DE3709150A1 - Control circuit for a current-controlled power semiconductor - Google Patents

Control circuit for a current-controlled power semiconductor

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Abstract

A control circuit for a current-controlled power semiconductor (e.g. GTO) exhibits a voltage source (UO), a storage capacitor (CO) connected in parallel with the voltage source (UO) and switches (S1, S10; S3, S30), by means of which the control path (X1-X2) of the power semiconductor (GTO) can be optionally supplied with the turn-on current (iE) or the turn-off current (iA). To be able to operate the control circuit without losses with respect to the control power, in principle, it should contain a turn-on current source formed by an inductance (LE) and a turn-off current source also formed by an inductance (LA). The two current sources should be switched either into a loading circuit containing the voltage source (UO) and the storage capacitor (CO) or into a reloading circuit, also containing the voltage source (UO) and the storage capacitor (CO), or into a freewheeling circuit by the switches (S1, S10; S3, S30), in which arrangement the control path (X1-X2) of the power semiconductor (GTO) can be optionally also connected into each of the three circuits by means of the switches (S1, S10; S3, S30). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a control circuit according to the Preamble of claim 1.

Ein mit der erfindungsgemäßen Steuerschaltung steuerbarer Leistungshalbleiter kann beispielsweise sein ein GTO-thy­ ristor (gate turn off-thyristor), ein Transistor, ein SITH (static induction thyristor), ein SIT (static induction transistor), ein Darlington Modul, ein buried gate GTO oder ein RET (Ringemittertransistor).A controllable with the control circuit according to the invention Power semiconductors can be a GTO-thy, for example ristor (gate turn off thyristor), one transistor, one SITH (static induction thyristor), a SIT (static induction transistor), a Darlington module, a buried gate GTO or a RET (ring emitter transistor).

Für diese Leistungshalbleiter ist ein besonderer Steuer­ stromverlauf erwünscht, der aus Fig. 1 ersichtlich ist. Dieser ideale Steuerstromverlauf kann mit bisher bekannten Schaltungen nur annähernd realisiert werden. Eine mögliche Realisierung ist in Fig. 2 gezeigt. Eine bekannte Schaltung, mit der diese Realisierung möglich ist, zeigt Fig. 3.For these power semiconductors, a special control current profile is desired, which can be seen in FIG. 1. This ideal control current curve can only be approximately achieved with previously known circuits. A possible implementation is shown in FIG. 2. A known circuit with which this implementation is possible is shown in FIG. 3.

Die bekannte Steuerschaltung hat den Nachteil, daß die zur Steuerung des Leistungshalbleiters aufgewendete Energie verloren ist. Ein weiterer Nachteil ist, daß der zeitliche Verlauf des Steuerstromes nur durch Austausch von Bauelementen beeinflußbar ist. Dabei weicht die reale Kurvenform des Steuerstromes jedoch in jedem Fall relativ stark von der idealen Kurvenform ab. Dies betrifft insbesondere die Flankenanstiege in der Ein- und Ausschaltphase sowie die Höhe des negativen Abschalt­ spitzenstromes.The known control circuit has the disadvantage that that used to control the power semiconductor Energy is lost. Another disadvantage is that the course of the control current over time only by exchange can be influenced by components. The gives way real curve shape of the control current, however, in each Fall relatively strongly from the ideal curve shape. This affects in particular the flank increases in the and switch-off phase as well as the amount of the negative switch-off  peak current.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschal­ tung zu schaffen, mit der eine vollständige oder nahezu vollständige Rückgewinnung der Steuerenergie möglich ist.The invention has for its object a control scarf to create a complete or near complete recovery of tax energy possible is.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.The object is according to the invention in the license plate of the specified features solved.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Prinzip, daß die Einschaltstromquelle und die Ausschaltstromquelle ihre Energie zunächst von der Spannungsquelle erhalten, wenn sie im Ladekreis eingeschaltet sind. Diese Steuer­ energie speichern sie dann, indem sie den Steuerstrom im Freilaufkreis verlustfrei zirkulieren lassen. Zur Steuerung des Leistungshalbleiters wird dessen Steuer­ strecke dann in den Freilaufkreis eingeschaltet. Die Steuerenergie wird während und nach der Steuerphase (Einschalten bzw. Ausschalten) durch Rückladen wiedergewon­ nen. In diesem Falle ist die betreffende Stromquelle im Rückladekreis mit der Spannungsquelle und der Speicher­ kapazität verbunden. Letztere nimmt die Energie wieder auf.The solution according to the invention is based on the principle that the inrush current source and the inrush current source initially get their energy from the voltage source, if they are switched on in the charging circuit. This tax You then save energy by using the control current circulate in the free-wheeling circuit without loss. To Control of the power semiconductor becomes its control then stretch turned on in the freewheeling circuit. The Tax energy is used during and after the tax phase (Switch on or switch off) by reloading nen. In this case, the power source in question in the reload circuit with the voltage source and the memory capacity connected. The latter takes the energy back on.

Die Stromquellen können gemäß Anspruch 2 von Induktivitäten gebildet sein.The current sources can according to claim 2 of inductors be educated.

Eine praktische Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuerschaltung ist Gegenstand des Anspruchs 3. Mit einer so ausgestalteten Steuerschaltung ist es möglich, den in Fig. 1 gezeigten gewünschten Stromverlauf des Steuerstromes in nahezu idealer Weise zu realisieren.A practical embodiment of the control circuit according to the invention is the subject of claim 3. With a control circuit designed in this way, it is possible to implement the desired current profile of the control current shown in FIG. 1 in an almost ideal manner.

Alternativen zu der vorstehend angegebenen praktischen Ausführungsform, welche sich durch einen schnelleren Einschaltvorgang auszeichnen, sind Gegenstand der An­ sprüche 4 und 5.Alternatives to the practical given above  Embodiment, which is characterized by a faster Marking the switch-on process are the subject of the To sayings 4 and 5.

Eine andere wesentliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuerschaltung kann gemäß Anspruch 6 darin bestehen, daß die Amplitude des Einschaltstromes und des Ausschalt­ stromes durch zusätzliches zeitgesteuertes Ein- und Ausschalten (Takten) der Schalter variierbar ist. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, daß die Kurvenform des Steuerstromes ohne Austausch von Bauelementen verändert werden kann.Another essential embodiment of the invention Control circuit can consist according to claim 6, that the amplitude of the inrush current and the turn-off current through additional time-controlled entry and exit Turning off (clocking) the switch is variable. By this measure ensures that the curve shape of the control current changed without replacement of components can be.

Ausführungsbeispiele der bekannten Schaltung und der erfindungsgemäßen Schaltungen werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigtEmbodiments of the known circuit and the Circuits according to the invention are described below of the drawings. It shows

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf des angestrebten idealen Steuerstromverlaufes; FIG. 1 shows the time profile of the desired ideal control current path;

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des mit der in Fig. 3 gezeigten Steuerschaltung erreichbaren realen Stromverlaufes; FIG. 2 shows the time profile of the real current profile achievable with the control circuit shown in FIG. 3;

Fig. 3 eine bekannte Steuerschaltung; Fig. 3 shows a known control circuit;

Fig. 4(a)-(e) mögliche Ausführungsformen des Leistungshalbleiters; FIG. 4 (a) - (e) show possible embodiments of the power semiconductor;

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild der erfindungs­ gemäßen Steuerschaltung; Fig. 5 is a schematic diagram of the control circuit according to the Invention;

Fig. 6 eine erste Realisierungsvariante der erfindungsgemäßen Steuerschaltung; Fig. 6 shows a first implementation variant of the control circuit according to the invention;

Fig. 7 eine zweite Realisierungsvariante der erfindungsgemäßen Steuerschaltung; Fig. 7 shows a second realization variant of the control circuit of the invention;

Fig. 8 eine dritte Realisierungsvariante der erfindungsgemäßen Steuerschaltung; Fig. 8 shows a third realization variant of the control circuit of the invention;

Fig. 9(a)-(e) verschiedene Schaltstufen der Steuer­ schaltung nach Fig. 6 zur Realisierung des Steuerstromverlaufes gemäß Fig. 10; Fig. 9 (a) - (e) different switching stages of the control circuit according to FIG 6 for realizing the control current curve according to FIG. 10.

Fig. 10 den zeitlichen Verlauf des Steuerstromes, des Einschaltstromes und des Ausschalt­ stromes, unterteilt in zeitliche Abschnitte gemäß den in den Fig. 9a -9k gezeigten Schaltstufen der Steuer­ schaltung nach Fig. 6. Fig. 10 shows the time course of the control current, the inrush current and the OFF current, divided into time segments in accordance with those shown in Figs. 9a switching stages shown -9k the control circuit of Fig. 6.

Fig. 1 zeigt den angestrebten idealen Verlauf des Steuer­ stromes i St für einen Leistungshalbleiter in Abhängigkeit von der Zeit t. Zum Einschalten des Leistungshalbleiters ist eine Einschaltstromüberhöhung notwendig. Um den Einschaltvorgang möglichst schnell zu machen, ist ferner eine steile Anstiegsflanke der Einschaltstromüberhöhung erwünscht. Wenn der Leistungshalbleiter eingeschaltet hat, kann dieser Zustand mit einem verminderten Haltestrom aufrechterhalten werden. Zum Abschalten des Leistungshalb­ leiters ist ein bestimmter negativer Abschaltstrom erforder­ lich. Auch hier ist auch wiederum eine steile Abschalt­ flanke erwünscht, um den Abschaltvorgang möglichst schnell zu machen. Fig. 1 shows the desired ideal course of the control current i St for a power semiconductor as a function of time t . An inrush current increase is necessary to switch on the power semiconductor. In order to make the switch-on process as fast as possible, a steep rising edge of the switch-on current increase is also desirable. If the power semiconductor has switched on, this state can be maintained with a reduced holding current. A certain negative cut-off current is required to switch off the power semiconductor. Here too, a steep switch-off edge is again desired in order to make the switch-off process as quick as possible.

Fig. 2 zeigt den realen Verlauf des Steuerstromes i st für einen Leistungshalbleiter in Abhängigkeit von der Zeit t, der mit einer bekannten Schaltung gemäß Fig. 3 erreichbar ist. Man erkennt, daß die Flanken beim Ein- und Ausschaltvorgang weniger steil als bei dem idealen Stromverlauf sind. Ferner erkennt man, daß ein starker negativer Abschaltstrom auftritt, der den notwendigen Abschaltspitzenstrom in unerwünschter Weise übersteigt und das angestrebte Abschaltprofil verzerrt. FIG. 2 shows the real course of the control current i st for a power semiconductor as a function of the time t , which can be achieved with a known circuit according to FIG. 3. It can be seen that the edges when switching on and off are less steep than with the ideal current profile. It can also be seen that a strong negative switch-off current occurs, which undesirably exceeds the necessary switch-off peak current and distorts the desired switch-off profile.

Die in Fig. 3 gezeigte bekannte Schaltung, mit welcher der Steuerstromverlauf gemäß Fig. 2 erreichbar ist, enthält als Leistungshalbleiter einen GTO. Dieser ist jedoch nur stellvertretend für alle möglichen hier betrachteten Leistungshalbleiter in die Schaltung einge­ setzt. Dabei sind mit X 1 und X 2 die Anschlüsse für den Steuerkreis des Leistungshalbleiters bezeichnet, während mit X 3 und X 4 die Anschlüsse für den Lastkreis des Halbleiters bezeichnet sind. In den Fig. 4(a) bis 4(e) sind fünf verschiedene Leistungshalbleiter-Typen gezeigt, wobei die Fig. 4(e) den GTO aus Fig. 3 repräsentiert. Jeder der Leistungshalbleiter, die in den Fig. 4(a) bis 4(d) gezeigt ist, kann an die Stelle des Leistungshalb­ leiters gemäß Fig. 4(e) gesetzt werden. Es versteht sich, daß noch andere hier nicht dargestellte Leistungs­ halbleiter an die Stelle des GTO treten können.The known circuit shown in FIG. 3, with which the control current curve according to FIG. 2 can be reached, contains a GTO as the power semiconductor. However, this is only representative of all possible power semiconductors considered here in the circuit. X 1 and X 2 denote the connections for the control circuit of the power semiconductor, while X 3 and X 4 denote the connections for the load circuit of the semiconductor. In Figs. 4 (a) to 4 (e), five different power semiconductor types are shown, wherein Fig. 4 (e) the GTO of Fig. 3 represents. Each of the power semiconductors shown in FIGS. 4 (a) to 4 (d) can be substituted for the power semiconductor shown in FIG. 4 (e). It goes without saying that other power semiconductors, not shown here, can take the place of the GTO.

Die bekannte Steuerschaltung gemäß Fig. 3 weist einen Einschaltkreis und einen Ausschaltkreis für den GTO auf. Der Einschaltkreis ist gebildet von einer Spannungs­ quelle U 1, einer dieser parallel geschalteten Kapazität C 1, einem Schalter S 5, einer Reihenschaltung aus einem Widerstand R 4 und einem Kondensator C 4 sowie einem zu der letztgenannten Reihenschaltung parallel liegenden Widerstand R 5. Der Ausschaltkreis besteht aus einer Spannungsquelle U 2, einer dieser parallel geschalteten Kapazität C 2, einem Schalter S 6 und einer Induktivität L 6. Für das Einleiten der Einschaltphase wird der Schalter S 5 geschlossen, während der Schalter S 6 offen bleibt. Die Einschaltstromüberhöhung bildet sich aufgrund der RC-Kombination der Elemente R 4, C 4 und R 5. Die Ausschalt­ phase wird durch Öffnen des Schalters S 5 und durch Schließen des Schalters S 6 eingeleitet. Die Induktivität L 6, die parasitär oder gewünscht diskret sein kann, soll den Stromanstieg beim Abschalten begrenzen.The known control circuit according to FIG. 3 has a switch-on circuit and a switch-off circuit for the GTO. The switch-on circuit is formed by a voltage source U 1 , one of these capacitors C 1 connected in parallel, a switch S 5 , a series circuit comprising a resistor R 4 and a capacitor C 4 and a resistor R 5 lying in parallel with the latter series circuit. The switch-off circuit consists of a voltage source U 2 , one of these capacitors C 2 connected in parallel, a switch S 6 and an inductor L 6 . To initiate the switch-on phase, switch S 5 is closed, while switch S 6 remains open. The inrush current surge is due to the RC combination of the elements R 4 , C 4 and R 5 . The switch-off phase is initiated by opening switch S 5 and closing switch S 6 . The inductance L 6 , which can be parasitic or, if desired, discrete, is intended to limit the current rise when the device is switched off.

Wesentlicher Nachteil der Steuerschaltung nach Fig. 3 ist, daß in den Elementen R 4 und R 5 während des Einschal­ tens Steuerenergie in Wärme umgesetzt wird und damit verloren geht. Beim Ausschalten wird Steuerenergie in der Gate-Kathoden-Strecke in Wärme umgesetzt und ist damit verloren. Eine Rückgewinnung von Steuerenergie ist nicht vorgesehen und auch nicht möglich. Nachteilig ist ferner, daß eine Einflußnahme auf die Kurvenform des Steuerstromes, insbesondere auf die Einschaltstromüber­ höhung und den negativen Abschaltspitzenstrom während des Betriebes nicht möglich ist, sondern nur durch Auswechseln von Bauelementen erfolgen kann. Um die Schaltung für unterschiedliche Betriebsfälle verwendbar zu machen, muß die Einschaltstromüberhöhung dementsprechend für den höchst möglichen Laststrom ausgelegt werden. Bei geringerem Laststrom ist sie damit vollständig fehlangepaßt. Wenn der Leistungshalbleiter von bipolaren Transistoren gebildet ist, führt diese Fehlanpassung zu einer Übersättigung und damit zu einem schlechten Abschaltverhalten.A major disadvantage of the control circuit according to FIG. 3 is that control elements are converted into heat in the elements R 4 and R 5 during the switching on and are therefore lost. When it is switched off, control energy is converted into heat in the gate-cathode path and is therefore lost. A recovery of tax energy is not planned and also not possible. Another disadvantage is that it is not possible to influence the curve shape of the control current, in particular the inrush current and the negative shutdown peak current during operation, but can only be done by replacing components. In order to make the circuit usable for different operating cases, the inrush current must be designed accordingly for the highest possible load current. With a lower load current, it is completely mismatched. If the power semiconductor is formed by bipolar transistors, this mismatch leads to oversaturation and thus to poor switch-off behavior.

In Fig. 5 ist das Prinzipschaltbild für die erfindungsge­ mäße Steuerschaltung gezeigt. Diese weist eine Einschalt­ strom-Brückenschaltung und eine Ausschaltstrom-Brücken­ schaltung auf. Die Einschaltstrom-Brückenschaltung besteht aus vier Brückenzweigen, von denen ein Schalter S 3 den linken oberen Brückenzweig, ein Schalter S 30 den rechten unteren Brückenzweig, eine Diode D 3 den linken unteren Brückenzweig und eine Diode D 30 den rechten oberen Brückenzweig bildet. Zwischen dem Verbin­ dungspunkt zwischen S 3 und D 3 einerseits und dem Verbin­ dungspunkt zwischen D 30 und S 30 andererseits liegt eine Einschaltstromquelle, die den Einschaltstrom i E erzeugt. Die Ausschaltstrom-Brückenschaltung besteht ebenfalls aus vier Brückenzweigen, von denen ein Schalter S 1 den rechten oberen Brückenzweig, ein Schalter S 10 den linken unteren Brückenzweig, eine Diode D 1 den rechten unteren Brückenzweig und eine Diode D 10 den linken oberen Brückenzweig bildet. Zwischen dem von der Diode D 10 und dem Schalter S 10 gebildeten Verbindungs­ punkt einerseits und dem von dem Schalter S 1 und der Diode D 1 gebildeten Verbindungspunkt andererseits liegt eine Ausschaltstromquelle, die den Ausschaltstrom i A erzeugt. Die Einschaltstrom-Brückenschaltung ist ferner mit dem von dem Schalter S 3 und der Diode D 30 gebildeten Verbindungspunkt einerseits und dem von der Diode D 3 und dem Schalter S 30 gebildeten Verbindungspunkt anderer­ seits mit einer Spannungsquelle U 0 sowie einer mit dieser parallel geschalteten Kapazität C 0 verbunden. Die Ausschaltstrom-Brückenschaltung ist ebenfalls mit dem von der Diode D 10 und dem Schalter S 1 gebildeten Verbindungspunkt einerseits und dem von dem Schalter S 10 und der Diode D 1 gebildeten Verbindungspunkt anderer­ seits mit der Spannungsquelle U 0 und der Kapazität C 0 verbunden. Der Gate-Anschluß X 1 des zu steuernden GTO ist mit dem von der Diode D 1 und dem Schalter S 1 gebildeten Verbindungspunkt der Ausgangs­ strom-Brückenschaltung verbunden. Der Kathoden-Anschluß X 2 des GTO ist mit dem von dem Schalter S 3 und der Diode D 3 gebildeten Verbindungspunkt der Einschalt­ strom-Brückenschaltung verbunden. Die Schalter S 3 und S 30 der Einschaltstrom-Brückenschaltung werden von einem i E -Regler geöffnet bzw. geschlossen. Der i E -Regler wertet die Regelabweichung zwischen einem Einschalt­ strom-Sollwert i Esoll und einem Einschaltstrom-Istwert i Eist aus. Zur Beeinflussung der Amplitude des Einschalt­ stromes werden die Schalter getaktet, d. h. in ihrer Grundstellung zusätzlich in zeitgesteuerter Form ein- und ausgeschaltet. Die Schalter S 1 und S 10 der Ausschalt­ strom-Brückenschaltung werden von einem i A -Regler ein- und ausgeschaltet. Der i A -Regler wertet die Regelabweichung zwischen einem Ausschaltstrom-Sollwert i Asoll und einem Ausschaltstrom-Istwert i Aist aus. Auch hier werden die Schalter S 1 und S 10 unabhängig von ihrer Schaltstel­ lung, die sie grundsätzlich zur Erreichung des angestrebten Stromprofiles einnehmen müssen, getaktet, um die Ausschalt­ strom-Amplitude beeinflussen zu können.In FIG. 5, the circuit diagram for the erfindungsge Permitted control circuit is shown. This has an inrush current bridge circuit and an inrush current bridge circuit. The inrush current bridge circuit consists of four bridge branches, of which a switch S 3 forms the upper left bridge branch, a switch S 30 forms the lower right bridge branch, a diode D 3 forms the lower left bridge branch and a diode D 30 forms the upper right bridge branch. Between the connection point between S 3 and D 3 on the one hand and the connection point between D 30 and S 30 on the other hand is an inrush current source that generates the inrush current i E. The switch-off current bridge circuit also consists of four bridge branches, of which a switch S 1 forms the upper right bridge branch, a switch S 10 forms the lower left bridge branch, a diode D 1 forms the lower right bridge branch and a diode D 10 forms the upper left bridge branch. Between the connection point formed by the diode D 10 and the switch S 10 on the one hand and the connection point formed by the switch S 1 and the diode D 1 on the other hand there is a switch-off current source which generates the switch-off current i A. The inrush current bridge circuit is further with the connection point formed by the switch S 3 and the diode D 30 on the one hand and the connection point formed by the diode D 3 and the switch S 30 on the other hand with a voltage source U 0 and a capacitor C connected in parallel therewith 0 connected. The breaking current bridge circuit is also connected to the connection point formed by the diode D 10 and the switch S 1 on the one hand and the connection point formed by the switch S 10 and the diode D 1 on the other hand to the voltage source U 0 and the capacitance C 0 . The gate terminal X 1 of the GTO to be controlled is connected to the connection point of the output current bridge circuit formed by the diode D 1 and the switch S 1 . The cathode terminal X 2 of the GTO is connected to the connection point of the switch-on current bridge circuit formed by the switch S 3 and the diode D 3 . The switches S 3 and S 30 of the inrush current bridge circuit are opened and closed by an i E controller. The i E controller evaluates the control deviation between an inrush current setpoint i Esoll and an inrush current actual value i Eist . To influence the amplitude of the switch-on current, the switches are clocked, ie in their basic position they are also switched on and off in a time-controlled manner. The switches S 1 and S 10 of the switch-off current bridge circuit are switched on and off by an i A controller. The i A controller evaluates the control deviation between a breaking current setpoint i Asoll and a breaking current actual value i Aist . Here, too, the switches S 1 and S 10 are clocked independently of their switching position, which they basically have to assume in order to achieve the desired current profile, in order to be able to influence the switch-off current amplitude.

Die Steuerschaltung nach Fig. 6 beruht auf der in Fig. 5 gezeigten Prinzipschaltung. Die Einschaltstromquelle ist hier durch eine Einschaltinduktivität L E realisiert worden. Die Ausschaltstromquelle ist hier durch eine Ausschaltinduktivität L A realisiert worden. Die Regler für die Schalter S 1, S 10 sowie S 3 und S 30 sind in Fig. 6 der Einfachheit halber weggelassen worden.The control circuit according to FIG. 6 is based on the basic circuit shown in FIG. 5. The inrush current source has been realized here by an inrush inductance L E. The switch-off current source has been realized here by a switch-off inductance L A. The controls for the switches S 1 , S 10 and S 3 and S 30 have been omitted in FIG. 6 for the sake of simplicity.

Die Steuerschaltung von Fig. 7 ist eine Variante der Steuerschaltung nach Fig. 6, in dem die Diode D 3 durch die Kapazität C 3 ersetzt worden ist. Mit der so modifizier­ ten Steuerschaltung ist ein schnelleres Einschalten möglich.The control circuit of FIG. 7 is a variant of the control circuit of FIG. 6, in which the diode D 3 has been replaced by the capacitance C 3 . With the control circuit modified in this way, faster switching on is possible.

Fig. 8 zeigt eine weitere Variante der Steuerschaltung nach Fig. 6. Hier ist nicht nur die Diode D 3 ersetzt durch eine Kapazität C 3/2 (wie in Fig. 7), sondern zu dem Schalter S 3 außerdem eine Kapazität C 3/2 parallel geschaltet. Auch mit dieser modifizierten Schaltung ist ein schnelleres Einschalten möglich. FIG. 8 shows a further variant of the control circuit according to FIG. 6. Here, not only is the diode D 3 replaced by a capacitance C 3/2 (as in FIG. 7), but also a capacitance C 3 / for the switch S 3. 2 connected in parallel. This modified circuit also enables faster switching on.

Nunmehr soll die Steuerschaltung nach Fig. 6 anhand der Fig. 9a bis 9k phasenweise erläutert werden, wobei die in Fig. 10 dargestellten Schaltstufen im zeitlichen Verlauf des Steuerstromes erreicht werden.The control circuit according to FIG. 6 will now be explained in phases with reference to FIGS . 9a to 9k, the switching stages shown in FIG. 10 being achieved over the course of the control current.

Fig. 9a zeigt den Zustand der Steuerschaltung, in dem die vier Schalter S 1, S 10, S 3 und S 30 offen sind. Die Schaltung befindet sich damit in einem Zeitpunkt t im Zeitplan von Fig. 10, der vor t 0 liegt. Der GTO ist ausgeschaltet. Der Einschaltstrom i E und der Ausschalt­ strom i A sind Null. Fig. 9a shows the state of the control circuit, in which the four switches S 1, S 10, S 3 and S 30 are open. The circuit is thus at a time t in the schedule of FIG. 10, which is before t 0 . The GTO is switched off. The inrush current i E and the turn-off current i A are zero.

Fig. 9b zeigt die Steuerschaltung zu einem Zeitpunkt t, der zwischen t 0 und t 1 liegt. Hier sind die Schalter S 3 und S 30 eingeschaltet, während die Schalter S 1 und S 10 offen sind. Der GTO ist noch ausgeschaltet. Die Einschaltinduktivität L E wird durch einen Einschaltstrom i E "geladen". Der Ladekreis ist durch den mit Pfeilspitzen versehenen Stromverlauf gekennzeichnet. Er enthält die Spannungsquelle U 0, die dazu parallel geschaltete Kapazität C 0, den Schalter S 3, die Einschaltinduktivität L E und den Schalter S 30. Fig. 9b shows t, the control circuit at a time that is between t 0 and t 1. Here switches S 3 and S 30 are switched on, while switches S 1 and S 10 are open. The GTO is still switched off. The switch-on inductance L E is "charged" by a switch-on current i E. The charging circuit is characterized by the current curve with arrowheads. It contains the voltage source U 0 , the capacitance C 0 connected in parallel, the switch S 3 , the switch-on inductance L E and the switch S 30 .

Fig. 9c zeigt die Schaltung zu einem Zeitpunkt t 1 im Zeitplan von Fig. 10. Die Schalter S 1 und S 10 sind noch ausgeschaltet. Der Schalter S 3 ist noch eingeschaltet, der Schalter S 30 ist wieder ausgeschaltet. Der GTO ist noch ausgeschaltet. Die zuvor geladene Einschaltinduk­ tivität L E treibt den Einschaltstrom i E durch einen oberen Freilaufkreis. Dieser enthält die Einschaltinduk­ tivität L E , die Diode D 30 und den Schalter S 3. FIG. 9c shows the circuit at a point in time t 1 in the schedule of FIG. 10. Switches S 1 and S 10 are still switched off. Switch S 3 is still switched on, switch S 30 is switched off again. The GTO is still switched off. The previously loaded switch-on inductance L E drives the switch-on current i E through an upper freewheeling circuit. This contains the switch-on inductance L E , the diode D 30 and the switch S 3 .

Fig. 9d zeigt die Steuerschaltung zu einem Zeitpunkt t, der im Zeitplan von Fig. 10 zwischen t 1 und t 2 liegt. Der Schalter S 10 ist noch ausgeschaltet. Auch der Schalter S 30 befindet sich weiterhin im wieder ausgeschalteten Zustand. Der Schalter S 30 ist ausgeschaltet worden. FIG. 9d shows the control circuit at a time t which lies between t 1 and t 2 in the schedule of FIG. 10. The switch S 10 is still switched off. The switch S 30 is also still switched off. The switch S 30 has been turned off.

Der Schalter S 1 ist eingeschaltet worden. Auf diese Weise ist der Freilaufkreis erweitert worden, derart, daß er nunmehr den Steuerkreis des GTO enthält. Der GTO wird dadurch eingeschaltet. Der Einschaltstrom i E ist in diesem Fall gleich dem Steuerstrom i st . Der erweiterte Freilaufkreis ist durch die mit Pfeilspitzen versehene Linie gekennzeichnet. Er umfaßt die Einschaltin­ duktivität L E , die Diode D 30, den Schalter S 1 und die Steuerstrecke (Gate-Kathoden-Strecke) des GTO.The switch S 1 has been turned on. In this way, the freewheeling circuit has been expanded so that it now contains the control circuit of the GTO. This turns the GTO on. The inrush current i E in this case is equal to the control current i st . The extended freewheeling circuit is marked by the line with arrowheads. It includes the switch-on productivity L E , the diode D 30 , the switch S 1 and the control path (gate-cathode path) of the GTO.

Fig. 9e zeigt die Steuerschaltung zu einem Zeitpunkt t im Zeitplan von Fig. 10, der zwischen t 2 und t 3 liegt. Gegenüber Fig. 9d ist hier der Schalter S 1 geöffnet worden. Der Schalter S 10 befindet sich weiterhin im geöffneten Zustand. Die Schalter S 3 und S 30 befinden sich im wieder geöffneten Zustand. Der GTO ist weiterhin eingeschaltet. Es erfolgt ein Rückladen der Einschaltstrom­ überhöhung. Der Rückladekreis ist durch die mit Pfeil­ spitzen angedeutete Linie gekennzeichnet. Der Rückladestrom ist in diesem Fall gleich dem Einschaltstrom i E , der wiederum gleich dem Steuerstrom i st ist. Der Rückladekreis umfaßt die Spannungsquelle U 0 mit der zu ihr parallel geschalteten Kapazität C 0, die Diode D 1, die Steuerstrecke des GTO, die Einschaltinduktivität L E und die Diode D 30. Die Rückladeenergie wird von der Kapazität C 0 aufgenommen. FIG. 9e shows the control circuit at a time t in the schedule of FIG. 10, which lies between t 2 and t 3 . Compared to FIG. 9d, switch S 1 has been opened here. The switch S 10 is still in the open state. Switches S 3 and S 30 are in the reopened state. The GTO is still switched on. The inrush current is reloaded. The reloading circuit is identified by the line indicated by an arrow. In this case, the recharge current is equal to the inrush current i E , which in turn is equal to the control current i st . The recharge circuit comprises the voltage source U 0 with the capacitance C 0 connected in parallel with it, the diode D 1 , the control path of the GTO, the switch-on inductance L E and the diode D 30 . The reloading energy is absorbed by the capacitance C 0 .

Fig. 9f zeigt die Steuerschaltung zu einem Zeitpunkt t, der zwischen t 3 und t 6 des Zeitplanes von Fig. 10 liegt. Gegenüber Fig. 9e ist der Schalter S 1 geschlossen worden. Der Schalter S 10 befindet sich weiterhin im geöffneten Zustand. Die Schalter S 3 und S 30 befindet sich weiterhin im wieder geöffneten Zustand. Auch hier ist der GTO eingeschaltet. Der Steuerstrom i st und der Einschaltstrom i E sind identisch. Der Einschaltstrom i E wird hier wiederum von der Einschaltinduktivität L E durch einen oberen Freilaufkreis getrieben, der neben der Einschaltinduktivität L E , die Diode D 30, den Schalter S 1 und die Steuerstrecke des GTO enthält. Der Steuerstrom i st ist hier der Haltestrom des GTO. FIG. 9f shows the control circuit at a time t which lies between t 3 and t 6 of the schedule of FIG. 10. Compared to Fig. 9e, the switch S 1 has been closed. The switch S 10 is still in the open state. The switches S 3 and S 30 are still in the opened state. The GTO is also activated here. The control current i st and the inrush current i E are identical. The inrush current i E is in turn driven by the switch-on inductance L E through an upper freewheeling circuit which, in addition to the switch-on inductance L E , contains the diode D 30 , the switch S 1 and the control path of the GTO. The control current i st here is the holding current of the GTO.

Fig. 9g zeigt die Steuerschaltung zu einem Zeitpunkt t, der zwischen t 4 und t 5 des Zeitplanes nach Fig. 10 liegt. Gegenüber Fig. 9f ist hier der Schalter S 10 geschlossen worden. Der Schalter S 1 befindet sich weiterhin im geschlossenen Zustand. Die Schalter S 3 und S 30 befinden sich weiterhin im wieder geöffneten Zustand. Der GTO ist weiterhin eingeschaltet. Der Steuerstrom i st (der identisch mit dem Einschaltstrom i E ist) fließt weiterhin durch den bereits in Zusammenhang mit Fig. 9f beschriebenen Freilaufkreis. Daneben erfolgt erstmals ein Laden der Ausschaltinduktivität L A . Der Ladekreis ist durch die gestrichelten Linien mit Pfeilspitzen gekennzeichnet. Er umfaßt die Spannungsquelle U 0 mit der parallel geschal­ teten Kapazität C 0, den Schalter S 1, die Ausschaltinduk­ tivität L A und den Schalter S 10. FIG. 9g shows the control circuit at a time t which lies between t 4 and t 5 of the schedule according to FIG. 10. Compared to FIG. 9f, switch S 10 has been closed here. The switch S 1 is still in the closed state. The switches S 3 and S 30 are still in the opened state. The GTO is still switched on. The control current i st (which is identical to the inrush current i E ) continues to flow through the freewheeling circuit already described in connection with FIG. 9f. In addition, the switch-off inductance L A is charged for the first time. The charging circle is identified by the dashed lines with arrowheads. It comprises the voltage source U 0 with the parallel geschal ended capacitance C 0, the switch S 1, the Ausschaltinduk tivity L A and the switch S 10th

Fig. 9h zeigt die Steuerschaltung zu einem Zeitpunkt t, der zwischen t 5 und t 6 in dem Zeitplan nach Fig. 10 liegt. Gegenüber Fig. 9g ist hier der Schalter S 3 wieder geschlossen, der Schalter S 1 wieder geöffnet und der Schalter S 10 ebenfalls wieder geöffnet worden. Der Schalter S 30 befindet sich noch im wieder geöffneten Zustand. In dieser Phase wird der GTO ausgeschaltet. Der von der Einschaltinduktivität L E getriebene Einschalt­ strom i E zirkuliert im rechten oberen Freilaufkreis, der neben der Einschaltinduktivität L E , die Diode D 30 und den Schalter S 3 enthält. Der Freilaufkreis ist durch die ausgezogene Linie mit Pfeilspitzen gekennzeich­ net. Daneben wird der Ausschaltstrom i A in einem weiteren Freilaufkreis über die Steuerstrecke des GTO getrieben. FIG. 9h shows the control circuit at a time t which lies between t 5 and t 6 in the schedule according to FIG. 10. Compared to FIG. 9g, switch S 3 is closed again here, switch S 1 is opened again and switch S 10 has also been opened again. Switch S 30 is still open. The GTO is switched off in this phase. The driven by the Einschaltinduktivität L E Power current i E circulates in the upper right-hand free-running circuit, which contains in addition to the Einschaltinduktivität L E, the diode D 30 and the switch S3. The freewheeling circuit is characterized by the solid line with arrowheads. In addition, the breaking current i A is driven in a further freewheeling circuit via the control section of the GTO.

Dieser weitere Freilaufkreis ist durch die gestrichelte Linie mit Pfeilspitzen gekennzeichnet und umfaßt neben der Ausschaltinduktivität L A die Steuerstrecke des GTO, den Schalter S 3 und die Diode D 10. Der Ausschaltstrom i A ist hier gleich dem Steuerstrom i st .This further freewheeling circuit is identified by the dashed line with arrowheads and, in addition to the switch-off inductance L A, includes the control path of the GTO, the switch S 3 and the diode D 10 . The breaking current i A is equal to the control current i st .

Fig. 9i zeigt die Steuerschaltung zu einem Zeitpunkt t, der zwischen t 6 und t 7 im Zeitplan von Fig. 10 liegt. Gegenüber Fig. 9h ist keine Veränderung des Schaltzustandes der vier Schalter erfolgt. Der GTO beginnt hier zu sperren. Die Folge davon ist, daß der von der Ausschaltin­ duktivität L A getriebene Ausschaltstrom i A zunehmend seinen Weg durch einen Rückladekreis sucht, der ebenfalls durch gestrichelte Linien mit Pfeilspitzen gekennzeichnet ist. Dieser Rückladekreis umfaßt neben der Ausschaltinduk­ tivität L A die Diode D 1, die Spannungsquelle U 0 mit der parallel geschalteten Kapazität C 0 sowie die Diode D 1. FIG. 9i shows the control circuit at a time t which lies between t 6 and t 7 in the schedule of FIG. 10. Compared to FIG. 9h, there has been no change in the switching state of the four switches. The GTO begins to lock here. The result is that the productivity of the Ausschaltin L A driven breaking current i A Increasing its way through a reverse charging circuit studied, is characterized also by broken lines with arrowheads. In addition to the switch-off inductance L A, this recharging circuit includes diode D 1 , voltage source U 0 with capacitance C 0 connected in parallel, and diode D 1 .

Fig. 9k zeigt die Steuerschaltung zu einem Zeitpunkt der später als t 7 in dem Zeitplan nach Fig. 10 liegt. Gegenüber den Fig. 9h und 9i ist der Schalter S 3 wieder geöffnet worden. Die Schalter S 1, S 10 und S 30 befinden sich weiterhin im wieder geöffneten Zustand. Der GTO ist ausgeschaltet. Der von der Ausschaltinduktivität L A getriebene Ausschaltstrom i A wird weiterhin durch den Rückladekreis geleitet, der neben der Ausschaltinduk­ tivität L A die Diode D 10, die Spannungsquelle U 0 mit der parallel geschalteten Kapazität C 0 und die Diode D 1 enthält. Aber auch der von der Einschaltinduktivität L E getriebene Einschaltstrom i E wird rückgeladen. Der durch eine ausgezogene Linie mit Pfeilspitzen gekennzeich­ net. FIG. 9k shows the control circuit at a point in time which is later than t 7 in the schedule according to FIG. 10. Compared to FIGS. 9h and 9i, the switch S 3 has been opened again. The switches S 1 , S 10 and S 30 are still in the opened state. The GTO is switched off. The driven by the Ausschaltinduktivität L A breaking current i A is further passed through the reverse charging circuit, which in addition to the Ausschaltinduk L A tivity the diode D 10, the voltage source U 0 contains the parallel-connected capacitor C 0 and the diode d1. But the driven by the Einschaltinduktivität L E inrush current i E is reloaded. The net marked by a solid line with arrowheads.

Die vorstehend beschriebene Schaltung ist prinzipiell verlustfrei, und zwar bis zu höchsten Steuerströmen. Mit anderen Worten, diese Steuerschaltung hat theoretisch keine Verluste an Steuerenergie. Verluste können allenfalls durch reale Bauelemente (z. B. Durchgangswiderstände von Schaltern, Flußspannungen von Dioden) auftreten. Bei den bekannten Schaltungen treten dagegen prinzipbe­ dingte Verluste durch notwendige Widerstände auf.The circuit described above is in principle  lossless, up to the highest control currents. In other words, this control circuit has theoretically no loss of tax energy. Losses can at best through real components (e.g. volume resistances of switches, forward voltages of diodes) occur. In the known circuits, however, occur in principle contingent losses due to necessary resistances.

Ein Vergleich der Fig. 1 und 10 zeigt, daß der angestrebte ideale Steuerstromverlauf praktisch erreicht wird.A comparison of FIGS. 1 and 10 shows that the desired ideal control current profile is practically achieved.

Claims (6)

1. Steuerschaltung für einen stromgesteuerten Leistungs­ halbleiter, mit einer Spannungsquelle, mit einer parallel zur Spannungsquelle geschaltete Speicherkapa­ zität, und mit Schaltern, mittels welchen der Steuer­ strecke des Leistungshalbleiters wahlweise der Ein­ schaltstrom oder der Ausschaltstrom zuführbar ist, gekennzeichnet durch eine Einschaltstromquelle und eine Ausschaltstromquelle, von denen jede mittels der Schalter (S 1, S 10; S 3, S 30) entweder in einen die Spannungsquelle (U 0) und die Speicherkapazität (C 0) enthaltenden Ladekreis oder einen die Spannungsquelle (U 0) und die Speicher­ kapazität (C 0) ebenfalls enthaltendenen Rückladekreis oder einen Freilaufkreis einschaltbar ist, wobei in jeden der drei Kreise außerdem mittels der Schalter (S 1, S 10; S 3, S 30) wahlweise die Steuerstrecke (X 1-X 2) des Leistungshalbleiters (GTO) einschaltbar ist. 1.Control circuit for a current-controlled power semiconductor, with a voltage source, with a storage capacity connected in parallel with the voltage source, and with switches by means of which the control path of the power semiconductor can be supplied either with a switch-on current or a switch-off current, characterized by a switch-on current source and a switch-off current source , each of which by means of the switch (S 1, S 10; 30 S 3, S), the voltage source (U 0) and the storage capacity (C 0) capacity load circuit containing or the voltage source (U 0) and the memory either in a (C 0 ) also containing return circuit or a freewheeling circuit can be switched on, wherein in each of the three circuits also by means of the switches (S 1 , S 10 ; S 3 , S 30 ) optionally the control path (X 1 - X 2 ) of the power semiconductor (GTO ) can be switched on. 2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen von Induktivitäten (L A , L E ) gebildet sind.2. Control circuit according to claim 1, characterized in that the current sources are formed by inductors (L A , L E ). 3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß jede der beiden Stromquellen (L A , L E ) zwischen einem Paar von gegenüberliegenden Schaltungspunkten einer Brückenschaltung angeordnet ist, daß das andere Paar von gegenüberliegenden Schaltungspunkten jeder der beiden Brückenschaltungen mit der Spannungsquelle (U 0) verbunden ist, daß ein Paar gegenüberliegender Brückenzweige jeder Brückenschaltung von Schaltern (S 1, S 10; S 3, S 30) und das andere Paar von Dioden (D 1, D 10; D 3, D 30) oder Schaltern gebildet ist,
daß bei Verwendung von Dioden (D 1, D 10; D 3, D 30) diese in bezug auf die Spannungsquelle (U 0) in Sperrich­ tung gepolt sind, und daß die Steuerstrecken (X 1-X 2) des Leistungshalbleiters (GTO) zwischen einem mit der Einschaltstromquelle (L E ) verbundenen Schaltungs­ punkt der einen Brückenschaltung und einem mit der Ausschaltstromquelle (L A ) verbundenen Schaltungspunkt der anderen Brückenschaltung liegt (Fig. 6).3. Control circuit according to claim 1 or 2, characterized in
that each of the two current sources (L A , L E ) is arranged between a pair of opposite circuit points of a bridge circuit, that the other pair of opposite circuit points of each of the two bridge circuits is connected to the voltage source (U 0 ), that a pair of opposite bridge branches each Bridge circuit of switches (S 1 , S 10 ; S 3 , S 30 ) and the other pair of diodes (D 1 , D 10 ; D 3 , D 30 ) or switches is formed,
that when using diodes (D 1 , D 10 ; D 3 , D 30 ) these are polarized in the reverse direction with respect to the voltage source (U 0 ), and that the control paths (X 1 - X 2 ) of the power semiconductor (GTO) between a circuit point connected to the inrush current source (L E ) of the one bridge circuit and a circuit point connected to the switch-off current source (L A ) of the other bridge circuit ( FIG. 6). 4. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß jede der beiden Stromquellen (L A , L E ) zwischen einem Paar von gegenüberliegenden Schaltungspunkten je einer Brückenschaltung angeordnet ist, daß das andere Paar von gegenüber liegenden Schaltungspunkten jeder der beiden Brückenschaltungen mit der Spannungs­ quelle (U 0) verbunden ist, daß die Steuerstrecke (X 1-X 2) des Leistungshalbleiters (GTO) zwischen einem mit der Einschaltstromquelle (L E ) verbundenen Schaltungspunkt der einen Brückenschaltung und einem mit der Ausschaltstromquelle (L A ) verbundenen Schal­ tungspunkt der anderen Brückenschaltung liegt, daß ein Paar gegenüberliegender Brückenzweige der die Ausschaltstromquelle (L A ) enthaltendenen Brückenschal­ tung von Schaltern (S 1, S 10) und das andere Paar von Dioden (D 1, D 10) oder Schaltern gebildet ist,
daß ein Paar gegenüberliegender Brückenzweige der die Einschaltstromquelle (L E ) enthaltendenen Brücken­ schaltung von Schaltern (S 3, S 30) gebildet ist,
daß der mit der Steuerstrecke (X 1-X 2) des Leistungshalb­ leiters (GTO) verbundene dritte Brückenzweig der die Einschaltstromquelle (L E ) enthaltenden Brückenschal­ tung von einem Kondensator (C 3, C 3/2) gebildet ist,
daß der vierte Brückenzweig der die Einschaltstromquelle (L E ) enthaltendenen Brückenschaltung von einer Diode (D 30) oder einem Schalter gebildet ist, und daß bei Verwendung von Dioden (D 1, D 10; D 3, D 30) diese in bezug auf die Spannungsquelle (U 0) in Sperrichtung gepolt sind (Fig. 7).4. Control circuit according to claim 1 or 2, characterized in
that each of the two current sources (L A , L E ) is arranged between a pair of opposite circuit points, each a bridge circuit, that the other pair of opposite circuit points of each of the two bridge circuits is connected to the voltage source (U 0 ), that the control path (X 1 - X 2 ) of the power semiconductor (GTO) between a circuit point connected to the inrush current source (L E ) of one bridge circuit and a circuit point connected to the switch-off current source (L A ) of the other bridge circuit, that a pair of opposite bridge branches of the Switch-off current source (L A ) containing bridge circuit device is formed by switches (S 1 , S 10 ) and the other pair of diodes (D 1 , D 10 ) or switches,
that a pair of opposing bridge branches of the bridge circuit containing the inrush current source (L E ) is formed by switches (S 3 , S 30 ),
that of the control line (X 1 - X 2) connected to the power semiconductor (GTO) third bridge branch of the start-(L E) containing bridge TIC of a capacitor (C 3, C 3/2) is formed,
that the fourth bridge branch of the bridge circuit containing the inrush current source (L E ) is formed by a diode (D 30 ) or a switch, and that when using diodes (D 1 , D 10 ; D 3 , D 30 ) these with respect to the Voltage source (U 0 ) are polarized in the reverse direction ( Fig. 7). 5. Steuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem mit der Steuerstrecke (X 1-X 2) des Leistungs­ halbleiters (GTO) verbundenen Schalter (S 3), der einen Brückenzweig des Paares von Brückenzweigen der die Einschaltstromquelle (L E ) enthaltendenen Brückenschaltung bildet, ein weiterer Kondensator (C 3/2) parallel geschaltet ist (Fig. 8).5. Control circuit according to claim 4, characterized in that to the control path (X 1 - X 2 ) of the power semiconductor (GTO) connected switch (S 3 ), the one branch of the pair of bridge branches of the inrush current source (L E ) containing bridge circuit forms, a further capacitor (C 3/2 ) is connected in parallel ( Fig. 8). 6. Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Einschaltstromes (i E ) und des Ausschaltstrom (i A ) durch zusätzliches zeitgesteu­ ertes Ein- und Ausschalten (Takten) der Schalter (S 1, S 10; S 3, S 30) variierbar ist.6. Control circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the amplitude of the inrush current (i E ) and the turn-off current (i A ) by additional time-controlled switching on and off (clocking) of the switches (S 1 , S 10 ; S 3 , S 30 ) is variable.
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