DE3316280C1 - Zusatzbeschaltung für ein abschaltbares Leistungshalbleiterventil - Google Patents

Description

• Der Gleichstromsteller besteht nach F i g. 1 aus einem herkömmlichen Hauptthyristor 6, dem ein Löschpfad mit einem abschaltbaren GTO-Löschthyristor 7 und einem Löschkondensator 8 parallel schaltbar ist. Sowohl der Hauptthyristor 6 als auch der Löschthyristor 7 sind herkömmlich mit RCD-Gliedern 8,9, 10 bzw. 11, 12, 13 beschaltet (R = Widerstand, C = Kondensator, D = Diode.) Diesen Beschaltungsgliedern ist nach der Erfindung ein Zusatzkondensator 14 höherer Kapazität mit Seriendiode 15 parallel schaltbar. Der Zusatzkondensator ist darüber hinaus an die Eingangsgleichspannung Ud hinter dem Netzfilter 2/3 über eine Diode 16 und einen Widerstand 17 angeschlossen. Mit 18 und 19 sind noch Kommutierungsdioden bezeichnet.
• Zur Funktion: Wird die gesamte Anordnung erstmalig an Eingangsspannung gelegt - der Zerhacker ist noch nicht in Betrieb - dann laden sich die Bedämpfungskondensatoren 9 und 12 sowie der Zusatzkondensator 14 über den Außenkreis des Motors 1 auf die Spannung des Filterkondensators 3 (quasi Eingangsspannung Ud) auf.
• Mit jedem Einschalten des Hauptthyristors 6 wird die Energie in dem Bedämpfungskondensator 9 freigesetzt und in dem zugeordneten Widerstand 8 in Wärme umgesetzt. Am Ende jedes Einschaltvorganges ist die Spannung am Bedämpfungskondensator 9 dann jeweils Null. Zum Abschalten des Hauptthyristors 6 wird der Löschthyristor 7 gezündet und der Gegenstrom des l tischlrondensators 8 löscht den Hauptthyristor 6. Der laststrom kommutiert dann kurzzeitig über die Komrnutierungsdiode 18 auf den Löschthyristor 7 bis der Hauptthyristor 6 freigeworden ist, d. h. die Schonzeit wild eingehalten. Der Löschthyristor 7 wird nunmehr durch lVegativimpuls abgeschaltet unter der Voraussetzung, daß der parallele Bedämpfungskondensator 12 auf Null gebracht worden ist, damit die Spannung beim Abschalten nur langsam ansteigt und die Verluste gering bleiben. Der Strom kommutiert dabei in Diode 13 und lädt den Bedämpfungskondensator d2 linear auf, bis zu einer Spannung gleich der Eingangsspannung plus der Gegenspannung am Löschkondensator 8. Erst bei dieser Übeliladung kommutiert der Strom auf den Freilaufkreis mit den Freilaufdioden 4 und 5. Der Zusatzkondensator 14 ist bereits auf die Lingallgssparlnung vorgeladen, schaltet sich bei dieser Spannung ein und nimmt nun die meiste Ladung oberhalb dieser Spannung auf. Die Überladung wird von beiden parallelliegenden Kondensatoren 12 und 14 aufgenommen und damit wesentlich geringer. Der Spannungsverlauf knickt an dieser Stelle sich verflachend ab. Erreicht wird ca. das 1,3fache der Eingangs- spannung.
• Beim nächsten Löschvorgang, d. h. Einschalten des GTO-Thyristors 7 wird der Bedämpfungskondensator 12 wieder über Widerstand 11 entladen. Da Kondensatorkapazität und Überspannung klein sind, wird hier auch nur wenig Energie in Wärme umgesetzt. Der Zusatzkondensator 14 dagegen wird über Diode 16 und Widerstand 17 nur auf die Eingangsspannung zurückgeladen, so daß für den nächsten Abschaltvorgang des GTO-Thyristors 12 die Anfangsspannung am Zusatzkondensator 14 wieder die Eingangsspannung ist. Der Zusatzkondensator 14 dient damit nur der Zwischenspeicherung der Überladungsenergie. Der wesentliche Teil des Energieinhalts wird damit ebenfalls nicht mehr in Wärme umgesetzt.
• In F i g. list mit BT(rsT) noch ein Brems-Feldschwächthyristor ersichtlich. Dieser kann bei Bremsbetrieb mit dem gleichen Löschthyristor 7 gelöscht werden. Die geschilderten Abläufe gelten dann entsprechend.
• Zweckmäßig sollte dann jedoch der Ableitwiderstand 17 zwischen den Freilaufdioden 4 und 5 angeschlossen werden.
• F i g. 2 zeigt in einer vereinfachenden Schaltungsmodifikation einen abschaltbaren GTO-Thyristor 20 direkt im Hauptstrompfad. Ein besonderer Löschpfad kann entfallen. Gleichartige Bauteile haben im übrigen gleiche Bezugszeichen wie Fig. 1. Der GTO-Thyristor 20 ist mit der üblichen Beschaltung 11, 12, 13 bestückt und darüber hinaus mit dem Zusatzkondensator 14 und der Seriendiode 15 versehen. Der Anschluß erfolgt für den Betriebszustand »Fahren« wieder über Diode 16 und Widerstand 17 an die Netzfilterspannung (quasi Eingangsspannung Ud). Die Funktion ist ähnlich der in F i g. 1 geschilderten Funktion für den Löschthyristor.
• Ist Thyristor 20 gezündet, wird der Bedämpfungskondensator 12 über Widerstand 11 zu Null entladen.
• Ebenso wird Zusatzkondensator 14 über die Bauteile 16 und 17 entladen, allerdings nur bis zur Eingangsspannung (Netzfilterspannung). Wird das Ventil 20 abgeschaltet, erfolgt wie geschildert zunächst wieder eine Aufladung des Bedämpfungskondensators 12 und anschließend eine gemeinsame Überladung mit Zusatzkondensator 14, der sich zuschaltet. Die Effekte wurden schon geschildert.
• Gestrichelt wurde in' F i g. 2 noch eine gleichartige Anordnung gleicher Funktionsweise für den Betriebszustand »Bremsen« angedeutet.
• Durch die Erfindung kann eine erhebliche Reduzierung der erforderlichen Kühlleistung und des Bauvolumens erzielt werden.
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Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Zusatzbeschaltung für ein abschaltbares Leistungshalbleiterventil, das bereits mit der Reihenschaltung eines Widerstandes mit paralleler Diode und einem Bedämpfungskondensator beschaltet ist, insbesondere bei Verwendung in Gleichstromstellern, dadurch gekennzeichnet. daß dem Bedämpfungskondensator (12) ein vorgeladener Zusatzkondensator (14) wesentlich größerer Kapazität parallel geschaltet ist, der wirksam wird, sobald die Ladespannung am Bedämpfungskondensator (12) beim Sperren des abschaltbaren Ventils (7 bzw.

   20) einen definierten Wert überschreitet und daß dieser Zusatzkondensator (14) mit jedem Einschalten des abschaltbaren Ventils (7 bzw. 20) nur bis zum definierten Wert entladen wird.
2. 2. Zusatzbeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzkondensator (14), der über eine Seriendiode (15) dem Bedämpfungskondensator (12) parallel geschaltet ist, mit einem Anschluß direkt und mit dem anderen Anschluß über eine Diode (16) mit Reihenwiderstand (17) an einer Bezugsspannung definierten Wertes liegt.
3. 3. Zusatzbeschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzkondensator (14) an die Eingangsspannung (Ud) hinter dem Netzfilter (2/3) geschaltet ist.
4. 4. Zusatzbeschaltung nach den Ansprüchen l bis 3, gekennzeichnet durch ihre Verwendung bei abschaltbaren Ventilen (6) im Löschpfad eines Gleichstromstellers (F i g. 1).
5. 5. Zusatzbeschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch ihre Verwendung bei abschaltbaren Ventilen (20) im Hauptstromkreis eines Gleichstromstellers (F i g. 2).

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Zusatzbeschaltung. wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist.

   Unter dem Begriff »Beschaltung« werden dabei alle Maßnahmen verstanden, die notwendig sind, um ein Überschreiten der zulässigen dynamischen Werte von Halbleitern zu vermeiden. Die Beschaltung dient somit dem Schutz der Halbleiter gegen unzulässige Spannungs- oder Stromanstiege und man versteht darunter das Anbringen von Kondensatoren, Widerständen und Dioden, manchmal auch in Kombination mit vorgeschalteten Induktivitäten. Aufgrund ihres physikalischen Aufbaus haben Leistungshalbleiter nur eine begrenzte Spannungsfestigkeit und lassen nur bestimmte Höchstwerte für die Spannungs- und Stromsteilheit zu. Schon eine kurzzeitige Überschreitung der Höchstwerte führt häufig zur Zerstörung des Leistungshalbleiters.

   Ausgegangen wird von einer Normalbeschaltung, wie sie bereits aus der Literaturstelle Heumann-Stumpe: »Thyristoren-Eigenschaften und Anwendungen« (Verlag Teupener, Stuttgart, 1969, S. 41, Bild 41.1) hervorgeht. Bei dieser bekannten Anordnung wird die im Beschaltungskondensator gespeicherte Energie weitgehend in dem der Diode parallelgeschalteten Beschaltungswiderstand in Wärme umgesetzt.

   Selbst in Schaltkreisen mit induktivitätsarmen Aufbau muß man mit Streuinduktivitäten von etwa L = 4 bis 5 ,u H rechnen. Zusammen mit Begrenzungs- und Stufendrosseln ist von einer wirksamen Induktivität von etwa L= 12 uH auszugehen.

   Beim Abschalten wird die in den Induktivitäten gespeicherte Energie frei und würde zu erheblichen Überspannungen führen. Damit dies nicht geschieht, muß diese magnetische Energie in kapazitive Speicherladung umgewandelt werden.

   Steht dafür nur die Bedämpfungskapazität von Hauptthyristor und der Abschaltthyristoren (ca. 2,5 ,uF) zur Verfügung, würde die Kondensatorspannung auf Werte steigen, die für die Leistungshalbleiter in Gleichstromstellern unzulässig sind. Insbesondere die abschaltbaren Ventile, GTO-Thyristoren, Leistungstransistoren u. dgl. tragen dazu bei infolge ihrer kurzen Schaltzeiten. Unter Berücksichtigung eines Sicherheitsabstandes sollte die Spannung am Bedämpfungskondensator bei schwankendem Netz auch bei Udn+20% nicht höher als 1000 V werden.

   Es ist bereits versucht worden, dem durch Vergrößerung der Bedämpfungskapazität Rechnung zu tragen.

   Das kann jedoch nicht unbegrenzt geschehen, da bei größeren zu schaltenden Leistungen die Bedämpfungsverluste zu hoch werden und den Kilowatt-Bereich erreichen. Bei jedem Schalttakt muß der gesamte hohe Energieinhalt des Bedämpfungskondensators über den Bedämpfungswiderstand erst zu Null entladen werden, soll die Bedämpfung im nächsten Takt ihre Aufgabe erfüllen können.

   Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Beschaltung der Leistungsgleichstromsteller mit abschaltbaren Halbleiterventilen praktisch brauchbar zu machen und eine Begrenzung der Abschaltüberspannungen bei gleichzeitig niedrigen Verlusten zu erreichen.

   Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch eine Zusatzbeschaltung entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

   Durch die Erfindung kann der Bedämpfungskondensator ausschließlich nach den Bedämpfungskriterien des abschaltbaren Ventils ohne Rücksicht auf die mitzuschaltenden Leitungsinduktivitäten ausgelegt, d. h. letztlich klein gehalten werden. Das gleiche gilt für den Bedämpfungswiderstand, weil die Verlustleistung erheblich reduziert werden kann.

   Durch die Erfindung tritt beim Überschreiten einer Bezugsspannung schlagartig eine Vervielfachung der Kapazität auf, was die auftretende Überspannung absenkt. Andererseits geht die Abschaltenergie hauptsächlich in den Zusatzkondensator und wird in das Netz zurückgespeist bei nur unwesentlicher Wärmeumwandlung. Eine Verringerung der nötigen Kühlleistung und Baugröße ist die Folge.

   Anhand von zwei schematischen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Gleichstromsteller mit GTO-Thyristor im Löschkreis, F i g. 2 einen Gleichstromsteller mit GTO-Thyristor im Hauptschaltkreis.

   Die Figuren zeigen eine Motorsteuerung, bei der ein Motor 1 über ein Netzfilter mit einer Netzddrossel 2 und einem Netzkondensator 3 geführt an einer Eingangsspannung Ud liegt. Mit 4 und 5 sind Freilaufdioden bezeichnet.