DE3503492A1

DE3503492A1 - Device for turning off thyristors in self-commutated converters

Info

Publication number: DE3503492A1
Application number: DE19853503492
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr Ing Nestler
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1985-01-31
Filing date: 1985-01-31
Publication date: 1986-08-07

Abstract

The object exists, for a device for turning off thyristors in self-commutated converters, with the aid of power semiconductors which can be switched off, and the thyristors being arranged in a bridge circuit, to manage with a low component cost and to make a high switching frequency possible. This is achieved in that the series circuit of an auxiliary DC voltage source (U1) having negative polarity with respect to the cathode of the relevant thyristors and to a gate turn-off power semiconductor (GTO thyristor, transistor or field-effect transistor) (T7, T8, T9) is connected in parallel with each thyristor (T1, T2, T3) of the one bridge half which is connected to the positive terminal of a DC voltage source (Ud) or of a converter intermediate circuit or to a load, in that the series circuit of a further auxiliary-voltage source (U2) having positive polarity with respect to the anode of the relevant thyristors and with respect to a power semiconductor (T12, T11, T10) is connected in parallel with each thyristor (T4, T6, T2) of the other bridge half which is connected to the negative terminal of the DC voltage source (Ud) or of a converter intermediate circuit or to a load, and in that a turned-on thyristor (T1, ... T6) is turned off in that the gate turn-off power semiconductor (T7, ... T12) which is connected to it on the cathode side or anode side is turned on, and the load current [lacuna] for the duration of the hold-off interval of the thyristors ... Original abstract incomplete. <IMAGE>

Description

Einrichtung zur Löschung von Thyristoren inDevice for quenching thyristors in

selbstgeführten Stromrichtern Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Löschung von Thyristoren in selbstgeführten Stromrichtern gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruchs.Self-commutated converters The invention relates to a Device for quenching thyristors in self-commutated converters according to the preamble of the present claim.

In selbstgeführten Stromrichtern z.B. in Drehstromwechselrichtern werden zur Löschung der Thyristoren Löschschaltungen angewendet, bei denen die zur Kommutierung erforderliche Kommutierungsspannung durch einen Löschkondensator bereitgestellt wird. Man bezeichnet sie deshalb auch als Kondensator-Löschschaltungen. Neben Löschkondensatoren enthalten diese Löschschaltungen auch Kommutierungsdrosseln und Löschthyristoren. Zwei der bedeutendsten Löschschaltungen sind in den folgenden Aufsätzen beschrieben und analysiert: - Nestler, J., Tzivelekas, I.: Kondensator-Löschschaltung mit Löschthyristor-Zweigpaar nach McMurray, etz-Archiv Bd. 6 (1984) Heft 2, Seiten 45 bis 50 und etz-Archiv Bd. 6 (1984) Heft 3, Seiten 83 bis 90; - Nestler, J.: Kondensator-Löschschaltung mit Löschthyristor-Wechselwegpaar. etz-Archiv Bd. 6 (1984) Heft 12, Seiten 407 bis 414.In self-commutated converters, e.g. in three-phase inverters are used to extinguish the thyristors, in which the for Commutation required commutation voltage provided by a quenching capacitor will. They are therefore also referred to as capacitor quenching circuits. In addition to quenching capacitors these quenching circuits also contain commutating reactors and quenching thyristors. Two of the most important cancellation circuits are described in the following articles and analyzed: - Nestler, J., Tzivelekas, I .: Capacitor quenching circuit with quenching thyristor branch pair according to McMurray, etz archive vol. 6 (1984) issue 2, pages 45 to 50 and etz archive vol. 6 (1984) No. 3, pages 83 to 90; - Nestler, J .: capacitor extinguishing circuit with Quenching thyristor alternating path pair. etz Archive Vol. 6 (1984) Issue 12, Pages 407 to 414.

Bei der einen handelt es sich um die von J. Erlach 1935 und bei der anderen um die von McMurray 1961 angegebenen Löschschaltung. Bei diesen Löschschaltungen wird ein Löschkreisstrom als Halbschwingung eines Schwingkreisstromes erzeugt, der dem Strom des zu löschenden Thyristors entgegenfließt und diesen somit auf Null abbaut. Im Anschluß an den Nulldurchgang des Thyristorstromes gibt die Löschschaltung infolge des über die Rücklaufdiode fließenden Löschkreisstromes die Schonzeit für den zu löschenden Thyristor vor, indem an diesem eine positive Sperrspannungsbeanspruchung verhindert wird.One is that of J. Erlach 1935 and the one others to the quenching circuit specified by McMurray 1961. With these erasure circuits a quenching circuit current is generated as a half-oscillation of an oscillating circuit current, the the current of the thyristor to be extinguished flows in the opposite direction and thus to zero degrades. Following the zero crossing of the thyristor current, the quenching circuit is due to the quenching circuit current flowing through the flyback diode, the closed season for the thyristor to be extinguished by applying a positive reverse voltage load to it is prevented.

Damit der Thyristor sicher gelöscht wird, ist bei allen auftretenden Betriebszuständen sicherzustellen, daß der Löschkreis strom stets größer ist als der zu kommutierende Laststrom. Um dies einfach verwirklichen zu können, wird stets der maximale Löschkreisstrom erzeugt. Dieser Löschkreisstrom, der auch bei geringen Lastströmen fließt, führt in den Löschkreisen zu elektrischen Verlusten und zu erheblicher Geräuschentwicklung vor allem in den magnetischen Bauteilen.So that the thyristor is safely extinguished, is with all occurring Operating conditions ensure that the extinguishing circuit current is always greater than the load current to be commutated. In order to be able to easily realize this, we always the maximum extinguishing circuit current generated. This extinguishing circuit current, which is also low Load currents flows, leads in the extinguishing circuits to electrical losses and to considerable Noise development especially in the magnetic components.

Die von der Löschschaltung vorzugebende Löschzeit muß stets größer sein als die Freiwerdezeit der verwendeten Thyristoren. Die Schonzeit begrenzt mit der an sie anschließenden Umschwingzeit des Löschkreisstromes die mögliche Schaltfrequenz der selbstgeführten Stromrichter.The extinguishing time to be specified by the extinguishing circuit must always be longer than the release time of the thyristors used. The closed season is limited with the subsequent ringing time of the quenching circuit current the possible switching frequency the self-commutated power converter.

Um die Löschschaltung nicht unangemessen überdimensionieren zu müssen, darf die Spannung der Eingangsspannungsquelle nur in engen Grenzen schwanken, denn aus ihr wird der Löschkondensator periodisch aufgeladen.In order not to have to inappropriately oversize the extinguishing circuit, the voltage of the input voltage source may only fluctuate within narrow limits, because the quenching capacitor is periodically charged from it.

Nachteile einer solchen Löschschaltung sind neben dem zusätzlichen Aufwand an Bauteilen (Löschkondensatoren, Kommutierungsdrosseln und Löschthyristoren) die zusätzlichen Verluste, Geräuschentwicklung, die verhältnismäßig niedrige Schaltfrequenzgrenze sowie der enge 2ingangsspannungsbereich.Disadvantages of such an extinguishing circuit are in addition to the additional Expenditure on components (quenching capacitors, commutating reactors and quenching thyristors) the additional losses, the noise, the relatively low Switching frequency limit as well as the narrow 2-input voltage range.

Diese Nachteile entfallen weitgehend, wenn in den Hauptzweigen nicht Thyristoren, sondern Leistungshalbleiter angewendet werden, die über den Steueranschluß nicht nur einschaltbar, sondern auch ausschaltbar sind. Leistungshalbleiter, die dies ermöglichen, sind z.B. Leistungstransistoren, Abschaltthyristoren und auch Feldeffekttransistoren. Im unteren Leistungsbereich von Drehstromwechselrichtern oder -umrichtern haben sich Leistungstransistoren gegenüber Thyristoren weitgehend durchgesetzt. Für größere Leistungen und höhere Anschlußspanrungen stehen in neuerer Zeit Abschaltthyristoren (GTO-Thyristoren) zur Verfügung.These disadvantages are largely eliminated if not in the main branches Thyristors, but rather power semiconductors, are used via the control connection can not only be switched on but also switched off. Power semiconductors that enable this are e.g. power transistors, switch-off thyristors and also Field effect transistors. In the lower power range of three-phase inverters or converters, power transistors have largely become more popular than thyristors enforced. For greater power and higher connection voltages are available in newer Time switch-off thyristors (GTO thyristors) are available.

Gegenüber normalen Thyristoren sind Abschaltthyristoren aufgrund ihrer feineren und komplizierteren Struktur und Herstellungsweise teuerer.Compared to normal thyristors, turn-off thyristors are due to their finer and more complex structure and manufacturing method more expensive.

Außerdem haben sie einen höheren Durchlaßspannungsabfall, durch den höhere Verluste im Bauelement bedingt sind, für die entsprechend größere Kühleinrichtungen vorzusehen sind.They also have a higher forward voltage drop due to the higher losses in the component are due to the correspondingly larger cooling devices are to be provided.

Es sind nun Schaltungen von selbstgeführten Stromrichtern vornehmlich von Drehstromwechselrichtern oder -umrichWern bekannt, bei denen Vorteile von Thyristoren mit abschaltbaren Leistungshalbleitern verknüpft werden. Diese Schaltungen sind in den folgenden Aufsätzen beschrieben.There are now circuits of self-commutated power converters primarily known from three-phase inverters or converters, where the advantages of thyristors can be linked with power semiconductors that can be switched off. These circuits are described in the following essays.

- Nestler, J., Wrede, H.: Leistungstransistoren in Stromrichtern "Wissenschaftliche Berichte AEG-TELEFUNKENrt 50 (1977) Heft 1/2, Seiten 39 bis 48; - Junge, G., Nestler, J., Wrede, H.: Löschung von Thyristoren mittels Leistungstransistoren in selbstgeführten Stromrichtern.- Nestler, J., Wrede, H .: Power transistors in power converters "Scientific Reports AEG-TELEFUNKENrt 50 (1977) issue 1/2, pages 39 to 48; - Boy, G., Nestler, J., Wrede, H .: Deletion of thyristors by means of power transistors in self-commutated Converters.

etz-A, Bd. 99 (1978) Heft 11, Seiten 678 bis 681. etz-A, Vol. 99 (1978) Issue 11, pages 678 to 681.

Bei der einen Schaltung ist für jeden zu löschenden Thyristor eine potential freie Spannungsquelle und ein abschaltbarer Leistungshalbleiter (Leistungstransistor) vorgesehen.In one circuit there is one for each thyristor to be extinguished potential-free voltage source and a power semiconductor (power transistor) that can be switched off intended.

Bei der anderen sind für einen Drehstromwechselrichter weniger Spannungsquellen, aber neben zwei abschaltbaren Leistungshalbleitern noch 6 Hilfsthyristoren erforderlich (Summenlöschanordnung). Letztere begrenzen die Schaltfrequenz des Drehstromwechselrichters. Bisher werden diese Schaltungen auch nicht in Pulswechselrichtern angewendet.With the other, there are fewer voltage sources for a three-phase inverter, but in addition to two power semiconductors that can be switched off, 6 auxiliary thyristors are required (Total delete arrangement). The latter limit the switching frequency of the three-phase inverter. So far, these circuits have not been used in pulse-controlled inverters either.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die gegenüber den bekannten einen geringeren Bauteileaufwand hat und die zudem eine höhere Schaltfrequenz ermöglicht.The object of the present invention is to provide a device of the initially Specify mentioned type, which compared to the known a lower component cost and which also enables a higher switching frequency.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved by the in the characterizing part of the Claim specified features solved.

Die Einrichtung gemän der Erfindung benötigt zwei Leistungshalbleiter weniger als bei der obengenannten Summenlöschanordnung.The device according to the invention requires two power semiconductors less than in the case of the above-mentioned total extinguishing arrangement.

Da an Stelle der Thyristoren in den Löschzweigen abschaltbare Thyristoren angewendet werden, ist auch eine höhere Schalt- oder Pulsfrequenz möglich. Bezüglich der Verluste ist die erfindungsgemäße Einrichtung auch vorteilhaft, weil der Laststrom, der vorübergehend über die Löschanordnung geführt wird, nicht über zwei, sondern nur einen Leistungshalbleiter fließen muß, also nur ein Durchlaßspannungsabfall im Löschkreis liegt.There are thyristors that can be switched off instead of the thyristors in the quenching branches are used, a higher switching or pulse frequency is also possible. In terms of of losses, the device according to the invention is also advantageous because the load current, which is temporarily passed through the extinguishing system, not through two, but only one power semiconductor has to flow, so only one forward voltage drop lies in the extinguishing circle.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert.The device according to the invention is described below Embodiment explained in more detail with reference to the drawing.

Dieses Ausführungsbeispiel zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Drehstromwechselrichter: In den Hauptzweigen des Wechselrichters liegen die Thyristoren Tl bis T6, wobei die Thyristoren T1, T3, T5 mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle Ud, die Thyristoren T4, T6, T2 mit dem negativen Pol dieser Spannungsquelle verbunden sind, und in den parallel geschalteten Rücklaufzweigen die mit entgegengesetzter Richtung gepolten Dioden Dl bis D6. Als Begrenzerdrosseln sind die Drosseln L1 bis L3 zwischen den Ventilen jedes Zweigpaares der Brücke vorgesehen, die eine Mittelanzapfung aufweisen. Die Mittelanzapfungen sind mit Drehstromverbrauchern (Klemmen 1,2,3) verbunden. Die Löschanordnung für den dreiphasigen Wechselrichter besteht aus den Lösch-GTO-Thyristoren T7 bis T12 und den Hilfsspannungsquellen U1 und U2; dabei ist dem Thyristor T1 die Reihenschaltung der Hilfsspannungsquelle Ul und des GTO-ThyristorsT7 parallelgeschaltet. Dem Thyristor T3 ist die Reihenschaltung der Hilfsspannungsquelle Ul und des GTO-Thyristors T8 parallelgeschaltet, dem Thyristor T5 die Reihenschaltung der Hilfsspannungsquelle Ul mit dem GTO-Thyristor T9. Dem Thyristor T4 ist die Reihenschaltung der Hilfsspannungsquelle U2 mit dem GTO-Thyristor T12, dem Thyristor T6, die Reihenschaltung der Hilfsspannungsquelle U2 mit dem GTO-Thyristor T11 und dem Thyristor T2 die Reihenschaltung der Hilfsspannungsquelle U2 mit dem GTO-Thyristor T10 parallelgeschaltet.This embodiment shows the application of the invention to one Three-phase inverter: The thyristors are located in the main branches of the inverter Tl to T6, the thyristors T1, T3, T5 with the positive pole of a voltage source Ud, the thyristors T4, T6, T2 are connected to the negative pole of this voltage source are, and in the return branches connected in parallel those with opposite ones Direction of polarized diodes Dl to D6. The chokes L1 to are used as limiter chokes L3 is provided between the valves of each pair of branches of the bridge, which has a center tap exhibit. The center taps are with three-phase consumers (terminals 1, 2, 3) tied together. The quenching arrangement for the three-phase inverter consists of the Quenching GTO thyristors T7 to T12 and the auxiliary voltage sources U1 and U2; included the thyristor T1 is the series connection of the auxiliary voltage source Ul and the GTO thyristor T7 connected in parallel. The series connection of the auxiliary voltage source is the thyristor T3 Ul and the GTO thyristor T8 are connected in parallel, the thyristor T5 is connected in series the auxiliary voltage source Ul with the GTO thyristor T9. The thyristor T4 is connected in series the auxiliary voltage source U2 with the GTO thyristor T12, the thyristor T6, the series connection the auxiliary voltage source U2 with the GTO thyristor T11 and the thyristor T2 the series connection the auxiliary voltage source U2 is connected in parallel with the GTO thyristor T10.

Die Hilfsspannungsquellen U1 und U2 brauchen nur mit niedriger Spannung ausgeführt zu werden; denn sie sollen bei der Kommutierung des Stromes von den Thyristoren Tl ... T6 auf die Löschzweige die Schwellwerte der Lösch-5TO-Thyristoren und aufbaubedingter Induktivitäten überwinden helfen und außerdem während der Löschzeit der Thyristoren eine geringe definierte negative Sperrspannung vorgeben.The auxiliary voltage sources U1 and U2 only need a low voltage to be executed; because they are supposed to be used when commutating the current from the thyristors Tl ... T6 on the extinguishing branches the threshold values of the extinguishing 5TO thyristors and construction-related Help overcome inductances and also during the quenching time of the thyristors specify a low defined negative reverse voltage.

Es sei angenommen, daß der Thyristor T1 den Laststrom führt. Er soll gelöscht werden. Dazu wird der Lösch-GTO-Thyristor T7 gezündet. Unter dem Einfluß der Spannung der Hilfsspannungsquelle U1 kommutiert der Laststrom vom Thyristor T1 auf den Löschzweig mit der Reihenschaltung der Hilfsspannungsquellen Ul und den Lösch-GTO-Thyristor T7.It is assumed that the thyristor T1 carries the load current. He should to be deleted. For this purpose, the quenching GTO thyristor T7 is ignited. Under the influence the voltage of the auxiliary voltage source U1 commutates the load current from the thyristor T1 to the extinguishing branch with the series connection of the auxiliary voltage sources Ul and the Quenching GTO thyristor T7.

Der Laststrom wird über den Löschzweig solange geführt, bis der Thyristor T1 gelöscht ist, das heißt bis die Schonzeit verstrichen ist. Anschließend wird der Lösch-GTO-Thyristor T7 abgeschaltet. Der Laststrom kommutiert dann von diesem Löschzweig auf den Rücklaufzweig mit der Diode D4.The load current is carried through the extinguishing branch until the thyristor T1 is cleared, i.e. until the closed season has passed. Then will the extinguishing GTO thyristor T7 is switched off. The load current then commutates from this Extinguishing branch on the return branch with diode D4.

Die Diode D4 führt den Laststrom solange, bis entweder der Thyristor T1 erneut gezündet wird oder der Laststrom seine Polarität wechselt und der Thyristor T4 gezündet wird.The diode D4 carries the load current until either the thyristor T1 is re-ignited or the load current changes polarity and the thyristor T4 is ignited.

Die Einrichtung der Erfindung kann auch dann in gleicher Weise aufgebaut und angewendet werden, wenn an den Klemmen 1,2,3 ein Drehstromnetz angeschlossen wird und statt der Gleichspannungsquelle Ud ein Verbraucher angeschlossen wird. Die Einrichtung wirkt dann als Gleichrichter.The device of the invention can then also be constructed in the same way and can be used if a three-phase network is connected to terminals 1, 2, 3 and instead of the DC voltage source Ud, a consumer is connected. The device then acts as a rectifier.

Die Zündung der Thyristoren T1, ... T6 erfolgt in bekannter Weise so, daß die Thyristoren je einer Brückenhälfte (T1, T3, T5 respektive T2, T4, T6) nacheinander für jeweils 2 /3 wobei 2JTdie Periodendauer der Drehspannung ist, leitend sind, und die Thyristoren der Zweige, die auf eine Drehspannungsklemme arbeiten (also T1, T4 usf.), jeweils eine Halbperiode nacheinander gezündet werden.The thyristors T1, ... T6 are fired in a known manner so that the thyristors each have one half of the bridge (T1, T3, T5 or T2, T4, T6) one after the other for 2/3 each, where 2JT is the period of the three-phase voltage, conductive are, and the thyristors of the branches, which work on a three-phase voltage terminal (i.e. T1, T4, etc.), each be ignited one half cycle one after the other.

Das bedeutet, daß die Thyristoren in der Folge T1, T2, T3, T4, T5, T6 nacheinander in Zeitabständen von 2Z/6 (600 el) gezündet werden.This means that the thyristors in the sequence T1, T2, T3, T4, T5, T6 can be ignited one after the other at intervals of 2Z / 6 (600 el).

Diese Arbeitsweise ist beispielsweise in der Dissertation von Siegfried Ditteney "Untersuchungen zur vollständigen mathematischen Analyse des stationären Betriebsverhaltens selbstgeführter Drehspannungswechselrichter'1, Bochum 1975, Kapitel 3.1 bis 3.3 auf den Seiten 36 bis 44, beschrieben.This way of working is, for example, in Siegfried's dissertation Ditteney "Investigations for the Complete Mathematical Analysis of the Stationary Operating behavior of self-commutated three-phase inverters'1, Bochum 1975, Chapter 3.1 to 3.3 on pages 36 to 44.

Claims

Equipment for quenching thyristors in self-guided power converters Device for quenching the thyristors in self-commutated converters with the help of switchable power semiconductors, the thyristors in a Bridge circuit are arranged, characterized in that in parallel to each Thyristor (Tl, T2, T3) of one half of the bridge connected to the positive pole of a DC voltage source (Ud) or a converter intermediate circuit or a consumer connected is the series connection of an auxiliary DC voltage source (Ul) with negative polarity Regarding the cathode of the relevant thyristors and a gate-turnable power semiconductor (GTO thyristor, transistor or field effect transistor) (T7, T8, T9) connected is that parallel to each thyristor (T4, T6, T2) of the other half of the bridge, the to the negative pole of the DC voltage source (Ud) or a converter intermediate circuit or a consumer is connected, the series connection of a further auxiliary voltage source (U2) with positive polarity with respect to the anode of the relevant thyristors and one Power semiconductor (T12, T11, T10) is connected, and that a triggered thyristor (T1, ... T6) is extinguished by the fact that the cathode or gate-disconnectable power semiconductors (T7, ... T12) connected on the anode side is ignited and takes over the load current for the duration of the closed season of the thyristors and then switched off.