DE2758227B2

DE2758227B2 - dv/dt-Schutzschaltungsanordnung für einen GTO-Thyristor

Info

Publication number: DE2758227B2
Application number: DE2758227A
Authority: DE
Inventors: Nagataka Fuchu Tokio Seki; Yukio Tokio Watanabe
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1976-12-25
Filing date: 1977-12-27
Publication date: 1981-04-23
Also published as: GB1587620A; DE2758227C3; US4275430A; JPS5855749B2; DE2758227A1; JPS5380542A

Description

5. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

n} daß zwischen dem S'.eueranschluß und der Kathode des GTO-Thyristors (11) ein Widerstand (15) eingeschaltet ist

6. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet

o) daß zwischen dem Steueranschluß und der Kathode des GTO-Thyristors (11) eine Diode (\5a) eingeschaltet ist

Die Erfindung betrifft eine d v/df-Schutzschaltungsanordnung für einen GTO-Thyristor, der bei Anlegen eines Auslösesignales gezündet und beim Anlegen eines Abschaltsignals abgeschaltet wird, wobei zumindest für das Abschaltsigna! eine Abschaltimpulsquelle vorgesehen ist mit einer zwischen Anode und Kathode des GTO-Thyristors liegenden Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer Diode, mit einer mit dem GTO-Thyristor in Reihe geschalteten Reaktanzspule, wobei beim Abschalten des GTO-Thyristors ein Abschaltstrom aus der Abschaltimpulsquelle in Gegenrichtung zum Laststrom fließt

GTO-Thyristoren mit geringer Leistung sind auf dem Markt. Es ist auch möglich geworden, GTO-Thyristoren großer Leistung, mit Stromstärken von 200 A bis 600 A, herzustellen. GTO-Thyristoren werden als Wandler wie beispielsweise Inverter eingesetzt. Wenn ein GTO-Thyristor mit geringer Leistung beispielsweise in einem Inverter eingesetzt wird, so ergeben sich keine schwierigen Probleme. Schwierige Probleme ergeben sich jedoch dann, wenn ein GTO-Thyristor hoher Leistung in einem Inverter benutzt werden soll. Eines dieser Probleme ist der Schutz der Spannungsänderung dv/df.

dv/df ist eine abrupte positive Spannungsänderung zwischen der Anode und der Kathode eines GTO-Thyristors. Wenn dv/df einen bestimmten, für den GTO-Thyristor spezifischen Grenzwert überschreitet, so wird der GTO-Thyristor unweigerlich gezündet. Dieser Grenzwert wird dv/df-Kennung genannt. Ein GTO-Thyristor hat eine niedrigere dv/df-Kennung als ein normaler Thyristor. Daiier müssen Maßnahmen ergriffen werden, um d v/df eines GTO-Thyristors zu schützen.

Nachfolgend soll erläutert werden, wie dieser Schutz von dv/df bislang versucht wurde, beispielsweise in einem Inverter aus vier GTO-Thyristoren. Zwischen dem ersten und dem zweiten GTO-Thyristor ist eine erste Reaktanzspule eingeschaltet und zwischen den dritten und vierten GTO-Thyristor eine zweite Reaktanzspule. Eine Last ist zwischen den neutralen Anschlüssen der beiden Reaktanzspulen eingeschaltet. Der erste und zweite GTO-Thyristor sind in Reihe geschaltet ebenso wie der dritte und vierte Thyristor untereinander. Zwischen diesen Reihenschaltungen ist eine Gleichstromquelle angeschlossen. Die vier GTO-Thyristoren sind über die beiden Reaktanzspulen miteinander in Brücke geschaltet. An jeden GTO-Thyristor ist ein Dämpfkreis angeschlossen.

In einem solchen Inverter bilden die Dämpfungskreise i-nd Reaktanzspulen eine dv/df-Schutzschaltung. Die Reaktanzspulen wirken genauso wie ein Rückstromkreis, der bei einem üblichen Thyristor erforderlkch ist. Als Folge hiervon kann die Fähigkeit jedes GTO-Thyristors zur Selbst-Funkenlöschung nicht voll genutzt

werden. Wenn der erste GTO-Thyristor gezündet ist und abgeschaltet wird, so hört weiterhin sofort der Stromfluß in der ersten Reaktanzspule auf wodurch eine hohe Spannung an der ersten Reaktanzspule erzeugt wird. Die hohe Spannung wirkt zwischen der Anode und der Kathode des ersten GTO-Thyristors, so daß der erste GTO-Thyristor unbeabsichtigt wieder gczündci wird.

Um eine solche unbeabsichtigte Zündung zu vermeiden, sollte die Kapazität eines Kondensators in dem Dämpfkreis am ersten GTO-Thyristor so groß gehalten werden oder sollte der zweite GTO-Thyristor vor dem Abschalten des ersten GTO-Thyristors gezündet werden, so daß in einem ersten Spulenabschnitt der ersten Reaktanzspule zwischen dem ersten GTO-Thyristor und dem neutralen Anschluß der ersten Reaktanzspule fließender Strom in einen zweiten Spurabschnitt der ersten Reaktanzspule zwischen dem zweiten GTO-Thyristor und dem neutralen Anschluß der ersten Reaktanzspule fließt. Diese Methode beeinträchtigt jedoch unweigerlich die elektrischen Eigenschaften der GTO-Thyristoren; die GTO-Thyristoren können nicht in vollem Umfange die gewünschte schnelle AUF-ZU-Steuerung bieten.

Aus der Zeitschrift »Semiconductor Controlled Rectifiers ...« Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J. 1964, Seiten 243, 244 und 264-267 ist ein GTO-Thyristor bekannt, der bei Anlegen eines A jslösesignals gezündet und bei Anlegen eines AbschJtsignals abgeschaltet wird, wobei zumindest für das Abschaltsignal ein Abschaltimpuls vorgesehen sein muß. Aus dieser Literaturstelle ist auch bekannt, aufgrund der besonderen Abschalteigenschaften eines Thyristors in Reihe zum Thyristor eine LC-Schaltung zu schalten, wobei jedoch die im Lastkreis des Thyristors gelegene Induktivität oder Reaktanzspule bei durchgeschaltetem Thyristor nicht im Sättigungsbereich betrieben wird.

Aus dem »Thyristor-Handbuch«, Siemens-Schuckert-Werke AG, Berlin-Erlangen 1965, Seiten 164-195 sind Schutzschaltungen für Thyristoren in Form einer über Anode und Kathode geschalteten Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Kapazität und mit einer im Lastkreis des Thyristors vorhandenen Induktivität bekannt. Die im Lastkreis des Thyristors vorhandene Induktivität hat hierbei die Aufgabe einer Glättungsinduktivität und wird auch nicht im Sättigungsbereich betrieben.

Aus der US-PS 35 24 990 sind Wechselrichterschaltungen bekannt, um einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln. Bei diesen Schaltungen gelangen Thyristoren zur Anwendung, in deren Lastkreis eine sättigbare Drosselspule eingeschaltet ist, um dadurch die hohe Stromanstiegsgeschwindigkeit zu reduzieren.

Schließlich ist aus der LIS-PS 33 53 032 eine Rücklauf-Leistungsverstärkerschaltung unter Ve-wendung eines GTO-Thyristors bekannt. Bei einer Ausführungsform mit Triacs oder Thyristoren der herkömmlichen Art gelangt eine sogenannte Morgansche Kommutierungsschaltung zur Anwendung, die jedoch auf die e>o Span.'.'.ngsanstieggeschwindigkeit dv/dt keinen Einfluß hat. Ein Schutz gegen einen zu hohen Spannungsanstieg wirci hauptsächlich von einer im Laststromkreis liegende Drossel erreicht. Die genannte Kommutierungsschaltung dient zum Abschalten des Triac b5 während zum Einschalten ein Transformator verwende! wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine dv/df-Schuizschaltungsanordnung der eingangs definierten Art zu schaffen, die bei geringer Reaktanzbelastung des Laststromkreises einen sicheren Schutz des GTO-Thyristors durch einfache Mittel ermöglicht

Ausgehend von der dv/df-Schutzschaltungsanordnung der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Reaktanzspule normalerweise im Sättigungsbereich betrieben wird, wenn der GTO-Thyristor gezündet ist, weiter die Abschaltimpulsquelle zwischen den Steueranschluß des GTO-Thyristors und das GTO-Thyristorferne Ende der Reaktanzspule geschaltet ist, so daß beim Abschalten des GTO-Thyristors der Abschaltstrom in der Reaktanzspule dem Laststrom entgegengesetzt fließt, so daß die Reaktanzspule in den nicht gesättigten Bereich gelangt.

Besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 6.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Εε zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen dv/di-Schutzschaltungsanordnung,

F i g. 2 ein Schaltbild einer Auftastimpulsquelle für Abschaltsignale,

F i g. 3 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform mit Merkmalen nacn der Erfindung, bei der ein Ringkern an der Kathodenseite eines GTO-Thyristors angeordnet ist,

F i g. 4 eine der Schutzschaltungsanordnung gemäß F i g. 3 im wesentlichen entsprechende Schaltung und

F i g. 5 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung, bei der ein Ringkern an der Anodenseite eines GTO-Thyrisiors angeordnet ist.

In der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 ist ein GTO-Thyristor Il mit seiner Kathode über eine sättigbare Reaktanzspule 12 an einen Lastansciiluß 13 angeschlossen. Die Anode des GTO-Thyristors ist beispielsweise mit einer Gleichstromquelle 14 verbunden. Zwischen dem Steueranschluß und der Kathode des GTO-Thyristors 11 ist ein Widerstand 15 eingeschaltet. Weiterhin ist zwischen der Anode und der Kathode des GTO-Thyristors 11 ein Dämpfkries 16 eingeschaltet. Der Dämpfkreis 16 ist durch einen Kondensator 16a, einen Widerstand 16i>, der mit dem Kondensator 16a in Reihe liegt, und durch eine Diode 16cgebildet, die parallel zum Widerstand 166 geschaltet ist. Eine Abschaltimpulsquelle 17 ist zwischen dem Steueranschluß des GTO-Thyristors 11 und der Leitung zwischen der sättigbaren Reaktanzspule 12 und dem Lastanschluß 13 eingeschaltet, um so dem Steueranschluß des GTO-Thyristors 11 ein Abschaltsignal zuzuführen. Zwischen dem Steueranschluß und der Kathode des GTO-Thyristors 11 ist eine weitere Auftastimpulsquelle 18 eingeschaltet, die dem Steueranschluß des GTO-Thyristors 11 ein entsprechendes Auslösesignal zuführen kann.

Die Abschalt-Impulsquelle J7 ist in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise aufgebaut. Eine Gleichstromquelle 17a ist in Reihe geschaltet mit einem Impulsübertrager 176. einem Widerstand 17c und einem npn-Transistor I7d Ein Kondensator 17e ist parallel zum Widerstand 17cgeschaltet, um den Stromanstieg in der Reihenschaltung zu verbessern. Der negative Anschluß d^r Sekundärwindung des Impulsübertragers 17 ist an die

Kathode eines Thyristors 17/ angeschlossen. Ein weierer Widerstand \7g ist zwischen den Steueranschluß des Thyristors 17/und den positiven Anschluß der Sekundärwindung des !mpulsübertragers 17/? angeschlossen. Ein Anschluß 17Λ ist von der Leitung zwischen dem Widerstand 17^ und dem positiven Anschluß der Sekundärwindung des Impulsübertragers \7b abgezweigt und in der aus Fig. I ersichtlichen Weise mit dem Steueranschluß des GTO-Thyristors Il verbunden. Weiterhin ist ein Anschluß 17/an die Anode des Thyristors 17/ und an die Leitung zwischen der sättigbaren Reaktanzspule 12 und dem Lastanschluß 13 in F i g. 1 eingeschaltet.

Bei einer derartigen, in Fig. 2 veranschaulichten Abschalt-Impulsquelle 17 wird der npn-Transistor i7d angeschaltet, wenn ein Steuersignal der Basis des Transistors \7d zugeführt wird. Dann wird eine Spannung in der Sekundärwindung des Impulsübertragers 17f) in der Richtung erzeugt, die in Fig. 2 durch einen Punkt angegeben ist. Auf diese Weise wird der Thyristor 17/ angeschaltet und so die Spannung zwischen den Anschlüssen 17Λ und 17/ erzeugt. In diesem Falle wird der Anschluß 17Λ negativ und der Anschluß 17/positiv. Der Thyristor 17/vermeidet einen Kurzschluß der Auslöse-Impulsquelle 18 durch die Sekundärwindung des Impulsübertragers 17/>.

Die Auslöse-Impulsquelle 18 entspricht im Aufbau im wesentlichen einer Auslöse-Impulsquelle für einen üblichen Thyristor, weshalb nicht näher hierauf eingegangen werden muß.

Wenn der GTO-Thyristor 11 durch ein Abschaltsignal aus der Impulsquelle 17 nach Zündung abgeschaltet wird, tritt ein positives cmd? zwischen dem Lastanschluß 13 und der Glcichspannungsqueüe 14 auf. Das positive dv/d/ ist proportional zu \l\ LC, wobei L die Induktanz der Drosselspule 12 und Cdie Kapazität des Kondensators 16a bedeuten. Um dv/d/ zu vermindern, reicht es daher aus. eine Drosselspule mit einer hohen Induktivität L zu verwenden. Die Reaktanzspule 12 ist sättigbar und wird während des normalen Betriebs beispielsweise eines Inverters mit dem GTO-Thyristor 11 gesättigt, selbst wenn sie hohe induktivität aufweist. Die sättigbare Reaktanzspule 12 hat somit keinen Einfluß auf die normalen Betriebseigenschaften der Vorrichtung. Da die Reaktanzspule 12 eine hohe Induktivität hat. wird darüberhinaus. wenn die Spule nicht gesättigt oder ein Stromschalter geschlossen oder geöffnet wird, das positive dv/di am GTO-Thyristor 11 vermindert.

In der Thyristortechnik ist es bekannt, eine sättigbare Reaktanzspule derart in Reihe mit einem Thyristor zu schalten. Jedoch kann eine sättigbare Reaktanzspule gegebenenfalls nicht zurückgestellt oder nicht-sättigbar gemacht werden, da ein GTO-Thyristor nur einen kleinen Erholungs-Rückstrom aufweist. Dies könnte in einer Schaltung gemäß F i g. 1 nicht auftreten. Da die Drosselspule 12 sicher zurückgestellt wird, weil die sättigbare Drosselspule 12 an die Kathode des GTO-Thyristors 11 angeschlossen ist und ein Abschaltstrom für den Steueranschluß die Drosselspule 12 in Gegenrichtung durchfließt

Wenn das Abschaltsignal aus der Abschalt-Impulsquelle 17 nicht scharf ansteigt, so könnte der GTO-Thyristor gegebenenfalls nicht abgeschaltet werden. Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 ist die sättigbare Reaktanzspule 12 gesättigt worden, wenn der GTO-Thyristor 12 abgeschaltet werden soIL Selbst dann, wenn der Stromfluß in der sättigbaren Reaktanzstufe 12 wechselt, bleibt somit die Induktivität L der Reaktanzspule 12 im wesentlichen konstant. Daher steigt das Abschaltsignal für den Steueranschluß scharf an und wird der GTO-Thyristor 12 beim Anlegen eines Abschaltsignales unfehlbar abgeschaltet.

Die sättigbare Reaktanzspule 12 ist durch einen Kern und rine Spule in dem Stromkreis gemäß Fig. 1 gebildet. Anstelle hiervon könnte sie auch durch einen Ringkern 19 gebildet werden, wie er in Fig. 3

ίο veranschaulicht ist. In diesem Falle erstrecken sich zwei Leitungen 20 und 21 durch den Ringkern 19. Die Leitung 20 ist zwischen die Kathode des GTO-Thyristors 11 und den Lastanschluß 13 eingeschaltet, während der Leitungsdraht 21 zwischen der Kathode des GTO-Thyristors 11 und der Abschaltimpulsquelle 17 für das Abschaiisignai eingeschaltet ist. Ein entsprechender Schaltkreis für eine sättigbare Reaktanzspule 22 ist in Fig.4 veranschaulicht. Weiterhin ist eine Diode 15a zwischen den Steueranschluß und die Kathode des GTO-Thyristors 11 eingeschaltet. Die in Fig. 3 dargestellte d v/di-Schutzschaltung arbeitet im Ergebnis ähnlich wie diejenige gemäß Fig. 1.

In der Schaltung gemäß Fig.3 ist die sättigbare Reaktanzspule 12 an die Kathode des GTO-Thyristors 11 angeschlossen. Statt dessen kann auch ein Anschluß an die Anode des GTO-Thyristors 11 erfolgen, wie dies in F i g. 5 veranschaulicht ist. In diesem Falle erstrecken sich ebenfalls zwei Leitungen 21 und 23 durch den Ringkern 19. Die Leitung 23 liegt zwischen der Anode

in des GTO-Thyristors 11 und der Gleichstromquelle 14, während die Leitung 21 zwischen dem Steueranschluß des GTO-Thyristors 11 und der Abschalt-Impulsquelle 17 liegt und eine Diode 25 aufweist. Auch das Arbeitsergebnis der dv/d/-Schutzschaltung gemäß

j> Fig. 5 entspricht im wesentlichen derjenigen gemäß Fig. 1.

Wenn der GTO-Thyristor abgeschaltet wird, so wird im allgemeinen eine übermäßige Gegenspannung zwischen dem Steueranschluß und der Kathode des GTO-Thyristors angelegt. Um eine solche übermäßige Gegenspannung zu vermeiden, sollte zwischen die Anode und die Kathode des GTO-Thyristors in Reihenschaltung eine Diode und eine Zenerdiode eingeschaltet werden. Im erfindungsgemäßen Zusammenhang muß eine Zenerdiode nicht eingesetzt werden oder kann eine Zenerdiode von geringer Kapazität völlig ausreichen, um den GTO-Thyristor gegen eine Überspannung zwischen Steueranschluß und Kathode zu sichern. Dies liegt daran, daß eine übermäßige

Vi Gegenspannung lediglich an der sättigbaren Reaktanzspule 12 angelegt wird.

Wenn ein GTO-Thyristor fehlerhaft nicht abschaltet, so kann ein Leistungsverlust auftreten und den GTO-Thyristor durchschlagen. Dies kann durch die

i-j Erfindung vermieden werden. Da die sättigbare Reaktanzspule 12 eine hohe Induktivität hat, steigt der Strom im GTO-Thyristor 11 nicht schnell an. Nur dann, wenn ein Zündungssignal an den Steueranschluß des GTO-Thyristors 11 angelegt wird, bevor der Strom

hi anzusteigen beginnt, wird der Strom in der gesamten Oberfläche der Halbleiterbereiche verteilt welche den GTO-Thyristor 11 bilden, und ist niemals in einem begrenzten Bereich des GTO-Thyristors 11 begrenzt. Deswegen wird der GTO-Thyristor 11 nicht durchschla-

i-ö gen oder beschädigt.

Weiterhin kann der Leistungsverlust durch den Dämpfkreis 16 einfach dadurch minimiert werden, daß die Kapazität des Kondensators 16a vermindert wird.

Die Kapazität des Kondensatos Iba kann vermindert werden, da die sättigbare Reaktanzspule 12 eine hohe Induktivität besitzt. Dies bedeutet, daß die Hochfrequenz-Schaltfäliigkeit des GTO-Thyristors optimal ausgenutzt wer Jen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. dv/di-Schutzschaltungsanordnung für einen GTO-Thyristor (11),

a) der bei Anlegen eines Auslösesignals gezündet, und

b) bei Anlegen eines Abschaltsignals abgeschaltet wird, ίο

c) wobei zumindest für das Abschaltsignal eine Abschaltimpulsquelle (17) vorgesehen ist,

d) mit einer zwischen Anode und Kathode des GTO-Thyristors (11) liegenden Reihenschaltung aus einem Kondensator (16a) und einer Diode (16ςλ

e) mit einer mit dem GTO-Thyristor (11) in Reihe geschalteten Reaktanzspule (12),

f) wobei beim Abschalten des GTO-Thyristors (11) ein Abschaltstrom aus der Abschaltimpulsquelle (17) in Gegenrichtung zum Laststrom fließt,

dadurch gekennzeichnet, daß
g) die Reaktanzspule (12) normalerweise im .Sättigungsbereich betrieben wird, wenn der GTO-Thyristor (11) gezündet ist,
h) die Abschaltimpulsquelle (17) zwischen den Steueranschluß des GTO-Thyristors (11) und das GTO-Thyristorferne Ende der Reaktanzspule (12) geschaltet ist, so daß beim Abschalten to des GTO-Thyristors (11) der Abschaltstrom in der Reaktanzspule (12) dem Laststrom entgegengesetzt fließt,

i) so daß die Reaktanzspule in den nichtgesättigten Bereich gelangt. !5

2. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

j) daß die sättigbare Reaktanzspule (12) mit einem Ende an die Kathode des GTO-Thyristors (11) angeschlossen ist.

3. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

k) daß die sättigbare Reaktanzspule (12) gebildet ist, wobei eine erste Leitung (20) sich von der Kathode des GTO-Thyristors (11) aus durch den Ringkern (19) erstreckt,

1) und eine zweite Leitung (21) sich vom Steueranschluß des GTO-Thyristors (11) aus durch den Ringkern zur Abschalt-Impulsquelle (70)erstreckt(Fig. 3).

4. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

m) daß die sättigbare Reaktanzspule (12) durch einen Ringkern (19) gebildet ist, wobei eine dritte Leitung (23) sich von der Anode des GTO-Thyristors (11) aus durch den Ringkern (19) hindurch erstreckt,

I) und eine zweite Leitung (21) sich vom Steueranschluß des GTO-Thyristors (11) aus durch den Ringkern (19) hindurch zur Abschalt-Impulsquelle (17) erstreckt (F i g. 5).