DE1247463B

DE1247463B - Power converter

Info

Publication number: DE1247463B
Application number: DE1961S0072264
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Johannes Kohaut
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1961-01-28
Filing date: 1961-01-28
Publication date: 1967-08-17

Description

Stromrichter Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit einer Reihenschaltung von steuerbaren Halbleiterelementen mit einkristallinen Halbleiterkörpern und parallelgeschalteten Impedanzen.Converter The invention relates to a converter with a series circuit of controllable semiconductor elements with monocrystalline semiconductor bodies and connected in parallel Impedances.

In einer Reihenschaltung von steuerbaren Halbleiterelementen bewirken ungleiche Innenwiderstände und die Streuung des Sperrstromes bekanntlich eine ungleichmäßige Aufteilung der statischen Sperrspannung, die bisher durch Parallelschaltung von Widerständen, sogenannten Stabilisierungswiderständen, beseitigt wurde. Zur Verminderung der durch Streuung der Stromverstärkung und durch Streuung des Trägerstaueffektes bei den Ein- und Ausschaltvorgängen verursachten ungleichen Überspannungen werden den Halbleiterelementen bekanntlich Stabilisierungskondensatoren parallel geschaltet. Während die Stabilisierungswiderstände keinen schädlichen Einfluß auf die Halbleiterelemente ausüben, bewirken die parallelgeschalteten Stabilisierungskondensatoren beim Einschalten zusätzliche Verluste. Im Augenblick des Schließens fließt nämlich der Entladungsstrom des Kondensators über das Halbleiterelement. Dieser Strom kann wegen des geringen Innenwiderstandes des Halbleiterelementes beträchtliche Werte annehmen.Effect in a series connection of controllable semiconductor elements unequal internal resistances and the scattering of the reverse current is known to be uneven Distribution of the static reverse voltage, which was previously created by connecting in parallel Resistances, so-called stabilization resistors, has been eliminated. To reduce that by scattering the current gain and by scattering the carrier jam effect unequal overvoltages caused by switching on and off As is known, stabilizing capacitors are connected in parallel to the semiconductor elements. While the stabilization resistors do not have a harmful effect on the semiconductor elements exercise, effect the parallel-connected stabilizing capacitors when switching on additional losses. This is because the discharge current flows at the moment of closing of the capacitor through the semiconductor element. This current can because of the low Internal resistance of the semiconductor element assume considerable values.

Nach der Erfindung kann die Stoßbelastung der Halbleiterelemente dadurch vermieden werden, daß als Impedanzen spannungsabhängige Widerstände vorgesehen sind, deren Widerstandswert bis zu einem vorbestimmten Spannungswert praktisch konstant bleibt und dann mit-der Spannung exponentiell abnimmt. Die Größe solcher spannungsabhängigen Widerstände kann vorteilhaft so gewählt werden, daß die jeder Halbleiterzelle der Reihenschaltung zugeordnete Sperrspannung etwa im Knick der Kennlinie liegt. Die Verwendung von spannungsabhängigen Widerständen nach der Erfindung hat ferner den Vorteil, daß die bisher üblichen Stabilisierungswiderstände und -kondensatoren entfallen und somit ein geringerer Aufwand erforderlich ist.According to the invention, the shock load on the semiconductor elements can thereby it is avoided that voltage-dependent resistances are provided as impedances, their resistance value practically constant up to a predetermined voltage value remains and then decreases exponentially with the voltage. The size of such stress-dependent Resistors can advantageously be chosen so that each semiconductor cell of the The blocking voltage assigned to the series connection is roughly at the bend of the characteristic curve. the Use of voltage-dependent resistors according to the invention also has the The advantage is that the stabilization resistors and capacitors that were customary up to now are not required and thus less effort is required.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to the drawing.

F i g. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel einen Stromrichter zur Speisung eines Wechselstromverbrauchers, der in bekannter Weise über Transistoren in Brückenschaltung an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist; F i g. 2 zeigt die Stromspannungskennlinien von zwei als Beschaltungselemente geeigneten spannungsabhängigen Widerständen.F i g. 1 shows, as an exemplary embodiment, a power converter for feeding an alternating current consumer, which is connected in a known manner via transistors in a bridge circuit is connected to a DC voltage source; F i g. 2 shows the voltage characteristics of two voltage-dependent resistors suitable as circuit elements.

Der Wechselrichter nach F i g. 1 mit einer Eingangsgleichspannung U von beispielsweise 1000 V enthält in jedem Brückenzweig Reihenschaltungen von Flächentransistoren Z bis 13, beispielsweise mit einer zulässigen Sperrspannung von 420 V, bei denen der Kollektor eines Transistors mit dem Emitter des folgenden Transistors verbunden ist. Für eine höhere Eingangsspannung kann die Zahl der in Reihe geschalteten Transistoren nahezu beliebig erhöht werden. Die Transistoren werden von einer Spannungsquelle 14 mit einer Rechteckspannung wechselnder Richtung gesteuert. Die Spannungsquelle 14 kann beispielsweise ein sogenannter Taktgeber sein, dessen Ausgangskreis aus einem Steuerübertrager mit einer entsprechenden Zahl von galvanisch getrennten Sekundärwicklungen besteht. Die Innenschaltung des Taktgebers wurde der Einfachheit halber weggelassen, es sind lediglich Sekundärwicklungen 15 bis 26 des Steuerübertragers dargestellt, von denen je eine in Reihe mit je einem der Widerstände 27 bis 38 im Steuerkreis der Transistoren angeordnet ist. Die im Basiskreis angeordneten Begrenzungswiderstände bewirken einen weitgehenden Ausgleich der Streuung in der Stromstärke der Steuerströme. Je einem Transistor ist zur Spannungsstabilisierung ein spannungsabhängiger Widerstand 41 bis 52 parallel geschaltet. Die Wechselrichterbrückenschaltung speist die Primärwicklung 55 eines Übertragers, an dessen Sekundärwicklung 56 ein Verbraucher 57 angeschlossen sein kann. In einem angenommenen Zeitpunkt haben die Sekundärwicklungen 15 bis 20 des Übertragers 14 beispielsweise die durch den Pfeil angedeutete Stromrichtung. Dann ist das Potential der Transistoren 2 bis 7 an der Basis positiv gegenüber dem Emitter, diese Transistoren sind somit durchlässig, und es fließt ein Strom über den Brückenzweig mit den Transistoren 2 bis 4, die Primärwicklung 55 des Übertragers und die Transistoren 5 bis 7. Zur gleichen Zeit ist die Stromrichtung der Sekundärwicklungen 21 bis 26 derjenigen der Wicklungen 15 bis 20 entgegengerichtet. Zu diesem Zweck können diese Wicklungen beispielsweise auf dem gleichen Kern wie die Wicklungen 15 bis 20, jedoch mit entgegengesetztem Wicklungssinn angeordnet sein. Dann sind die Transistoren 8 bis 13 in den beiden anderen Brückenzweigen gesperrt. Nach einer halben Periode werden die Transistoren 8 bis 13 der bis dahin gesperrten Brückenzweige leitend, gleichzeitig werden die Transistoren 2 bis 7 durch die Umpolung der Steuerspannung gesperrt, und der Strom in der Primärwicklung 55 des Übertragers fließt in umgekehrter Richtung, so daß der Sekundärwicklung 56 und damit dem Verbraucher 57 ein Strom mit wechselnder Richtung zugeführt wird, dessen Periodenzahl vom Taktgeber 14 bestimmt wird. Beim Sperren eines Brückenzweiges kann durch Streuung des TrägerstauefEektes die Ausschaltverzögerungszeit der einzelnen in Reihe geschalteten Transistoren voneinander abweichen. An einem zuerst sperrenden Transistor würde die gesamte Eingangsspannung U1 des Wechselrichters anliegen, die unter Umständen mehrere tausend Volt betragen kann und zur Zerstörung des betreffenden Transistors führt, sobald die zulässige Kollektor-Emitter-Spannung überschritten wird. Die Spaünung wird jeweils durch den parallelgeschalteten spannungsabhängigen Widerstand so lange auf einen zulässigen Wert begrenzt, bis alle Transistoren der Reihenschaltung gesperrt sind. Diese Anordnung bringt somit den weiteren Vorteil, daß an die Abweichungen in der Lebensdauer der Defektelektronen der gewählten Transistoren weniger hohe Anforderungen gestellt werden können.The inverter according to FIG. 1 with an input DC voltage U of 1000 V, for example, contains series connections of junction transistors Z to 13 in each bridge branch, for example with a permissible reverse voltage of 420 V, in which the collector of one transistor is connected to the emitter of the following transistor. For a higher input voltage, the number of transistors connected in series can be increased almost at will. The transistors are controlled by a voltage source 14 with a square-wave voltage in alternating directions. The voltage source 14 can, for example, be a so-called clock generator, the output circuit of which consists of a control transformer with a corresponding number of galvanically separated secondary windings. The internal circuit of the clock generator has been omitted for the sake of simplicity, only secondary windings 15 to 26 of the control transformer are shown, one of which is arranged in series with one of the resistors 27 to 38 in the control circuit of the transistors. The limiting resistors arranged in the base circle largely compensate for the scatter in the amperage of the control currents. A voltage-dependent resistor 41 to 52 is connected in parallel to each transistor for voltage stabilization. The inverter bridge circuit feeds the primary winding 55 of a transformer, to whose secondary winding 56 a consumer 57 can be connected. At an assumed point in time, the secondary windings 15 to 20 of the transformer 14 have, for example, the current direction indicated by the arrow. Then the potential of the transistors 2 to 7 at the base is positive compared to the emitter, these transistors are thus permeable and a current flows through the bridge branch with the transistors 2 to 4, the primary winding 55 of the transformer and the transistors 5 to 7. At the same time, the current direction of the secondary windings 21 to 26 is opposite to that of the windings 15 to 20. For this purpose, these windings can for example be arranged on the same core as the windings 15 to 20, but with opposite winding directions. Then the transistors 8 to 13 in the other two bridge branches are blocked. After half a period, the transistors 8 to 13 of the bridge branches that have been blocked up to then become conductive, at the same time the transistors 2 to 7 are blocked by reversing the polarity of the control voltage, and the current in the primary winding 55 of the transformer flows in the opposite direction, so that the secondary winding 56 and so that the consumer 57 is supplied with a current with an alternating direction, the number of periods of which is determined by the clock generator 14. When a bridge branch is blocked, the switch-off delay times of the individual transistors connected in series can differ from one another due to the scattering of the carrier jam effect. The entire input voltage U1 of the inverter would be applied to an initially blocking transistor, which under certain circumstances can amount to several thousand volts and leads to the destruction of the transistor in question as soon as the permissible collector-emitter voltage is exceeded. The voltage-dependent resistor connected in parallel limits the voltage-dependent resistor to a permissible value until all transistors in the series connection are blocked. This arrangement thus has the further advantage that less stringent requirements can be placed on the deviations in the service life of the defect electrons of the selected transistors.

Der Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinien a und b von je einem spannungsabhängigen Widerstand nach F i g. 2 ist gegeben durch die Formel wobei U die Spannung, T der Strom und C eine Konstante ist, welche die Spannung am Widerstand bei einem Strom von 1 A angibt. Der Regelfaktor n, eine für den spannungsabhängigen Widerstand charakteristische Größe, stellt ein Maß für die Steilheit der Strom-Spannungs-Charakteristik dar. Er ist vor allem vom Material und dem Aufbau des Widerstandes abhängig. Im Diagramm ist auf der Ordinate die Spannung in Volt und auf der Abszisse der Strom in Ampere aufgetragen. Durch den Widerstand mit einem Regelfaktor n = 5 nach der Kennlinie a fließt bei einer anliegenden Spannung von U1= 180 V ein Strom von etwa 0,5 A-und bei einem Strom von etwa 8 A würde die Spannung 300 V überschreiten. Bei dem Widerstand mit einem Regelfaktor n = 20 nach der Kennlinie b fließt bei U1=180 V nur ein vernachlässigbar geringer Strom, dann nimmt die Steigung der Kennlinie ab und hat bereits bei etwa 230 V einen annähernd waagerechten Verlauf. Die Verwendung eines Widerstandes mit einer derartigen Strom-Spannungs-Kennlinie als Beschaltungselement für einen Transistor mit einer Betriebsspannung von U1=180 V und einem maximalen Laststrom von 10 A würde somit die Spannung U2 zwischen Kollektor und Emitter des Transistors auf etwa 220 V begrenzen. Auch bei der Verwendung von spannungsabhängigen Widerständen mit einem Regelfaktor größer als 20 kann die Betriebsspannung U1 des zu schützenden Transistors zweckmäßig etwa 20 °/o niedriger als die maximale Kollektor-Emitter-Spannung U2 gewählt werden, damit der im statischen Betrieb bei U1 durch den Widerstand fließende Reststrom möglichst klein gehalten wird. Bei der Verwendung von spannungsabhängigen Widerständen mit einem Regelfaktor größer als 20 ist nur ein geringer Anstieg der Spannung über die Betriebsspannung U1 hinaus möglich. Solche Widerstände sind beispielsweise in Sperrichtung beanspruchte Halbleitergleichrichter, insbesondere Selengleichrichter, die eine Spitzensperrspannung von etwa 50 V und einen Wert für die vorgenannte Konstante C von etwa 75 und einen Regelfaktor von etwa 25 aufweisen.The course of the current-voltage characteristics a and b of a voltage-dependent resistor each according to FIG. 2 is given by the formula where U is the voltage, T is the current and C is a constant indicating the voltage across the resistor at a current of 1 A. The control factor n, a variable that is characteristic of the voltage-dependent resistance, represents a measure of the steepness of the current-voltage characteristic. It is primarily dependent on the material and the structure of the resistance. In the diagram, the voltage in volts is plotted on the ordinate and the current in amperes is plotted on the abscissa. A current of about 0.5 A flows through the resistor with a control factor n = 5 according to the characteristic curve a with an applied voltage of U1 = 180 V - and with a current of about 8 A, the voltage would exceed 300 V. With the resistance with a control factor n = 20 according to the characteristic curve b, only a negligibly small current flows at U1 = 180 V, then the slope of the characteristic curve decreases and already has an approximately horizontal profile at around 230 V. Using a resistor with such a current-voltage characteristic as a circuit element for a transistor with an operating voltage of U1 = 180 V and a maximum load current of 10 A would limit the voltage U2 between the collector and emitter of the transistor to around 220 V. Even when using voltage-dependent resistors with a control factor greater than 20, the operating voltage U1 of the transistor to be protected can expediently be selected about 20% lower than the maximum collector-emitter voltage U2, so that the resistance in static operation at U1 flowing residual current is kept as small as possible. When using voltage-dependent resistors with a control factor greater than 20, only a slight increase in the voltage beyond the operating voltage U1 is possible. Such resistors are, for example, semiconductor rectifiers with reverse bias, in particular selenium rectifiers, which have a peak reverse voltage of approximately 50 V and a value for the aforementioned constant C of approximately 75 and a control factor of approximately 25.

Als spannungsabhängige Widerstände kann man die bekannten VDR-Widerstände, die auch als Varistoren bezeichnet werden, verwenden. Ferner können auch Zenerdioden, deren Zenerspannung vorteilhaft nicht wesentlich höher als die anliegende Sperrspannung gewählt wird, vorgesehen sein. Die Erfindung kann neben den bereits genannten Stromrichtern mit Transistoren auch vorteilhaft bei kontaktlosen Schaltgeräten mit einer Reihenschaltung von anderen steuerbaren Halbleiterzellen, beispielsweise Vierschichthalbleiterventilen, angewendet werden, wenn die Schaltspannung die zulässige Sperrspannung der Ventile überschreitet.The well-known VDR resistors can be used as voltage-dependent resistors, also known as varistors. Furthermore, Zener diodes, whose Zener voltage is advantageously not significantly higher than the applied reverse voltage is chosen, be provided. In addition to the converters already mentioned, the invention with transistors also advantageous for contactless switching devices with a series connection from other controllable semiconductor cells, for example four-layer semiconductor valves, can be used if the switching voltage exceeds the permissible reverse voltage of the valves exceeds.

Claims

Claims: 1. Converter with a series connection of controllable Semiconductor elements with monocrystalline semiconductor bodies and connected in parallel Impedances, characterized in that voltage-dependent resistances are used as impedances are provided whose resistance value up to a predetermined voltage value remains practically constant and then decreases exponentially with the voltage.

2. Power converter according to claim 1, characterized in that voltage-dependent resistors with a control factor greater than 20 are provided.

3. Converter according to claim 1 or 2, characterized in that the voltage-dependent resistors are semiconductor rectifiers are. Considered publications: German Auslegeschriften No. 1020 673, 1054 492; U.S. Patent No. 2,821,639.