DE2443930A1

DE2443930A1 - Halbleiter-zweirichtungs-schaltanordnung

Info

Publication number: DE2443930A1
Application number: DE19742443930
Authority: DE
Inventors: Ichiro Ohhinata; Shinzi Okuhara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-09-14
Filing date: 1974-09-13
Publication date: 1975-04-24
Also published as: JPS5250673B2; DE2443930B2; JPS5056143A; CA1022243A; US3959668A

Description

81-23.199P 13. 9. 197¹»

HITACHI, LTD.; Tokio (Japan)

Halbleiter-Zwcirichtunys-Schaltanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Zweirichtung s-Schaltanordnung mit Thyristoren für die Fernsprechvermittlung oder dgl., die ein Wechselstromsignal ohne Unterbrechung leitet.

Eine herkömmliche Zweirichtungs-Schaltanordnung mit Thyristoren zum Schalten eines Wechselstromsignals hat zwei antiparallel geschaltete Thyristoren, so daß ein Signal durch diese geleitet wird, indem ein Strom in die Gatter (Steuerelektroden) der Thyristoren von einer Ansteuereinrichtung eingespeist wird. Die herkömmliche Zweirichtungs-Schaltanordnung erfordert abhängig von der Belastung, daß

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die Spannung an der Ansteuereinrichtung größer als der Maximalwert der Spannung des Wechseistromsignals ist, damit das Wechselstromsignal durch die Anordnung geleitet wird. Mit anderen Worten, da die Thyristoren ausgeschaltet sind und der Strom in ihnen schnell auf Null abfällt, wenn der durch die Thyristoren fließende Strom unter deren kleinsten Haltestrompegel Verringert wird, muß dafür gesorgt werden, daß der Gatterstrom ununterbrochen fließt, wenn der Signalstrom unter dem kleinsten Haltestrompegel kontinuierlich fließt. Solange die Last aus einem reinen Widerstand besteht, kann einfach erreicht werden, daß der Gatterstrom kontinuierlich fließt, da die Spannung bei einem kleinen Stromwert niedrig ist. Wenn jedoch die Last induktiv oder kapazitiv mit einer Phasendifferenz zwischen dem Laststromsignal und der Laststromspannung ist, hat die Spannung an ihrem höchsten Pegel einen kleinen Stromwert, wo.bei der Gatterstrom angelegt werden muß, so daß es erforderlich ist, eine Ansteuereinrichtung vorzusehen, die eine höhere Gatteransteuerspannung als den Maximalwert der Signalspannung aufweist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung anzugeben, bei der eine Signalspannung durch die Thyristoren ohne jedes kurzzeitige Ausschalten geleitet wird, selbst wenn der Strom des Wechselstrom signals unter den kleinsten Haltestrompegel der Thyristoren so gefallen ist, daß ein Gatterstrom der Thyristoren kontinuierlich mit einem niedrigen Ansteuerspannungspegel unabhängig von der Amplitude einer Signalspannung fließt.

Erfindungsgemäß ist eine Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung vorgesehen, die zwei durch Einspeisung eines Stromes angesteuerte Kathoden-Gatter-Ansteuer-Thyristoren und zwei Anoden-Gatter-

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Ansteuer-Thyristoren aufweist, die durch Abgriff eines Stromes angesteuert sind, welche Bauelemente so angeordnet sind, daß wenigstens einer der Gatterströme so lange fließt, als die Signalspannung durch die Thyristoren übertragen werden soll.

Die Erfindung sieht also eine Halbleiter-Zweirichtung s-Schaltanordnung vor, die zwei antiparallel geschaltete Thyristorpaare aufweist, wobei jedes Paar aus einem Kathoden-Gatter-Ansteuer-Thyristor und einem Anoden-Gatter-Ansteuer-Thyristor besteht, und wobei die Kathoden-Gatter der Kathoden-Gatter-Ansteuer-Thyristoren mit einer Kathoden-Gatter-Ansteuereinrichtung zur Einspeisung eines Stromes und die Anoden-Gatter der Anoden-Gatter-Ansteuer-Thyristoren mit einer Anoden-Gatter-Ansteuereinrichtung zum Übernehmen eines Stromes verbunden sind, so daß der Gatterstrom der Thyristoren unabhängig vuii dor Siynalspannung kontinuierlich fließt, wodurch das Wechselstrom signal ohne plötzliches Abschalten durch diese Bauelemente fließen kann, selbst wenn das Wechselstromsignal unter den kleinsten Haltestrompegel der Thyristoren abfällt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein herkömmliches Schaltbild mit zwei antiparallel geschalteten Thyristoren,

Fig. 2 die Lastspannung und den Laststrom der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung,

Fig. 3 eine Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

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Fig. 4 den Laststrom und die Lastspannung der in der Fig. 3 dargestellten Schaltung,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig . 7 einen Vierschicht-Thyristor.

Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden, soll auf den Verlauf der Lastspannung und des Laststromes bei einer herkömmlichen Halbleiter-Schaltanordnung eingegangen werden (Fig. 1 und 2).

In der Fig. 1, die eine herkömmliche Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung zeigt, ist ein Zweirichtungsglied 1 einschließlich zweier antiparallel geschalteter Thyristoren vorgesehen, damit ein Wechselstromsignal geleitet wird, indem ein Strom in die Gatter der Thyristoren von einer Ansteuereinrichtung 2 oder 2' eingespeist wird, die jeweils aus einem Konstantstromglied und einer Stromquelle bestehen .

Weiterhin sind zwei Widerstände 4 zwischen die Kathode und die Kathoden-Gatter-Strecke des Thyristors geschaltet, wodurch eine Fohlzündung der Thyristoren aufgrund des dV/dt-Effektes (Rate- oder Goschwindigkeitseffekts) verhindert wird, obwohl der für die Thyristoren erforderliche Ansteuer- und Haltestrom durch die Widerstände zunimmt.

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Als Hauptbedingung für die Schaltung wird angenommen, daß ein Signal durch das Zweirichtungsschaltglied 1 geleitet wird, das mit einer Signalquelie 5 und einer kapazitiven Last 6 verbunden ist,wie dies in der Fig. 1 gezeigt ist. Wie aus dem Diagramm der Fig. 2 hervorgeht, ist offensichtlich, daß der Laststrom 7 der Lastspannung 8 um ungefähr U/2 voreilt. Der Gatterstrom kann nicht fließen, wenn die Gatteransteuerspannung niedriger als die maximae Lastspannung ist, so daß der Laststrom plötzlich auf Null unter den minimalen Haltestrom 18 der Thyristoren abfällt, wie dies durch ein Bezugszeichen 9 angedeutet ist, wobei der Laststrom plötzlich in der entgegengesetzten Richtung zunimmt, wenn die Signalspannung auf einen ausreichend niedrigen Pegel abfällt, damit der Gatterstrom zu den Thyristoren gespeist werden kann.

Bei dem Verfahren kann das erneute Zünden des Thyristors und das Abschalten der Thyristoren aufgrund der Unfähigkeit des Laststromes, den kleinsten Haltestrom der Thyristoren zu erreichen, trotz einer erfolgreichen erneuten Zündung alternativ abhängig von den Bedingungen der Schaltung auftreten. Ein Verfahren zur Verhinderung einer derartigen Schwierigkeit, bei dem eine Gatteransteuerspannung höher als der maximale Pegel der Signalspannung ist, wodurch erreicht wird, daß der Gatterstrom unter jeder Bedingung fleißt, ist unwirtschaftlich, und die damit verbundene hohe Gleichspannung ist hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Bauelemente der Schaltung von Nachteil.

Die Erfindung vermeidet den oben erwähnten Nachteil der herkömmlichen Zweirichtungs-Schaltanordnung und sieht eine Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung vor, bei der der Gatterstrom der Thy-

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ristoren kontinuierlich mit einer niedrigen Ansteuerspannung unabhängig von der Amplitude einer Signalspannung fließen kann, so daß der Signalstrom ohne jedes plötzliche Abschalten durch die Thyristoren geleitet wird, selbst wenn die Spannung des Wechselstrom signales unter den kleinsten Haltestrom pegel der Thyristoren abfällt.

Die Fig. 3 zeigt eine Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Zustand, in dem ein Wechselstromsignal geleitet wird. In dieser Figur sind vorgesehen ein Kathoden-Gatter-Ansteuer-Thyristor 11, ein entgegengesetzt zum Kathoden-Gatter-Ansteuer-Thyristor 10 geschalteter weiterer Kathoden-Gatter-Ansteuer-Thyristor 12, ein entgegengesetzt zum Anoden-Gatter-Ansteuer-Thyristor 11 geschalteter weiterer Anoden-Gatter-Ansteuer-Thyristor 13, eine Kathoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 2 aus einem Konstantstromglied und einer Stromquelle, eine Anoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 14 aus einem Konstantstromglied und einer Stromquelle, Dioden 3, die einerseits den Gatter strom teilen, damit dieser in die Thyristoren 10 und 12 eingespeist wird, und die andererseits den Sperrstrom von den Thyristoren 10 und 12 zum Konstantstromglied der Kathoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 2 unterbrechen, und Dioden 15, die den von den Thyristoren 11 und 13 übernommenen Gatterstrom teilen und den Sperrstrom vom Konstantstromglied der Anoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 14 zu den Thyristoren 11 und 13 unterbrechen. Die Signalquelle 5 und das Lastglied 6 können von beliebiger Art sein, obwohl zahlreiche Formen wie bei der Fig. 1 möglich sind. Zur Vereinfachung And die Widerstände 4, die in der Fig. 1 zwischen den Gattern und den Kathoden liegen, in der Fig. 4 nicht dargestellt.

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In der Fig. 4, die die Beziehung zwischen dem Laststrom und der Lastspannung zeigt, die jeweils der Schaltung der Fig. 3 zugeordnet sind, eilt die Phase des Laststromes 16 der Phase der Lastspannung 17 vor. Anhand der Fig. 3 und 4 wird der Betrieb der Schaltung weiter unten näher erläutert.

Wenn der Laststrom 16 unter den Pegel 18 des kleinsten Haltestromes der Thyristoren der Fig. 3 abfällt, kann ein plötzliches Ausschalten bei keinem kontinuierlichen Fluß des Gatterstromes auftreten, wie dies in der Fig. 2 durch das Bezugszeichen 9 angedeutet ist. Die Art und Weise, in der die oben erwähnte Schwierigkeit des plötzlichen Abschaltens durch die erfindungsgemäße Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung überwunden wird, soll erläutert werden, indem das betrachtete Signal in Bereiche 19 bis 22 eingeteilt wird, um das Verständnis des Betriebs der erfindungsgemäßen Schaltanordnung zu erleichtern. Zunächst bewirkt im Bereich 19 die Tatsache, daß die Lastspannung 17 nahezu ihren Maximalwert hat und die Anoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 14 sich auf einem negativen Potential befindet, ein Ausströmen des Gatterstromes und ein weiteres Schließen des Anoden-Gatter-Ansteuer-Thyristors 11. Im Bereich 20, in dem sich die Polarität des Signalstromes ändert und in dem die entgegengesetzt geschalteten Thyristoren geschlossen werden müssen, ist die Spannung auf ihrem maximalen positiven Wert, und daher fließt ein Gatterstrom durch das Anoden-Gatter-Ansteuerglied 14, damit dieses im Betrieb ist, mit dem Ergebnis, daß der Anoden-Gatter-Ansteuer-Thyristor 13 weiterhin geschlossen ist, um in diesem Bereich wirksam zu sein. In den Bereichen 21, in denen die Spannung im wesentlichen ihren negativen Maximalwert hat, kann ein Gatterstrom von der Kathoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 2 bei einer niedrigen Span-

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nung gespeist werden, so daß der Kathoden-Gatter-Ansteuer-Thyristor 12 geschlossen gehalten wird, um dadurch in diesem Bereich wirksam zu sein. In den Bereichen 22, in denen der Signalstrom seine Polarität ändert und im wesentlichen den negativen Maximalwert d€?r Spannung annimmt, wird ein Gatter strom von der Kathoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 2 eingespeist, und der Kathoden-Gatter-Thyristor 10 wird geschlossen gehalten, um in diesem Bereich wirksam zu sein.

Beim ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 kann ein Gatterstrorn bei einer niedrigen Ansteuerspannung vom Anoden-Gatter bei einer positiven Signalspannung übernommen werden, während ein Gatterstrom bei einer niedrigen Ansteuerspannung vom Kathoden-Gatter bei einer negativen Signalspannung gespeist werden kann. Thyristoren, die durch positive und negative Ansteuereinrichtungen ansteuerbar sind j find parallel geschaltet, so daß der Thyristor, bei dem ein Gatterstrom in Übereinstimmung mit der Signalspannung fließen kann, geschlossen gehalten wird, wodurch der Signalstrom kontinuierlich fließen kann, selbst gegenüber einem kleinen Strom unter dem minimalen Haltestrom der Thyristoren.

Weiterhin sind bei der Schaltung der Fig. 3 zwei Thyristorpaare antiparallel durch jeweils die Dioden 3 und 5 geschaltet, so daß es möglich ist, die Anzahl der Konstantstromglieder in der Gatter-Ansteuereinrichtung im Vergleich zur herkömmlichen Schaltung auf die Halte zu verringern.

In der Fig. 3, die eine Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, ist der Zustand, in dem ein Wechselstrom signal geleitet wird, wie bei der

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Fig. 3 dargestellt. Dabei sind ein Thyristor 23 mit vier Anschlüssen einschließlich einem Kathoden-Gatt er und einem Anoden-Gatter und ein entgegengesetzt geschalteter Thyristor 24 mit vier Anschlüssen vorgesehen. Gatter-Ansteuereinrichtungen 2 und 14 sind'ähnlich angeordnet wie die entsprechenden Bauelemente der Fig. 3. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die zwischen dem Gatter und der Kathode in der Fig. 1 vorgesehenen Widerstände bei der Schaltung der Fig. 5 nicht dargestellt. Der Betrieb dieses Ausführungsbeispiels wird anhand der Fig. 4 näher erläutert. Im Bereich 19 fließt der Gatterstrom weiter vom Anoden-Gatter zur Anoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 14, so daß der Thyristor 23 mit vier Anschlüssen geschlossen gehalten wird, um in diesem Bereich wirksam zu sein. Im Bereich 20 fließt der Gatterstrom auch kontinuierlich vom Anoden-Gatter zur Anoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 14, mit dem Ergebnis, daß der Thyristor 24 mit vier Anschlüssen geschlossen gehalten wird, so daß dieser Bereich wirksam ist. Im Bereich 21 wird der Gatterstrom weiter von der Kathoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 2 zum Kathoden-Gatter gespeist, so daß der Thyristor 24 mit vier Anschlüssen geschlossen gehalten wird, um in diesem Bereich wirksam zu sein. Im Bereich 22 fließt der Gatterstrom weiter von der Kathoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 2 zum Kathoden-Gatter, und als Ergebnis wird der Thyristor 23 mit vier Anschlüssen geschlossen gehalten, um in diesem Bereich wirksam zu sein.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist die in der Fig. dargestellte Schaltung ähnlich der Schaltung der Fig. 3 so ausgebildet, daß das Signal kontinuierlich fließen kann, selbst wenn der Laststrom unter den minimalen Haltestrom der Thyristoren abfällt.

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Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 3 und 5 müssen die Gatter-Ansteuereinrichtungen 2 und 14 nicht notwendigerweise in Anbetracht der Tatsache eine symmetrische Form haben, daß es genügt, wenn eine von ihnen in Übereinstimmung mit der Lastspannung geschlossen gehalten wird, und daß der Schaltpunkt der Übernahme nicht auf einen Nullpotential gehalten werden muß.

In der Fig. 6, die ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, hat eine Anoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 14' ein direkt geerdetes 'Konstantstromglied, wobei die übrigen Bauelemente die gleichen Bezugszeichen wie entsprechende Bauelemente der Fig. 5 aufweisen. Die in der Fig. 6 dargestellte Schaltung arbeitet so, daß die Kathoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 2 auf einem etwas positiven Pegel der Signalspannung betrieben wird und im negativen Bereich der Signalspannung wirksam ist, während das Anoden-Gatter-Ansteuerglied 14' im positiven Bereich der Signalspannung wirksam ist.

Beim dritten Ausführungsbeispiel der Fig. 6 ist die Stromquelle für die Gatter-Ansteuereinrichtung mit der Seite der Kathoden-Gatt er Ansteuereinrichtung verbunden, aber es arbeitet so, wie wenn es mit der Seite der Anoden-Gatter-Ansteuereinrichtung verbunden ist.

In der Fig. 7, die die in den Ausführungsbeispielen der Fig. 5 und 6 verwendeten Thyristoren mit vier Anschlüssen zeigt, sind vorgesehen eine Anode 25, eine Kathode 26, ein Kathoden-Gatter 27 und ein Anoden-Gatter 28.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß die bei den Ausführung sbeispielen vorgesehene kapazitive Last durch eine andere Last,

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wie beispielsweise eine induktive Last, mit der gleichen Wirkung ersetzt werden kann, da der Anoden-Gatterstromfluß und der Kathoden-Gatterstromfluß leicht bei positiven und negativen Pegeln der Signalspannung unabhängig von der Amplitude erfindungsgemäß erzeugt werden kann.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist an der Erfindung vorteilhaft, daß ein Gatter strom kontinuierlich unabhängig von der Größe der Signalspannung oder der Lastspannung bei einer nieddrigen A nsteuer spannung fließt, selbst wenn der Laststrom unter den kleinsten Haltestrom der Thyristoren verringert ist, wodurch ein plötzliches Ausschalten des verwendeten Schaltgliedes, unabhängig von der Last, verhinderbar ist.

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Claims

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Pa tentaηsprüche

(l) Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung, mit einem Thyristoren aufweisenden Zweirichtungs-Schaltglied und mit zwei Ansteuoreinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Thyristorpaare (10, 12; 11, 13) antiparallel geschaltet sind, deren jedes einen Kathoden-Gatter-Ansteuer-Thyristor (10, 12) und einen Anoden Gatter-Ansteuerthyristor (11, 13) aufweist, daß die erste Anstouoreinrichtung (2) Strom in die Kathoden-Gatter der Kathoden-Gatt er -Ansteuer-Thyristoren (10, 12) speist, und daß die zweite Ansteueroinrichtung (14) Strom von den Anoden-Gattern der Anoden-Gatter-Ansteuer-Thyristoren (ll, 13) abnimmt (Fig. 3).
2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Ansteuereinrichtungen (2, 11) eine Stromquelle aufweist.
3. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ansteuereinrichtung (2) ein Konstantstromglied, eine Stromquelle und zwei Dioden (3) aufweist, und daß die Kathodon-Gatter der Kathoden-Gatter-Ansteuer-Thyristoren (10, 12) über die Dioden (3) mit dem Konstantstromglied verbunden sind.
4. Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ansteuereinrichtung (14) ein Konstantstr ornglied, eine Stromquelle und zwei Dioden (15) aufweist, und daß du· Anoden-Gatter der Anoden-Gatter-Ansteuer-Thyristoren (11, 13) über

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die Dioden (15) mit dem Konstantstromglied verbunden sind.
5. Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung mit einem Zweirichtungsschalterglied und mit zwei Ansteuereinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Thyristoren (23, 24) mit vier Anschlüssen jeweils ein Kathoden-Gatter und ein Anoden-Gatter aufweisen und antiparallel geschaltet sind, daß die erste Ansteuereinrichtung (2) Strom in die Kathoden-Gatter der Thyristoren (23, 24) speist, und daß die zweite Ansteuereinrichtuhg (14) Strom von den Anoden-Gattern der Thyristoren (23, 24) abnimmt (Fig. 5).
6. Schaltanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Ansteuereinrichtungen (2, 14) eine Stromquelle aufweist.
7. Schaltanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ansteuereinrichtung (2) ein Konstantstromglied, eine Stromquelle und zwei Dioden (3) aufweist, und daß die Kathoden-Gatter der Thyristoren (23, 24) über die Diode (3) mit dem Konstantstromglied verbunden sind.
8. Schaltanordnung nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ansteuerglied (14) eine Konstantstromquelle, eine Stromquelle und zwei Dioden (15) aufweist, und daß die Anoden-Gatter der Thyristoren (23, 24) über die Dioden (15) mit dem Konstantstromglied verbunden sind.

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