DE3529068C2

DE3529068C2 -

Info

Publication number: DE3529068C2
Application number: DE19853529068
Authority: DE
Inventors: Andreas Krienke; Michael Mues; Karl-Heinz Bezold; Nguyen-Quoc 1000 Berlin De Son
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1985-08-10
Filing date: 1985-08-10
Publication date: 1987-12-03
Also published as: DE3529068A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum zwangsweisen Löschen eines Thyristors mittels eines Kommutierungskreises, wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist.

Schaltungen dieser Art sind als Hybrid-Chopper-Schaltungen bekanntgeworden. Nach etz-a Bd. 99 (1978) H. 11, S. 678 bis 681 ist z. B. ein Kommutierungskreis bekannt, der aus einem dem zu löschenden Thyristor gleichsinnig parallelgeschalteten, abschaltbaren Halbleiter mit einem in Reihe liegenden Löschkondensator für die Kommutierungsspannung besteht. Der Löschkondensator ist aus einer über eine Drossel entkoppelten separaten ersten Spannungsquelle nachladbar. Der durch die Kommutierungsspannung über den abschaltbaren Halbleiter erzwungene Strom löscht den Thyristor, wobei während der Schonzeit negative Spannung - bis zum Abschalten des Stromes im abschaltbaren Halbleiter - am Thyristor anliegt.

In Fig. 1 der vorliegenden Anmeldung ist eine solche bekannte Schaltung mit GTO-Löschkreis dargestellt. Sie besteht aus einem zu löschenden Hauptventil V₁ und einem Kommutierungskreis, der aus einem Kondensator C 2 und einem abschaltbaren Halbleiter, hier ein GTO-Thyristor V 2, besteht. Der Kondensator C 2 wird durch eine Nachladeeinrichtung, die hier nur prinzipiell durch die Spannungsquelle U ₂ und die Drossel L ₂ dargestellt ist auf konstanter Spannung gehalten. Die Drossel L _L soll alle im Kreis vorhandenen Leitungs- und Bauelementeinduktivitäten beinhalten.

Ausgehend von einem konstanten Strom I ₀ ergibt sich damit ein Kommutierungsvorgang gemäß Fig. 2, wo der Strom-, Spannungs- und Leistungsverlauf dargestellt ist. Wird zum Zeitpunkt t ₁ der GTO-Thyristor V 2 eingeschaltet, dann steigt der Strom i _V2 mit einer Steilheit, die durch die Spannung U ₂ und die Induktivität L _L bestimmt ist, an. Es wird angenommen, die Kapazität des Kondensators sei so groß, daß der Spannungsabfall während der kurzen Einschaltzeit des Löschkreises vernachlässigbar ist. Hat der Strom i _V2 zum Zeitpunkt t ₂ den Wert I ₀ erreicht, wird der Thyristor V 1 stromlos. Die Spannung U _C liegt während der Schonzeit (t ₃-t ₂) als negative Sperrspannung an. Die Zeit (t ₃-t ₂) muß größer gewählt werden als die maximal mögliche Freiwerdezeit des Thyristors V 1. Zum Zeitpunkt t ₃ wird der Strom i _V2 durch den Halbleiter V 2 abgeschaltet und wechselt in einen hier nicht dargestellten Freilaufkreis über.

Der untere Kurvenverlauf in Fig. 2 zeigt die dem Kondensator C ₂ entnommene Leistung. Den Mittelwert dieser Leistung muß die Nachladeeinrichtung (U ₂/L ₂) liefern. Diese Leistung wird bei gegebenem Strom I ₀ durch die Spannung U ₂ und die Freiwerdezeit des Thyristors V 1 bestimmt.

Dabei wird erkennbar, daß die Forderungen nach einer kurzen Zeit für den Stromanstieg und einer geringen Nachladeleistung entgegengesetzt laufen. Für die möglichst kurze Zeit der Stromübernahme in den Löschkreis wird eine höhere Spannung benötigt, dagegen reicht während der Schonzeit eine sehr geringe Spannung aus. Diese muß gerade groß genug sein, das "Freiwerden" des Thyristors V 1 zu sichern.

Eine andere bekannte Schaltung für einen Einphasen-Vollwellen-Wechselrichter arbeitet mit herkömmlichen Kommutierungsthyristoren, die den zu löschenden Hauptthyristoren gleichsinnig parallel geschaltet sind, wobei zwei Drosseln und ein gemeinsamer Löschkondensator in einer Resonanzumladeschaltung arbeiten (US-PS 43 46 309). Für die Nachladung des Löschkondensators dient die Speisespannung. Laststromabhängig wird/kann über besondere einschaltbare Spannungsgeneratoren in Zusatzstufen ein zusätzlicher positiver Vorwärtsstrom über die Hauptthyristoren getrieben/werden. Es soll damit die Freiwerdezeit der Hauptthyristoren verkürzt werden durch eine Verringerung der Ladungsträgerdichte im Bereich der Hauptvorwärtssperrschicht.

Der Erfindung liegt eine anders gelagerte Aufgabe zugrunde. Es soll eine Schaltungsanordnung - wie sie eingangs beschrieben und mit Fig. 1 erläutert wurde - dahingehend optimiert werden, daß man sowohl mit einer geringeren Nachladeleistung und trotzdem kurzer Kommutierungszeit auskommt. Sie soll auch für den Einsatz von ASCR- und RTL-Schaltungen geeignet sein. Dazu wird eine Verkürzung der Einschaltzeit des abschaltbaren Halbleiterventils im Löschzweig angestrebt, ohne die Freiwerdezeit des Hauptthyristors zu beeinflussen und ohne seine Schonzeit zu verringern.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen bekannten Hybrid-Schalter

Fig. 2 Strom-, Spannungs- und Leistungsverlauf für eine Schaltung nach Fig. 1

Fig. 3 eine Schaltung nach der Erfindung mit erweitertem Abschaltzweig

Fig. 4 zugehöriger Strom-, Spannungs- und Leistungsverlauf

Fig. 5 eine Schaltung für den Einsatz von rückwärts nicht sperrenden Thyristoren

Fig. 6 eine Schaltungsmodifikation mit Reihenschaltung der Kondensatoren im Abschaltzweig

Auf die Fig. 1 und 2 wurde schon eingegangen. Fig. 3 zeigt eine Schaltung, bei der erfindungsgemäß mit zwei Spannungsebenen U ₁ und U ₂ im Abschaltkreis gearbeitet wird. Die Bezugszeichen sind so weitgehend wie möglich beibehalten worden. Bei dieser Schaltung gilt voraussetzend U ₂ »U ₁, C ₁ » C ₂. Zusätzlich mit Fig. 4 wird der Kommutierungsvorgang nunmehr beschrieben.

Der Kommutierungsvorgang wird durch Zünden des GTO-Thyristors V 2 zum Zeitpunkt t ₁ eingeleitet. Damit steigt der Strom i _V2 an und entlädt dabei den Kondensator C 2. Die Spannungsquelle U ₂ und die Kapazität des Kondensators C ₂ sind so bemessen, daß der maximal zu kommutierende Strom I ₀ während der Entladung des Kondensators C 2 bis auf die Spannung U ₁ erreicht wird. Zum Zeitpunkt t ₂ hat der Strom i _V2 den Wert I ₀ erreicht und der Kondensator C 2 wird linear durch den mit konstanter Höhe I ₀ weiterfließenden Strom i _V2 entladen. Zum Zeitpunkt t ₃ ist der Kondensator C 2 auf den Spannungswert U ₁ entladen worden. Bei Vernachlässigung des Spannungsabfalles an der Sperrdiode V 3 wird nun der Kondensator C 1 dem Kondensator C 2 parallelgeschaltet. Der Stromblock während des Zeitraumes t ₄-t ₃ wird - da C ₁ » C ₂ - überwiegend über den Kondensator C 1 fließen. Zum Zeitpunkt t ₄, am Ende der Schonzeit, wird der Strom im Löschkreis durch den abschaltbaren Halbleiter V 2 unterbrochen und kommutiert in einen hier nicht dargestellten Freilaufkreis. Der untere Verlauf in Fig. 4 zeigt die Leistung, die den Kondensatoren C ₁ und C ₂ entnommen wird. Die gestrichelte Kurve stellt zum Vergleich den Leistungsverlauf aus Fig. 2 dar.

Nach der Erfindung ergibt sich bei gleichem Wert für den Strom I ₀ eine Verminderung der mittleren Nachladeleistung um etwa 50% und eine Verkürzung der Einschaltdauer t ₁ bis t ₄ um etwa 28%.

Fig. 5 zeigt eine Schaltungsvariante, die für den Einsatz von rückwärts nicht sperrenden Thyristoren (ASCR) geeignet ist. Die Dioden V ₅ bis V _n haben dabei die Aufgabe, zu hohe negative Sperrspannung am Thyristor V 1 zu unterdrücken. Die Nachladespannung U ₁ muß hierbei kleiner als die Summe der Durchlaßspannungen der Dioden V ₅ bis V _n sein. Im übrigen sind funktionell zu Fig. 3 keine wesentlichen Unterschiede.

Fig. 6 stellt eine weitere Möglichkeit dar, den Abschaltzweig mit zwei Spannungsquellen U ₁, U ₂ aufzubauen. Die beiden Kondensatoren C ₁ und C ₂ sind hier in Reihe geschaltet. Auch hier sind die Voraussetzungen zu erfüllen: U ₂ » U ₁ und C ₁ » C ₂. Zu Beginn des Kommutierungsvorganges wird Kondensator C ₂ entladen bis die Diode V 4 leitend wird und den Strom übernimmt. Dann ist nur noch wie in den vorher betrachteten Schaltungen die niedrigere Spannung U ₁ wirksam.

Die Vorteile der Erfindung liegen in geringerer Nachladeleistung und dadurch Verminderung der Kosten und des Volumens. Weiterhin ergeben sich kürzere Einschaltzeiten für den Kommutierungskreis und damit wird eine Vergrößerung des Stellbereiches erreicht.

Eine weitere Verringerung der Nachladeleistung kann man durch den Einsatz von Thyristoren mit kürzeren Freiwerdezeiten erzielen. Rückwärts nicht sperrende und rückwärts leitende Thyristoren haben wesentlich kürzere Freiwerdezeiten als rückwärts sperrende Thyristoren. Der Einsatz derartiger schneller Thyristoren ist mit der neuen Schaltung vergleichlich Fig. 5 ebenfalls möglich geworden, da während der Schonzeit nur eine sehr geringe negative Sperrspannung am Thyristor anliegt. Somit können auch die Vorteile schneller, asymmetrischer Thyristoren voll genutzt werden.

Claims

1. Anordnung zum zwangsweisen Löschen eines Thyristors (V 1) mittels eines Kommutierungskreises, der aus einem dem zu löschenden Thyristor gleichsinnig parallel geschalteten, abschaltbaren Halbleiter (V 2) mit einem in Reihe liegenden, aus einer über eine Drossel (L 2) entkoppelten separaten 1. Spannungsquelle (U 2) nachladbaren Löschkondensator (C 2) für die Kommutierungsspannung besteht, bei der der durch die Kommutierungsspannung über den abschaltbaren Halbleiter erzwungene Strom den Thyristor löscht und negative Sperrspannung während der Schonzeit - bis zum Abschalten des Stromes im abschaltbaren Halbleiter - am Thyristor anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungskreis aus zwei einander ablösenden Kondensatorstufen gebildet ist, von denen der besagte Löschkondensator (C 2) mit der 1. Spannungsquelle (U 2) als Hauptstufe (II) ein höheres Spannungsniveau und ein Zusatzkondensator (C 1), der entkoppelt aus einer separaten 2. Spannungsquelle (U 1) nachladbar ist, als Zusatzstufe (I) ein niedrigeres Spannungsniveau aufweist und der Hauptstufe (II) unterlagert ist, wobei die Hauptstufe (II) für eine schnelle Stromübernahme in den Löschkreis und die Zusatzstufe (I) für eine verminderte negative Sperrspannung vorgesehen ist und daß dabei die folgenden Bedingungen gelten: U 2»U 1 und C 1»C 2.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzkondensator (C 1) in Reihe mit einer einen Ladungsausgleich verhindernden Sperrdiode (V 3) dem Löschkondensator (C 2) parallelgeschaltet ist. (Fig. 3)

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Löschkondensator (C 2) mit dem Zusatzkondensator (C 1) in Reihe liegt, wobei dem Löschkondensator (C 2) eine Diode (V 4) parallelgeschaltet ist. (Fig. 6)

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrdioden (V 3 bzw. V 4) die gleiche Durchlaßrichtung aufweisen, wie der abschaltbare Halbleiter (V 2). (Fig. 3 und 6)

5. Anordnung nach den Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquellen (U 2, U 1) parallelgeschaltet sind, wobei die 1. Spannungsquelle (U 2) am Löschkondensator (C 2) und die 2. Spannungsquelle (U 1) am Zusatzkondensator (C 1) anliegt. (Fig. 3)

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquellen (U 2, U 1) parallelgeschaltet sind, wobei die 2. Spannungsquelle (U 1) am Zusatzkondensator (C 1) anliegt und am Löschkondensator (C 2) die Spannungsdifferenz der beiden Spannungsquellen (U 2-U 1) wirksam wird. (Fig. 6)

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für einen rückwärts nicht sperrenden Thyristor, dadurch gekennzeichnet, daß dem Thyristor (V 1) eine Diodenkette (V 5 . . . Vn) antiparallel geschaltet ist, wobei die Summe der Durchlaßspannungen der Diodenkette (V 5 . . . Vn) größer ist als die Spannung der niedrigeren Spannungsquelle (U 1). (Fig. 5)