DE1265285B - Converter system with semiconductor valves and voltage stabilization elements - Google Patents
Converter system with semiconductor valves and voltage stabilization elementsInfo
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Description
Stromrichteranlage mit Halbleiterventilen und Spannungsstabilisierungselementen Bei Stromrichteranlagen für hohe Spannungen ist es zur Beherrschung der gesamten Spannung durch die Halbleiterventile gewöhnlich erforderlich, daß eine Vielzahl von Halbleiterventilen je Ventilanordnung, d. h. :entweder b i einer Stempunktschaltung in der einzelnen Phasenleitung oder bei einer Gleichrichterbrückenschaltung in dem einzelnen Brückenzweig, in Reiche geschaltet werden. Hierbei kann gegebenenfalls auch in der einzelnen Ventilanordnung eine Reihenparallelschaltung benutzt sein, so daß also in der Reihenschaltung dann jeweils mehrere Gleichrichterelemente parallel geschaltet sind oder daß zwischen den Endanschlüssen der Ventilanordnung mehrere parallele Zweige vorhanden sind, von denen jeder je eine entsprechende Reihenschaltung von Ventilen enthält. Bei solchen Reihenschaltungen ist es erforderlich, für eine bestimmte gleichmäßige Spannungsaufteilung der an den Endanschlüssen der Ventilanordnung liegenden Gesamtspannung anteilig auf die einzelnen Halbleiterventile der Reihenschaltung zu sorgen, da die Spannungsaufteilung sonst wegen der verschiedenartigen Sperrwiderstände der Halbleiterzellen sehr ungleichmäßig ist. Bei Ventilen mit sehr kleinen Sperrströmen kommt noch hinzu, daß sich kapazitive Streueinflüsse äußerst stark in der normalerweise zu erwartenden Spannungsaufteilung bemerkbar machen. Diese kapazitiven Streueinflüsse wirken derart, daß sich die an den Endanschlüssen einer Reihenschaltung anliegende Sperrspannung wie bei einem kapazitiven Kettenleiter aufteilt, d. h., die Spannungsaufteilung erfolgt nach einer hyperbolischen Funktion. Das wirkt sich dabei so aus, daß die ersten Zellen der Reihenschaltung einen relativ größeren Anteil an der Gesamtspannung der Ventilanordnung übernehmen werden.Converter system with semiconductor valves and voltage stabilization elements In converter systems for high voltages, it is necessary to control the entire Voltage through the semiconductor valves usually required that a multitude of semiconductor valves per valve arrangement, d. H. : either b i a star point circuit in the single phase line or in a rectifier bridge circuit in the single branch of the bridge to be switched into realms. Here, if necessary a series-parallel connection can also be used in the individual valve arrangement, so that a plurality of rectifier elements in each case in parallel in the series connection are connected or that between the end connections of the valve arrangement several parallel branches are present, each of which has a corresponding series connection of valves contains. In such series connections, it is necessary for one certain even voltage distribution at the end connections of the valve assembly lying total voltage proportionally to the individual semiconductor valves of the series connection to be taken care of, otherwise the voltage distribution because of the different blocking resistances of the semiconductor cells is very uneven. For valves with very small blocking currents there is also the fact that capacitive stray influences are extremely strong in the normal make the expected distribution of tension noticeable. These capacitive stray influences act in such a way that they are applied to the end connections of a series circuit Divides the reverse voltage as with a capacitive ladder, d. i.e., the voltage distribution takes place according to a hyperbolic function. The effect is that the The first cells in the series connection account for a relatively larger proportion of the total voltage the valve assembly will take over.
Zur Erzielung einer solchen erwünschten gleichmäßigen anteiligen Spannungsaufteilung der an den Klemmen einer Ventilanordnung liegenden Gesamtspannung auf die einzelnen Halbleiterventile ist es daher bereits bekanntgeworden, den einzelnen Halbleiterventilen der Reihenschaltung jeder Ventilanordnung je einen Widerstand parallelzuschalten, der entweder aus. einem ohmschen Widerstand, einer Kapazität oder aus einer Reihenschaltung einer Kapazität und eines olunschen Widerstandes bestehen kann. Diese parallelgeschalteten Hilfsschaltungselemente bilden gewissermaßen einen mit seinen Enden an die Anschlüsse der Ventilanordnung angeschlossenen Spannungsteiler, dessen Zwischenanschlußpunkte bzw. Abgriffe zwischen je zwei seiner Schaltungselemente jeweils an je eine Verbindungsleitung zweier in Reihe liegender Halbleiterventile der Reihenschaltung angeschlossen sind. Diese Hilfsschaltungselemente werden dabei vorzugsweisse derart bemessen, daß sie wesentlich größer sind bzw. einen geringeren elektrischen Widerstandswert haben als die Streukapazitäten, welche sich jeweils zwischen den einzelnen Gleichrichterelementen und Erde bzw. den mit dem einen Anschluß der Ventilanordnung elektrisch verbundenen Anlegeteilen ergeben.To achieve such a desired, even proportional voltage distribution the total voltage applied to the terminals of a valve arrangement on the individual Semiconductor valves it has therefore already become known, the individual semiconductor valves to connect a resistor in parallel to the series connection of each valve arrangement, the either out. an ohmic resistance, a capacitance or a series circuit a capacitance and an olunian resistance can exist. These connected in parallel Auxiliary circuit elements to a certain extent form one with its ends on the connections the voltage divider connected to the valve arrangement, its intermediate connection points or taps between two of its circuit elements each to a connecting line two semiconductor valves in series are connected to the series circuit. These auxiliary circuit elements are preferably dimensioned such that they are significantly larger or have a lower electrical resistance value than the stray capacitance, which is in each case between the individual rectifier elements and earth or those electrically connected to one terminal of the valve assembly Mooring parts.
Eine solche Anordnung in einer Stromrichteranlage mit Halbleiterventilen, in welcher jedem einzelnen Gleichrichterventil je ein Spannungsstabilisierungselement der genannten Art parallel geschaltet ist, ist nun offenbar sehr aufwendig. Die Vielzahl der Kondensatoren bzw. entsprechenden Stabilisierungsschaltungselemente stellt eine große Teilezahl dar, die eine beachtliche Montagearbeit erfordert. Tritt ein Schaden in einer solchen Anlage ein, so ist es relativ aufwendig, die einzelne Fehlerstelle zu ermitteln.Such an arrangement in a converter system with semiconductor valves, in which each individual rectifier valve has a voltage stabilizing element of the type mentioned is connected in parallel, is now apparently very expensive. the Large number of capacitors or corresponding stabilization circuit elements represents a large number of parts that require considerable assembly work. Kick a damage in such a plant, it is relatively expensive to the individual To determine the point of failure.
Aus der USA.-Patentschrift 1842 716 ist eine Gl:eichrichteranordnung bekanntgeworden, die aus einer Vielzahl hintereinandergeschalteter Gleichrichterelemente besteht. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Spannungsverteilung ist jeweils einer Gruppe hintereinanderliegender Gleichrichterelemente ein aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehendes Beschaltungsglied zugeordnet. Die in dieser Gleichrichteranordnung verwendeten Kupferoxydgleichrichter haben eine sehr hohe Eigenkapazität und damit auch eine entsprechend hohe Kapazität gegen Erde. Es: kann daher für die Linearisierung der Spannungsverteilung unberücksichtigt bleiben, daß auch die Beschaltungsglieder Erdkapazitäten aufweisen, die ihnen ebenfalls das Verhalten eines Kettenleiters geben.From USA. Patent 1,842,716 is a Gl: famous calibrated rectifier arrangement, the series-connected by a plurality rectifier elements is composed. To achieve a uniform voltage distribution, a group of rectifier elements arranged one behind the other is assigned a connection element consisting of a resistor and a capacitor. The copper oxide rectifiers used in this rectifier arrangement have a very high self-capacitance and thus a correspondingly high capacitance to earth. It can therefore be ignored for the linearization of the voltage distribution that the connection elements also have earth capacitances, which also give them the behavior of a chain conductor.
Dieses Verhalten der Beschaltungsglieder muß jedoch dann in Rechnung gestellt werden, wenn an der Stelle von Kupferoxydgleichrichtern mit ihren hohen Eigen- und Erdkapazitäten Silizium- oder Germaniumgleichrichter verwendet werden. Diese haben wesentlich geringere Eigen- und Erdkapazitäten, so daß demgegenüber die Erdkapazität der Beschaltungsglieder nicht mehr vernachlässigt werden kann.However, this behavior of the connection elements must then be taken into account be put if in the place of copper oxide rectifiers with their high Own and earth capacitance silicon or germanium rectifiers can be used. These have significantly lower own and earth capacities, so that in contrast to the earth capacity the connection elements can no longer be neglected.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichteranlage mit mindestens einer aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterbauelementen bestehenden Ventilanordnung und einer dieser zur Aufrechterhaltung der gleichen Spannungsverteilung über die Halbleiterbauelemente zugeordneten Kette aus Kapazitäten und/oder Widerständen. Die Ventilanordnung kann dabei Bestandteil einer Gleichrichterschaltung nach Art einer Einwegschaltung, einer Brückenschaltung oder einer Stern- bzw. Nullpunktschaltung sein. Durch die Erfindung soll erreicht werden, daß eine solche Kette auch bei Verwendung von Halbleiterbauelementen mit kleiner Eigen- und Erdkapazität eine gleichmäßige Spannungsverteilung über die Halbleiterbauelemente sicherstellt.The present invention relates to a power converter system with at least one of a plurality of series-connected semiconductor components existing valve assembly and one of these to maintain the same Voltage distribution over the chain of capacitances assigned to the semiconductor components and / or resistors. The valve arrangement can be part of a rectifier circuit in the manner of a one-way circuit, a bridge circuit or a star or zero point circuit be. The invention is intended to ensure that such a chain is also used of semiconductor components with small self and earth capacitance a uniform Ensures voltage distribution across the semiconductor components.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Benutzung von Halbleiterbauelementen auf der Basis eines Halbleiterkörpers aus Germanium oder Silizium die Bemessung der Schaltungsglieder in der Stabilisierungskette für je einen solchen anteiligen hyperbolischen Verlauf der funktionellen Abhängigkeit U = f (z), wenn U die an den Enden der aus z Halbleiterbauelementen bestehenden Reihenschaltung der Ventilanordnung liegende Spannung bezeichnet, derart erfolgt, daß die Kennlinien benachbarter Teilabschnitte der Stabilisierungskette sich jeweils in Punkten schneiden, die auf einer gemeinsamen Geraden liegen.The invention is characterized in that the use of semiconductor components based on a semiconductor body made of germanium or silicon, the dimensioning of the circuit elements in the stabilization chain for such a proportional hyperbolic course of the functional dependency U = f (z), if U is at the ends denotes the voltage lying in series connection of the valve arrangement consisting of z semiconductor components, takes place in such a way that the characteristic curves of adjacent subsections of the stabilization chain intersect at points which lie on a common straight line.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann es sich als zweckmäßig erweisen, in Reihe mit den einzelnen Schaltungselementen des Spannungsstabilisators noch eine Sicherung vorzusehen, welche im Fall des Auftretens eines Kurzschlusses an einem Spannungsstabilisierungselement, welches einer der Gruppen parallel geschaltet ist, unmittelbar danach für eine Auftrennung der Speisung dieses Stabilisierungselementes sorgt, so daß nicht die Halbleiterventile des in ordnungsgemäßem Zustand verbliebenen Teiles der Reihenschaltung der Ventilanordnung die durch den Kurzschluß der einen Gruppe der Ventilanordnung bestimmte Sperrspannung anteilig übernehmen müssen, sondern daß mit dem Ausfall des Spannungsstabilisierungselementes der Gruppe dann die Halbleiterventile dieser Gruppe unmittelbar noch selbst die Sperrspannung dieser Gruppe anteilig übernehmen.According to a further development of the invention, it can prove to be expedient prove in series with the individual circuit elements of the voltage stabilizer a fuse has to be provided, which in the event of a short circuit on a voltage stabilization element, which one of the groups is connected in parallel is, immediately afterwards for a separation of the supply of this stabilization element ensures that the semiconductor valves are not left in good working order Part of the series connection of the valve arrangement by the short circuit of the one Group of the valve assembly must take over certain reverse voltage proportionally, but that with the failure of the voltage stabilizing element of the group then the semiconductor valves this group directly take over the reverse voltage of this group proportionately.
Außerdem liegt es im Rahmen der Erfindung, je nach den vorliegenden Betriebsbedingungen jeweils die Aufteilung der Halbleiterventile in Gruppen in der einzelnen Ventilanordnung derart zu wählen, daß jede Gruppe entweder die gleiche Anzahl von Halbleiterventilen enthält oder daß die Zahl der in den einzelnen aufeinanderfolgenden Gruppen enthaltenen Ventile verschieden ist. Als den einzelnen Gruppen der Halbleiterventile parallelzuschaltende Spannungsstabilisierungselemente können in der bereits oben angeführten Weise ohmsche Widerstände, Kondensatoren, Reihenschaltungen von Kondensatoren und Widerständen oder auch gemäß einer Weiterbildung der Erfindung spannungsabhängige nichtlineare Widerstände, vorzugsweise vom Charakter von Halbleiterventilen, eventuell mit einer Arbeitsweise nach Art der sogenannten Zenerdioden, welche oberhalb eines gewissen Spannungswertes einen beliebigen Strom bei konstantem Spannungswert führen, benutzt werden.It is also within the scope of the invention, depending on the present Operating conditions in each case the division of the semiconductor valves into groups in the to choose individual valve assembly such that each group is either the same Number of semiconductor valves contains or that the number of consecutive ones in each Groups contained valves is different. As the individual groups of semiconductor valves Voltage stabilization elements to be connected in parallel can be used in the above cited manner ohmic resistors, capacitors, series connections of capacitors and resistors or, according to a development of the invention, voltage-dependent non-linear resistances, preferably of the character of semiconductor valves, possibly with a mode of operation in the manner of the so-called Zener diodes, which above a carry any current at a certain voltage value at a constant voltage value, to be used.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen.To explain the invention in more detail using an exemplary embodiment reference is now made to the figures of the drawing.
In F i g. 1 ist eine einphasige Brückenschaltung mit Halbleiterventilen dargestellt. Diese wird an den Anschlüssen 1 und 2 vom Wechselstromnetz mit der Spannung I7 - gespeist. Ihre vier Brückenzweige 3 bis 6 enthalten jeweils eine Vielzahl von Gleichrichterelementen 7, die in der F i g. 1 der Einfachheit halber nur durch Striche angedeutet sind. Diese Vielzahl von Gleichrichterelementen in jedem der Ventilzweige 3 bis 6 ist jeweils in eine Anzahl von Gruppen a bis e unterteilt. Jeder Gruppe a bis e der Halbleiterventile jeder Ventilanordnung ist eine Reihenschaltung aus einer Kapazität Cruz und eines ohmschen Widerstandes R na parallel geschaltet, wobei jeweils n die Bezeichnungsziffer des Ventilzweiges der Brücke ausdrücken soll. Die Gleichrichteranordnung liefert ihre Ausgangsspannungen Ug an den Klemmen 8 und 9.In Fig. 1 shows a single-phase bridge circuit with semiconductor valves. This is fed with voltage I7 - at connections 1 and 2 from the alternating current network. Your four bridge branches 3 to 6 each contain a large number of rectifier elements 7, which are shown in FIG. 1 are only indicated by dashes for the sake of simplicity. This multiplicity of rectifier elements in each of the valve branches 3 to 6 is each subdivided into a number of groups a to e. A series circuit of a capacitance Cruz and an ohmic resistor R na is connected in parallel to each group a to e of the semiconductor valves of each valve arrangement, where n is intended to express the designation number of the valve branch of the bridge. The rectifier arrangement supplies its output voltages Ug to terminals 8 and 9.
In der F i g. 2 ist aus Gründen der Veranschaulichung nochmals eine der Gruppen von Halbleiterventilen des Brückenzweiges 3 für sich dargestellt, so daß nunmehr in dieser Darstellung tatsächlich die einzelnen Ventile zu erkennen sind.In FIG. 2 is again one for the sake of illustration the groups of semiconductor valves of the bridge arm 3 shown separately, so that now the individual valves can actually be seen in this representation are.
Würde eine Brückenanordnung im Sinne der F i g. 1 vorliegen, bei welcher den Gleichrichterventilen keine Spannungstabilisierungselemente zwischen den Endanschlüssen der Ventilanordnung parallel geschaltet sind, so würde sich eine Spannungsaufteilung der an den Enden der Ventilanordnung liegenden Gesamtspannung, also beispielsweise zwischen dem Punkt 10 und dem Punkt 11 bzw. dem Gleichstrompol 12 der Anlage, gemäß der Kurvendarstellung B nach F i g. 3 der Zeichnung ergeben.If a bridge arrangement in the sense of FIG. 1 are present, in which the rectifier valves are not connected in parallel between the end connections of the valve arrangement, voltage stabilization elements would result in a voltage distribution of the total voltage at the ends of the valve arrangement, for example between point 10 and point 11 or the direct current pole 12 of the system, according to the curve representation B according to FIG. 3 of the drawing.
In dieser F i g. 3 ist auf der Ordinate die Spannung U aufgetragen, während auf der Abszisse die Zahl Z der in Reihe geschalteten Gleichrichterventilzellen aufgetragen ist. Der höchste Spannungswert auf der Ordinate nach F i g. 3 würde der Spannung am Punkt 11 entsprechen und der niedrigste Spannungswert der Spannung am Punkt 10, wenn ,die Ventilanordnung 3 sich in ihrer Sperrphase befindet.In this fig. 3, the voltage U is plotted on the ordinate, while the number Z of the rectifier valve cells connected in series is plotted on the abscissa. The highest voltage value on the ordinate of FIG. 3 would correspond to the voltage at point 11 and the lowest voltage value of the voltage at point 10 when the valve arrangement 3 is in its blocking phase.
In der F i g. 3 sind zwei Kurven eingetragen, und zwar erstens eine gerade Linie bzw. ein linearer Funktionsverlauf A und zweitens ein Verlauf gemäß einer hyperbolischen Funktion der gemäß der bereits genannten Kurve B. Sind den einzelnen Halbleiterventilen keine Hilfsschaltungselemente zur Spannungsstabilisierung parallel geschaltet, so würde sich, wie angeführt, eine Spannungsaufteilung gemäß der Kurve B auf die einzelnen Zellen der Reihenschaltung ergeben. Würde jedem einzelnen der Halbleiterventile der Reihenschaltung der Ventilanordnung ein Spannungsstabilisierungselement parallel geschaltet und könnte durch die Bemessung dieser Spannungsstabilisierungselemente gleichzeitig unterstellt werden, daß die Streukapazitäten der einzelnen Halbleiterventile gegenüber Erde bzw. gegenüber den Teilen, die das Potential des Punktes 10 haben, vernachlässigt werden können, so würde sich im idealen Fall eine Spannungsaufteilung gemäß der Linie A ergeben.In FIG. 3 two curves are entered, firstly one straight line or a linear function curve A and, secondly, a curve according to FIG a hyperbolic function of the curve B already mentioned. Are the individual semiconductor valves no auxiliary circuit elements for voltage stabilization connected in parallel, a voltage distribution would result, as stated, according to the curve B on the individual cells of the series connection. Would every single one the semiconductor valves of the series connection of the valve arrangement a voltage stabilizing element connected in parallel and could be determined by the dimensioning of these voltage stabilization elements at the same time it is assumed that the stray capacitances of the individual semiconductor valves towards earth or towards the parts that have the potential of point 10, can be neglected, in the ideal case there would be a stress distribution according to line A.
Gemäß der Erfindung wird nun die Anordnung derart getroffen, daß sich ein Kurvenverlauf für die Spannungsaufteilung gemäß F i. g. 4, Kurventeile D bis G, ergibt. In dieser Figur ist wieder in der Ordinatenrichtung die Spannung U und in der Absizzenri.chtung die Zellenzahl einer Ventilanordnung, also beispielsweise der Schaltung der Ventile des Brückenzweiges 3, aufgetragen. Für die Parallelschaltung je eines Spannungsstabilisierungselementes zu je einer Gruppe der in Reihe geschalteten Ventile der Ventilanordnung ergibt sich ein Verlauf für die Spannungsaufteilung, der zwar nicht genau dem Verlauf der Geraden C entspricht, sondern vielmehr je einem Kurvenzug gemäß den Kurventeilen D bis G folgt, die sich einzeln als auch als durchgehender Kurvenzug vom Anfang des Kurventeiles D bis zum Ende des Kurventeils G der Geraden C weitgehend anschmiegen.According to the invention, the arrangement is now made such that a curve for the Stress distribution according to F i. G. 4, curve parts D to G, results. In this figure, the ordinate direction is again the voltage U and in the Absizzenri.chtung the number of cells in a valve arrangement, for example the switching of the valves of the bridge branch 3, plotted. For parallel connection one voltage stabilization element each for one group of those connected in series Valves of the valve arrangement results in a curve for the voltage distribution, which does not correspond exactly to the course of the straight line C, but rather one each Curve according to the curve parts D to G follows, which are individually as well as continuous Curve from the beginning of the curve part D to the end of the curve part G of the straight line C tightly to the greatest possible extent.
Nach der Darstellung ist bei dieser Anordnung erreicht, daß der auf jede Gruppe der Reihenschaltung von Ventilen einer Ventilanordnung entfallende Anteil der gesamten an den Endanschlüssen der Ventilanordnung liegenden Sperrspannung für die verschiedenen Gruppen gleich den entsprechenden Anteilen der anderen Gruppen ist, innerhalb der Gruppe der auf die einzelnen Ventile entfallende Sperrspannungsanteil jedoch noch eine gewisse Abweichung aufweist, die wieder durch den Verlauf der einzelnen der Teilkurven D bis G gemäß einer hyperbolischen Funktion bestimmt ist.According to the illustration is achieved with this arrangement that the on each group of the series connection of valves of a valve arrangement share the total reverse voltage applied to the end connections of the valve assembly for the different groups equal the corresponding proportions of the other groups is, within the group, the blocking voltage component attributable to the individual valves however, it still exhibits a certain deviation, which is again due to the course of the individual of the sub-curves D to G is determined according to a hyperbolic function.
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