DE2812632A1

DE2812632A1 - Steuerkreis fuer einen vollsteuergate- thyristor

Info

Publication number: DE2812632A1
Application number: DE19782812632
Authority: DE
Inventors: Nagataka Seki
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1977-03-24
Filing date: 1978-03-22
Publication date: 1978-09-28
Also published as: JPS6056062B2; GB1583620A; US4203047A; JPS53117368A; DE2812632C2

Description

"⁵ ■ 22. März 1978

Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd.
Kawasaki-shi, Japan

Steuerkreis für einen Vollsteuergate-Thyristor

Die Erfindung betrifft einen Tor- oder Steuerkreis für einen Vollsteuergate-Thyristor (gate turn-off thyristor) und insbesondere einen verbesserten Abschalt- oder Sperrsteuerkreis für einen solchen Thyristor.

Der übliche Vollsteuergate-Thyristor besitzt den Vierschichtaufbau gemäß Fig. IA aus Bereichen Pg, N_b, P_b und Ng, wobei seine Gate-Klemme Q im Basisbereich P_b des p-Leit(fähigkeits)typs angeordnet ist. Wenn bei diesem Aufbau eine positive Spannung an seine Anode A und eine negative Spannung an seine Kathode K angelegt wird, während eine positive Impulsspannung zwischen den Anschlüssen G und K liegt, so daß der Anschluß G positiv ist, fließt ein Anodenstrom zwischen den Anschlüssen A und K, und der Anodenstrom wird durch Anlegen einer negativen Impulsspannung zwischen die Anschlüsse G und K auf Null verringert, so daß der Anschluß G negativ wird. Ein derartiger Volteteuergate-Thyristor wird durch das Symbol gemäß Fig, IB dargestellt.

Bei der tatsächlichen Verwendung eines solchen Vollsteuergate-Thyristors (im folgenden auch einfach als GTO-Thyristor bezeichnet) in einer praktisch eingesetzten Schaltung ist der Aufbau des SperSsteuerkreises sehr wesentlich. Dieser Steuerkreis entspricht einem Kommatierungskreis eines üblichen Transistors,

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und er hat einen großen Einfluß auf die Arbeitsweise und Zuverlässigkeit der einen solchen Thyristor verwendenden Schaltungen. Bisher wurde in der Praxis kein GTO-Thyristor großer Leistung angewandt, so daß die bisherigen Abschalt-Steuerkreise in der Praxis keine Probleme aufwarfen. Derzeit stehen dagegen Hochleistung-GTO-Thyristoren mit einem Anodenstrom in der Größen-Ordnung von 200 - 600 A zur Verfügung. Für das Abschalten bzw. Sperren eines so großen Anodenstroms ist es erforderlich, einen Sperrstrom von 100 - 200 A von Kathode K zu Gate-Elektrode G einzuleiten, wobei die Anstiegsgeschwindigkeit (dl/dt) dieses Sperrstroms etwa j50 A//Us betragen muß. Die bisherigen Steuerkrejse vermögen diesen Anforderungen nicht zu genügen.

Die Fig. 2A bis 2C veranschaulichen die Wellenformen, die beim GTO-Thyristor beim Sperren desselben auftreten. Insbesondere veranschaulicht Fig. 2A den Anodenstrom I_A im GTO-Thyristor, während Fig. 2B die Spannung V-, zwischen Tor- oder Gate-Elektrode G und Kathode K des Thyristors und Fig. 2C den zwisclaen Kathode K und Gate-Elektrode G hervorgerufenen Sperrstrom L·, darstellen. Der Sperrstrom Iq beginnt zum Zeitpunkt t=t_Q zu fließen, und der Kathodenstrom wird zu einem Zeitpunkt t=t^ auf Null verringert. Der Anodenstrom Ia beginnt sich vom Zeitpunkt t=t_Q zu verkleinern, und zwar wegen einer Erhöhung der Impedanz zwischen den Anschlüssen A und K, während zum Zeitpunkt t=t, die Ladungsträger in der Basis P_b auf Null reduziert sind, so daß sich die Isolierung zwischen den Bereichen Ng und P_b erholt. Anschließend werden die in den Bereichen N_b und P_b befindlichen Ladungsträger als Gate-Strom IG zu einem äußeren Erschöpfungskreis (exhaust circuit) entladen, wodurch eine vollkommene Blockierung oder Sperrung zwischen Anode A und

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Kathode K erzielt wird. In Pig. 2C gibt dl_Q/dt die Anstiegsgeschwindigkeit des Gate-Sperr Stroms an, während I „ den Scheiteloder Spitzenwert des Sperrstroms bedeutet.

Der Gate-Sperr- oder Steuerkreis muß den folgenden Bedingungen genügen:

1. Die Anstiegsgeschwindigkeit dI_Q/dt des Gate-Sperrstroms muß hoch sein. Bei einer niedrigen Anstiegsgeschwindigkeit wird der GTO-Thyristor infolge eines großen Schaltverlusts zerstört. Diese Anstiegsgeschwindigkeit muß ein Mehrfaches von 10 A//us betragen,

2. Der Scheitelwert I_Gp des Gate-Spe/stroms I_Q muß über einem vorbestimmten Wert liegen, wenn die Anschlüsse G und K kurzgeschlossen verbunden sein sollen» Das Verhältnis I_A/I_G des Anodenstroms I_A, mit dem der GTO-Thyristor gesperrt werden kann, zum Gate-Spsrrstrom I_ß wird gewöhnlich als Sperrgewinn G (turn-off gain) bezeichnet, wobei typischerweise G=3 - 5 gilt. Bei einem Anodenstrom I_A=600 A und einem Sperrgewinn G=3 ist daher ein Scheitelwert von I_Qp=200 A erforderlich.

3. Die in den betreffenden Bereichen Pb und Nb gespeicherten Ladungsträger Q_ste müssen im Gate-Sperrkreis absorbierbar sein. Dies bedeutet, daß die Menge Q_s der vom Sperr- oder Abschaltsteuerkreis zum GTO-Thyristor gelieferten Ladungs=- träger der Beziehung Q_s> Q_st_ genügen muß.

Im folgenden sind die bei den bisherigen Sperrsteuerkreisen

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zu lösenden Probleme beschrieben. Diese bisherigen Steuerkreise umfassen einen solchen vom Lade- und Entladekondensator-Typ und einen solchen des Impulsübertrager-Typ, wie sie grundsätzlich in den Fig. ^A bzw. 3B dargestellt sind. Beim zuerst genannten Typ gemäß Fig. 3A wird ein Kondensator 21 im voraus durch einen nicht dargestellten Ladekreis auf die angegebene Polarität aufgeladen, und es wird ein Sperrstrom I₀ von der Kathode K zur Gate-Elektrode G des GTO-Thyristors 1 eingeleitet, indem ein Schalter 22 in Synchronismus mit dem SperrZeitpunkt dieses Thyristors 1 geschlossen wird. Der durch die Gate-Elektrode G

und die Kathode K des GTO-Thyristors/' sowie den Sperrsteuerkreis gebildete geschlossene Kreis besitzt eine Induktivität von mindestens 1-2 /UH, auch wenn die Verdrahtung mit möglichst kurzen Leitungslängen ausgeführt ist. Unter der Voraussetzung von dI_G/dt=O0 A//US kann daher der vorher genannten

Bedingung (1), d.h. der Bedingung betreffend dl«/dt, dadurch

daß ^G

entsprochen werden, /der Kondensator 21 so aufgeladen wird,

daß seine Klemmenspannung V_n gleich J>0 - 60 V ist. Darüber hinaus kann der zweiten Bedingung, d.h. der Bedingung bezüglich I_ßp, dadurch entsprochen werden, daß die Widerstandskomponente des erwähnten, geschlossenen Kreises ausreichend klein ausgelegt wird. Weiterhin läßt sich die Bedingung (3), d.h. Q >Q . , dadurch lösen, daß ein Kondensator 21 mit einer Kapa-

S SCg

zität über einer Größe benutzt wird, die als Qg^g/Vß CV₀ ⁼ Klemmenspannung über den Kondensator 21) bestimmt wird. In diesem Fall muß die Kapazität des Kondensators 21 mit einem Mehrfachen von 10 bis 100 /U¹F gewählt werden.

Bei Verwendung des Sperrsteuerkreises gemäß Fig. J5A ergeben sich jedoch die folgenden Schwierigkeiten: Wenn nämlich dieser

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GTO-Thyristor aufgrund eines Schadens oder Fehlers in der ihn enthaltenden Schaltung schnell bzw. plötzlich gesperrt wird, oder wenn dieser Thyristor für Hochfrequenzzwecke eingesetzt werden soll, ist es in erster Linie wünschenswert, den Kondensator 21 in möglichst kurzer Zeit, z.B. in einer Zeitspanne in der Größenordnung von 100 /us aufzuladen. Dieses Erfordernis führt jedoch zu außerordentlich hohen Kosten für den Ladekreis, weil der Ladestrom umgekehrt proportional zur Ladeperiode zunimmt. Zum zweiten ist es äußerst schwierig, eine Schutzschaltung zu konstruieren, die verhindert, daß die zwischen Gate-Elßktrode G und Kathode K des GTO-Thyristors angelegte Spannung V_QR über einen vorbestimmten Wert hinaus ansteigt. Wenn die Isolierung (Trennung) zwischen den Bereichen Pb und Ng zum Zeitpunkt t=tj (Pig. 2B) wiederhergestellt wird, wird die duch die Spannung über den Kondensator 21 und die Impedanz der Gate-Schaltung im Augenblick der Erholung bestimmte Spannung Vq^ zwischen Gate-Elektrode G und Kathode K angelegt. Es ist somit ersichtlich, daß die Spannung V_GR um so größer ist, je höher die Spannung über den Kondensator 21 ist. Da nun die Durchbruchspannung des Übergangs bzw. der Sperrschicht zwischen den Bereichen Ν™ und P, 15 V beträgt, tritt ein Durchbruch dieses Übergangs bzw. dieser Sperrschicht auf, wenn die zwischen die Anschlüsse G und K angelegte Sperrspannung 15 V übersteigt. Zur Verhinderung dieses Durchbruchs wird eine Schutzschaltung aus einer Zenerdiode 12 und einer Diode 11 zwischen die Anschlüsse G und K geschaltet, um dadurch die genannte Spannung V_QR zur Zenerdiode zu begrenzen. Die Diode 11 verhindert, daß der Durchschaltstrom vom nicht dargestellten Durchschaltsteuerkreis des GTO-Thyristors zum Teil in die Schutzschaltung fließt.

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Der vom Abschaltkreis zum GTO-Thyristor zu liefernde Sperrstrom wird, wie erwähnt, entsprechend dem Anodenstrom I« zum Abschalten des Thyristors bestimmt. Zum Sperren des GTO-Thyristors bei extrem kleinem Anodenstrom wird daher nur ein Teil der genannten Abschalt- oder Sperrleistung zum Sperren des GTO-Thyristors benutzt, während der Rest durch das Schutzelement, wie die Zenerdiode 12, verbraucht wird. Bei Erhöhung der Kapazität oder Leistung des GTO-Thyristors nimmt der erwähnte Sperrstrom bzw. die Sperr leistung zu, so daß eine SperrIeistung in der Größenordnung von 100 W benötigt wird. Wenn eine so hohe Leistung von der Zenerdiode 12 verbraucht werden soll, müssen etwa 15 handelsübliche Zenerdioden maximaler Nennleistung parallelgeschaltet werden.

Im folgenden sind die mit der Impulsübertragerschaltung gemäß Fig. 3B verbundenen Schwierigkeiten erläutert. Wenn die Schalter 32 und 33 gemäß Fig. 3B gleichzeitig mit dem Abschalten oder Sperren des GTO-Thyristors 1 geschlossen werden, wird der Impulsübertrager 31 durch eine nicht dargestellte Gleichspannungsquelle erregt, so daß ein Sperrstrom I_n von der Katho-

^u bei

de K zur Gate-Elektrode G des GTO-Thyristors 1 fließt. Da/dieser Anordnung das Aufladen des Kondensators 21, wie im Fall von Fig. 3A, nicht erforderlich ist, eignet sie sich für Hochfrequenzzwecke. Da jedoch im Impulsübertrager 31 eine Streuinduktivität vorhanden ist, 1st die Anstiegsgeschwindigkeit dlp/dt des Ausgangsimpulsstroms niedrig (z.B. etwa ein Fünftel derjenigen bei der Schaltung nach Fig. 3A). Infolgedessen kann die genannte Bedingung (1) (bezüglich dI_G/dt) nicht erfüllt werden, sofern nicht die Stromquellenspannung für den Impulsübertrager erhöht wird. Hierdurch wird die

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Kapazität der erwähnten Schutzschaltung erhöht.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß dann, wenn alle drei Bedingungen (1) - (3) für den Sperr-Steuerkreis bei den bisherigen Schaltungen erfüllt werden sollen, der Aufbau der zwischen Gate-Elektrode G und Kathode K geschalteten Schutzschaltung unvermeidlich erweitert werden muß, was zu Einbußen in verschiedener anderer Hinsicht führt, z.B. bezüglich Leistung und Kosten des Steuerkreises sowie bezüglich der Teileanordnung.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines verbesserten Abschalt- oder Sperrsteuerkreises (turn-off gate circuit), welcher die Anlegung eines Sperrstroms mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit an den GTO-Thyristor ermöglicht und dadurch eine Senkung des Stromverbrauchs der zwischen Kathode und Gate-Elektrode dieses Thyristors geschalteten Schutzschaltung gewährleistet, so daß dieser Steuerkreis für GTO-Thyristoren großer Kapazität oder Leistung geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. IA und IB schematische Darstellungen des Aufbaus bzw. des Symbols für einen Vollsteuergate-Thyristor,

Fig. 2A bis 2C graphische Darstellungen von Wellenformen im

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Sperrvorgang des Vollsteuergate- bzw. GTO-Thyristors, Flg. 3A und 3B Schaltbilder bestimmter Sperrsteuerkreise,

Fig. 4 ein Schaltbild des grundsätzlichen Schaltungsaufbaus gemäß der Erfindung,

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Gate-Sperrstroms (gate turn-off current) bei der erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 6 ein Schaltbild einer speziellen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 ein Schaltbild einer Abwandlung der Schaltung gemäß Fig. 6 und

Fig. 8 bis 12 Schaltbilder weiterer Ausführungsformen der Erfindung.

In den Figuren sind gleiche Teile mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Gemäß Fig. 4 weist ein erster Schaltkreis 2 einen Kondensator 21 auf,der durch eine nicht dargestellte Stromquelle mit der eingezeichneten Polarität aufgeladen wird und der zwischen Gate-Elektrode und Kathode eines GTO-Thyristors 1 über einen Schalter 22 eingeschaltet ist, der in Synchronismus mit dem Augenblick des Sperrens des Thyristors schließbar ist. W_enn sich der Kondensator 21 entlädt, liefert er einen ersten Stromimpuls mit schneller Anstiegsgeschwindigkeit dl^/dt und vergleichsweise kurzer Dauer, wobei der Impuls zwischen die Anschlüsse K und G des Thyristors angelegt wird. Ein zweiter Schaltkreis 3 umfaßt einen Impulstransformator bzw. -übertrager

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31, dessen Primärwicklung über einen Schalter 32 mit einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden und dessen Sekundärwicklung über einen Schalter 33 zwischen die Anschlüsse G und K geschaltet ist. Wenn die Schalter 32 und 33 im Gleichtakt mit dem Schalter 22 geschlossen werden, besitzt die Sekundärwicklung die angegebene Polarität (der schwarze Punkt entspricht der positiven Polarität), und sie liefert einen zweiten Stromimpuls I_₂, der eine niedrigere Anstiegsgeschwindigkeit besitzt als der Entladungsstrom I₀I des Kondensators 21, jedoch eine längere Dauer als letzterer, und der zwischen den Anschlüssen K und G erscheint. Der Impulsübertrager 31 ist an eine Gleichspannungsquelle niedriger Spannung angeschlossen. Wenn die Schalter 22, 32 und 33 zum Zeitpunkt t=t_Q (Fig. 2A bis 2C) schließen, fließt der Strom I_G, der durch den dem Sekundärwlcklungsstrom I_p2 des Impulsübertragers 31 überlagerten Entladungsstrom Iq, des Kondensators 21 gebildet wird, als Rück- bzw. Sperrstrom von der Kathode K zur Gate-Elektrode G. Durch Verkürzung der Entladungsperiode des Kondensators kann ein Sperrstrom hoher Anstiegsgeschwindigkeit dI_Q/dt und mit hohem Scheitelwert geliefert werden. Dies bedeutet, daß damit den obigen Bedingungen (1) und (2) für den Sperrsteuerkreis genügt werden kann. Außerdem kann der Impulsübertrager 31 auch die Bedingung (3) erfüllen,weil der Sekundärwicklungsstrom Ip₂ eine niedrigere Anstiegsgeschwindigkeit dl_p2/dt als die genannte Geschwindigkeit dl_ci/dt, aber eine lange Dauer besitzt.

Pig. 6 zeigt eine erste, im folgenden zu beschreibende Ausfuhrungsform der Erfindung, bei welcher die Elemente 11, 12 und 21 dieselben sind wis in Fig. 3A und 3B und daher nicht

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näher erläutert zu werden brauchen. Ein Thyristor 22, der als Schalter 22 gemäß Fig. 4 wirkt, ist als erstes Schaltelement geschaltet, und ein Widerstand 13 ist zwischen Gate-Elektrode G und Kathode K geschaltet. Ein erster Impulsübertrager lol ist mit seiner Primärwicklung lol-l über ein zweites Schaltelement Io2 (Transistor) an eine Stromquelle 100 und mit seiner Sekundärwicklung lol-2 an deren einem Ende (positive Klemme) über eine Diode Io4 und eine Drossel Io5 an die Anode des ersten Schaltelements 22 angeschlossen, während das andere Ende (negative Klemme) mit der Kathode des Elements 22 verbunden ist. Eine Diode Io6 ist mit der angegebenen Polarität über die Sekundärwicklung lol-2 geschaltet. Zwischen die Anode der Diode Io4 und die Gate-Elektrode G des GTO-Thyristors ist ein Widerstand Io3 geschaltet. Ein zweiter Impulsübertrager

31 ist mit seiner Primärwicklung 31-1 mit der angegebenen Polarität über einen Widerstand 35 und ein drittes Schaltelement

die

32 an /Stromquelle 100 angeschlossen, während seine Sekundärwicklung 31-2 mit dem einen Ende (Minusklemme) über ein Schaltelement 33 (Thyristor) an die Gate-Elektrode G und mit dem anderen Ende (Plusklemme) an die Kathode K angeschlossen ist. Die Primärwicklung 3I-I kann selbstverständlich auch mit einer anderen Stromversorgung als der Stromquelle 100 verbunden sein. Die Klemmenspannung über die Sekundärwicklung 31-2 ist über einen Widerstand 34 an die Gate-Elektrode des Schaltelements 33 angeschlossen. Weiterhin ist die Klemmenspannung über eine Sekundärwicklung 31-3 des zweiten Impulsübertragers 31 über einen Widerstand 23 zwischen Kathode und Gate-Elektrode des ersten Schaltelements 22 angekoppelt. Der Schaltkreis mit dem Kondensator 21, dem ersten Schaltelement 22, dem zweiten Schaltelement Io2, dem Impulsübertrager lol und der Strom-

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quelle 100 entspricht dem ersten Schaltkreis gemäß Fig. 4, während der Schaltkreis aus dem Impulsübsrtrager 31, dem dritten Schaltelement 32 und der Stromversorgung oder -quelle dem zweiten Schaltkreis gemäß Pig. 4 entspricht. Die schwarzen Punkte an den jeweiligen Wicklungen der beiden Impulsübertrager lol und 31 geben die positive Polarität der Spannung an, die über diese Wicklungen bei geschlossenen Schalte lementen induziert wird.

Der Schaltkreis gemäß Fig. 6 arbeitet wie folgt: Wenn das zweite Schaltelement Io2 (Transistor) getriggert wird, wird der erste Impulsübertrager lol erregt, so daß er eine Spannung über die Sekundärwicklung lol-2 induziert. Infolgedessen fließt ein Strom über einen geschlossenen Stromkreis von der Sekundärwicklung lol-2 über den Widerstand Io3 und die Anschlüsse G und K zurück zur Sekundärwicklung lol-2. Gleichzeitig wird auch ein Stromfluß über einen geschlossenen Stromkreis von der Sekundärwicklung lol-2 über die Diode Io4, die Drossel Io5, den Kondensator 21 und die Anschlüsse G und K zur Sekundärwicklung Io1-2 zurück eingeleitet, so daß der Kondensator 21 mit der angegebenen Polarität aufgeladen wird. Die sich über den Kondensator 21 aufbauende Spannung V„ erreicht ungefähr die doppelte Größe der über die Sekundärwicklung lol-2 induzierten Spannung, was auf die Wirkung der Drossel Io5 zurückzuführen ist. In diesem Fall wird die durch die Drossel Io5 und den Kondensator 21 bestimmte Stromschwingfrequenz genügend höher eingestellt als die Frequenz des den GTO-Thyristor 1 verödenden Schaltkreises. Der Transistor Io2 kann so eingestellt sein, daß er nach Abschluß des Aufladens des Kondensators 21 sperrt.

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Wenn der GTO-Thyristor 1 anschließend sperrt, wird das dritte Schaltelement 32 (Transistor) durchgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt werden die über die Sekundärwicklungen 31-2 und 31-3 des zweiten Impulsübertragers 3I anliegenden Spannungen mit den angegebenen Polaritäten an die jeweiligen Gate-Elektrode η der Thyristoren 33 und 22 angelegt, um letztere gleichzeitig zu triggern. Beim Triggern des Thyristors 22 wird der Kondensator

21 schnell über einen geschlossenen Stromkreis entladen, der vom Kondensator 21 über den Thyristor 22 und die Anschlüsse K und G zum Kondensator 21 zurück verläuft, so daß ein Sperrstrom (erster Stromimpuls bzw. Impulsstrom), bei I_ßl in Fig. 5 angegeben, zwischen Kathode K und Ga te-Elektrode G fließt. Beim Triggern des Thyristors 33 fließt ebenfalls ein Sperrstrom (zweiter Impulsstrom). (I_p2 in Fig. 5) gleichzeitig über einen geschlossenen Stromkreis von der Sekundärwicklung

sowie 31-2 über die Klemmen oder Anschlüsse K und G/den Thyristor y^ zurück zur Sekundärwicklung 31-2. Der GTO-Thyristor 1 kann mit der Resultierenden I_Q dieser beiden Sperrströme I_cl und Ip₂ ohne weiteres abgeschaltet bzw. gesperrt werden. Der Kondensator 21, der eine vergleichsweise niedrige Kapazität besitzt, beendet das Entladen innerhalb einer kurzen Zeitspanne, mit ICl in Fig. 4 bezeichnet, so daß der Strom über den Thyristor

22 ohne weiteres auf einen Wert unter dem Haltestrom verrin-

GTO-gert wird; nach dem Sperren des/Thyristors 1 wird die über

seine Kathode/und seine Gate-Elektrode G erzeugte Sperrspannung unmittelbar zwischen Kathode und Anode des Thyristors 22-angelegt, so daß letzterer ohne weiteres gesperrt werden kann. Wenn die Spannung über die Sekundärwicklung 31-2 des zweiten Impulsübertragers 31 auf einen niedrigeren Wert als die Zenerspannung der Zenerdiode 12 eingestellt ist, wird nach der Ent-

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ladung der in den Bereichen Nb und Pb des GTO-Thyristors gespeicherten Ladungsträger über die Sekundärwicklung 31-2 der an letztester anliegende Strom durch den Widerstand Ij5 so begrenzt, daß er praktisch die Größe Null erreicht. In dem Augenblick, in welchem der Strom über die Sekundärwicklung 31-2 auf diese Weise zu Null reduziert wird, sperrt der Transistor 32, Wenn die Spannung über die Sekundärwicklung 31-2 höher ist als die Zenerspannung, wird der über die Zenerdiode 12 und die Diode 11 fließende Strom ebenfalls vom Impulsübertrager 31 geliefert,und zwar zusätzlich zu dem für den erwähnte Entladung der Ladungsträger des GTO-Thyristors 1 erforderlichen Strom. Aus diesem Grund sollte die induzierte Spannung über die Sekundärwicklung 31-2 vorteilhaft unter dem Schutzspannungspegel, d.h. der Zenerspannung liegen. Wenn der Transistor 32 sperrt, wird der Thyristor 33 ebenfalls gesperrt. Ersichtlicherweise kann bei der dargestellten AusfUhrungsform das Ende des Sperrvorgangs des GTO-Thyristors 1 mit einer niedrigen Kapazität des Kondensators 21 und auch ohne Erhöhung der Kapazität der Schutzschaltung erreicht werden.

Der Thyristor 33 gemäß Fig. 6 ist vorgesehen, um beim Ein- oder Durchschalten des GTO-Thyristors ein teilweises Fließen des Durchschaltstroms vom Durchschaltsteuerkreis zur Sekundärwicklung 31-2 zu verhindern. Der Thyristor 33 kann daher gemäß Fig. 7 durch eine Anzahl von mit der Sekundärwicklung 31-2 in Reihe geschalteten Dioden 33a ersetzt werden* wobei der Spannungsabfall über diese Diodengruppe größer gewählt wird als die Durchsehaltspannung zwischen den Anschlüssen G und K des GTO-Thyristors,

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B'ig. 8 zeigt eine zweite, im folgenden zu beschreibende Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die aus der Diode 11 und der Zenerdiode 12 bestehende Schutzschaltung gemäß Fig. 6 weggelassen und stattdessen Dioden 37 und J>6 mit den angegebenen

32 Polaritäten parallel zum Transistor/bzw. Thyristor 33 geschaltet sind. Bei dieser Konstruktion wird nach dem Sperren des GTO-Thyristors 1 die im Kondensator 21 verbleibende Energie zur Stromquelle 100 zurückgeführt. Wenn bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 bei Betätigung des Sperrsteuerkreises der Anodenstrom I_A des GTO-Thyristors 1 praktisch Null beträgt, wird letzterer augenblicklich abgeschaltet bzw. gesperrt, so daß der vom Kondensator 21 nach dem Sperren des GTO-Thyristors entladene Strom zur Zenerdiode 12 fließt und von dieser verbraucht wird. Bei der Schaltung gemäß Fig. 8 sind jedoch ein geschlossener Stromkreis aus dem Kondensator 21, dem Thyristor 22, der Kathode K,der Sekundärwicklung 31-2 des Impulsübertragers ^1, der Diode 36 und dem Kondensator 21 sowie ein geschlossener Stromkreis mit der Primärwicklung 31-1, der Stromquelle 100, der Diode 37 und der Primärwicklung 31-1 vorgesehen. Der genannte Entladungsstrom des Kondfisators 21 fließt somit über diese geschlossenen Stromkreise, so daß seine Energie zur Stromquelle 100 rückgekoppelt und nicht in der Schutzschaltung gemäß Fig.6 verbraucht wird, in diesem Fall kann die über die Sekundärwicklung 31-2 induzierte Spannung auf einen niedrigeren Wert als die Durchbruchspannung zwischen den Klemmen G und K des Thyristors 1 eingestellt werden. Der Strom, welcher der Sekundärwicklung 31-2 beim Durchschalten des GTO-Thyristors 1 mit dem Triggern des Transistors 32Jzugeführt wird, fließt über eine Schleife aus der Sekundärwicklung 31-2, der Kathode K, der Diode I06, dem Widerstand Io3, dem Thyristor' Z>1> und der Sekun-

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därwicklung 31~2, so daß der Strom über die Sekundärwicklung auf einen sehr niedrigen Wert begrenzt ist. Wenn der GTO-Thyristor 1 bei der zweiten Ausfuhrungsform im Fall einer leichten bzw. niedrigen Last gesperrt wird, wird ersichtlicherweise die Überschußenergie des Kondensators 21 zur Stromquelle 100 zurückgeführt und rückgespeichert, während außerdem der nach Beendigung des Sperrens über die Sekundärwicklung 31-2 fließende Strom auf eine sehr niedrige Größe begrenzt wird. Wenn der Thyristor 1 andererseits bei voller Last gesperrt wird, kann den obigen Bedingungen (1) bis (3) für den Sperr steuerkreis entsprochen werden. Auf diese Weise kann ein Vollsteuergate-Thyristor mit einem Sperrsteuerkreis mit sehr großem Nutzwert versehen werden.

Fig. 9 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die sich dadurch kennzeichnet, daß die Einrichtung zum Aufladen des Kondensators 21 von derjenigen bei der Ausführungsform nach Fig. 6 verschieden' ist. Bei den Schaltungen nach Fig. 6 und 8 wird der Kondensator 21 über die Gate-Elektrode G und die Kathode K des GTO-Thyristors 1 aufgeladen. Bei der dritten Ausführungsform kann dagegen das Aufladen ohne die Hilfe dieser Anschlüsse G und K erfolgen, so daß die Größe des Ladestroms frei wählbar ist. Außerdem ist bei dieser Schaltung die Zahl der verwendeten Thyristoren um einen Thyristor kleiner als in Fig. 6, weil der erste und der zweite Schaltkreis über die Dioden 24 und 38 parallelgeschaltet sind. Hierbei sind ein erster Impulsübertrager Iola mit einer Primärwicklung IoIa-I, einer ersten Sekundärwicklung lola-2 und einer zweiten Sekundärwicklung lola-3 sowie ein zweiter Impulsübertrager 31a mit einer Primärwicklung 3Oa-I und einer Sekundärwicklung 30a-2

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vorgesehen. Die/ Sekundärwicklung lola-2 ist über eine

Diode Io4 und eine Drossel Io5 mit dem Kondensator 21 verbunden, so daß letzte^r mit der angegebenen Polarität aufgeladen werden kann. Die zweite Sekundärwicklung IoIa-j5 ist mit der angegebenen Polarität über einen Widerstand lo^ zwischen die Anschlüsse G und K des GTO-Thyristors 1 eingeschaltet.Die positive Elektrode (Plusklemme) des Kondensators 21 ist über eine Diode 24 und ein erstes Schaltelement 22 (Thyristor) an die Kathode K des GTO-Thyristors 1 angeschlossen, während seine

G negative Elektrode (Minusklemme) mit der Gate-Elektrode/dieses Thyristors verbunden ist. Die Sekundärwicklung 31&-2 des zweiten Impulsübertragers jjla ist mit der angegebenen Polarität über eine Diode 38 und ein erstes Schaltelement 22 (Thyristor) zwischen die Anschlüsse K und G geschaltet. Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß beim Durchschalten des zweiten Schaltelements Io2 (Transistor) der GTO-Thyristor durchgeschaltet wird, während gleichzeitig der Kondensator 21 mit der angegebenen Polarität aufgeladen wird; beim Durchschalten des dritten Schaltelements 32 (Transistor) werden der erste Impulsstrom vom Kondensator 21 und der zweite Impulsstrom der (zweiten) Sekundärwicklung 31a-2 gleichzeitig dem GTO-Thyristor züge führt. A He weiteren Erläuterungen erübrigen sich in diesem Fall.

Fig. 10 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, deren Besonderheit darin besteht, daß ein einziger Impulsübertrager für die beiden Schaltkreise gemeinsam benutzt wird. Gemäß Fig. 10 weist ein Impulstransformator bzw. -Übertrager 41 sechs Wicklungen 41-1 bis 4l-6 auf. Die Primärwickliig 41-1 ist dabei über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand 45 und einem Kondensator 44 sowie ein viertes Schaltelement 42 (Transistor) an eine Stromquelle 100 angeschlossen. Ähnlich

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wie bei den vorher beschriebenen Figuren ist die positive Seite der in jeder Wicklung bei getriggertem Transistor 42 induzierten Spannung mit einem schwarzen Punkt bezeichnet. Die positive Klemme der zweiten Wicklung (erste Sekundärwicklung) 41-2 ist über einen Widerstand Io3 an eine Gate-Elektrode G angeschlossen, die Minusklemme der zweiten Wicklung 41-2 und die Plusklemme der dritten Wicklung (zweite Primärwicklung) 41-3 sind gemeinsam über einen Thyristor 33 mit der angegebenen Polarität mit der Gate-Elektrode G verbunden, und die Minusklemme der dritten Wicklung 41-3 ist an die Kathode angeschlossen.

Eine Diode 36 mit der angegebenen Polarität 1st zwischen die

G
Kathode K und die Gate-Elektrode/des Thyristors 33 geschaltet, dessen Gate-Elektrode G über einen Widerstand 34 mit der Minusklemme der dritten Wicklung 41-3 verbunden ist. Die Plusklemme der vierten Wicklung (dritte Sekundärwicklung) 41-4 ist über eine Diode Io4, eine Drossel Io5 und ein erstes Schaltelement (Thyristor) 22 an eine Kathode K angeschlossen,während ihre Minusklemme an der Gate-Elektrode G liegt. Der Kondensator 21 ist zwischen die Gate-Elektrode G des GTO-Thyristors und die Anode des Thyristors 22 eingeschaltet. Die Plusklemme der fünften Wicklung (vierte Sekundärwicklung) 41-5 ist mit der Kathode K verbunden, während ihre Minusklemme über eine Diode 25 und einen Widerstand 23 an die Gate-Elektrode des Thyristors 22 angeschlossen ist. Die sechste Wicklung (zweite Primärwicklung) 41-6 liegt mit ihrer Plusklemme über eine Diode 45 mit der angegebenen Polarität an der Minusklemme der Stromquelle 100 und mit ihrer Minusklemme an der Stromquelle 100.

Wenn der Transistor 42 getriggert wird, wird der GTO-Thyristor 1 durch die Resultierende der über die zweite und die dritte Wicklung 41-2 bzw. 41-3 induzierten Spannungen durchge-

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schaltet. Wenn eine Spannung über die vierte Wicklung 41-4 induziert wird, wird außerdem, ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9, der Kondensator 21 aufgrund der Resonanzwirkung zwischen Kondensator 21 und Drossel Io5 mit der angegebenen Polarität aufgeladen. Im Gegensatz zum dritten Schaltelement (Transistor) 32 wird das vierte Schaltelement (Transistor) 42 während der Durchschaltperiode des GTO-Thyristors 1 im Durchschaltzustand gehalten. Während dieses Durchschaltzustands wird der Impulsübertrager 41 gesättigt, wodurch der über die erste Wicklung 41-1 fließende Strom auf eine durch einen Widerstand 43 bestimmte Größe begrenzt wird.

Wenn die Spannung der Stromquelle 100 mit E und der Widerstandswert des Widerstands 43 mit R bezeichnet werden, entspricht der über die erste Wicklung bzw. die erste Primärwicklung 41-1 des Impulsübertragers 41 fließendeStrom E/R. Wenn der Transistor 42 zum Abschalten des GTO-Thyristors 1 sperrt, wird der Erregerstrom über den Impulsübertrager 41 abgeschaltet, wo^bei die Polarität der über jede Wicklung induzierten Spannung im Augenblick des Abschaltens oder Sperrens gegenüber der angegebenen Polarität umgekehrt wird. Infolgedessen werden die Thyristoren 22 und 33 gleichzeitig getriggert. Beim Triggern des Thyristors 22 fließt ein erster Impulsstrom vom Kondensator 21 in G_egen- oder Sperrichtung von der Kathode K zur Gate-Elektrode G; beim Triggern des Thyristors 33 fließt der Strom über die dritte Wicklung 41-3 als zweiter Impulsstrom in Gegen- oder Sperrichtung von der Kathode K zur Gate-Elektrode G, und zwar über eine Schleife von der dritten Wicklung 41-3 über die Kathode K, die Gate-Elektrode G und den Thyristor 33 zurück zur dritten Wicklung 4l-3. Wenn die Windungszahlen der Wicklungen 41-1 bis 41-6 mit nl bis n6 bezeichnet werden,

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so ergibt sich die Größe des Stroms über die dritterwiclclung 41-3, d.h. der Höchstwert des zweiten Impulsstroms, zu -^. Durch die Resultierende (resultant) des Entladungsstroms (d.h. erster Impulsstrom) mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit vom Kondensator 21 und des Stroms von der dritten Wicklung 41-3, der eine längere Dauer besitzt als der Entladungsstrom, (d.h. zweiter Impulsstrom) kann somit der GTO-Thyristor 1 ohne weiteres durchgeschaltet werden.

sich
Wenn/die Schaltung gemäß Fig. 10 beim Sperren des GTO-

Thyristors 1 in einem Zustand leichter oder schwacher Last befindet, erholt sich die Isolierung oder Trennung zwischen den Anschlüssen G und K des GTO-Thyristors, bevor der Kondensator 21 vollständig entladen ist. In diesem Fall wird die zusätzliche Ladung des Kondensators 21 über eine Schleife vom Kondensator 21 über den Thyristor 22, die Kathode K, die dritte Wicklung 4l-3, die Diode 36 und den Kondensator 21 entladen. Durch entsprechende Wahl des Verhältnisses zwischen der Windungszahl ri6 der sechsten Wicklung bzw. zweiten Pri·* märwlcklung 41-6 und der Windungszahl n3 der dritten Wicklung 41-3 des Impulsübertragers 41 wird hierbei das Potential auf der sechsten Wicklung 41-6 an der Seite des schwarzen Punkts niedriger als das Potential an der Minusklemme der Stromquelle 100, wodurch die Diode 4-5 durchgeschaltet und die Klemmenspannung über die zweite Sekundärwicklung 41-6 an die Spannung E angeklammert (to clamp) wird. Die Klemmenspannung über die dritte Wicklung 41-3 wird dabei zu n3E/n6. ErsichtBcherweise kann somit die Zahl der Windungen n3 und n6 so gewählt werden, daß diese Spannung n3E/n6 unter der Durchbruchspannung zwischen den Anschlüssen G und K des GTO-Thyristors 1 liegt. Auf diese Weise kann die Überschußenergie

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des Kondensators 21 zur Stromquelle 100 zurückgeführt werden.

Fig. 11 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung,bei welcher der zweite Impulsstrom dem GTO-Thyristor über Stromwandler zugeführt wird. Diese Ausführungsform ist dann besonders wirksam, wenn sie auf eine Konstruktion mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten GTO-Thyristoren angewandt wird. In

Fig. 11 sind GTO-Th!ristoren la und Ib in Reihe geschaltet.

Impulsübertrager lolb und lolc umfassen Primärwicklungen lolbl und lolcl, die über einen zweiten Sehalttransistor Io2 mit der Stromversorgung bzw. -quelle 100 verbunden sind, sowie zweite bzw. Sekundärwicklungen Iolb2 und Iolc2 mit jeweils gleicher Windungszahl. Bei dieser Ausführungsform sind die Bauteile 11, 12, 13, 21, 22, Io3, Io4, Io5 und Io6 gemäß Fig.6 auf die dargestellte Weise an die jeweiligen Sekundärwicklungen Iolb2 und Iolc2 angeschlossen, und die Kondensatoren 21 für die Sekundärwicklungen Iolb2 und Iolc2 liefern jeweils den ersten Impulsstrom zu den betreffenden GTO-Thyristoren la und Ib. Stromwandler 50a und 50b weisen je^weils Primärwicklungen 50al bzw. 50bl auf, die über einen Widerstand 35 und ein drittes Schaltelement (Transistor) 32 mit einer Stromquelle 100 verbunden sind. Eine der Primärwicklung 50al entsprechende Sekundärwicklung 50a2 liefert über einen Thyristor 33 einen zweiten Impulsstrom zum GTO-Thyristor la, während eine der Primärwicklung 50bl entsprechende Sekundärwicklung 50b2 über einen Thyristor 33 den zweiten Impulsstrom zum GTO-Thyristor Ib liefert. Eine Sekundärwicklung 50a3, entsprechend der Primärwicklung 50al, dient zum Durchschalten des mit der Sekundärwicklung Iolb2 des Impulsübertragers lolb verbundenen

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Thyristors 22, während eine Sekundärwicklung 50 b3, entsprechend der ^Primärwicklung 50bl, zum Durchschalten des mit der Sekundärwicklung Iolc2 des Impulsübertragers lolc verbundenen Thyristors 22 vorgesehen ist. Die Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. 11 entspricht völlig derjenigen der Schaltung nach Fig. 6, so daß sie im folgenden nicht näher erläutert zu werden braucht. Da die Primärwicklung des Stromwandlers eine einfache, einen Kern durchsetzende Leitung sein kann, kann dann, wenn mehrere GTO-Thyristoren in Reihe geschaltet sind, ein Durchgang-Stromwandler (straight-through current transformer) verwendet werden.

In Fig. 12 ist eine sechste, im folgenden zu beschreibende Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Der erste und der zweite Impulsübertrager Io1 bzw. 31 sind dabei bereits in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben worden. Diese weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß ein Leiter, der die Verzweigung Io9 zwischen der Plusklemme der Sekundär=* wicklung 31-2 des zweiten Impulswandlers 31 und der Kathode K des GTO-Thyristors 1 sowie die Verzweigung bzw. Verbindung 110 zur Minusklemme der Sekundärwicklung lol-2 des ersten Impulstransformators verbindet, einen Magnetkern 39 durchsetzt. Eine zwischen die Anode A und die Kathode K geschaltete Schaltung Io8 ist eine an sich bekannte "Snubber"-Schaltung. Beim Sperren des GTO-Thyristors wird von der Anode A zur Kathode K eine Spannung V erzeugt. Wenn die Anstiegs ge schwin=* digkeit dV/dt zu groß ist, wird der GTO-Thyristor wieder durchgeschaltet, so daß es sich empfiehlt, die Größe dV/dt auf einen zweokmäßigen Wert zu begrenzen. Der Magnetkern 39 dient diesem Zweck. Wenn nämlich der Sperrstrom von der Sekundär-

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wicklung 31-2 des zweiten Impulsübertragers 31 von der Kathode K zur Gate-Elektrode G fließt, wird der Magnetkern 39 durch den zweiten Impulsstrom in einen vorbestimmten Magnetisierungszustand versetzt, wodurch die Größe dV/dt auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird.

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-21-

L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

,ll Steuerkreis für einen Vollsteuergate-Thyristor, gekenn-V

zeichnet durch einen ersten Schaltkreis (2; Fig. 4), der so zwischen die Kathode und die Gate-Elektrode eines Vollsteuergate-Thjsistors (gate turn-off thyristor) (1) geschaltet ist, daß ein erster Impulsstrom (Iq,j Fig. 5) mit großer Anstiegsgeschwindigkeit und schmaler Impulsbreite als Gegen- oder Sperrstrom von der Kathode zur Gate-Elektrode des Vollsteuergate-Thyristors synchron mit dem Zeitpunkt des Sperrens dieses Thyristors fließt, und durch einen zweiten Schaltkreis (3; Fig. 4), der zum ersten Schaltkreis so parallel geschaltet ist, daß ein zweiter Impulsstrom (Ip₂J Pig* 5) mit niedrigerer Anstiegsgeschwindigkeit und größerer Impulsbreite als beim ersten Impulsstrom in Überlagerung zu diesem in Gegen- bzw. Sperrichtung und synchron bzw. im Takt mit dem SperrZeitpunkt von der Kathode zur Gate-Elektrode fließt.
2. Steuerkreis nach Anspruch I₅ dadurch gekennzelehnet, daß der erste Schaltkreis ein erstes Schaltelement (22), das synchron mit dem Zeitpunkt des Sperrens des Vollsteuer·= gate-Thyristors durchschaltbar ist, einen Kondensator (21), der mit einer solchen Polarität aufladbar ist, daß sein Entladungsstrom als erster Impulsstrom in Sperrichtung

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von der Kathode zur Gate-Elektrode des Vollsteuergate-Thyrlstors über das erste Schaltelement fließt, wenn dieses durchgeschaltet ist, und einen Impulsübertrager (lol, lola und lolb) aufweist, der mit einer Stromquelle über ein zweites Schaltelement (Io2) verbunden ist, das zu einem gewünschten Zeitpunkt durchschaltbar ist und in seinem Durchschaltzustand den Kondensator (21) mit der genannten Polarität aufzuladen vermag, und daß der zweite Schaltkreis einen Impulsübertrager (lol, lolb) oder einen Stromwandler (50a) mit einer Primärwicklung (31-1, 5OaI), die mit einer Stromquelle' über ein drittes Schaltelement (32) verbunden ist, das synchron mit dem SperrZeitpunkt des Vollsteuergate-Thyristors (1) durchschaltbar ist, und eine Sekundärwicklung (31-2, 50a2) aufweist, die im Durchschaltzustand des dritten Schaltelements (32) den zweiten Impulsstrom in Gegenrichtung bzw. Sperrichtung von der Kathode zur Gate-Elektrode des Vollsteuergate-Thyristors fließen läßt.
3. Steuerkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schaltkreise durch eine Rückkopplungssehaltung (Schleife 21, 22, 31-2, 36, 21; 31-1, 100, 37, 31-1 gemäß Fig. 8)verbunden sind, um nach dem Sperren des Vollsteuergate-Thyristors die im Kondensator enthaltene Energie zur Stromquelle zurückzuführen bzw. rückzukoppeln.
4. Steuerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schaltkreis eine zwischen die Kathode und die Gate-Elektrode des Vollsteuergate-Thyristors geschaltete Schutzschaltung (11, 12) aufweist, welche die zwischen Kathode und Gate-Elektrode des Vollsteuergate-Thyristors

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ORiGiNAL 'USrECTEO

angelegte Gegen- oder Sperrspannung auf einer vorbestimmten Größe hält, und daß die über die Sekundärwicklung (31-2, 31a-2) des Impulsübertragers oder Stromwandlers im zweiten Schaltkreis induzierte Spannung auf eine unterhalb der vorbestimmten Größe liegende Größe eingestellt ist.
5. Steuerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schaltkreis ein erstes Schaltelement (22), das synchron bzw. im Takt mit dem SperrZeitpunkt des Vollsteuergate-Thyristors (1) durchschaltbar ist, einen Kondensator (21), der mit einer solchen Polarität aufladbar ist, dass sein Entladungsstrom in Gegen- oder Sperrichtung als erster Impulsstrom von der Kathode zur Gate-Elektrode des genannten Thyristors (1) über das erste Schaltelement fließt, wenn letzteres durchgeschaltet ist, und einen Impulsübertrager (²U) mit vier Wicklungen (41-1 bis 41-4) aufweist, von denen die erste Wicklung (41-1) mit einer Stromquelle (100) über ein viertes Schaltelement (43) verbunden ist, das bei durchgeschaltetem Thyristor (1) im Durchschaltzustand haltbar ist und das im Augenblick des Sperrens des Thyristors (1) abgeschaltet bzw. gesperrt wird, und die vierte Wicklung (41-4) so geschaltet ist, daß sie im Durchschaltzustand des vierten Schaltelements (42) den Kondensator (21) mit der bzw. auf die genannte Polarität auflädt, daß der zweite Schaltkreis eine Reihenschaltung aus der zweiten und der dritten Wicklung (41-2 bzw. 41-3) umfaßt, wobei die eine Klemme der Reihenschaltung, welche die Plusklemme bildet, wenn das vierte Schaltelement geschlossen ist, mit der Gate-Elektrode des Vollsteuergate-Thyristors (1) verbunden ist, während die andere, die Minusklemme bildende Klemme der Reihenschaltung

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an die Kathode angeschlossen ist, und daß die beiden Schaltkreise durch eine Rückkopplungsschaltung (Schleife 21, 22, K, 41-3, 36, 21; 41-6, 45, 100, 41-6; Fig. 10) ve^rbunden sind, welche die im Kondensator (21) zum SperrZeitpunkt des Thyristors (1) enthaltene Energie zur Stromquelle zurückführt bzw. rückkoppelt.

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