-
-
Anordnung zum beschleunigten Abschalten eines GTO-Thyristors Die Erfindung
bezieht sich auf eine Anordnung zum beschleunigten Abschalten eines GTO-Thyristors,
wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist.
-
Abschaltthyristoren, auch GTO-Thyristoren (= Gate Turn Off-Thyristor)
genannt, finden ständig breitere Anwendungsgebiete be- Wechsel- und Drehstromumrichtern
sowie Gleichstromstellern. Der Grund ist die Vereinfachung des Leistungsteils infolge
Fortfalls der bisherigen Kommutierungsmittel.
-
Prinzipiell erfolgt eine Einschaltung eines GTO-Thyristors über einen
positiven Steuerstrom und die Abschaltung über einen negativen Steuerstrom, doch
sind zumindest bei größeren GTO-Thyristoren darüberhinaus zusätzliche Kriterien
erforderlich, die die Steuerung wiederum erschweren.
-
So darf während der Durchlaßdauer des GTO-Thyristors der Steuerstrom
nicht auf Null zurückgehen, auch nicht lücken,
weil sonst ein undefinierter,
halb leitender, halb sperrender Zustand erreicht wird, der infolge der erhöhten
Verlustleistung dem Thyristor gefährlich werden kann. Der Gleichstrom-Steuerimpuls
muß deshalb solange gehalten werden, wie die Anoden-/Kathodenstrecke leitend sein
soll.
-
Zum Abschalten muß der positive Steuerstrom auf Null abgesenkt und
dann ein negativer Löschimpuls gegeben werden.
-
Darüberhinaus ist eine bleibend negative Vorspannung erforderlich,
bis wieder neu gezündet wird.
-
Für die Steuerung eines GTO-Thyristors ergeben sich damit folgende
Signale: Der Zündimpuls, der Dauergatestrom, der Löschimpuls und die negative Vorspannung.
-
Der prinzipielle Steuerstromverlauf ist der Fig. 1 entnehmbar. Dabei
schließt sich einem Zündimpuls A ein Dauergatestrom B an. Nach einem Löschimpuls
C erfolgt eine negative Vorspannung D (schraffiert angedeutet) bis zum nächsten
ZUndimpuls A.
-
Für die Erzeugung dieser Signale sind spezielle Steuerkreise entwickelt
worden, die einander ergänzen und ablösen und die als Impulsverstärker bezeichnedwerden.
Die Anforderungen an solche Impulsverstärker sind beträchtlich. Immerhin kann die
erforderliche Rückwärtssteuerstromspitze des Löschimpulses C für abzuschaltende
Ströme um 2000 A bis zu 500 A betragen, und es wird dazu eine hohe Stromsteilheit
von ca. 20 bis 40 A//us von den meisten Herstellern empfohlen. Der Leistungshalbleiter
im Abschaltkreis muß deshalb für hohe Strombelastbarkeit (Pulsstrom), kurze Einschaltzeiten
und niedrige Durchlaßspannung bei höheren Strömen ausgelegt sein.
-
Das Schema eines typischen und bekannten Impulsverstärkers zur Steuerung
eines GTO-Thyristors über Impuls transformatoren
ist der Fig. 2
entnehmbar.
-
Er ist mehrstufig und enthält einen Einschaltsteuerkreis I und einen
Abschaltsteuerkreis II mit einer negativen Vorspannungsquelle III.
-
Über den Einschaltsteuerkreis I wird der GTO-Thyristor 4 eingeschaltet.
Der Einschaltsteuerkreis enthält eine schaltbare Wechselspannungsquelle 1 mit der
Wechselspannungsimpulse über einen Impulstransformator T1 gegeben werden, die nach
Gleichrichtung (Gleichrichter 2) als Gleichspannungsimpulse über ein RC-Netzwerk
3 geführt und an die Gate-Kathodenstrecke des GTO-Thyristors 4 gelegt werden. Das
Netzwerk 3 dient der Einstellung von Höhe uM Verlauf des Zündimpulses.
-
Das Abschalten des GTO-Thyristors 4 erfolgt über den Abschaltsteuerkreis
2, der eine schaltbare Gleichspannungsquelle 5, einen Impulstransformator T2 und
Entkopplungsdioden 6 enthält. Er liegt ebenfalls an der Gate-Kathodenstrecke des
GTO-Thyristors 4, jedoch in inverser Polung.
-
Weiterhin liegt dazu parallel eine negative Vorspannungsstufe III
mit allgemein nicht schaltbarer Wechselspannungsquelle 7, einem Impulstransformator
T3, einem Gleichrichter 8 und einem Widerstand 9.
-
Der Einschaltsteuerkreis I ist vom AbschaGtsteuerkreis II und der
Vorspannungsquelle III durch ein Entkopplungsnetzwerk EN entkoppelbar.
-
Im vorliegenden Fall interessiert nur der Abschaltsteuerkreis II mit
Vorspannungsstufe III.
-
Bekanntlich muß für ein Abschalten des GTO-Thyristors 4 (Sperrdauer)
der Schalter S (vgl. Fig. 2) solange einge-
legt sein, bis der Gate-Stromimpuls
abgeklungen ist, d.h.
-
auch die 58ailzeit muß abgewartet werden (vgl. hierzu Fig. 1).
-
Diese Zeit tgw kann bis zu 150 us bei Hochleistungsthyristoren betragen
und macht infolge ihrer Länge einen Impulstransformator T2 mit entsprechend groß
dimensioniertem Blechpaket für die Spannungszeitfläche fU11dt erforderlich.
-
Das steht andererseits der Realisierung einer erwünscht niedrigen
StreuinduktivitSt des Transformators T2 entgegen.
-
Darüberhinaus dauert mit # 2tgw die zulassige Mindestzeit (zur Abmagnetisierung)
zwischen zwei aufeinander folgende Abschaltimpulse zu lange, um fUr Anwendungen
bei höheren Frequenzen infrage zu kommen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Mindest-Zeitdauer zu verkürzen
und den Abschalttransformator T2 bezüglich der Anforderungen (Spannungszeitfl äche)
zu vereinfachen.
-
Diese Aufgabe wird für eine Anordnung der eingangs genannten Art gemäß
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
-
Anhand eines schematischen Ausführungsbeispieles wird die Erfindung
um nachstehenden näher erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen und bekannten Steuerstromverlauf
über der Zeit bei GTO-Thyristoren Fig. 2 das Prinzip eines Impulsverstärkers zur
Ansteuerung von GTO-Thyristoren über Impulstransformatoren
Fig.
3 den Abschaltsteuerkreis mit entkoppelter Vorspannungsquelle nach der Erfindung
Fig. 4 zugehörige Befehls- und Steuerspannungsfolgen Fig. 5a und 5b verschiedene
Modifikationen des Entkopplungsnetzwerkes.
-
Die Fig. 1 und 2 wurden bereits besprochen.
-
Fig. 3 zeigt einen Abschaltsteuerkreis II mit neuartiger entkoppelter
Vorspannungsstufe III. Der Einschaltsteuerkreis I ist hier nur angedeutet.
-
Der Abschaltsteuerkreis II enthält wieder die aus Fig. 2 bekannten
Elemente wie Impulstransformator T2 und die Entkopplungsdioden 6. Er ist üblicherweise
an den Gate-Kathodenpfad des GTO-Thyristors 4 herangeführt. Die Schaltung der angelegten
Gleichspannungsquelle 5 erfolgt hier anstelle eines symbolisch angedeuteten Schalters
5 über einen Feldeffekttransistor Q1' der von einer Steuerspannung U1 gesteuert
wird Denkbar sind auch Ausführungen mit anderen steuerbaren Halbleitern, wie Bipolartransistoren,
Thyristoren, auch Abschaltthyristoren. Als negative Vorspannungsquelle dient die
Gleichspannungsquelle 5, deren Gleichspannung mittels der im Gegentakt arbeitenden
Feldeffekttransistoren Q2, Q3 zerhackt über den Transformator T3 mit primär- und
sekundärseitigen Mittelanzapfungengerührt wird. Die Steuerspannungen U2 und J3 dienen
der Steuerung dieser Feldeffekttransistoren. Auf richtige Sekundärspannung transformiert
erfolgt über die Dioden 10 eine Zweiweggleichrichtung in Mittelpunktschaltung und
über ein Entkopplungsnetzwerk 11 und den Widerstand 12 wird die negative Vorspannung
an das Gate des GTO-Thyristors 4 gelegt.
-
Zur Funktion: Es wird dazu auch auf Fig. 4 verwiesen.
-
Zum Abschalten des GTO-Thyristors 4 wird der Feldeffektthyristor Q1
über U1 gezündet und ein negativer Steuerimpuls iRG fließt über den Transformator
T2 auf das Gate von GTO-Thyristor 4 für eine Zeitdauer von T3b2tgq «t tgW)ie gw
negative Vorspannungsquelle III wird niederohmig dimensioniert, so daß der Gatestrom
auch nach Abschalten des Transistors Q1 noch über den Transis °rii4Freilauf weiterflienen
kann, wobei die negative Vorspannung berlagert wird. Die Feldeffekttransistoren
Q2, Q3 bleiben während der gesamten Sperrdauer komplementär gesteuert und der Transistor
Q4 des Entkopplungsnetzwerkes 11 ist damit durchlässig. Das Entkopplungsnetzwerk
11 ist erforderlich, um eine Beeinträchtigung der Zündbedingungen beim Einschalten
des GTO-Thyristors 4 zu vermeiden. Gezeigt ist im vorliegenden Fall ein NPN-Transistor
(Darlington) in der Gate-Leitung, der durch die gleichgerichtete Spannung UA hinter
dem Transformator T3 gesteuert wird. Der Transistor Q4 ist während der gesamten
Sperrdauer des GTO-Thyristors 4 leitend. Als PNP-Transistor (Darlington) kann er
auch in der Kathodenleitung des GTO-Thyristors 4 liegen.
-
Am Ende der Sperrdauer (Zündbefehl folgt!) werden vgl. Fig. 4 die
Transistoren Q2, Q3 über U2 und U3 gesperrt und UA wird 0.
-
Damit sperrt Transistor Q4 und entkoppelt den TLansformator T3 vom
Einschaltsteuerkreis 1.
-
Durch die Erfindung wird der GTO-Thyristor 4 sicher abgeschaltet,
obwohl nur ein Abschaltimpuls geringerer Zeitdauer als t über den Transformator
T2 geschickt wurde. Durch die gw nunmehr stark reduziert erforderliche Spannungszeitfläche
werden die Anforderungen an den Transformator T2 vereinfacht.
-
*) (tgq I Abschaltzeit des GTO-Thyristors, s. auch Fig. 1)
Die
Streuinduktivität kann vermindert und die Entmagnetisierungsdauer des Transformators
geringer gehalten werden.
-
Damit kann die zulässige Mindestdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Abschaltimpulsen verkürzt, d.h. mit höherer Frequenz gearbeitet werden.
-
In dem Figurenbeispiel wurde für das Entkopplungsnetzwerk eine Version
mit Transistoren (Darlington) gezeigt und beschrieben. Statt dessen sind vgl. Fig.
5a und 5b auch Ausführungen mit Feldeffekttransistoren mit N-Kanal in der Gate-
oder P-Kanal in der Kathodenleitung denkbar. Ebenso Ausführungen mit Diodenreihenschaltungen
(n-Dioden) oder Z-Diode,
- Leerseite -