DE3134840C2

DE3134840C2 - Schutzbeschaltung für steuerbare Leistungshalbleiter

Info

Publication number: DE3134840C2
Application number: DE19813134840
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dipl.-Ing. 6944 Hemsbach Still
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1981-09-03
Filing date: 1981-09-03
Publication date: 1984-08-30
Also published as: DE3134840A1

Abstract

Zur Erhöhung der du/dt-Festigkeit im Bereich der maximalen Blockierspannung (V ↓D ↓R ↓M) eines steuerbaren Leistungshalbleiters (T1) werden als weitere Schutzbeschaltung ein RC-Glied (R2, C2) und eine Kippdiode (BOD) zum Leistungshalbleiter (T1) parallelgeschaltet. Eine Diode (D2) antiparallel zur Kippdiode (BOD) dient zur Entlasung des Kondensators (C2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzbeschaltung für steuerbare Leistungshalbleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Schutzbeschaltung für steuerbare Leistungshalbleiter ist aus der DE-OS 20 05 657 bekannt.

Die Beschattung von Thyristoren mit RC-Gliedern ist bekannt, z. B. aus dem Buch von Heumann/Stumpe »Thyristoren, Eigenschaften und Anwendungen«, 3. Auflage 1974, Verlag B. G. Teubner, Stuttgart, Seiten 37 bis 42. Die RC-Beschallung dient dazu, Überspannungen, die zu einer Zerstörung des Halbleiterelementes führen können, zu dämpfen. Überspannungen entstehen beispielsweise aufgrund der Eigenschaft von Dioden und Thyristoren, bei schnellen Stromnulldurchgängen in Rückwärtsrichtung noch kurze Zeit leitend zu bleiben. Es fließt dann ein großer Rückstrom, der plötzlich abreißt. Dieser Vorgang wird beispielsweise als Trägerspeichereffekt TSE bezeichnet. Die Rückstromspitze sowie die Geschwindigkeit des Abreißens sind abhängig von der Größe der Stromänderung im Nulldurchgang. Das abrupte Abreißen des Rückstromes erzeugt in den unvermeidbaren Serieninduktivitäten, z. B. in der Streuinduktivität eines Transformators oder eines Motors, hohe Spannungen, die den Halbleiter zerstören wurden. Das parallelliegende RC-Glied erlaubt ein Weiterfließen des Stromes in der Induktivität und vermindert die Überspannung.

Erschwerend kommt hinzu, daß die durch den Rückstromabriß verursachte hohe und steile Überspannung besonders dann gefährlich ist. wenn zu dem bisher stromführenden Halbleiterelement ein Thyristor direkt antiparallel liegt, da im oberen Sperrspannungsbereich, d. h. bei etwa 60 bis 100% der höchstzulässigen periodischen Spitzensperrspannung V»«»i, dessen du/dt-Festigkeit stark zurückgeht. (Zu dem Begriff »du/dt-Kcstigkeit« vergleiche DlN 41 787.)

Die Dimensionierung des RC-Gliedes ist eine Optimierungsaufgabe, bei der einander widersprechende Anforderungen berücksichtigt werden müssen. Ein wesentliches Problem ist die im RC-Glied in Wärme umgesetzte elektrische Energie. Diese Energie sollte möglichst klein sein, um die Verluste der Stromrichterschaltung klein zu halten.

Es hat deshalb nicht an Schaltungsvorschlägen gefehlt, die Beschallung zu optimieren. Ein Berechnungsverfahren ist beispielsweise bekannt aus der Zeitschrift »Brown Boveri Mitteilungen« 62 (1975), Seite 220 bis 224.

Vielfach reicht der Einsatz eines einzigen RC-Gliedes noch nicht aus, um den Leistungshalbleiter ausreichend gegen die von einer geschalteten Impedanz kommenden Überspannungen zu schützen. In der eingangs erwähnten DE-OS 20 05 657 wird deshalb vorgeschlagen, dem einen RC-Glied zusätzlich mindestens ein weiteres RC-Glied parallel zu schalten, wobei die Zeitkonstanten der RC-Glieder verschieden sind. Nachteilig dabei ist jedoch, daß die zusätzlichen RC-Glieder die Verluste der Stromrichterschaltung erhöhen.

Aus der DE-AS 15 38 154 ist es bekannt, die RC-Glieder nicht als Reihen- sondern als Parallelschaltung auszubilden und zwei derartige RC-Glieder unter Einfügung einer Diode und eines zusätzlichen Dämpfungswiderstardes parallel zu schalten, wodurch Lade- und Entladestrom der Beschaltungskondensatoren auf zulässige Werte begrenzt werden sollen. Auch durch diese Schaltung werden jedoch ebenfalls die Verluste der Stromrichterschaltung erhöht.

Eine Verringerung der in den Beschaltungswiderstän-

den von RC-Gliedern in Serienschaltung entstehenden Verluste läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß jedem Widerstand eine Diode parallel geschaltet wird (vergl. Heumann/Stumpe, a. a. O., Fig. 41.1).

Die Beschaltungsverluste können auch durch die Verwendung einer Schaltdrossel in Serie zu dem zu schützenden Halbleiterelement herabgesetzt werden. Die Schaltdrossel bewirkt durch Herabsetzung der Stromsteilheit in der Nähe des Durchlaßstrom-Nulldurchgangs eine Verlängerung der Sperrverzögerungszeit. Ein Widerstand parallel zu der Schaltdrossel sorgt dafür, daß die in den Induktivitäten des Kommutierungs-Stromkreises gespeicherte Energie unter einem bestimmten kritischen Wert bleibt (Heumann/Stumpe, a.a.O. Bild 41.2).

Es ist auch schon bekannt, anstelle bzw. zusätzlich zu RC-Gliedern spannungsbegrenzende Elemente einzusetzen, z. B. spannungsabhängige Widerstände, Selen-Gleichrichter, Oxidvaristoren oder sogenannte DSAS-Elemente. DSAS-Elemente verhalten sich wie zwei in Antiserie geschaltete, stoßspannungsfeste Siliziumdioden; sie sind beschrieben in der Zeitschrift »BBC-Nachrichten«, 59 (1977), Seite 152 bis 158.

Um einen steuerbaren Halbleiter mit Hilfe eines DSAS-Elementes vor den schädlichen Auswirkungen eines Rückstromabrisses zu schützen, reicht es nicht aus, die Abbruchspannung des DSAS-Elementes so zu wählen, daß sie nur wenig unterhalb der zulässigen periodischen Blockierspannung Vorm des Thyristors liegt, da dieser durch das hohe du/dt schon »Überkopf« durchzünden kann, bevor die Spannung selbst die Abbruchspannung des DSAS-Elementes erreicht hat. Das b^r> »Überkopf«-Zünden führt jedoch bei einem gewöhnlichen Thyristor zu einer Zerstörung der Sili/.iumtabletic. Die Abbruchspannung des DSAS-Elementes miiö deshalb so gewählt werden, daß sie zwischen 60 urd

80% der zulässigen periodischen Spiizensperrspannung liegt. Dies kann dazu führen, daß das DSAS-Element bei bestimmten Betriebszuständen nach jedem Rückstromabriß anspricht, was eine hohe mittlere Verlustleistung und gegebenenfalls sogar eine Zerstörung des DSAS-Elements mit sich bringen kann. Die Begrenzung auf 60 bis 80% der zulässigen periodischen Spitzensperrspannung des zu schützenden Thyristors bedingt eine Überdimensionierung und eine unerwünschte Verteuerung.

Andere bekannte Schutzschaltungen sind als Notzündeinrichtung mit Kippdioden, sogenannten BOD-Elementen, ausgebildet 5OZ>-Elemente sind spezielle Thyristoren ohne herausgeführte Steuerelektrode, die »Überkopf« zünden, ohne daß die Siliziumtablette dabei zerstört wird. ßO£>-E!emente sowie ihre Anwendung als Überspannungsschutz sind beschrieben in der Zeitschrift »BBC-Nachrichten«, 1977, Seite 152 bis 158 oder in der DE-OS 22 58 112. ßOD-Elemente werden zwischen Anode und Steuerelektrode des zu schützenden Thyristors geschaltet Bei Überschreiten dei Kippschaltung wird der zu schützende Thyristor gezündet, so daß die an ihm abfallende Spannung auf wenige Volt zusammenbricht Nachteilig ist dabei, daß die zulässige periodische Spitzensperrspannung des zu schützenden Thyristors aus den zuvor schon beschriebenen Gründen nur zu 60 bis 80% ausgenutzt werden kann. Außerdem spricht beim Durchschalten des Thyristors in der Regel die ihm vorgeschaltete Überstromsicherung an, wodurch die gesamte Anlage außer Betrieb gesetzt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mindestens zwei parallele RC-Glieder aufweisende Schutzbeschaltung zur Erhöhung der du/dt-Festigkeit von steuerbaren Leistungshalbleitern der eingangs genannten Art anzugeben, die zur Verringerung der Verluste stufenweise bis zum Bereich der maximal zulässigen periodischen Blockierspannung wirksam ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Damit ergeben sich die Vorteile, daß im Bereich kleiner Blockierspannungen bis etwa 70% der zulässigen periodischen Blockierspannung nur das eine RC-Glied wirksam ist, welches für die dann wirksame höhere du/ dt-Festigkeit dimensioniert ist und entsprechend kleine Verluste ergibt. Sobald die Blockierspannung auf höhere Werte ansteigt, wird vollautomatisch das zweite RC-Glied eingekoppelt. Die an der Kippdiode abfallende Spannung bricht auf wenige Volt zusammen und der bisher ungeladene Kondensator des zweiten RC-Gliedes sorgt für einen momentanen Spannungseinbruch an dem zu schützenden Halbleiterlement und einen anschließenden Wiederanstieg der Spannung mit einer größeren Zeitkonstante. Dadurch erhält das zu schützende Halbleiterelement genügend Zeit, seine volle Sperrfestigkeit zu gewinnen und zu behalten. Es ist auf diese Weise möglich, den gesamten Spannungsbereich bis zu der maximal zulässigen periodischen Blockierspannung nicht nur statisch, sondern auch dynamisch auszunutzen.

Vorr.eilhafterweise ist diif Kippspannung der Kippdiode so ausgelegt, daß sie in den Bereich fällt, in dem die du/dt-Festigkeit des zu schützenden Thyristors deutlich zurückgeht. In der Rsgi/·'' liegt dieser Wert bei etwa 60 bis 70% der höchstzuläsi-'gen periodischen Blockierspannung des Leitungshalbl^eiiers. Auf diese Weise wird das zweite RC-GlietJ nur daⁿn wirksam, wenn die Spannung am zu schützenden Thyristor auf einen Wert ansteigt, bei dem die 'Ju/dt- Festigkeit merklich abzunehmen beginnt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist antiparallel zur Kippdiode eine Entladediode geschaltet. Über diese Diode kann sich der zweite Kondensator wieder entladen, wobei die elektrische Energie in dem zweiten Widerstand in Wärme umgesetzt wird.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Thyristor mit antiparalleler Diode und

ίο zwei Schutzbeschaltungen,

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf der Blockierspannung am Thyristor, verursacht durch einen Rückstromabriß, bei Verwendung nur eines einfachen RC-Gliedes und
F i g. 3 den zeitlichen Verlauf der Blockierspannung am Thyristor, verursacht durch den gleichen Rückstromabriß wie in Fig. 2, jedoch bei Verwendung von zwei RC-Gliedern.

Man erkennt in F i g. 1 einen Thyristor T1 mit antiparallel geschalteter Diode D 1. Parallel dazu ist eine erste Schutzbeschaltung aus einem RC-Glied Al, CI geschaltet. Dieses erste RC-G lied R 1, Cl ist so dimensioniert, daß es den Thyristor 7"! vor einem »Überkopf«-Zünden schützt, solange die Blockierspannung nicht über etwa 60 bis 70% der höchstzulässigen periodischen Blockierspannung Vm/i/ansteigt.

Parallel zu den Halbleitern Ti, Di liegt innerhalb der gestrichelten Umrahmung eine weitere Schutzbeschaltung. Diese besteht aus der Serienschaltung von einer Kippdiode BOD mit einem zweiten RC-Glied R 2, C2.

Die Kippspannung der Kippdiode BOD ist, wie schon erwähnt, auf etwa 60 bis 70% der maximalen periodischen Blockierspannung des Thyristors Π dimensioniert, wobei dieser Wert so gewählt ist, daß im normalen Betrieb das zweite RC-Glied R 2, C2 nicht wirksam wird. Sobald jedoch die Spannung am Thyristor TX über die Kippspannung der Kippdiode BOD ansteigt, liegt das zweite RC-Glied R 2, C2 parallel zum ersten RC-Glied Ri, Ct und sorgt für eine zusätzliche Verringerung der am Thyristor TX entstehenden Blockier-

spannung. Über eine antiparallel zur Kippdiode BOD liegende Diode D 2 wird der Kondensator C2 wieder entladen.

Fig.2 zeigt den zeitlichen Verlauf der am Thyristor 7"! infolge eines extremen Abrisses des durch die Diode D 1 fließenden Rückstroms entstehenden Blockierspannung Un, bezogen auf die höchstzulässige periodische Blockierspannung, wobei nur das erste RC-Glied R i, CX wirksam sein soll. Es entsteht eine gedämpfte Schwingung, die zu einem Zeitpunkt 11 den Maximalwert erreicht. Da Thyristoren im Spannungsbereich oberhalb etwa 60% der höchstzulässigen periodischen Blockierspannung eine stark verringerte du/dt-Festigkeit besitzen, besteht die Gefahr, daß der Thyristor Tl »Überkopf« zündet und zerstört wird.

F i g. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Blockierspannung Ut ι am Thyristor Ti unter den gleichen Voraussetzungen wie im Beispiel der F i g. 2, jedoch mit der zusätzlichen ei findungsgemäßen Schutzbeschaltung. Man erkennt, daß die Spannung Ur \ zunächst in gleieher Weise ansteigt, bis zum Zeitpunkt ti die Kippspannung Uk der Kippdiode BOD erreicht ist. Durch das Zuschalten des zweiten RC-Gliedes R 2, C2 entsteht tin kurzer Spannungseinbruch. Infolge der Parallelschaltung der beiden RC-Glieder steigt anschließend

b5 die Spannung langsamer an und erreicht erst zu einem späteren Zeitpunkt f3 ihren Scheitelwert, der zudem unter dem Scheitelwert des Beispiels nach F i g. 2 bleibt. Man erkennt aus dem Verlauf rW ^»nnnnn //_ „~„u

F i g. 3, daß speziell im oberen Spannungsbereich oberhalb der Kippspannung Uk der Kippdiode BOD der Spannungsanstieg erheblich flacher verläuft als im Beispiel der Fig.2 und daß durch richtige Dimensionierung des zweiten RC-Gliedes sowie der Kippspannung Uk der Spannungsanstieg der Blockierspannung Ut ι an die du/dt-Festigkeit des jeweils verwendeten Thyristors Ti angepaßt werden kann.

Verwendet man zusätzliche Schutzbeschaltungen mit Kippdioden und RC-Gliedern, so kann der Verlauf der am Thyristor Ti infolge eines Rückstromabrisses auftretenden Blockierspannung in zusätzlichen Stufen noch individueller an den tatsächlichen Verlauf der du/ dt-Festigkeit angepaßt werden, wobei zusätzliche Verluste in den Beschallungswiderständen nur dann entstehen, wenn auch die zugehörige extreme Beanspruchung am Thyristor auftritt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Schutzbeschaltung für steuerbare Leistungshalbleiter (Tl), insbesondere Thyristoren, die mit mindestens zwei parallelen RC-Gliedern (Rl, Cl; R 2, C2) beschaltet sind, zur Erhöhung der du/dt-Festigkeit im Bereich der maximalen Blockierspannung (Vdrm), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem RC-Glied (RZ C 2) eine Kippdiode (BOD)In Reihe liegt.

2. Schutzbeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung nur einer Serienschaltung von Kippdiode (BOD) und RC-Glied (R 2, C2) die Kippspannung (Uk) der Kippdiode (BOD) etwa 60 bis 70% der höchstzulässigen periodischen Blockierspannung (Vdrm) des Leistungshaibleiters (Tl) beträgt

3. Schutzbeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Serienschaltungen von Kippdioden (BOD) und RC-Gliedern (R \, Cl; R2, C2) die Kippspannungen (Uk) der Kippdioden (BOD) mit zunehmender Spannungshöhe enger werdender Stufung dimensioniert sind.

4. Schutzbeschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß antiparallel zur Kippdiode (BOD)eme Entladediode (D 2) geschaltet ist.