DE2506021C2 - Überspannungs-Schutzschaltungsanordnung für Hochleistungsthyristoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überspannungs-Schutzschaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Überspannungs-Schutzschal-. tung für Thyristoren ist in der US-PS 36 62 250 beschrieben.

Zum Stand der Technik werden weiterhin nach die folgenden US-Patentschriften genannt:
25 85 796,32 93 449,
34 05 344,35 73 550 und 36 26 271.

Die Nennwerte für den Durchlaßstrom und die Spitzenspannung eines Thyristors werden durch den Hersteller bestimmt. Diese Nennwerte bestimmen unter angegebenen Bedingungen und ohne Beschädigung des Thyristors den maximalen Laststrom, den der Thyristor im eingeschalteten Zustand leiten kann, und die maximale angelegte Spannung, der er im ausgeschalteten Zustand mit Sicherheit standhalten kann. Hohe Nennströme werden im allgemeinen dadurch erhalten, daß relativ großflächige Halbleiterplättchen verwendet werden, während hohe Nennspannungen relativ dicke Basisschichten in den Plättchen erfordern. So kann beispielsweise ein Thyristor mit einem mittleren Nennstrom in Durchlaßrichtung von 1250 Ampere und einer Spitzensperrspannung in Durchlaßrichtung von 2600 Volt bei einer Betriebstemperatur am Übergang von 70⁰C ein Plättchen besitzen, dessen Fläche etwa 19,35 cm² und dessen Dicke 0,75 mm betragen. Für Anordnungen mit höherer Spannung kann eine Vielzahl derartiger Thyristoren in Reihe geschaltet und gemeinsam betätigt werden. Ein derartiger Anwendungsfall ist die Hochspannungs-Gleichstromübertragung.

Während derjenigen zyklisch wiederkehrenden Intervalle, in denen die vorstehend beschriebene Anordnung in einem Ausschalt- oder Sperrzustand ist, ist diese

anfällig für Beschädigung durch extra hohe Spannungsstöße, die durch eine Vielfalt unterschiedlicher transienter Erscheinungen erzeugt werden können, wie beispielsweise durch Blitzschläge, Durchführungs-Überschläge oder Inverter-Kommutierungsfehler. Blitz- bzw. Überspannungsableiter werden gewöhnlich dazu verwendet, um transiente Überspannungen harmlos abzuleiten und zu unterdrücken. Es wird jedoch für nicht praktikabel und unklug gehalten, sich allein auf solche Ableiter zu stufen, um Halbleiterventile zu schützen, wenn diese unnormalen Spannungsstößen in der Durchlaßrichtung ausgesetzt sind. Da darüber hinaus der Ableiter gewöhnlich über das gesamte Ventil geschaltet ist, gibt es keine Garantie, daß jeder Einzelthyristor des Ventils nicht individuell einer überhöhten Spannung ausgesetzt wird- Wenn ein Stoß der Durchlaßariodenspannung an einem einzelnen Thyristor auf einen kritischen Wert oberhalb der Abschaltspitzenspannung erhöht werden würde, schaltet der Thyristor aufgrund eines Spannungsdurchbruches ein. Diese Art der Einschaltung, die durch einen Lawinendurchbrach, einen Durchgriff oder eine überhöhte Streuung hervorgerufen werden kann, ist in der Thyristortechnik eine bekannte Erscheinung Es ist weiterhin bekannt, daß das normale di/d/-Verhalten von üblichen Hochspannungsthyristoren (beispielsweise Thyristoren mit Spitzensperrspannungen von über 1500 Volt) stark vermindert ist, wenn der Thyristor auf diese Weise eingeschaltet wird.

In der eingangs genannten US-PS 36 62 250 ist eine jo verbesserte, auf Überspannung ansprechende Schutzschaltung zum Schützen eines Hochleistungs-Hauptthyristors vor einem Spannungsdurchbruch in Durchlaßrichtung beschrieben. Die Schutzschaltung umfaßt eine Vielzahl von PNPN-Halbleiterelementen niederer J5 Spannung, die zwischen die Anode und die Steuerelektrode (Gatter) des Hauptthyristors geschaltet sind, und eine LC-Reihenschaltung, die zwischen die Steuerelektrode und die Kathode geschaltet ist. Die PNPN-EIemente sind so ausgewählt, daß sie in einer Spannungs- -w durchbrachst einschalten, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung am Hauptthyristor eine vorbestimmte Schwellwertgröße erreicht, die kleiner als der Durchbruchswert des Thyristors ist, woraufhin dieser durch einen scharfen Steuerstoß aufgesteuert wird, ·»·> bevor die Spannung einen zerstörerisch hohen Wert erreicht.

Zwar hat die vorstehend beschriebene Überspannungs-Schutzschaltung in der Praxis gut gearbeitet, es wurde jedoch gefunden, daß extrem ungünstige > <> Bedingungen ihren Einsatz auf unerwünschte Weise begrenzen. So kann die Abstimmung zwischen dem DurchbrudiSwert der Schutzschaltung und demjenigen des Hauptthyristors gefährdet sein, wenn die Geschwindigkeit des Anstieges der Vorspannung in Durchlaßrich- 5^r> tung extrem hoch ist, beispielsweise 6000 Volt pro Mikrosekunde, oder wenn ein Durchlaßspannungsstoß einer bestehenden Sperrspannung großer Amplitude überlagert wird.

Demzufolge ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, weitere Verbesserungen bei der Überspannungs-Schutzschaltungsanordnung der aus der US-PS 36 62 250 bekannten Art zu schaffen, derart, daß das Leistungsvermögen einer derartigen Überspannungs-Schutzschaltungsanordnung vergrößert wird.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Schutzschaltungsanordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruc'is 1 gelöst. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zahlreiche Widerstände über die entsprechenden Elemente der Überspannungs-Abtastmittel geschaltet, um so jede Sperrspannung auf diese Elemente zu verteilen, die über dem Hauptthyristor auftritt Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein Kondensator einem der PNPN-EIemente der Überspannungs-Abtastmittel zugeordnet, um so die Zunahme der vorstehend erläuterten Schwellwertgröße der Vorspannung in Durchlaßrichtung mit zunehmenden Anstieggeschwindigkeiten zu begrenzen. Vorzugsweise ist zwischen der Schutzschaltung und der Steuereinrichtung des Hauptthyristors eine Trenndiode verwendet, und übv:r diese Diode ist ein Widerstand geschaltet, um die Ansammlung von Ladung auf dem Kondensator zu verhindern, wenn der Hauptthyristor in Sperrichtung vorgespannt ist

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematisches Schr-.lbild von einem steuerbaren elektrischen Ha!b!eiterv2nti! mit einer Reihenschaltung aus Hochleistungsthyristoren,

F i g. 2 ist eine schematische Darstellung von einer der Überspannungs-Schutzschaltungen, die in Fig. ί in Blockform dargestellt sind,

Fig.2A ist eine schematische Darstellung einer Abwandlung eines Teiles der in Fig.2 gezeigten Schaltungsanordnung,

Fig.3 ist eine Kurvendarstellung der Spannungsdurchbruchscharakteristik von einer typischen bekannten Schutzschaltung,

F i g. 4 ist eine Zeitdarstellung von Spannungen, die in der bekannten Schaltungsanordnung während eines bestimmten Vorspannungsstoßes bestehen.

In Fig. 1 ist eine Reihenschaltung aus Hauptthyristoren 111 bis 1 X_n gezeigt, die zwischen Anschlüssen a und d angeordnet sind, um ein steuerbares Hochspannungs-Halbleiterventil zu bilden, das für eine Verwendung mit anderen identischen Ventilen in einem Stromrichter für ein Hochspannungs-GIeichstromleistungsversorgungssystf·. Ji geeignet ist.

Die Nennspannung des dargesteliten Ventils ist ein Vielfaches der Spannungsbelastbarkeit seine? einzelnen Thyristoren. Der Nennstrom hängt von dem maximalen Nenndurchlaßstrom der einzelnen Thyristoren ab, und auf Wunsch können zusätzliche parallele Thyristoren verwendet werden. Um das Ventil einzuschalten, werden alle seine Hauptthyristoren gleichzeitig angesteuert, und wenn das Ventil auf diese Weise gezündet ist, kann es frei einen Laststrom führen in einer Durchlaßrichtung, bis es anschließend durch die Leitungsspannungskommutierung abgeschaltet wird. Zu verschiedenen Zeiten während seiner zyklischen leitenden oder nicht-leitenden Intervalle muß das in Fig. 1 gezeigte Ventil großen Spitzenspannunger widerstehen, die das zugehörige Leistungssystem normalerweise aufdrückt. Zusätzlich kann ein Ventil in seinem ausgeschalteten Zustand abnormalen Spannungsstößen ausgesetzt sein aufg' und transienter Erscheinungen, wie Blitzschlägen oder Durchführungsüberschlägen. Um dazu beizutragen, daß eine Beschädigung des Ventils aufgrund von übermäßig hohen Rückwärts- oder Vorwärts-Sperrspannungen verhindert ist, ist ein geeigneter Spannungsstoßunterdrücker wie der Überspannungsableiter 13 über die Ventilklemmen a und d geschaltet.

Aus Gründen, die in der US-PS 36 62 250 näher

beschrieben sind, ist jede der Hauptthyristorebenen des Ventils mit einer Überspannungs-Beschaltung 14 versehen. Die Einzelheiten des bevorzugten Ausführungsbeispicls einer derartigen Schaltungsanordnung sind schematisch in F i g. 2 gezeigt. Wie dort gezeigt ist, =, umfaßt die Überspannungs-Beschaltung 14 Überspannungs-Abtastmittel 15, die mit Energiespeicherungsmitteln 16 zwischen ersten und zweiten Anschlüssen 17 und 18 in Reihe geschaltet sind. Der erste Anschluß 17 ist mit der Anode des zugehörigen Hauptthyristors (beispiels- ι» weise Thyristor lli) verbunden, und der zweite Anschluß 18 steht mit der Kathode dieses Thyristors in Verbindung, wodurch die Reihenschaltung der Überspannungs-Abtastmittel 15 und die Energiespeichermittel 16 parallel zu dem Hauptthyristor angeordnet ist. Die ι -, Steuerschaltung weist ferner einen dritten Anschluß 19 auf, der über eine Trenndiode 20 und einen Widerstand 21 mit dem Verbindungspunkt 22 ihrer zwei Teile 15 und 16 verbunden ist. Der dritte Anschluß 19 ist mil Hpr Steuerelektrode des zugehörigen Hauptthyristors durch jo einen Leiter 23 verbunden.

Die Energiespeichereinrichtung 16 der Überspannungs-Beschaltung 14 enthält vorzugsweise einen Kondensator 24, der mit einer Induktivität bzw. einer Drossel 25 in Reihe geschaltet ist. Die Drossel 25 sollte ?-, einen relativ kleinen Induktivitätswert besitzen, der beispielsweise weniger als 10 Mikrohenry betragen kann. Nur wo ein einzelner Hauptthyristor an jeder Ebene des Ventils verwendet wird, wie es in F i g. 1 gezeigt ist, könnte diese Induktivität aus der Energie- n> speichereinrichtung weggelassen werden, wenn ein Kondensator 24 genügend der Kapazität verwendet werden würde.

Vorzugsweise enthält die Überspannungs-Abtasteinrichtung 15 eine Reihenschaltung aus in einer Richtung > > leitenden Elementen 27 und 28 und einer Induktivität 29. Alle Elemente 27 und 28 sind so gepolt, daß sie Strom in der gleichen Richtung leiten wie der parallele Hauptthyristor. Die Elemente 27 (in Fig.2 sind drei gezeigt, obwohl in der Praxis auch mehr oder weniger -to verwendet werden könnten) sind PNPN-Halbleiter-Schaltelemente mit übereinstimmender Polarität in Reihe miteinander verbunden. Die Elemente 28 sind kleine PN-Halbleiterelemente, die sicherstellen, daß die Überspannungs-Abtasteinrichtung 15 eine Rückwärts-Nennspannung hat, die diejenige des zugehörigen Hauptthyristors übersteigt

Jedes PN PN-Element 27 kann einen Hilfsthyristor mit kleineren Nennspannungen und Nennströmen bilden und eine kleinere Größe besitzen als jeder der Hauptthyristoren des Ventils. Sein charakteristischer Überschlagsspannungswert ist ein vorbestimmter Bruchteil der Gesamtspannung, die über der Überspannungs-Abtasteinrichtung 15 besteht, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung an dem zugehörigen Hauptthyristor einen vorbestimmten Schwellwert erreicht, und die vorbestimmten Bruchteile aller Hilfsthyristoren 27 sind auf entsprechende Weise ausgewählt, so daß deren Summe gleich der Gesamtspannung ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde dieses Ergebnis dadurch erhalten, daß drei Thyristoren in Reihe geschaltet wurden, die jeweils einen Nennstrom mit einem Effektivwert von 8 Ampere und eine Abschaltspannung von 400 Volt besaßen. Derartige Vorrichtungen können nach einer Spannungsdurchbruchsart eingeschaltet werden, indem an ihre entsprechende Hauptelektroden eine Durchlaßspannung in der Nähe von 750 Volt angelegt wird. In diesem Beispiel ist die Spitzenabschallspannung, die normalerweise an dem Hauptthyristor angelegt wird, kleiner als 2000 Volt, und demzufolge bleibt jeder der Hilfsthyristoren 27 normalerweise in seinem einen großen Widerstand aufweisenden Sperrziistand. Wenn jedoch die Vorspannung in Durchlaßrichtung an dem Hauptthyristor auf eine Schwellgröße von etwa 2200 Volt (diese Größe ist kleiner als der Durchschlagswert des Hauptthyristors) ansteigt, dann schaltet jeder der Hilfsthyristoren abrupt in den einen kleinen Widerstand aufweisenden, in einer Richtung leitenden Zustand um. Bei einem so gearteten Betrieb leitet die Überspannungs-Abtasteinrichtung 15 sofort einen Stromimpuls zwischen den Anschlüssen 17 und 19. und dieser Strom liefert ein Steuersignal (i_f) für die Steuereinrichtung des zugehörigen Hauptthyristors. Infolgedessen wird der Hauptthyristor gesteuert, bevor die Vorspannung in Durchlaßrichtung ihren kritischen Durchbruchswert erreicht. Wenn der Hauptthyristor pinrnal pincrpsrhaUpt ist, u/irH Hpr Strom von Hpr parallelen Überspannungs-Abtasteinrichtung 15 abgeleitet, und die Hilfsthyristoren, die nicht mehr genügend Strom erhalten, schalten bald ab. Die Abschaltung der Hilfsthyristoren wird durch die schwingungsdämpfende Wirkung der Energiespeichereinrichtung 16 unterstützt.

Solange die Überspannungs-Abtasteinrichtung 15 immer von ihrem Sperrzustand in ihren stromleitenden Zustand bei einer Größe der Vorspannung in Durchlaßrichtclg umschaltet, die kleiner als der Durchbruchswert des Hauptthyristors ist, mit dem sie verbunden ist, ist der Hauptthyristor gegenüber nachteiligen Konsequenzen der Einschaltung nach der Spannungsdurchbruchsart richtig geschützt. Die Hilfsthyristoren 27 werden durch das Einschalten in dieser Art nicht beschädigt. Dies liegt daran, daß ^cie einzeln kleine, eine niedrige Spannung aufweisende Vorrichtung sind und daß sie nur für einen relativ kurzen Zeitraum leiten müssen. Die Übergangskapazität derartiger Vorrichtun-. gen ist relativ klein, wodurch ein mögliches Problem einer vorzeitigen Aufsteuerung des Hauptthyristors aufgrund des Kondensatorladestromes zwischen den Anschlüssen 17 und 22 vermieden ist, wenn sich die Vorspannung in Durchlaßrichtung ihrem Schwellwert nähert. Das dv/df-Verhalten der Hilfsthyristoren ist wünschenswert groß, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, und die Immunität gegenüber einer dv/dt-Zündung kann in der Tat dadurch sichergestellt werden, daß ihre Steuerelektroden direkt mit ihren entsprechenden Kathoden verbunden werden, wie es in Fig.2 gezeigt ist

Der Spannungsdurchbruchswert eines Thyristors hat die Neigung, bei relativ hohen AnstiegsgeschwLdigkeiten der Vorspannung in Durchlaßrichtung anzusteigen. Dies liegt an der natürlichen Zeitverzögerung in der Lawinenwirkung, die stattfindet wenn der Durchbruchswert erreicht wird: Die Verzögerung ist so kurz (typischerweise 50 bis 100 Nanosekunden), daß ihre Wirkung bei relativ kleinen Anstiegsgeschwindigkeiten der Vorspannung in Durchlaßrichtung (beispielsweise weniger als 500 Volt/Mikrosekunde) vernachlässigbar ist Bei höheren Anstiegsgeschwindigkeiten der Durchlaßspannung nimmt der Spannungsdurchbruchswert als eine Funktion der Anstiegsgeschwindigkeit merklich zu. Dies ist in Fig.3 gezeigt, wo die Kurve 30 die Schwellwertgröße der Vorspannung in Durchlaßrichtung darstellt der bewirkt daß die drei in Fig.2 dargestellten Hilfsthyristoren in ihren stromleitenden Zustand umschalten. Der Schwellwert ist mit 22, kV bei kleinen Anstiegsgeschwindigkeiten der Vorspannung

angenommen. Unter der Annahme, daß die bei der Lawinenwirkung auftretende Verzögerung 50 Nanosekunden beträgt, nimmt die Schwellwertgröße um 50 Volt bei I kV/ujek um 100 Volt bei 2 kV nsek und um 300 Volt bei 6 kV jisek, zu. Es wurde gefunden, daß bei relativ großem dv/dt (beispielsweise mehr als 3 kV/fis) die Schwellwertgröße, bei der die Überschlags-AbtasteinrUhtung überschlägt, auf einen Wert zunehmen kann, der größer als die kritische Durchbruchsspannung des zugehörigen Hauptthyristors (dargestellt in Fig.3 durch die Kurve 31) ist. Falls dies auftrete'i würde, wäre der Hauptthyristor nicht richtig geschützt und deshalb solite eine solche Überspannungs-Schutzschaltungsanordnung nicht für ein System verwendet werden, wo Spannungsstöße in Durchlaßrichtung mit größeren Geschwindigkeiten ansteigen können.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Bereich von dv/di, für den die Überspannungs-Schutzschaltungsnnordming sicher angewendet werrjen kann.

dadurch erweitert, daß zu der Überspannungs-Abtasteinrichtung 15 geeignete Mittel hinzugefügt werden, um den Anstieg der Schwellwertgröße der Vorspannung in Durchlaßrichtung mit zunehmenden Anstiegsgeschwindigkeiten zu verkleinern. Gemäß Fig. 2 umfaßt die zusätzliche Anordnung einen Kondensator 35, der einem der PNPN-Elemente 27 parallel geschaltet ist. Der Kondensator 35. der eine relativ kleine Kapazität (typischerweise in der Größenordnung von 10 bis 100 Pikofarad) besitzt, ist so ausgewählt, daß sein Blindwiderstand auf geeignete Weise abnimmt mit zunehmen .'en Anstiegsgeschwindigkeiten der Vorspannung in Durchlaßrichtung, wodurch ein wachsender Anteil der Vorspannung über die anderen zwei PNPN-Elemente 27 gelegt wird, bis die letzteren Elemente bei einer kleineren Vorspannung durchschlagen als diejenige. die einen Durchschlag bewirken würde, wenn der Kondensator 35 weggelassen wäre. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, einen zusätzlichen Kondensator zu einem zweiten Element PNPN-Elemente parallel zu schalten oder Abstufungskondensatoren mit ungleichen Kapazitätswerten über alle drei Elemente 27 zu schalten.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Begrenzen der Zunahme der Schwellwertgröße der Vorspannung mit zunehmenden Anstiegsgeschwindigkeiten der Vorspannung ist in F i g. 2A dargestellt, wo ein Kondensator 35Λ nicht einem PNPN-Element 27 parallel geschaltet ist, sondern zwischen die Anode und die Steuerelektrode. Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit der Durchlaßspannung zunimmt, schaltet das Element 27 in seinen stromleitenden Zustand bei zunehmend kleineren Werten der Anodenspannung aufgrund des Zusammenwirkens des durch den Kondensator 35A fließenden Steuerstromes und der dv/dt-Wirkung.

In den vorstehenden zwei Absätzen wurde erläutert, wie der zusätzliche Kondensator 35 (oder 35A) die Arbeitsweise der Oberspannungs-Abtasteinrichtung 15 beeinflußt falls die angelegte Spannung mit einer relativ konstanten hohen Geschwindigkeit ansteigt, bis der Überschlagspunkt erreicht ist Die gleichen Mittel bewirken eine wünschenswerte Änderung der Schwellwertgröße bei Durchlaßspannungsstößen,, die mit steilen Fronten (über 500 Volt/Mikrosekunde) beginnen, sich dann aber abflachen unterhalb des stationären Durchschlagswertes des Hauptthyristors. Ein derartiger Stoß hat die Neigung, eine verzögerte Einschaltung des Hauptthyristors aufgrund des dv/di-Effektes herbeizuführen, aber die Schutzschaltung gemäß der Erfindung

spricht früher an und steuert den Thyristor, bevor er durch Einschalten in der dv/dl-Art beschädigt werden kann.

Bei einigen dieser Anordnungen kann ein Stoß der Durchlaßspannung gelegentlich einer bestehenden großen Vorspannung in Sperrichtung (d. h. größer als der vorstehend angegebene Schwellwert) überlagert sein. Wenn eine Überspannungs-Schutzschaltung gemäß der in der bereits erwähnten US-PS 36 62 250 beschriebenen Art in Sperrichtung vorgespannt ist, liegt praktisch die gesamte Spannung über den PN-Elementen 28, deren Sperrwiderstand viel größer ist als derjenige der PNPN-Elemente 27. Es wurde gefunden, daß die PNPN-Elemente bei einem Wert der Vorspannung in Durchlaßrichtung durchschlagen können, der kleiner als die gewünschte Schwellwertgröße ist, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung vom umgekehrt vorgespannten Zustand ansteigt. Um diese Erscheinung zu verstehen, sollte man sich klär machen, daß der in Sperrichtung vorgespannte PN-Übergang in jedem der Halbleiterelemente 27 und 28 eine gewisse Kapazität C besitzt, und infolgedessen fließt bei plötzlichen Änderungen in der aufgedrückten Spannung ein Ladestrom i durch alle Übergänge dieser in Reihe geschalteten Elemente. Da die innere Kapazität von jedem der PNPN-Elemente 27 etwa gleich derjenigen eines PN-Elementes 28 ist, kann angenommen werden, daß sich die Spannung über jedem Element mit im wesentlichen gleicher Geschwindigkeit (dv/dt= i/C) ändern muß. In F i g. 4 stellt die Kurve 32 die Vorspannung uti Kul, .thyristor dar, wenn sie in einem positiven oder Vorwärtssinn von einem negativen oder S^rrwert von etwa 2600 Volt rasch ansteigt, und die entstehende Spannung über den PNPN-Elementen ist durch eine gestrichelte Linie 33 und die entstehende Spannung über den PN-Elementen ist durch eine weitere gestrichelte Linie 34 dargestellt. Beide gestrichelten Linien haben nahezu die gleichen Steigungen. Wie dort gezeigt ist, kann die Spannung 33 über den PNPN-Elementen den Durchbruchswert (beispielsweise 2200 Volt) erreichen, während die Größe der Vorspannung in Durchlaßrichtung noch relativ klein (beispielsweise in der Nähe 1700) ist und bevor die letztere Spannung die kritische Schwellwertgröße erreicht hat, bei der die Schutzspannung arbeiten soll.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese unbefriedigende Arbeitsweise in der bereits beschriebenen Weise verhindert. Gemäß Fig.2 umfaßt die zusätzliche Anordnung zahlreiche Widerstände 36 und 37, die den entsprechenden Elementen 27 und 28 der Überspannungs-Abtasteinrichtung parallel geschaltet sind. Jedem PNPN-Element 27 ist ein getrennter Widerstand 36 parallel geschaltet und den drei PN-Elementen 28 ist ein gemeinsamer Widerstand 37 parallel geschaltet. Diese Widerstände sind so gewählt daß derjenige Teil der Vorspannung in Sperrichtung, der auf die PN-Elemente 28 verteilt ist kleiner ist als ein kritischer Bruchteil »x« der Gesamtspannung, wobei dieser Bruchteil auf der folgenden Gleichung berechnet werden kann:

_χ _

-27

Darin ist Vr_cv die maximale Größe der Sperrspannung, die den Hauptelektroden 17, 18 des geschützten Thynstors aufgedrückt werden kann, Vk) der Wert der

Durchlaßspannung, die einen Duichbriich der PNPN-Elemente der Überspannungs-Abtasteinrichtung 15 bewirkt. Cn ist der resultierende Wert der Kapazität der PNPN-Elemente 27 und C₂« ist der resultierende Wert der Kapazität der PN-Elemente 28. Wenn beispielsweise- Vm> = 2 kV und K_Wl., = 3kV ist und wenn C_2x gleich

C₂I angenommen wird, ist .v=—. Mit anderen Worten

muß für dieses Beispiel die Sperrspannung über den PN-Elementen kleiner als 83,3% der Gesamtspannung ι und die Sperrspannung über den PNPN-Elementen muß mehr als 16,7% der Gcsnmtspannung betragen. Vorzugsweise sind in der Praxis die Widerstandswerte der Widerstände 36 und 37 so gewählt, daß jede Vorspannung in Sperrichtung im wesentlichen gleich ι zwischen den PNPN-Elementen cineiseits und den PN-Elementen andererseits aufgeteilt wird. Dieses Verhältnis liefert folglich eine weiträumige Sicherheitsgrenze für den Fall eines Spannungsstoßes mit steiler Fiuiii. Da weiiigsiens 50% Sperrspannung auf uie PNPN-Elemente 27 verteilt wird, ist die Spannung über diesen Elementen in der Tat gleich der Vorspannung über dem Hauptthyristor, wenn letztere auf einen positiven Wert ansteigt, aufgrund eines Stoßes in der Vorwärtsrichtung, und das in dem vorhergehenden Absatz beschriebene Problem ist vermieden.

Gemäß einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde etwa ein Megohm für den Widerstand 37 und etwa der gleiche ohmsche Widerstand für die drei Widerstände 36 verwendet. Dieser Widerstandswert kann unter den einzelnen getrennten Widerständen 36 gemäß den Vorwärts- und Durchbruchspannungen der entsprechenden PN-Elemente 27 aufgeteilt werden. Alternativ können die Überspannungsteilerwiderstände 36 verwendet werden, um eine richtige Arbeitsweise der Überspannungs-Beschaltung 14 sicherzustellen, falls die Summe der Durchbruchswerte der einzelnen Elemente 27 die spezifizierte Schwellwertgröße der Vorspannung in Durchlaßrichtung überschreitet, die diesem aufgedrückt ist. Zu diesem Zweck sollten die relativen ohmschen Werte der Widerstände 36 in geeigneter Weise abgeändert werden, so daß die Spav.nung über wenigstens einem der PNPN-Elemente den Durchbruchswert des entsprechenden Elementes erreicht, sobald die Gesamtspannung über der Überspannungs-Abtasteinrichtung 15 in der Vorwärtsrichtung auf die spezifizierte Größe ansteigt. Zu Darstellungszwecken sei angenommen, daß Vso=2100 Volt ist, daß zwei der PNPN-Elemente Durchbruchspannungswerte von jeweils 800 Volt haben und daß das dritte PNPN-Element einen Durchbruchswert von 700 Volt hat. In diesem Fall würde ein Widerstand von 330 Kiloohm für jeden der drei Widerstände 3b gewählt, so daß die Spannung an dem dritten Element immer dann seinen Durchschlagswert erreicht, wenn die gesamte Vorspannung in Durchlaßrichtung 2100 Volt erreicht. Sobald die Spannung über dem dritten Element ihren Durchbruchswert erreicht, beginnt in diesem Element eine Lawinenwirkung. Die Lawinenwirkung ist charakterisiert durch einen scharfen Anstieg des Reststromes (leakage current), und wenn dieser Strom auf einen gewissen Einschaltwert ansteigt, schlägt das dritte Element über oder schaltet in einen in Durchlaßrichtung leitenden Zustand mit geringem Widerstand um. Solange der Einschaltwert des Reststromes vernachlässigbar ist im Vergleich zum Strom in den Spannungsteilerwiderständen 36 (etw-j 2 Milliampere), erfolgt der Lawinendurchbruch rLs dritten Elementes im wesentlichen augenblicklich. Wenn einmal eines der drei PNPN-Elemente durchschlag! !'flüssen die anderen zwei folgen und die Überspannungs-Abtasteinrichtung schaltet abrupt von einem sperrenden in den leitenden Zustand um. Somit können die Widerstände 36 dazu verwendet werden zu vermeiden, daß PNPN-Elemente mit Durchbruchswerten ausgewählt werden müssen, deren Summe genau gleich der spezifizierten Schwellwertgröße der Überspannungs-Triggerschaltung ist.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, ist auch über die Trenndiode 20 der bekannten Schaltungsanordnung ein Widerstand 38 geschaltet. Der Zweck dieses Widerstandes besteht darin, einen Nebenschlußpfad zu bilden, der den Kondensator 24 daran hindert, eine merkliche Ladung zu sammeln, falls über dem Hauptthyristor eine hohe Vorspannung in Speirichtung anliegt. Dies begrenzt die Spannung an dem Knotenpunkt 22 auf einen nur kleinen prozentualen Anteil (beispielsweise 1 %) der gesamten Vorspannung in Sperrichtung.

Ereänzend zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung könnten Abstufungskon-

i densatoren mit gewählten kleinen Kapazitäten (in der Größenordnung von 100 Pikofarad) den entsprechenden PNPN-Elementen 27 parallel geschi'tet werden (entweder zusätzlich oder anstelle der Spannungsteilerwiderstände 36), um die gewünschte Verteilung der

i Spannung unter den in Reihe geschalteten Elementen 27 im Falle des Auftretens eines Überspannungsstoßes mit steiler Front zu erzwingen, um dadurch jeden nachteiligen Einfluß auszuschalten, den die inneren Kapazitäten dieser Elemente auf eine Spannungsverteij lung haben könnten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Überspannungs-Schutzschaltungsanordnung zum Steuern eines Hochleistungs-Thyristors mit einer Oberspannungs-Abtasteinrichtung, die mit einem Energiespeicher zwischen den Hauptanschlüssen des Thyristors und Mitteln zum Koppeln des Knotenpunktes der Abtasteinrichtung und des Energiespeichers mit der Steuereinrichtung des Thyristors in Reihe geschaltet ist, und der Thyristor aufgesteuert wird, wenn die Abtasteinrichtung von einem sperrenden Zustand in einen stromleitenden Zustand umschaltet bei einer Vorspannung in Durchlaßrichtung an seinen Hauptelektroden, die if auf einen vorbestimmten Schwellwert ansteigt, wobei die Abtasteinrichtung wenigstens ein PNPN-Halbleiterelement aufweist, das mit wenigstens einem PN-Halbleiterelement in Reihe geschaltet und so ^epolt ist, daß es Strom in der gleichen Richtung wie der Thyristor leitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Überspannungs-Abtasteinrichtung (15) Mittel (35; 35A; 36, 37) zum Verkleinern des Schwellwertes der Vorspannung in Durchlaßrichtung mit zunehmender Anstiegsgeschwindigkeit aufweist.

2. Oberspannungs-Schntzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Widerstände (36, 37) den entsprechenden Elementen der Überspannungs-Abtasteinrichtung jo (15) parallel geschaltet sind, so daß eine über den Hauptelektroden auftretende Sperrspannung auf die Elemente aufteilbar ist.

3. Oberspannunfes-Schutzschaltungsanordnung ■nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überspannungs-Abtasteinrichtung (15) PNPN-EIemente (27) und PN-Elemente (28) aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet sind.

4. Überspannungs-Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte der Widerstände (36, 37) derart gewählt sind, daß die Sperrspannung über den PN-Elementen (28) im wesentlichen in einem Bereich zwischen 20 und 80% der gesamten Sperrspannung über den Hauptelektroden liegt. 4^r>

5. Oberspannungs-Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß den PNPN-Halbleiterelementen (27) Widerstände (36) parallel geschaltet sind, deren relative ohmsche Werte derart gewählt sind, daß die Spannung über => <> wenigstens einem der Elemente die Durchbruchsspannung des entsprechenden Elementes immer dann erreicht, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung den vorbestimmten Schwellwert erreicht.

6. Überspannungs-Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der vorgewählten Durchbruchsspannungswerte der einzelnen PNPN-Elemente (27) den Schwellwert überschreitet.

7. Überspannungs-Schutzschaltun*· anordnung t>o nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überspannungs-Abtasteinrichtung (15) wenigstens ein PN-Halbleiterelement (28), das mit den PNPN-Elementen (27) in Reihe geschaltet und gleich gepolt ist, und einen Widerstand (37) aufweist, der dem PN-Element (28) parallel geschaltet ist, so daß mit den Widerständen (36) ein Spannungsteiler für eine Sperrspannung gebildet ist, die der Abtasteinrich

tung (15) aufgedrückt ist.

8. Oberspannungs-Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Uberspannungs-Abtasteinrichtung Mittel zum Begrenzen des Anstieges der Schwellwertgröße der Vorspannung in Durchlaßrichtung mitzunehmenden Anstiegsgeschwindigkeiten aufweist.

9. Oberspannungs-Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Uberspannungs-Abtasteinrichtung (15) PNPN-HaIbleiterelemente (27) aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet und derart gepolt sind, daß sie Strom in der gleichen Richtung wie der Thyristor (lli... H_n) leiten, and die Begrenzungsmittel einen Kondensator (35) umfassen, der einem der Elemente parallel geschaltet ist.

10. Oberspannungs-Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Überspannungs-Abtasteinrichtung (15) mehrere Hilfsthyristoren (27) aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet und derart gepolt sind, daß sie Strom in der gleichen Richtung leiten wie der Hochleistungs-Thyristor (H₁ ... H_n) und die so angeordnet sind, daß sie nach einer Spannungsdurchbruchsart einschalten, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung den Schwellwert erreicht und die Begrenziingsmittel einen Kondensator (35A) umfassen, der zwischen der Anode und der Steuerelektrode von einem der Hilfsthyristoren (27) angeordnet ist.