DE4020343C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist durch die DE 37 27 996 A1 bekannt.

Über ihren Steueranschluß abschaltbare Thyristoren, insbesondere GTO- Thyristoren, sind zwar in der Lage hohe Überströme zu leiten, jedoch können Ströme, die über einem maximal periodisch abschaltbaren Anoden­ strom liegen, beim Abschalten nicht beherrscht werden, das heißt sol­ che Ströme führen bei einem Abschaltversuch zur Zerstörung des Thyri­ stors.

Bei dem Verfahren nach der oben genannten DE 37 27 996 A1 wird deshalb bei einem Abschaltbefehl der Steueranschluß des Thyristors für den Ab­ schaltsteuerstrom gesperrt, sobald ein nicht mehr abschaltbarer Ano­ denstrom fließen würde, und der Thyristor wird stattdessen durchge­ zündet bzw. bleibt leitend. Da dann kein Abschaltsteuerstrom über den Steueranschluß des Thyristors fließen kann, das heißt der Abschaltver­ such unterdrückt wird, bleibt der Thyristor im durch ihn beherrschbaren leitenden Zustand, bis eine Abschaltung gefahrlos durchgeführt werden kann oder der Strom von selbst verlischt oder eine Sicherung anspricht.

Zur Unterdrückung von unzulässigen Abschaltversuchen bei den Thyri­ stor gefährdenden Überströmen wird nach dem zuvor erwähnten Stand der Technik eine sich aus dem aktuellen Anodenstrom des Halbleiters und dem Produkt aus der zeitlichen Ableitung des aktuellen Anodenstromes und der maximalen Abschaltverzugszeit zusammensetzende Meßgröße ge­ bildet und mit einem einstellbaren, maximal schaltbaren Anodenstrom verglichen, wobei auftretende Löschbefehle unterdrückt werden, wenn die derart gebildete Meßgröße den maximal schaltbaren Anodenstrom erreicht oder überschreitet.

Da beim üblichen Einsatz der Thyristoren in mehrphasigen Stromrichter- Brückenschaltungen für jeden Thyristor die Ableitung des Anodenstromes erfaßt werden muß und zusätzlich für jedes Zweigpaar von zwei Thyri­ storen innerhalb der Brückenschaltung auch noch der Strom zu erfassen ist, ist das bekannte Verfahren aufwendig.

Das bekannte Verfahren kann aber auch in der Regel vom Ergebnis her nicht optimal sein, weil nämlich die zu bildende Meßgröße durch das Einrechnen der maximalen Abschaltverzugszeit einen hypothetischen Wert für einen zukünftigen Zustand des Thyristors darstellt. Die Ab­ schaltverzugszeit ist jedoch bei den einzelnen abschaltbaren Thyri­ storen stark parameterabhängig, wobei die Temperatur und die Leitungs­ längen der Thyristoranschlüsse besonders zu Buche schlagen. Insofern wird die nach dem Stand der Technik zu bildende Meßgröße selten mit der Realität übereinstimmen. Entweder die Zeit ist zu kurz bemessen, und der Thyristor wird durch den Abschaltversuch bei zu hohem Anoden­ strom doch zerstört oder aber - insbesondere bei entsprechend hoch zu kalkulierenden Sicherheitszuschlägen - ist das Sperren des Abschalt­ steuerstromes, d. h. das Belassen des Thyristors im leitenden Zustand, unnötig und für den Betriebsfall störend, weil der Thyristor in Wirk­ lichkeit gefahrlos abgeschaltet werden kann.

Auch durch die DE 34 34 607 A1 ist es bekannt, die zeitliche Änderung des Gate-Stroms bei einem GTO-Thyristor nach dem Auftreten eines Ab­ schaltbefehls zu erfassen und in Form eines Hilfssignals abzugeben. Tritt ein Vorzeichenwechsel in diesem Hilfssignal ein, so wird ein Zustandssignal er­ zeugt. Eine Überlastung wird dann gemeldet, wenn eine aus dem erfaßten Gate-Strom abgeleitete Integrationsgröße vor dem Auftreten des Zustands­ signals einen vorgegebenen Wert überschreitet.

In der älteren Anmeldung gemäß der nachveröffentlichten DE 39 11 464 A1 ist ein Verfahren zum Kurzschlußschutz eines eine Last schaltenden GTO- Thyristors während seines Abschaltvorgangs angegeben, bei dem ermittelt wird, ob der Anstieg des Anodenstromes des GTO-Thyristors größer ist als der größtmögliche durch die Last während des Betriebes hervorgerufene Stromanstieg. Außerdem wird dazu ermittelt, ob der Anstieg des negativen Gatestromes negativ ist. Wenn beide Kriterien gleichzeitig zutreffen, wird der Abschaltvorgang des GTO-Thyristors sofort unterbrochen und statt dessen der GTO-Thyristor unmittelbar erneut durch einen positiven Gate­ strom gezündet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs angegebene Ver­ fahren derart auszugestalten, daß bei geringem Aufwand der Schutz opti­ miert wird, insbesondere also der Thyristor wirklich nur im kritischen Fall sofort durchgezündet bzw. im voll leitenden Zustand belassen wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekenn­ zeichneten Merkmale gelöst.

Es wird also stets der tatsächlich vorliegende Anodenstrom (potential­ frei) berücksichtigt, so daß im Fehlerfall (und nur dann) der jeweilig abzuschaltende Thyristor umgehend geschützt werden kann. Da auf die Integration während des Aus-Zustands des Thyristors verzichtet werden kann, ist der eingesetzte Integrierer dann auf 0 Volt gesetzt, d. h. ein Offset-Abgleich ist nicht nötig. Der Aufwand für den Schutz ist minimal.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung ist im Anspruch 2 gekennzeichnet. Da nämlich ohnehin die zeitliche Ab­ leitung des Anodenstromes erfaßt wird, kann sie auch für zusätzliche Sicherheit bei stark veränderlichen Überströmen, insbesondere Kurz­ schlußströmen, verwendet werden.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines im Prinzip in der Zeich­ nungsfigur dargestellten Anwendungsbeispiels erläutert werden:
Die Zeichnungsfigur zeigt einen GTO-Thyristor T als einen über seinen Steueranschluß G an- und abschaltbaren Thyristor, durch den ein Ano­ denstrom i von der Anode A zur Kathode K fließt. An den Steueran­ schluß G ist ein einen Impulsverstärker V aufweisender Zündverstär­ ker Z angeschlossen, der von einem Steuergerät S Signale als Befeh­ le "Ein/Aus" zum An- bzw. Abschalten des Thyristors T erhält. Dem Steuergerät S sind zur sinnvollen Steuerung des Thyristors T unter anderem Informatoren über die zeitliche Änderung des Anodenstromes i von einem di/dt-Sensor E zugeführt, der in Form einer potentialtrennenden Toroidspule mit nicht magnetischem Kern (µ_r = 1) um einen Leiter im Anodenkreis des Thyristors T gelegt ist.

Der di/dt-Sensor E liefert Signale, die der zeitlichen Änderung des Anodenstromes i entsprechen, auch an den Zündverstärker Z zum Schutz des Thyristors T vor Abschaltversuchen bei einem Überstrom, nämlich einem Strom, der größer ist als ein zulässiger Grenzstrom i_Grenz, bei dem der Thyristor T noch sicher abgeschaltet werden kann.

Das Signal der zeitlichen Änderung di/dt des Anodenstromes i wird einem Integrierer I zugeführt, der im wesentlichen aus hier nicht näher bezeichneten Bausteinen, nämlich einem Verstärker mit vorge­ schaltetem Eingangswiderstand sowie einem durch einen Schalter über­ brückbaren Kondensator in der Rückkopplung aufgebaut ist. Der den Kondensator kurzschließende Schalter im Integrierer I wird von einem Logikbaustein L stets während der Zeit geschlossen gehalten, während der der Thyristor T abgeschaltet ist. Damit wird der Integrierer während des Aus-Zustands des Thyristors auf 0 V gelegt und benötigt keinen Offset-Abgleich bei den üblichen Schaltfrequenzen.

Am Ausgang des Integrierers I steht stets eine dem aktuellen Anoden­ strom i proportionale Spannung an. Diese Spannung wird einem ersten Komparator K1 zugeführt, der das dem Anodenstrom i proportionale Si­ gnal mit einer vorgegebenen, dem maximal vom Thyristor noch abschalt­ baren Grenzstrom i_Grenz entsprechenden Referenzspannung vergleicht.

Das Ausgangssignal des Komparators K1 bewirkt, sofern der Anoden­ strom i den Grenzstrom i_Grenz überschreitet, im Logikbaustein L, daß beim gleichzeitigen Vorliegen eines Abschaltbefehls "Aus" dieser Abschaltbefehl nicht ausgeführt wird. Vielmehr wird in diesem Falle zum Schutze des Thyristors T von dem Logikbaustein L veranlaßt, daß der Thyristor T weiter voll im leitenden Zustand gehalten wird. D.h. der Abschaltvorgang des Thyristors T wird verhindert bzw. bei gleich­ zeitiger Durchzündung des Thyristors T abgebrochen. Der Schutz wird also sofort im Fehlerfall, d. h. sobald der Überstrom tatsächlich auftritt, wirksam.

Zur Vervollkommung des beschriebenen Schutzes bei plötzlichem, sehr starken Anstieg des Anodenstromes i wird das Signal di/dt vom di/dt- Sensor E auch einem zweiten Komparator K2 zugeführt. Ist die Strom­ änderung di/dt größer als eine zulässige Stromanstiegsgeschwindigkeit (di/dt)_zul, d. h. liegt ein Stromanstieg im Kurzschlußfall vor, bewirkt das Ausgangssignal des zweiten Komparators K2 ebenfalls beim Logik­ baustein L, sofern dieser (gleichzeitig) einen vom Steuergerät S ab­ gegebenen Abschaltbefehl "Aus" für den Thyristor T vorliegen hat, den Schutz des Thyristors T.

Der Logikbaustein L wird also auch in diesem Fall den Abschaltbefehl nicht ausführen und den Thyristor im leitenden Zustand halten. Steigt der Anodenstrom i erst nach dem Beginn des Abschaltvorgangs (d. h. zu einem Zeitpunkt, zu dem der GTO-Thyristor noch nicht sicher gesperrt ist) unzulässig an, wird vom Logikbaustein L der Abschaltvorgang be­ endet und der Thyristor erneut gezündet.

Claims (2)

1. Verfahren zum Schutz eines über seinen Steueranschluß abschalt­ baren Thyristors vor einem Abschaltversuch bei einem Überstrom mit einer Erfassung der zeitlichen Änderung des durch den Thyri­ stor fließenden Anodenstromes und einer verbleibenden Durchzün­ dung des Thyristors bei einer einen maximal zulässigen Anoden­ strom während des Abschaltens überschreitenden Meßgröße, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße allein durch fortschreitende Integration der potentialfrei erfaßten zeitlichen Änderung des Anodenstromes gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor auch dann durchgezündet bleibt, wenn die poten­ tialfrei erfaßte zeitliche Änderung des Anodenstromes während des Abschaltens eine zulässige Stromänderung überschreitet.