DE3418657C2

DE3418657C2 - Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren höherer Leistung

Info

Publication number: DE3418657C2
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: 1987-02-12
Also published as: DE3418657A1; AT392703B; ATA146985A

Abstract

Es soll eine Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren geschaffen werden, die bei einfachem Aufbau sicher arbeitet und mit billigen Bauelementen auskommt. Sie soll als passives Bauteil einen einfachen Anschluß ermöglichen und zugleich die Forderung der Potentialtrennung zwischen Steuer- und Leistungsteil erfüllen. Für eine Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren höherer Leistung unter Verwendung von Wandlern mit nachgeschalteten Gleichrichtungsmitteln wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß für die Übertragung der Zünd- und Löschimpulse und die Erzeugung von Dauergatestrom sowie negativer Vorspannung vier getrennte Einzelwandler Verwendung finden, und daß die Steuerung des Abschaltthyristors ausschließlich über diese Einzelwandler unter vollständiger Potentialtrennung zwischen Leistungs- und Steuerteil erfolgt, wobei zwei der Einzelwandler ständig parallelgeschaltet primärseitig zur Übertragung des Zündimpulses synchronparallel und zur Erzeugung des Dauergatestromes mittels einer Rechteckspannung phasenversetzt-parallel angesteuert werden.

Description

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 Steuerstrom 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 so lange 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. Darüber hinaus 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 "The Gate turn-off Thyristor and its circuit Requirements", 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.
Eine Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren, wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 vorausgesetzt wird, ist z. B. aus Elektronik, H.18 (1983), S. 115 bis 118 bekannt. Dort finden zur Ansteuerung von Abschaltthyristoren auch höherer Leistung ebenfalls potentialtrennende Wandler zwischen Leistungs- und Steuerteil sowie nachgeschaltete Gleichrichtungsmittel Verwendung. Als Wandler für die Ansteuerung dienen im wesentlichen zwei Gegentaktwandler als Doppelwandler mit jeweils mehreren Wicklungen auf gemeinsamen Eisenkernen. Zünden und Löschen werden über den Doppelwandler durchgeführt, der eine nachgeschaltete Impulsstromquelle auf Leistungspotential speist, wobei das Löschen automatisch eingeleitet wird, wenn das Ansteuersignal entfällt.
Die bekannte Schaltung mit einer Ansteuerung über besagten Doppelwandler ist relativ aufwendig, auch im Hinblick auf eine erforderliche spezielle zusätzliche Beschaltung auf der Leistungsseite. Der zwangsläufige Löschimpuls schränkt die Anwendungsmöglichkeiten ein.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, die bei einfachem Aufbau sicher arbeitet und mit billigen und mit wenigen Bauelementen auskommt. Darüber hinaus soll die Anordnung als passives Bauteil ausgeführt einen einfachen Anschluß ermöglichen und zugleich die Forderung der Potentialtrennung zwischen Steuer- und Leistungsteil erfüllen. Auch soll mit Zündimpulsüberhöhung und Dauergatestrom gearbeitet werden und der Löschimpuls freigegeben werden können.
Diese Aufgabe wird für eine Anordnung der eingangs genannten Art gemäß 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 kein sonst zusätzlicher Wandler benötigt. 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 zeigt
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 T 1 bis T 4 vier Einzelwandler mit je einer Primär- und einer Sekundärwicklung dargestellt. Weiter ersichtlich sind Ventilelemente V 1 bis V 6 und V 8, Widerstände R 1 bis R 5, ein Kondensator C 1, ein Leistungstransistor V 7 sowie der über sein Gate G zu steuernde 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 T 1 und T 2, 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, c als getrennte Eingänge und der Anschluß a als gemeinsamer Ausgang oder umgekehrt anzusehen.
Der anschließend notwendige Impulsrücken- bzw. Dauergatestrom wird dann von den Wandlern T 1 und T 2 in einer phasenversetzten Parallelansteuerung, d. h. einer Art Gegentakt, übertragen, wobei eine Rechteckspannung mit einer Taktfrequenz 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 T 1 und T 2 über die Dioden V 1 und V 2 entkoppelt. Der Steuerstromimpuls und der Dauergatestrom gelangen über die Ventile V 1 und V 2 auf das Gate G des leistungsschaltenden Abschaltthyristors 1 und über dessen Kathode und einen Leistungstransistor V 7 zurück zu den Wandlern T 1 und T 2. Der im Gatekreis liegende Leistungstransistor V 7 schaltet bei positiver Spannung selbsttätig ein und sperrt bei negativer Spannung den Weg über die Sekundärwicklungen der Wandler T 1, T 2. Dadurch ergeben sich für Zünden, Löschen und das Anliegen der negativen Vorspannung eindeutige Zustände. Durch die Polung der Ventile V 3 und V 4 im Sekundärkreis des Wandlers T 3 für Löschen erhält das Gate G des Abschaltthyristors 1 negatives Potential und die Basis des Leistungstransistors V 7 wird negativ gegenüber Emitter und Kollektor vorgespannt, d. h. V 7 sperrt bei negativem Potential. Gleiches gilt für Wandler T 4 bei Anliegen negativer Vorspannung. Gegenüber früher verwendeten in Reihe liegenden Dioden ergeben sich mit dem automatisch öffnenden Transistor V 7 bei positiver Basisvorspannung, d. h. im Betrieb eine niedrigere Verlustleistung. Der Transistor V 7 selbst dient dazu, bei negativer Vorspannung einen Kurzschluß zu verhindern.
Um den GTO bei fehlender negativer Gate-Kathodenspannung voll sperrfähig zu halten, muß der Gate-Kathodenstrecke ein niederohmiger Widerstand R 5 parallel geschaltet werden. Da dieser Widerstand aber die relativ hochohmige Spannungsquelle für die negative Vorspannung nahezu kurzschließen würde, muß der Stromfluß über die Diode V 8 verhindert werden. Damit diese Einrichtung wirksam sein kann, muß die Schleusenspannung der Diode V 8 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 R 5-R 8.
Durch die Erfindung ist eine Anordnung geschaffen worden, die insbesondere als Baustein besonders zweckmäßig die gestellte Aufgabe erfüllt.

Claims

1. Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren höherer Leistung unter Verwendung von potentialtrennenden Wandlern zwischen Leistungs- und Steuerteil sowie nachgeschalteten Gleichrichtungsmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß für die Übertragung der Zünd- und Löschimpulse und die Erzeugung von Dauergatestrom sowie negativer Vorspannung vier getrennte Einzelwandler (T 1 bis T 4) Verwendung finden, und daß die Steuerung des Abschaltthyristors (1) ausschließlich über diese Einzelwandler (T 1 bis T 4) erfolgt, wobei zwei der Einzelwandler (T 1, T 2), ständig parallel geschaltet, primärseitig - zur Übertragung des Zündimpulses synchronparallel und zur Erzeugung des Dauergatestromes mittels einer Rechteckspannung phasenversetzt parallel angesteuert werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden parallelgeschalteten Einzelwandler (T 1, T 2) 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 (T 1, T 2) sekundärseitig über je ein zugeordnetes Ventil (V 1, V 2) 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 (V 7) mit der Kathode des Abschaltthyristors (1) verbunden ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Leistungstransistors (V 7) über einen niederohmigen Vorwiderstand (R 1) mit dem Gate (G) des Abschaltthyristors (1) verbunden ist.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung des Einzelwandlers (T 3) für Löschimpulse mit einem Anschluß direkt mit der Kathode des Abschaltthyristors (1) und mit dem anderen Anschluß über Ventile (V 3, V 4) 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 (T 4) für negative Vorspannung mit einem Anschluß über Gleichrichtungsventile (V 5, V 6) in Durchlaßrichtung mit der Kathode des Abschaltthyristors (1) und mit 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 (R 5) mit in Reihe liegender Schottky-Diode (V 8) niederohmig abgeschlossen ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Einzelwandler (T 1 bis T 4) mit ihren Ventilen (V 1 bis V 6) einschließlich des Leistungstransistors (V 7) und der Entkopplungskette (R 5, V 8) 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.