DE3418657A1

DE3418657A1 - Anordnung zur steuerung von abschaltthyristoren hoeherer leistung

Info

Publication number: DE3418657A1
Application number: DE19843418657
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz 1000 Berlin Bezold; Klaus Dipl.-Ing. Hippler; Michael Dipl.-Ing. Mues
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1984-05-17
Filing date: 1984-05-17
Publication date: 1985-11-21
Also published as: DE3418657C2; ATA146985A; AT392703B

Description

Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren höherer
Leistung Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren höherer Leistung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Abschaltthyristoren oder auch GTO-Thyristoren (Gate Turn off-Thyristoren) finden immer breitere Anwendungsgebiete bei WS- und DS-Umrichtern sowie GS-Stellern, weil sie den Leistungsteil vereinfachen, da die Kommutierungsmittel entfallen.
Grundsätzlich kann bekanntlich ein Abschaltthyristor über einen Steuerstrom der einen Polarität (meist positiv) eingeschaltet und durch einen Steuer strom der anderen Polarität (meist negativ) abgeschaltet werden. In der Steuerungstechnik unterscheiden sich solche Abschaltthyristoren somit von herkömmlichen Thyristoren. Zumindest bei größeren GTO- Thyristoren sind darüber hinaus jedoch noch weitere Kriterien zu beachten. So darf während der Einschaltzeit dieser Steuerstrom nicht auf Null zurückgehen, auch nicht lücken, weil sonst ein undefinierter, halb leitender/halb sperrender Zustand erreicht wird, der infolge der erhöhten Verlustleistung dem Thyristor gefährlich werden kann. Der Gleichstrom-Steuerimpuls muß deshalb solange gehalten werden, wie der Anodenstrom fließt, d.h. das kann beliebig lange dauern.
Zum Abschalten muß dann der positive Steuerstrom erst auf Null abgesenkt und dann ein negativer Gleichstrom-Löschimpuls gegeben werden, um besagten Schwebezustand zu vermeiden.
Darüberhinaus ist eine negative Vorspannung erforderlich, bis wieder neu gezündet wird. In der Fig. 2 sind diese prinzipiellen Steuervorgänge dargestellt.
Es sind bereits Anordnungen zur Steuerung von Abschaltthyristoren bekannt, die mit dauernd laufenden Chopperwandlern arbeiten, die Rechteckspannungen erzeugen, aus denen die erforderlichen Steuer- und Löschspannungen gewonnen werden.
(GB-Druckschrift der International Rectifier Co (GB LTD Oxted, Surrey, U.K. von April 1983 wThe Gate turn-off Thyristor and its circuit Requirementsfl, Verfasser: P.S.
Wilson, Fig. 6 und zugehöriger Text). Es sind dort auf der Leistungsseite diverse für Leistungspotential ausgelegte Speicher- und Schaltelemente für hohe Ströme notwendig, die die Schaltung aufwendig machen. Darüber hinaus sind weitere Maßnahmen erforderlich, um zu einer effektiven Potentialtrennung zwischen Steuer- und Leistungsteil zu kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren zu schaffen, die bei einfachem Aufbau sicher arbeitet und mit billigen Bauelementen auskommt.
Darüberhinaus soll die Anordnung als passives Bauteil ausgeführt einen einfachen Anschluß ermöglichen und zugleich die Forderung der Potentialtrennung zwischen Steuer- und Leistungsteil erfüllen.
Diese Aufgabe wird für eine Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Dabei können einfache Eisenkernwandler Verwendung finden.
Durch die Erfindung sind nur wenige unkritische Bauelemente auf der Leistungsseite notwendig und für den Zündimpuls hoher Steilheit wird ein zusätzlicher Wandler eingespart.
Von Vorteil ist auch, daß infolge der möglichen Wandlerübersetzung ferner die auf der Primärseite zu schaltenden Ströme niedrig gehalten werden können.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den Schaltungsaufbau der erfindungsgemäßen Steueranordnung Fig. 2 den erforderlichen Steuerstrom/Spannungsverlauf für einen GTO-Thyristor Fig. 3 den Verlauf des Dauergatestromes nach der Erfindung.
In Fig. 1 sind mit T1 bis T4 vier Einzelwandler mit je einer Primär- und einer Sekundärwicklung dargestellt. Weiter ersichtlich sind Ventilelemente V1 bis V6 und V8, Widerstände R1 bis R5 ein Kondensator CI, ein Leistungstransistor V7 sowie der über sein Gate G zu steuerndes Abschaltthyristor 1.
Die erfindungsgemäße Steueranordnung ist in einem passiven Baustein zusammengefaßt, der strichpunktiert umrahmt und mit III bezeichnet ist. Dieser Baustein liegt zwischen dem eigentlichen Leistungsteil I und dem Steuerteil II.
Für die Steuerung müssen über die Einzelwandler folgende Signale an den Abschaltthyristor gegeben werden: Der Zündimpuls, der Dauergatestrom, der Löschimpuls und die negative Vorspannung. Der prinzipielle Steuerstrom-/Spannungsverlauf ist der Fig. 2 entnehmbar. Dabei schließt sich einem Zündimpuls A ein Dauergatestrom B an. Nach einem Löschimpuls C folgt eine negative Vorspannung D (schraffiert) bis zum nächsten Zündimpuls A.
Um einen hohen Zündimpuls und ein hohes di/dt bei geringer Induktivität L realisieren zu können, werden beim Einschalten (Zünden) die Einzelwandler T1 und T2, die in bestimmter Weise parallel geschaltet sind, zunächst auch synchronparallel angesteuert. Bei der Parallelschaltung liegen die Sekundärwicklungen in herkömmlicher Weise parallel, die Primärwicklungen sind als Dreileitungssystem mit den Anschlüssen a, b, c geschaltet. Dabei sind die Anschlüsse b, als c als getrennte Eingänge und der Anschluß a/gemeinsamer Ausgang oder umgekehrt anzusehen.
Der anschließend notwendige Impulsrücken- bzw. Dauergatestrom wird dann von den Wandlern T1 und T2 in einer phasenversetzten Parallelansteuerung, d.h. einer Art Gegentakt, übertragen, wobei eine Rechteckspannung mit einer Tattfrequenz von ca. 10 kHz anliegt. Dabei ergibt sich ein Strom gemäß Fig. 3. Die Impulse für Zündung und Dauergatestrom werden von außen über eine Logik zugeführt, was hier nicht Gegenstand der Erfindung ist und daher als Darstellung fehlt.
Sekundärseitig sind die Wandler T1 und T2 über die Dioden V1 und V2 entkoppelt. Der Steuerstromimpuls und der Dauergatestrom gelangen über die Ventile V1 und V2 auf das Gate G des Leistung schaltenden Abschaltthyristors 1 und über dessen Kathode und einen Leistungstransistor V7 zurück zu den Wandlern T1 und T2. Der im Gatekreis liegende Leistung transistor V7 schaltet bei positiver Spannung selbsttätig ein und sperrt bei negativer Spannung den Weg über die Sekundärwicklungen der Wandler T1, T2. Dadurch ergeben sich für Zünden, Löschen und das Anliegen der negativen Vorspannung eindeutige Zustände. Durch die Polung der Ventile V3 und V4 im Sekundärkreis des Wandlers T3 für Löschen erhält das Gate G des Abschaltthyristors 1 negatives Potential und die Basis des Leistungstransistors V7 wird negativ gegenüber Emitter und Kollektor vorgespannt, d.h. V7 sperrt bei negativem Potential. Gleiches gilt für Wandler T4 bei Anliegen negativer Vorspannung. Gegenüber früher verwendeten in Reihe liegenden Dioden ergeben sich mit dem automatisch öffnenden Transistor V7 bei positiver Basisvorspannung, d.h.
im Betrieb eine niedrigere Verlustleistung. Der Transistor V7 selbst dient dazu, bei negativer Vorspannung einen Kurzschluß zu verhindern.
Um den GTO bei fehlender negativen Gate-Kathodenspannung voll sperrfähig zu halten, muß der Gate-Kathodenstrecke ein niederohmiger Widerstand R5 parallelgeschaltet werden. Da dieser Widerstand aber die relativ hochohmige Spannungsquelle für die negative Vor spannung nahezu kurzschließen würde, muß der Stromfluß über die Diode V8 verhindert werden. Damit diese Einrichtung wirksam sein kann, muß die Schleusenspannung der Diode V8 unterhalb der Gate-Kathodenspannung liegen. Dieses erreicht man z.B. mit Schottky-Dioden.
Während der Zeit, in der der GTO mit positivem Gatestrom angesteuert wird, fließt nur ein geringer Teil des Gesamtstromes über den Nebenweg R5 - R8.
Durch die Erfindung ist eine Anordnung geschaffen worden, die insbesondere als Baustein besonders zweckmäßig die gestellte Aufgabe erfüllt.

Claims

Patentansprüche Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren höherer Leistung unter Verwendung von Wandlern mit nachgeschalteten Gleichrichtungsmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß für die Übertragung der Zünd- und Löschimpulse und die Erzeugung von Dauergatestrom sowie negativer Vorspannung vier getrennte Einzelwandler (T1 bis T4) Verwendung finden, und daß die Steuerung des Abschaltthyristors (1) ausschließlich über diese Einzelwandler (T1 bis T4) unter vollständiger Potentialtrennung zwischen Leistung (I) und Steuerteil (II) erfolgt, wobei zwei der Einzelwandler (T1, T2) ständig parallelgeschaltet primärseitig zur Übertragung des Zündimpulses synchronparallel und zur Erzeugung des Dauergatestromes mittels h einer Rechteckspannung asenversetzt-parallel angesteuert werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden parallelgeschalteten Einzelwandler (T1, T2) primärseitig zwei getrennte Eingangsanschlüsse (b, c) und einen gemeinsamen Ausgangsanschluß (a) aufweisen und die Umschaltung von Synchron-Parallelbetrieb auf phasenversetzten Parallelbetrieb logikgesteuert über die Anschlüsse (a, b, c) erfolgt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden parallelgeschalteten Einzelwandler (T1, T2) sekundärseitig über je ein zugeordnetes Ventil (1, V2) entkoppelt sind, wobei jeweils die Leitung mit Ventil mit dem Gate (G) des Abschaltthyristors (1) und jeweils die Leitung ohne Ventil über die Emitter-/Kollektorstrecke eines Leistungstransistors (V7) mit der Kathode des Abschaltthyristors (1) verbunden ist.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Lei5tungstransistors (V7) uber einen niederohmigen Vorwiderstand (R1) mit dem Gate (G) des Abschaltthyristors (1) verbunden ist.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung des Einzelwandlers (T3) für Löschimpuls mit dem einen Anschluß direkt mit der Kathode des Abschaltthyristors (1) und mit dem anderen Anschluß über Ventile (V3, V4) in Sperrichtung mit dem Gate (G) des Abschaltthyristors (1) verbunden ist.
6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung des Einzelwandlers (T4) für negative Vorspannung mit dem einen Anschluß über Gleichrichtungsventile (V5, V6) in Durchlaßrich- tung mit der Kathode des Abschaltthyristors (1) undmit dem anderen Anschluß direkt mit dem Gate (G) des Abschaltthyristors (1) verbunden ist.
7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate (G) des Abschaltthyristors (1) durch Querschaltung eines Widerstandes (R5) mit in Reihe liegender Schottky-Diode (V8) niederohmig abgeschlossen ist.
8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Einzelwandler (T1 bis T4) mit ihrer Ventilen (V1 bis V6) einschließlich des Leistungstransistors (V7) und der Entkopplungskette (R5, V8) für den Abschaltthyristor (1) in einem passiven Baustein (III) zusammengefaßt sind, der für eine Steuerung des Abschaltthyristors (1) über nur zwei Anschlüsse (i, k) mit dem Abschaltthyristor (1) und über Anschlüsse (a, b, c, d, e, f, g) potentialgetrennt mit einem Rechteck- und Impulsfrequenzen erzeugenden Steuerteil (II) zu verbinden ist.