DE3435194C2 - - Google Patents

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DE3435194C2
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Yehia Dr.-Ing. Tadros
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/06—Circuits specially adapted for rendering non-conductive gas discharge tubes or equivalent semiconductor devices, e.g. thyratrons, thyristors
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
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    • H03K17/722—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices having more than two PN junctions; having more than three electrodes; having more than one electrode connected to the same conductivity region with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum potential­ freien Abschalten eines GTO-Thyristors gemäß dem Oberbegriff der Pa­ tentansprüche 1 und 2. Eine derartige Schaltungsanordnung ist durch die "Proceedings of PCI", September 1982, Seiten 391 bis 393, insbesondere Figur 3, bekannt.
Das Prinzipschaltbild dieser bekannten Schaltung ist in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Dort ist ein Abschaltsteuerkreis gezeigt, der eine Spannungsquelle U E 1, einen Übertrager T 1, Dioden D 1, D 2, D 3 sowie einen Schalter Q 1 enthält. Die Spannungsquelle U E 1 und der Schalter Q 1 sind an die Primärwicklung eines ersten Übertragers T 1 angeschlossen, während die Sekundärwicklung des ersten Übertragers T 1 mit den Dioden D 1, D 2, D 3 an das Gate des GTO-Thyristors angeschaltet ist. Der zeitliche Verlauf eines Steuerstromes i G zum Ein- und Abschalten des in Fig. 1 gezeigten GTO-Thyristors ist in Fig. 2 dargestellt. Wird zum Zeitpunkt t 0 der Abschaltvorgang des GTO-Thyristors eingeleitet, ist bis zum Zeit­ punkt t 1, also während der Zeitdauer τ 1 zunächst ein Steuerstrom i G hoher Amplitude notwendig, an den sich dann für eine Zeit t gw - τ 1 ein Steu­ erstrom geringer geringer Amplitude anschließt.
Soll der in Fig. 1 gezeigte GTO-Thyristor abgeschaltet werden, wird der Schalter Q 1 durch Anlegen einer Spannung u 1 geschlossen. Dieser bleibt für die Zeitdauer t gw (Fig. 2) eingeschaltet, bis der sogenannte Schweifstrom im GTO-Thyristor verschwindend klein wird.
Während der Sperrdauer ist zur Stützung der dynamischen und der stati­ schen Sperrfähigkeit des GTO-Thyristors und um ihn gegen plötzliche Spannungsanstiege zu festigen, eine negative Gate-Kathoden-Vorspannung erforderlich. Zu diesem Zweck ist neben dem Abschaltsteuerkreis ein Kreis zur Bereitstellung der negativen Vorspannung vorgesehen, der ge­ mäß Fig. 1 durch eine Wechselspannungsquelle U E 2 , einen zweiten Übertra­ ger T 1, Dioden D 5, D 6 zum Gleichrichten der Sekundärspannung des zweiten Übertragers T 2 und einen in die Zuleitung zum Gate des GTO-Thyristors gelegten Entkopplungswiderstand R 2 gebildet ist. Eine Mittenanzapfung der Sekundärwicklung des Übertragers T 2 ist als Rückleitung an die Ka­ thode des GTO-Thyristors angeschlossen. Ein Widerstand R 1 zwischen der Gate-Zuleitung und der Kathode des GTO-Thyristors dient dazu, die Sperr­ fähigkeit des Thyristors wenigstens provisorisch zu halten, wenn die steuernde Hilfsspannung ausfällt.
Der Entkopplungswiderstand R 2 wird so groß bemessen, daß die negative Vorspannungsquelle die Zündbedingungen beim Einschalten des GTO-Thyri­ stors nicht beeinträchtigt. Andererseits ist jedoch eine möglichst nie­ derohmige Entkopplung wünschenswert: Um nämlich die Schaltfrequenz des GTO-Thyristors zu erhöhen, soll der Schalter Q 1 möglichst schnell wie­ der geöffnet werden, ohne daß der GTO-Thyristor sofort erneut zündet. Beim frühen Abschalten von Q 1 aber steigt die Gate-Spannung an und droht den GTO-Thyristor wieder zu zünden, wenn nicht ein möglichst niederohmi­ ger Kreis (nämlich über den Entkopplungswiderstand R 2 und den Übertra­ ger T 2) zur Verfügung steht.
Bei dem Einsatz der bekannten Schaltungsanordnung zum Abschalten von GTO- Thyristoren mit hohen Anodenströmen ist außerdem der Aufwand für den Übertrager T 1 sehr groß. Der Schweifstrom und die Schweifstromdauer sind nämlich stark temperaturabhängig und haben einen weiten Streubereich. Die erforderliche Zeitdauer zum Verschwinden des Schweifstromes kann des­ halb sehr lang sein. Der Übertrager T 1 muß aus diesem Grunde eine große Spannungszeitfläche besitzen. Das führt zur Erhöhung der Streuinduktivität des Impulstransformators T 1 und verringert die erzielbare Steilheit des Rückwärtssteuerstromes beim Abschalten des GTO-Thyristors. Nach einem Abschaltvorgang ist die Schaltung erst wieder funktionsfähig, wenn der Übertrager T 1 entmagnetisiert ist. Für Anwendungen mit höherer Frequenz stellt dieses zusätzlich eine Begrenzung dar.
Aus der DE-Zeitschrift "Elektronik" Heft 18 vom 09. September 1983, Seiten 115 bis 118, insbesondere Bild 9, ist eine Schaltungsanordnung zum potentialfreien Abschalten eine GTO-Thyristors bekannt, bei der ein primär- und sekundärseitig mit jeweils einer Mittenanzapfung ver­ sehener Übertrager vorgesehen ist, bei der die Mittenanzapfung der Pri­ märwicklung mit dem einen Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden ist und die beiden Wicklungsenden der Primärwicklung über jeweils einen Feldeffekttransistor mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle ver­ bunden sind, wobei diese beiden Transistoren alternierend durchgesteuert werden. Die Sekundärwicklung des Übertragers ist über einen Dioden-Voll­ weg-Gleichrichter in Mittelpunktschaltung mit der Steuerstrecke des GTO- Thyristors verbunden.
Ferner ist aus der DE-OS 28 03 011 eine Schaltungsanordnung zum poten­ tialfreien Einschalten eines normalen Thyristors mittels eines Zündim­ pulses bekannt, der eine hohe, steile Spitze und einen Impulsrücken auf­ weist. Hierzu ist die Primärwicklung eines Übertragers über einen ersten Transistor-Schalter an eine erste Spannungsquelle mit einer höheren Gleichspannung und über einen zweiten Transistor-Schalter und eine Ent­ kopplungsdiode an eine zweite Spannungsquelle mit einer niedrigeren Gleichspannung schaltbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art für das potentialfreie Abschalten eines GTO-Thy­ ristors anzugeben, die mit geringstem Aufwand an Übertragern auskommt und bei der eine möglichst niederohmige Ansteuerung des GTO-Thyristors während der Sperrphase erfolgt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekenn­ zeichneten Merkmale und gleichfalls durch die im Anspruch 2 gekenn­ zeichneten Merkmale gelöst.
Vorteilhafterweise wird mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung eine niederohmige Ankopplung des zweiten Übertragers erreicht und gleichzeitig wird durch den alternierenden Betrieb der Übertrager wäh­ rend der Schweifstromzeit und zur Bereitstellung der negativen Vorspan­ nung die bei den Übertragern benötigte Spannungszeitfläche (und damit der Aufwand) gering gehalten.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 3a eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung mit einer Gleichspannungsquelle,
Fig. 3b eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung mit zwei Gleichspannungsquellen und
Fig. 3c den zeitlichen Verlauf von Gate-Strom und Gate-Spannung eines GTO-Thyristors sowie den zeitlichen Verlauf von Steuerspannungen für Schalter der in den Fig. 3a und 3b dar­ gestellten Schaltungsanordnungen.
Gemäß Fig. 3a sind die Primärwicklungen des ersten Übertragers T 1 bzw. des zweiten Übertragers T 2 über einen ersten Schalter Q 1 bzw. einen zweiten Schalter Q 2 direkt an eine gemeinsame Gleichspannungsquelle U E 1 schaltbar. Außerdem kann die Primärwicklung des ersten Übertragers T 1 zusätzlich noch über einen dritten Schalter Q 3 in Reihe mit einem er­ sten ohmschen Widerstand R 2 ebenfalls an die Gleichspannungsquelle U E 1 geschaltet werden. Genauso ist es möglich, die Primärwicklung des zwei­ ten Übertragers T 2 noch über einen vierten Schalter Q 4 in Reihe mit einem zweiten ohmschen Widerstand R 3 an diese Gleichspannungsquelle U E 1 zu legen. Als Schalter Q 1 bis Q 4 können entweder (wie dargestellt) ein Feldeffekttransistor oder ein Bipolartransistor, ein GTO-Thyristor oder ein anderer Thyristor verwendet werden.
Zum ersten und zweiten Schalter liegt jeweils eine Zener-Diode D 4 bzw. D 6 parallel. Außerdem können dem ersten oder zweiten ohmschen Wider­ stand R 2 bzw. R 3 jeweils ebenfalls - wie gestrichelt dargestellt ist - eine Z-Diode D 7 bzw. D 8 parallelgeschaltet werden.
Sekundärseitig ist der erste Übertrager T 1 - wie schon zur Fig. 1 er­ läutert - über drei Dioden D 1 bis D 3 an die Gate-Kathoden-Strecke ei­ nes GTO-Thyristors gelegt, der der Widerstand R 1 wiederum parallel liegt.
Die Sekundärwicklung des zweiten Übertragers T 2 ist dagegen (anders als beim eingangs mit der Fig. 1 dargelegten Stand der Technik) zum einem über eine weitere Diode D 5 zwischen den hintereinandergeschalteten Dio­ den D 1 bis D 3 und zum anderen an der Kathode des GTO-Thyristors ange­ schlossen. Damit ist der Kreis, in dem die Sekundärwicklung des Über­ tragers T 2 liegt, niederohmig, weil ein Entkopplungswiderstand entfal­ len kann. Es können auch mehr als drei Dioden D 1 bis D 3 vorgesehen sein. Allein wichtig ist, daß der eine Anschlußpunkt der Sekundärwicklung des Übertragers T 2 zwischen der Diode D 1 und einer folgenden Diode D 2 liegt.
Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 3a (ebenso wie die der Schaltungsanordnung nach Fig. 3b) ist anhand der Fig. 3c zu erkennen:
Der eingeschaltete GTO-Thyristor soll zum Zeitpunkt t 0 ausgeschaltet wer­ den. Zu diesem Zweck wird zunächst zur Erzielung des hohen, schmalen Abschaltimpulses des Steuerstromes (Gate-Stromes) i G und der entspre­ chenden hohen Gate-Spannung u G während der Zeitdauer τ 1 der erste Schal­ ter Q 1 durch Anlegen einer Steuerspannung u 1 geschlossen. Der erste Übertrager T 1 ist deshalb lediglich (und ausschließlich) für die Über­ tragung des schmalen, hohen Abschaltimpulses ausgelegt. Sodann wird ab dem Zeitpunkt t 1 während der Schweifstromzeit (d. h. bis zum Ablauf der Zeit t gw ), also während einer Zeitdauer τ 2 der erste Schalter Q 1 durch Anlegen der Steuerspannung u 1 und der zweite Schalter Q 2 durch Anlegen einer Steuerspannung u 2 alternierend geschlossen. Die negative Gate- Spannung sinkt dann auf den Wert u RG 1.
Schließlich werden zur Erzielung einer negativen Vorspannung am GTO- Thyristor während seiner Sperrphase nach dem Abklingen des Schweif­ stromes der dritte Schalter Q 3 durch Anlegen einer Steuerspannung u 3 und der vierte Schalter Q 4 durch Anlegen einer Steuerspannung u 4 alter­ nierend geschlossen, so daß eine negative Dauerspannung an der Gate-Ka­ thoden-Strecke des GTO-Thyristors liegt. Die negative Gate-Spannung sinkt dabei ab dem Zeitpunkt t 2 auf einen Wert u RG 2. Die Diode D 1 ver­ hindert, daß die negative Vorspannung durch den Übertrager T 1 kurzge­ schlossen wird.
Eine Variation der in Fig. 3a gezeigten Schaltungsanordnung ist das in Fig. 3b dargestellte Ausführungsbeispiel. Darin ist die gemeinsame Span­ nungsquelle U E 1 (nach Fig. 3a) aufgeteilt in zwei auf verschiedenem Po­ tential liegende Teilspannungsquellen U E 1 und U E 2. Durch die Teilung der Spannungsquellen wird eine Reduzierung des Leistungsbedarfs der Steuer­ schaltung während der Sperrdauer erreicht. Zusätzliche Dioden D 9 und D 10 sind zur Entkopplung der Schalter Q 1 und Q 2 während der Zeitdauer τ 1 und τ 2 erforderlich.
Nach der Erfindung wird die erforderliche Spannungszeitfläche des ersten Übertragers T 1 wesentlich kleiner, so daß dadurch auch eine kleinere Streuinduktivität erzielt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht da­ rin, daß die Entmagnetisierungsdauer des Übertragers T 1 sehr klein ist. Dadurch können auch aufeinanderfolgende Abschaltbefehle für den GTO-Thy­ ristor schneller ausgeführt werden. Dies ist bei Anwendungen bei höhe­ rer Frequenzen von größter Bedeutung. Der geringe zusätzliche Aufwand ist im Hinblick auf die Schutzkonzeptionen unbedeutend.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zum potentialfreien Abschalten eines GTO-Thy­ ristors mit zwei Übertragern, von denen der erste durch Anschal­ ten an eine Gleichspannungsquelle am Anfang des Abschaltvorgangs einen schmalen, hohen Abschaltimpuls liefert und sekundärseitig über eine Reihenschaltung mehrerer Dioden mit der Steuerstrecke des GTO-Thyristors verbunden ist und der zweite Übertrager zur Be­ reitstellung einer im wesentlichen gleichbleibenden negativen Vor­ spannung sekundärseitig ebenfalls mit der Steuerstrecke des GTO- Thyristors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Anschluß der Sekundärwicklung des zweiten Übertragers (T 2) über eine weitere Diode (D 5) zwischen den hintereinander geschal­ teten Dioden (D 1 bis D 3) liegt und der andere Anschluß der Sekun­ därwicklung des zweiten Übertragers (T 2) mit der Kathode des GTO- Thyristors verbunden ist,
daß der erste Übertrager (T 1) ausschließlich für die Übertragung des schmalen, hohen Abschaltimpulses ausgelegt ist,
daß die Primärwicklung der beiden Übertrager (T 1, T 2) an eine ge­ meinsame Gleichspannungsquelle (U E 1) über einen ersten Schalter (Q 1) bzw. zweiten Schalter (Q 2) direkt sowie außerdem über einen dritten Schalter (Q 3) in Reihe mit einem ersten ohmschen Widerstand (R 2) bzw. einen vierten Schalter (Q 4) in Reihe mit einem zweiten ohm­ schen Widerstand (R 3) anschaltbar sind,
und daß zur Erzielung des hohen, schmalen Abschaltimpulses der erste Schalter (Q 1) geschlossen wird, sodann während der Schweif­ stromzeit der erste Schalter (Q 1) und der zweite Schalter (Q 2) al­ ternierend geschlossen werden und schließlich zur Erzielung einer negativen Vorspannung der dritte Schalter (Q 3) und der vierte Schal­ ter (Q 4) alternierend geschlossen werden (Fig. 3a, Fig. 3c).
2. Schaltungsanordnung zum potentialfreien Abschalten eines GTO-Thyri­ stors mit zwei Übertragern, von denen der erste durch Anschalten an eine Gleichspannungsquelle am Anfang des Abschaltvorgangs einen schmalen, hohen Abschaltimpuls liefert und sekundärseitig über eine Reihenschaltung mehrerer Dioden mit der Steuerstrecke des GTO-Thy­ ristors verbunden ist und der zweite Übertrager zur Bereitstellung einer im wesentlichen gleichbleibenden negativen Vorspannung sekun­ därseitig ebenfalls mit der Steuerstrecke des GTO-Thyristors ver­ bunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Anschluß der Sekundärwicklung des zweiten Übertragers (T 2) über eine weitere Diode (D 5) zwischen den hintereinander geschal­ teten Dioden (D 1 bis D 3) liegt und der andere Anschluß der Sekun­ därwicklung des zweiten Übertragers (T 2) mit der Kathode des GTO- Thyristors verbunden ist,
daß der erste Übertrager (T 1) ausschließlich für die Übertragung des schmalen, hohen Abchaltimpulses ausgelegt ist,
daß - bei Verwendung zweier unterschiedlicher Gleichspannungsquel­ len (U E 1 + U E 2; U E 1) - die Primärwicklungen der beiden Übertrager (T 1, T 2) über einen ersten Schalter (Q 1) bzw. zweiten Schalter (Q 2) an die größere der beiden Gleichspannungsquellen (U E 1 + U E 2) sowie außerdem über einen dritten Schalter (Q 3) bzw. vierten Schalter (Q 4) und jeweils eine Entkopplungsdiode (D 9, D 10) an die kleinere Gleich­ spannungsquelle (U E 1) anschaltbar sind, und daß zur Erzielung des hohen, schmalen Abschaltimpulses der er­ ste Schalter (Q 1) geschlossen wird, sodann während der Schweifstrom­ zeit der erste Schalter (Q 1) und der zweite Schalter (Q 2) alter­ nierend geschlossen werden und schließlich zur Erzielung einer ne­ gativen Vorspannung der dritte Schalter (Q 3) und der vierte Schal­ ter (Q 4) alternierend geschlossen werden ( Fig. 3b, Fig. 3c). 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten und dem zweiten Schalter (Q 1, Q 2) jeweils eine Zener- Diode (D 4, D 6) parallelgeschaltet ist.
DE19843435194 1984-09-22 1984-09-22 Schaltungsanordnung zum potentialfreien abschalten eines gto-thyristors in einer stromrichterschaltung Granted DE3435194A1 (de)

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