeführt werden.

F i g. 11 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der zweite Impulsstrom dem GTO-Thyristor über Stromwandler zugeführt wird. Diese Ausführungsform ist dann besonders wirksam, wenn sie auf eine Konstruktion mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten GTO-Thyristoren 1 a, 1 6 angewandt wird.

Impulsübertrager 101t und 101c umfassen Primärwicklungen 10161 und 101c 1, die über einen zweiten Schalttransistor 102 mit der Stromquelle verbunden sind, sowie zweite bzw. Sekundärwicklungen 101 6 2 und 101c 2 mit jeweils gleicher Windungszahl Bei dieser Ausführungsform sind die Bauteile 11,12,13,21,22,103, 104,105 und 106 gemäß F i g. 6 auf die dargestellte Weise an die jeweiligen Sekundärwicklungen 10162 und 101 c 2 angeschlossen, und die Kondensatoren 21 für die Sekundärwicklungen 10162 und 101c 2 liefern jeweils den ersten Impulsstrom zu den betreffenden GTO-Thyristoren la und 16. Stromwandler 50a und 506 weisen jeweils Primärwicklungen 50a 1 bzw. 5061 auf, die über einen Widerstand 35 und ein drittes Schaltelement (Transistor) 32 mit einer Stromquelle 100 verbunden sind. Eine der Primärwicklung 50a 1 entsprechende Sekundärwicklung 50a 2 liefert über einen Thyristor 33 einen zweiten Impulsstrom zum GTO-Thyristor la, während eine der Primärwicklung 5061 entsprechende Sekundärwicklung 5062 über einen Thyristor 33 den zweiten Impulsstrom zum GTO-Thyristor 16 liefert Eine Sekundärwicklung 50a 3, entsprechend der Primärwicklung 50a 1. dient zum Durchschalten des mit der Sekundärwicklung 10162 des Impulsübertragers 1016 verbundenen Thyristors 22, während eine Sekundärwicklung 5063, entsprechend der Primärwicklung

506 1, zum Durchschalten das mit der Sekundärwicklung 101c 2 des Impulsübertragers 101c verbundenen Thyristors 22 vorgesehen ist. Die Arbeitsweise der Schaltung gemäß F i g. 11 entspricht völlig derjenigen der Schaltung nach F i g. 6, so daß sie im folgenden nicht näher erläutert zu werden braucht. Da die Primärwicklung des Stromwandlers eine einfache, einen Kern durchsetzende Leitung sein kann, kann dann, wenn mehrere GTO-Thyristoren in Reihe geschaltet sind, ein

Durchgang-Stromwandler verwendet werden.

In F i g. 12 ist eine sechste, im folgenden zu beschreibende Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Der erste und der zweite Impulsübertrager 101 bzw. 31 sind dabei bereits in Verbindung mit F i g. 6 beschrieben worden. Diese weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß ein Leiter, der den Knotenpunkt 109 zwischen der positiven Klemme der Sekundärwicklung 31-2 des zweiten Impulswandlers 31 und der Kathode K des GTO-Thyristors 1 sowie den Knotenpunkt 110 zur Minusklemme der Sekundärwicklung 101-2 des ersten Impulstransformators verbindet, einen Magnetkern 39 durchsetzt Eine zwischen Anode A und die Kathode K geschaltete Schaltung 108 ist eine an sich bekannte »Snubber«-Schaltung. Beim Sperren des GTO-Thyri stors wird von der Anode A zur Kathode K eine Span nung Verzeugt Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit d Vl dt zu groß ist wird der GTO-Thyristor wieder durchgeschaltet, so daß es sich empfiehlt, die Größe d V7d/ auf einen zweckmäßigen Wert zu begrenzen. Der Magnet kern 39 dient zu diesem Zweck. Wenn nämlich der Sperrstrom von der Sekundärwicklung 31-2 des zweiten Impulsübertragers 31 von der Kathode K zur Steuerelektrode G fließt, wird der Magnetkern 39 durch den zweiten Impulsstrom in einen vorbestimmten Magneti sierungszustand versetzt, wodurch die Größe d V/dt auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerkreis für einen GTO-Thyristor (1), mit einem ersten Schaltkreis (2), der zwischen Kathode (K) und Steuerelektrode (G)des GTO-Thyristors (t) geschaltet ist und ein erstes Schaltelement (22), das zum Zeitpunkt des Sperrens des GTO-Thyristors (1) durchschaltbar ist, sowie einen Kondensator (21) enthält, der mit einer solchen Polarität aufladbar ist, daß sein Entladestrom als ein erster Stromimpuls (Ici) in Sperrichtung von der Kathode (K) zur Steuerelektrode (G) des GTO-Thyristors (1) über das erste Schaltelement (22) fließt, wenn dieses durchgeschaltei wird, und

mit einem zweiten Schaltkreis (3), der zum ersten Schaltkreis (2) parallel geschaltet ist und einen Impulsübertrager (3t) oder einen Stromwandler (50a) mit einer Primärwicklung (31-1,50a 1), die mit einer Stromquelle verbunden ist, und mit einer Sekundärwicklung (31-2, 50a 2) aufweist, die einen zweiten Stromimpuls (Ip₂) in Sperrichtung von der Kathode (K) zur Steuerelektrode (GJ des GTO-Thyristors (1) fließen läßt, der dem ersten Stromimpuls (Ic i) überlagert ist, wobei die beiden Stromimpulse (Ic\, Ip₂) unterschiedliche Anstiegsgeschwindigkeiten haben, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stromimpuls (Ip₂) eine niedrigere Anstiegsgeschwindigkeit und eine größere Impulsbreite als der erste Stromimpuls (Ic\) aufweist

2. Steuerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schaltkreis (2) ebenfalls einen Impulsübertrager (101,101a und 101 ^aufweist, dessen Primärwicklung mit einer Stromquelle über ein zweites Schaltelement (102) verbunden ist, das zu einem gewünschten Zeitpunkt durchschaltbar ist und in seinem Durchschaltzustand den Kondensator (21) über den Übertrager (101, 101a und IQtb) mit der genannten Polarität aufzuladen vermag, und daß im zweiten Schaltkreis (3) zwischen der Primärwicklung (31-1, 31a 1) des Impulsübertragers (31, 31a) oder Stromwandlers (5Oa^ und der Stromquelle (100) ein drittes Schaltglied (32) vorhanden ist, das zum Sperrzeitpunkt des GTO-Thyristors (1) durchschaltbar ist.

3. Steuerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schaltkreis (2) eine zwischen die Kathode (K) und die Steuerelektrode (G) des GTO-Thyristors (1) geschaltete Schutzschaltung (11, 12) aufweist, welche die zwischen Kathode (K) und Steuerlektrode (G) des GTO-Thyristors (1) angelegte Sperrspannung auf einer vorbestimmten Größe hält, und daß die über die Sekundärwicklung (31-2, 31a-2) des Impulsübertragers oder Stromwandlers im zweiten Schaltkreis (3) induzierte Spannung auf eine unterhalb der vorbestimmten Größe der Sperrspannung liegende Größe eingestellt ist.

4. Steuerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Impulsübertrager (41) mit vier Wicklungen (41-1 und 41-4) aufweist, von denen die erste Wicklung (41-1) mit einer Stromquelle (100) über ein viertes Schaltelement (42) verbunden ist, das bei durchgeschaltetem Thyristor (1) im Durchschaltzustand haltbar ist und daß im Augenblick des Sperrens des Thyristors (1) abschaltbar ist, und von denen die vierte Wicklung (41-4) so geschaltet ist, daß sie nach dem Durchschalten des vierten Schaltelements (42) den Kondensator (21) auf die genannte Polarität auflädt, daß der zweite Schaltkreis (3) eine Reihenschaltung aus der zweiten und der dritten Wicklung (41-2 bzw. 41-3) umfaßt, wobei die erste Klemme der Reihenschaltung, welche die Plusklemme bildet, wenn das vierte Schaltelement geschlossen wird, mit der Steuerelektrode des GTO-Thyristors (1) verbunden ist, während die andere, die Minusklemme bildende Klemme der Reihenschaltung an die Kathode angeschlossen ist