DE3609886C2

DE3609886C2 -

Info

Publication number: DE3609886C2
Application number: DE3609886A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Itami Hyogo Jp Mitsuoka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1985-03-25
Filing date: 1986-03-24
Publication date: 1989-10-12
Also published as: US4697219A; FR2579389B1; FR2579389A1; DE3609886A1; JPS61221528A

Description

Die Erfindung betrifft eine Dämpfungsschaltung zur Unter drückung des anomalen Anstiegs der Anoden-Kathoden-Spannung eines GTO-Thyristors, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Der GTO-Thyristor ist ein sogenanntes selbstlöschendes Element, bei dem ein Hauptstrom dadurch unterbrochen werden kann, daß man einen negativen Strom durch eine Steuerelek trode fließen läßt. Da keine Kommutierungsschaltung notwen dig ist, bietet der GTO-Thyristor den Vorteil, daß Schaltvorrich tungen kleiner gebaut werden können. Er wird daher in Zer hackerschaltungen, verschiedenen Wechselrichtern etc. in großem Umfang eingesetzt. Wenn jedoch die Anstiegsgeschwin digkeit der Anodenspannung des GTO-Thyristors beim Abschalten nicht unter einen für das GTO-Element vorgeschriebenen Wert bei der Unterbrechung des Hauptstroms (Anodenstroms) des GTO-Thyristors unterdrückt wird, erfolgt keine Abschaltung des GTO-Thyristors, und dieser wird dabei zerstört.

Fig. 1 ist ein Schaltbild, das eine bekannte Ausführungsform einer Dämpfungsschaltung zur Unterdrückung der Anstiegs geschwindigkeit der Anodenspannung (dV/dt) eines GTO-Thyristors zeigt. Die Dämpfungsschaltung 2, die der "Snubber"- Schaltung 108 in Fig. 12 der DE-OS 28 12 632 entspricht, ist der Anode 7 und der Kathode 8 des GTO-Thyristors 1 parallel geschaltet und umfaßt eine Diode 3, einen Kondensator 4 und einen Widerstand 5. Der Kondensator 4 und die Diode 3 sind in Reihe geschaltet und sind der Anode 7 und der Kathode 8 paral lelgeschaltet. Die Anode der Diode 3 ist mit der Anode 7 des GTO-Thyristors 1 über den Kondensator 4 gekoppelt, und ihre Kathode ist mit der Kathode 8 des GTO-Thyristors 1 so verbun den, daß sie dieselbe Polarität wie der GTO-Thyristor 1 hat. Der Widerstand 5 ist der Diode 3 parallelgeschaltet. Auf der anderen Seite ist ein Gate-Ansteuerkreis 6, der der Steuer elektrode 9 des GTO-Thyristors 1 einen Steuerimpulsstrom zum Ein- und Ausschalten zuführt, der Steuerelektrode 9 und der Kathode 8 parallelgeschaltet. Eine mit der Anode 7 gekoppelte Induktivität 10 ist die Streuinduktivität einer Hauptschaltung (nicht gezeigt).

Fig. 2 zeigt Signalverläufe zur Erläuterung des Abschalt vorgangs des GTO-Thyristors 1 nach Fig. 1. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 1 erläutert. Wenn von der Anode 7 zur Kathode 8 des GTO-Thyri stors 1 ein Hauptstrom I _A fließt, beginnt von der Kathode 8 zur Steuerelektrode 9 des GTO-Thyristors 1 ein Gate-Rückstrom I _GR zu fließen. Dann beginnt der Hauptstrom I _A nach einer un veränderlichen Verzögerungszeit t _s plötzlich abzunehmen. Zu diesem Zeitpunkt wird durch die Induktivität 10, die in der Hauptschaltung vorhanden ist, eine abrupte Spannungsspitze erzeugt. Wenn die Spannungsspitze gerade an die Anode 7 und die Kathode 8 des GTO-Thyristors 1 gelangen soll, fließt vorübergehend ein Nebenstrom durch den Kondensator 4 über die Diode 3, so daß keine plötzliche Änderung des Hauptstroms erfolgt und die Anodenspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit (dV/dt) während des Unterbrechungsvorgangs auf den vorgegebenen Wert unterdrückt werden kann. Die Geschwindigkeit dV/dt wird in diesem Fall grob durch dV/dt = I _GQ/C ausgedrückt, wobei I _GQ einen Abschaltstrom (den Hauptstrom unmittelbar vor der Abschaltung) und C die Kapazität des Kondensators 4 bezeichnen. Im Kondensator 4 während der Unterbrechung des Anodenstroms gespeicherte Ladungen werden über den Widerstand 5 innerhalb der Einschaltperiode des GTO-Thyristors 1 schnell entladen, so daß er für den nächsten Abschaltzyklus bereit ist.

Wenn man die Ein/Aus-Wiederholungsfrequenz des GTO-Thyristors 1 mit f und eine Schaltungsspannung (die Ladespannung des Kondensators 4) mit V _c bezeichnet, so ist der Stromverlust W _s durch diese Dämpfungsschaltung 2 ausgedrückt als W _s = (1/2) C · V²_c · f der Kapazität C des Kondensators 4 proportional.

Die bekannte Dämpfungsschaltung für den GTO-Thyristor ist wie vorstehend beschrieben aufgebaut. Wenn sich also der Hauptstrom I _A und damit der Abschaltstrom I _GQ ändert, muß die Kapazität C des Kondensators 4 entsprechend dem Höchst wert eingestellt werden. Infolgedessen ergibt sich das Problem, daß bei einem kleinen Verbraucher, dessen Abschalt strom I _GQ unter dem Höchstwert liegt, ein übermäßig hoher Verlust der Dämpfungsschaltung infolge der unnötig großen Kapazität des Kondensators eintritt (der Verlust der Dämpfungs schaltung ist der Stromverlust, der infolge des Ladens und Entladens des Kondensators auftritt und der größtenteils vom Widerstand 5 der Dämpfungsschaltung herrührt). Dies ist insbesondere bei einer Schaltung ein Problem, von der eine kurzzeitige Überlastbarkeit gefordert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dämpfungsschal tung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so zu verbessern, daß der Stromverlust der Dämpfungsschaltung weitgehend unab hängig von der Größe des zu schaltenden Hauptstromes minimiert wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Dämpfungsschaltung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer bekannten Dämpfungs schaltung für einen GTO-Thyristor;

Fig. 2 Signalverläufe, die die Funktionsweise des GTO-Thyristors von Fig. 1 bei Unterbrechung von dessen Hauptstrom erläutern;

Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Er findung;

Fig. 4 eine Grafik, die ein Beispiel für die Bezie hung zwischen der Kapazität eines Dämpfungs schaltungs-Kondensators und der Größe eines Gate-Abschaltstroms zeigt; und

Fig. 5 ein Teilschaltbild einer weiteren Ausfüh rungsform der Erfindung.

Das Schaltbild von Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Dabei sind gleiche Teile wie in der Schaltung von Fig. 1 mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht im einzelnen beschrieben. Nach Fig. 3 ist eine Hauptdämp fungsschaltung 2 ähnlich derjenigen von Fig. 1 der Anode 7 und der Kathode 8 eines GTO-Thyristors 1 parallelgeschal tet, und Hilfs-Dämpfungsschaltungen 2 a und 2 b sind eben falls angeschlossen. Da die Hilfs-Dämpfungsschaltungen 2 a 2 b gleichartig sind, wird hier nur die Auslegung der Hilfs-Dämpfungsschaltung 2 a erläutert. Diese umfaßt einen Kondensator 4 a, einen Thyristor 11 a, einen Widerstand 5 a und eine Diode 12 a. Der Kondensator 4 a und der Thyristor 11 a sind in Reihe geschaltet und zu der Anode 7 und der Kathode 8 parallelgeschaltet. Die Anode des Thyristors 11 a ist mit der Anode 7 des GTO-Thyristors 1 über den Konden sator 4 a verbunden, und seine Kathode ist mit der Kathode 8 des GTO-Thyristors 1 so verbunden, daß sie dieselbe Polarität wie der GTO-Thyristor 1 aufweist. Die Diode 12 a und der Widerstand 5 a sind in Reihe geschaltet und zu der Anode und der Kathode des Thyristors 11 a parallelgeschal tet. Die Kathode der Diode 12 a ist mit der Anode des Thy ristors 11 a verbunden, und ihre Anode ist mit der Kathode des Thyristors 11 a über den Widerstand 5 a so gekoppelt, daß ihre Polarität zu der des Thyristors 11 a entgegenge setzt ist.

Der Hauptstromweg des GTO-Thyristors 1 ist mit einem Stromfühler 13 versehen, der die Größe des Hauptstroms des GTO-Thyristors 1 erfaßt. Das Ausgangssignal dieses Strom fühlers 13 wird an eine Steuerschaltung 14 angelegt. Diese Steuerschaltung 14 hat die Funktion, selektiv die Hilfs- Dämpfungsschaltungen 2 a und 2 b nach Maßgabe der Größe des Hauptstroms des GTO-Thyristors 1 zu aktivieren. Die Steu erschaltung 14 umfaßt einen Stromsteller 15 a, einen Ver gleicher 16 a und einen Zündimpulsgeber 17 a, die für die Hilfs-Dämpfungsschaltung 2 a vorgesehen sind, sowie einen Stromsteller 15 b, einen Vergleicher 16 b und einen Zündim pulsgeber 17 b, die für die Hilfs-Dämpfungsschaltung 2 b vorgesehen sind. Jeweils einem Eingang des Vergleichers 16 a und 16 b wird das Ausgangssignal des Stromfühlers 13 zugeführt. Den anderen Eingängen der Vergleicher 16 a und 16 b werden die Ausgangssignale der Stromsteller 15 a bzw. 15 b zugeführt. Die Ausgangssignale der Vergleicher 16 a und 16 b werden jeweils den Zündimpulsgebern 17 a bzw. 17 b zuge führt. Deren Ausgangssignale werden wiederum den Steuer elektroden des Thyristors 11 a der Hilfs-Dämpfungsschaltung 2 a bzw. des Thyristors 11 b der Hilfs-Dämpfungsschaltung 2 b zugeführt.

Es soll nunmehr die Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 3 erläutert werden. Zuerst wird die Funktionsweise in einem Dauerlast-Modus erläutert, wobei der Abschaltstrom des GTO-Thyristors vergleichsweise niedrig ist. In diesem Fall hat der durch den GTO-Thyristor 1 fließende Haupt strom einen kleineren Wert als von den Stromstellern 15 a und 15 b eingestellte Werte, so daß die Vergleicher 16 a und 16 b Niedrigpegelsignale abgeben. Infolgedessen erzeugen die Zündimpulsgeber 17 a und 17 b keine Zündimpulse, und beide Hilfs-Dämpfungsschaltungen 2 a und 2 b sind inaktiv. Somit arbeitet in diesem Fall die den GTO-Thyristor auf weisende Vorrichtung nur mit der Haupt-Dämpfungschaltung 2, die den Kondensator 4 mit relativ geringer Kapazität enthält, so daß der Stromverlust der Dämpfungsschaltung minimiert ist.

Wenn andererseits aufgrund einer Lastschwankung od. dgl. der Abschaltstrom des GTO-Thyristors 1 den vom Stromstel ler 15 a eingestellten Stromwert übersteigt, wird der ent sprechende Thyristor 11 a gezündet und aktiviert die Hilfs- Dämpfungsschaltung 2 a. Damit arbeitet die den GTO-Thyri stor enthaltende Vorrichtung mit der Haupt-Dämpfungsschal tung 2 und der Hilfs-Dämpfungsschaltung 2 a, und die Kapa zität des gesamten Dämpfungs-Kondensators kann auf einen dem Abschaltstrom entsprechenden Wert erhöht werden.

Wenn ferner aufgrund einer erhöhten Last der Abschaltstrom des GTO-Thyristors 1 den vom Stromsteller 15 b eingestell ten Wert übersteigt, wird auch der entsprechende Thyristor 11 b gezündet. In diesem Fall arbeitet also die den GTO- Thyristor enthaltende Vorrichtung mit der Haupt-Dämpfungs schaltung 2 und mit beiden Hilfs-Dämpfungsschaltungen 2 a und 2 b. Daher kann die Kapazität des Dämpfungs-Kondensa tors weiter erhöht werden, so daß sie an den erhöhten Ab schaltstrom angepaßt ist.

Wie vorstehend erläutert, werden bei der Ausführungsform nach Fig. 3 die erforderlichen Dämpfungsschaltungen je nach der Größe des Abschaltstroms des GTO-Thyristors 1 aktiviert. Es ist somit immer möglich, die Kapazität des Dämpfungs-Kondensators auf dem optimalen Wert zu halten und damit den Stromverlust der Dämpfungsschaltung zu mini mieren. Die Grafik von Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die Beziehung zwischen der Kapazität C des Dämpfungs-Konden sators und dem Stromwert I _GQ, der unter Steuerung durch das Gate abschaltbar ist. Aufgrund der Beziehung nach Fig. 4 können die Kapazitäten der Kondensatoren 4, 4 a und 4 b sowie die den entsprechenden Kondensatorkapazitäten ent sprechenden Abschaltstromwerte auf praktisch brauchbare Werte eingestellt werden.

Die Reihenschaltung aus der Diode 12 a oder 12 b und dem Widerstand 5 a oder 5 b, die dem Thyristor 11 a bzw. 11 b parallelgeschaltet ist, kann die gespeicherten Ladungen des Kondensators 4 a bzw. 4 b innerhalb der Einschaltperiode des GTO-Thyristors 1 entladen, so daß er für den nächsten Abschaltzyklus bereit ist.

Das Schaltbild nach Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungs beispiel. Dieses ist eine Verbesserung des Entladekreises der Ausführungsform nach Fig. 3, und Fig. 5 zeigt nur den wesentlichen Schaltungsteil. Dabei ist eine Diode 18 a dem Verzweigungspunkt A der Diode 3 und des Kondensators 4 sowie dem Verzweigungspunkt B des Thyristors 11 a und des Kondensators 4 a parallelgeschaltet. Die Anode dieser Diode 18 a ist mit der Kathode des Thyristors 11 a über den Wider stand 5 verbunden, und ihre Kathode ist mit der Anode des Thyristors 11 a so gekoppelt, daß ihre Polarität zu der des Thyristors 11 a entgegengesetzt ist. Ferner ist eine Diode 18 b mit dem vorgenannten Verzweigungspunkt A und dem Verzweigungspunkt C des Thyristors 11 b und des Kondensa tors 4 b parallelgeschaltet. Die Anode dieser Diode 18 b ist mit der Kathode des Thyristors 11 b über den Widerstand 5 verbunden, und ihre Kathode ist mit der Kathode des Thyri stors 11 b so verbunden, daß ihre Polarität zu der des Thyristors 11 b entgegengesetzt ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 werden im Kondensator 4 a gespeicherte Ladungen über den Widerstand 5 sowie die Diode 18 a entladen, und im Kondensator 4 b gespeicherte Ladungen werden über den Widerstand 5 sowie die Diode 18 b entladen. Damit kann bei dieser Ausführungsform der Ent ladewiderstand 5 der Haupt-Dämpfungsschaltung 2 auch als Entladewiderstand für die Hilfs-Dämpfungsschaltungen 2 a und 2 b verwendet werden, wodurch der Schaltungsaufbau ver einfacht wird.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen zwar jeweils zwei Hilfs-Dämpfungsschaltungen auf, selbst verständlich können auch nur eine Hilfs-Dämpfungsschaltung oder mehr als zwei Hilfs-Dämpfungsschaltungen vorgesehen sein.

Als Schaltelemente zum Einbau in die Hilfs-Dämpfungsschal tungen 2 a und 2 b können die Thyristoren 11 a und 11 b auch durch Transistoren ersetzt werden. In diesem Fall können anstatt der Zündimpulsgeber 17 a und 17 b Einschalt-Steuer signalgeber vorgesehen werden, die die Einschalt-Steuer signale für die Transistoren während eines unveränderli chen Zeitintervalls aufgrund der Ausgangssignale der Ver gleicher 16 a und 16 b erzeugen.

Wie vorstehend beschrieben, werden bei der Erfindung eine oder mehrere Hilfs-Dämpfungsschaltungen je nach der Größe des Abschaltstroms eines GTO-Thyristors selektiv akti viert. Daher kann die Kapazität des Kondensators der Dämp fungsschaltung immer auf einem geeigneten Wert gehalten werden, und der Verlust durch die Dämpfungsschaltung kann immer entsprechend der Größe des Abschaltstroms minimiert wer den, wodurch eine GTO-Thyristorvorrichtung mit gutem Wir kungsgrad realisierbar ist.

Claims

1. Dämpfungsschaltung zur Unterdrückung eines anomalen An stiegs der Anoden-Kathoden-Spannung eines GTO-Thyristors, mit einer Hauptdämpfungsschaltung aus in Serie geschalte tem Kondensator und Diode und einem der Diode parallel geschalteten Widerstand, wobei die Anode der Diode über den Kondensator mit der Anode des GTO-Thyristors und die Kathode der Diode mit der Kathode des GTO-Thyristors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung (14) vorgesehen ist, die wenigstens eine parallel zur Hauptdämpfungsschaltung (2) angeordnete Hilfsdämpfungsschaltung (2 a, 2 b) selektiv nach Größe des durch den GTO-Thyristor (1) fließenden Hauptstromes akti viert, wobei die Hilfsdämpfungsschaltung (2 a, 2 b) aus einer Reihenschaltung aus einem weiteren Kondensator (4 a, 4 b) und einem Schaltelement (11 a, 11 b) mit parallel dazu angeord netem Entladekreis (12 a, 5 a, 12 b, 5 b) besteht und der Entla dekreis (12 a, 5 a, 12 b, 5 b) die im weiteren Kondensator (4 a, 4 b) gespeicherten Ladungen innerhalb einer Einschalt periode des GTO-Thyristors (1) entlädt.

2. Dämpfungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladekreis aus einer Diode (12 a, 12 b) und einem Widerstand in Reihenschaltung besteht, wobei die Kathode der Diode am Verbindungspunkt des weiteren Kondensators (4 a) mit dem Schaltelement (11 a, 11 b) angeschlossen ist.

3. Dämpfungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladekreis aus dem Widerstand (5) der Haupt dämpfungsschaltung und einer Diode (18 a) besteht, wobei die Kathode der Diode am Verbindungspunkt des weiteren Kondensators (4 a) mit dem Schaltelement (11 a, 11 b) an geschlossen ist.

4. Dämpfungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (11 a, 11 b) ein Thyristor ist, dessen Kathode mit der Kathode des den Hauptstrom führenden GTO-Thyristors (1) verbunden ist.

5. Dämpfungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (14) folgende Bauteile enthält:

- einen Stromfühler (13), der den durch den GTO-Thyristor (1) fließenden Hauptstrom erfaßt,
- einen Vergleicher (16 a, 16 b), der das Ausgangssignal des Stromfühlers (13) mit einem Sollwert vergleicht und
- einem Zündimpulsgeber (17 a, 17 b), der aufgrund eines Ausgangssignals des Vergleichers (16 a, 16 b) selektiv den Thyristor (11 a, 11 b) als Schaltelement zündet.

6. Dämpfungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement ein Transistor ist.

7. Dämpfungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (14) folgende Bauteile enthält:

- einen Stromfühler (13) der den durch den GTO-Thyristor (1) fließenden Hauptstrom erfaßt,
- einen Vergleicher (16 a, 16 b), der das Ausgangssignal des Stromfühlers (13) mit einem Sollwert vergleicht und einen Einschaltsignalgeber, der den Transistor selektiv aufgrund eines Ausgangssignals des Vergleichers (16 a, 16 b) einschaltet.