DE69637169T2

DE69637169T2 - Elektrischer leistungswandler

Info

Publication number: DE69637169T2
Application number: DE69637169T
Authority: DE
Inventors: Sumio Kobayashi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-08-18
Filing date: 1996-08-19
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2016-08-20
Also published as: EP0789445B1; JPH0956149A; JP2854821B2; CN1042183C; WO1997007588A1; CN1161114A; EP0789445A1; EP0789445A4; US5852556A; DE69637169D1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf einen Leistungswandler zum Umwandeln eines Wechselstroms in einen Gleichstrom oder umgekehrt.
Hintergrund der Technik
2 zeigt einen herkömmlichen Leistungswandler mit einem Thyristorventil und einem Controller zum Steuern des Thyristorventils. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst das Thyristorventil eine Mehrzahl von lichtausgelösten Thyristoren (hier nachstehend als „Thyristor" bezeichnet), die in Reihe geschaltet sind. Und der Thyristor wird als ein Schaltelement verwendet, das einem elektrischen Strom ermöglicht, nur in einer Richtung zu fließen. Um die an die Thyristoren des Thyristorventils angelegten Spannungen anzugleichen, ist ein Spannungsteiler parallel mit jedem Thyristor geschaltet. Der Spannungsteiler ist eine serielle Schaltung, die aus einem Kondensator C und einem Widerstand R besteht. Zwei Recktanzen (reactors) L sind an den Enden der seriellen Schaltung des Thyristors LTT verbunden.
Sie steuern den in jeden Thyristor LTT fließenden Strom. Die Recktanzen L vermindern außerdem die ansteigende Kurve einer Stoßspannung VS, die von außerhalb der Thyristoren LTTs angelegt wird, wenn die Stoßspannung VS an den Thyristor LTT angelegt wird.
Jeder Thyristor LTT ist mit lichtemittierenden Dioden LEDF und LEDR parallel geschaltet. Die Diode LEDF emittiert Licht, wenn eine Vorwärtsvorspannung an den Thyristor LTT angelegt wird, und die Diode LEDR emittiert Licht, wenn eine Rückwärtsspannung an den Thyristor LTT angelegt wird. Die in die lichtemittierenden Dioden LEDF und LEDR fließenden Ströme werden durch einen Widerstand RD gesteuert. Die von der LEDF und LEDR emittierten Lichtstrahlen werden durch Lichtleiter LGs an einen Impulsgenerator PG übertragen, der auf einem Massepotential eingestellt ist.
Der Impulsgenerator PG umfasst einen lichtelektrischen Wandler LEC zum Umwandeln der von den lichtemittierenden Dioden LEDF und LEDR übertragenen Lichtsignale in ein Vorwärtsspannungssignal FV und ein Rückwärtsspannungssignal RV. Das Vorwärtsspannungssignal FV und das Rückwärtsspannungssignal RV werden verwendet, um ein Timing zu bestimmen, wenn der Impulsgenerator einen Impuls erzeugt, um das Gate des Thyristors LTT zu steuern.
Der Impulsgenerator PG umfasst seriell geschaltete lichtemittierende Dioden LEDs in der gleichen Anzahl wie die Thyristoren LLTs. Die serielle Schaltung der lichtemittierenden Dioden LEDs ist mit einer Leistungsquelle E durch ein Schaltelement S1 und eine Impedanz Z1 in Reihe geschaltet.
Bei Einschalten der Schalteinrichtung S1 fließt ein Strom I1 an die mit der Schalteinrichtung S1 in Reihe geschalteten LEDs, wodurch jede der LEDs gleichzeitig Licht emittieren. Jedes von den lichtemittierenden Dioden LEDs emittierte Licht wird an eines der Gates der Thyristoren LTTs durch die Lichtleiter LGs angelegt. Kurz gesagt können, wenn die Schalteinrichtung S1 eingeschaltet wird, die seriell geschalteten Thyristoren LTTs gleichzeitig eingeschaltet werden. LG1 ist eine Logikschaltung zum Steuern der Schalteinrichtung S1, AMP1 ist ein Verstärker zum Ausgeben eines AN/AUSSignals zum Ein- und Ausschalten der Schalteinrichtung S1 bei Empfang der Ausgabe der Logikschaltung LG1.
Das Thyristorventil umfasst einen Ableiter Ar. Der Ableiter Ar steuert den Pegel einer Stoßspannung VS, die extern angelegt wird, um mit der Stehspannung des Thyristors LTT zusammen zu arbeiten (VDRM abgekürzt).
3 zeigt ein Timing-Diagramm, das die Beziehung zwischen den Signalverläufen von Spannung und Strömen und dem Gate-Impuls darstellt. 3 dient dazu, die Merkmale der Erfindung zu erläutern, wobei sie jedoch hier zum Erläutern des Standes der Technik verwendet wird. Das Timing-Diagramm zeigt die Signalverläufe mit den Thyristorventilen von 2, die in einem dreiphasigen System überbrückt und als ein Inverter betrieben werden.
AA beschreibt die Spannung zwischen den Anschlüssen der Thyristoren LTTs, und IT beschreibt einen Thyristorventilstrom. BB beschreibt eine Übergangs-Stehspannung bzw. transiente Stehspannung während der Zeitspanne zwischen der Zeit, wenn der Thyristorventilstrom IT unterbrochen ist, und der Zeit, wenn die Vorwärtsstehspannung BB den Nennwert VDRM erreicht.
Die Thyristoren LTTs werden in einer Rückwärtsspannungs-Zeitspanne T1 zwischen der Zeit, wenn der Thyristorventilstrom IT unterbrochen ist, und der Zeit, wenn die Spannung AA die Vorwärtsspannung wiederherstellt, abgeschaltet. Im Allgemeinen wird die Rückwärtsspannungs-Zeitspanne T1 auf einen Wert eingestellt, der gleich der Summe der Abschaltzeit der Thyristoren LTTs und einer zusätzlichen Zeit ist. Nachdem die Thyristoren LTTs abgeschaltet sind, beginnt sich die Vorwärtsstehspannung BB der Thyristoren LTTs wiederherzustellen.
Um die Vorwärtsstehspannung der Thyristoren LTTs vollständig wiederherzustellen, sodass die Thyristoren LTTs einer externen Spannung widerstehen können, die gleich dem Nennwert VDRM ist, ist eine vorbestimmte Zeitspanne TFP erforderlich. Bei einem Normalbetrieb bleibt die Übergangs-Stehspannung BB der Thyristoren niedriger als AA, wobei AA > BB ist, und kein Problem wird auftreten.
Wenn jedoch eine Überspannung, die höher als die Übergangs-Stehspannung BB ist, an die Thyristoren LTTs während der vorbestimmten Zeitspanne TFP angelegt wird, können die Thyristoren LTTs nicht der Überspannung widerstehen und können ausfallen.
PHS beschreibt ein Gate-Impulsanweisungssignal, das von einem Controller (nicht gezeigt) in die Logikschaltung LG1 des Impulsgenerators PG eingegeben wird. Die Logikschaltung LG1 schaltet die Schalteinrichtung S1 ein, wenn die UND-Bedingung des Gate-Impulsanweisungssignals PHS und des Vorwärtsspannungssignals FV erfüllt ist.
Wie in 3 gezeigt ist, wird die UND-Bedingung des Gate-Impulsanweisungssignals PHS und des Vorwärtsspannungssignal FV zur Zeit t₀ erfüllt, und dann fließt der Strom I1. Die mit dem Strom I1 versorgten lichtemittierenden Dioden LEDs emittieren die Lichtstrahlen. Die Lichtstrahlen werden an die Gates der Thyristoren LTTs gleichzeitig angelegt. Und wenn die Thyristoren LTTs dadurch eingeschaltet werden, fließt der Thyristorventilstrom IT.
Falls die Stoßspannung VS1 größer als die Übergangs-Stehspannung BB ist und falls die Stoßspannung VS1 an die Thyristoren LTTs während der Zeitspanne T1 angelegt wird, die von der Zeit beginnt, können, wenn der Strom IT abgeschaltet wird, die Thyristoren LTTs nicht der Überspannung widerstehen und sie können ausfallen.
Beim Stand der Technik wird, um das Thyristorventil zu schützen, wenn die Stoßspannung VS1 an die Thyristoren LTTs während der Zeitspanne T1 angelegt wird, der UND-Zustand des Gate-Impulsanweisungssignals PHS und des Vorwärtsspannungssignals FV zur Zeit t1 erfüllt, wenn die Stoßspannung VS1 erzeugt wird, und der Strom I1 fließt zu dem Schaltelement S1. Genauer gesagt werden, sodass alle lichtemittierenden Dioden LEDs die Lichtstrahlen gleichzeitig emittieren und die Schutz-Gate-Leistung an alle Thyristoren LTTS geliefert wird, alle Thyristoren LTTS eingeschaltet. Wenn jedoch die Stoßspannung VS2 während einer Zeitspanne T2 erzeugt wird, können die Thyristoren LTTS nicht durch die Schutz-Gate-Leistung eingeschaltet werden. Es ist aus dem nachstehend beschriebenen Grund sehr problematisch, die Schutz-Gate-Leistung an die Thyristoren LTTS während einer Zeitspanne T2 zu liefern. In der Praxis sind die aktuell verteilten Einrichtungen nicht ausgestaltet, um diesen Vorgang durchzuführen.
Während einer Zeitspanne T2 wird die Klemmenspannung (eine Thyristorspannung) AA, die an die Thyristoren LTTS angelegt wird, als eine Vorwärtsspannung eingestellt. Demgemäß wird, wenn die Gate-Leistung an dem Thyristor LTT während einer Zeitspannung T2 angelegt wird, der Thyristor eingeschaltet, und der Normalbetrieb kann nicht durchgeführt werden.
Um die Thyristoren LTT gegen die Stoßspannung VS2 zu schützen, ist es erforderlich, die Schutz-Gate-Leistung in alle Thyristoren LTTS basierend darauf einzugeben, dass die folgende Bedingung erfüllt ist: VS2 > AA + ΔAA,wobei VS2 eine Stoßspannung und ΔAA eine Überschussspannung ist.
Zu dieser Zeit können die Thyristoren LTTs nicht geschützt werden, es sei denn, dass die ΔAA eingestellt wird, um die Bedingung AA + ΔAA < BB zu erfüllen (BB ist die Übergangs-Stehspannung der Thyristoren LTTs). Die Übergangs-Stehspannung BB verändert sich in Übereinstimmung mit der Eigenschaft der jeweiligen Thyristoren LTTS. Es ist daher für jeweilige Thyristoren LTTS notwendig, ein Bestimmungsmittel zum Bestimmen anzuordnen, ob die Schutz-Gate-Leistung eingegeben werden sollte oder nicht. Insbesondere ist bei Licht-direkt-ausgelösten Thyristoren der Impulsgenerator PG, der auf der Massepotentialseite angeordnet ist, direkt mit den Gates der Thyristoren, die auf der Hochpotentialseite angeordnet sind, durch die Lichtleiter LGs verbunden. Somit müssen elektronische Schaltungen nicht an dem Gate-Abschnitt der Thyristoren bereitgestellt werden, die auf der Hochpotentialseite angeordnet sind. Kurz gesagt ist das Thyristorventil bei der einfachen Struktur und hohen Zuverlässigkeit aufgrund dieses Aufbaus vorteilhaft, die keine elektronischen Schaltungen bereitstellt. Demgemäß wird, wenn der Thyristor eine komplizierte Schutzkomponente oder Schaltung aufweist, er scheitern, den Vorteil der Lichtdirekt-ausgelösten Thyristoren zu erlangen. Es wurde vergeblich versucht, einen Thyristor auszugestalten, der sich selbst gegen die Vorwärtsspannung schützen kann, die extern an die Thyristoren während der Zeitspanne T2 angelegt wird.
Während einer Zeitspanne T3 stellt die Vorwärtsstehspannung der Thyristoren LTTs den Nennwert von VDRM wieder her. Somit müssen die Thyristoren keine Schutzkomponente oder Schaltung aufweisen, wenn die Vorwärtsstehspannung mit dem Schutzpegel des Ableiters Ar zusammen arbeitet. Es ist somit in der Praxis sehr schwierig, den Licht-direkt-ausgelösten Thyristor gegen die Vorwärtsspannung zu schützen, die extern an die Thyristoren während der Zeitspanne T2 angelegt wird.
Die Vorwärtsspannung, die höher als die Vorwärtsstehspannung ist, kann an den Thyristor während der transienten Zeitspanne zwischen der Zeit, wenn der durch die Thyristoren LTTS erzeugte Thyristorventilstrom unterbrochen ist, und der Zeit, wenn die Vorwärtsstehspannung den Nennwert wiederherstellt, angelegt werden. In diesem Fall können die Thyristoren LTTs nicht der angelegten Spannung widerstehen und werden erneut eingeschaltet. Dieses Phänomen kann erläutert werden, wie nachstehend beschrieben ist.
Sogar wenn die Thyristoren abgeschaltet sind, werden Träger in dem Sperrschichtabschnitt jeder der Thyristoren übrig gelassen. Die verbleibenden Träger rekombinieren mit Löchern, wobei sie allmählich verschwinden. Die Vorwärtsstehspannung des Thyristors ist im umgekehrten Verhältnis zu der Menge der verbleibenden Träger. Sobald alle verbleibenden Träger verschwunden sind, kann der Thyristor der Spannung widerstehen, die gleich der Nennstehspannung ist. Die verbleibenden Träger werden zufällig in einer Sperrschichtfläche verteilt. Wenn die Überspannung an den Thyristor angelegt wird, wird der Thyristor, zuerst an dem Abschnitt mit der niedrigsten Stehspannung (d.h. dem Abschnitt, bei dem die meisten verbleibenden Träger existieren) eingeschaltet. Zu dieser Zeit wird der Thyristor lediglich an dem leitenden Abschnitt erwärmt, der zuerst eingeschaltet wird, und kann ausfallen, wenn keine ausreichende Menge der Träger, um den gesamten Teil des Thyristors dazu zu bringen, einzuschalten, danach geliefert wird.
Die EP 0639885 A offenbart ein Schutzsystem für ein Thyristorventil das aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Thyristoren zusammengesetzt ist. Das Schutzsystem umfasst eine Vorwärtsspannungserfassungsschaltung zum Erzeugen eines Vorwärtsspannungssignals, eine erste Rückwärtsspannungserfassungsschaltung zum Erfassen, dass eine Rückwärtsspannung über einen ersten Rückwärtsspannungspegel hinaus an den Thyristor angelegt wird, um ein erstes Rückwärtsspannungssignal zu erzeugen, und eine zweite Rückwärtsspannungserfassungsschaltung zum Erfassen, dass eine Rückwärtsspannung über einen zweiten Rückwärtsspannungspegel hinaus, der größer als der erste Rückwärtsspannungspegel ist, an den Thyristor angelegt wird, um ein zweites Rückwärtsspannungssignal zu erzeugen. Das Schutzsystem umfasst ferner eine Schutzschaltung zum Erfassen einer ersten Zeitspanne, während, wenn das erste Rückwärtsspannungssignal ausgegeben wird, und einer zweiten Zeitspanne, während, wenn das erste Rückwärtsspannungssignal ausgegeben und das zweite Rückwärtsspannungssignal nicht ausgegeben wird, zum Addieren der ersten und zweiten Zeitspannen, um ein Additionssignal zu erzeugen, zum Erzeugen eines Entscheidungssignals, wenn das Additionssignal kleiner als ein zweiter vorbestimmter Wert ist, und zum Erzeugen eines Schutz-Gate-Impulses basierend auf dem Entscheidungssignal, wenn die Vorwärtsspannung an den Thyristor angelegt wird. Der Schutz-Gate-Impuls wird an alle Thyristoren angelegt.
Die EP 0458511 A2 offenbart einen Leistungswandler gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Gemäß diesem Stand der Technik bestimmen Spannungsdetektoren, ob die Vorwärtsspannung der Thyristoren über einen vorbestimmten Pegel angestiegen ist. Wenn eine derartige Überspannung während einer vorbestimmten Zeitspanne nach der Leitung des Thyristors auftritt, verhindert ein zwangsweises Auslösen des Thyristors Schaden an dem Thyristor. Wenn mehr als ein Thyristor benutzt wird, werden alle Thyristoren zwangsausgelöst.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen Leistungswandler zum Umwandeln von Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt bereitzustellen, ohne die Thyristoren LTTs zu beschädigen, sogar wenn an die Thyristoren LTTs eine Vorwärtsspannung, die die Stehspannung der Thyristoren überschreitet, während einer transienten Zeitspanne zwischen der Zeit, wenn der Thyristorventilstrom unterbrochen ist, und der Zeit, wenn die Vorwärtsstehspannung den Nennwert wiederherstellt, angelegt wird.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe durch einen Leistungswandler gemäß Anspruch 1 erreicht. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf unterschiedliche vorteilhafte Aspekte der Erfindung.
Der Wandler der Erfindung umfasst den Impulsgenerator, der in der Lage ist, die beiden unterschiedlichen Pegel von Gate-Leistungen auszugeben. Die Thyristoren LTTs werden durch die erste Gate-Leistung eingeschaltet, die von dem Impulsgenerator ausgegeben wird. Und die zweite Gate-Leistung wird weiterhin an die Thyristoren LTTs während der transienten Zeitspanne von der Zeit geliefert, wenn der Thyristorventilstrom unterbrochen wird, bis zu der Zeit, wenn die Stehspannung der Thyristoren LTTs auf den Nennwert wiederhergestellt wird. Die zweite Gate-Leistung wird auf den niedrigen Pegel eingestellt, durch den der Thyristor LTT nicht eingeschaltet wird, es sei denn, dass die zweite Gate-Leistung mit einer normalen Spannung angelegt wird. Durch Einstellen des Pegels der zweiten Gate-Leistung auf einen derartigen Pegel kann eine kleine Menge der Träger in dem Gate während der transienten Zeitspanne existieren, und der Teil mit dem niedrigsten Pegel der Vorwärtsstehspannung auf der Sperrschichtfläche arbeitet als ein Gate des Thyristors. Wenn an den Thyristor LTT, der wie oben aufgebaut ist, die Übervorwärtsvorspannung angelegt wird, schaltet der Thyristor LTT zuerst an dem Gate an. Da der Thyristor LTT zuerst an dem Gate anschaltet, wird die Menge von Trägern durch die Verstärkungsfunktion eines Gate-Stroms erhöht. Demgemäß wird der gesamte Teil des Thyristors sicher in den leitenden Zustand geändert, und der Thyristor LTT wird nicht beschädigt.
Wenn die zweite Gate-Leistung zu groß ist, schaltet der Thyristor LTT durch die normale eingeprägte Spannung an, und somit wird der Normalbetrieb der Einrichtung verhindert. Im Gegensatz dazu ist es schwierig, wenn die zweite Gate-Leistung zu klein ist, den Thyristor LTT gegen die Überspannung zu schützen. Daher ist es am wirksamsten, die zweite Gate-Leistung auf den Pegel von 1 bis 10% der minimalen Gate-Trägerleistung einzustellen.
Die Zeitspanne, in der die zweite Gate-Leistung geliefert wird, wird länger als die Abschaltzeitspanne des Thyristors LTT eingestellt. Durch Einstellen der zweiten Gate-Leistungsversorgungszeitspanne auf diese Art und Weise, kann die Nennvorwärtsstehspannung des Thyristors LTT sofort wiederhergestellt werden, nachdem die zweite Gate-Leistung abgeschaltet wird.
Nachdem der Thyristorventilstrom unterbrochen ist, wird die Rückwärtsspannung zwischen den Anschlüssen des Thyristors LTT erfasst, und die Zeitspanne, in der die zweite Gate-Leistung geliefert wird, wird von der Zeit der Erfassung eingestellt. Durch Einstellen der Zeitspanne, in der die zweite Gate-Leistung auf diese Art und Weise geliefert wird, kann die zweite Gate-Leistung zuverlässig in der Zeitspanne geliefert werden, in der die transiente Vorwärtsstehspannung des Thyristors wiederhergestellt wird.
Außerdem wird der Wandler der Erfindung mit zwei elektronischen Schaltern ausgestattet, um den in die Einrichtung fließenden Strom als eine Lichtquelle, wie beispielsweise eine lichtemittierende Diode, zum Liefern der Leistung an den Thyristor LTT zu steuern. Indem der erste Schalter eingeschaltet wird, wird die erste Gate-Leistung erzeugt, und die zweite Gate-Leistung wird durch Einschalten des zweiten Schalters erzeugt. Durch Erzeugen der ersten und zweiten Gate-Leistungen mit einer Lichtquelle auf diese Art und Weise kann das Thyristorventil mit einer einfachen Struktur und hoher Zuverlässigkeit erhalten werden.
Wenn eine Vorwärtsspannung an den Thyristor LTT der Erfindung im frühen Stadium (d.h. der Zeitspanne T1, die in 3 angegeben ist) der Wiederherstellungszeitspanne der Vorwärtsstehspannung des Thyristors angelegt wird, wird die erste Gate-Leistung intermittierend an den Thyristor ungeachtet des Pegels der angelegten Vorwärtsspannung geliefert. Demgemäß kann der Schutz des Thyristors weiter verbessert werden.
Dies ist so, weil im frühen Stadium (T1) der Wiederherstellungszeitspanne der Vorwärtsstehspannung des Thyristors eine große Menge der verbleibenden Träger existiert und die Stehspannung in dem Abschnitt verschieden von dem Gate niedrig ist. In diesem Zustand kann das AN-Phänomen ohne weiteres in dem von dem Gate verschiedenen Abschnitt auftreten. Es ist daher für den Thyristor sicherer mit der ersten Gate-Leistung versorgt zu werden, um sicherzustellen, dass das Gate zuerst einschaltet, sodass der von dem Gate verschiedene Abschnitt nicht einschaltet.
Die Wiederherstellungszeitspanne der Vorwärtsstehspannung des Thyristors hängt von dem Thyristorventilstrom und der Sperrschichttemperatur ab. Wenn die Menge des Thyristorventilstroms und die Sperrschichttemperatur ansteigt, wird die Wiederherstellungszeitspanne verlängert. Demgemäß kann, in dem die Schutzzeitspanne länger eingestellt wird, in der die zweite Gate-Leistung weiterhin eingegeben wird, das Thyristorventil erhalten werden, das den Schutz mit hoher Zuverlässigkeit aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm des Leistungswandlers der Erfindung, der einen Controller eines Thyristorventils umfasst.
2 ist ein Blockdiagramm des herkömmlichen Leistungswandlers.
3 ist ein Timing-Diagramm, das die Beziehung zwischen den Signalverläufen der Spannung und Ströme und einem Gate-Impuls während des Betriebs des Leistungswandlers der Erfindung zeigt.
Bester Modus zum Ausführen der Erfindung
Diese Erfindung kann vollständiger aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden.
1 zeigt den Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungswandlers. Die gleichen Bezugsziffern werden in 1 und 2 verwendet, um die Abschnitte mit den gleichen Funktionen zu kennzeichnen.
In 1 ist ein Impulsgenerator pg auf dem Massepotential angeordnet und liefert Licht-Gate-Impulse an einen Licht-direkt-ausgelösten Thyristor. Die serielle Schaltung von lichtemittierenden Dioden LEDs als Lichtquellen liefert die Licht-Gate-Leistung an die Thyristoren gemäß der Verbindung/Trennung einer Leistungsquelle E durch Schalteinrichtungen S1 und S2, um Ströme I1 bzw. I2 zu fließen zu lassen. Impedanzen Z1 und Z2 bestimmen die Werte der Ströme I1 bzw. I2. Logikschaltungen LG1 und LG2 betreiben die Schaltvorrichtungen S1 bzw. S2. Verstärker AMP1 und AMP2 verstärken die von den Logikschaltungen LG1 bzw. LG2 ausgegebenen Signale. Die Schaltvorrichtungen S1 und S2 werden durch die Ausgangssignale der Logikschaltung LG1 und LG2 getrieben.
Das Vorwärtsspannungssignal FV und das Rückwärtsspannungssignal RV zeigen, dass an den Thyristor LTT die Vorwärtsvorspannung bzw. Rückwärtsspannung angelegt ist. Ihre Signale FV und RV werden in die Logikschaltungen LG1 und LG2 eingegeben, um die Treiberbedingungen der Schalteinrichtungen S1 bzw. S2 zu bestimmen.
3 zeigt die Beziehung zwischen den Signalverläufen der Spannung und Ströme und dem Gate-Impuls als das Hauptmerkmal der Erfindung während des Betriebs des Leistungswandlers. Wenn der Thyristorventilstrom IT, der durch die Thyristoren LTTs fließt, unterbrochen wird und an die Thyristoren LTTs eine Rückwärtsspannung angelegt wird, emittieren lichtemittierende Dioden LEDs Licht. Demgemäß werden, wenn an die Thyristoren LTTs eine Rückwärtsspannung angelegt wird, die Rückwärtsspannungssignale RVs in die Logikschaltungen LG1 und LG2 über einen lichtelektrischen Wandler LEC eingegeben.
Bei der Logikschaltung LG2 wird, wie in 3 gezeigt ist, das Rückwärtsspannungssignal RV weiterhin eingegeben, bis ein Schutzzeitspannungsbestimmungssignal STEP ausgegeben wird. Das Schutzzeitspannungsbestimmungssignal STEP wird durch den Verstärker AMP2 verstärkt und schaltet die Schalteinrichtung S2 ein, um den Strom I2 zu den lichtemittierenden Einrichtungen LEDs fließen zu lassen. Der Strom I2 wird im Vergleich mit dem Strom I1 auf einen ziemlich niedrigen Pegel durch die Impedanz Z2 begrenzt, und somit kann ein gewünschter niedriger Pegel der Licht-Gate-Leistung an jeden der Thyristoren LTTs lediglich während einer Zeitspanne TFP geliefert werden.
In 3 zeigt CC, das durch eine gestrichelte Linie angegeben wird, einen Signalverlauf einer Vorwärtsstehspannung jeder der Thyristoren LTTs, wenn der Strom I2 an die lichtemittierenden Dioden LEDs und die zweite Gate-Leistung an die Thyristoren LTTS geliefert wird. Die Vorwärtsstehspannung CC wird niedriger als die Vorwärtsstehspannung BB, die die Stehspannung der Thyristoren LTTs ist, wenn die zweite Gate-Leistung nicht an die Thyristoren LTTs geliefert wird. Dies ist so, weil, wenn die niedrigere Gate-Leistung an die Thyristoren LTTs geliefert wird, der Pegel der Stehspannung an jedem der Gates abgesenkt wird.
Die Vorwärtsstehspannung CC der Thyristoren LTTs wird eingestellt, wenn die zweite Gate-Leistung an die Thyristoren LTTs geliefert wird, sodass jeder der Thyristoren LTTs zuerst an dem Gate eingeschaltet wird, wenn die externe Stoßspannung die Vorwärtsstehspannung CC überschreitet. Da das Gate des Thyristors LTT zuerst eingeschaltet wird, wird der Thyristor LTT nicht beschädigt. Demgemäß kann durch Einstellen des Werts des Stroms I2, um die Bedingung CC > AA + ΔAA zu erfüllen, der Normalbetrieb ohne irgendein Problem durchgeführt werden, der für die Anwesenheit des Stroms I2 irrelevant ist.
Die gleiche Wirkung kann sogar erzielt werden, wenn eine Verzögerungszeit TD eingefügt wird, nachdem der Strom IT auf 0 eingestellt ist, wie durch I2' angegeben ist. Dies ist so, weil eine ausreichende Menge von verbleibenden Trägern in sämtlichen Teilen jedes der Thyristoren während der Verzögerungszeit TD existiert. Somit werden die Thyristoren nicht beschädigt, sogar wenn der Thyristor während der Verzögerungszeit TD eingeschaltet wird.
Nachdem die Schutzzeitspanne TFP abgelaufen ist, wird der durch die Schalteinrichtung S2 fließende Strom I2 abgeschaltet. Demgemäß stellt die Vorwärtsstehspannung jedes der Thyristoren LTT schnell die Nennvorwärtsstehspannung VDMR wieder her.
Wenn beispielsweise die Stoßspannung VS2, die größer als die Vorwärtsstehspannung CC ist, an die Thyristoren LTTs zu einer Zeit T2 in der in 3 gezeigten Zeitspanne angelegt wird, während die Thyristoren LTTs zuerst an dem Gate durch den Strom I2 eingeschaltet wird. Demgemäß werden die Thyristoren LTTs nicht beschädigt.
Außerdem werden, genauso wie oben, die Thyristoren LTTs gegen die externe Stoßspannung geschützt, wenn die Stoßspannung VS1, die größer als die Vorwärtsstehspannung CC ist, an die Thyristoren LTTs zu der Zeit t1 in der Zeitspanne T1 angelegt wird. In diesem Fall können, indem die Schalteinrichtung S1 getrieben wird, den Strom I1 während der Zeitspanne T1 fließen zu lassen, wenn die UND-Bedingung des Gate-Impulsanweisungssignals PHS und das Vorwärtsspannungsignal FV erfüllt und die erste Gate-Leistung in die Thyristoren LTTs eingegeben wird, die Thyristoren LTTs sicherer geschützt werden.
Wenn die Stoßspannung VS3 an die Thyristoren LTTs zu der Zeit t3 in der Zeitspanne T3 angelegt wird, in der die Vorwärtsstehspannung auf den Nennspannungspegel VDRM wiederhergestellt wurde, senkt der Ableiter Ar die Stoßspannung unter die Nennspannung VDRM ab. Demgemäß muss kein spezifischer Schutz bereitgestellt werden.
Während der Zeitspanne TFP wurde die Vorwärtsstehspannung nicht ausreichend wiederhergestellt. Erfindungsgemäß wird jedoch, wenn eine Überspannung, die größer als die Vorwärtsstehspannung des Thyristors ist, an den Thyristor LTT während dieser Zeitspanne angelegt wird, der Thyristor LTT jedoch anscheinend gekippt, wobei er jedoch ohne Beschädigung geschützt wird.
Wie oben beschrieben ist, wird erfindungsgemäß der Leistungswandler, bei dem der Thyristor LTT nicht beschädigt wird, sogar wenn an den Thyristor LTT eine Übervorwärtsspannung während der transienten Zeitspanne von der Zeit, wenn der Thyristorventilstrom abgeschaltet ist, bis zu der Zeit, wenn die Vorwärtsstehspannung den Nennwert VDRM wiederherstellt, angelegt wird.
Die Zeitspanne von der Zeit, wenn der Thyristorventilstrom unterbrochen wird, bis zu der Zeit, wenn die Vorwärtsstehspannung des Thyristors wiederhergestellt wird, hängt von der Thyristor-Sperrschichttemperatur Tj und dem Thyristorventilstrom IT ab. Demgemäß wird, wenn der Betrag des Thyristorventilstroms IT und die Sperrschichttemperatur Ti zunehmen, die Wiederherstellungszeitspanne verlängert. Folglich wird, wenn der Betrag des Thyristorventilstroms IT und die Sperrschichttemperatur Tj zunehmen, das Schutzzeitspanneinstellsignal verlängert. Und wenn der Betrag des Thyristorventilstroms IT und die Sperrschichttemperatur Tj abnehmen, wird das Schutzzeitspanneinstellsignal verkürzt. Durch Steuern der Länge des Schutzzeitspanneinstellsignals auf diese Art und Weise kann der Thyristor wirksam geschützt werden.
Außerdem werden ein Signal IST, das mit dem Thyristorventilstrom IT verknüpft ist, und ein Signal Tjs, das mit der Thyristor-Sperrschichtemperatur Tj verknüpft ist, in den Impulsgenerator pg eingegeben. Und dann wird die Ausgabe von dem Impulsgenerator pg an die Logikschaltung LG2 geliefert. Bei der Logikschaltung LG2 wird die Zeitspanne STFP gemäß der Ausgabe von dem Impulsgenerator pg verändert. Demgemäß kann der Leistungswandler verwirklicht werden, der eine wirksamere Schutzfunktion aufweist.
Wie oben beschrieben ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Leistungswandler, wenn an den Thyristor die Übervorwärtsvorspannung, die größer als die Vorwärtsstehspannung des Thyristors ist, während der transienten Zeitspanne angelegt wird, bis der Thyristor die Vorwärtsstehspannung wiederherstellt, der Thyristor zuerst an dem Gate eingeschaltet, um den Thyristor gegen Beschädigung zu schützen. Mit diesem Thyristorventil kann ein elektrischer Stromwandler mit hoher Zuverlässigkeit verwirklicht werden.

Claims

Leistungswandler, mit: einem Thyristorventil, das eine Mehrzahl von in Reihe geschalteter Thyristoren (LTT) aufweist; und einem Impulsgenerator (Pg), der einen lichtelektrischen Wandler (LEC) und ein Triggerimpulserzeugungsmittel (LG1) aufweist, wobei der Impulsgenerator konfiguriert ist, um ein Pulssignal zu erzeugen, das an die Thyristoren des Thyristorventils geliefert wird, der Impulsgenerator lichtemittierende Dioden (LED) aufweist, die parallel mit den Thyristoren (LTT) zum Erzeugen eines Signals verbunden sind, das an den Impulsgenerator zu liefern ist, wobei das Signal die Tatsache angibt, dass eine Vorwärtsspannung oder eine Rückwärtsspannung an die Thyristoren angelegt wird; wobei das in dem Impulsgenerator bereitgestellte Triggerimpulserzeugungsmittel konfiguriert ist, um ein Triggerimpulssignal basierend auf einem von einem Controller gelieferten Steuersignal zu erzeugen, wenn eine Vorwärts-Transientenüberspannung höher als die Vorwärts-Spannungsfestigkeit an einen Thyristor innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne (TFP) geliefert wird, beginnend von einer Zeit, bei der ein durch das Thyristorventil fließender Strom abgeschaltet wird, bis zu einer Zeit, wenn die Vorwärts-Spannungsfestigkeit des Thyristors den Nennwert wiederherstellt, um ein erstes Gate-Leistungssignal an den Thyristor zu liefern, um diese einzuschalten; dadurch gekennzeichnet, dass das Triggerimpulserzeugungsmittel (LG1, LG2) konfiguriert ist, um an den Thyristor ein zweites Gate-Leistungssignal mit einer Spannung, die niedriger als die des ersten Gate-Leistungssignal ist, zu liefern, während der vorbestimmten Zeitspanne (TFP) beginnend zu einer Zeit zu liefern, wenn der Thyristorventilstrom abgeschaltet ist.
Leistungswandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gate-Leistung auf einen Pegel von 1 bis 10% der ersten Gate-Leistung eingestellt ist.
Leistungswandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Triggerimpulserzeugungsmittel konfiguriert ist, um ein ergänzendes Impulssignal derart zu erzeugen, dass eine Zeitspanne, während der die zweite Gate-Leistung an das Thyristorventil geliefert wird, länger als eine normale Anschaltzeit des Thyristorventils ist.
Leistungswandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Triggerimpulserzeugungsmittel konfiguriert sind, um eine Zeitspanne einzustellen, während der die zweite Gate-Leistung an das Thyristorventil auf der Grundlage eines Rückwärtsspannungssignals geliefert wird, das darstellt, dass eine Rückwärtsvorspannung an das Thyristorventil angelegt wird.
Leistungswandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Triggerimpulserzeugungsmittel umfaßt: eine Leistungsquelle (E); ein lichtemittierendes Element (LED), das mit der Leistungsquelle (E) verbunden ist; ein erstes Schaltelement (S1), das zwischen der Leistungsquelle (E) und dem lichtemittierenden Element (LED) angeordnet ist, das konfiguriert ist, um eingeschaltet zu werden, wenn die erste Gate-Leistung an den lichtausgelösten Thyristor geliefert wird, wodurch das lichtemittierende Element dazu gebracht wird, das Triggerimpulssignal auszugeben, ein zweites Schaltelement (S2), das parallel mit dem ersten Schaltelement (S1) geschaltet ist, das konfiguriert ist, um eingeschaltet zu werden, wenn die zweite Gate-Leistung an den lichtausgelösten Thyristor geliefert wird, wodurch das lichtemittierende Element (LED) dazu gebracht wird, ein Lichtimpulssignal gemäß dem zweiten Gate-Leistungssignal auszugeben; und eine Impedanz (Z2), die seriell mit dem zweiten Schaltelement (S1) geschaltet ist, das konfiguriert ist, um einen Strom einzustellen, der an das lichtemittierende Element geliefert wird, wenn das zweite Schaltelement bei einem niedrigeren Pegel als den eines Stroms eingeschaltet wird, der an das lichtemittierende Element geliefert wird, wenn das erste Schaltelement eingeschaltet wird.
Leistungswandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Triggerimpulserzeugungsmittel zum Erzeugen des Triggerimpulssignals konfiguriert ist, um zu verhindern, dass das ergänzende Impulssignal erzeugt wird, wenn an das Thyristorventil eine Vorwärtsvorspannung während einer vorbestimmten Zeitspanne, beginnend von der Zeit, wenn der Thyristorventilstrom unterbrochen wird, bis zu ungefähr einer Abschaltzeit angelegt wird, sodass das erste Gate-Leistungssignal an das Thyristorventil geliefert wird.
Leistungswandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Triggerimpulserzeugungsmittel konfiguriert ist, um eine Zeitspanne zu steuern, während der die zweite Gate-Leistung an das Thyristorventil in Übereinstimmung mit mindestens dem Thyristorventilstrom und/oder der Thyristor-Sperrschichttemperatur geliefert wird.