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Schalter mit steuerbaren Halbleiterventilen
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalter mit steuerbaren Halbleiterventilen
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der DE-OS 25 38 317 ist eine Anordnung bekannt, bei der die vorteilhaften
Eigenschaften von Thyristoren und Transistoren ausgenutzt werden. Bei Transistoren
ist dies in erster Linie die Ausschaltbarkeit über den Steuerstrom und bei Thyristoren
ist es vor allem der niedrige Preis gegenüber Transistoren.
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Bei den hier infrage kommenden Transistoren handelt es sich ausschließlich
um Leistungstransistoren, die im Schaltbetrieb arbeiten.
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Im Vergleich zu Thyristoren entfallen bei Leistungstransistoren in
selbstgeführten Stromrichtern die Kommutierungsschaltungen, die aus Kondensatoren,
Induktivitäten und Hilfsthyristoren aufgebaut sind. Andererseits ist die Ansteuerung
bei Leistungstransistoren aufwendiger, denn die Leistungstransistoren sind aufgrund
ihrer geringeren Stromverstärkung mit veihältnismäßig hohen Steuerströmen anzusteuern,
die überdies während der gesamten Stromführungsdauer aufzubringen sind. Zum Ausschalten
ist
außerdem der Steuerstrom nicht nur auf Null zu schalten, sondern für kurze Zeit
negativ einzuprägen.
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Dem Vorteil der Ausschaltbarkeit der Leistungstransistoren über den
Steueranschluß steht die komplizierte Ans teuerung sowie die geringe Stromüberlastbarkeit
und der höhere Preis gegenüber, jedoch haben Leistungstransistoren in den letzten
Jahren durch die Verbesserung ihrer Grenzdaten und die Senkung ihrer Herstellungskosten
für die Leistungselektronik zunehmend an Bedeutung gewonnen.
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Die aus der DE-OS 25 38 317 bekannte'Anordnung besteht aus der Parallelschaltung
eines Transistors mit einem Thyristor. Der Thyristor dient zum Einschalten und zum
Führen des Stromes, während der Transistor durch kurzzeitige Übernahme des Thyristorstromes
das Ausschalten des Schalters besorgt. Das Einschalten erfolgt durch Zünden des
Thyristors mit einem kurzen Steuerstromimpuls. Der Thyristor übernimmt Strom, sofern
es der Stromkreis zuläßt und führt diesen Strom bis zu dem Zeitpunkt, in dem der
Transistor mit einem Steuersignal angesteuert wird. Von diesem Zeitpunkt an kommutiert
der Strom vom Thyristor auf den Transistor unter der Voraussetzung, daß die Sättigungsspannung
des Transistors kleiner als die Durchlaßspannung des Thyristors ist.
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Der Transistor muß dann solange Strom führen, wie der Thyristor Zeit
zum Freiwerden benötigt. Der Transistor wird anschließend
durch
Fortnahme seines Steuersignals ausgeschaltet.
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Die Vorteile dieser vorgeschlagenen Ventilanordnung bestehen darin,
daß Kommutierungskreise wie bei selbstgeführten Stromrichtern nicht erforderlich
sind, und daß zum anderen der Steuerleistungsbedarf gemessen -an dem für Leistungstransistoren
gering ist. Außerdem ist der Transistor in dieser Schaltungsanordnung höher aus
nutzbar, da in ihm weder Einschalt- noch Durchlaßverluste entstehen. Die obere Frequenzgrenze
dieser Ventilanordnung hängt von der Freiwerdezeit der verwendeten Thyristoren ab.
Betreibbar ist die Ventilanordnung bis zu beliebig niedrigen Betriebsfrequenzen
(im Grenzfall mit Gleichstrom).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schalter mit steuerbaren
Halbleiterventilen anzugeben, bei dem a) keine besonderen Kommutierungseinrichtungen
erforderlich sind, b) nur eine geringe Steuerleistung aufgebracht werden muß bei
gleichzeitiger Vereinfachung der Steuerschaltung und c) ein wirksamer Schutz des
Schalters gegen Überströme ohne Sicherungen oder Kurzschließeinrichtungen ermöglicht
wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein
Transistor
mit einem Thyristor in Reihe geschaltet ist.
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Zur sicheren Löschung wird dem Thyristor gemäß einer vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung im Anschluß an seine Stromflußzeit eine definierte negative
Sperrspannung über einen parallelgeschalteten Zweig geschaltet, der aus der Reihenschaltung
einer Spannungsquelle und eines zweiten Transistors besteht.
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Eine Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung auf einen selbst geführten
Stromrichter in Mehrphasen-Brückenschaltung ist durch die im Kennzeichen des Patent
ans pruchs 3 aufgeführten Merkmale gegeben.
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Die erfindungsgemäße Lösung schließt folgende Vorteile ein: a) im
Gegensatz zu selbstgeführten Stromrichtern mit Thyristoren sind keine Kommutierungseinrichtungen
erforderlich, die zudem hohe Umschwingströme führen; b) im Gegensatz zu selbstgeführten
Stromrichtern nur mit Transistoren ist der Steuerleistungsbedarf geringer und die
Steuerschaltungen einfacher; c) mit den Reihentransistoren ist gleichzeitig der
Schutz gegen Überstrom möglich; e) es werden die vorteilhaften Eigenschaften der
Thyristoren
und der Transistoren ausgenutzt. Bei Transistoren ist
dies in erster Linie die Ausschaltbarkeit über den Steuerstrom und bei Thyristoren
ist es vor allem der niedrige Preis gegenüber Transistoren.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispieles
soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen
Figur la ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Lösung, Figur Ib den Verlauf
der Ströme und Spannungen bei einer Anwendung der Schaltung nach Figur la und Figur
2 ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäflen Lösung auf einen selbstgeführten
Stromrichter in Mehrphasen-Brückenschaltung.
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Das in Figur la dargestellte Prinzipschaltbild enthält die Reihenschaltung
des Thyristors 1 und des Transistors 2. Einem weiteren Erfindungsmerkmal entsprechend
ist parallel zum Thyristor 1 die Reihenschaltung einer Spannungsquelle 4 und eines
zweiten Transistors 3 parallelgeschaltet. Die in dieser Figur eingetragenen elektrischen
Größen werden bis auf den Thyristorstrom iT und den Transistorstrom ic anhand der
zeitlichen Darstellung dieser Größen in Figur Ib im Zusammenhang mit der Funktionsweise
der erfindungsgemäßen Anordnung näher erläutert.
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In Figur Ib sind von oben nach unten die zeitlichen Verläufe der Steuerströme
des Reihentransistors 2 iB2 und des Thyristors 1 iG, des Laststromes is, der Thyristorspannung
UT und des Steuerstromes B3 des Paralleltransistors 3 dargestellt. Im Zusammenhang
mit der Anordnung nach Figur la ergibt sich folgende Funktionsweise: Das Einschalten
der Ventilanordnung erfolgt, indem zuerst der Reihentransistor 2 mit dem Steuersignal
B2 eingeschaltet wird. Anschließend wird der Thyristor 1 mit dem Steuerstrom 1G
gezündet, der somit die Ventilanordnung in den angeschlossenen Schaltkreis einschaltet.
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Sowohl der Reihentransistor 2 als auch der Thyristor 1 führen den
von der Ventilanordnung übernommenen Laststrom is. Ausgeschaltet wird die Ventilanordnung,
indem der Reihentransistor 2 durch Fortnahme seines Basis stromes iB2 in den Sperrzustand
übergeht, wodurch auch der Thyristor 1 stromlos wird.
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Damit der Thyristor 1 sicher löscht, wozu eine definierte negative
Sperrspannung im Anschluß an die Stromflußzeit erforderlich ist, wird zu diesem
Zweck mit Hilfe des parallelgeschalteten Transistors 3 die Hilfsspannungsquelle
4 an den Thyristor 1 geschaltet. Die Hilfsspannungsquelle 4 braucht ebenso wie der
Transistor 3 nur den Sperrstrom des Thyristors 1
und den seiner
nicht weiter dargestellten Beschaltung zu führen. Nachdem der Thyristor 1 freigeworden
ist, kann die Hilfsspannungsquelle 4 über den Transistor 3 ausgeschaltet werden.
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Bei dieser Anordnung entstehen im Reihentransistor 2 neben den Ausschaltverlusten
auch Durchlaßverluste, zudem liegen im Hauptstrompfad zwei Durchlaßspannungen. Im
Vergleich zur reinen Parallelschaltung von Thyristor und Transistor läßt sich jedoch
die Reihenschaltung von Thyristor und Transistor vor Überstrom selbst schützen,
wobei der Reihentransistor im Störungsfall in einfacher Weise auszuschalten ist.
Die Parallelschaltung ist gegen Überstrom selbst nicht zu schützen, weil der Überstrom
vom Thyristor auf den Transistor zu kommutieren ist, wobei der Transistor den Strom
für die Dauer der Freiwerdezeit führen müßte. In dieser Zeit ist jedoch der Strom
soweit angestiegen, daß er die Zerstörung des Transistors zur Folge hätte. Es ist
also bei der Parallelschaltung von Thyristor und Transistor ein übergeordneter Überstromschutz
erforderlich.
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Mit der in Figur 1a dargestellten Grundschaltung einer ausschaltbaren
Ventilanordnung lassen sich selbstgeführte Stromrichter wie Wechselrichter und Gleichstromsteller
ausführen.
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Würde man beim Aufbau von mehrphasigen selbstgeführten Stromrichtern
für jeden Ventilzweig eine derartige Ventilanordnung
vorsehen (Einzellöschung),
so könnte der Stromrichter zwar freizügig gesteuert werden, es wäre jedoch der Aufwand
gegen über Stromrichtern nur mit Transistoren oder nur mit Thyristoren zu hoch.
Erst beim b'tergang auf die Summen- oder Phasenlöschung ist das beschriebene Prinzip
vorteilhaft ausnutzbar.
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Mit einem oder zwei Reihentransistoren im Hauptstrompfad sind die
Thyristoren eines dreiphasigen Wechselrichters zu löschen.
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Figur 2 zeigt die Schaltung eines dreiphasigen Wechselrichters in
Brückenschaltung mit den Thyristoren 11 bis 16 und den Rückstromdioden 21 bis 26.
Eingangsseitig liegt eine Speise-Gleichspannung Ud an einem Glättungskondensator
Cd an, während lastseitig Induktivitäten L, Widerstände R und Gegenspannungen E
angeschlossen sind.
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Im Hauptstrompfad des Wechselrichters befinden sich zweI Reihentransistoren
1 und 2. Parallel zu jedem Thyristor 11 bis 16 des Wechselrichters ist ein Transistor
31 bis 36 mit in Reihe liegendem gemeinsamen Widerstand 4 bzw. 6 und gemeinsamer
Hilfsspannungsquelle 3 bzw. 5 geschaltet. Es handelt sich hierbei also um eine Sun?menlöschschaltung.
Analog zu der Anordnung nach Figur 1a wird jeder der Thyristoren 11 bis 16 dadurch
ausgeschaltet, daß der jeweils zugeordnete Reihentransistor 1 oder 2 durch Fortnahme
seines Basisstromes in den Sperrzustand übergeht, wodurch der entsprechende Thyristor
stromlos wird.
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Die Transistoren 31 bis 36 dienen dazu, die Spannungen der Spannungsquellen
3 und 5 als negative Sperrspannungen fur die Dauer der Löschzeit an die entsprechenden
Thyristoren zu schalten.
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Der Löschvorgang für einen Thyristor spielt sich folgendermaßen ab:
Der zuerst über den Transistor 1 und den Thyristor 11 fließende Strom wird über
den Transistor 1 ausgeschaltet.
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Anschließend wird mit Hilfe des Transistors 31 die Spannungsquelle
3 über den Begrenzungswiderstand 4 an den Thyristor 11 als negative Sperrspannung
geschaltet, so daß der Thyristor sicher gelöscht wird.
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