DE3436656C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschaltung für abschaltbare Leistungshalbleiter (z. B. GTO-Thyristoren, Leistungstransistoren) gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine derartige Beschaltung ist durch JP-OS 58-63 076 bekannt.

Als Folge ihres Vorteils gegenüber konventionellen Thyristoren, näm­ lich ihrer Abschaltbarkeit, muß bei GTO-Thyristoren die Beschaltung entsprechend ihrer Ausschaltbeanspruchbarkeit etwas aufwendiger aus­ gelegt 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 parallel geschaltet wird, dessen Kapa­ zität sich aus dem Spitzenstrom i _max und dem zulässigen Spannungsan­ stieg (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% des Laststroms nicht überschreitet, muß der Kondensator mit einer Diode und einem Widerstand zur sogenannten RCD-Beschaltung zusammen­ gefaßt 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 Pulswech­ selrichtern treten Verlustleistungen zwischen 200 W und 1 kW auf. Die Kühlung dieser Widerstände stellt ein wesentliches konstruktives Problem dar. Außerdem setzen diese Verluste natürlich den Gesamtwir­ kungsgrad 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 Stromrichter­ schaltungen mit GTO-Thyristoren", Dissertation TU Hannover, 1982 und Undeland, T.M. "Snubbers for Pulse Width Modulated Bridge Conver­ ters with Power Transistors of GTOs", Norwegian Institute of Technics, Trondheim IPES-Tokyo, Proceedings, March 27-31, 1983, sind Schaltun­ gen 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 si­ chergestellt, 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 Zer­ störung des Bauteils führen kann.

Durch die eingangs bereits erwähnte JP-OS 58-63 076 wird die Ladung des Beschaltungskondensators einer weiteren Nutzung zugeführt, ohne daß die soeben genannten Mängel auftreten. Die Beschaltungsenergie wird mittels mit den GTO′s synchron angesteuerte Halbleiter über Übertrager und Gleichrichter in den Zwischenkreis (bzw. in eine be­ sondere Gleichspannungsquelle) zurückgespeist. Pro Ventilzweigpaar sind dabei jeweils zwei Übertrager notwendig, was zu einem beträcht­ lichen Schaltungsaufwand führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Schaltungs­ anordnung zur Rückspeisung der Beschaltungsenergie so abzuwandeln, daß für die Ventilzweigpaare nur ein Übertrager notwendig ist.

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 Gleichspan­ nung bezeichnet. Statt dieser Spannung kann auch die Span­ nung einer besonderen Gleichspannungsquelle verwendet werden.

Die GTO-Thyristoren GTO 1 und GTO 2 bilden ein Ventilzweig­ paar eines Wechselrichters. Dem GTO-Thyristor GTO 1 ist eine Rücklaufdiode RD 1, dem GTO Thyristor GTO 2 eine Rück­ laufdiode RD 2 gegensinnig parallel geschaltet. Mit der Klemme 2 ist der Wechselstromanschluß bezeichnet. Parallel zum GTO-Thyristor GTO 1 ist ferner die Reihenschaltung eines Beschaltungskondensators C 1 und einer Diode D 1 ange­ ordnet, wobei diese Diode in gleicher Richtung des GTO-Thy­ ristors GTO 1 gepolt ist. Parallel zum GTO-Thyristor GTO 2 ist in entsprechender Weise die Reihenschaltung einer Diode D 2 und eines Beschaltungskondensators C 2, wobei diese Diode in gleicher Weise wie der GTO-Thyristor GTO 2 gepolt ist.

Mit 1 a ist die Primärwicklung, mit 1 b die Sekundärwicklung eines Übertragers bezeichnet. Die Primärwicklung 1 a ist einerseits über eine Drosselspule DR an den Verbindungs­ punkt der beiden Dioden D 1 und D 2 angeschlossen, anderer­ seits über einen Thyristor T 3 in Durchlaßrichtung an den Verbindungspunkt des Beschaltungskondensators C 1 mit der Diode D 1 und über einen Thyristor T 4 entgegengesetzt der Durchlaßrichtung an den Verbindungspunkt zwischen der Diode D 2 und dem Beschaltungskondensator C 2.

Die Sekundärwicklung 1 b des Übertragers ist über eine unge­ steuerte Gleichrichter-Brückenschaltung, die aus den Dioden D 3, D 4, D 5 und D 6 besteht, an die Zwischenkreisspan­ nung (respektive an eine besondere Gleichspannungsquelle) angeschlossen.

Mit der Zündung des GTO-Thyristors GTO 1 wird auch der Thyristor T 3, mit der Zündung des GTO-Thyristors GTO 2 auch der Thyristor T 4 gezündet.

Im folgenden soll die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Lösung an Hand des Ausführungsbeispieles der Figur näher erläutert werden.

Ausgegangen wird von dem Zustand, bei dem der GTO-Thyri­ stor GTO 1 Laststrom führt. Dieser Strom fließt vom Pluspol der Gleichspannungsquelle U über den GTO-Thyristor GTO 1, den Wechselstromanschluß 2 zur nicht gezeichneten Last und von dieser über einen GTO-Thyristor oder eine Rücklauf­ diode eines anderen nicht gezeichneten Wechselrichter- Zweigpaares zum Minuspol der Gleichspannungsquelle zurück.

Wird nun der GTO-Thyristor GTO 1 abgeschaltet, so kommu­ tiert der Strom vom GTO-Thyristor GTO 1 auf den parallel­ liegenden Zweig, der aus der Reihenschaltung des Beschalt­ tungskondensators C 1 und der Diode D 1 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 Ausschaltverlust­ leistung des GTO-Thyristors auf zulässige Werte begrenzt.

Für den nächsten Ausschaltvorgang muß der Beschaltungskon­ densator wieder entladen werden, damit er wirksam werden kann. Zu diesem Zweck wird gleichzeitig beim nächsten Zün­ den des GTO-Thyristors GTO 1, wenn dieser also wieder Last­ strom führen soll, der Hilfsthyristor T 3 gezündet.

Der Beschaltungskondensator C 1 entlädt sich dann über den gezündeten GTO-Thyristor GTO 1, die Drossel DR, die Primär­ wicklung des Übertragers 1 a und den Hilfsthyristor T 3. Es baut sich hierbei ein sinusförmig verlaufender Schwing­ kreisstrom auf. Nachdem der Schwingkreisstrom seinen Scheitelwert erreicht hart und die Kondensatorspannung Null geworden ist, fließt der Strom in der Drossel anschließend über den Hilfsthyristor T 3 und über die Primärwicklung des Übertragers. Die Drossel gibt dabei ihre Energie über den Übertrager, die Dioden D 3 und D 6 an die Eingangsspannungs­ quelle ab. Der Strom baut sich vom Scheitelwert bis zum Nulldurchgang zeitlinear ab, weil der Übertrager eine kon­ stante Gegenspannung, die die transformierte Eingangsspan­ nung 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 kon­ stant, wenn die Eingangsspannung konstant ist. Meist schwankt diese in engen Grenzen (Netzspannungsschwankun­ gen). Die Entladung des Beschaltungskondensators ist also von dem Laststrom unabhängig.

Claims (2)

1. Beschaltung für abschaltbare Leistungshalbleiter (z. B. GTO-Thyristoren, Leistungstransistoren) in den Ventilzweig­ paaren von Umrichtern mit Zwischenkreis (respektive Wechsel­ richtung mit Gleichspannungsquelle), mit folgenden Merk­ malen:

• - parallel zu jedem abschaltbaren Leistungshalbleiter liegt eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Beschaltungs­ kondensator und einer - in gleicher Richtung wie der ab­ schaltbare Leistungshalbleiter gepolten - Diode
• - zur Rückspeisung der Beschaltungsenergie sind Übertrager eingesetzt, deren Sekundärwicklungen (1 b) über ungesteu­ erte Gleichrichter an die Zwischenkreisspannung (respek­ tive an eine besondere Gleichspannungsquelle) angeschlos­ sen sind
• - mit der Zündung eines abschaltbaren Leistungshalbleiters (GTO 1, GTO 2) wird auch ein diesem zugeordnetes steuerbares Ventil gezündet, das zwischen der Primärwicklung des Über­ tragers und dem zu dem gezündeten Ventilzweig gehörenden Beschaltungskondensator (C 1, C 2) liegt,

gekennzeichnet durch

• - die dem abschaltbaren Leistungshalbleiter zugeordneten steuerbaren Ventile sind erste und zweite Thyristoren (T 3, T 4)
• - je Ventilzweigpaar ist ein Übertrager vorgesehen, dessen Primärwicklung (1 a) einerseits über eine Drosselspule (DR) mit dem Verbindungspunkt der beiden Dioden (D 1, D 2), andererseits über den ersten Thyristor (T 3) in Durchlaß­ richtung mit der Anode der ersten Diode (D 1) und über den zweiten Thyristor (T 4) entgegengesetzt der Durchlaßrich­ tung mit der Kathode der zweiten Diode (D 2) verbunden ist.
• - die ungesteuerten Gleichrichter zwischen der Sekundärwick­ lung (1 b) des Übertragers und der Zwischenkreisspannung sind in Brückenschaltung (Dioden D 3, D 4, D 5, D 6) ausge­ führt.