-
Verfahren zum Betrieb von Halbleiterventilanordnungen und Anordnung
zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Betrieb von Halbleiterventilanordnungen mit in Reihe geschalteten Gleichrichterelementen
auf der Basis eines Halbleiterkörpers aus oder nach Art von Germanium oder Silizium.
Die jeweilige Ventilanordnung kann dabei z. B. in einer Phasenleitung oder in dem
Zweig einer Brückenschaltung der Stromrichteranlage eingeschaltet sein.
-
Werden Halbleitergleichrichterelemente zur Behcrrschung hoher Spannungen
in einer elektrischen Ventilanordnung in Reihenschaltung betrieben, so ist es für
die Vermeidung einer unzulässigen Beanspruchung des einzelnen der in Reihe geschalteten
Gleichrichterelemente notwendig, daß die gesamte an der Ventilanordnung liegende
Sperrspannung sich möglichst anteilig auf alle in Reihe geschalteten einzelnen Gleichrichterelemente
verteilt. Es ist nach Fig. 1 für Ventilanordnungen bekanntgeworden, einer
Kette aus z. B. drei Gleichrichterelementen 1 bis 3
zwischen den Anschlüssen
der Ventilanordnung eine entsprechende Kette aus ohmschen Widerständen 4 bis
6, aus Kapazitäten oder aus Reihenschaltungen oder Parallelschaltungen von
ohmschen und kapazitiven Widerständen parallel zu schalten, so daß also jeweils
z. B. jedem der Gleichrichterelemente je ein solches Widerstandsglied der
anderen Kette parallel liegt. Damit eine solche zugeordnete Widerstandskette aber
entsprechend stabilisierend für die anteilige Aufteilung der gesamten an den Anschlüssen
der Ventilanordnung erscheinenden Sperrspannung wirksam ist, muß der im Sperrzustand
der Ventilanordnung über die Widerstandskette fließende Strom einen gewissen Mindestwert
aufweisen. So hat es sich z. B. als notwendig ergeben, für eine genügend einwandfreie
Stabilisierung der Spannungsaufteilung auf in Reihe geschaltete Halbleiterelemente
einen Spannungsteiler solcher Bemessung zu benutzen, daß über diesen etwa der fünffache
Wert desjenigen Stromes fließt, der in Sperrichtung über die Reihenschaltung der
Ventile seinen Weg nimmt. Eine solche Anordnung hat also den Mangel eines dauernden
Stromverbrauchs im Spannungsteiler sowie denjenigen eines relativ großen Raumbedarfes
für die Unterbringung der benutzten Elemente der parallel geschalteten Widerstandskette.
-
Eine solche Ventilanordnung mit in Reihe geschalteten Gleichrichterelementen
könnte nun durch eine geeignete Wahl der Dotierung der Halbleiterkörper der Halbleiterelemente
auch derart betrieben werden, daß bei der normalen, betriebsmäßig zu erwartenden
Sperrspannung U,p", die gleich ist der Gesamtscheitelspannung, dividiert durch die
Zahl der in Serie geschalteten Elemente, und dem dabei in der Reihenschaltung auftretenden
Sperrstrom fp" der Arbeitspunkt A nach Fig. 2 der Zeichnung auf den steilen
Teil der in Sperrichtung gemessenen Stromspannungskennlinie der Halbleiterelemente
zu liegen kommt. Die z. B. in dieser Figur eingetragenen, voneinander abweichenden
Kennlinien a bis c verschiedener z. B. in einer Ventilanordnung in Reihe geschalteter
Halbleitergleichrichtereleinente ergeben bei dem sie alle in Sperrichtung durchfließenden
gleichen Strom, wenn dieser bei einer an der gesamten Ventilanordnung liegenden
Sperrspannung z. B. einen Wert J" , gemäß der durch diesen Punkt der Ordinate
zu der Abszissenachse des Koordinatensystems gestrichelt eingetragenen Parallelen
hat, wie an den Schnittpunkten zwischen dieser Parallelen und den Kennlinien der
verschiedenen Gleichrichtereleinente zu erkennen ist, stark verschiedene anteilig
übernommene Sperrspannungen. Es würde also ungünstig sein, die Serienschaltung mit
dem Sperrstrom f", zu betreiben. In dem oberhalb des Knickes liegenden Teilbereich
laufen die Kennlinien der verschiedenen Zellen je-
doch dann praktisch in
eine Spur zusammen, auf welcher der Punkt A liegt. In diesem Betriebsfall
kann jll 2 gleich fp" sein, da die hierzu gehörige Sperrspannung für alle drei Elemente
a bis c gleich groß ist und also auch gleich U"" gemacht werden kann. Eine solche
Schaltung kann aber keine zusätzlichen Spannungsspitzen in Sperrichtung vertragen.
Denn wegen des Verlaufes der Kennlinien durch und nach dem PunktA steigt der Sperrstrom
dann dabei außerordentlich schnell an und würde zur Zerstörung der Gleichrichterelemente
führen.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß sich
eine Halbleitergleichrichteranordnung mit in Reihe geschalteten Halbleitergleichrichterelementen
bei praktisch anteilig gleichmäßiger Aufteilung der gesamten an der Ventilanordnung
liegenden Betriebsspannung auf die einzelnen Gleichrichterelemente der Reihenschaltung
auch ohne stabilisierende Widerstandskette erreichen läßt, wenn aus der technischen
Wirkung bei Halbleitergleichrichterelementen Nutzen gezogen wird, daß n* der steigenden
Temperatur der Volumensperrstrom durch den Halbleiterkrista11 derart anwächst, daß
er schließlich den Oberflächensperrstrom überwiegt. Der Oberflächensperrstrom streut
von Gleichrichterelement zu Gleichrichterelement viel stärker als der Volumensperrstrom.
-
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb von Halbleiterventilanordnungen
mit in Reihe geschalteten Halbleitergleichrichterelementen auf der Basis eines Halbleiterkörpers
aus oder nach Art von Germanium oder Silizium werden diese Gleichrichterelemente
bereits vor dem Anlegen der Betriebsspannung an die jeweilige Halbleiterventilanordnung
auf einen solchen Temperaturwert vorgewärmt, bei welchem das einzelne Gleichrichterelement
in der Reihenschaltung bei seiner Nennsperrspannung betrieben werden kann, ohne
zusätzliche parallel geschaltete Spannungsstabilisierungsglieder zubedingen.
-
Auf diese Weise werden die einzelnen Halbleitergleichrichterelemente
bei einer solchen Temperatur betrieben, daß stets derVolumensperrstrom den Oberflächensperrstrom
überwiegt. Hierdurch sind in der Kurvenschar der Sperrstrom-Sperrspannungs-Kennlinien
der einzelnen in Reihe liegenden Gleichrichterelemente diese Kennlinien der an der
Bildung der Ventilanordnung beteiligten Gleichrichterelemente einander derart angenähert,
daß die Anteile der Sperrspannung an den einzelnen Gleichrichterelementen in der
Reihenschaltung, bezogen auf die gesamte an der Ventilanordnung liegende Sperrspannung
bzw. Betriebsspannung, sich nur noch unwesentlich voneinander unterscheiden.
-
Das veranschaulicht auch die Fig. 3 der Zeichnung. In dieser
sind zwei Scharen 1 und II von Kennlinien a bis c - Sperrstrom über
Sperrspannung - von drei in Reihe geschalteten Halbleitergleichrichterelementen
einerVentilanordnung beispielsweise eingetragen. Die Schar 1 zeigt den Verlauf
von Kennlinien für geringe absolute Temperaturwerte im Temperaturbereich T" die
Schar II den Verlauf der Kennlinien der Gleichrichterelemente nach deren Erwärmung,
also bei höheren Temperaturwerten im Bereich T.. Die Schnittpunkte der Kennlinien
mit den Horizontalen bei den Werten des gemeinsamen Sperrstromes J,1,1 bzw. J,,
2 mit den Kennlinien lassen deutlich erkennen, wie die zu diesen Schnittpunkten
an der Kennlinienschar II gehörigen Sperrspannungswerte wesentlich weniger Streuungen
aufweisen, als es sinngemäß für die Kennlinienschar 1 der Fall ist.
-
Aus der Darstellung nach Fig. 3 ist auch zu erkennen, daß nach
der Erfindung nicht im Steilanstieg der KennUnien wie etwa im Arbeitspunkt
A gemäß Fig. 2 gearbeitet wird. Es ist somit auch bei Sperrspannungsstößen
an der Reihenschaltung eine gewisse Spannungsreserve gegen das Auftreten unzulässiger
und sehr schnell anwachsender Sperrströme, vorhanden. Der Temperaturbereich im Sinne
von T, kann bei einem erfindungsgemäßen Betrieb der Ventilanordnung wegen einer
besonderen Beheizung bzw. C
hoher Erwärmung der Gleichrichterelemente niemals
unterschritten werden. Die Ventilanordnung wird also jeweils erst an die normale
Betriebsspannung angelegt, nachdem ihre Gleichrichterelemente eine Vorerwärmung
auf eine Mindesttemperatur im Bereich von T, erreicht haben. Während des Betriebes
der Ventilanordnung wird dabei z. B. durch eine geeignete Msemrichtung überwacht,
daß an den Halbleitergleichrichterelementen die Betriebstemperatur nicht unter einen
gewissen Mindestwert absinken kann.
-
Wird die Erfindung bei einem Gleichrichter auf der Basis eines Halbleiterkörpers
aus Silizium angewendet, so würde eine, Vorerwärmung des Gleichrichters und Erhaltung
seiner Temperatur im Bereich von etwa 120 bis 200' C, vorzugsweise bei etwa
150' C,
benutzt werden.
-
Würde ein Gleichrichter auf der Basis eines Halbleiters aus Germanium
vorliegen, so würde eine Vorerwärmung bzw. Erhaltung der Temperatur im Bereich von
etwa 40 bis 70' C, vorzugsweise bei 60' C,
in Frage kommen.
-
Eine beispielsweise Schaltung für den Betrieb einer Halbleiterväntilanordnung
gemäß der Erfindung veranschaulicht die Fig. 4 der Zeichnung.
-
Nach dieser Schaltung liegt an den Klemmen 10
bis 12 ein dreiphasiges
Wechselstromnetz. Von diesem wird über den Schalter 13 und den Transforrnator
14 die dreiphasige Brückenschaltung gespeist, welche in ihren verschiedenen Brückenzweigen
je eine der Ventilanordnungen 15 bis 20 enthält, von denen jede aus
der Reihenschaltung dreier Gleichrichterelemente a bis c besteht. Von diesem dreiphasigen
Stromrichter wird normalerweise der Verbraucher 21 gespeist. Ferner ist in der Schaltung
ein Hilfstransformator 22 vorhanden, von dem der Einfachheit halber nur die Sekundärwicklung
dargestellt ist. Dieser Transformator 22 kann mittels des Umschalters
23
auf die aus den Ventilanordnungen 15 bis 20 bestehende Brückenschaltung
geschaltet werden. Soh die Anlage in Betrieb genommen werden, so wird zunächst in
der geöffneten Stellung des Schalters 13
das Anheizen oder Beheizen der Stromrichterventfle
15 bis 20 vorgenommen, indem der Schalter 23 in seine linke
geschlossene Schaltstellung gebracht wird, in welcher dann der Transformator mit
der Sekundärwicklung 22 in der angegebenen Weise auf die Brükkenschaltung aus den
Ventilanordnungen 15 bis 20 geschaltet ist. In diesem Zustand werden die
Ventile dann im wesentlichen durch den über sie in ihrer Flußrichtung fließenden
Strom entsprechend vorgeheizt, so daß sie einen bestimmten Temperaturwert erreichen.
GegebenenfaIls kann in diesem Zustand der Schaltanlage die Belastung 21 durch einen
gestrichelt eingetragenen Schalter 24 abgeschaltet sein, so daß beim Heizen derVentile
15 bis 20 kein Strom von dem Transformator 22 über diese geliefert zu werden
braucht, und was nicht besonders dargestellt ist, auch die Sekundärseite desTransformators
14 von der Ventilanordnung 15 bis 20. Der Transformator 22 kann derart klein
bemessen werden, daß die Spannung an den Ventilen beim gewünschten Durchlaßstrom
gerade auf die zugehörige Durchlaßspannung zusammenbricht und sich auf diese Weise
stabilisiert, ohne daß gegebenenfalls ein zusätzlicher Reihenwiderstand verwendet
werden muß. Ein solcher kann aber auch benutzt werden, um z. B. einen bestimmten
Stromwert in der Anordnung einzusteHen. Nachdem
entweder gemäß einer
temperaturabhängigen. überwachung oder gernäß einem durch Erfahrung gewonnenen Zeitwert
die Gleichrichterelemente der Ventilanordnung 15 bis 20 entsprechend hochgeheizt
worden sind, wird der Schalter 23 bedienungsmäßig oder selbsttätig geöffnet
und der Schalter 13 geschlossen, damit die Stromrichteranlage nunmehr vom
Netz 10,
11, 12 gespeist und damit auch der Verbraucher 21 über die
Ventilanordnungen 15 bis 20 mit dem gleichgerichteten Strom beliefert wird.
-
Diese Schaltung ist ausreichend, wenn der Stromrichter nach dem Einschalten
dauernd nur mit Volllast betrieben wird, so daß insbesondere der Strom über die
Ventile in Durchlaßrichtung die Beheizung dieser Elemente bis über den vorgesehenen
Mindesttemperaturwert hinaus gewährleistet. Wird eine solche Schaltung jedoch auch
bei Teillast betrieben, so ist für die einzelnen Gleichrichterelemente oder Gruppen
derselben jeweils gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung eine entsprechende
zusätzliche Beheizungseinrichtung an den Gleichrichterelementen, ihrem Träger oder
in einem sie einschließenden Raum bzw. Gehäuse vorzusehen, deren Wirkung in Abhängigkeit
von einem Temperaturüberwachungsorgan bzw. Temperaturfühler geregelt wird. Um das
an einem Ausführungsbeispiel zu veranschaulichen, ist in Fig. 5 eine entsprechende
schematische Teildarstellung für eine der Ventilanordnungen wiedergegeben. Diese
Ventilanordnung besteht aus drei in Reihe geschalteten Gleichrichterelementen
25
bis 27, welche in eine Kapselung 28 eingeschlossen sind.
In dieser Kapselung ist gleichzeitig eine elektrische Beheizungseinrichtung
29 in Form eines Heizwiderstandes untergebracht. Dieser Heizwiderstand wird
von einer elektrischen Energiequelle 30 gespeist. Diese Speisung erfolgt
abhängig von der Temperatur, die z. B. ein am Gleichrichterelement 25 angebautes
thermisches überwachungsorgan 31 an diesem erfaßt und als Steuerwert über
die Leitungen 32 der elektrischen Energiequelle 30 zur Regelung der
Temperatur in der Kapselung 28 zuführt.
-
Im Rahmen der Erfindung kann auch z. B. jedem der einzelnen Gleichrichtereleinente
der Ventilanordnung ein entsprechendes thermisches überwachungsorgan zugeordnet
sein, wobei dann diese thermischen überwachungsorgane auch gemeinsam an die
elektrische Energiequelle 30 für deren Steuerung bzw. Regelung angeschlossen
werden können.