DE3509617A1 - Anordnung zur potentialfreien positiven ansteuerung von gto-thyristoren hoeherer leistung - Google Patents

Description

• Anordnung zur potentialfreien positiven Ansteuerung von
• GTO-Thyristoren höherer Leistung Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur potentialfreien positiven Ansteuerung von GTO-Thyristoren höherer Leistung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• GTO-Thyristoren (Gate Turn Off-Thyristoren) oder auch Abschaltthyristoren finden immer breitere Anwendungsgebiete bei Wechselstrom- und Drehstrom-Umrichtern sowie Gleichstromstellern, weil sie den Leistungsteil vereinfachen, da die Kommutierungsmittel entfallen.
• Grundsätzlich kann bekanntlich ein GTO-Thyristor über einen Steuerstrom positiver Polarität eingeschaltet und durch einen Steuerstrom negativer Polarität abgeschaltet werden.
• Zumindest bei größeren GTO-Thyristoren sind darüberhinaus jedocn weitere Kriterien zu beachten, die der Vereinfachungn entgegenstehen. So darf während der Einschaltzeit dieser Steuerstrom nicht auf 0 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 der Anodenstrom fließt, d.h. das'kann beliebig lange dauern.
• Zum Abschalten muß dann der positive Steuer strom erst auf 0 abgesenkt und dann ein negativer Gleichstrom-Löschimpuls gegeben werden, um besagten Schwebezustand zu vermeiden.
• Darüberhinaus ist eine negative Vorspannung erforderlich, bis wieder neu gezündet wird. In der Fig. 1 sind diese prinzipiellen Steuervorgänge dargestellt. Für die Steuerung müssen folgende Signale an den GTO-Thyristor gegeben werden: Der Zündimpuls, der Dauergatestrom, der Löschimpuls und die negative Vorspannung. Dabei schließt sich einem Zündimpuls A, ein Dauergatestrom B an. Nach einem Löschimpuls C folgt eine negative Vorspannung D (schraffiert) bis zum nächsten Zündimpuls A.
• Es sind bereits Anordnungen zur Steuerung von Abschaltthyristoren bekannt, die mit dauernd laufenden Chopperwandlern arbeiten, die Rechteckspannungen erzeugen, aus denen die erforderlichen Steuer- und Löschspannungen gewonnen werden (GB-Druckschrift der International Rectifier Co/GB LTD Oxted, Surrey, U.K. von April 1983 "The Gate turn-off Thyristor and its circuit Requirements, Verfasser: P.S.
• Wilson, Fig. 6 und zugehöriger Text). Es sind dort auf der Leistungsseite diverse für Leistungspotential ausgelegte Speicher- und Schaltelemente für hohe Ströme notwendig, die die Schaltung aufwendig machen. Darüberhinaus sind weitere Maßnahmen erforderlich, um zu einer effektiven Potentialtrennung zwischen Steuer- und Leistungsteil zu kommen.
• Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, für die 0bertragung der Zünd- und Löschimpulse und die Erzeugung von Dauergatestrom sowie negativer Vorspannung jeweils getrennte Einzelwandlcr in bestimmter Schaltung und Ansteuerung zu verwenden, wobei eine vollständige Potentialtrennung zwischen Leistungs- und Steuerteil bei vereinfachter Schaltung erfolgt (P 34 18 657.3). Der erforderliche Zündstrom (Gatestrom) solcher Ansteuerschatungen weist im allgemeinen eine große Schwankungsbreite auf, die abhängig ist von Einflüssen wie Exemplarstreuungen der Bauelemente, den Umgebungstemperaturen, den Versorgungs- und Referenzspannungen sowie de Gate-Kathodenspannung des ennndGOhit was zu einer Anpassung der Ansteuerschaltungen für den jeweils ungünstigsten Fall zwingt. *) ergeben sich relativ hohe Ansteuerverlustleistungen. Nachteilig ist auch, daß relativ große Mindest-Aus-Zeiten der GTO-Thyristoren den Stellbereich unnötig einschränken.
• Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Ansteuerschaltung für GTO-Thyristoren, die verlustarm den erforderlichen Zündstrom liefert. Dabei sollte der Zündstrom weitgehend unabhängig von den vorgenannten Einflüssen sein und nach einer anfänglichen Znndstromüberhöhung sollte unbegrenzt ein konstanter Dauergatestrom (Rückenstrom) zur Verfügung stehen.
• Diese Aufgabe wird für eine Anordnung der eingangs genannten Art gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
• Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.
• Es zeigen: Fig. 1 den prinzipiell erforderlichen Steuerstromverlauf für einen GTO-Thyristor Fig. 2 das Schaltbild einer Impulsstromquelle zur positiven Ansteuerung von GTO-Thyristoren für hohe Dynamik anforderungen *) Für Spannungsquellen mit Vorwiderständen, die Stromquellencharakter haben, Auf Fig. 1 wurde einleitend schon eingegangen.
• Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung für die Bereiche A und B nach Fig. 1. Danach ist an das Gate eines Leistungs-GTO-Thyristors 1 ein positiver Zündstrom von zwei sekundärseitig parallelgeschalteten Zündimpulswandlern T und T'1 anlegbar. Ix sekundärseitigen Zündstromkreis zum Gate liegt neben einer Entkopplungsdiode 2 bzw. 2' im Rückpfad ein gemeinsamer Leistungstransistor 3, der bei positiver Spannung selbsttätig einschaltet und bei negativer Spannung (beim Löschvorgang) den Weg über die Sekundärwicklungen der Zündimpulswandler T1, T'1 sperrt. Eine quergeschaltete Diode 4 und ein Widerstand 5 bilden einen niederohmigen Steuer abschluß für den GTO-Thyristor 1 und dienen der Erhöhung der statischen und dynamischen Sperrfahigkeit.
• Die Primärwicklungen der Zündimpulswandler T1 und T'1 werden von einer Eingangsspannung Ue1 jeweils über Leistungsschalter 6, 6' gespeist. Es finden hier Feldeffekttransistoren Verwendung, die als Endstufen Stromquellenfunktion haben und für die Erzeugung des Dauerrückenstroms im Gegentakt angesteuert werden. Die erforderlichen Steuersignale dazu werden in einer hier nicht näher dargestellten Impulsbildungsstufe I erzeugt. Während der Zündimpulsüberhöhung werden beide Stromquellen mit den Signalen UST2 und U'sT2 gleichzeitig eingeschaltet und übersteuert. Mit den-Signalen UST1 und U' ST1 wird der Rückenstrom erzeugt, indem im Gegentakt die Stromquellen gesperrt und freigegeben werden.
• In der Impulsbildungseinheit I werden das Pulsbreitenverhältnis des Stromrichters, die minimale EIN-Zeit, zur Sicherung des vollständigen Durchschaltens des anzusteuernden GTO-Thyristors, die minimale AUS-Zeit, zur Sicherung der Sperrfähigkeit des anzusteuernden GTO-Thyristors und die Stromrichterfrequenz festgelegt. Zusätzlich wird das so gewonnene Steuersignal entsprechend der erforderlichen Arbeitsweise (Gleichtakt oder Gegentakt) der Ansteuerendstufen 6, 6' angepaßt.
• *) in Verbindung mit den Elementen 16 bzw. 16' und 17 bzw. 17' Um Steuerstromeinbrüche während des Wechsels von einer Endstufe z.B. 6 zur anderen 6' zu vermeiden (Kommutierungseinbrüche), kann noch eine Überlappungszeit tüL für die Signale UST1 und U'ST1 in der Impulsbildungsstufe I vorgegeben werden.
• Der GTO-Gatestrom muß, wie eingangs in Bezug auf Fig. 1 erwähnt, verschiedene Anforderungen erfüllen. Zunächst muß eine Überhöhung des Zündstromes (vgl. Fig. 1 dort A) zu Beginn des positiven Gatestroms erreicht werden. Dazu wird der Zündkondensator 11 auf eine Spannung Ue2) Ue1 aufgeladen.
• (Ue2 z.B. 60 V, Ue1 z.B. 24V). Die Aufladung erfolgt über einen Halbleiterschalter 10 (z.B. Feldeffekttransistor), damit die Aufladezeit und somit die AUS-Zeit für den GTO-Thyristor möglichst kurz werden kann und außerdem die Verlustleistung im Vorwiderstand gering bleibt. Beide Stromquellen (gegeben durch die Schalter 6, 6') werden während der Zündüberhöhung über steuert und parallel betrieben. Dadurch erzielt man einen steilen Gatestromanstieg für den GTO-Thyristor 1 und einen hohen Scheitelwert.
• Die Steuersignale UST2 und U1ST2 Sowie UST1 und U' ST1 für das Einschalten des GTO-Thyristors werden über Treiber stufen 7, 7' sowie 8, 8' und ein negiertes ODER-Glied 9 geführt. Damit wird über den Steuertransistor 12 der Transistor 10 (MOS-FET) mit Z-Diode 14 gesteuert.
• Solange das invertierende ODER-Gatter 9 Low-Signal abgibt, ist Transistor 12 gesperrt und Transistor 10 zum Laden des Zündkondensators 11 ebenfalls. Liegt keines der Signale UST1, US,T1, UST2 WULST2 an, dann ist der Ausgang des invertierenden ODER-Gatters 9 auf High. Damit werden die Transistoren 12 und 10 leitend und der Kondensator 11 wird auf Ue2 aufgeladen.
• Um eine Stromüberhöhung zu erreichen, werden beide Impulsendstufen 6 und 6 synchron parallel angesteuert und die beiden Impulsstromquellen durch das Schalten der hohen Lade- spannung von Zündkondensator 11 übersteuert. Während der Übersteuerungsphase wird der Stromquellencharakter der Endstufen 6 und 6' aufgehoben. Dadurch erzielt man einen steilen Gatestromanstieg und einen hohen Scheitelwert.
• Für den Dauergatestrom (Rückenstrom) des GTO-Thyristors 1 werden die Impuls wandler im Gegentaktbetrieb gesteuert.
• Für eine exakte Umschaltung müssen die Stromquellen (gegeben u.a. durch 6, 6') nicht nur jeweils ein- sondern auch ausgeschaltet werden. Für die Ausschaltung stehen die Steuerspannungen UST1 und U'STl zur Verfügung. Bei Ansteuerung der entsprechenden Treiberstufen 8 und 8' werden die entsprechenden Punkte Z bzw. Z' und damit die Basisvorspannung der entsprechenden Stromquelle auf 0 gezogen. Die Umschaltung auf den jeweils anderen Impuls wandler kann nahtlos erfolgen.
• Mit Hilfe der MOS-Ladestromquelle wird die Steuerstromsteilz. .
• heit/auf iG 5 A/µs und der Absolutwert des Steuerstromes beim Einschalten auf IGM (4 ... 15) IGmin erhöht. Nach einer Mindest-AUS-Zeit des GTOs ( ^- Aufladezeit von C ) ist gewährleistet, daß mit iG >iGmin angesteuert wird.
• Durch die Erfindung kann unabhängig von der Dimensionierung eines Impulsnetzwerkes zur Erhöhung der Steuerstromsteilheit und der absoluten Höhe des Einschaltsteuerstromes durch einen Eingriff in die Steuerung die Ubersteuerungszeit tü ent- sprechend den Daten des anzusteuernden GTO-Thyristors 1 eingestellt werden.
• Es ergibt sich ein guter Wirkungsgrad durch Einsatz der Ladeeinrichtung (10/14). Es wird eine niedrige Eingangsspannung Ue1 möglich und folglich eine geringe Eingangsleistung. Ferner ergibt sich ein großer Stellbereich aus der kurzen AUS-Zeit, die durch schnelle, verlustarme Aufladung des Zündkondensators 11 über den Halbleiterschalter 10 ermöglicht wird. Durch die Spannungsüberhöhung an Zünd'-kondensator 11, die Übersteuerung der Stromquellen und den Parallelbetrieb beider Impulsstromquellen ergibt sich eine große Gatestromsteilheit und Stromüberhöhung.
• Durch eine überlappende Ansteuerung der Impuls stromquellen sind ferner Gatestromeinbrüche gering.
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Claims (6)

1. Patentansprüche 1. Anordnung zur potential freien positiven Ansteuerung von GTO-Thyristoren höherer Leistung unter Verwendung von Zündimpulswandlern mit nachgeschalteten Gleichrichtungsmitteln, die sekundärseitig parallelgeschaltet auf das Gate des GTO-Thyristors wirken und primärseitig von wenigstens einer Ei.ny^.gsspannung gespeist über steuerbare Leistungsschalter betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschalter (6, 6') Stromquellenfunktion haben und bei niedrig gehaltener Eingangs spannung für fUr eine Erstellung des Dauergatestromes des GTO-Thyristors (1) unter primärseitigen Gegentaktbetrieb der Zündimpulswandler (T1, T'1) ausgelegt sind und daß eine zweite Eingangsspannung (Ue2) höheren Potentials für eine Zündimpulsüberhöhung vorgesehen ist, über die, gesteuert ber einen steuerbaren Halbleiterschalter (10) eine Aufladung eines Zündkondensators (11) erfolgt, der ia Augenblick der Zündung des GTO-Thyristors (1) über die steuer- baren Leistungsschalter (6, 6') entladen wird unter Übersteuerung der Impulsstromquellen (6, 6'), wobei die Primärwicklungen der Zündimpulswandler (T1, T'1) für eine Zündstromüberhöhung parallel, d.h. im Gleichtakt betrieben sind.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Leistungsschalter (6, 6') als Stromquellen jeweils aus Feldeffekttransistoren mit Gateseitig zugeordneter Z-Diode bestehen, wobei die Gates an einer Teilspannung der ersten Eingangsspannung (Uel) angeschlossen über Steuerimpulse (UsT2 U'5T2, UST1, U'STi einer Impulsbildungsstufe (I) ansteuerbar sind.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse (UST2, U'ST2, UST1, U'ST1) über Treiberstufen (7, 7', 8, 8') sowie verschieden gepolte Entkopplungsdioden (15, 15', 16, 16') zu den Gates der Leistungsschalter (6, 6') geführt sind.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse (UST2, U'ST2, UST1, U1ST1) zusätzlich über ein negiertes ODER-Gatter (9) an die Basis eines Steuertransistors (12) gelegt sind und über diesen Transistor (12) der Ladevorgang des Zündkondensators (11) über den steuerbaren Halbleiterschalter (10) beeinflußbar ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß über den Transistor (12) das Gate des steuerbaren Halbleiterschalters (10) auf 0-Potential legbar ist.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine temperaturkompensierte Stromgegenkopplung der Leistungsschalter (6, 6') auf Steuerpotential vorgesehen ist.