DE2814020A1

DE2814020A1 - Thyristorsteuerschaltung

Info

Publication number: DE2814020A1
Application number: DE19782814020
Authority: DE
Inventors: Martin Aaron Kalfus
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1977-03-31
Filing date: 1978-03-31
Publication date: 1978-10-05
Also published as: IT7821801A0; JPS53123060A; IT1094311B; US4115707A; FR2386195A1; GB1599263A; SE7803429L

Description

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Thyristorsteuerschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung, welche Einschalt- und Abschalt-Signale an die Steuerelektrode eines steuerbaren Gleichrichters liefert, der über seine Steuerelektrode abschaltbar ist (ein derartiger Gleichrichter wird im folgenden GTO-Thyristor genannt werden); insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer derartigen Steuerschaltung, die in der Lage ist, derartige Ein- bzw. Ausschaltsignale in Abhängigkeit von einem, über eine einzige Steuersignalleitung zugeführten Signal einer einzigen Polarität zu liefern.

Bei bestimmten Thyristortypen (SCR) läßt sich der zwischen den Hauptelektroden fließende Strom unterbrechen, wenn man der Steuerelektrode eine Vorspannung zuführt, die der zum Einschalten des Thyristors erforderlichen entgegengerichtet ist und Ladungsträger entfernt, anstatt sie zuzuführen. Diese Thyristorarten werden üblicherweise als GTO-(gate-turn-off) Thyristoren bezeichnet und sind im Handel erhältlich. Eine Beschreibung findet sich beispielsweise im 'thyristor and Rectifier Manual" DER RCA Corporation vom August 1975.

In der US-PS 3 271 700 ist eine Möglichkeit zur Zuführung von Einschalt- und Abschalt-Signalen zur Steuerelektrode eines GTO-Thyristors beschrieben. Hierbei wird eine Einschaltschaltung benutzt, die auf ein erstes Steuersignal reagiert und der Steuerelektrode des GTO-Thyristors einen Einschaltstrom zuführt; eine Abschaltschaltung reagiert auf ein zweites Steuersignal der gleichen Polarität wie das erste Steuersignal und legt ein Bezugspotential an die Steuerelektrode des Thyristors und führt von dieser Strom ab, wodurch der Thyristor abgeschaltet wird.

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Ein Problem bei bekannten Schalterkreisen besteht in dem Erfordernis zweier getrennter Steuerleitungen für die Einschalt- und die Abschalt-Schaltung, wenn der GTO-Thyristor über eine Fernsteuerung gesteuert werden soll. Man kann daran denken, dieses Problem zu überwinden und die Einschalt- und Abschaltsteuerung mit Hilfe einer einzigen Steuerleitung durchzuführen, indem man an einer entfernten Stelle zwei Einschalt- und Abschaltschaltungen vorsieht und deren Ausgänge über eine einzige Leitung mit der Steuerelektrode des GTO-Thyristors verbindet. Eine solche Lösung wäre jedoch unbefriedigend, weil ein relativ großer Steuerelektrodenstrom während des Sperrens des GTO-Thyristors fließt und die Steuerleitung daher einen unpraktisch großen Leiter haben müßte, um den großen Abschaltstrom führen zu können.

Die Erfindung befaßt sich nun mit einer Steuerschaltung, bei welcher ein über eine einzige Steuerleitung geliefertes Steuersignal verstärkt wird und als eines der beiden Signale, Einschalt-Signal oder Abschalt-Signal, dem GTO-Thyristor zugeführt wird. Die Steuerschaltung enthält einen monostabilen Schalter, welcher das jeweils andere dieser beiden Signale für den GTO-Thyristor erzeugt und beim Ende des Steuersignals anspricht.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der in den beiliegenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild einer generellen Ausführungsform einer Steuerschaltung für einen GTO-Thyristor gemäß der Erfindung ;

Fig. 2 eine Einschalt-Schaltung, wie sie in dem Schaltbild gemäß Fig. 1 verwendet werden kann; und

Fig. 3 eine Auschalt-Schaltung, wie sie in Fig. 1 verwendet werden kann.

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Die Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors 19 schließt gemäß Fig. 1 im leitenden Zustand eine Verbindung zwischen dem Anschluß 17 positiven Potentials +V und dem Masseanschluß 31. Diese Verbindung enthält eine als Widerstand 21 dargestellte Last, durch welche ein Gleichstromweg verläuft. Die Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors 19 wird durch Anlegen eines positiven Gleichstromimpulses an seine Steuerelektrode in den Leitungszustand getriggert und bleibt von selbst solange leitend, wie ein Strom durch diese Hauptstromstrecke fließt. Der Leitungszustand kann jedoch unterbrochen werden, wenn man einen genügend großen positiven Strom aus der Steuerelektrode abfließen läßt. Nach einer solchen Leitungsunterbrechung stellt sich der Leitungszustand zwischen Anode und Kathode des Thyristors 19 nicht wieder ein, solange nicht erneut ein positiver Steuerelektrodenstrom angelegt wird oder ein scharfer Spannungssprung zwischen Kathode und Anode auftritt.

Die Einschalt-Schaltung 5 liefer t einen positiven Strom an die Steuerelektrode des Thyristors 19, um diesen einzuschalten, indem ein leitender Stromweg zwischen den Anschlüssen 13 und 15 gebildet wird, durch welchen ein Einschaltstrom fließt, sofern dem Steueranschluß 3 ein positiver Strom zugeführt wird. Eine Abschalt-Schaltung 9 läßt einen positiven Strom aus der Steuerelektrode des Thyristors 19 abfließen, so daß dieser gesperrt wird, indem nämlich ein leitender Weg zwischen den Anschlüssen 27 und 29 gebildet wird, wenn dem Steueranschluß 7 ein positiver Strom zugeführt wird. Die Einschalt-Schaltung 5 kann beispielsweise einen Verstärker mit einem in Kollektorgrundschaltung betriebenen npn-Transistor 51 mit einem strombegrenzenden Emitterwiderstand 53 enthalten, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die Abschalt-Schaltung 7 kann beispielsweise einen in Emittergrundschaltung betriebenen Verstärkertransistor 55 gemäß Fig. 3 enthalten.

Bei der bereits erwähnten bekannten Schaltung werden die den Steueranschlüssen 3 und 7 zugeführten positiven Ströme über ge-

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trennte Steuersignalleitungen von getrennten Steuersignalquellen geliefert. Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 liefert jedoch eine einzige Steuersignalquelle 81 ein Steuersignal über eine einzige Steuersignalleitung 83 zum Eingangsanschluß 1 eines monostabilen Schalters 23. Führt die Signalleitung 83 ein Steuersignal positiver Polarität zum Eingangsanschluß 1, dann gelangt dieses Signal über den Widerstand 11 zum Eingangsanschluß 3 der Einschalt-Schaltung 5 und betätigt diese in der bereits erwähnten Weise. Infolge dieses Stromflusses wird der Thyristor 19 eingeschaltet und liefert einen Strom zur Last 21 (die in diesem Beispiel als Kathodenlast veranschaulicht ist). Die Last 21 kann auch als Anodenlast für den Thyristor 19 geschaltet sein.

Gleichzeitig mit dem Betrieb der Einschalt-Schaltung 5 gelangt das dem Eingangsanschluß 1 zugeführte erste Steuersignal auch über einen Widerstand 33 zur Basis eines Transistors 35 des Schalters 23. Infolge dieses positiven Steuersignals wird der Transistor 35 leitend und bildet einen Stromweg niedriger Impedanz zwischen seinem Kollektor und Emitter. Ein vorher aufgeladener Kondensator 37 entlädt sich über diesen niederohmigen Stromweg des Transistors 35 und den Anschluß 39 nach Masse. Wenn sich der Kondensator 37 mit einer Geschwindigkeit, die proportional zum Wert des Widerstandes 41 ist, so entlädt, wird die Basis des Transistors 43 auf einem niedrigen Potential gehalten, so daß dieser Transistor im Sperrzustand verbleibt.

Wenn das Steuersignal von der Signalleitung 83, also vom Eingangsanschluß 1, wieder entfernt wird, dann spricht der Schalter 23 auf die Rückflanke des Steuersignals an, wie im einzelnen noch erläutert werden wird, und erzeugt ein Signal positiver Polarität, das als zweites Steuersignal an seinem Ausgangsanschluß 25 angesehen werden kann. Dieses zweite positive Steuersignal gelangt zum Eingangsanschluß 7 der Abschalt-Schaltung 9 und betätigt diese derart, daß die Steuerelektrode des Thyristors 19 mit dem Anschluß 31 verbunden wird und Be-

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zugspotential, in diesem Falle Masse, erhält. Gleichzeitig mit dem Betrieb des Schalters 23 spricht die Einschalt-Schaltung 5 auf die Rückflanke des ersten Steuersignals an und öffnet den Strompfad zwischen den Anschlüssen 13 und 15. Die Abschalt-Schaltung 9 bewirkt also einen Stromfluß von der Steuerelektrode des Thyristors 19 nach Masse, so daß dieser abgeschaltet oder gesperrt wird und seine Leitungsstrecke zwischen Anode und Kathode unterbricht, so daß der Last 21 nicht länger Strom zugeführt wird.

Wenn der Transistor 35 sperrt, nachdem das erste Steuersignal vom Anschluß 1 entfernt worden ist, vergrößert sich die Impedanz zwischen seinem Kollektor und seinem Emitter erheblich, so daß die Entladungsstrecke für den Kondensator 37 unterbrochen wird. Der Kondensator 37 wird nun durch einen Strom wieder aufgeladen, der aus der Spannungsquelle +V am Anschluß 45 über die Reihenschaltung des Widerstandes 47 mit dem Kondensator 37 und dem Widerstand 41 und den Anschluß 39nach Masse fließt. Die Ladezeitkonstante bestimmt sich grundsätzlich durch die Summe der Widerstände 41 und 47 im Produkt mit dem Kapazitätswert des Kondensators 37. Wenn der Kondensator 37 anfänglich sich aufzuladen beginnt, dann fließt durch den Widerstand 41 ein relativ großer Strom, der einen Spannungsabfall am Widerstand 41 zur Folge hat, so daß eine zum Einschalten des Transistors 43 genügend große positive Spannung an dessen Basis erscheint. Beim Einschalten des Transistors 43 verringert sich seine Impedanz zwischen Kollektor und Emitter, so daß ein niederohmiger Stromweg zwischen den Anschlüssen 45 und 25 gebildet wird. Dadurch wird die Spannung +V an den Eingangsanschluß 7 der Abschalt-Schaltung 9 als zweites positives Steuersignal angelegt.

Die Abschalt-Schaltung 9 reagiert auf dieses positive Signal durch Abschalten des Thyristors 19, und um dieses Abschalten sicherzustellen, ist es wichtig, daß der Spannungsabfall am Stromleitungsweg der Abschaltschaltung 9 relativ klein ist, wenn sich der aus der Steuerelektrode des Thyristors 19 fließen-

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de Strom auf einen relativ kleinen Wert verringert. Wird die Abschalt-Schaltung 9 anfänglich in der beschriebenen Weise eingeschaltet, dann wird ein relativ großer Strom aus der Steuerelektrode des Thyristors 19 abgeleitet, wodurch dessen Abschalten eingeleitet wird. Dieser Abschaltstrom sinkt schnell auf einen relativ niedrigen Wert ab; dementsprechend muß die Abschalt-Schaltung 9 in der Lage sein, anfangs einen relativ großen Strom und danach einen relativ kleinen Strom mit einem relativ niedrigen Spannungsabfall über ihre Stromleitungsstrecke zwischen den Anschlüssen 27 und 29 zu führen.

Das auf diese Weise am Anschluß 25 des Schalters 23 erzeugte Ausgangssignal hat eine Zeitdauer, die durch die RC-Zeitkonstante für die Aufladung des Kondensators 37 bestimmt ist. Beginnt sich der Kondensator 37 auf einen Maximalwert (im vorliegenden Beispiel +V) aufzuladen, dann sinkt die Größe des durch den Kondensator 37 und die in Reihe mit diesem liegenden Widerstände 47 und 41 fließenden Stromes exponentiell ab, und zwar proportional mit der zunehmenden Ladung des Kondensators 37. Nach einer Zeitdauer entsprechend einer Anzahl von Zeitkonstanten der Ladeschaltung für den Kondensator 37 sinkt die Spannung am Widerstand 41 auf einen Wert unterhalb desjenigen Spannungspegels, der erforderlich ist, um den Transistor 43 leitend zu halten. Daher wird also der Transistor 43 gesperrt und öffnet seine Leitungsstrecke durch ein wesentliches Anwachsen der Impedanz zwischen seinem Kollektor und seinem Emitter, so daß das positive zweite Steuersignal am Ausgangsanschluß 25 verschwindet. Der monostabile Schalter 35 ist nun nicht mehr in seinem aktiven Zustand, sein Kondensator 37 ist voll aufgeladen und seine Transistoren 35 und 43 sind gesperrt. Bei Verschwinden des zweiten Steuersignals vom Eingangsanschluß 7 wird auch die Abschalt-Schaltung 9 selbst gesperrt, so daß kein Strom mehr durch die Schaltungen 23, 5 und 9 fließt und der Thyristor 19 abgeschaltet wird.

Der Widerstand 49 verringert den Leckstromfluß zwischen Steuer-

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elektrode und Kathode des Thyristors 19, um sicherzustellen, daß er innerhalb der Zeitdauer des vom monostabilen Schalter 23 erzeugten zweiten Steuersignals vollständig gesperrt ist. Der Widerstand 49 kann auch entfallen, wenn die Dauer des zweiten Steuersignals relativ lang gewählt wird.

Die Einschalt-Schaltung 5 kann gemäß Fig. 2 durch einen Transistor 51 mit einem Emitterwiderstand 53 gebildet werden. Der Transistor 51 wird durch ein positives Steuersignal am Anschluß 1 in den Leitungszustand gebracht und verringert seine Kollektor-Emitter-Impedanz, um den Thyristor 19 in der erwähnten Weise einzuschalten. Entsprechend kann die Abschalt-Schaltung 9 durch einen einzigen Transistor 55 gemäß Fig. 3 realisiert werden. Der Transistor 55 reagiert auf das zweite positive Steuersignal am Ausgangsanschluß 25 des monostabilen Schalters 23 im Sinne eines Einschaltens des Thyristors 19.

Ein besonders vorteilhaftes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Schaltung liegt bei PKWs, LKWs und anderen Fahrzeugen, deren Chassis elektrisch auf Masse liegt und bei denen einadrige elektrische Schaltungs- und Steuerverbindungen üblich sind.

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Claims

U.S. Anm. Nr. 783,223 _r,_{r nief}„ „ _OemW vom 31. März 1977

Dipi.-i;n Vic:_s-.-;-:-g Hsuslar 8 München 88, Postfach 860668

RCA Corporation, Hew York, N.Y. (V.St.A.) Patentansprüche

( 1)^Steuerschaltung für einen über seine Steuerelektrode sperrbaren steuerbaren Gleichrichter mit einer Einschalt-Schaltung, die bei Zuführung eines ersten Steuersignals zu einem Eingangsanschluß eine Betätxgungsspannung an die Steuerelektrode des steuerbaren Gleichrichters anlegt und ihr einen Strom zuführt, um ihn einzuschalten, und mit einer Abschalt-Schaltung, die bei Zuführung eines zweiten Steuersignals gleicher Polarität wie das erste Steuersignal zu einem Eingangsanschluß ein Bezugspotential an die Steuerelektrode des steuerbaren Gleichrichters anlegt und aus dieser einen den Gleichrichter abschaltenden Strom entnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das ersteSteuersignal einem Signaleingangsanschluß (1) zuführbar ist, zwischen dem und dem Eingangsanschluß (3) der Einschalt-Schaltung (5) ein Widerstand (11) angeordnet ist, und daß zwischen den Signaleingangsanschluß (1) und der Abschalt-Schaltung (9) ein monostabiler Schalter (23) liegt, der auf die Rückflanke des ersten Steuersignals anspricht und das zweite Steuersignal erzeugt und dem Eingangsanschluß (7) der Abschalt-Schaltung (9) für eine vorbestimmte Zeitdauer zuführt, derart, daß die Einschaltschaltung (5) und

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die Abschalt-Schaltung (9) über Steuersignale auf einer einzigen Steuerleitung (33) - statt auf zwei getrennten Steuerleitungen - steuerbar ist.
2) Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der monostabile Schalter enthält: einen ersten Anschluß (45) zur Zuführung einer Betriebsspannung, einen zweiten Anschluß (39) zur Zuführung eines Bezugspotentials, ein zwischen den ersten und den zweiten Anschluß geschaltetes Ladungsspeicherelement (37), einen ersten Transistor (35), dessen Steuerelektrode mit dem Signaleingangsanschluß (1) verbunden ist und der bei Vorhandensein des ersten Steuersignals einen Entladungsstromweg für das Ladungsspeicherelement zwischen diesem und dem zweiten Anschluß bildet und der anschließend beim Verschwinden des ersten Steuersignals seinen Strompfad öffnet, so daß sich das Ladungsspeicherelement auf einen Spannungswert aufladen kann, der sich der Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluß nähert, und einen zweiten Transistor (43), der unter Steuerung durch die Aufladung des Ladungsspeicherelementes das zweite Steuersignal erzeugt und der Abschaltschaltung (9) zuführt.
3) Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsspeicherelement (37) einen ersten und einen zweiten Widerstand (47,41), die mit einem Ende an den ersten bzw. zweiten Anschluß (45 bzw, 39) angeschlossen sind, und einen zwischen die anderen Enden dieser Widerstände geschalteten Kondensator (37) enthält.
4) Sdaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des ersten Transistors (35) als Steuerelektrode geschaltet ist, sein Kollektor mit dem Verbindungspunkt des Kondensators (37) mit dem ersten Widerstand (47) und sein Emitter mit dem zweiten Anschluß (39) verbunden ist.

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5) Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (43) mit seiner Steuerelektrode an den Verbindungspunkt des Kondensators (37) mit dem zweiten Widerstand (41) angeschlossen ist und seine Hauptstromstrecke zwischen den ersten Anschluß (45) und den Ausgangsanschluß (25) geschaltet ist und daß dieser Transistor, wenn die am zweiten Widerstand (41) abfallende Spannung während der Aufladung des Kondensators (37) einen vorbestimmten Wert erreicht, eingeschaltet wird und infolge der Impedanzverringerung seiner Hauptstromstrecke einen wesentlichen Teil der Betriebsspannung als das zweite Ausgangssignal an den Ausgangsanschluß gelangen läßt.

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