DE3503323A1 - Anordnung zum beschleunigten abschalten eines gto-thyristors - Google Patents

Anordnung zum beschleunigten abschalten eines gto-thyristors

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DE3503323A1
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gto thyristor
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Yehia Dr.-Ing. 1000 Berlin Tadros
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    • H03K17/04Modifications for accelerating switching
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    • HELECTRICITY
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    • H03K17/73Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices having more than two PN junctions; having more than three electrodes; having more than one electrode connected to the same conductivity region for dc voltages or currents
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Description

  • 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 -

Claims (8)

  1. Patent ansprüche Anordnung zum beschleunigten Abschalten eines GTO-Thyristors unter Verwendung eines Abschaltsteuerkreises mit getrennten Impulstransformatoren für die Abschaltsteuerstufe und negative Vorspannungsstufe, deren Sekundärwicklungen über Entkopplungsdioden bzw. Gleichrichter mit den Gate-/Kathodenanschlüssen des GTO-Thyristors verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschalt-Steuerimpuls über den Impulstransformator (T2) bereits nach T < tgw abgeschaltet, jedoch als Überlagerung huber die negative Vor spannung unter Freilauf über den niederohmigen Sekundärkreis des Impulstransformators (T3) der eingeschalteten negativen Vorspannungsstufe (III) bis zu seinem natürlichen Abklingen aufrecht erhalten wird.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundarkreis des Impulstransformators (T3) der negativen Vorspannungsstufe (III) über ein Entkopplungsnetz- werk (11) an den Gate-/Kathodenanschlüssen des GTO-Thyristors (4) liegt, wobei das Entkopplungsnetzwerk (11) bei fehlender negativer Vorspannung gesperrt ist und daß die negative Vor spannung mit dem Abschaltbefehl für den GTO-Thyristor (4) eingeschaltet und mit dem Zündbefehl für den GTO-Thyristor ausgeschaltet ist.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung der negativen Vorspannung die Gleichspannungsquelle (5) der Abschaltsteuerstufe (II) herangezogen wird, die einen Gleichspannungswandler - gebildet aus dem Impulstransformator (T3) der negativen Vorspannungsstufe (III) mit nachgeschaltetem Gleichrichter (8 bzw. 10) und vorgeschalteten, im Gegentakt gesteuerten Wechselrichterventilen (Q2, Q3) speist.
  4. 4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulstransformator (T3) mittenangezapfte Wicklungen aufweist, an deren Außenanschlüssen primärseitig die Wechselrichterventile (Q2, Q3) und sekundärseitig die Dioden (10) eines Zweiweggleichrichters in Mittelpunkt schaltung angeschlossen sind, die bei anodenseitiger Zusammenfassung mit dem Gate des GTO-Thyristors (4) verbunden sind, wobei die Mittelanzapfung zum Kathodenanschluß führt.
  5. 5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischengeschaltete Entkopplungsnetzwerk (11) einen Transistor (Q4) enthält, dessen Kollektor-/ Emitterstrecke je nach Leitungstyp in Reihe zum Gate-(n-Typ) oder Kathodenanschluß (p-Typ) des GTO-Thyristors (4) liegt und daß der Transistor (Q4) seine Steuerspannung von einem an der negativen Vorspannung (UA) des Impulstransformators (T3) liegenden Spannungsteiler erhält.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Transistor (Q4) eine Darlingtonstufe Verwendung findet.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Entkopplungsnetzwerk (11) einen Feldeffekttransistor enthält, dessen Drain-/Sourcestrecke je nach Kanaltyp in Reihe zum Gate-(n-Kanal) oder Kathodenanschluß (p-Kanal) des GTO-Thyristors (4) liegt. (Fig. 3 und 5a)
  8. 8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Entkopplungsnetzwerk (11) die Reihenschaltung von n Dioden oder eine Z-Diode enthält, die je nach Polung in Reihe zum Gate- oder Kathodenanschluß des GTO-Thyristors (4) zu schalten sind. (Fig. 5b)
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2812632A1 (de) * 1977-03-24 1978-09-28 Tokyo Shibaura Electric Co Steuerkreis fuer einen vollsteuergate- thyristor

Patent Citations (1)

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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WILSON,Peter S.: GTO-Thyristoren, In: Elektronik 18, 9.9.1983, S.115-118 *
WILSON,Peter S.: The Gate Turn - Off Thyristor andits Circuit Requirements, Firmendruckschrift der International Rectifier Co(GB)Ltd., Oxted, Surrey,U.K., April 1983 *

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