DE3527675A1

DE3527675A1 - Daempfungsschaltung fuer rberschwingungen (rbersnubber)

Info

Publication number: DE3527675A1
Application number: DE19853527675
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Fleck; Hans-Dieter Dipl Ing Lang
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 1985-08-01
Filing date: 1985-08-01
Publication date: 1987-02-12

Description

Die Erfindung betrifft eine Dämpfungsschaltung für Überschwingungen beim Abschalten eines steuerbaren elektronischen Schalters, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.

Beim Abschalten elektronischer Schalter, wie über ihre Gateelektrode steuerbare Thyristoren, sogenannte GTO's, treten wegen der kurzen Abschaltzeiten und der unvermeidlichen Schaltungsinduktivitäten ohne Gegenmaßnahmen Schaltüberspannungen auf, welche eine schädliche Größe annehmen können. Üblicherweise benutzt man daher zur Dämpfung solcher Überspannungen Dämpfungsschaltungen: beispielsweise kann man hierzu parallel zum Thyristor die Reihenschaltung einer Diode mit einer Kapazität benutzen. Wird der Thyristor über seine Steuerelektrode gesperrt, dann kommutiert sein Strom über die Diode in den Kondensator und lädt diesen auf. Über einen parallel zur Diode liegenden Widerstand entlädt sich der Kondensator bei dem folgenden Einschalten des Thyristors, womit der Anfangszustand wieder hergestellt wird. Die Bemessung der Elemente dieser Dämpfungsschaltung unterliegt jedoch gewissen Einschränkungen, welche durch die Schaltung, in welcher der Halbleiterschalter verwendet wird, ober durch diesen selbst bedingt sind. Es können daher Fälle auftreten, in denen trotz einer solchen Dämpfungsschaltung beim Sperren des Halbleiterschalters noch relativ hohe Spannungsspitzen auftreten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Angabe von Maßnahmen, welche auch solche Spannungsspitzen auf ein im Einzelfall tolerierbares Maß zu dämpfen gestatten. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Weiterbildungen und besondere Ausgestaltungen sowie Anwendungsfälle der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung gestattet eine Dämpfung von beim Sperren etwa eines Thyristors trotz üblicher Bedämpfungsmaßnahmen auftretenden Spannungsspitzen auf einen den jeweiligen Schaltungserfordernissen entsprechend wählbaren Wert, praktischerweise die ohnehin in der Schaltung verfügbare Betriebsspannung. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in einer erheblich höheren Spannungsausnutzung schaltbarer Halbleiterelemente als bisher, da man mit der Betriebsspannung höher an die absolut zulässige Spannungsgrenze des Halbleiters gehen kann, ohne daß diese beim Sperren des Schalters überschritten würde. Ferner lassen sich die Verluste in der üblichen Dämpfungsschaltung verringern und damit der Wirkungsgrad verbessern, weil die in den Spannungsspitzen steckende Energie nicht mehr einfach vernichtet, sondern zum Teil wieder rückgespeist wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1a eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsschaltung in Verbindung mit einem über seine Gateelektrode sperrbaren Thyristor;

Fig. 1b eine zu Fig. 1a inverse Schaltung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung des Spannungsverlaufs am Thyristor beim Abschalten mit und ohne die erfindungsgemäße Schaltung und

Fig. 3 ein Anwendungsbeispiel der Erfindung bei einer Einphasen-Wechselrichterschaltung.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 liegt ein GTO-Thyristor 1 in Reihe mit einer Last 2 zwischen den beiden Klemmen 3 und 4 einer Betriebsspannung U _ZK. Zwischen der positiven Klemme 3 und der negativen Klemme 4 liegt ferner ein Speicherkondensator 5. Parallel zur Last 2 liegt eine Freilaufdiode 6. Parallel zum Thyristor 1 liegt ein übliches RCD-Dämpfungsglied aus einer einseitig an der Kathode des Thyristors 1 liegenden Kapazität 7 und einer mit ihrer Anode an der Anode des Thyristors 1 liegenden Diode 8, parallel zu der ein Widerstand 9 liegt.

Leitet der Thyristor 1, dann liegt bis auf seine Durchlaßspannung die gesamte Betriebsspannung U _ZK an der Last 2, und an der Dämpfungsschaltung 7, 8, 9 liegt ebenfalls nur die Durchlaßspannung des Thyristors 1. Wird der Thyristor 1 durch Zuführung eines Sperrimpulses an seiner Gateelektrode G in den Sperrzustand geschaltet, dann können die unvermeidlichen Leitungsinduktivitäten der Schaltung zum Auftreten von Spannungsspitzen an der Anode des Thyristors 1 führen, welche durch die Dämpfungsschaltung 7, 8, 9 gedämpft und außerdem durch die Diode 6 auf das Potential an der Betriebsspannungsklemme 3 begrenzt werden sollen. Jedoch können praktische Erfordernisse zu einem hinsichtlich dieser gewünschten Dämpfung ungünstigen Schaltungsaufbau führen, so daß im Betrieb unzulässige Spannungsspitzen am Thyristor auftreten. Um auch diese auf ein tolerierbares Maß herabzudämpfen, ist die in dem gestrichelten Kasten dargestellte Zusatzschaltung vorgesehen. An den Anschlußpunkt A der Kapazität 7 an die Diode 8 und den Widerstand 9 ist über eine weitere Diode 10 und einen Dämpfungswiderstand 11 ein zusätzlicher Kondensator 12 angeschlossen, dessen anderes Ende ebenso wie die Kapazität 7 an der Kathode des Thyristors 1 und somit an der negativen Betriebsspannungsklemme 4 liegt, während von seinem über den Widerstand 11 mit der Kathode der Diode 10 verbundenen Ende ein Widerstand 13 zur positiven Betriebsspannungsklemme 3 führt. Im Ruhezustand ist daher der Kondensator 12 auf die Betriebsspannung U _ZK aufgeladen.

Tritt beim Sperren des Thyristors 1 und damit am Schaltungspunkt A eine Überspannungsspitze auf, welche das Potential an der Betriebsspannungsklemme 3 überschreitet und von der Kapazität 7 nicht ausreichend gedämpft wird, dann leitet die Diode 10, und die Spannungsspitze wird über den Widerstand 11 und den Kondensator 12 bedämpft, der größer als der Kondensator 7 zu bemessen ist, so daß seine Ladespannung U _ZK hierdurch nicht nennenswert erhöht wird. Nach Abklingen des Schaltvorgangs entlädt sich der Kondensator 12 über dem Widerstand 13 wieder auf die Betriebsspannung U _ZK, wobei eine Energierückspeisung in die Betriebsspannungsquelle erfolgt.

Fig. 1b unterscheidet sich von Fig. 1a durch eine inverse Anordnung der Elemente der Dämpfungsschaltung: Der Kondensator 7 und die Parallelschaltung der Diode 8 mit dem Widerstand 9 sind vertauscht worden, ebenfalls sind der Kondensator 12 und der Widerstand 13 vertauscht worden, wobei der Kondensator 12 mit seinem oberen Ende jedoch nun an den Verbindungspunkt des Thyristors 1 mit der Last 2 und der Freilaufdiode 6 geführt ist, und außerdem ist die Diode 10 umgepolt. Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist äquivalent derjenigen nach Fig. 1a, so daß das dort Gesagte auch hier gilt.

In Fig. 2 zeigt die Kurve 0 den Spannungsverlauf am Thyristor ohne die im gestrichelten Kasten veranschaulichte zusätzliche Dämpfungsschaltung, während die Kurve M den Spannungsverlauf mit dieser Schaltung darstellt. Man sieht deutlich die erhebliche Dämpfung des Spannungsverlaufs M, der sich kaum noch über die Betriebsspannung, dargestellt durch den waagerechten Verlauf im rechten Teil des Diagramms, erhebt, gegenüber der Überspannung der Kurve 0, deren Maximalwert beträchtlich über der Betriebsspannung liegt. Gegenüber diesen im Leerlauf aufgenommenen Kurven tritt im Lastfall bis zum Durchschalten der Diode 8 eine kurze Anfangsspannungsspitze auf, die mit schnellen Dioden jedoch in tolerierbaren Grenzen geschalten werden kann.

Fig. 3 zeigt eine Anwendung der Erfindung bei einem Einphasen-Wechselrichter, bei welchem zwischen die positive Betriebsspannungsklemme 3 und die negative Betriebsspannungsklemme 4 zwei Thyristoren 1 A und 1 B in Reihe geschaltet sind, zu denen antiparallel je eine Diode 6 A bzw. 6 B liegt. An den Verbindungspunkt C ist die Last 2 angeschlossen, die mit ihrem anderen Anschluß an einem Mittenpotential P _M zwischen dem positiven und negativen Potential der beiden Betriebsspannungsklemmen liegt, welches beispielsweise mit Hilfe einer zwischen den Betriebsspannungsklemmen liegenden Reihenschaltung zweier Kondensatoren 15 A und 15 B gebildet wird, bei gleichzeitigem Anschluß dieses Punktes an ein Bezugspotential.

Parallel zum Thyristor 1 A liegt dieselbe Schaltung wie in Fig. 1, wobei die einzelnen Elemente mit denselben Bezugsziffern, jedoch mit einem zusätzlichen A bezeichnet sind. Parallel zum Thyristor 1 B liegt eine gleichartig, jedoch invers aufgebaute Schaltung, deren Elemente mit den entsprechenden Bezugsziffern, jedoch unter Zusatz eines B bezeichnet sind. Man sieht die doppelte Anordnung der erfindungsgemäßen Schaltung aus den Elementen 10 A, 11 A, 12 A und 13 A bzw. B, welche für jeden der beiden Thyristoren 1 A bzw. 1 B in gleicher Weise wirkt. Wegen der auf die unterschiedlichen Betriebsspannungsklemmen 3 bzw. 4 bezogenen Schaltung der jeweiligen Thyristoren - Anode des Thyristors 1 B an Klemme 3 gegenüber Kathode des Thyristors 1 A an Klemme 4 - sind die Polaritäten der Dioden 10 B und 10 A einander entgegengesetzt, und auch die Widerstände 13 A bzw. 13 B sind an die jeweils entgegengesetzte Betriebsspannungsklemme 3 bzw. 4 geführt. Die Abschaltüberschwingungen im Verlauf der Anoden-Kathoden-Spannung [U _AK] der Thyristoren 1 A und 1 B werden von den beiden Dämpfungsschaltungen in der bereits im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschriebenen Weise gedämpft, so daß beide Thyristoren wirksam geschützt werden.

Claims

1) Dämpfungsschaltung für Überschwingungen beim Abschalten eines steuerbaren elektronischen Schalters, insbesondere eines GTO-Thyristors, der mit einem kapazitiven Dämpfungsglied beschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Kapazität (7) des Dämpfungsgliedes (7, 8, 9) die Reihenschaltung einer Diode (10) mit einem Kondensator (12) geschaltet ist und vom Verbindungspunkt des Kondensators mit der Diode ein Ladewiderstand (13) an ein Begrenzungspotential (Betriebsspannungsklemme 3) geführt ist.

2) Dämpfungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Begrenzungspotential die Betriebsspannung ist.

3) Dämpfungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (10) über einen Dämpfungswiderstand (11) mit dem Kondensator (12) verbunden ist.

4) Dämpfungsschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der elektronische Schalter (1) in Reihe mit einer Last (2) an den Betriebsspannungsklemmen (3, 4) liegt und das Dämpfungsglied (7, 8, 9) eine an der schalterseitigen Betriebsspannungsklemme liegende Kapazität (7), die mit ihrem anderen Ende über die Parallelschaltung einer Diode (8) mit einem Widerstand (9) an Verbindungspunkt des Schalters mit der Last liegt, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (12) ebenfalls an der schalterseitigen Betriebsspannungsklemme (4) und der Ladewiderstand (13) an der lastseitigen Betriebsspannungsklemme (3) liegt.

5) Dämpfungsschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der elektronische Schalter (1) in Reihe mit einer Last (2) an den Betriebsspannungsklemmen (3, 4) liegt und das Dämpfungsglied (7, 8, 9) eine am lastseitigen Schalteranschluß liegende Kapazität (7), die mit ihrem anderen Ende über die Parallelschaltung einer Diode (8) mit einem Widerstand (9) an der schalterseitigen Betriebsspannungsklemme liegt, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (12) ebenfalls an dem lastseitigen Schalteranschluß und der Ladewiderstand (13) an der schalterseitigen Betriebsspannungsklemme (3) liegt.

6) Dämpfungsschaltung für einen Einphasen-Wechselrichter mit zwei in Reihe zwischen den beiden Betriebsspannungsklemmen (3, 4) liegenden, wechselweise eingeschalteten elektronischen Schaltern (1 A, B) und an deren Verbindungspunkt (C) angeschlossener Last (2) sowie parallel zu den Schaltern liegenden Dämpfungsgliedern gemäß Anspruch 4, deren Kapazität (7 A, B) mit einem Ende an je eine der Betriebsspannungsklemmen (3, 4) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Kondensator (12 A, B) mit einem Ende an je eine Betriebsspannungsklemme (3 bzw. 4) und mit seinem anderen Ende über eine Diode (10 A, B) an das dieser Klemme abgewandte Ende der Kapazität des zugehörigen Dämpfungsgliedes angeschlossen ist und die eine Diode (10 A) entgegengesetzt wie die andere (10 B) gepolt ist, und daß die Ladewiderstände (13 A, B) mit ihrem dem Kondensator (12 A, B) abgewandten Ende an die jeweils andere Betriebsspannungsklemme (3 bzw. 4) angeschlossen sind.