DE3702617A1

DE3702617A1 - Schaltungsanordnung zum schutz mindestens eines thyristors

Info

Publication number: DE3702617A1
Application number: DE19873702617
Authority: DE
Inventors: Werner Boesterling
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 1986-07-03
Filing date: 1987-01-29
Publication date: 1988-01-21
Also published as: DE3702617C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz mindestens eines Thyristors, der in Reihe mit einem Verbraucher an Spannung gelegt ist und dessen Steuerelektrode an eine Zündspannungsquelle angeschlossen ist, wobei ein Löschkreis für den Thyristor vorgesehen ist.

Thyristoren müssen gegen zu hohe Ströme und Spannung sowie gegen Störimpulse im Steuerkreis zuverlässig geschützt werden.

In einigen Anwendungsfällen ist der Einsatz von zusätzlichen linearen Induktivitäten oder die Verwendung von sättigbaren Induktivitäten erforderlich, damit beim Ein- und Ausschalten von Thyristoren die auftretende Beanspruchung mit Strom und Spannung in erforderlichen Grenzen verläuft. Diese Induktivitäten sind im Hauptkreis des Thyristors, d. h. in demjenigen Kreis angeordnet, in dem der Thyristor in Reihe mit einem Verbraucher geschaltet ist.

Wenn im Hauptkreis nur eine geringe Induktivität vorhanden ist, kann beim Einschalten des Thyristors eine zu hohe Steilheit des Durchlaßstroms auftreten. Um eine Zerstörung zu vermeiden, ist das Einfügen zusätzlicher Induktivitäten notwendig, die ein Herabsetzen der Einschaltstrombeanspruchung bewirken.

Die Induktivitäten reduzieren zugleich die Einschaltverlustleistung. Bei Verwendung einer linearen Induktivität wird während des Stromanstiegs die Stromdichte im sich ausbreitenden Siliziumquerschnitt herabgesetzt. Bei einer sättigbaren Induktivität, die z. B. aus Ringkernen mit rechteckförmiger Hystereseschleife bestehen kann, tritt der Stromanstieg erst nach einer Stufenzeit "t _St" auf, wenn schon eine größere Fläche der Siliziumscheibe an der Stromführung beteiligt ist. Der zugeordnete Stufenstrom "i _St" sollte am Anfang der Stufenzeit etwa dem höchstzulässigen periodischen Einschaltstrom bei nicht begrenzter Stromsteilheit entsprechen. Beim Ausschalten mit Umschwinglöschung wirkt sich die Verwendung von Induktivitäten im Hauptkreis immer günstig auf den Sperrverzögerungsstrom des Thyristors und dadurch auch auf die Ausschaltverlustleistung aus.

Eine lineare Induktivität läßt jedoch als Nachteil eine deutlich überschwingende Rückwärts-Sperrspannung zu Beginn des Ausschaltvorgangs entstehen. Von einer sättigbaren Induktivität wird diese Überspannung gedämpft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Gattung zum Schutz des Thyristors derart weiterzuentwickeln, daß eine verlustarme Löschung auch dann möglich ist, wenn der Thyristor und eine antiparallele Diode im Hauptkreis angeordnet sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen lösen. Das Trägheitsverhalten der Diode beeinflußt bei der im Anspruch 1 angegebenen Schaltung die erst am Ende des Ausschaltvorgangs in Vorwärtsrichtung entstehenden Überspannung, die durch eine sättigbare Induktivität herabgesetzt werden, die für diesen Zweck in den gemeinsamen Zweig von Haupt- und Löschkreis gelegt ist. Zugleich wird dadurch auch die an der Diode auftretende Ausschaltverlustleistung wesentlich herabgesetzt, was bei hoher Wiederholfrequenz, wie sie bei Stromrichtern vorkommt, vorteilhaft ist. Es ist günstig, wenn eine weitere sättigbare Induktivität im Hauptkreis des Thyristors außerhalb des Löschkreises angeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist die Induktivität vor dem anodenseitigen Abzweig des Löschkreises angeordnet.

Zur Reduzierung des Einschaltstromes ist die in den Hauptkreis eingefügte sättigbare Induktivität so anzuordnen, daß sie nicht mit dem Strom des Löschkreises beansprucht wird. Anderenfalls würde der ausnutzbare Induktionshub dieser Induktivität schon zu einem beträchtlichen Teil von dem Sperrverzögerungsstrom der Diode aufgezehrt, denn der Ausschaltvorgang ist bei einer "Schwingkreislöschung" anders als im Fall einer "Umschwinglöschung".

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 bis 6 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer bekannten Thyristorschaltung mit einem Stützkondensator und einer zusätzlichen Induktivität,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm des Verlaufs von relativen Strömen nach dem Einschalten des Thyristors,

Fig. 3 ein Schaltbild einer der Anordnung gemäß Fig. 1 entsprechenden Thyristorschaltung mit einem Löschkreis (Umschwinglöschung),

Fig. 4 ein Zeitdiagramm der Ströme und Spannung beim Ausschalten der in Fig. 3 dargestellten Anordnung,

Fig. 5 ein Schaltbild einer weiteren Thyristorschaltung mit antiparalleler Diode und mit einem Löschkreis (Schwingkreislöschung),

Fig. 6 ein Zeitdiagramm der Ströme und Spannungen beim Ausschalten der in Fig. 5 dargestellten Anordnung,

Fig. 7 ein Schaltbild einer zusätzlichen Thyristorschaltung mit antiparalleler Diode und mit einem Löschkreis,

Fig. 8 eine schematische Seitenansicht einer sättigbaren Induktivität.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist ein aus einer Induktivität L und einem Widerstand R bestehender Verbraucher in Reihe mit einer zusätzlichen Induktivität L _Z und einem Thyristor T an eine Betriebsspannung gelegt, an die auch ein Kondensator C angeschlossen ist.

In Fig. 2 ist mit a die Grenze des Einschaltstromverlaufs, mit b der Stromanstiegsverlauf bei der Induktivität L _Z = 0 mit c der Stromanstiegsverlauf bei linearer Induktivität und mit d der Stromanstiegsverlauf bei sättigbarer Induktivität bezeichnet. Der Strom i _TSt ist der Strom zu Beginn der Stufenzeit t _ST bei sättigbarer Drossel. Der kritische Einschaltstrom ist di _T/dt _Krit, wobei i _TM der zugehörige Strom ist.

Es gilt für die vier Ströme a, b, c und d:

a Grenze des Einschaltstromverlaufs (di _T/dt _o mit zugehörigem i _TM ) für den Thyristor, b L _Z = 0: Unzulässig steiler Anstieg des Durchlaßstroms, c L _Z = linear: Auf zulässige Steilheit verringerter Anstieg des Durchlaßstroms, d L _Z = sättigbar: Auf zulässigen Verlauf verzögerter steiler Anstieg des Durchlaßstroms.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 3 sind der Verbraucher, die Induktivität L _Z und der Thyristor T in gleicher Weise wie bei Fig. 1 vorhanden. Parallel zu der Reihenschaltung von L _Z und T ist ein Löschkreis mit einer Induktivität L _K und einem Kondensator C _K vorgesehen. Die Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf von drei Strömen für den Fall, daß L _{Z = 0}, L _Z = linear und L _Z = sättigbar ist. Die diesen Strömen entsprechenden Spannungen sind ebenfalls dargestellt. Zu Beginn der Löschung ist der Strom i _TM vorhanden. Die Rückstromspitze ist mit i _RRM bezeichnet. Der Stufenstrom ist i _RSt. Die Rückwärts-Sperrspannung ist mit U _RM bezeichnet. U _c ist die im Kondensator C _K anstehende Spannung. Für die verschiedenen Werte von L _Z gilt nach dem Schließen des Schalters SK:

a)L _Z = 0: Hohe Rückstromspitze i _RRM, normale Überspannung u _RM, b)L _Z = linear. Geringe Rückstromspitze i _RRM, aber hohe Überspannung u _RM, c)L _Z = sättigbar: Sperrverzögerungsstrom ist auf Stufenstrom i _RSt begrenzt; geringe Überspannung u _RM.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Schaltung ist eine Diode D zum Thyristor T antiparallel geschaltet. Eine Induktivität L _ZH befindet sich im Hauptkreis, d. h. vor dem Abzweig zum Schalter S _K. Eine weitere Induktivität L _ZK ist zwischen der Kathode des Thyristors T und dem Abzweig zum Löschkreis mit dem Kondensator C _K der Induktivität L _K und dem Schalter S _K angeordnet. Der Thyristor T und die Diode D sind in den Löschkreis eingezogen. Die Induktivität L _ZK muß im Löschkreis liegen. Der Löschkreis gemäß Fig. 5 arbeitet nach Art eines Schwingkreises.

Es gilt nach dem Schließen des Schalters S _K für die in Fig. 6 dargestellten Ströme und Spannung bei L _ZK = 0 und L _ZK = sättigbar:

a)L _ZK = 0: Rückstromspitze je nach Eigenschaft der schnellen Diode; normale Überspannung u _DM, b)L _ZK = sättigbare: Sperrverzögerungsstrom ist auf Stufenstrom von L _ZK = begrenzt; geringe Überspannung u _DM

Im Falle a) sind die Ströme und Spannungen ausgezogen und im Falle b) gestrichelt in Fig. 6 eingezeichnet.

Die in Fig. 7 gezeigte Schaltungsanordnung stimmt bis auf die Anordnung der sättigbaren Drossel L _ZK mit dem Aufbau der Anordnung gemäß Fig. 5 überein. Gleiche Elemente sind in den Fig. 1 bis 7 mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

Die Drossel L _ZK ist gemäß Fig. 7 zwischen der Anode des Thyristors T und dem Abzweig des Löschzweigs angeordnet. Mit einem Anschluß 3 ist die Drossel L _ZK an die Anode des Thyristors T gelegt. Ein zweiter Anschluß 2 ist mit dem Schalter S _K und der weiteren sättigbaren Drossel L _ZH verbunden. Dieser Anschluß 2 ist den beiden Drosseln L _ZK und L _ZH gemeinsam. Die Drossel L _ZH ist noch mit einem weiteren Anschluß 1 an die Last R angeschlossen.

Die beiden Drosseln L _ZK und L _ZH sind, wie aus Fig. 8 hervorgeht, als eine Einheit ausgebildet, die einen stabförmigen Stromleiter 4 aus unmagnetischem Material, z. B. Kupfer oder Messing enthält. Der Stromleiter 4 ist vorzugsweise ein Gewindezapfen. Auf dem Stromleiter sind konzentrisch zwei voneinander getrennte Gruppen von Ringen 5 bzw. 6 aus ferromagnetischem Material angeordnet. Die Ringe 5 bzw. 6 sind z. B. Ferrit-Ringe. Es kann sich auch um Ringbandkerne handeln. Die Ringe 5 sind auf dem Gewindezapfen zwischen zwei Muttern 7, 8 mit zwischengelegten Stützringen 9, 10 eingespannt. In gleicher Weise sind die Ringe 5, 6 zwischen zwei Muttern 11, 12 und Stützringen 13, 14 angeordnet. Die Ringe 5 bilden mit dem Stromleiter 4, den Muttern 7, 8 und den Stützringen 9, 10 die Drossel L _ZH. Die Drossel L _ZK wird von den Ringen 6 mit dem Stromleiter 4, den Muttern 11, 12 und den Stützringen 13, 14 gebildet.

Zwischen der Mutter 7 und dem Stützring 9 ist eine Anschlußfahne 15 eingespannt, bei der es sich um den Anschlup 1 der in Fig. 7 dargestellten Anordnung handelt. Zwischen den beiden Merkmalen 8, 11 ist eine Anschlußfahne 16 eingespannt, die den in Fig. 7 mit 2 bezeichneten Anschluß bildet. Zwischen der Mutter 12 und dem Stützring 13 ist eine Anschlußfahne 17 eingespannt, bei der es sich um den Anschluß 3 gemäß Fig. 7 handelt. Die in Fig. 8 dargestellte Einheit zeichnet sich durch ihren sehr einfachen Aufbau aus, wodurch sich die Einheit besonders wirtschaftlich herstellen läßt.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Schutz mindestens eines Thyristors, der in Reihe mit einem Verbraucher an eine Spannung gelegt ist und dessen Steuerelektrode an eine Zündspannungsquelle angeschlossen ist, wobei ein Löschkreis vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors (T) eine Diode (D) antiparallel geschaltet ist und daß in Reihe mit der Parallelschaltung des Thyristors (T) und der Diode (D) eine sättigbare Induktivität (L _ZK ) angeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere sättigbare Induktivität (L _ZH ) im Stromkreis außerhalb des Löschstromkreises angeordnet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sättigbare Induktivität der Kathode des Thyristors (T) nachgeschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sättigbare Induktivität (L _ZK ) zwischen der Kathode des Thyristors (T) und einem Abzweig zu einem Löschzweig angeordnet ist, der einen Kondensator (C _K ) in Reihe mit einer Induktivität (L _K ) und einem Schaltelement (S _K ) enthält und der parallel zu der Reihenschaltung aus Thyristor und sättigbarer Drossel (L _ZK ) gelegt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sättigbare Induktivität (L _ZK ) zwischen der Anode des Thyristors (T) und einem Abzweig zu einem Löschzweig angeordnet ist, der einen Kondensator (K) in mit einer Induktivität (L _K ) und einem Schaltelement (S _K ) enthält und der parallel an der Reihenschaltung aus Thyristor und sättigbarer Drossel (L _ZK ) gelegt ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sättigbare Induktivität (L _ZK ) und die weitere sättigbare Induktivität (L _ZH ) aus einem stabförmigen Stromleiter, der in seiner Mitte und an den beiden Enden jeweils ein Anschlußelement aufweist und zwischen den Anschlußelementen von ferromagnetischen Material umgeben ist, besteht und daß der mittlere Anschluß mit dem Löschzweig verbunden ist, während die Anschlüsse an den Enden jeweils mit der Anode des Thyristors (T) und mit einer Last verbunden sind.