DE2907147C3

DE2907147C3 - Gate-Steuerschaltung für einen feldgesteuerten Thyristor

Info

Publication number: DE2907147C3
Application number: DE2907147A
Authority: DE
Inventors: Norikazu Hitachi Tokunaga
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-02-24
Filing date: 1979-02-23
Publication date: 1981-07-16
Also published as: DE2907147B2; US4292550A; FR2418569B1; FR2418569A1; JPS54113238A; JPS6036708B2; DE2907147A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gatc-Steuerschaltung (im folgenden kurz als Steuerschaltung bezeichnet) für einen feldgesteuerten Thyristor (im folgenden auch kurz als Thyristor bezeichnet), bei dem der von der Anode zur Kathode fließende Strom durch die an der Gate-Kathoden-Strecke anliegende Spannung gesteuert wird.

Der feldgesteuerte Thyristor wird eingeschaltet und in den leitenden Zustand gebracht, wenn seinem Gate eine negative Vorspannung zugeführt wird, die niedriger ist als eine vorbestimmte Spannung. Im leitenden Zustand fließt ein Strom von der Anode zur Kathode, weil der Widerstand der Anoden-Kathoden-Strecke niedrig ist. Ist die negative Vorspannung höher als die vorbestimmte Spannung, so wird der Thyristor ausgeschaltet und befindet sich im sperrenden Zustand. Im sperrenden Zustand ist der von der Anode zur Kathode fließende Strom praktisch gesperrt.

Die. vorbestimmte Spannung wird üblicherweise als »Abschnürspannung« bezeichnet; sie ändert sich in Abhängigkeit von der zwischen Anode und Kathode des Thyristors angelegten Vorspannung.

Ein derartiges Halbleiter-Bauelement ist beispielsweise aus den US-PS 40 37 245 und 40 60 821 bekannt.

Bei den bekannten feldgesteuerten Thyristoren kann der von der Anode zur Kathode fließende Strom durch die zwischen Gate und Kathode angelegte Spannung gesteuert werden, die niedriger eingestellt wird als die Spannung zwischen Anode und Kathode. Wenn die bekannten Thyristoren aus dem !eilenden in den sperrenden Zustand geschalte! werden, fließt durch die Gate-Kathoden-Strecke ein Strom, der praktisch gleich ist dein Strom, der im leitenden Zustand von der Anode zur Kathode fließt. Weiterhin muß eine negative Vorspannung dauernd an das Gate angelegt werden, die höher ist als die Abschnürspannung, um den Thyristor im sperrenden Zustand zu halten.

Bei einer Gate-Steuersc'naltung für einen üblichen Thyristor oder einen Gate-Ausschaltthyristor wird zuvor ein Kondensator durch eine Gleichspannungsquelle aufgeladen und dann beim Zünden oder Löschen des Thyristors entladen. Die Spannung an dem so

4") entladenen Kondensator ist wesentlich geringer als die Spannung am Kondensator vor der Entladung (im folgenden kurz als anfängliche Ladespannung bezeichnet). Der Thyristor braucht jedoch nicht mit einer Gate-Vorspannung gespeist zu werden, nachdem er

Vi einmal ein- oder ausgeschaltet wurde. Daher braucht die Spannung am Kondensator nicht berücksichtigt zu werden, nachdem er entladen ist. Die Kapazität des Kondensators wird daher nur so hoch gewählt, daß der Thyristor ein- oder ausgeschaltet werden kann. Bei

-,-) Anwendung einer Gate-Steuerschaltung, bei der ein Kondensator auf einen feldgesteuerten Thyristor entladen wird, muß dagegen die Spannung am Kondensator höher als die Abschnürspannung gehalten werden, auch nachdem der feldgesteuerte Thyristor

mi ausgeschaltet ist. Wie beschrieben, muß nämlich eine negative Vorspannung, die höher als die Abschnürspannung ist, weiter an das Gat? des Thyristors angelegt bleiben, um ihn im gesperrten Zustand zu halten.

Um die Spannung am Kondensator hoch genug zu

h", halten, muß seine Kapazität oder die anfängliche Ladespannung hoch sein. Dies fuhrt jedoch /u verhältnismäßig großen Abmessungen des Kondensators. Im allgemeinen ist die Große eines Kondensators

Droportional zur elektrostatischen Energie E, die er speichern kann. Die elektrostatische Energie £läßt sich jurch folgende Gleichung ausdrucken;

E = 1 cW ,

worin C die elektrostatische Kapazität des Kondensators und Vm die maximale Arbeitsspannung sind. Üblicherweise wird die maximale Arbeitsspannung Vm höher als die anfängliche Ladespannung gewählt.

Ein Kondensator mit honer Kapazität und hoher Arbeitsspannung nimmt in der Gate-Steuerschaltung einen sehr kleinen Raum ein, wenn der zulässige Strom des Kondensators gering ist. Kondensatoren zum Ausschalten eines feldgesteuerten Thyristors müssen aber einen hohen zulässigen Strom haben und nehmen in der Steuerschaltung einen verhältnismäßig großen Raum in Anspruch. Der Kondensator sollte daher vorzugsweise keine hohe Kapazität und/oder keine hohe Arbeitsspannung haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gate-Steuerschaltung anzugeben, die keinen Kondensator mit hohem zulässigem Strom, hoher Kapazität und hoher Arbeitsspannung benötigt und bei der der Kondensator, der mit dem feldgesteuerten Thyristor verbunden ist, um ihn auszuschalten oder im gesperrten Zustand zu halten, nach dem Ausschalten automatisch vom Thyristor getrennt wird.

Erfindungsgemäß ist bei einer Gate-Steuerschaltung für einen feldgesteuerten Thyristor die Kapazität des zwischen Gate und Kathode des feldgesteuerten Thyristors geschalteten Kondensators, der zum Ausschalten des Thyristors und zum Halten desselben im gesperrten Zustand dient, so hoch gewählt, daß sie nur zum Ausschalten des Thyristors ausreicht, wobei nach dem Umschalten des Thyristors in den sperrenden Zustand durch die Entladung des Kondensators eine Spannungsquelle mit dem Gate und der Kathode des feldgesteuerten Thyristors im sperrenden Zustand anstelle des Kondensators verbunden wird, deren Spannung höher ist als die Abschnürspannung.

Im einzelnen ist die positive Klemme einer Reihenschaltung bestehend aus zwei Kondensatoren mit der Kathode eines feldgesteuerten Thyristors verbunden, und zwar über einen Widerstand und einen Transistor. Die negative Klemme der Reihenschaltung ist mit dem Gate des feldgesteuerten Thyristors verbunden. Der Verbindungspunkt der Reihenschaltung ist über einen Thyristor an die Kathode des feldgesteuerten Thyristors angeschlossen. Die Kondensatoren werden durch Gleichstrom geladen. Soll der feldgesteuerte Thyristor ausgeschaltet werden, so werden der Thyristor und der Transistor zunächst in den leitenden Zustand versetzt, worauf der eine Kondensator über den Thyristor entladen wird. Infolgedessen wird der feldgesteuerte Thyristor ausgeschaltet. Nach dem Ausschalten des feldgesteuerten Thyristors wird die Spannung des anderen Kondensators an das Gate des feldgesteuerten Thyristors angelegt, um diesen im gesperrten Zustand TM halten=

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. I das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Gate-Steuerschaltimg.

F i g. 2A. 2B und K' zur Erläuterung der Arbeitsweise der Gate-Steuerschaluing der F i g. I in Diagrammen

den Verlauf der Spannungen Ki und K-3 an den mit dem Gate des feldgesteuerten Thyristors verbundenen Kondensatoren, /ι h und h die Entladeströme dor Kondensatoren, Ia den Anoden-Kathoden-Strom des

ι feldgesteuerten Thyristors und Vi die Anoden-Kathoden-Spannung des feldgesteuerten Thyristors.

Gemäß Fig. 1 ist ein feldgesteuerter Thyristor 10 in Reihe mit einer Hauptschaltung geschaltet, die ihrerseits aus einer Reihenschaltung aus einer Last 12 und

in einer Gleichspannungsquelle 14 besteht. Der Thyristor 10 wird durch eine Gate-Steuerschaltung ein- oder ausgeschaltet Der feldgesteuerte Thyristor 10 hat eine Anode 18, eine Kathode 20 und ein Gate 22. Liegt zwischen Kathode 20 und Gate 22 eine Vorspannung an,

i) die höher ist als die Abschnürspannung Vp, so kann ein Strom von der Anode 18 zur Kathode 20 fließen. Die Vorspannung ist negativ und hält das Potential des Gate 22 unterhalb des Potentials der Kathode 20. Ist die negative Vorspannung geringer als die Abschnürspannung Vp, so fließt ein Strom von der Anode 18 zur Kathode 20, so daß die Spannung de; Gleichstromquelle 14 der Last 12 zugefügt wird.

Ein in der Gate-Steuerschaltung 16 vorgesehener Leistungstransformator 24 enthält eine Primärwicklung 26 und zwei Sekundärwicklungen 28 und 30. Die Primärwicklung 26 ist an das Netz 32 angeschlossen. Die Sekundärwicklungen 28 und 30 sind je mit einem Vollwellengleichrichter 34 bzw. 36 verbunden. Der Vollwellengleichnchter 34 besteht aus vier Dioden 38, 40,42 und 44; der Vollwellengleichricheer 36 besteht aus vier Dioden 46,48,50 und 5Z Die Vollwellengleichrichter 34 und 36 sind so miteinander in Reihe geschaltet, daß ihre Ausgangsspannungen Vi und Vj einander additiv überlagern. Zwischen die negative Klemme 54

Jj des Vollwellengleichrichters 34 und die positive Klemme 56 des Vollweilengleichrichters 36 sind zwei Kondensatoren 58 und 60 geschaltet. Der Verbindungspunkt 64 zwischen den Kondensatoren 58 und 60 ist mit dem Verbindungspunkt 62 der Vollwellengleici/richter 34 und 36 verbunden. Die negative Klemme 66 des Kondensators 58 ist über einen Widerstand 68 mit dem Gleichrichter 34, und die positive Klemme 70 des Kondensators 60 über einen Widerstand 72 mit dem Gleichrichter 36 verbunden. Die Kondensatoren 58 und

•r. 60 werden somit über die Widerstände 68 bzw. 72 geladen. Die Ausgangsspannung Vi des Vollweliengleichrichters 34 ist niedriger als die Abschnürspannung Vp gewählt, während die Ausgangsspannung V₂ des Vollwellengleichrichters 36 höher als die Abschnürspan-

w nung V_n ist. Die Kapazität des Kondensators 58 reicht nur zum Ausschalten des feldgesteuerten Thyristors 10. Die anfängliche Ladespannung bzw. die maximale Arbeitsspannung des Kondensators 58' ist somit ebe*,ia!Is niedriger als die Abschnürspannung Vp, Die

»i Spannung am Kondensator 60 ist dagegen höher eingestellt als K>

Das Gate 22 des feldgesteuerten Thyristors 10 ist mit der negativen Klemme 66 des Kondensators 62 verbunden. Die Kathode 20 ist über einen Thyristor 74

w) mit dem Verbindungspunkt 64 zwischen den Kondensatoren 58 und 60 und über einen Widerstand 76 und einen Transistor 78 mit der positiven Klemme 70 des Kondensators 60 verbunden. Der Widerstandswert des Widerstandes 76 ist so hoch gewählt, daß die Spannung

*'· am Kondensate. 60 nicht unter die Abschnürspannung V_r fallen kann.

Zwischen Gate und Kathode des Thyristors 74 ist ein Vorspannwiderstand 80 und zwischen Basis und Emitter

des Transistors 78 ein Vorspannwiderstand 82 geschaltet. Ein Impulstransformator 84 steuert den Thyristor "/4 und den Transistor 78. Der Impulstransformator 84 weist eine Eingangswicklung 86 und zwei Ausgangswicklungen 88 und 90 auf. Die Ausgangswicklung 88 ist über einen Widerstand 92 und einen Kondensator 94 an die beiden Enden des Widerstandes 80 angeschlossen. Die Ausgangswicklung 90 ist über einen Widerstand 96 an die beiden Enden des Vorspannwiderstandes 82 angeschlossen. Die Eingangswicklung 86 des Transfor m&tors 84 ist einer Diode 98 antiparallel geschaltet. Die Diode 98 verhindert, daß in die Eingangswicklung 86 überhöhte Spannungen induziert werden. Mit der Eingangswicklung 86 ist ein Transistor 100 in Reihe geschaltet, dessen Basis und Emitter über einen Vorspannwiderstand 102 miteinander /erbunden sind. Transistor 100 und Vorspannwiderstand 102 bilden einen Steuersignalgenerator zur Steuerung des Thyristors 74 und des Transistors 78. Der Transistor 100 leitet, wenn das Steuersignal V, aul dem EIN-Fegei liegt, so daß ein Strom über die Eingangswicklung 86 fließt. Der Transistor 100 ist ausgeschaltet, wenn sich das Steuersignal V, auf dem AUS-Pegel befindet.

Es sei nun angenommen, daß das der Basis des Transistors 100 zugeführte Steuersignal V, auf AUS-Pegel liegt. Der Transistor 100 wird dann im ausgeschalteten Zustand gehalten, so daß an den Ausgangswicklungen 88 und 90 des Impulstransformators 84 keine Ausgangssignale erscheinen und der Thyristor 74 und der Transistor 78 ausgeschaltet bleiben. Demzufolge wird zwischen Gate 22 und Kathode des feldgesteuerten Thyristors 10 keine negative Vorspannung angelegt und dieser im gesperrten Zustand gehalten. Der Kondensator 58 wird dann mit der in Fig. 1 gezeigten Polarität durch den Gleichrichter 34 aufgeladen. Die Spannung V₁ ! am Kondensator 58 ist niedriger als die Abschnürspannung V_n (F ig. 2A). Der Kondensator 58 speichert jedoch ausreichend viel Ladung, um den feldgesteuerten Thyristor 10 aus dem leitenden in den sperrenden Zustand zu bringen. Andererseits wird der Kondensator 60 durch den Gleichrichter 36 mir der in F i g. 1 gezeigten Polarität geladen. Die Spannung V': am

KnnHprnatnr hfl Ut hnhpr al« Hip Ah«rhnür<;nanniiniJ V-

(F ig. 2B).

Nimmt das am Transistor 102 anliegende Steuersignal V₁ zur Zeit T den Pegel EIN an. so fließt ein Strom über die Eingangswicklung 86 des Impulstransformators 84. Infolgedessen werden Spannungen mit den in Fig.! gezeigten Polaritäten in die Ausgangswicklungen 88 und 90 induziert. Die Ausgangsspannung an der Ausgangswicklung 88 wird über den Widerstand 92 und den Kondensator "M dem Vorspannwiderstand 80 zugeführt, so daß der Thyristor 74 zündet. Die Ausgangsspannung an der Ausgangswicklung 90 wird über den Widerstand 96 dem Vorspannwiderstand 82 zugeführt, so daß der Transistor 78 durchschaltet.

Wenn der Thyristor 74 und den Transistor 78 beide eingeschaltet sind, fließen durch die Gate-Steuerschaltung 16 drei Arten von Strömen i\. h und h (F i g. 1). Der Strom / ist der Entladestrom über die Strecke Kondensator 58 — Thyristor 74 — Kathode 20 — Gate 22 — Kondensator 58. Der Strom /2 ist der zirkulierende Strom über die Strecke Kondensator 60 — Widerstand 76 — Transistor 78 — Thyristor 74 — Kondensator 60. Der Strom /> ist der Entladestrom über die Strecke Kondensator 60 — Widerstand 76 — Transistor 78 — Kathode 2ö — Gate 22 — Kondensator 58 — Kondensator 60.

Da die Impedanz der Strecke, über die der Strom Z₁ fließt, gering ist, steigt der Strom i\ zur Zeil T und erreicht zur Zeit Ti seinen Spitzenwert (Fig. 2A). Der Spitzenwert ist annähernd gleich dem Strom Ia von der > Anode zur Kathode des feldgesteuerten Thyristors 10. Im Übergangsstand des Thyristors 10 vom leitenden in den sperrenden Zustand nimmt der Entladestrom ;Ί allmählich ab, bis sie zur Zeit Tt verschwindet. Der Laststrom Ia über den feldgesteuerten Thyristor 10

in nimmt nach der Zeit Tj ab, zu der der Thyristor 10 in den Übergangszustand in Richtung zum sperrenden Zustand eintritt, bis der Strom /.< zur Zeit Tt praktisch verlöscht (Fig. 2C). Die Spannung VV zwischen Anode 18 und Kathode 20 des Thyristors 10 beginnt zur Zeit T₁

ι', anzusteigen und erreicht zur Zeit Tt ihren Spitzenwert.

Der Strom Ai durch den Thyristor 74 ist gleich der Differenz i\ — h zwischen dem Entladestrom /Ί vom Kondensator 58 und dem Strom /2. Wird dieser Strom /,1 kleiner als der Strom, bei dem der Thyristor 74 im

;ii eingeschalteten Zustand gehalten wird, wird der Thyristor 74 automatisch ausgeschaltet. Es ist daher keine spezielle Schaltung zum Löschen des Thyristors 74 erforderlich. Schaltet der Thyristor 74 aus. so verschwinden die Ströme /Ί und /2.

Die Spannung am Kondensator 58 fällt nach der Zeit 71, zu der der Thyristor 74 eingeschaltet und der Kondensator entladen wird (Fig. 2A). Die Spannung erreicht zur Zeit T₅ ihren Minimalwert, zu der der Ladestrom /,gleich dem Entladestrom /Ί wird, und steigt

in nach der Zeit 7"j wieder an. Die Spannung V₁₁,, am Kondensator 58 zur Zeit Tt. bei der der Thyristor 10 in den sperrenden Zustand geschaltet wird, ist geringer als die Abschnürspannung Vp (F ig. 2Aj₁ Der Kondensator 58 kann daher den feldgesteuerten Thyristor 10 nach

r> dem Zeitpunkt Tt nicht im sperrenden Zustand halten. Da der Entladestrom /2 durch den Widerstand 76 begrenzt ist (F i g. 2B), ist der Wert V₁,, > der Spannung V₁.2 am Kondensator 60 selbst zur Zeit Tt größer als die Abschnürspannung V_n. Der Transistor 78 leitet weiter,

■" solange die Ausgangswicklung 90 ein Ausgangssignal liefert. Demzufolge wird dem feldgesteuerten Thyristor 10 selbst nach der Zeit T₄ durch die kombinierte Funktion von Transistor 78 und Kondensator 60 eine negative Vorspannung zugeführt, die höher ist als die

4-. Abschnürspannung V_n. Der Thyristor 10 wird daher weiter im sperrenden Zustand gehalten.

Wenn darauf das dem Gate des Transistors 100 zugeführte Steuersignal V« den AUS-Pegel annimmt, wird der Transistor 100 ausgeschaltet, demzufolge

■>< erlöschen die Ausgangssignale an den Ausgangswicklungen 88 und 90 des Impulstransformators 84. Daher wird der Transistor 78 ausgeschaltet und die nega >e Vorspannung wird vom Gate 22 des feldgesteuerten Thyristors 10 entfernt, so daß dieser in den leitenden Zustand übergeht.

Während die Ausgangswicklung 88 kein Ausgangssignal liefert, läßt der Kondensator 94 den Entladestrom k in Richtung des gestrichelten Pfeils in Fig. 1 fließen, so daß dem Thyristor 74 eine negative Vorspannung

•"i zugeführt wird. Hierdurch wird eine fehlerhafte Zündung des Thyristors 74 verhindert.

Bei dem beschrieben Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der feldgesteuerte Thyristor 10 durch den Entladestrom aus dem Kondensator 58 vom leitenden in

-.-, den sperrenden Zustand geschaltet und danach durch die Spannung am Kondensator 60 im sperrenden Zustand gehalten. Der Kondensator 58 braucht daher lediglich ausreichend viele Ladungen zu speichern, um

den Thyristor 10 auszuschalten; die anfängliche Ladespannung und die Spannung nach der Entladung können niedriger als die Abschniirspannung V_n eingestellt werden. Dies erlaubt es, den Kondensator mit verhältnismäßig geringer Kapazität und Vergleichs-

weise niedriger mavmal zulässiger Arbeitsspannung auszuführen. Da in den Kondensator 60 ein kleiner Strom fließt, kann hierfür ein kleiner Kondensator mit geringem zulässigem Strom gewählt werden, obwohl die Ladespannung hoch ist.

llicr/u 2 Hlütl /ckhininncn

Claims

Patentansprüche:

1, Gate-Steuerschaltung für einen feldgesteuerten Thyristor, bei dem ein Strom von seiner Anode zu seiner Kathode fließt, wenn eine negative Gate-Kathoden-Vorspannung geringer ist als die Abschnürspannung des feldgesteuerten Thyristors, und der den Strom sperrt, wenn die negative Gate-Kathoden-Vorspannung höher ist als die Abschnürspannung, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung aus einem ersten und einem zweiten Kondensator (58, 60), deren positive Klemme (70) und deren Verbindungspunkt (64) zwischen erstem und zweitem Kondensator an die Kathode (20) des feldgesteuerten Thyristors (10) und deren negative if Klemme (66) an das Gate (20) des feldgesteuerten Thyristors (10) angeschlossen sind, wobei die Kapazität des ersten Kondensators, an den die negative Klemme der Reihenschaltung angeschlossen ist, se groß gewählt ist, daß der feldgesteuerte Thyristor mir ausgeschaltet wird, wobei die maximale Arbeitsspannung des ersten Kondensators (58) kleiner als die Abschnürspannung und wobei die Spannung am zweiten Kondensator, an den die positive Klemme (70) der Reihenschaltung angeschlossen ist, höher als die Abschnürspannung gewählt ist,

durch eine erste Gleichspannungsquelle (34) mit einer positiven und einer negativen Ausgangsklemme, die an den Verbindungspunkt (64) der Reihenschaltung bzw. deren negative Klemme (66) angeschlossen sind,

durch eine zweite Gleichspannungsquelle (36), deren positive und negative Ausgangsklemme an die positive Klemme (70) der Reihenschaltung bzw. deren Verbindungspunkt (64) angeschlossen sind,
durch einen zwischen den Verbindungspunkt der Reihenschaltung und die Kathode des !eidgesteuerten Thyristors geschalteten Thyristor (74),
durch einen zwischen die positive Klemme (70) der Reihenschaltung und die Kathode (20) des feldgesteuerten Thyristors geschalteten Transistor (78) und

durch einen mit dem Transistor in Reihe geschalteten Widerstand (76), dessen Widerstandswert so hoch gewählt ist, daß ein Abfall der Spannung am zweiten Kondensator unter die Abschnürspannung verhindert wird.

Z Gate-Steuerschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Impulstransformator (84) mit einer Eingangswicklung (86) und zwei Ausgangswicklungen (88, 90), dessen eine Ausgangswicklung (88) zwischen das Gate des Thyristors (74) und dessen Kathode, und dessen andere Ausgangswicklung (90) zwischen die Basis und den Emitter des Transistors (78) geschaltet ist, und
durch einen Steuersignalgenerator (100, 102) mit zwei Ausgangsklemmen, die an die Eingangswicklung (86) des Impulstransformators (84) angeschlossen sind.