DE2938736C2

DE2938736C2 - Steuerschaltung für Abschalt- Thyristor

Info

Publication number: DE2938736C2
Application number: DE2938736A
Authority: DE
Inventors: Hisao Hitachi Amano; Kenichi Onda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-09-26
Filing date: 1979-09-25
Publication date: 1990-06-21
Also published as: JPS5545274A; DE2938736A1; US4298809A; JPS6121015B2

Description

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Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen Abschalt-Thyristor, der zwei Stromquellen zur Zufuhr von Strömen zur Steuerelektrode des Abschalt-Thyristors verwendet, wodurch Leistungsverluste in der Steuerschaltung aufs Äußerste verringert werden können.

Ein Abschalt-Thyristor ist ein Schaltelement, das wie Thyristoren anderer Arten mittels eines Steuerstroms einschaltbar bzw. durchschaltbar ist (steueranschlußseitiger Einschaltstrom), der in die Steuerelektrode hineinfließt, und das anders als andere Arten durch einen entgegengesetzten Steuerstrom (steueranschlußseitiger Abschaltstrom) abgeschaltet oder gesperrt wird, der aus der Steuerelektrode austritt

Die steueranschlußseitig gesteuerte Einschaltzeit des Abschalt-Thyristors hängt von der Größe des steueranschlußseitigen Einschaltstroms ab, und je größer dieser ist, um so kürzer wird die Einschaltzeit bzw. umgekehrt. Bei einer Untersuchung einer großen Anzahl von Abschalt-Thyristoren zur Feststellung der Beziehung zwischen der steueranschlußseitig gesteuerten Einschaltzeit und der Größe des steueranschlußseitigen Einschaltstroms, d.h., der Einschaltcharakteristik, erwies sich die Einschaltcharakteristik als unregelmäßig bezüglich jedes Abschalt-Thyristors. Um so größer die Größe des steueranschlußseitigen Einschaltstroms ist um so kleiner ist die Unregelmäßigkeit der Einschaltcharakteristiken, während mit kleiner werdendem Einschaltstrom die Unregelmäßigkeit um so größer wird. Im übrigen wird in Anbetracht der elektrischen Äquivalenz angenommen, daß ein Abschalt-Thyristor großen Leistungsvermögens aus einer großen Anzahl von Abschalt-Thyristorelementen geringerer Leistungsfähigkeit besteht die parallel geschaltet sind. Das heißt die Einschaltcharakteristiken der inneren Thyristorelemente neigen dazu, sich voneinander zu unterscheiden. Wenn die Unregelmäßigkeit der Einschaltcharakteristiken groß zwischen den internen Thyristorelementen ist wird der Strom auf ein bestimmtes internes Thyristorelement konzentriert, das schnell eingeschaltet wird, weshalb die Gefahr besteht daß der Abschalt-Thyristor einem thermischen Durchbruch unterliegt

Folglich ist es beim Einschalten des Abschalt-Thyristors notwendig, einen großen steueranschlußseitigen Einschaltstrom zuzuführen, um die Unregelmäßigkeiten der Einschaltcharakteristiken zwischen den internen Thyristorelementen aufs Äußerste zu verringern.

Nachdem der Abschalt-Thyristor durchgeschaltet bzw. eingeschaltet worden ist besteht die Notwendigkeit einen kontinuierlichen Steuerstromfluß aufrechtzuerhalten, um den ständigen Leitzustand des Abschalt-Thyristors während der erwünschten Leitfähigkeitsperiode aufrechtzuerhalten, wobei zu berücksichtigen ist, daß der Abschalt-Thyristor einen größeren Haltestrom erfordert als übliche Thyristoren, und daß die Hauptanwendung bei einer Vorrichtung liegt die mit einer Last, die eine Drossel enthält, belastet ist

Die steueranschlußseitige Abschaltzeit des Abschalt-Thyristors hängt von der Anstiegsgeschwindigkeit (di/dt) des steueranschlußseitigen Abschaltstroms ab, und je größer die Anstiegsgeschwindigkeit (di/dt)\si, um so kürzer wird die Abschaltzeit bzw. umgekehrt. Bei einer Untersuchung einer großen Anzahl von Abschalt-Thyristcren zur Feststellung der Beziehung zwischen der steuerseitigen Abschaltzeit und der Anstiegsgeschwindigkeit di/dt, nämlich der Abschaltcharakteristiken, erwiesen sich die Abschaltcharakteristiken, wie die Einschaltcharakteristiken, als unregelmäßig bezüglich jedes Abschalt-Thyristors. Je größer die Anstiegsgeschwindigkeit d/7df ist, um so kleiner ist die Unregelmäßigkeit der Abschaltcharakteristiken, bzw. umgekehrt Wenn die Unregelmäßigkeit der Abschaltcharakteristiken groß zwischen den internen Abschalt-Thyristorelementen ist, wird der Strom auf ein bestimmtes internes Thyristorelement konzentriert, das dann spät abgeschaltet wird, weshalb die Gefahr besteht, daß der Abschalt-Thyristor einem thermischen Durchbruch unterliegt. Folglich ist es beim Abschalten des Abschalt-Thyristors notwendig, einen steueranschlußseitigen Abschaltstrom hoher Anstiegsgeschwindigkeit zuzuführen, um die Unregelmäßigkeiten der Abschaltcharakteristiken aufs Äußerste zu verringern.

Aus der vorstehenden Erläuterung ergibt sich, welchen Sighalverlauf der zum Ansteuern des Abschalt-Thyristors geeignete Steuerstrom besitzen muß. Es ergibt sich weiter, daß ein dringendes Bedürfnis nach einer Steuerschaltung besteht die einen Steuerstrom des gewünschten Signalverlaufs erzeugen kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Steuerschaltung

für einen Abschalt-Thyristor anzugeben, durch den der Leistungsverlust aufs Äußerste verringerbar ist

Die Lösung der Aufgabe gemäß der Erfindung ist aus dem Patentanspruch i ersichtlich.

Die Erfindung gibt also eine Steuerschaltung für einen Abschalt-Thyristor an, die kompakt und kostengründig ist, wobei gemäß der Erfindung weite? ein Strom-Spitzenwert (Oberstrom) unterdrückbar ist der durch ein Schaltelement fließt, das in der Steuerschaltung enthalten ist

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer herkömmlichen Steuerschaltung für Abschalt-Thyristoren,

Fig.2 den Signalverlauf eines Steuerstroms, der durch die Steuerschaltung gemäß F i g. 1 zu führen ist

F i g. 3 ein Schaltbild einer Steuerschaltung für einen Abschalt-Thyristor gemäß der Erfindung, wobei ebenfalls der Steuerstrom gemäß F i g. 2 fließt

F i g. 1 zeigt beispielhaft eine herkömmliche Steuerschaltung zur Verwendung bei einem Abschalt-Thyristor (OTÖ-Thyristor). Die Steuerschaätung enthält einen Kondensator, der wie dargestellt angeschlossen ist um einen Steuerstrom mit dem Signalverlauf gemäß F i g. 2 zu erzeugen.

Gemäß F i g. 1 ist eine steueranschlußseitige oder Steuer-Einschaltstromquelle E\ zwischen der Steuerelektrode und der Kathode eines Abschalt-Thyristors GTO angeschlossen, wobei deren Plus-Pol mit der Steuerelektrode über einen Transistor Γι und einen Widerstand R% verbunden ist und wobei dtren Minus-Pol direkt mit der Kathode verbunden ist. Eine steueranschlußseitige oder Steuer-Abschaltstromquelle E₂ ist ebenfalls zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Abschalt-Thyristors angeschlossen, wobei deren Plus-Pol mit der Kathode über eine Diode D₂ und einen Transistor T₂ verbunden ist und wobei deren Minus-Pol direkt mit der Steuerelektrode verbunden ist. Eine Reihenschaltung aus einer Diode Du einem Widerstand R₂ und einem Kondensator C ist parallel zum Widerstand Ri angeschlossen. Ein Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R₂ und dem Kondensator C ist direkt mit einem Verbindungspunkt zwischen der Diode D₂ und dem Transistor T₂ verbunden.

Die Spannung e₍ der Stromquelle E\ ist so gewählt, daß sie höher als die Spannung C₂ der Stromquelle E₂ ist, um sicherzustellen, daß die Ladespannung des Kondensators C, der parallel zur Steuer-Abschaltstromquelle E₂ geschaltet ist, höher als die Spannung ei ist, wodurch die Anstiegsgeschwindigkeit di/dt des Steuer-Abschaltstroms aufs Äußerste erhöht wird. Wenn die Ladespannung des Kondensators C niedriger als ei ist, hängt d;7di lediglich von der Spannung ei ab, die nicht über der der Steueranschluß-Kathoden-Rückwärtsdurchbruchsspannung des Abschalt-Thyristors sein kann, weshalb die Anstiegsgeschwindigkeit d/7df auf einen Wert beschränkt ist, der durch die Rückwärtsdurchbruchsspannung bestimmt ist Wenn die Leitungen der Steuerschaltung eine Induktivität L besitzen, ergibt sich die Anstiegsgeschwindigkeit d;7d (zu:

di/dt= ei/L (1)

Dann ergibt sich für e2 = 15V, was abhängig davon gewählt ist, daß die Rückwärtsdurchbruchsspannung zwischen 18 und 20 V liegt, die Obergrenze für d/7df zu günstigstenfalls 20—30 Α/μβ, selbst wenn die Induktivität L äußerst gering ist. Di^ Anstiegsgeschwindigkeit d/7d< kann unmöglich die Obergrenze überschreiten. Folglich ist notwendigerweise ei > ez bestimmt
Die Steuerschaltung gemäß Fi g. 1 arbeitet wie folgt: Der Abschalt-Thyristor ist anfangs nichtleitend. Wenn der Transistor Γι zu einem Zeitpunkt f., wie in F i g. 2 dargestellt, zuerst eingeschaltet wird, fließt der Steuer-Einschaltstrom /1 über einen ersten Weg

Fi-Ti-A₁-GrO-E₁(Zn),
und einen zweiten Weg

Ei-Ti-Di-R₂-C-GTO-E_x (I_n),

wodurch der Abschalt-Thyristor durchgeschaltet wird. Bei Beendigung der Aufladung des Kondensators C mit der Spannung der in F i g. 1 dargestellten Polarität hört der Steuer-Einschaltstrom /1 auf, auch über den zweiten Weg zu fließen.

Dieser Zeitpunkt entspricht dem Zeitpunkt f₂ in Fig.2. Danach fließt lediglich der Steuer-Einschaltstrom /11 über den ersten Weg während der Leitfähigkeitsperiode des Abschalt-Thyristors, nämlich dem Zeitintervall zwischen t₂ und tz, wie in F i g. 2 dargestellt ist. Wenn der Transistor Γι dann gesperrt wird, wird der Transistor T₂ zum Zeitpunkt h gemäß F i g. 2 durchgeschaltet, und es beginnt ein Steuer-Abschaltstrom I₂ über einen Weg

C-T₂-GTO-C

zu fließen, wodurch der Kondensator C entladen wird, da die Ladespannung des Kondensators C höher als e2 ist, wie das erläutert worden ist. Wenn die Spannung des Kondensators C unter ei abfällt, fließt der Steuer-Abschaltstrom über einen Weg

E₂-D₂-T₂- GTO- E₂,

wobei das Abschalten des Abschalt-Thyristors GTO zum Zeitpunkt U beendet ist, wie das in Fig.2 dargestellt ist

Bei dieser herkömmlichen Steuerschaltung kann die Anstiegsgeschwindigkeit d;7dr durch Erhöhen von ei erhöht werden, d. h. durch Erhöhen der Ladespannung des Kondensators C über ei. Für beispielsweise ei =24 V kann die Anstiegsgeschwindigkeit d;7df auf bis 40—50 Α/μβ ausgedehnt werden. Die herkömmliche Steuerschaltung hat jedoch die folgenden Nachteile. Zunächst ergibt das erhöhte ei einen erhöhten Leistungsverlust im Widerstand R\ und damit schlechten Wirkungsgrad. Weiter erhöht der Widerstand Ä_1P der daher hoch belastbar sein muß, die Gesamtgröße der Steuerschaltung und macht die Steuerschaltung teuer. Der dritte Nachteil liegt in der Gefahr, daß ein überhöhter Strom durch den Transistor Ti und die Steuerelektrode des Thyristors GTO fließen kann. Wenn sich die Speisegleichspannungsquelle E₂ in normalem Zustand befindet, kann die Ladespannung des Kondensators C nicht unter ei absinken. Wenn die Speisegleichspannungsquelle E₂ jedoch ausfällt und als Folge davon ei den Wert Null annimmt, wird auch die Spannung am Kondensator C zu Null, nachdem der Aus?chaltstrom I₂ geflossen ist. Sobald ei den Wert Null annimmt, endet der Betrieb der Steuerschaltung. Es fließt jedoch der Einschaltstrom /,, wenn der Transistor Ti durchschaltet, bevor der Betrieb der Steuerschaltung endet. Der Scheitelwert i_c, für den in diesem Fall zum

Kondensator C fließenden anfänglichen Ladestrom läßt sich dann durch die nachstehende Beziehung

ausdrücken, wobei r₂ für den Widerstandswert des Widerstandes R₂ steht. Dagegen ergibt sich der Scheitelwert /_c^für den zum Kondensator Cfließenden Ladestrom bei normalem Zustand der Speisegleichspannungsquelle £2 aus der nachstehenden Beziehung

ic 2=(ei -C₂)Ir₂ (3)

wobei r₂ wieder der Widerstandswert des Widerstandes R₂ ist. Um dem Abschalt-Thyristor GTO einen ausreichenden anfänglichen Steuer-Einschaltstrom zuzuführen, muß der Widerstandswert r₂ so bemessen sein, daß id eine ausreichende Größe besitzt. Unter dieser Bedingung würde i_ci abhängig von Gleichung (2) zu groß werden, weshalb der Transistor 71 und die Steuerelektrode des Abschalt-Thyristors GTO mit einem Überstrom beaufschlagt werden würden.

F i g. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, durch das die Nachteile der herkömmlichen Steuerschaltung gemäß F i g. 1 überwunden werden können. Wie in F i g. 3 schematisch dargestellt, ist eine Steuer-Einschaltstromquelle /1 zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Abschalt-Thyristors GTC* angeschlossen, wobei der Plus-Pol mit der Steuerelektrode über einen Transistor 71 und einen Widerstand R] verbunden ist und wobei der Minus-Pol direkt mit der Kathode verbunden ist. Eine Steuer-Abschaltstromquelle E₂ ist ebenfalls zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Abschalt-Thyristors GTO angeschlossen, wobei der Plus-Pol so wie der Minus-Pol der ersten Stromquelle £Ί direkt mit der Kathode verbunden sind und wobei der Minus-Pol mit der Steuerelektrode über einen Transistor T₂ und einer Parallelschaltung aus einem Kondensator C und einer Diode Eh verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen dem Transistor T₂ und der Parallelschaltung ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Transistor T] und dem Widerstand R\ über einen Widerstand R₂ verbunden.

Bei anderen Ausbildungsformen kann der Transistor Ti mit dem Minus-Pol der Stromquelle E\ und kann der Transistor T₂ mit dem Plus-Pol der Stromquelle E₂ verbunden sein und kann eine eine Entladung verhindernde Diode wie die Diode D] gemäß F i g. 1 mit dem Widerstand R₂ in Reihe geschaltet sein.

Die Steuerschaltung gemäß F i g. 3 arbeitet wie folgt Der Abschalt-Thyristor GTO ist anfänglich nichtleitend oder gesperrt. Wenn der Transistor 7· zum Zeitpunkt U durchgeschaltet wird, wie in F i g. 2 dargestellt, fließt der Steuer-Einschaltstrom /1 über einen ersten Weg

E, - Γ, - R₁ - GTO- E] (Iu)
und einen zweiten Weg

Ei-T_x-R₂- C- GTO- E, (fei

wodurch der Abschalt-Thyristor durchgeschaltet wird. Bei Beendigung der Aufladung des Kondensators C mit der Spannung der in Fi g. 3 dargestellten Polarität hört der Steuer-Einschaltstrom /; zum Zeitpunkt t₂ (F i g. 2) auf, auch durch den zweiten Weg zu fließen. Danach fließt lediglich der Steuer-Einschaltstrom In durch den ersten Weg während der Leitfähigkeitsperiode des Abschalt-Thyristors GTO, d. h, einem Zeitintervall vom Zeitpunkt t₂ zum Zeitpunkt U. Wenn der Transistor 71 zu diesem Zeitpunkt abgeschaltet und der Transistor T₂ zum Zeitpunkt h durchgeschaltet wird (vgl. F i g. 2), fließt der Steuer-Abschaltstrom I₂ über einen Weg

E₂-GTO-C-T₂-E₂.

Da die Steuer-Abschaltstromquelle E₂ mit dem Kondensator C reihengeschaltet ist, fließt der Steuer-Abschaltstrom I₂ mit einem Anfangswert, der von einer Summe κι der Ladespannung des Kondensators C und C₂ abhängt, wodurch sichergestellt wird, daß die Anstiegsgeschwindigkeit ailat von I₂ maximiert werden kann. Nach Beendigung der Entladung des Kondensators C fließt der Steuer-Abschaltstrom I₂ über einen Weg

F.— ΠΤΎΊ— n,— TX- F,

bis der Abschalt-Thyristor GTO zum Zeitpunkt U gemäß F i g. 2 gesperrt ist.

Wesentliche Wirkungen der Steuerschaltung gemäß der Erfindung werden nachstehend ausführlich im Vergleich zur herkömmlichen Steuerschaltung erläutert. Zunächst wird der Leistungsverlust der Steuerschaltung untersucht, wobei der Spitzenwert des Steuer-Einschaltstroms /| = 1OA, der zum Aufrechterhalten der ständigen Leitfähigkeit des Abschalt-Thyristors erforderliche durch den Widerstand R] fließende Strom Iu 3 A und demzufolge der Spitzenwert des Ladestroms /12 für den Kondensator C, der durch den Widerstand R₂ fließt, 7 A betragen soll und wobei die Einschaltdauer bzw. das Einschaltverhältnis des Abschalt-Thyristors zu 50% angenommen wird. Es ist weiter angenommen, daß die Spannungsabfälle über die Transistoren und die Diode vernachlässigbar sind. Bei der herkömmlichen Steuerschaltung gemäß F i g. 1, bei der ei = 24 V zwecks Erhöhung von d/7df bis auf 40-50 Α/μβ und ei= 15 V wegen der Beschränkung des Steueranschluß-Kathoden-Rückwärtsdurchbruchsspannung des Abschalt-Thyristors, ergibt sich der Widerstandswert r_t des Widerstands R] zu:

, =24/3=

und ergibt sich dann der Leistungsverlust IV des Widerstands Äi zu:

W - j- (I_n)² - r, = 36[W]-

Im Gegensatz dazu ergibt sich bei der Steuerschaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3, bei dem die Spannung ei', der Steuer-Einschaltstromquelle E\ auf 24-15=9 V verringert werden kann, da es ausreicht, daß die Summe der Spannung ei', der Stromquelle E\ und der Spannung 01 der Stromquelle E₂ 15 V ist, was bei der herkömmlichen Steuerschaltung einem ei von 24 V entspricht, was bei dieser herkömmlichen Steuerschaltung notwendig ist, um das erhöhte d^di zu erhalten, der Widerstandswert r_t' des Widerstands Ri zu:

r,'=e₁7/,i=9/3=3[n],

und ergibt sich dann der Leistungsverlust W des Widerstands i?i zu:

W = y - (/„)² · Ty

Beim Vergleich des Leistungsverlustes W mit dem Leistungsverlust !Vergibt sich

(WVW)-

37,5[o/o].

Daher beträgt der Leistungsverlust vom Widerstand R\ gemäß der Erfindung 37,5% desjenigen der herkömmlichen Steuerschaltung.

Weiter ist unter dem Gesichtspunkt der Größe und der Kosten der Steuerschaltung die Steuerschaltung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorteilhaft, da der Widerstand R\ wegen der aufs Äußerste verringerten Verlustleistung niedrig belastbar sein kann, weshalb er geringes Volumen haben kann und billig sein kann, wodurch sichergestellt ist, daß die Steuerschaltung insgesamt kompakt und billig ist.

Bezüglich der Untersuchung des durch die herkömmlichen Steuerschalter gemäß F i g. 1 fließenden Überstroms wird die Beziehung (3) bei Versagen der Speisegleichspannungsquelle £i mit dem Wert Null für &i reduziert zu:

Durch Einsetzen dieses Wertes für Γι in die Gleichung (2) ergibt sich:

18,60 [A].

Dieser Wert für i_c ι wird zum Strom /ι ι von 3 A addiert, der durch den Widerstand R\ fließt, wodurch sich der Anfangswert des Steuer-Einschaltstroms h ergibt zu:

ic , + In= 21,60 [A].

Im Gegensatz dazu ist bei der Steuerschaltung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig.3 der Scheitelwert des Ladestromes für den Kondensator C gleich 7 A unabhängig von der Anfangsladung und der Ladung während des stationären Betriebs, da die Spannung des Kondensators C zu NuI! wird, nachdem der Steuer-Abschaltstrom h geflossen ist. Folglich fließt der Steuer-Einschaltstrom, der einen Spitzenwert von über 1OA besitzt, nicht über den Transistor T\. Das heißt, daß bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung und im Gegensatz zur herkömmlichen Steuerschaltung ein Transistor 7Ί mit einer Strombelastbarkeit von 1OA ausreicht zum Schutz gegen Durchbruch aufgrund des Oberstroms.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerschaltung für einen über eine Steuerelektrode abschaltbaren Thyristor mit einem an der Steuerelektrode des Thyristors liegenden Kondensator und mit einer ersten Serienschaltung aus einer ersten Speisegleichspannungsquelle und einem ersten Schalterelement für die Speisung der Steuerelektrode des Thyristors mit einem Einschaltstrom und einer zweiten Serienschaltung aus einer zweiten Speisegleichspannungsquelle und einem zweiten Schalterelement für die Speisung der Steuerelektrode des Thyristors mit einem Ausschaltstrom, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die is erste Serienschaltung (Ei, Ti) als auch die zweite Serienschaltung (E₂, T₂) in Serie zum Kondensator (C) zwischen der Kathode und der Steuerelektrode dis Thyristors (GTO) liegt

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der positive Pol der ersten Speisegleichspannungsquelle (Ei) mit der Steuerelektrode des Thyristors (GTO) über einen ersten Widerstand (Ri) verbunden ist, daß der negative Pol der ersten Speisegleichspannungsquelle (E\) an die Kathode des Thyristors (GTO) angeschlossen ist,

daß der Kondensator (C) in Serie mit einem zweiten Widerstand (Ri) parallel zum ersten Widerstand (Ri) liegt,

daß dem Kondensator (C) eine Diode (D₃) parallelgeschaltet ist,

daß der positive Pol der zweiten Speisegleichspannungsquelle (£2) an die Kathode des Thyristors (GTO) angeschlossen ist und
daß der negative Pol der zweiten Speisegleichspannungsquelle (E₂) über den Kondensator (C) mit der Steuerelektrode des Thyristors (GTO) verbunden ist.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes und als zweites Schalterelement jeweils ein Transistor (Ti bzw. T₂) vorgesehen ist.