DE3436656A1 - Beschaltung fuer abschaltbare leistungshalbleiter - Google Patents

Description

• Beschaltung für abschaltbare Leistungshalbleiter
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschaltung für abschaltabre Leistungshalbleiter (z.B. GT0-Thyristo'ren, Leistungstransistoren) gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruchs.
• Als Folge ihres Vorteils gegenüber konventionellen Thyristoren, nämlich ihrer Abschaltbarkeit, muß bei GTO-Thyristoren die Beschaltung entsprechend ihrer Ausschaltbean spruchbarkeit etwas aufwendiger ausgelegt werden. Beim Abschalten darf die Anstiegsgeschwindigkeit der Sperrspannung den vom Hersteller vorgeschriebenen Grenzwert nicht überschreiten. Das kann nur dadurch gewährleistet werden, daß dem GTO-Thyristor ein Kondensator parallelgeschaltet wird, dessen Kapazität sich aus dem Spitzenstrom imaX und dem zulässigen Spannungsanstieg (du/dt) max errechnet.
• Dieser Kondensator lädt sich beim Sperren des GTO-Thyristors auf und muß beim nächsten Zünden wieder entladen werden. Damit beim Entladen der Zusatzstrom im GTO-Thyristor zulässige Grenzwerte von etwa 10 X des Laststroms nicht überschreitet, muß der Kondensator mit einer Diode und einem Widerstand zur sogenannten RCD-Beschaltung zusammengefaßt werden; Diode und Widerstand sind dabei parallel, beide in Reihe zum Kondensator geschaltet.
• In dem Widerstand wird die im Kondensator gespeicherte Energie in Wärme umgesetzt. Bei den hier betrachteten Pulsumrichtern und Pulswechselrichtern treten Verlustleistunden zwischen 200 W und 1 kW auf. Die Kühlung dieser Widerstände stellt ein wesentliches konstruktives Problem dar. Außerdem setzen diese Verluste natürlich den Gesamtwirkungsgrad der Anlage herab. Es sind daher Mittel und Wege zu finden, diese Energie wieder einer Nutzung zuzuführen.
• Durch die Aufsätze von Marquardt, R. "Untersuchung von Stromrichterschaltungen mit GTO-Thyristoren", Dissertation TU Hannover, 1982 und Underland, T . M. "Snubbers for Pulse Width Modulated Bridge Converters with Power Transistors of GTOs", Norwegian Institute of Technics, Trondheim IPEC-Tokyo, Proceedings, March 27-31, 1983, sind Schaltungen bekanntgeworden, bei denen ein Zusatzkondensator eingesetzt wird, dem die Energie des Beschaltungskondensators zugeführt wird und von dem aus sie entweder in den Zwischenkreis oder In die Last gespeist wird. Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahren ist die Tatsache, daß der Zusatzkondensator durch den Laststrom entladen wird. Bei sehr kleinen Lastströmen und hohen Pulsfrequenzen ist dann nicht mehr sichergestellt, daß der Beschaltungskondensator in jedem Fall völlig entladen wird. Ist das aber nicht der Fall, so steht beim Sperren sofort eine Spannung an, die in Verbindung mit dem noch fließenden Strom zu einer zu hohen Abschaltbeanspruchung und damit zu einer Zerstörung des Bauteils führen kann.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beschaltung der eingangs genannten Art anzugeben, die die Ladung des Beschaltungskondensators einer weiteren Nutzung zuführt, ohne daß die soeben genannten Mängel auftreten.
• Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs aufgeführten Merkmale gelöst.
• Die Beschaltung gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert.
• In der Figur ist mit U die von dem Gleichrichter eines Umrichters in den Zwischenkreis eingeprägte Gleichspannung bezeichnet. Statt dieser Spannung kann auch die Spannung einer besonderen Gleichspannungsquelle verwendet werden.
• Die GTO-Thyristoren GTO1 und GT02 bilden ein Ventilzweigpaar eines Wechselrichters. Dem GTO-Thyristor GTO1 ist eine Rücklaufdiode RD1, dem GTO-Thyristor GTO2 eine Rücklaufdiode RD2 gegensinnig parallelgeschaltet. Mit der Klemme 2 ist der Wechselstromanschluß bezeichnet. Parallel zum GTO-Thyristor GTO1 ist ferner die Relhenschaltung eines Beschaltungskondensators C1 und einer Diode D1 angeordnet, wobei diese Diode in gleicher Richtung des GTO-Thyristors GTO1 gepolt ist. Parallel zum GTO-Thyristor GTO2 ist in entsprechender Weise die Reihenschaltung einer Diode D2 und eines Beschaltungskondensators C2, wobei diese Diode in gleicher Weise wie der GTO-Thyristor GT02 gepolt ist.
• Mit la ist die Primärwicklung, mit 1b die Sekundärwicklung eines Übertragers bezeichnet. Die Primärwicklung 1a ist einerseits über eine Drosselspule DR an den Verbindungspunkt der beiden Dioden Dl und D2 angeschlossen, andererseits seits über einen Thyristor T3 in Durchlaßrichtung an den Verbindungspunkt des Beschaltungskondensators C1 mit der Diode D1 und über einen Thyristor T4 entgegengesetzt der Durchlaßrichtung an den Verbindungspunkt zwischen der Diode D2 und dem Beschaltungskondensator C2.
• Die Sekundärwicklung lb des Übertragers ist über eine ungesteuerte Gleichrichter-Brückenschaltung, die aus den Dioden D3, D4, D5 und D6 besteht, an die Zwischenkreisspan- nung (respektive an eine besonaere Gleichspannungsquelle) angeschlossen.
• Mit der Zündung des GTO-Thyristors GTO1 wird auch der Thyristor T3, mit der Zündung des GTO-Thyristors GT02 auch der Thyristor T4 gezündet.
• Im folgenden soll die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Lösung an Hand des Ausführungsbeispieles der Figur 1 näher erläutert werden.
• Ausgegangen wird von dem Zustand, bei dem der GTorThyri stor GTO1 Laststrom führt. Dieser Strom fließt vom Pluspol der Gleichspannungsquelle U über den GTO-Thyristor GTO1, den Wechselstromanschluß 2 zur nicht gezeichneten Last und von dieser über einen GTO-Thyristor oder eine Rücklaufdiode eines anderen nicht gezeichneten Wechselrichter-Zweigpaares zum Minuspul der Gleichspannungsquelle zurück.
• Wird nun der GTO-Thyristor GTO1 abgeschaltet, so kommutiert der Strom vom GTO-Thyristor GTO1 auf den parallelliegenden Zweig, der aus der Reihenschaltung des Beschaltungskondensators C1 und der Diode Dl besteht. Da der Strom durch den äußeren Kreis nahezu konstant gehalten wird, wird der Beschaltungskondensator nach der Fallzeit des GTO-Thyristors zeitlinear aufgeladen und zwar auf eine Spannung, die gleich der Eingangsspannung U ist.
• Durch die Begrenzung des Spannungsanstieges während der Fallzeit folgenden Schweifzeit wird die Ausschaltverlustleistung des GTO-Thyristor auf zulässige Werte begrenzt.
• Für den nächsten Ausschaltvorgang muß der Beschaltungskondensator wieder entladen werden, damit er wirksam werden kann. Zu diesem Zweck wird gleichzeitig beim nächsten Zünden des GTO-Thyristors GTO1, wenn dieser also wieder Laststrom führen soll, der Hilfsthyristor T3 gezündet.
• Der Beschaltungskondensator C1 entlädt sich dann über den gezündeten GTO-Thyristor GTOl, die Drossel DR, die Primärwicklung des Übertragers la und den Hilfsthyristor T3. Es baut sich hierbei ein sinusförmig verlaufender Schwingkreis strom auf. Nachdem der Schwingkreisstrom seinen Scheitelwert erreicht hat und die Kondensatorspannung Null geworden ist, fließt der Strom in der Drossel anschließend über den Hilfsthyristor T3 und über die Primärwicklung des Jbertragers. Die Drossel gibt dabei ihre Energie über den Übertrager, die Dioden D3 und D6 an die Eingangs spannungsquelle ab. Der Strom baut sich vom Scheitelwert bis zum Nulldurchgang zeitlinear ab, weil der Übertrager eine konstante Gegenspannung, die die transformierte Eingangsspannung ist, erzeugt.
• Die Zeit, in der sich der Schwingkreisstrom aufbaut, das ist die Viertelperiode, ist durch die Induktivität der Drossel und die Beschaltungskapazität bestimmt und daher konstant.
• Die Zeit, in der sich der Strom abbaut, ist ebenfalls konstant, wenn die Eingangsspannung konstant ist. Meist schwankt diese in engen Grenzen (Netzspannungsschwankun gen). Die Entladung des Beschaltungskondensators ist also von dem Laststrom unabhängig.
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Claims (1)

1. Beschaltung für abschaltbare Leistunqshalbleiter Patentanspruch Beschaltung für abschaltbare Leistungshalbleiter (z.B.

   GTO-Thyristoren, Leistungstransistoren) in den Ventilzweigpaaren von Umrichtern mit Zwischenkreis (respektive Wechselrichtern mit Gleichspannungsquelle), bei der parallel zu jedem abschaltbaren Leistungshalbleiter eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Beschaltungskondensator und einer - in gleicher Richtung wie der abschaltbare Leistungshalbleiter gepolten - Diode, liegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein übertrager vorgesehen ist, dessen Primärwicklung (la) einerseits über eine Drosselspule (DR) mit dem Verbindungspunkt der beiden Dioden (D1,D2) andererseits Über einen ersten Thyristor (T3) in Durchlaßrichtung mit der Anode der ersten Diode (D1) und über einen zweiten Thyristor (T4) entgegengesetzt der Durchlaßrichtung mit der Kathode der zweiten Diode (D2) verbunden ist, daß die Sekundärwicklung (lb) des Ubertragers über eine ungesteuerte Gleichrichter-Brückenschaltung (Dioden D3, D4,D5,D6) an die Zwischenkreisspannung (respektive an eine besondere Gleichspannungsquelle) angeschlossen wird, und daß mit der Zündung eines abschaltbaren Leistungshalbleiters (GT01, GT02) auch derjenige Thyristor (T3,T4) gezündet wird, der zwischen der Primärwicklung und dem zu dem gezündeten Ventilzweig gehärenden Beschaltungskondensator (Cl, C2) liegt.