DE3316280C1 - Additional protective circuit for a gate-turn-off power semiconductor valve - Google Patents

Additional protective circuit for a gate-turn-off power semiconductor valve

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Abstract

The short switching times of gate-turn-off power semiconductors, particularly in DC choppers, lead to high turn-off overvoltages even with low line inductance of the circuit and to high power losses in the damping resistor in the case of conventional RCD circuitry. It is intended to limit the turn-off overvoltage and at the same time keep the losses low. For this purpose, an additional protective circuit is proposed in which the damping capacitor (12) is connected in parallel with a precharged additional capacitor (14), of much greater capacitance, which becomes effective as soon as the charging voltage across the damping capacitor (12) exceeds a defined value when the gate-turn-off valve (7 and 20) is cut off, and in which this additional capacitor (14) is only discharged to the defined value with each turning-on of the gate-turn-off valve (7 and 20). The additional capacitor (14) used is suitably connected to the input voltage (Ud) after the mains filter (2/3). Additional advantages: reduction in cooling power and constructional size. <IMAGE>

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. The DC chopper consists according to FIG. 1 from a conventional Main thyristor 6, which has an extinguishing path with a switchable GTO quenching thyristor 7 and a quenching capacitor 8 can be switched in parallel. Both the main thyristor 6 and the quenching thyristor 7 are conventional with RCD elements 8, 9, 10 and 11, respectively. 12, 13 wired (R = resistor, C = capacitor, D = diode.) These connection elements is according to the invention an additional capacitor 14 of higher capacitance with a series diode 15 switchable in parallel. The additional capacitor is also connected to the DC input voltage Ud connected behind the line filter 2/3 via a diode 16 and a resistor 17. With 18 and 19 commutation diodes are also designated.

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. Function: The entire arrangement is connected to input voltage for the first time put - the chopper is not yet in operation - then the damping capacitors charge 9 and 12 and the additional capacitor 14 on the outer circuit of the motor 1 on the Voltage of the filter capacitor 3 (quasi input voltage Ud).

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.Each time the main thyristor 6 is switched on, the energy in the Damping capacitor 9 released and in the associated resistor 8 in heat implemented. At the end of each switch-on process, the voltage is on the damping capacitor 9 then zero each time. To turn off the main thyristor 6, the quenching thyristor 7 ignited and the countercurrent of the table capacitor 8 extinguishes the main thyristor 6. The load current then commutates briefly via communication diode 18 the quenching thyristor 7 until the main thyristor 6 has become free, d. H. the closed season wildly respected. The quenching thyristor 7 is now switched off by a negative pulse provided that the parallel damping capacitor 12 is brought to zero so that the voltage rises slowly when switching off and the losses stay low. The current commutates in diode 13 and charges the damping capacitor d2 linearly up to a voltage equal to the input voltage plus the counter voltage at the quenching capacitor 8. Only with this overcharge does the current commutate to the Free-wheeling circuit with the free-wheeling diodes 4 and 5. The additional capacitor 14 is already preloaded to the Lingallgssparlnung, switches on at this voltage and now takes most of the charge above this voltage. The overload is from two parallel capacitors 12 and 14 added and thus essential less. The tension curve flattens out at this point. Achieved is about 1.3 times the input tension.

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. At the next deletion, i. H. Switching on the GTO thyristor 7, the damping capacitor 12 is discharged again via resistor 11. Because capacitor capacity and overvoltage are small, only little energy is converted into heat here. The additional capacitor 14, however, is only on the diode 16 and resistor 17 Input voltage loaded back, so that for the next shutdown of the GTO thyristor 12 the initial voltage at the additional capacitor 14 is again the input voltage. The additional capacitor 14 thus only serves to temporarily store the overcharge energy. The essential part of the energy content is thus no longer converted into heat implemented.

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. In Fig. list with BT (rsT) a braking field weakening thyristor can be seen. This can be deleted with the same extinguishing thyristor 7 during braking. The described processes then apply accordingly.

Zweckmäßig sollte dann jedoch der Ableitwiderstand 17 zwischen den Freilaufdioden 4 und 5 angeschlossen werden.Expediently, however, the bleeder resistor 17 should then be between the Free-wheeling diodes 4 and 5 can be connected.

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. F i g. 2 shows a simplified circuit modification disconnectable GTO thyristor 20 directly in the main current path. A special deletion path can be omitted. Similar components have the same reference numerals as Fig. 1. The GTO thyristor 20 is equipped with the usual wiring 11, 12, 13 and also provided with the additional capacitor 14 and the series diode 15. The connection is again made for the "driving" operating state via diode 16 and resistor 17 to the line filter voltage (quasi input voltage Ud). The function is similar the in F i g. 1 function for the quenching thyristor.

Ist Thyristor 20 gezündet, wird der Bedämpfungskondensator 12 über Widerstand 11 zu Null entladen.If thyristor 20 is ignited, the damping capacitor 12 is over Discharge resistor 11 to zero.

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.Additional capacitor 14 is also discharged via components 16 and 17, however only up to the input voltage (line filter voltage). If the valve 20 switched off, the damping capacitor is initially charged again, as described 12 and then a common overload with additional capacitor 14, which is switches on. The effects have already been described.

Gestrichelt wurde in' F i g. 2 noch eine gleichartige Anordnung gleicher Funktionsweise für den Betriebszustand »Bremsen« angedeutet. Dashed lines in 'F i g. 2 still has a similar arrangement of the same Functional principle for the »braking« operating state indicated.

Durch die Erfindung kann eine erhebliche Reduzierung der erforderlichen Kühlleistung und des Bauvolumens erzielt werden. The invention can significantly reduce the required Cooling performance and the volume can be achieved.

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Claims (5)

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. Claims: 1. Additional circuit for a power semiconductor valve that can be switched off, that already with the series connection of a resistor with a parallel diode and a damping capacitor is connected, especially when used in DC converters, characterized. that the damping capacitor (12) is a precharged additional capacitor (14) a much larger capacity is connected in parallel, which takes effect as soon as the charging voltage at the damping capacitor (12) when the shut-off valve is blocked (7 resp. 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. 20) exceeds a defined value and that this additional capacitor (14) each time the shut-off valve (7 or 20) is switched on, only up to the defined Value is discharged. 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. 2. Additional circuit according to claim 1, characterized in that the additional capacitor (14) connected to the damping capacitor via a series diode (15) (12) is connected in parallel, with one connection directly and with the other connection Defined via a diode (16) with a series resistor (17) at a reference voltage Worth. 3. Zusatzbeschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzkondensator (14) an die Eingangsspannung (Ud) hinter dem Netzfilter (2/3) geschaltet ist. 3. Additional circuit according to claim 2, characterized in that the additional capacitor (14) to the input voltage (Ud) behind the line filter (2/3) is switched. 4. Zusatzbeschaltung nach den Ansprüchen l bis 3, gekennzeichnet durch ihre Verwendung bei abschaltbaren Ventilen (6) im Löschpfad eines Gleichstromstellers (F i g. 1). 4. Additional circuit according to claims l to 3, characterized through their use in shut-off valves (6) in the extinguishing path of a DC power controller (Fig. 1). 5. Zusatzbeschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch ihre Verwendung bei abschaltbaren Ventilen (20) im Hauptstromkreis eines Gleichstromstellers (F i g. 2). 5. Additional circuit according to claims 1 to 3, characterized through their use in shut-off valves (20) in the main circuit of a DC power controller (Fig. 2). Die Erfindung bezieht sich auf eine Zusatzbeschaltung. wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist. The invention relates to an additional circuit. like them in The preamble of claim 1 is defined in more detail. 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. The term "wiring" is understood to mean all measures which are necessary to prevent the permissible dynamic values of semiconductors from being exceeded to avoid. The wiring thus serves to protect the semiconductors against impermissible Voltage or current increases and this means the attachment of capacitors, Resistors and diodes, sometimes in combination with upstream inductors. Due to their physical structure, power semiconductors have only a limited number Dielectric strength and only allow certain maximum values for the voltage and Current steepness to. Exceeding the maximum values for a short time often leads to this to the destruction of the power semiconductor. 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. It is assumed that the circuit is normal, as it has already been the reference Heumann-Stumpe: "Thyristor properties and applications" (Verlag Teupener, Stuttgart, 1969, p. 41, Fig. 41.1). With this well-known Arrangement, the energy stored in the wiring capacitor is largely in converted into heat by the circuit resistance connected in parallel with the diode. 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. Even in circuits with a low-inductance structure you have to use it Stray inductances from about L = 4 to 5, u H count. Along with limiting and step chokes, an effective inductance of approximately L = 12 uH is to be assumed. 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. When it is switched off, the energy stored in the inductances is lost free and would lead to significant overvoltages. So that this does not happen, this magnetic energy must be converted into capacitive storage charge. 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. This only stands for the damping capacity of the main thyristor and the Switch-off thyristors (approx. 2.5, uF) are available, the capacitor voltage would increase Values rise that are not permitted for the power semiconductors in DC converters are. In particular the shut-off valves, GTO thyristors, power transistors and the like contribute to this due to their short switching times. Considering a safety distance should be the voltage at the damping capacitor with fluctuating Mains do not exceed 1000 V even at Udn + 20%. Es ist bereits versucht worden, dem durch Vergrößerung der Bedämpfungskapazität Rechnung zu tragen. Attempts have already been made to do this by increasing the damping capacity To take into account. 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.However, this cannot be done indefinitely, since larger ones have to be switched Performances the damping losses are too high and reach the kilowatt range. With each switching cycle, the entire high energy content of the damping capacitor must are only discharged to zero via the damping resistor, the damping should can do their job in the next cycle. 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. The object of the invention is to provide the known wiring of the power DC chopper to make practically usable with switchable semiconductor valves and a limitation the cut-off overvoltages with low losses at the same time. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch eine Zusatzbeschaltung entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar. This object is achieved according to the invention by an additional circuit solved according to the characterizing features of claim 1. Beneficial Refinements can be found in the subclaims. 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. With the invention, the damping capacitor can only according to the damping criteria of the valve that can be switched off, regardless of the ones to be switched on Line inductances designed, d. H. ultimately be kept small. The same applies to the damping resistance because the power loss is significantly reduced can be. 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. The invention occurs when a reference voltage is exceeded Suddenly a multiplication of the capacity, what the occurring overvoltage lowers. On the other hand, the cut-off energy mainly goes into the additional capacitor and is fed back into the network with only insignificant heat conversion. One The result is a reduction in the required cooling capacity and size. 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. The invention is illustrated by means of two schematic exemplary embodiments explained in more detail below. It shows F i g. 1 a DC chopper with GTO thyristor in the quenching circuit, F i g. 2 a DC chopper with GTO thyristor in the main circuit. 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. The figures show a motor controller in which a motor 1 over a line filter with a line choke 2 and a line capacitor 3 out on one Input voltage Ud is. With 4 and 5 freewheeling diodes are designated.
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