DE2914335A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur loeschung eines thyristors - Google Patents
Verfahren und schaltungsanordnung zur loeschung eines thyristorsInfo
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Description
'■ ■ 29U335
Verfahren und Schaltungsanordnung zur Löschung eines Thyristors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Löschung eines Thyristors sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung
des Verfahrens.
Thyristoren werden bekanntlich durch Zündstromimpulse, welche den. Steuerelektroden zugeführt sind, in Durchlassrichtung leitend.
Löschen (Abschalten) erfolgt entweder durch Reduktion des jeweiligen
Laststroms auf einen Wert unterhalb des zur Funktion des Thyristors erforderlichen Haltestroms oder durch Zündstromimpulse
entgegengesetzter Polarität.
Der technische Aufwand zur Realisierung von Schaltungen zur Löschung von Thyristoren in der oben beschriebenen Weise ist
beträchtlich. Insbesondere bei Leistungsthyristoren resultieren in den Löschschaltungen relativ hohe Energieflüsse, welche
durch zahlreiche teure Bauelemente gesteuert werden müssen
Cvgl. Amrein et al, Silizium Stromrichter Handbuch, AG Brown
Boveri & Cie, 1. Auflage, Baden, 1971, S. 134-140).
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt der Gedanke zugrunde,
die Löschung des Thyristors durch Kommutieren des Thyristorstroms während mindestens seiner Freiwerdezeit auf
ein zum Thyristor antiparallel geschaltetes Bauelement mit einer ausgewählten, inhärenten Sperrverzögerungsladung zu erreichen.
Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft bei Leistungsthyristoren
und ergibt neben seinen wirtschaftlichen Vorteilen auch eine Erhöhung der Betriebssicherheit gegenüber den konventionellen
Verfahren.
Die Sperrverzögerungsladung tritt im Falle einer Diode im sogenannten Trägerspeichereffekt oder Trägerstaueffekt (TSE)
auf. Dementsprechend können durch einfaches Aufzeichnen des Rückstroms einer Diode in Funktion der Zeit auf einem Oszillographen
die Schaltzeit der Diode gemessen und der Frei-
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werdezeit des verwendeten Thyristors angepasste Bauelemente
ausgewählt werden.
Als Auswahlkriterium gilt hierbei: Die Sperrverzögerungsladung sollte grosser sein als das Produkt aus Freiwerdezeit
und dem zu löschenden Thyristorstrom.
Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Schaltungsanordnung
weist in vorteilhafter Weise einen Halbleiter nach der in Anspruch 2 beschriebenen Art auf.
Eine Variante einer Schaltungsanordnung, insbesondere geeignet für einen Thyristor mit kurzer Freiwerdezeit ist in
Anspruch 3 charakterisiert. Diese Schaltungsanordnung erreicht den Abbau der überflüssigen Sperrverzögerungsladungen
nach der Freiwerdezeit in minimaler Zeit.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch H erlaubt eine weitere
Anpassung an die Freiwerdezeit des Thyristors, vor allem in Fällen, wo Dioden mit geeigneten Sperrverzögerungsladungen
und Leistungen nicht zur Verfügung stehen und eine Anpassung in Fällen in denen eine Diode antiparallel zum Thyristor
nicht erwünscht ist.
Eine zweckmässige Weiterbildung nach Anspruch 5 erlaubt eine
sehr wirtschaftliche Herstellung von Löschkreisen.
Die Ausführungsform nach Anspruch 6 ergibt eine geringe Streuinduktivität des Impulsübertragers.
Die zweckmässige Ausgestaltung nach Anspruch 7 dient der raumsparenden Anordnung der Bauelemente, bewirkt ausserdem
ein gutes thermisches Betriebsverhälten und erlaubt kurze elektrische Verbindungen "zwischen den Bauelementen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
FKH m 3060 PPS/Fk
030017/0670
29U335
Es zeigen:
Fig. 1, ein Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Durchführung
des Verfahrens j
Fig. 2, eine beispielsweise Schaltungsanordnung in einem Gleichstromsteller ,
Fig. 3, eine beispielsweise Schaltungsanordnung in einem Wechselrichter und
Fig. 4, 1Ia, einen Aufbau des Sekundärkreises eines Impulsübertragers
mit sehr geringer Induktivität.
Nach dem Prinzipschaltbild Fig. 1 ist parallel zu einem Thyristor 1 ein Löschkreis LK geschaltet. Der Löschkreis LK besteht
aus einem antiparallel zum Thyristor 1 geschalteten Bauelement mit Sperrverzögerungsladung 2 und einem Impulsgenerator
4· mit einem Impulsübertrager 3. Der Wicklungssinn des Impulsübertragers 3 ist jeweils durch die gegenseitige
Lage von Punkten primär- und sekundäreeitig symbolisiert.
Das Bauelement mit Sperrverzögerungsladung 2 ist im einfachsten Fall eine Halbleiterdiode. Jedes andere Bauelement mit
ähnlichem Schaltzeit-Verhalten kann jedoch im erfindungsgemässen Verfahren Anwendung finden.
Ein im gezündeten Zustand durch den Thyristor 1 fliessender Laststrom Ιγ wird zur Löschung des Thyristors 1 mittels der
Sekundärspule des Impulsübertragers 3 auf das Bauelement mit Sperrverzögerungsladung 2 übergeführt. Zuvor wurde das Bauelement
mit Sperrverzögerungsladung 2 durch einen positiven Kreisstrom über den Thyristor 1 aufgeladen. -
Nach einer durch die Ausführung des Thyristors 1 und seine Betriebsbedingungen bestimmten Freiwerdezeit von* ca. 5 us
bis 50 us kehrt dieser in seinen sperrenden Zustand zurück. Die erneute Zündung des Thyristors 1 erfolgt in bekannter
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Weise durch einen an seiner Steuerelektrode St angelegten Zündstromimpuls.
Gemäss Fig. 2 lässt sich das Verfahren in einfacher Weise in einem Gleichstromsteller anwenden. Wiederum sind gleiche Teile
mit gleichen Bezugsziffern versehen.
An den Klemmen A, B des Gleichstroms te Hers ist die Netzspannung
U. angelegt. Zwischen einem an den Klemmen A, B befindlichen Block-Kondensator 8 und einer Last LA ist ein
Thyristor 1 mit seinem zugehörigen Löschkreis LK geschaltet.
Parallel zu der mit einem Ersatzschaltbild bestehend aus
einer Induktivität L, einem ohmschen Widerstand R und einer Gegen-EMK E charakterisierten Last LA (Elektromaschine)
ist in an sich bekannter Weise eine sogenannte Freilaufdiode 9 geschaltet-
Im Löschkreis LK ist antiparallel zum Thyristor 1 als Bauelement
mit Sperrverzögerungsladung 2 eine Löschdiode 2' geschaltet. Zwischen der Kathode des Thyristors 1 und der
Anode der Löschdiode 2'.ist die Sekundärwicklung eines Impulsübertragers
3 geschaltet. Primär- und Sekundärwicklung des Impulsübertragers 3 sind einsei-tig, bei gegenläufigem
Wicklungssinn, verbunden. Ein Lösch-Kondensator 7 befindet sich in Serieschaltung am weiteren Ende der Primärwicklung
des Impulsübertragers 3; der zweite Anschluss des Lösch-Kondensators 7 ist einerseits mit der Kathode eines
Lösch-Thyristors 5 und der Anode einer weiteren Freilaufdiode 6 verbunden. Anode des Lösch-Thyristors 5 und Kathode
der Freilaufdiode 6 sind miteinander verbunden und zur Anode des Thyristors 1 geführt.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die zur Zündstromimpuls-Erzeugung
notwendigen Schaltungen an den Steuerelektroden St des Thyristors 1 und des Lösch-Thyristors 5 nicht
FKK 030017/05.70 3O6O pps/Fk
dargestellt.
Die Wirkungsweise obiger Schaltungsanordnung ist relativ einfach und ergibt gerade deshalb in praxi grosse Vorteile.
Der Laststrom IL fliesst durch die Last LA, anschliessend in
die Freilaufdiode 9. Hierauf sperrt der Thyristor 1; der
Lösch-Kondensator 7 ist nun auf das Potential der Netzspannung U1 Cauch Zwischenkreisspannung genannt) aufgeladen.
Durch einen an der Steuerelektrode St des Thyristors 1 angelegten
positiven Zündstromimpuls wird der Thyristor 1 in Durchlassrichtung leitend. Der Laststrom I. kommutiert von
der Freilaufdiode 9 auf den Thyristor 1; die Spannung TL
über dem Lösch-Kondensator 7 bleibt bestehen.
Mittels in bekannter Weise vollzogener Zündung des Lösch-Thyristors
5 bildet sich durch die Streuinduktivität des Impulsübertragers 3, in Verbindung mit dem Lösch-Thyristor 5
und dem Lösch-Kondensator 7 ein Serieschwingkreis.
Der in diesem Schwingkreis fliessende Strom wird im Impulsübertrager
3 in bekannter Weise 50-fach übersetzt und durchfliesst die Löschdiode 2' (lädt diese auf) und den Thyristor
1.
In der negativen Halbwelle des Stromes wird der Thyristor
1 stromlos. - Durch die Löschdiode 2' fliesst nun der Laststrom
IL in umgekehrter Richtung als Rückstrom, so lange bis
die freien Ladungsträger der Sperrverzögerungsladung rekombiniert sind« Nach dem Abreissen des Rückstroms kommutiert
der Laststrom IL auf die Freilaufdiode 9. Der Lösch-Kondensator
7 wird wiederum über die Freilaufdiode 6 aufgeladen. Der
Verfahrensablauf wiederholt sich.
Ein Wechselrichter weist zur Löschung eine Schaltungsanordnung
nach Fig. 3 auf»
FKH 030017/0B70 3O6o pps/Fk
Eine Quellenspannung U liegt mit ihrem positiven Pol an
der Anode eines Lade-Thyristors 10, an der Kathode einer ersten Löschdiode 2 * und an einem primarseitigen Wicklungsende
eines Impulsübertragers 3. Der negative Pol der Quellenspannung U ist an einen Anschluss eines Lösch-Kondensators
7, an die Kathode eines Lösch-Thyristors 5, an die Anode einer zweiten Löschdiode 6, an die Anode einer weiteren
Löschdiode 2" und an ein primärseitiges Wicklungsende eines weiteren Impulsübertragers 31 geschaltet.
Die primarseitigen Wicklungsenden der Impulsübertrager 3
und 31 sind miteinander verbunden.
Eines dieser gemeinsamen primarseitigen Wicklungsenden ist
mit der Kathode des Lade-Thyristors 10 und dem weiteren Anschluss des Lösch-Kondensators 7 zusanunengeschaltet.
Die zweiten gemeinsamen primarseitigen Wicklungsenden sind
mit der Anode des Lösch-Thyristors 5 und der Kathode der Freilaufdiode 6 verbunden.
Ein Thyristor 1 ist mit seiner Anode am weiteren sekundärseitigen
Wicklungsende des Impulsübertragers 3 angeschlossen. Die Kathode des Thyristors 1 ist mit der Anode eines
weiteren Thyristors 1' verbunden, dessen Kathode seinerseits an dem weiteren sekundärseitigen Wicklungsende des Impuls-Übertragers
3' angeschlossen ist.
Antiparallel zu den Thyristoren 1 und 1' sind Freilaufdioden
9 bzw. 91 geschaltet.
Kathode und Anode der Löschdioden 2" und 2' sowie der Thyristoren
1 und 1' sind miteinander verbunden und zu den ihrerseits miteinander verbundenen Kathode der Freilaufdiode
9' und der Anode der Freilaufdiode 9 geführt.
030017/0570 soso ppS/Fk
29U335
An diesen gemeinsamen Elektrodenverbindungen erscheint die
Ausgangsspannung U„ des Wechselrichters.
Analog zum Prinzipschaltbild Fig. 1 wird in der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung ein Laststrom periodisch
von den Thyristoren 1, I1 auf die dazu antiparallel geschalteten
Löschdioden 2'» 2" übergeführt bis diese Thyristoren
1» I1 aufgrund ihrer spezifischen Freiwerdezeit jeweils im
sperrenden Zustand sind. .
Der einzige Lösch-Kondensator 7 wird in dieser Schaltungsanordnung
von beiden Löschkreisen LK, und LK„ benutzt. Aufgeladen
wird dieser Lösch-Kondensator über den Lade-Thyristor 10.
Lie beiden Freilaufdioden 9 und 9' dienen einerseits wiederum
in bekannter Weise der Stromführung in der Blockierphase der Thyristoren 1 und 1'. Anderseits werden während der
Schaltzeit der Löschdioden 2f, 2" auftretende überschüssige
Sperrverzögerungsladungen bzw. die daraus resultierenden Rückströme ebenfalls über diese Freilaufdioden 9, 9f abgeleitet.
Zur Vermeidung unerwünschter Abreissströme müssen als Freilaufdioden
9, 9' sogenannte schnelle Dioden mit minimaler
Sperrverzögerungsladung verwendet werden.
Zur Beeinflussung des Schaltzeitverhaltens sind in der Diodenherstellung
verschiedenste Methoden bekannt:
Schnelle Dioden können mittels Golddotierung des Kristalls erzielt werden, vgl. J.M. Fairfield und B.V. Gokhale, Control
of diffused diode recovery time through gold doping, Solid State Electronics, 1966, Vol. 9, S. 905-907.
Eine relative Verlängerung der Lebensdauer einer Sperrverzögerung si adurir τ-.'ird z.B durch die Verwendung reiner Kristalle
oder au. · :· ung erzielt, vgl. CT. Sah, R.N. Noyce,
FKi: 030017/0570 3oeo pps/Fk
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- ίο -
W. Shockley, Carrier Generation and Recombination in P-N Junctions and P-N Junctions Characteristics, Proc. of the
IRE, 1957, VoL 45, S. 1228, sowie M.H. Crowell, T.M. Buck,.
E.F, Labuda, J.V. Dalton and E.J. Walsh, A Camera Tube with
a Silicon Diode Array Target, Technical Journal, 1967, Vol. 46, Nr. 2, S. 491-495.
Im weiteren eignet sich die Ionenimplantation vorzüglich zur Vorbestimmung der Sperrverzögerungsladung von Halbleiterbauelemente,
vgl. H. Ryssel, I. Rüge, Ionenimplantation, B.G. Teubner Stuttgart, 1978, S. 224.
Eine bevorzugte Ausführung des Sekundärkreises eines Impulsübertragers
3 in Verbindung mit einem Thyristor 1 und zwei Löschdioden 2' und eingebaut in einem Gehäuse 12 ist in
Fig, 4 im Schnitt dargestellt.
Die zugehörige schematische Draufsicht, Fig. 4a, zeigt den platzsparenden und xnduktxvitätsarmen Aufbau dieser Schaltungsanordnung;
ebenfalls sind Spulenanschlüsse Af, A" eines Ringkerns 13 ersichtlich.
Das Gehäuse 12 besteht im wesentlichen aus den Kühlkörpern 11 und II1. Es ermöglicht einerseits eine gezielte Kühlluftführung,
insbesondere auch im Bereich des Ringkerns 13 des Impulsübertragers 3 und ermöglicht andererseits eine hohe
dynamische Strombelastung der verwendeten Halbleiter-Bauelemente aufgrund seiner material- und formbedingten hohen
Wärmeableitfähigkeit.·
Ausserdem sind lediglich sehr kurze elektrische Verbindungen V, V1 zwischen der aus zwei parallel geschalteten Einzeldioden
2Ja und 2'b aufgebauten Löschdiode 2' und dem Thyristor
1 erforderlich.
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Zweckmässigerweise dienen aus Aluminium bestehende Kühlkörper
11 und 11* gleichzeitig als elektrische Verbindungen V bzw. V1.
Die Erfindung hat sich insbesondere in der Leistungselektronik bewährt und lässt sich in einem weiten Bereich universell
anwenden.
ΓΚΗ ' 3060 PPS/FJc
030017/0570
Claims (7)
- Forschungskoinmission dea SEV und VSE für Hoehspannungsfragen CFKHK CH-COO8 ZürichX-Patentansprüche:M. J Verfahren zur Löschung eines Thyristors, dadurch gekennzeichnet» dass ein im Durchlasszustand des Thyristors Cl) fliessender Laststrom CIL) auf mindestens ein zum Thyristor ClX antiparallel geschaltetes Bauelement mit einer Sperrverzögerungsladung C2) übergeführt wird, derart, dass der Thyristor Cl) während einer seiner Ausführung und den Betriebsbedingungen entsprechenden Freiwerdezeit in den sperrenden Zustand zurückgeführt wird.
- 2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement mit einer Sperrverzögerungsladung C2) wenigstens eine P-N-Struktur aufweist und dass die Lebensdauer seiner Sperrverzögerungsladung durch die Verwendung von reinen Kristallen und/oder durch Getterung vorbestimmt ist.
- 3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement mit Sperrverzögerungsladung C2) wenigstens eine P-N-Struktur aufweist und dass die Lebensdauer seiner Sperrverzögerungsladung durch eine Golddotierung in der N- * Schicht vorbestimmt ist.
- 4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement mit Sperrverzögerungsladung C2) ein Thyristor oder ein Diac oder ein Triac ist.
- 5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnett dass das Bauelement mit Sperrverzögerungsladung C21 aus mehreren parallel geschalteten Einzeldioden C21a>"2'b) aufgebaut ist,03 0017/0670 3O6o"pps/FkORIGINAL INSPECTED29U335
- 6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überführung des im Durchlasszustand des Thyristors fliessenden Stroms auf das Bauelement mit Sperrverzögerungsladung (2) durch einen Impulsgenerator (40 erfolgt, welcher einen Ringkern (13) aufweist und in dessen Zentrum der Thyristor Cl) angeordnet ist.
- 7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung in einem, im wesentlichen durch zwei Kühler ClO, 11) gebildeten Gehäuse (12) angeordnet ist, welche gleichzeitig als elektrische Verbindungen CV, V1) dienen.0300 17/OB70 3060 pps/Fk
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