DE3617185A1

DE3617185A1 - Anordnung zur steuerung von abschaltthyristoren, insbesondere hoeherer leistung

Info

Publication number: DE3617185A1
Application number: DE19863617185
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Mues
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Bombardier Transportation GmbH
Priority date: 1986-05-21
Filing date: 1986-05-21
Publication date: 1987-11-26
Also published as: DE3617185C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren, insbesondere höherer Leistung, wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art erfolgt die Übertragung der Zünd- und Löschimpulse und die Erzeugung von Dauergatestrom sowie negativer Vorspannung über getrennte Einzelwandler (DE-OS 34 18 657). Dabei werden für die Übertragung des Zündimpulses die Übertrager spezial angesteuert, um zu einer für die Zündung insbesondere von GTO-Thyristoren höherer Leistung notwendigen Impulsform zu gelangen.

Bekanntlich sind an die Zünd- und Löschimpulse bei größeren GTO-Thyristoren bestimmte Kriterien geknüpft. Es genügt nicht, nur zu wissen, daß mit einem positiven Steuerstrom i _G eingeschaltet und mit negativen Steuerstrom i _G abgeschaltet werden kann. Die Impulsform ist entscheidend. So muß mit definierter Steilheit und einer Stromüberhöhung bestimmter Dauer eingeschaltet werden. Während der Einschaltzeit des GTO-Thyristors soll der Steuerstrom i _G nicht auf Null zurückgehen, weil sonst ein undefinierter, halb leitender/halb sperrender Zustand auftreten kann, derinfolge der erhöhten Verlustleistung dem Thyristor gefährlich werden kann. Der Steuerstrom i _G muß deshalb solange gehalten werden, wie der Anodenstrom im GTO-Thyristor fließt, d. h. das kann beliebig lange dauern. Zum Abschalten muß dann der positive Steuerstrom i _G erst auf Null abgesenkt und dann ein negativer Gleichstrom- Löschimpuls gegeben werden, um den besagten Schwebezustand zu vermeiden. Darüberhinaus ist danach eine negative Vorspannung erforderlich, bis wieder neu gezündet wird. In der Fig. 1 ist der prinzipielle Verlauf des Steuerstroms dargestellt. Dabei schließt sich einem Zündimpuls A mit Stromüberhöhung, ein Dauergatestrom B an. Nach einem negativen Löschimpuls C folgt eine negative Vorspannung D (schraffiert) bis zum nächsten Zündimpuls A.

Die Anforderungen an die Steilheit des positiven Steuerstroms i _G sind bei GTO-Thyristoren, insbesondere im leistungsstarken Bereich, sehr hoch, so daß man mit den bekannten Lösungen an Grenzen stößt.

So kann z. B. zwar durch eine höhere Versorgungsspannung eine Verbesserung der Zündstromsteilheit erzielt werden, das bedeutet aber gleichzeitig einen höheren Aufwand und höhere Verluste in den Widerstandsbeschaltungen. Eine Vergrößerung der Zündstromsteilheit ist auch durch Verbesserungen an den Übertragern bezüglich der Streuinduktivität in Verbindung mit einer Verringerung der Leitungsinduktivitäten möglich, allerdings nur in begrenztem Umfang.

Insgesamt ist das jedoch noch nicht befriedigend, so daß sich die Aufgabe stellt, die Zündstromsteilheit weiter zu verbessern und das mit möglichst geringem Aufwand in einer einfachen Schaltung und ohne Erhöhung der Verluste.

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 eines schematischen Ausführungsbeispieles wird die Erfindung unter Verweis auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen erforderlichen Steuerstromverlauf für einen GTO-Thyristor

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild zur Ansteuerung eines GTO-Thyristors

Fig. 3 zugehörige Funktionsverläufe

Auf Fig. 1 wurde einleitend schon eingegangen.

Nach Fig. 2 sind zwei Spannungsquellen U 1 und U 2vorgesehen, einmal für positiven Steuerstrom (Zünden mit U 1) und einmal für negativen Steuerstrom (Löschen mit U 2). Beide Spannungsquellen liegen verschieden gepolt und parallel an der Gate/Kathodenstrecke des GTO-Thyristors V 2 und werden durch symbolische Schalter S 1 und S 2 geschaltet. Die in den meisten Fällen notwendige Potentialtrennung durch Übertrager ist hier nicht näher dargestellt, da sie für die weitere Erläuterung nicht notwendig ist. Sie kann längs der strichpunktierten Linie erfolgen.

Der positive Steuerstrom wird beim Einschalten von Schalter S 1zunächst über ein RC-Netzwerk geführt, das aus der Serienschaltung eines Widerstandes R 1 mit der Parallelschaltung eines Widerstandes R 2 mit einem Kondensator C 1 besteht und für die Impulsüberhöhung A und Impulsrückenbildung B ausschlaggebend ist. Anschließend gelangt der Strom über Ersatzinduktivitäten L 1 und L 2 an das Gate des GTO-Thyristors V 2. Dabei beinhaltet L 1 die Gesamtinduktivität im Ansteuerkreis mit den Leitungsinduktivitäten von der Spannungsquelle U 1 bis zu einem noch zu beschreibenden RCD-Netzwerk mit den Elementen V 1, R 3, C 2, einschließlich der Streuinduktivität eines dazwischen liegenden evtl. Zündübertragers. Das RCD-Netzwerk ist induktivitätsmäßig hierbei vernachlässigbar.

L 2 schließlich stellt die zusammengefaßte Ersatz-Leitungsinduktivität zwischen dem RCD-Netzwerk und dem GTO-Thyristor V 2 dar, wobei die Anschlußleitungen von V 2 mitberücksichtigt werden müssen. Das RCD-Netzwerk besteht aus der Reihenschaltung eines Kondensators C 2 mit der Parallelschaltung einer Diode V 1 und einem Widerstand R 3 und liegt zwischen den Induktivitäten L 1, L 2 parallel zur Gate/Kathodenstrecke des GTO-Thyristors V 2. Das RCD- Netzwerk sorgt in Verbindung mit der Spannungsquelle U 2 für die erstrebte Steigerung der Stromsteilheit di _G/dt.

Zur Funktion wird im folgenden auch auf Fig. 3 verwiesen. Fig. 3 zeigt die verschiedenen Verläufe von i ₁, i _G, U _GK und U 2 im Zeitbereich t ₀ bis t ₅. Voraussetzung ist, daß der Kondensator C 2 bereits auf die Spannung U _C2 = -U 2 aufgeladen ist und daß L 1 » L 2, was in den weitaus meisten Fällen gegeben ist.

Zeitabschnitt [t ₀, t ₁]

Wird der Schalter S 1 eingeschaltet (S 2 ist ausgeschaltet), beginnt der Strom i ₁ zu fließen, wobei seine Anfangssteilheit di _1/dt durch die im Vergleich zu L 2 relativ große L 1 und die Summe der Spannungen (U 1 + U 2) bestimmt wird. Der Verlauf ist erkennbar relativ flach. Die Stromüberhöhung wird durch die Aufladung des Kondensators C 1 des RC-Netzwerkes erbracht. Zum Zeitpunkt t ₁ ist der Kondensator C 2 soweit auf- und umgeladen, daß die Spannung U _GK positiv und die Gate/Kathodenstrecke leitend wird.

Zeitabschnitt [t ₁, t ₂]

Da die Spannung am Kondensator C 2 wegen der leitenden Diode V ₁ und der leitenden Gate/Kathoden-Strecke nicht weiter steigen kann, muß der Strom i ₁ in den Gatekreis des GTO-Thyristors V 2 kommutieren. Dieses kann mit wesentlich größerer Steilheit (di _G/dt » di _1/dt) geschehen, da die Induktivität L 2 deutlich kleiner ist als L 1 und die Induktivität L 1 an diesem Vorgang nicht mehr beteiligt ist. C 2 und L 2 bilden einen vom niederohmigen Widerstand R 3 bedämpften Einschaltschwingkreis. Zum Zeitpunkt t ₂ ist der Kommutierungsvorgang praktisch abgeschlossen.

Zeitabschnitt [t ₂, t ₃]

Der Strom i _c im Kondensator C 2 ist zu Null geworden und der Gatestrom i _G wird nur noch durch das RC-Netzwerk R 1, C 1, R 2 und die Spannung U 1 bestimmt.

Zeitabschnitt [t ₃-t ₅]

Dieser Zeitabschnitt zeigt den Abschaltvorgang des GTO-Thyristors V 2. Der Schalter S 1 wird geöffnet und der Schalter S 2 geschlossen. i ₁ geht damit zu Null und der Gatestrom i _G verläuft in den Negativbereich. Der Kondensator C 2 wird wieder für einen Einschaltvorgang auf U _C2 = -U 2 aufgeladen.

Durch die Erfindung kann die Zündstromsteilheit wesentlich gesteigert werden. Die sich ergebende Verzögerung des Zündimpulses (t ₀ - t ₁) ist von untergeordneter Bedeutung und kann durch geeignete Dimensionierung des Kondensators C 2 für die meisten Anwendungen genügend klein gehalten werden.

Claims

1. Anordnung zur Steuerung von Abschaltthyristoren insbesondere höherer Leistung, bei der schaltergesteuert ein positiver Gatestrom für das Einschalten und ein negativer Gatestrom für das Ausschalten von gesonderten Spannungsquellen bereitgestellt wird, wobei über eine Zündimpulsformung eine anfängliche Zündimpulsüberhöhung mit nachfolgendem Zündimpulsrücken erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Erhöhung der durch Schaltkreisinduktivitäten begrenzten Zündstromsteilheit (di _G/dt) ein RCD-Netzwert (R 3, C 2, V 1) vorgesehen ist, das parallel an der Gate-Kathodenstrecke des GTO-Thyristors (V 2) liegt und aus der Reihenschaltung eines Kondensators (C 2) mit der Parallelschaltung eines Widerstandes (R 3) und einer Diode (V 1) besteht, wobei der Kondensator (C 2) im Einschaltaugenblick negativ vorgeladen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreisinduktivitäten in eine spannungsquellenseitige Ersatzinduktivität (L 1) und eine GTO-thyristorseitige Ersatzinduktivität (L 2) aufteilbar ist, zwischen denen das RCD-Netzwerk (R 3, C 2, V 1) liegt, wobei die spannungsquellenseitige Ersatzinduktivität (L 1) die Gesamtinduktivität des Ansteuerkreises von der Spannungsquelle (U 1) bis zum RCD-Netzwerk einschließlich der Streuinduktivität eines dazwischenliegenden evtl. Zündübertragers und die GTO-thyristorseitige Ersatzinduktivität (L 2) die Leitungsinduktivität vom RCD-Netzwerk bis zum GTO-Thyristor (V 2) beinhaltet und daß zwischen den Ersatzinduktivitäten (L 1 und L 2) folgende Bedingung besteht: L 1 » L 2

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der über die Schaltkreisinduktivität (L 1) aufgeladene Kondensator (C 2) des RCD-Netzwerkes (R 3, C 2, V 1) mit der Schaltkreisinduktivität (L 2) einen Schwingkreis bildet, der sich über die Gate/Kathodenstrecke des GTO-Thyristors (V 2) entlädt.