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Schaltungsanordnung für die Ansteuerung eines abschaltbaren
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Thyristors (GTO) Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Bei hoher Schalthäufigkeit des GTO ist es
besonders wichtig, die Schaltverluste während des Ein- und Ausschaltvorganges möglichst
gering zu halten. Hierzu ist es bekannt (z.B. gemäß der DE-PS 29 38 736), beim Durchschalten
über RC-Glieder einen zu Beginn überhöhten Gateeinschaltimpuls zu verwenden, der
das Durchschalten beschleunigt.
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Bei sehr stark schwankender, insbesondere induktiven Last wie z.B.
bei der Ansteuerung von Servomotoren, ist es möglich, daß der Durchlaßstrom durch
den GTO nach Ablauf einer kurzen überhöhten Steuerimpulsdauer noch nicht den Einraststrom
erreicht hat und der GTO in den Sperrzustand zurückfällt.
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Auch hierdurch kann sich eine höhere Schaltverlustleistung ergeben.
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Die Erfindung vermeidet größere Schaltverluste dadurch, daß Einschaltsteuerstromimpulse
verwendet werden, die eine maximal zulässige steile Impulsvorderflanke und einen
nachfolgenden überhöhten Strom bis zu einer festgelegten Einraststromzeit aufweisen
und danach auf einen festgelegten Haltestrom zurückfallen. Da hierbei direkt an
der Grenze der maximal zulässigen Gate-Ströme gearbeitet wird, muß sichergestellt
sein, daB durch Veränderungen in der Ansteuerung oder sonstiger Spannungstoleranzen
bzw. Störimpulse die Grenze nicht überschritten wird.
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Dies wird möglich, wenn gemäß dem gekennzeichnenden Teil des Patentanspruches
1 ein hochfrequenter Steuerimpulserzeuger mit konstanter Frequenz vorgesehen ist,
dessen Impulse eine erste und eine zweite monostabile Kippstufe setzen, deren Ausgänge
Konstantstromquellen in den Gatestromkreis schalten, wobei eine der monostabilen
Kippstufen den überhöhten Gatestrom während einer vorgegebenen Haltezeit zuschaltet.
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Eine besonders störsichere Schaltung wird möglich, wenn eine erste
monostabile Kippstufe durch die hochfrequenten Steuerimpulse retriggert wird, deren
Ausgang eine Stromquelle für den Gatestromkreis für den Haltestrom des GTO schaltet
und gleichzeitig die zweite monostabile Kippstufe setzt, die mit vorgegebener Haltezeit
den überhöhten Gatestrom für das sichere Einschalten des GTO's durch Zuschalten
einer zweiten Konstantstromquelle übernimmt. Zur weiteren Verkürzung der Einschaltzeit
kann zusätzlich von einer der Kippstufen der Lade- oder Entladestrom eines Kondensators
in den Gatestromkreis zugeschaltet werden.
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Das Abschalten des GTO's erfolgt durch ein Unterbrechen der hochfrequenten
Steuerimpulsfolge ab Eintreffen des letzten Steuerimpulses nach abgelaufener Haltezeit
der retriggerten Kippstufe.
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Durch das Rücksetzsignal bzw. bei nicht gesetzter Kippstufe kann eine
negative Spannung dem Gate über eine Schaltstufe zugeführt werden, die einen Ausschaltimpuls
mit vorgegebener Stromsteilheit erzeugt.
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Im folgenden wirddie Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert,
wie sie in den Zeichnungen dargestel.lt sind. Es zeigt Fig. 1 das Blockschaltbild
für eine erfindungsgemäße Ansteuerung eines GTO's Fig. 2 den zeitlichen Verlauf
der Ansteuerimpulse für ein Ausführungsbeispiel und Fig. 3 das Schaltbild für eine
GTO-Ansteuerung gemäß diesem Ausführungsbeispiel.
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In Fig. 1 ist die Ansteuerung des Gate 1 eines GTO's 2 im Prinzip
dargestellt. Hierbei werden die Impulse aus einem Hochfrequenzimpulserzeuger 3 in
einer Schaltstufe 4 entsprechend eines Steuersignals 5 auf die Gate-Ansteuerstufen
6 gegeben. Diese gelangen dort auf den Triggereingang einer retriggerbaren monostabilen
Kippstufe I. Am Q-Ausgang dieser Kippstufe I liegt der Schalteingang einer ersten
Konstantstromquelle 7 und der Triggereingang einer zweiten monostabilen Kippstufe
II, deren Q-Ausgang an einer zweiten Konstantstromquelle 8 liegt. Der Q-Ausgang
der ersten Kippstufe liegt am Schalteingang einer weiteren Stromquelle 9. Alle Stromquellen
der Stufen 7, 8 und 9 sind derart in den Stromkreis des Gates 1 geschaltet, daß
ein Stromfluß in diesen Gatestromkreis bewirkt werden kann. Weiterhin ist noch ein
Kondensator 10 vorgesehen, der zusaunen mit einer der Konstantstromquellen 7 oder
8 einen Lade-oder Entladestrom in den Gatestromkreis einspeist.
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Die Wirkungsweise dieser Schaltung wird anhand von Fig. 2 erläutert.
Wird durch ein äußeres Schaltsignal 5 die Schaltstufe 4 geschlossen, gelangen z.B.
alle 7 tjs AnsteuerimpulseA auf den Triggereingapg der Kippstufe I. Diese Kippstufe
I wird durch den ersten Ansteuerimpuls gesetzt und durch die nachfolgenden Ansteuerimpulse
retriggert, so daß der QI-Ausgang dieser Stufe bei durchgeschalteten Ansteuerimpulsen
A ständig ein positives Signal abgibt. Durch das Setzen der Kippstufe I wird über
diesen Q-Ausgang auch die zweiteKippstufe II gesetzt, wodurch deren Q-Ausgang QII
nahezu gleichzeitig positiv wird. Diese zweite Kippstufe II fällt jedoch nach einer
festgelegten Zeit 12 in den Ausgangszustand zurück, wobei auch das QII-Ausgangssignal
zurückgestellt wird.
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Ober das QI-Ausgangssignal der Kippstufe I wird die Konstantstromquelle
7 z.B. über eine Schaltstufe in den Gatestromkreis geschaltet, die dort einen Strom
13 bewirkt, der sicherstellt, daß der GTO nach abgeschlossener Einschaltung durchgeschaltet
bleibt und die Durchlaßverluste klein gehalten werden. Während der Zeit 12 schaltet
die zweite Kippstufe II über ihren QII-Ausgang einen größeren, überhöhten Strom
14 über eine zweite Konstantstromquelle 8 zu, wobei durch eine entsprechende Wahl
der Zeit 12 sichergestellt wird, daß ein sehr rasches Durchschalten des GTO's erfolgt
und nach Abklingen dieses überhöhten Stromimpulses das Einrasten eines Mindeststromes
durch den GTO erfolgt. Um ein noch rascheres Durchschalten des GTO's zu ermöglichen,
kann zusammen mit dem Einschalten einer der Konstantstromquellen 7 oder 8'der Lade-
oder Entladestrom 15 eines Kondensators 10 zusätzlich in den Gatestromkreis eingespeist
werden, so daß sich ein Gate-Einschaltstromimpuls 16 ergibt, der durch eine entsprechende
Dimensionierung einzelner Schaltglieder bezüglich der Stromanstiegsflanken 17 des
Spitzenwertes 18 sowie der Impulsdauer 19 optimal den gewünschten Verhältnissen
angepaßt werden kann, ohne hierbei Grenzwerte zu überschreiten.
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Wird die Zufuhr der Ansteuerimpulse A z.B. durch die Schaltstufe 4
unterbrochen, fällt das QI-Signal nach Eintreffen des letzten Aunsteuerimpulses
21 und Ablauf der Haltezeit 22 der ersten Kippstufe I in den Ausgangszustand zurück.
Der zweite Ausgang X kann nun dazu benutzt werden, den GTO zu sperren bzw. abzuschalten.
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Hierzu kann einer weiteren Schaltstufe 9 dieses Signal QI zugeführt
werden, die eine negativen Abschaltstromimpuls 23 mit festgelegter Impulsflanke
in den Gatestromkreis einspeist und den GTO durch Anlegen einer negativen Gatespannung
sperrt.
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Fig. 3 zeigt den Aufbau der Gate-Ansteuerstufen 6 in einem Schaltungsbeispiel.
Diese Ansteuerstufen werden durch eine positive Stromquelle 31 und eine negative
Stromquelle 32 gespeist, die jeweils mit einer Seite auf einem Bezugspotential 0
liegen. Dieses Bezugspotential ist über eine Leitung 33 fest mit der Kathode des
GTO 34 verbunden. Ober einen Impulsübertrager 35 und einen Widerstand 36 gelangen
die hochfrequenten Ansteuerimpulse auf einen Triggereingang 37 einer ersten monostabilen
Kippstufe I, der mit einem Ableitwiderstand 38 an der negativen Stromquelle 32 und
über eine Begrenzerdiode 39 am Bezugspotential 0 liegt. Der Q-Ausgang dieser Kippstufe
I liegt am Triggereingang 39 einer zweiten monostabilen Kippstufe II und an einem
Spannungsteiler 41, dessen anderes Ende an der negativen Stromquelle 32 liegt. Die
Spannungsversorgung der beiden Kippstufen I und II übernimmt gleichfalls die negative
Stromquelle 32, wobei die positiven Versorgungsseiten 42, 43 auf Bezugspotential
0 liegen, wohin auch die RC-Zeitglieder 44, 45 zur Festlegung der Haltezeit der
Kippstufen I und II geführt sind.
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Auch zwischen dem Q-Ausgang der zweiten Kippstufe II und der negativen
Stromquelle 32 liegt ein Spannungsteiler 46.
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Der Mittelabgriff des Spannungsteilers 41 liegt an der Basis eines
NPN-Schalttransistors 47 und der Mittelabgriff des Spannungsteilers 46 an der Basis
eines weiteren NPN-Schalttransistors 48. Die Emitter dieser beiden Schalttransistoren
sind jeweils an der negativen Stromquelle 32 angeschlossen. Die Kollektoren der
beiden Schalttransistoren 47, 48 liegen jeweils über einen weiteren Ausgangsspannungsteiler
49, 50 an der positiven Stromquelle 31. Die Mittelabgriffe dieser Ausgangsspannungsteiler
49 und 50 liegen jeweils an der Basis eines als Stromkonstanthalters geschalteten
PNP-Transistors 52 und 53, die jeweils über einen strombestimmenden Emitterwiderstand
54 und 55 an der positiven Stromquelle 31 liegen. Parallel zum strombestimmenden
Emitterwiderstand 54 des einen stromkonstant haltenden PNP-Transistors 52 ist ein
Kondensator 51 geschaltet. Falls erforderlich kann in bekannter Weise wie dies beim
Transistor 52 dargestellt ist, die Basis über eine Zenerdiode 56, die mit ihrer
Kathode an der positiven Stromquelle 31 liegt, im Einschaltzustand auf ein festes
Potential gelegt werden. Die Kollektoren der Stromkonstanthalte-Transistoren 52
und 53 sind beide mit dem GTO-Gatenanschluß 57 verbunden, der über einen Widerstand
58 am Bezugspotential 0 bzw.
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der Kathode des GTO's 34 liegt.
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Der QI-Ausgang der ersten Kippstufe ist über ein RC-Glied 61 (Widerstand
mit parallel liegendem Kondensator) mit dem Eingang eines in Darlington-Schaltung
geschalteten Schal tvers tärkers mit zwei NPN-Transistoren 62, 63 verbunden, wobei
der Emitter des Endtransistors 63 an der negativen Stromquelle 32 liegt und diese
in durchgeschaltetem Zustand über den Kollektor des Endtransistors 63 und über eine
Induktivität 64 mit parallel liegender Freilaufdiode 65 mit dem Gateanschluß 57
verbindet.
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Die erste Kippstufe I wird durch die ankommenden Ansteuerimpulse A
retriggert und stellt sicher, daß z.B. Störimpulse den Einschaltvorgang und das
nachfolgende Durchschalten nicht beeinflussen können und auch kein Ausschalten bewirken.
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Die mit dem Zeitglied 44 einstellbare Abschaltverzögerung sollte so
groß sein, daß ein Ausschaltimpuls durch ein Rücksetzen dieser Kippstufe über die
Darlington-Stufe 62, 63 erst dann an das Gate des GO's gegeben werden kann, wenn
der Einschaltvorgang abgeschlossen ist. Das heißt, die Rücksetzzeit sollte gleich
oder größer bemessen sein, als die der Kippstufe II durch das Zeitglied 45. Die
über den Q-Ausgang der ersten Kippstufe I und den Schalttransistor 47 eingeschaltete
Konstantstromquelle mit dem Transistor 52 liefert bei entsprechend dimensioniertem
Emitterwiderstand 54 einen Gatestrom 13 (gemäß Fig. 2), der ein Durchschalten des
GTO's bis zum Eintreffen eines Abschaltimpulses sicherstellt. Ein solcher Abschaltimpuls
23 wird erst erzeugt, wenn die Kippstufe I zurücksetzt und hierbei über den Schalttransistor
47 die Konstantstromquelle mit dem Transistor 52 abschaltet. Die Steilheit des Abschaltstromimpulses
läßt sich durch eine entsprechende Bemessung der Darlingtonstufe 62, 63 und der
Induktivität 64 festlegen. Nach dem Abschalten des GTO's bleibt das Gate weiter
mit der negativen Stromquelle 32 verbunden und hierdurch mit einer negativen Sperrspannung
gesperrt.
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Der parallel zum Emitterwiderstand 54 liegende Kondensator 51 verhindert
einen raschen Emitterspannungsanstieg nach dem Einschalten des Transistors 52, wodurch
während der Aufladezeit des Kondensators 51 ein überhöhter Strom durch den Transistor
52 fließen kann. Hierdurch erhöht sich die Flankensteilheit des Gate-Einschaltstromimpulses
und dessen Spitzenwert. Der Kondensator 51 läßt sich mit gleicher Wirkung auch parallel
zum Emitterwiderstand 55 der anderen Konstantstromquelle schaltern, jedoch müßte
er wegen des dort erfordelichen kleineren Emitterwiderstandes 55 entsprechend größer
gewählt werden.
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Die mit den Zeitgliedern 45 einzustellende Rücksetzzeit der zweiten
Kippstufe II wird derart gewählt, daß die Impulslänge 19 des Gateeinschaltstromimpulses
ausreicht, um ein sicheres Durchzünden des GTO's zu bewirken und/oder bei kleinster
Last bzw. größter Induktivität der Last, der Strom durch den GTO soweit ansteigen
kann, daß er größer als der erforderliche Einraststrom ist. Um sicherzustellen,
daß die Konstantstromquelle mit dem Transistor 53 abgeschaltet ist bevor ein Ausschaltimpuls
entstehen kann, ist die Rücksetzzeit der Kippstufe I gleich oder größer zu wählen
als die der Kippstufe II.
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Häufig, insbesondere bei einer Anwendung in Servoantrieben, wird die
Ansteuerung einer Vielzahl von GTO's erforderlich.
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In diesen Fällen kann ein Generator 3 (Fig. 1) für alle Ansteuerungen
gemeinsam benutzt werden, wobei durch eine potentialfreie Ankopplung (z.B. über
den Impulsübertrager 35 nach der von einem Steuersignal gesteuerten Schaltstufe
4) nur die in Fig. 3 dargestellten Stufen eine direkte Verbindung (33) mit den Laststromkreisen
haben.
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Ein besonders günstiges Schaltverhalten des GTO's und der monostabilen
Kippstufen wird bei Ansteuerimpulsen möglich, deren Vorderflanken einen zeitlichen
Abstand aufweisen, der eindeutig kürzer jedoch länger als die Hälfte der Haltezeit
der zweiten Kippstufe II ist. Wird eine Haltezeit von z.B.
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8 Us erforderlich, könnte ein zeitlicher Abstand der Vorderflanken
von ca. 7 ps gewählt werden, und die Rücksetzzeit der ersten Kippstufe I gleichfalls
auf 8 us oder geringfügig darüber festgelegt sein.