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Einrichtung zur Ansteuerunq eines Hochleistunqs-GTO-Thyristors Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ansteuerung eines Hochleistungs-0T0-Thyristors
gemäß dem Cberbegriff des vorliegenden Patentanspruchs.
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Es ist bekannt, GTO-Thyristoren potentialfrei über Impulstransformatoren
anzusteuern.
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Es sei auf den Patent Abstract of Japan zu Kokai No. 53-100760, veröffentlicht
am 02. September 1978 verwiesen: Hier w rå durch wechselseitiges Schalten zweier
Transistoren (mit einer Periode von 50<s) in der Primärwicklung eines Transformators
eine echselspannung erzeugt.
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Der Transformator besitzt zwei Sekundärwicklungen. Der ersten Sekundärwicklung
ist ein Brückengleichrichter nachgeschaltet, dessen eine Ausgangsleitung mit dem
Gate und dessen zweite Ausgangsleitung mit der Kathode eines GTC-Thyristors verbunden
ist. Solange die Transistoren hin- und herschalten, liegt also eine Gleichspannung
zwischen Gate und Kathode und zwar mit positiver Polarität am Gate. In dieser Zeit
ist der GTO-Thyristor leitend.
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Die Löschung des GT0-Thyristors erfolgt auf folgende Weise: an die
zweite Sekundärwicklung ces Transformators ist die Reihenschaltung einer Diode und
eines Kondensators angeschlossen. In der Zeit, in der eine Wechselspannung über
den Transformator übertragen wird (das ist die Zeit, während der die Transistoren
hin- und hergeschaltet werden), wird also der Kondensator aufgeladen. Die Einleitung
des Löschens des GTO-Thyristors erfolgt jetzt durch Beendigung des Hin- und Herschaltens
der Transistoren sowie durch Einschalten eines Thyristors, wodurch die Kondensatorspannung
zwischen Gate und Kathode gelegt wird und zwar mit negativer Polarität am Gate.
Der GT0-Thyristor wird dadurch gelöscht.
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Bei der beschriebenen Einrichtung ist das Abschalten erst möglich,
wenn der Kondensator ausreichend aufgeladen ist.
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Damit ist eine Mindestdauer zwischen einem Einschaltvorgang und einem
Ausschaltvorgang vorgegeben. Das bedeutet, daß sie bei Anwendungen mit höherer Frequenz
und im Kurzschlußfall nicht anwendbar ist.
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Ferner ist eine zusätzliche Übertragung des Abschalthefehls erforderlich,
um den Thyristor, mit dem die Kondensatorspannung zwischen Gate und Kathode gelegt
wird, erforderlich. Das bedeutet einen zusätzlichen Aufwand und Störempfindlichkeit.
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Durch den Aufsatz "Probleme und Grenzen beim Einsatz abschaltbarer
Thyristoren" von W. Zimmermann in "etz-Archiv" Band 6 (1984) Heft 5, Seite 189 ff,
ist auf Seite 193, Bild 8 dieser Literaturstelle eine potential freie Ansteuerschaltung
für einen GT0-Thyristor bekanntgeworden. Der GT0-Thyristor wird über einen Gegentaktwandler
eingeschaltet. Zum Abschalten des GT0-Thyristors wird dieser Gegentaktwandler gesperrt
und über einen Ausschaltübertrager eine negative Spannung an die Gate-Kathoden-Strecke
gelegt. Um den Ausschaltimpuls auch nach dem Verlöschen
des Anoden-
und des Gate-Stroms noch für kurze Zeit anliegen zu lassen, wird gleichzeitig mit
dem Abschalten des GTO-Thyristors ein Kondensator geladen.
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Bei dieser bekannten Einrichtung wird die Steilheit des Abschaltsteuerstromes
durch die Durchbruchspannung der Gate-Kathoden-Strecke und die Streulnduktivität
des Abschaltübertragers begrenzt. Da zum Abschalten eines Hochleistungs-GTO-Thyristors
eine große Steilheit des Abschaltstromes erforderlich ist, ist die bekannte Einrichtung
für diesen Verwendungszweck nicht einsetzbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs
genannten Art anzugeben, die die aufgezeigten Mängel der bekannten Einrichtungen
vermeidet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs
aufgeführten Merkmale gelöst.
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Durch die Art der ansteuerung des Abschalt-Impulstransformators werden
die Anforderungen an die zulässige Streuinduktivität bei der Verwendung für das
Abschalten von Hochleistungs-TO-Thyristoren gemildert werden. Während der Zeit tl
kann eie höhere Steilheit des Abschaltsteuerstrcmes erzielt werden. dadurch kann
die Speicherzeit in einem oTO-Abschaltvorgang reduziert werden. Dies ist von großer
Bedeutung, insbesondere für das Abschalten von Hochleistungs-GTO-Thyristoren, das
Abschalten im Kurzschlußfall (möglichst schnell abschaltbar) und für das Abschalten
von Reihen- und Parallelschaltungen von mehreren GTO-Thyristoren.
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Vorteilhaft ist weiterhin, daß keine aktiven Bauelemente benötigt
werden, die eine zusätzliche potential freie Spannungsversorgung und potentialfreie
Ansteuerungen (zum Beispiel über Optokoppler) erfordern.
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Schließlich können Überströme durch Verlängerung der Einschaltzeit
(t1) des vierten Leistungshalbleiters (Q3) abgeschaltet werden.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die Fig. 1 eine
Einrichtung gemäß der Erfindung, die Fig. 2 Zeitverläufe für das Ein- und Ausschalten
der in der Einrichtung gemäß Fig. 1 benutzten abschaltbaren Leistungsha;bleiter
in Form von Feldeffekt-Transistoren.
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In der Fig. 1 ist mit Th der anzusteuernde GTO-Thyristor bezeichnet.
Mit dem gestrichelt umrandeten Block A ist der Einschaltsteuerkreis für diesen Thyristor,
mit dem Block B der Abschaltsteuerkreis und mit dem Block C ein Kreis zur Erzeugung
einer negativen Dauerspannung bezeichnet.
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An den Klemmen K1 und K2 ist eine Gleichspannung Ud angeschlossen
und zwar mit positiver Polarität an die Klemme K1. Zwischen den Klemmen K1 und K2
liegt zur Ur.lerstützung der Spannungshaltung der Spannungsquelle ein Kondensator
C1.
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Im Block A ist mit T1 ein Impulsübertrager bezeichnet.
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Seine Primärwicklung besitzt eine Mittelanzapfung, die über eine Parallelschaltung
eines Widerstandes R1 mit einem Kondensator C1 mit der Klemme K1 verbunden ist.
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Die Primärwicklung ist mit dem einen Ende über einen Feldeffekt-Transistor
Q1 mit dem anderen Ende über einen Feldeffekt-Transistor Q2 mit der Klemme K2 verbunden.
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Die beiden Enden der Sekundärwicklung des Impulsübertragers
T2
sind über je eine Diode D1, D2 in Durchlaßrichtung mit dem Gate des GTO-Thyristors
Th verbunden. Zwischen der Kathode dieses Thyristors und der Mittelanzapfung der
Sekundärwicklung ist ein Transistor Q7 (Bipolar-Transistor oder Darlingtontransistor)
geschaltet. Zwischen dem Gate des Thyristor Th und Mittelanzapfung der Sekundärwicklung
liegt die Reihenschaltung zweier Widerstände R2 und R ihr Verbindungspunkt ist mit
der Basis des Transistors Q7 verbunden. Zwischen Gate und Kathode des Thyristors
Th ist ferner noch ein Widerstand RGK geschaltet.
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Der zeitliche Verlauf der Steuerspannung u1 für den Feldeffekt-Transistor
Q1 und der Steuerspannung u2 für den Feldeffekt-Transistor Q2 ist in der Figur 2
dargestellt; für das Einschalten (Zünden) des GTO-Thyristors Th werden die beiden
Transistoren Q1 und Q2 komplementär angesteuert und zwar mit einer Frequenz von
50-200 kHz. Sie werden über den Impulstransformator T2 übertragen und werden über
die Dioden D1, D2 gleichgerichtet. Damit kann der GTO-Thyristor Th mit beliebig
langer Zündstromdauer angesteuert werden.
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Der Kondensator C1 dient zur Erhöhung des Zündstroms. Der Transistor
Q7 ist während der Einschaltdauer T leitend.
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e Er sperrt während der Sperrdauer T und entkoppelt den sp Einschaltsteuerkreis
von der GTC-Steuerstrecke, Eine zusätzliche potential freie Ansteuerung des Transistors
Q7, zum Beispiel durch Cptokoppler, ist hier nicht erforderlich, da der Transistor
Q7 über den Widerstand R2 durch die gleichgerichtete Einschaltspannung gesteuert
wird.
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Im Abschaltsteuerkreis (Block B) befindet sich der Impulsübertrager
T2. Dieser übertragen besitzt primärseitig zwei Wicklungen nl und n2, deren Verbindungspunkt
über einen Widerstand R4 mit der Drain-Elektrode eines Feldeffekt-Transistors Q3
verbunden ist. Die Source-Elektrode
von Q3 ist mit der Klemme K2
verbunden. Das andere Ende der Wicklung nl ist mit der Klemme K1 verbunden. Das
andere Ende der Wicklung n2 führt über eine Entkopplungsdiode D3 auf die Drain-Elektrode
eines Feldeffekt-Transistors Q4, dessen Source-Elekttode mit der Klemme K2 verbunden
ist. Parallel zu Q4 liegt eine Zenerdiode DZ, die entgegengesetzt zur Entkopplungsdiode
D3 gepolt ist.
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DieSekundärwicklung n3 des Impulstransformators T2 ist auf der einen
Seite über Entkopplungsdioden D4, D5 mit dem Gate, auf der anderen Seite direkt
mit der Kathode des GTO-Thyristors Th verbunden.
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Der Abschaltvorgang für den GTO-Thyristor Th läuft nun wie folgt ab:
es werden die Transistoren Q1 und Q2 abgeschaltet (Ende der Einschaltzeit TE in
Fig. 2) und die Transistoren Q3 und Q4 eingeschaltet; die Einschaltsteuerspannungen
sind mit u3 und u4 bezeichnet. Der Transistor Q3 wird nach einer Zeitdauer t1 abgeschaltet,
vgl.
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Fig. 2; während der Transistor Q4 erst danach nach einer Zeitdauer
tgW abgeschaltet wird. Es kann auch der Feldgw effekt-Transistor Q4 erst mit dem
Abschalten des Feldeffekt-Transistors Q3 angeschaltet und dann nach der Zeit tgw
- t1 abgeschaltet werden. Die in Fig. 2 dargestellte Ein- und Abschaltung von Q4
hat aber den Vorteil, daß beide Feldeffekt-Transistoren Q3 und Q4 mit nur einem
Steuerbefehl angeschaltet werden können.
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Es ergibt sich, daß während der Zeitdauer tl die ãteuerstrecke des
GTO-Thyristors Th mit einer Rückwärtsspar.-nung n3 uR1 = n1 . ud, in der nachfolgenden
Zeitdauer tgw tl mit einer kleineren
Rückwärts spannung n3 uR2
= . ud n1 + n2 angesteuert wird.
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Die Zenerdiode Dz bestimmt die Spannung am Transistor Q4 während der
Entmagnetisierung des Impuls transformators T2 nach dem Abschalten.
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Der Widerstand R4 kann erforderlich sein für eine Strombegrenzung
während der Zeitdauer tl.
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ie höhere Rückwärtsspannung uR1 in der Zeit t1 ermöglicht trotz der
unvermeidlichen Streulnduktivität des Impulstransformators eine ausreichend hohe
Anstiegssteilheit des Rückwärtssteuerstroms. Für die Zeitdauer tl gilt t1 # ts,
max mit ts, max gleich der Speicherzeit ts bei maximalem Abschaltstrom.
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Um zu vermeiden, daß bei niedrigem Abschaltstrom die GTO-Thyristor-Steuerstrecke
für eine unzulässig lange Zeitdauer im Durchbruch bleibt, sind folgende Möglichkeiten
anwendbar: - die Zeitdauer t wird so kurz gewählt, daß die Durchbruchdauer die zulässige
Grenze nicht überschreitet; - der Abschaltstrom wird überwacht (eine Stromüberwachung
kann für Schutzzwecke bereits vorhanden sein). Für Abschaltströme, die einen bestimmten
Wert unterschreiten, kann die Zeitdauer t1 auf einen kleineren Wert t1 < t urgestellt
oder das Steuersignal u3 blockiert werden - die Rückwärtssteuerspannung an der Gate-Kathoden-Strecke
wird überwacht. Das Steuerslgnal u3 wird abgeschaltet, wenn die Rückwärtssteuerspannung
einen bestimmten Schellwert überschreitet.
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Für den Schutz fall kann die Zeitdauer t1 verlängert werden. Damit
können höhere Abschaltsteuerströme und folglich höhere Abschaltströme erzielt werden.
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Mit dem Block C in der Fig. 1 ist ein Kreis zur Erzeugung einer negativen
Dauerspannung bezeichnet. Dieser Kreis enthält einen Impulstransformator T3. Die
Primärwicklung dieses Transformators enthält eine Mittelanzapfung, die mit der Klemme
K1 verbunden ist. Die Primärwicklung ist mit ihrem einen Ende über einen Feldeffekt-Transistor
Q5 an die Klemme K2, mit ihrem anderen Ende über einen Feldeffekt-Transistor Q6
an die Klemme K2 angeschlossen. Die Sekundärwicklung hat ebenfalls eine Mittelanzapfung,
die mit der Kathode des STO-Thyristors Th verbunden ist. Die beiden Enden der Sekundärwicklung
sind über je eine in Sperrichtung liegende Diode D6, D7 miteinander verbunden ihr
Verbindungspunkt ist über einen Widerstand R5 an das Gate des GTO-Thyristors angeschlossen.
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Die Steuerspannungen für die Feldeffekt-Transistoren Q5 und Q6 sind
mit u5 und u6 bezeichnet. Die Transistoren werden komplementär im Takt der Frequenz
geschaltet, die das abwechselnde Ein- und Ausschalten der Transistoren Q1 und Q2
bestimmt (vgl. Fig. 2). Zwischen Gate und Kathode des GTO-Thyristors Th entsteht
so eine negative Vorspannung. Diese Spannung kann auch aus der Netzspannung, die
einem 50 Hz-Transformator mit nachgeschaltetem Diodengleichrichter zugeführt wird,
gewonnen werden. Die regative Dauerspannung dient dazu, Fehlzündungen durch hohere
zeitliche tnderungen der Spannung am GTO-Thvritcr zu vermeiden.
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Als Transistorschalter Q1 - Q6 können auch bipolare, Darlington-Transistoren
oder andere abschaltbare Halbleiter verwendet werden.