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Ansteuerschaltung für einen GTO-Thyristor
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Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist im
"etz-Archiv" Bd. 6 (1984) Heft 5, Seite 193 angegeben.
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In Fig. 1 der Zeichnung ist der prinzipielle Aufbau der bekannten
Ansteuerschaltung für einen GTO-Thyristor gezeigt. Die Ansteuerschaltung besteht
aus einem Einschaltsteuerkreis í, der einen positiven Steuerstrom iFG zum Einschalten
des Thyristors liefert, und aus einem Abschaltsteuerkreis 2, der einen negativen
Steuerstrom (Rückwärtssteuerstrom iRG zum Abschalten des Thyristors liefert. Dabei
kann die Ansteuerschaltung entweder mit dem Kathodenpotential des Thyristors galvanisch
verbunden sein,- oder die Ansteuerschaltung ist galvanisch vom Potential des Thyristors
getrehnt. Im letzteren Fall erfolgt die Steuerstromübertragung von der Ansteuerschaltung
zum Steueranschluß des Thyristors wie in Fig. 1 gezeigt mittels Transformatoren.
Die Erwindung bezieht sich äuf eine Ansteuerschaltung der letztgenannten, potentialgetrennten
Art.
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Der in Fig. 1 gezeigte, stark vereinfacht dargestellte, aus einer
Spannungsquelle U1, einem Begrenzungswiderstand R1, einem Schalter S1 und einem
(Einschalt-)Trånsformator T1 und einer sekundärseitigen Entkopplung (z.-B. Transistorschalter)
EK1 gebildete Einschaltsteuerkreis 1
soll hier nicht weiter betrachtet
werden. Der Abschaltsteuerkreis 2 weist Dioden D1 ... DN auf, die zur Entkopplung
des Ein- und des Abschaltsteuerkreises voneinander dienen. Diese Dioden verhindern
das Abfließen des positiven Steuerstroms iFG über eine sekundäre Wicklung w2 eines
(Abschalt-)Transformators T2. Die Verwendung von Z-Dioden anstelle der gezeigten
Diodenkette Dl . DN scheidet wegen des geforderten hohen Abschaltsteuerstromes iRG
von mehr als 100 A in der Praxis für abschaltbare Hochleistungsthyristoren aus.
Der primärseitigen Wicklung wl des Transformators T2 sind Dioden D11 und D12 parallelgeschaltet.
Sie dienen der Abmagnetisierung des Transformators T2.
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Mit einem hier als Transistor gezeigten Schalter S2 wird zum Abschalten
des GTO-Thyristors die Spannung einer Spannungsquelle U2 an die Primärwicklung w1
des Transformators T2 geschaltet. Die Punkte an den Wicklungssymbolen kennzeichnen
die Anschlüsse gleicher Polarität.
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Fig. 2 der Zeichnung zeigt das Steuerschema für die Schalter S1 und
S2 der bekannten, in Fig. 1 gezeigten Ansteuerschaltung. Der Hoch-Pegel bedeutet
hierbei, daß der betreffende Schalter eingeschaltet ist.
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Zum Abschalten des Thyristors wird der Schalter S2 eingeschaltet (S2
auf Hoch-Pegel), so daß auf der Sekundärseite des Transformators T2 eine negative
Steuerspannung Uw2 ansteht, die den zum Sperren des GTO-Thyristors notwendigen negativen
Steuerstrom iRG (Rückwärtssteuerstrom) erzeugt. Die Dioden Dl . DN sind dann leitend.
Die negative Steuerspannung muß so lange aufrechterhalten werden, bis der Thyristor
sicher sperrt. Für abschaltbare Hochleistungs-Thyristoren (zum Beispiel 500 A/2000
V) sind zum Sperren Zeiten von 50 bis 150 ijs vorgeschrieben.
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Die zur Entkopplung der Ein- und Abschaltsteuerkreise verwendeten
Dioden D1 ... DN bewirken eine Entkopplung dadurch, daß die Summe ihrer Schwellspannungswerte
UO größer gewählt wird als die positive Steueranschluß-Kathodenspannung UGK, die
am GTO-Thyristor während der Ansteuerung mit dem Vorwärtssteuerstrom iFG ansteht
(Uo?UGK). Die Diodenschwellspannungen unterliegen jedoch Schwankungen der Temperatur
und
weisen herstellungsbedingt unterschiedliche Werte auf. Ebenfalls
schwankt die Steueranschluß-Kathodenspannung des GTO-Thyristors aus den gleichen
Gründen. Außerdem ist sie noch von.der Herstellungstechnologie abhängig. Letzteres
bedingt eine Anpassung der Anzahl der Entkopplungsdioden an den verwendeten Typ
des GTO-Thyristors.
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Soll die Steuerschaltung universell verwendbar und in einem großen
Temperaturbereich arbeitsfähig ein, so müssen unter Umständen viele Dioden (zum
Beispiel etwa vier bis acht Stück) in Reihe geschaltet werden, um die gewünschte
Entkopplung sicher zu gewährleisten. Dadurch wird jedoch die benötigte Abschaltsteuerspannung,
die der (Abschalt-) Transformator T2 bereitstellen muß, sehr groß. Demgemäß hat
der Transformator T2 eine entsprechend größere Spannungszeitfläche aufzubringen.
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Dazu aber ist wiederum ein größerer Magnetkern erforderlich, wodurch
die Streuinduktivität des Transformators vergrößert wird. Für abschaltbare Hochleistungsthyristoren
müssen jedoch Streuinduktivitäten von Ldc lwuH erreicht werden, um die geforderte
Steilheit des Rückwärts-
| Steuerstroms iRG für den GTO-Thyristor |
| ( dt > 30A/us bei URG<20V) |
zu erzielen Weiterhin stellt der dynamische Diodenspannungsabfall der Dioden D1...DN
beim Abschaltvorgang ein Problem dar. Beim Abschalten des GTO-Thyristors entsteht
zunächst während seiner Speicherzeit ein ständig ansteigender Rückwärtssteuerstrom
mit der zuvor angegebenen Steilheit.
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Wenn das Strommaximum erreicht ist, fällt der Rückwärtssteuerstrom
aufgrund der dann in Flußrichtung sperrenden Steuerstrecke des GTO-Thyristors wieder
ab, bis er schließlich zu Null wird. Das Strommaximum kann dabei etwa 1/3 bis 1/5
des abgeschalteten Anodenstroms des GTO-Thyristors betragen. Praktische Werte reichen
von 100 bis 400 A für abschaltbare Hochleistungsthyristoren. Der dynamische Spannungsabfall
verschlechtert das Abschaltverhalten, da aufgrund der kleineren wirksamen Abschalt-Steuerspannung
das Abschalten verlangsamt wird (höhere Abschaltverlustleistung im Thyristor). Außerdem
besteht bei kleinen Abschaltsteuerströmen die Gefahr, daß die gesperrte Steuerstrecke
des GTO-Thyristors zu lange im Avalanche-Betrieb (Durchbruch-Betrieb) gehalten wird,
weil bei niedrigen Steuerströmen die Abschaltsteuerspannung
wegen
des geringen Spannungsabfalls höher werden kann als die höchstzulässige Rückwärtssteuerspannung
des GTO-Thyristors.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, für eine Schaltungsanordnung
der eingangs angegebenen Art mit geringem Schaltungsaufwand eine Entkopplung des
Einschaltsteuerkreises vom Ausschaltsteuerkreis unabhängig von den Steuerspannungen
der verschiedenen Typen von GTO-Thyristoren und unabhängig von Temperaturschwankungen
sicherzustellen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmale gelöst.
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Mit dem Einsatz eines Halbleiterschalters zur Entkopplung der Steuerkreise
ist eine temperatur- und steuerstromunabhängige Ansteuerung von abschaltbaren Hochleistungsthyristoren
möglich.Da zudem nur ein Bauelement benötigt wird, kann vorteilhafterweise die Ansteuerschaltung
insgesamt enger aufgebaut werden. Durch den geringen Platzbedarf wird entsprechend
auch die Leitungsinduktivität gering gehalten.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung
sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels erläutert werden.Fig. 3 zeigt dazu ein Prinzipschaltbild für
den Abschaltsteuerkreis gemäß der Erfindung.
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Die Ausbildung des Abschaltsteuerkreises 2 in Fig. 3 entspricht derjenigen
von Fig. 1 mit der Ausnahme, daß im Sekundärkreis des Transformators T2 anstelle
der Entkopplungsdioden D1 ... DN ein einziger in Richtung auf die Kathode des GTO-Thyristors
GTO gepolter Halbleiterschalter S3 angeordnet ist. Der Halbleiterschalter S3 ist
vorteilhafterweise ein weiterer GTO-Thyristor, der durch seinen Steuerkreis während
der Übertragung des Abschaltimpulses über den Transformator T2 in den leitenden
Zustand gesteuert ist.
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Um zu gewährleisten, daß der Halbleiterschalter S3 immer dann leitend
wird, wenn mit dem Schalter S2 Spannung an den (Abschalt-)Transformator T2 geschaltet
wird, ist der Steueranschluß des Halbleiterschalters S3 über einen ohmschen Widerstand
R2 mit dem zur Kathode des GTO-Thyristors GTO führenden Anschluß der Sekundärwicklung
w2 des Transformators T2 verbunden.
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Der Halbleiterschälter 53 entkoppelt mithin, solange er nicht in den
leitenden Zustand gesteuert ist, wirkungsvoll den Einschaltsteuerkreis vom Abschaltsteuerkeis
des GTO-Thyristors. Nachdem der Halbleiterschalter S3 in den leitenden Zustand gesteuert
ist, beginnt in bekánnter Weise der Rückwärtssteuerstrom iRG für den abzuschaitenden
GTO-Thyristor GTO zu fließen.
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An das Abschaltvermögen des Halbieiterschajters S3 werden nur geringe
Anforderungen gestellt, da der Ruckwärtssteuerstrom praktisch von selbst zu Null
abklingt. Daher kann auch ein einfacher (nicht mittels eines Abschaltimpulses über
seinen Steueranschluß abschaltbarer) Thyristor als Halbleiterschalter eingesetzt
werden. Wird jedoch Wert auf ein besseres Einschaltverhälten geiegt und sollen die
bei einem einfachen Thyristor auftretenden Freiwerdezeitprobleme vermieden werden,
ist ein GTO-Thyristor als Halbieiterschalter vorzuziehen.