DE3443247C2

DE3443247C2 -

Info

Publication number: DE3443247C2
Application number: DE19843443247
Authority: DE
Inventors: Yehia Dr.-Ing. 1000 Berlin De Tadros
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1984-11-23
Filing date: 1984-11-23
Publication date: 1988-01-28
Also published as: DE3443247A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 4. Eine derartige Schaltungsanordnung ist durch den Aufsatz von W. Zimmermann "Probleme und Grenzen beim Einsatz abschaltbarer Thyristoren" in der Zeitschrift "etz-Archiv" Band 6 (1984) Heft 5, Seiten 189 bis 194, insbesondere Seite 193, Bild 8, bekannt.

In Fig. 1 der Zeichnung ist eine Ausführung eines solchen Einschalt steuerkreises dargestellt. Zwei Impulstransformatoren T1 und T2 sowie zwei Dioden D1 und D2 bilden eine potentialfreie Dauerspannungsquelle. Diese liefern während der gesamten Einschaltdauer einen Dauer-Gate-Strom i_G. Ein Entkopplungsnetzwerk ist nur zur Zündung von GTO-Thyri storen, nicht aber zur Zündung von normalen Thyristoren erforderlich. An den Primärwicklungen der Impulstransformatoren T1 und T2 liegen (parallel mit je einer Zener-Diode Z bzw. Z′) Feldeffekttransistoren Q1 und Q2. Beide Primärwicklungen sind an eine Gleichspannungsquelle E1 angeschlossen. Die Feldeffekttransistoren Q1 und Q2 sind komplementär durch abwechselndes Anlegen von Steuerspannungen u1 bzw. u2 geschaltet. Zur Einstellung von Höhe i_FGM, i_FG und Zeitverlauf t_gp des Zündstro mes i_G, wie er zusammen mit dem Verlauf der Steuerspannungen u1 und u2 über der Zeit t in Fig. 1 (unten) der Zeichnung gezeigt ist, dient ein Netz werk, das aus den Widerständen R1 und R2 und dem Kondensator C1 be steht. Bei diesem Einschaltsteuerkreis ist es nachteilig, daß eine größere Quellenspannung erforderlich ist, um eine starke Abhängigkeit der Stromamplituden von der Gate-Spannung und der Quellspannung zu vermeiden. Dies erfordert natürlich einen höheren Leistungsbedarf des Einschaltsteuerkreises. Ferner ist nachteilig, daß die Zeitdauer t_gp des überhöhten Zündstromes durch den Kondensator C1 eingestellt wird. Dadurch bestimmt die Entladungsdauer des Kondensators während der Sperrzeit des Thyristors die Mindestsperrdauer. Bei Anwendungen, die kürzere Mindestsperrdauern erfordern, ist infolgedessen dieser Ein schaltsteuerkreis nicht verwendbar.

Durch die Philips Technical publication 004 (Basic GTO drive circuits) 1981, Seite 1 bis 4, ist es bekannt, zur Erzeugung von Zündsignalen für einen GTO-Thyristor eine schaltbare Stromquelle zu verwenden. Der zeitliche Verlauf des Signals erfolgt jedoch ebenfalls in Abhängigkeit von der Ladung des Kondensators. Es entsteht eine gewisse Totzeit, da stets die Entladung des Kondensators abgewartet werden muß. Die Zündimpulsüberhöhung zu Anfang des Signals und der nachfolgende Zünd impulsrücken geringerer Amplitude lassen sich zudem nicht getrennt ein stellen.

Aus der DE-OS 28 03 011 ist eine Schaltungsanordnung zum potentialfreien Einschalten eines normalen Thyristors mittels eines Zündimpulses be kannt, der eine hohe, steile Spitze und einen Impulsrücken aufweist. Hierzu ist die Primärwicklung eines Übertragers über einen ersten Transistorschalter an eine erste Spannungsquelle mit einer höheren Gleichspannung und über einen zweiten Transistorschalter und eine Ent kopplungsdiode an eine zweite Spannungsquelle mit einer niedrigeren Gleichspannung schaltbar. Damit beim Einsatz einer derartigen Schaltung bei GTO-Thyristoren die Abhängigkeit der jeweils geforderten Amplituden des Zündimpulses von der unter anderem temperaturabhängigen Streuung der Spannung der beiden Spannungsquellen und der Gate-Spannung sowie andere schaltungsabhängige Parameter ausgeglichen werden können, müssen, wie auch bei der eingangs beschriebenen Schaltungsanordnung nach dem Aufsatz im "etz-Archiv" hohe Quellenspannungen bereitgestellt werden, was, wie bereits erwähnt, zu einem erhöhten Leistungsbedarf im Ein schaltkreis führt.

Durch das Buch von Tietze/Schenk "Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2. Auflage, 1971, ins besondere Seite 129, ist es bekannt, durch das Einschalten eines Source-Widerstands einen Feldeffekttransistor als Konstantstromquelle auszubilden. Aus der gleichen Literaturstelle, a.a.O., insbesondere Seite 113, Abb. 6.48, ist es ferner an sich bekannt, zur Stabilisierung einer aus einem Transistorschalter und einem Emitter-Widerstand ge bildeten Konstantstromquelle gegen Betriebsspannungsschwankungen ein konstantes Basispotential durch eine an den Basisanschluß angeschalte te Z-Diode zu erzielen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Schal tungsanordnung der eingangs genannten Art zum potentialfreien Einschal ten eines GTO-Thyristors zu schaffen, die einen geringen Leistungsbe darf hat und keine Begrenzung der Mindestsperrdauer des GTO-Thyristors aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in den Kennzeichen der Patentansprüche 1 bzw. 4 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestell ten Ausführungsbeispielen erläutert. Statt der in den Ausführungsbei spielen gezeigten Feldeffekttransistoren können auch Bipolartransi storen verwendet werden. Die Referenzspannungen werden durch Zener-Dioden eingestellt. Es können stattdessen jedoch auch temperaturunabhängige Referenzspannungsquellen verwendet werden.

Nach der Erfindung werden zwei Stromquellen, die primärseitig parallel geschaltet sind, angewendet. Die erste Stromquelle, bestehend aus dem Feldeffekttransistor Q 1, dem Widerstand R 1 und der Zenerdiode Z 1, dient zur Einstellung der Zündstromspitze i _FGM (siehe Fig. 2, 3 und 4). Die zweite Stromquelle (Q 2 in Fig. 2 bzw. Q 2 und Q 3 in den Fig. 3 und 4) dient zur Einstellung des Dauerzündstromes i _FG. Ferner wird zur Redu zierung des Leistungs bedarfs die Spannungsquelle E 1 in zwei Teilquellen ge teilt (siehe Fig. 2b, 3b und 4b). Die Zündstromspitze i _FGM wird dabei durch die gesamte Spannungsquelle E 1 gespeist, während die Teilspannungsquelle E 2 den Dauerzündstrom i _FG liefert. Damit wird der Leistungsbedarf der Steuerschal tung um den Faktor E 2/E 1 reduziert.

In Fig. 2a ist eine Ausführung einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung mit nur einem Impulstransformator T dargestellt. Die Sekundärwicklung des Impulstransforma tors T ist über eine Diode D 1, zwei Widerständen R 4, R 5 und einen Transistor Q 4 an den GTO-Thyristor geführt.

Die Primärwicklung des Impulstransformators T liegt an zwei Feldeffekttransistoren Q 1, Q 2, welche durch die Steuerspannungen gesteuert werden. Ihre Amplituden werden eingestellt von Zenerdioden Z 1, Z 2, die an den Gate-Anschlüssen der Schalter liegen. Am Source-Anschluß des Feldeffekttransistors Q 1 be findet sich ein RC-Glied R 1 C 1 und am Source-Anschluß desFeld effekttransistors Q 2 ein Widerstand R 2. Die Versorgungsspannung wird von einer Spannungsquelle E 1 geliefert. Zur Zündung wird der Feldeffekttransistor Q 1 für die Zeitdauer t _gp eingeschaltet. Die Stromamplitude i _FGM wird durch die Referenzspannung der Zenerdiode Z 1 und den Widerstand R 1 eingestellt. Da durch wird die Abhängigkeit der Stromamplitude i _FGM von der Gate-Spannung u _G und der Quellenspannung der Span nungsquelle E 1 klein gehalten. Der Kondensator C 1 dient zur Verkürzung der Anstiegszeit des Zündstromes. Die Zeit konstante des RC-Gliedes R 1 C 1 liegt in der Größenordnung der Anstiegszeit des Zündstromes i _FGM (ca. 1 µs) und hat damit keinen Einfluß auf die Mindestsperrdauer.

Eine Variante der Schaltungsanordnung entsteht dadurch, daß die Spannungsquelle E 1 aufgeteilt wird in zwei Span nungsquellen E 2 und E 1-E 2. Die Spannungsquelle E 1 wird zur Speisung des Feldeffekttransistors Q 1 verwendet, während die Span nungsquelle E 2 der Speisung des Feldeffekttransistors Q 2 dient. Ent koppelt werden die Schalter voneinander durch eine Diode D 3. Diese Variation ist aus Fig. 2b zu ersehen.

In Fig. 3a ist eine Variante dargestellt, in der ein Impulstransformator T mit Mittenanzapfung verwendet wird. Die Spannungsquelle E 1 ist an die Mittenanzapfung der Primärwicklung des Impulstransformators T geschaltet. An einem Teil der Primärwicklung des Impulstransformators sind die Feldeffekttransistoren Q 1 mit dem RC-Glied R 1 C 1 und Q 2 mit dem Widerstand R 2, welche Stromquellen bilden, geschaltet. Eine dritte Stromquelle ist der Feldeffekttransistor Q 3 mit dem Wi derstand R 3, der an den anderen Teil der Primärwicklung des Impulstransformators T gelegt ist.

Auch diese Schaltungsanordnung kann durch die Teilung der Spannungsquelle E 1 in zwei Teilspannungsquellen E 1-E 2, E 2 variiert werden. Dies ist aus Fig. 3b zu ersehen. Dabei wird der Feldeffekttransistor Q 1 der Spannungsquelle E 1 zuge ordnet und die Feldeffekttransistoren Q 2 und Q 3 der Spannungsquelle E 2.

Weitere Varianten sind den Fig. 4a und 4b zu entnehmen. In Fig. 4a wird eine Variante mit einer Spannungsquelle E 1 und zwei Impulstransformatoren T 1 und T 2 dargestellt. Dabei ist der Feldeffekttransistor Q 3 an die Primärwicklung des Im pulstransformators T 2 gelegt, während die Feldeffekttransistoren Q 1 und Q 2 an die Primärwicklung des Impulstransformators T 1 an geschlossen sind. Zur Einstellung des Stromes i _FG werden die Referenzspannungen der Zenerdioden Z 2, Z 3 sowie die Widerstände R 2 und R 3 angewendet. Um höhere Verluste in den Feldeffekttransistoren Q 2 und Q 3 zu vermeiden, werden die Wider stände R 2′ und R 3′ in Reihe mit den Schaltern gelegt.

Eine weitere Variante ergibt sich durch die Aufteilung der Spannungsquelle E 1 in zwei Teilspannungsquellen E 1-E 2 und E 2, wie es in Fig. 4b gezeigt ist. Dabei wird der Feldeffekttransistor Q 3 der Spannungsquelle E 1 zugeordnet, die Feldeffekt transistoren Q 1 und Q 2 der Spannungsquelle E 2. Bei dieser Variante kann der Widerstand R 3′ entfallen. Die Diode D 3 entkoppelt den Feldeffekttransistor Q 1 von der Spannungsquelle E 1-E 2 während der Zeitdauer t _gp.

Die Vorteile der Schaltungsanordnung nach der Erfindung bestehen darin, daß eine Verringerung des Leistungsbedarfs des Einschaltsteuerkreises erreicht wird, daß eine Begren zung der Mindestsperrdauer des GTO-Thyristors vermieden wird, und daß eine stabilere Einstellung der Stromampli tuden i _FGM und i _FG sowie der Zeitdauer t _gp erreicht wird. Dadurch wird eine weitestgehende Unabhängigkeit von der Gate-Spannung und der Quellenspannung erzielt.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum potentialfreien Einschalten eines GTO-Thy ristors mit einem Impulstransformator, an dessen Primärwicklung zwei Feldeffekttransistoren liegen, sowie mit einer Gleichspannungs quelle, an welche die Primärwicklung des Impulstransformators ange schlossen ist, gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen:

a) an der Primärwicklung des Impulstransformators (T) liegt der erste Feldeffekttransistor (Q 1) mit einer ersten Zenerdiode (Z 1) am Gate-Anschluß und einem ersten Widerstand (R 1) am Source-An schluß als eine erste Stromquelle,
b) an dem Source-Anschluß des zweiten Feldeffekttransistors (Q 2) liegt ein zweiter Widerstand (R 2) und an dem Gate-Anschluß eine zweite Zenerdiode (Z 2) als eine zweite Stromquelle, wobei zur Drain-Source-Strecke ein weiterer zweiter Widerstand (R 2′) in Reihe geschaltet ist,
c) der erste Feldeffekttransistor (Q 1) wird zu Anfang eines Ein schaltvorgangs zur Erzielung einer hohen Steuerstromspitze ge schlossen,
d) der zweite Feldeffekttransistor (Q 2) wird nach dem Öffnen des ersten Feldeffekttransistors (Q 1) zur Erzielung eines Steuer stromrückens geringer Amplitude geschlossen (Fig. 2a).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum ersten Widerstand (R 1) ein Kondensator (C 1) ge schaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (E 1) aus zwei Teilspannungsquellen (E 2, E 1-E 2) unterschiedlicher Spannung besteht und daß der Reihenschal tung der beiden Teilspannungsquellen (E 1-E 2; E 2) der erste Feldeffekt transistor (Q 1) und der einen Teilspannungsquelle (E 2) der zweite Feldeffekttransistor (Q 2) in Reihe mit einer Entkopplungsdiode (D 3) zugeordnet sind (Fig. 2b).

4. Schaltungsanordnung zum potentialfreien Einschalten eines GTO-Thyri stors mit einem Impulstransformator, an dessen Primärwicklung zwei Feldeffekttransistoren liegen, sowie mit einer Gleichspannungsquelle, an welche die Primärwicklung des Impulstransformators angeschlossen ist, gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen:

a) der Impulstransformator (T) hat an beiden Wicklungen Mittenan zapfungen,
b) an die eine Teilprimärwicklung des Impulstransformators (T) ist die Gleichspannungsquelle (E 1) sowohl über einen ersten Feld effekttransistor (Q 1) schaltbar, wobei ein erster Widerstand (R 1) am Source-Anschluß und eine erste Zenerdiode (Z 1) am Gate-An schluß des ersten Feldeffekttransistors (Q 1) vorgesehen sind, als auch über einen zweiten Feldeffekttransistor (Q 2) schaltbar, wobei ein zweiter Widerstand (R 2) am Source-Anschluß, eine zwei te Zenerdiode (Z 2) am Gate-Anschluß und in Reihe zur Drain-Source- Strecke des zweiten Feldeffekttransistors (Q 2) ein weiterer zwei ter Widerstand (R 2′) vorgesehen ist,
c) an die zweite Teilprimärwicklung des Impulstransformators (T) ist die Gleichspannungsquelle (E 1) über einen dritten Feldeffekttransi stor (Q 3) anschaltbar, wobei ein dritter Widerstand (R 3) am Source-Anschluß, eine dritte Zenerdiode (Z 3) am Gate-Anschluß und in Reihe zur Drain-Source-Strecke des dritten Feldeffekttransi stors (Q 3) ein weiterer dritter Widerstand (R 3′) vorgesehen ist,
d) der erste Feldeffekttransistor (Q 1) wird zur Bildung einer Impuls spitze für den Steuerstrom zum Anfang eines Einschaltvorgangs ge schlossen und die zweiten und dritten Feldeffekttransistoren (Q 2, Q 3) werden nach dem Öffnen des ersten Feldeffekttransistors (Q 1) zur Bildung eines Steuerstromrückens geringer Amplitude alter nierend geschlossen (Fig. 3a).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum ersten Widerstand (R 1) ein Kondensator (C 1) ge schaltet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (E 1) aus zwei Teilspannungsquellen (E 2, E 1-E 2) unterschiedlicher Spannung besteht und daß der Reihenschal tung der beiden Teilspannungsquellen (E 1-E 2, E 2) der erste Feld effekttransistor (Q 1) und der einen Teilspannungsquelle (E 2) der zwei te Feldeffekttransistor (Q 2) in Reihe mit einer Entkopplungsdiode (D 3) sowie der dritte Feldeffekttransistor (Q 3) in Reihe mit einer weite ren Entkopplungsdiode (D 4) zugeordnet sind (Fig. 3b).

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines einzigen primär- und sekundärseitig mittenange zapften Übertragers zwei Übertrager (T 1 , T 2) vorgesehen sind (Fig. 4a).

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum ohmschen Widerstand (R 1) ein Kondensator (C 1) ge schaltet ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines einzigen primär- und sekundärseitig mittenange zapften Übertragers zwei Übertrager (T 1, T 2) vorgesehen sind (Fig. 4b).