DE3410580A1 - Abschaltthyristormodul - Google Patents

Abschaltthyristormodul

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DE3410580A1
DE3410580A1 DE19843410580 DE3410580A DE3410580A1 DE 3410580 A1 DE3410580 A1 DE 3410580A1 DE 19843410580 DE19843410580 DE 19843410580 DE 3410580 A DE3410580 A DE 3410580A DE 3410580 A1 DE3410580 A1 DE 3410580A1
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Description

HOFFMANN · EITLE & PARTNER
PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · D1PL.-ING. W. LEHN
DIPL.-ING. K. FOCHSLE . DR. RER. NAT. B. HANSEN . DR. RER. NAT. H -A. BRAUNS · DIPL.-ING. K. GORG
DIPL.-ING. K. KOHLMANN - RECHTSANWALT A. NETTE
- 7 - 40 013 q/sm
Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Tokyo / Japan
Abschaltthyristormodul
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abschaltthyristor-(GTO)-Modul. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung der äußeren Elektroden im Baustein bzw. im Gehäuse eines GTO-Moduls.
5
Gegenwärtig werden starke Anstrengungen zur Entwicklung neuer Techniken zur Einsparung bzw. Konservierung von Energie unternommen. Insbesondere sind starke Anstrengungen beim Einsparen elektrischer Energie durch die Schaffung von verbesserten Hochleistungsschaltvorrichtungen unternommen worden. Der GTO ist eine Vorrichtung, die sehr vielversprechend ist, weil sie klein in ihrer physikalischen Größe, jedoch groß in der Stromschaltfähigkeit ist. Diese Vorrichtung findet z. B. ihre Anwendung in Inverterschaltungen, die zur Motorsteuerung verwendet werden.
Es war bisher die Praxis, Schaltungen mit GTOs in Module aufzuteilen bzw. auszubilden, um ihre Gesamtgröße zu verringern. Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines GTO-Moduls des 0 Standes der Technik. In diesem Modul sind zwei GTO-Chips, der GT01 und GT02 in Reihe miteinander verbunden. Ein Teil 100, der durch eine unterbrochene Linie eingekreist ist, stellt einen inneren Teil des Bausteines dar. Das Bezugszeichen 101 bezeichnet einen Ausgangsanodenanschluß A2, der mit der Anodenelektrode des GT02 verbunden ist, während 102 einen Hauptkathodenanschluß K1 bezeichnet, wel-
3Λ10580
eher mit der Kathodenelektrode des GTO1 verbunden ist. bezeichnet einen gemeinsamen Hauptanschluß, der mit der Anodenelektrode des GTO1 und der Kathodenelektrode des GTO2 verbunden ist. Der Anschluß 103 dient ebenfalls als ein Anodenanschluß A1 des GTO1 und als Kathodenanschluß K2 des GTO2. 108 und 109 bezeichnen einen Steuergateanschluß G1 und einen Kathodenanschluß K1a, die jeweils mit der Gateelektrode und der Kathodenelektrode des GTO1 verbunden sind. 110 und 111 bezeichnen einen Steuergateanschluß G2 sowie einen Kathodenanschluß K2a, die jeweils mit der Gateelektrode und der Kathodenelektrode des GTO2 verbunden sind.
Im allgemeinen ist in dem Falle, in dem der GTO in einer Inverter- oder Zerhackerschaltung verwendet wird, eine Dämpfungsschaltung zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode des GTO vorgesehen. Einer der Gründe für die Verwendung der Dämpfungsschaltung ist der, den durch den GTO fließenden Strom, und zwar im Zeitpunkt der Abschaltung des GTO, kurzzuschließen, um so den durch den GTO fließenden Strom schnell abzuschalten. Hierbei soll der Leistungsverlust in dem GTO verringert werden. Ein anderer Grund besteht darin, ein Wiederzünden bei einem Ausschaltversagen des GTO dadurch zu verhindern, daß eine Spitzenspannung, die durch eine Induktivität in der Dämpfungsschaltung aufgebaut wird, während der fallenden Periode überlagert wird.
Die Dämpfungsschaltung ist zwischen den Anoden- und Katho-0 denanschlüssen der beiden GTOs (GTO1 und T02) in zwei Modulvorrichtungen vorgesehen. Insbesondere zeigt in Fig. das Bezugszeichen 140 eine Dämpfungsschaltung für GTO1, die aus einer Diode D . und einem Kondensator C .. , die in
Serie geschaltet sind, und aus einem Widerstand R 1 besteht, welcher parallel zur Diode D 1 angeordnet ist. 150 bezeichnet eine ähnliche Schaltung für den GTO2, der aus einer Diode D „, einem Kondensator C 2 und einem Widerstand R ~ besteht. Die Werte der Kondensatoren und Widerstände sowie die Typen der Dioden, die zusammen die Dämpfungsschaltungen bilden, werden derart gewählt, daß optimale Charakteristiken für die GTO-Module in Übereinstimmung mit der jeweiligen und besonderen Anwendung erzielt werden.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht der äußeren Ausbildung eines konventionellen GTO-Moduls, dessen innere Struktur in Fig. 1 dargestellt ist. In Fig. 2 ist mit 100 ein Kunststoffgehäuse und mit 130 eine Wärmeabstrahlplatte aus einem Kupferblech bezeichnet. 101, 102 und 103 bezeichnen die Hauptelektrodenanschlüsse, während 108 und 109 Steuerelektrodenanschlüsse des GTO1 und 110 und 111 Steuerelektrodenanschlüsse des GTO2 sind. 120 bezeichnet ein Loch, welches dazu dient, den Modul mit Hilfe einer Schraube an einem Strahlungsblech anzubringen.
Fig. 3A zeigt einen solchen GTO-Modul in Verbindung mit einer Inverterschaltung. Insbesondere zeigt Fig. 3A eine Phase der Inverterschaltung. Die Fig. 3B bis 3E zeigen Spannungs- und Stromwellenformen an entsprechenden Punkten, aufgenommen während der Abschaltzeit der GTO-Vorrichtungen. Insbesondere zeigt Fig. 3B die Wellenform einer Spannung V zwischen der Anode und Kathode einer GTO beim Abschal-0 ten. Wie aus Fig. 3B zu sehen ist, schwingt die Spannung über, und zwar angedeutet durch AV , V . V tritt wäh-
x\i\ JJJr Ujt
rend der Abschaltzeit auf. Dies kann durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden ζ
und .... (1)
Lt1, ....(2)
wobei L11 = I3+I4+I5+I6I7+I8, ^2 = I1+I3+I3+I4, und I1, lo, 1_, 1., lc, 1,, 1_ und lo Induktivitäten von entsprechenden Verbindungsleitungen, wie in Fig. 3A angedeutet ist, bedeuten. Unter dem Überschwingen ist AVj^j. wichtig für die Durchbruch- oder Durchschlagspannung des GTO, während V_p wichtig ist in bezug auf den Schaltverlust in der GTO im Zeitpunkt der Abschaltung. Die Spannung V nimmt zu proportional zur Induktivität der Leitung L^-. Da die Leitungsinduktivität L.„ zunimmt, nimmt der Schaltverlust beim Abschalten zu. Der GTO kann tatsächlich zerstört werden, wenn die Schaltverluste genügend hoch sind. Es ist daher notwendig, die Längen der Verbindungsdrähte zu verkürzen, und 0 zwar die Längen zu und von sowie innerhalb der Dämpfungsschaltung, um so die Induktivitäten dieser Zuleitungen zu verringern.
In einem konventionellen GTO-Modul, der eine Leitungsstruktur sowie eine äußere Konfiguration aufweist, wie in den Fig. 1 und 2, wird die Dämpfungsschaltung 140 für den GTO1 zwischen der Hauptanode 103 und der Hauptkathode 102 angeordnet, während die Dämpfungsschaltung 150 für den GTO2 zwischen der Hauptanode 101 und der 0 Hauptkathode 103 vorgesehen wird. Ein solcher GTO-Modul weist die folgenden Nachteile auf:
(1) Da die ilauptelektrodenanschlüsse gemeinsam als Verbindungsanschlüsse für die Dämpfungsschaltung dienen, ist die gesamte Länge der Leitung der Dämpfungsschaltung sowie die Leitung zu den Hauptelektrodenanschlüssen des GTO grundsätzlich bestimmt durch die Größe
der Bauteilvorrichtung. Sogar dann, wenn die externen Leitungsverbindungen der Dämpfungsschaltungen verkürzt würden, würden die gesamten Induktivitäten nicht in ausreichendem Maße verringert werden. 10
(2) Da die Hauptelektrodenanschlüsse gemeinsam als Verbindungsanschlüsse dienen, um die Dämpfungsschaltung mit dem GTO zu verbinden, ist es notwendig, zwei Leitungen mit jeder Hauptelektrode zu verbinden, was das Gerät schwierig in seiner Gestaltung und zum Reparieren macht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.
Eine besondere Aufgabe der Erfindung ist es, einen GTO-Modul zu schaffen, in dem die Leitungsinduktivitäten der Dämpfungsschaltung verringert werden, in dem die Überschwingspannungen, die den GTOs beim Abschalten anhaften, verringert werden, in dem der Schaltverlust verringert wird und in dem das externe Verdrahten vereinfacht wird.
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe der Erfindung ist ein Abschaltthyristormodul vorgesehen mit einem Gehäuse, welches ein parallel ausgebildetes Kunststoffgehäuse sein kann, in dem mindestens ein Abschaltthyristorchip eingebettet ist. Hauptanoden- und Kathodenanschlüsse sowie ein Gatesteueranschluß sind auf einer oberen Seite des Gehäuses vorgesehen und sind jeweils mit der Anodenelek-
trode, der Kathodenelektrode und der Steuerelektrode des entsprechenden Abschaltthyristorchips verbunden. Dämpfungsschaltungsverbindungsanschlüsse sind auf dem Gehäuse in einer Position vorgesehen, die eine gegenüber dem Hauptanodenanschluß, dem Hauptkathodenanschluß und dem Steuergateanschluß unterschiedliche Höhe aufweist. Die Dämpfurigsschaltungsverbindungsanschlüsse sind so dicht als möglich mit den jeweiligen Elektroden des Thyristorchips verbunden, um auf diese Weise die Schaltungsinduktivitäten zu verringern.
Die Figuren zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine schematische Schaltung eines Beispieles für Verdrahtungsverbindungen in einem konventionellen
GTO-Modul,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der äußeren Konfiguration des konventionellen GTO-Moduls, 20
Fig. 3A eine schematische Schaltung eines konventionellen GTO, der in einer Inverterschaltung vorgesehen ist,
Fig. 3B bis 3E Wellenformen für Spannungs- und Stromverläufe, die an unterschiedlichen Stellen der Schaltung nach Fig. 3 beim Abschalten des GTO auftreten,
Fig. 4 eine schematische Schaltung von Verdrahtungsver-0 bindungen eines GTO-Moduls gemäß der Erfindung
und
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der äußeren Konfiguration des GTO-Moduls der erfindungsgemäßen Art.
Die Schaltungsstruktur eines GTO-Moduls der Erfindung ist in Fig. 4 und die externe Gestaltung dieses GTO-Moduls in Fig. 5 dargestellt.
Der GTO-Modul gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von dem konventionellen GTO-Modul gemäß Fig. 1 dadurch, daß Anschlüsse für die Verbindung der Dämpfungsschaltung vorgesehen sind, die über interne Leitungen direkt mit der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode jedes GTO-Elementes (GTO1 und GTO2) verbunden sind. Die die Dämpfungsschaltung verbindenden Anschlüsse sind extrem dicht an den entsprechenden GTO-Elektroden angeordnet und sind unabhängig von den Hauptelektrodenanschlüssen vorhanden. Insbesondere sind unabhängige Verbindungsanschlüsse 106 und 107 der Dämpfungsschaltung für GTO1 und Verbindungsanschlüsse 104 und 105 der Dämpfungsschaltung für GTO2 vorgesehen. Die Verbindungen innerhalb des Bausteins sind, wie durch die gebrochene Linie in Fig. 4 dargestellt, in der Weise hergestellt, daß die Längen dieser internen Leitungen sehr kurz sind.
Die externe Ausbildung des GTO-Moduls gemäß Fig. 4 ist in Fig. 5 gezeigt. Ein Seitenanschluß 106 einer Anodenelektrode und ein Seitenanschluß 107 einer Kathodenelektrode, die zur Verbindung der Dämpfungsschaltung mit dem GTO1 dienen, sind unabhängig von dem Hauptanodenelektrodenanschluß 103 und dem Hauptkathodenelektrodenanschluß des GTO1 vorgesehen. Um die Anordnung und die Reparaturmöglichkeit der Vorrichtung, in der der Modul verwendet wird, zu erleichtern, ist die Höhe der Hauptelektrodenausgangsanschlüsse unterschiedlich gegenüber der der Dämpfungsschaltungsanschlüsse. Gemäß Fig. 5 ist die Lage der Anschlüsse der Dämpfungsschaltung niedriger als die
der Hauptelektrodenanschlüsse. Ein ähnlicher Effekt kann jedoch erreicht werden, wenn die Positionen der beiden Anschlußtypen oder Arten umgekehrt werden.
Die Struktur des vorgenannten Ausführungsbeispieles bewirkt die folgenden Wirkungen:
(A) Die Verdrahtung der Dämpfungsschaltung wird verkürzt, wobei die überSchwingspannung V , die der Anoden-Kathoden-Strecke des GTO beim Ausschalten überlagert wird, verringert wird. Somit werden auch die Schaltverluste beim Ausschalten verringert.
(B) Da die Anschlüsse für die Dämpfungsschaltungsverbindung sich in unterschiedlichen Ebenen gegenüber den Hauptelektrodenanschlüssen befinden, kann der Aufwand und die Arbeit zum Verbinden der Dämpfungsschaltung sowie zum Verbinden der Eingangs- und Ausgangsleitungen mit den Hauptelektrodenanschlüssen und der Aufwand zum Entfernen oder Anfügen der externen Leitungen für die Inbetriebnahme und die Reparatur glatt und reibungslos gehalten bzw. durchgeführt werden.

Claims (9)

  1. HOFFMANN · EITLE & PARTNER Q / 1 Π K Q Π
    PATENT- UND RECHTSANWÄLTE JH I U 0 ö U
    PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL-ING. W. LEHN
    DIPL.-INQ. K. FOCHSLE ■ DR. RER. NAT. B. HANSEN · DR. RER. NAT. H -A. BRAUNS · DIPL.-ING. K. GORG
    DIPL.-ING. K. KOHLMANN - RECHTSANWALT A. NETTE
    40 013 q/sm
    Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Tokyo / JAPAN
    Abschaltthyristormodul
    Patentansprüche
    1/. Abschaltthyristormodul, dadurch gekennzeich net, daß ein Gehäuse (100) vorgesehen ist, in dem mindestens ein Abschaltthyristor (GT01 bzw. GT02) vorgesehen ist, daß ein Hauptanodenanschluß, ein Hauptkathodenanschluß und ein Gatesteueranschluß, die auf der oberen Seite des Gehäuses vorgesehen sind, für jedes Abschaltthyristorchip vorhanden sind und mit einer Anodenelektrode, einer Kathodenelektrode und einer Gateelektrode eines entsprechenden Abschaltthyristorchips verbunden sind, daß Verbindungsanschlüsse eine Dämpfungssehaltung (140, 150) in einer unterschiedlichen Höhenlage in bezug auf die Lage des Hauptanodenanschlusses und des Hauptkathodenanschlusses für jeden Abschaltthyristorchip vorgesehen sind und mit der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode des entsprechenden Abschaltthyristorchips verbunden sind, und daß interne Verbindungsleitungen, die sich von der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode zu den Verbindungsanschlüssen der Dämpfungsschaltung hin erstrecken jeweils kürzer sind als die internen Verbindungsleitungen, die die Anodenelektrode und die Katho-
    ■«nno MÜNCHEN 81 · TELEFON (Όββ} Ο11Ο87 · TELEX β-29β19 CPATHEJ · TELEKOPIERER B1B35S
    denelektrode mit dem Hauptanodenanschluß und dem Hauptkathodenanschluß verbinden.
  2. 2. Abschaltthyristormodul, dadurch g e k e η η zeichnet, daß eine Serienverbindung des ersten Abschaltthyristorchips und des zweiten Abschaltthyristorchips vorgesehen ist, daß ein im wesentlichen parallel zeitiges Gehäuse zur Aufnahme der Serienverbindung vorgesehen ist, daß ein erster Hauptkathodenanschluß in dem Gehäuse vorhanden ist derart, daß zumindest sein Endbereich auf der oberen Oberfläche des Gehäuses freigelegt ist, wobei der erste Hauptkathodenanschluß mit einer Kathode des ersten Abschaltthyristors verbunden ist, daß ein zweiter Hauptanodenanschluß in dem Gehäuse vorgesehen ist derart, daß zumindest sein Endbereich auf der oberen Oberfläche freigelegt ist, wobei der zweite Hauptanodenanschluß mit einer Anode des zweiten Abschaltthyristors verbunden ist, daß ein Haupt-0 anschluß für eine erste Anode und zweite Kathode in dem Gehäuse vorhanden ist derart, daß zumindest sein Endbereich auf der oberen Oberfläche freigelegt ist, wobei der Hauptanschluß für die erste Anode und die zweite Kathode mit einer Anode des ersten Abschaltthyristors und mit einer Kathode des zweiten Abschaltthyristors verbunden ist, daß ein erster Gatesteueranschluß in dem Gehäuse vorgesehen ist derart, daß zumindest sein Endbereich auf der oberen Oberfläche freigelegt ist, wobei der erste Gatesteueran-0 Schluß mit einem Gate des ersten Abschaltthyristors verbunden ist, daß ein erster Kathodensteueranschluß in dem Gehäuse derart angeordnet ist, daß zumindest
    sein Endbereich auf der oberen Oberfläche freigelegt ist, wobei der erste Kathodensteueranschluß mit der Kathode des ersten Abschaltthyristors verbunden ist, daß ein zweiter Gatesteueranschluß in dem Gehäuse derart vorgesehen ist, daß zumindest sein Endbereich auf der oberen Oberfläche freigelegt ist, wobei der zweite Gatesteueranschluß mit dem Gate des zweiten Abschaltthyristors verbunden ist, daß ein zweiter Kathodensteueranschluß in dem Gehäuse derart vorgesehen ist, daß zumindest sein Endbereich auf der oberen Oberfläche freigelegt ist, wobei der zweite Kathodensteueranschluß mit einer Kathode des zweiten Abschaltthyristors verbunden ist, daß ein Paar von ersten externen Anschlüssen zur Verbindungsherstellung mit einer ersten Dämpfungsschaltung vorgesehen ist, wobei diese ersten externen Anschlüsse derart auf dem Gehäuse vorgesehen sind, daß zumindest ihre Endbereiche auf der Seitenoberfläche des Gehäuses freigelegt sind und wobei die ersten externen Anschlüsse jeweils mit der Anode und Kathode des ersten Abschaltthyristors verbunden sind und daß ein Paar von zweiten externen Anschlüssen zur Verbindungsherstellung mit einer zweiten Dämpfungsschaltung vorgesehen sind, wobei die zweiten externen Anschlüsse auf dem Gehäuse derart vorgesehen sind, daß zumindest ihre Endbereiche auf der Seitenoberfläche des Gehäuses freigelegt sind und wobei diese zweiten externen Anschlüsse jeweils mit der Anode und Kathode des zweiten Abschaltthyristors verbunden sind.
  3. 3. Abschaltthyristormodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse durch Schmelzen eines Kunstharzes hergestellt ist.
    _ 4 —
  4. 4. Abschaltthyristormodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die freigelegten Endbereiche (101, 102, 103) des ersten Hauptkathodenanschlusses, des zweiten Hauptanodenanschlusses und des Hauptanschlusses für die erste Anode und die zweite Kathode in einem Mittenbereich der oberen Oberfläche des Gehäuse vorgesehen ist, daß die freigelegten Endbereich des ersten Gatesteuerabschlusses und des ersten Kathodensteueranschlusses in einem Endbereich der oberen Oberfläche und die freigelegten Endbereiche des zweiten Gatesteueranschlusses und des zweiten Kathodensteueranschlusses im anderen Endbereich der oberen Oberfläche angeordnet sind.
  5. 5. Abschaltthyristormodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die freigelegten Endbereiche der ersten externen Anschlüsse im Bereich einer Seitenoberfläche des Gehäuses und die freigelegten Endbereich der zweiten externen Anschlüsse im ent-0 gegengesetzten Seitenbereich der Oberfläche des Gehäuses angeordnet sind.
  6. 6. Abschaltthyristormodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse an den ge- 5 genüberliegenden Seitenflächen mit abgestuften Bereichen versehen ist, und daß die freigelegten Endbereiche der ersten externen Anschlüsse in dem abgestuften Bereich auf der einen Seite des Gehäuses und die freigelegten Endbereiche der zweiten externen Anschlüsse 0 in dem abgestuften Bereich auf der anderen Seite des Gehäuses vorgesehen ist.
  7. 7. Abschaltthyristormodul nach Anspruch 5, dadurch ge-
    kennzeichnet , daß das Gehäuse auf den gegenüberliegenden Seitenfläche jeweils mit einem Paar von abgestuften Bereichen versehen ist, daß zumindest die Endbereiche der ersten internen Anschlüsse in dem Stufenpaarbereich freigelegt angeordnet sind, welches auf der einen Seitenoberfläche des Gehäuses vorgesehen ist, während zumindest die Endbereiche der zweiten externen Anschlüsse in dem anderen Stufenpaarbereich freigelegt vorgesehen sind, welche auf der anderen Seitenflächen vorhanden ist.
  8. 8. Abschaltthyristormodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die freigelegten Endbereiche der ersten und zweiten externen Anschlüsse sich gegenüber dem freigelegten Endbereichen des ersten Hauptkathodenanschlusses, des zweiten Hauptanodenanschlusses und des Hauptanschlusses für die ersten Anoden und die zweite Kathode in einer unterschiedlichen Ebene angeordnet sind.
  9. 9. Abschaltthyristormodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die freigelegten Endbereiche des ersten Hauptkathodenanschlusses, des zweiten Hauptkathodenanschlusses des Hauptanschlusses für die 5 erste Anode und die zweite Kathode in einem Mittenbereich der oberen Fläche des Gehäuses vorgesehen sind, daß die freigelegten Endbereiche der ersten Gatesteuerelektrode und der ersten Kathodensteuerelektrode in einem Endbereich der oberen Seite und die freigelegten 0 Endbereiche der zweiten Gatesteuerelektrode und der zweiten Kathodensteuerelektrode im anderen Endbereich der oberen Seite angeordnet sind und daß die freigelegten Endbereiche der ersten externen Anschlüsse auf einer
    Seitenoberfläche des Gehäuses und die freigelegten Endbereiche der zweiten externen Anschlüsse auf der anderen Seitenoberfläche des Gehäuses vorgesehen sind.
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