DE1270185B

DE1270185B - Semiconductor rectifier for alternating currents of high voltage and frequency

Info

Publication number: DE1270185B
Application number: DEP1270A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dangschat; Dr Paul Schnecke
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1964-04-15
Filing date: 1964-04-15
Publication date: 1968-06-12

Description

Halbleiter-Gleichrichter für Wechselströme hoher Spannung und Frequenz Bei Fernsehgeräten ist es üblich, die Beschleunigungshochspannung von etwa 10 bis 20 kV für den Kathodenstrahl der Bildröhre durch Gleichrichtung einer Wechselspannung zu gewinnen, die vom Zeilentransformator geliefert wird. Die vom Zeilentransformator abgegebene Spannung hat eine Frequenz von etwa 16 kHz. Da diese Spannung stark von der Sinusform abweicht, also einen sehr hohen Oberwellenanteil besitzt, kann für die Gleichrichtung sogar mit einer effektiven Frequenz von etwa 100 kHz gerechnet werden. Die Verwendung einer Wechselspannung mit einer derart hohen Frequenz zur Erzeugung der Beschleunigungsspannung hat den Vorteil, daß der für ihre Transformierung und für die Glättung der gleichgerichteten Spannung erforderliche Aufwand sehr gering ist. Als Hochspannungsgleichrichter für diesen Zweck werden bisher Röhrendioden verwendet. Man hat seit langem versucht, die Röhrendioden durch einen Halbleiter-Hochspannungsgleichrichter, z. B. einen Selen-Stabgleichrichter mit zahlreichen hintereinandergeschalteten Elementen, zu ersetzen. Dabei zeigte sich jedoch in der Regel, daß die in der Nähe der Wechselspannungsklemme 1 liegenden Gleichrichterelemente unter überlastungserscheinungen zerstört wurden. Nach überlegungen, die an Hand der F i g. 1 erläutert werden sollen, sind diese Schwierigkeiten auf die Streukapazität des Gleichrichters gegenüber der Umgebung zurückzuführen.Semiconductor rectifier for alternating currents of high voltage and frequency In televisions, it is common to have the accelerating high voltage of around 10 to 20 kV for the cathode ray of the picture tube by rectifying an alternating voltage to win, which is supplied by the flyback transformer. The one from the flyback transformer output voltage has a frequency of about 16 kHz. Since this tension is strongly influenced by deviates from the sinusoidal shape, i.e. has a very high proportion of harmonics, can be used for the rectification even calculated with an effective frequency of about 100 kHz will. The use of an alternating voltage with such a high frequency for Generating the accelerating voltage has the advantage that that of transforming it and the effort required for smoothing the rectified voltage is very low is. Up to now, tube diodes have been used as high-voltage rectifiers for this purpose used. Attempts have been made for a long time to replace the tube diodes with a semiconductor high-voltage rectifier, z. B. a selenium rod rectifier with numerous elements connected in series, to replace. It was found, however, as a rule, that the in the vicinity of the AC voltage terminal 1 lying rectifier elements were destroyed under overload phenomena. After considerations based on FIG. 1 are these Difficulties in the stray capacitance of the rectifier in relation to the environment traced back.

Gemäß F i g. 1 ist an die Klemmen 1 und 2 eines Hochspannungstransformators ein Halbleiter-Stabgleichrichter 3 in Reihe mit einem Verbraucher 4 angeschlossen. Parallel zum Verbraucher 4 liegt ein Glättungskondensator 5. Zwischen der Säule 3 und der Umgebung besteht eine Streukapazität, die längs der Säule 3 in Teilkapazitäten 6 zerlegt gedacht werden kann. Bei den genannten hohen Frequenzen in der Größenordnung von 10 bis 100 kHz fließen über diese Streukapazitäten erhebliche Verschiebungsströme, die die Elemente der Säule 3 zusätzlich belasten, und zwar besonders die Elemente, die in der Nähe der Wechselspannungsklemme 1 liegen. Dies ist gleichbedeutend damit, daß das Wechselpotential längs der Säule 3 nicht gleichmäßig, sondern in der Nähe der Klemme 1 zunächst steil, dann flacher abfällt.According to FIG. 1 is to terminals 1 and 2 of a high voltage transformer a semiconductor rod rectifier 3 connected in series with a consumer 4. A smoothing capacitor 5 is located parallel to the consumer 4 between the column 3 and the surrounding area there is a stray capacitance, along the column 3 in partial capacities 6 can be thought of as disassembled. At the mentioned high frequencies in the order of magnitude From 10 to 100 kHz, considerable displacement currents flow through these stray capacitances, which put additional stress on the elements of column 3, especially the elements which are close to the AC voltage terminal 1. This is equivalent to that the alternating potential along the column 3 is not uniform, but close of terminal 1 is initially steep, then sloping down.

Die vorstehenden überlegungen sind bereits in der deutschen Patentschrift 1064 642 dargelegt. In der genannten Patentschrift ist ferner eine Selen-Gleichrichtersäule für Wechselströme hoher Spannung und Frequenz beschrieben, bei der die genannten Mängel dadurch beseitigt sind, daß mit ihrer wechselspannungsseitigen Anschlußklemme ein glockenartiger Schirm verbunden ist, der sich zur Gleichspannungs= klemme hin erweitert. Dieser Schirm bildet gegenüber den einzelnen Punkten der Gleichrichtersäule Teilkapazitäten, die sich in Richtung zum Gleichspannungsanschluß vermindern und die Potentialverteilung in Längsrichtung der Säule vergleichmäßigen.The above considerations are already in the German patent specification 1064 642. In the cited patent specification is also a selenium rectifier column for alternating currents of high voltage and frequency, at which the named Defects are eliminated in that with their AC voltage side terminal a bell-like shield is connected, which extends to the DC voltage terminal expanded. This screen forms opposite the individual points of the rectifier column Partial capacities that decrease in the direction of the DC voltage connection and equalize the potential distribution in the longitudinal direction of the column.

Die vorliegende Erfindung liefert eine weitere Lösung des Problems. Sie besteht in der Verwendung einer Halbleiter-Gleichrichteranordnung mit einer Vielzahl von in Säulenform angeordneten Gleichrichtertabletten, deren aktive Gleichrichterflächen vom Wechselspannungsanschluß zum Gleichspannungsanschluß hin abnehmen, zur Gleichrichtung von Wechselspannungen hohen Betrages (z. B. 5 kV und mehr) und hoher Frequenz (z. B. 10 kHz und mehr).The present invention provides a further solution to the problem. It consists in the use of a semiconductor rectifier arrangement with a Large number of rectifier tablets arranged in column form, their active rectifier surfaces Remove from AC voltage connection to DC voltage connection for rectification of AC voltages of high magnitude (e.g. 5 kV and more) and high frequency (e.g. B. 10 kHz and more).

Halbleiter-Gleichrichteranordnungen mit mehreren in Säulenform hintereinandergeschalteten Gleichrichterelementen, deren aktive Flächen in Sperrichtung oder in Flußrichtung abnehmen oder zunehmen, sind an sich bekannt. Eine dieser Anordnungen wird als nichtlinearer Widerstand benutzt, wobei die unterschiedliche Bemessung der aktiven Flächen die Widerstandskennlinie bestimmt. Ein anderer Gleichrichter dieser Art dient zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, wobei an den einzelnen Elementen des Gleichrichters Anzapfungen vorgesehen sind.Semiconductor rectifier arrangements with a plurality of columns connected in series Rectifier elements, their active surfaces in the reverse direction or in the flow direction lose weight or gain weight are known per se. One of these arrangements is called nonlinear Resistance used, with the different dimensioning of the active areas the Resistance characteristic determined. Another rectifier of this type is used to control the speed of a DC motor, with taps on the individual elements of the rectifier are provided.

Bei der erfindungsgemäßen Verwendung hat die oben definierte Anordnung eine grundsätzlich andere Wirkungsweise. Sieht man zunächst von den Streukapazitäten der Anordnung gegenüber der Umgebung ab, so ist ersichtlich, daß sich bei Sperrbelastung der Säule die Sperrspannung ungleichmäßig über dic Säule verteilt, und zwar in dem Sinn, daß an den Tabletten in der Nähe des Wechselspannungsanschlusses, die die größere aktive Fläche haben, eine kleinere Spannung abfällt als an den Tabletten, die in der Nähe des Gleichspannungsanschlusses liegen. Die Potentialverteilung weist also gegenüber dem erwünschten Spannungsabfall längs der Säule eine Abweichung auf, die zu der von den Streukapazitäten bewirkten Abweichung entgegengesetzt ist. Berücksichtigt man den Einfluß der unterschiedlichen Flächengrößen und den der Streukapazitäten gleichzeitig, so ergibt sich, daß die beiden Wirkungen einander kompensieren. Entsprechend sind bei Durchlaßbeanspruchung die Verluste in den hochbelasteten Tabletten auf der Wechselspannungsseite durch deren größere Aktivfläche herabgesetzt. Es kann also durch die Verwendung von Tabletten mit unterschiedlichen Aktivflächen gemäß der Erfindung eine Annäherung an die erwünschte gleichmäßige thermische Belastung all_ er Teile der Säule erreicht werden.When used according to the invention, has the arrangement defined above a fundamentally different mode of action. If you look at the stray capacitance first the arrangement in relation to the environment, it can be seen that there is a blocking load the Column the reverse voltage is distributed unevenly across the column, in the sense that on the tablets near the AC voltage connection, which have the larger active area, a smaller voltage drop than on the tablets, which are close to the DC voltage connection. The potential distribution shows So there is a deviation from the desired voltage drop along the column, which is opposite to the deviation caused by the stray capacities. Considered the influence of the different area sizes and that of the stray capacitances at the same time, it follows that the two effects compensate for each other. Corresponding the losses in the heavily loaded tablets are on through load the AC voltage side is reduced by its larger active surface. It can thus through the use of tablets with different active surfaces according to of the invention an approximation of the desired uniform thermal load all parts of the column can be reached.

Aus wirtschaftlichen Gründen wird es kaum möglich sein, die Aktivfläche von z. B. 300 Tabletten kontinuierlich abnehmen zu lassen; es genügt jedoch durchaus, die gesamte Säule in zwei oder drei Tablettenpakete zu unterteilen, die jeweils Gleichrichtertabletten gleicher aktiver Fläche enthalten. Diese Tablettenpakete können in unmittelbarer Aufeinanderfolge in einem einheitlichen Isolierstoffrohr mit überall gleichem Querschnitt angeordnet sein. Man benutzt dann Tabletten, die sämtlich die gleiche Bruttofläche besitzen, bei denen jedoch in an sich bekannter Weise durch eine zwischen Selen- und Deckelektrode liegende Isolierstoffschicht ein Teil der Gesamtfläche vom Stromtransport ausgeschlossen ist. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die Gleichrichteranordnung aus mehreren hintereinandergeschalteten Teilgleichrichtern zusammenzusetzen, die jeweils Gleichrichtertabletten mit gleicher Aktivfläche enthalten, wobei jedoch die Aktivflächen der Tabletten des in der Nähe des Wechselspannungsanschlusses liegenden Teilgleichrichters jeweils größer sind als die Aktivflächen eines zum Gleichspannungsänschluß hin liegenden Gleichrichters. Die Aufteilung der Anordnung in mehrere -Teilgleichrichter ermöglicht es ferner, den Gesamtgleichrichter raumsparend in einem Gerät unterzubringen, z.- B. indem die Teilgleichrichter in Mäanderform angeordnet sind.For economic reasons it will hardly be possible to use the active area from Z. B. to continuously decrease 300 tablets; however, it is quite sufficient Divide the entire column into two or three pill packets, each Contain rectifier tablets with the same active area. These pill packs can be used in direct succession in a uniform insulating tube be arranged with the same cross-section everywhere. You then use tablets that all have the same gross area, but which are known per se Way through a layer of insulating material between the selenium and cover electrode part of the total area is excluded from electricity transport. However, it can also be advantageous, the rectifier arrangement from several series-connected Assemble partial rectifiers, each rectifier tablets with the same Active area included, but the active areas of the tablets are in the vicinity the partial rectifier lying of the AC voltage connection are each larger than the active surfaces of a rectifier lying towards the DC voltage connection. The division of the arrangement into several partial rectifiers also enables to accommodate the overall rectifier in a space-saving manner in one device, e.g. by the partial rectifiers are arranged in a meander shape.

Die F i g. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.The F i g. 2 and 3 show embodiments of the invention.

In F i g. 2 ist mit 10 ein rohrförmiges Isolierstoffgehäuse bezeichnet. In dem Rohr 10 ist eine Säule 11 aus Selen-Gleichrichtertabletten angeordnet. Mit 12 ist eine Druckfeder bezeichnet. Das Rohr 10 ist auf beiden Seiten durch schalenförmige Verschlußstücke 13 bzw. 14 verschlossen; jedes Verschlußstück ist mit Zähnen versehen, die nach außen federn und sich beim Einschieben in das Rohr 10 in die Wände des Gehäuses eingraben. Die Verschlußstücke 13 und 14 laufen in Blechstreifen 13 a bzw.14 a aus, die die Anschlüsse der Gleichrichteranordnung bilden.In Fig. 2, 10 denotes a tubular insulating material housing. A column 11 made of selenium rectifier tablets is arranged in the tube 10. With a compression spring 12 is designated. The tube 10 is closed on both sides by shell-shaped closure pieces 13 and 14; each locking piece is provided with teeth which spring outward and dig into the walls of the housing when pushed into the tube 10. The locking pieces 13 and 14 run out in sheet metal strips 13 a and 14 a, which form the connections of the rectifier arrangement.

Die Tablettensäule 11 ist aus Tabletten mit unterschiedlicher aktiver Gleichrichterfläche aufgebaut. Im Bereich I, dessen Länge etwa ein Sechstel der Gesamtlänge der Säule ausmacht, sind vollkontaktierte Tabletten verwendet. Diese Tabletten bestehen gemäß F i g. 2 a aus einer Trägerplatte 15, einer Selenschicht 16 und einer Deckelektrodenschicht 17: Im Bereich II (etwa zwei Sechstel der Gesamtlänge) sind teilkontaktierte Tabletten verwendet, deren aktive Fläche etwa ein Viertel ihrer Bruttofläche beträgt. Sie bestehen gemäß F i g. 2 b aus einer Trägerplatte 15, einer Selenschicht 16, einer Isolierschicht 18, die in der Mitte einen kreisförmigen Durchbruch 18' aufweist, und der Deckelelektrode 17. Die Isolierschicht 18 kann in an sich bekannter Weise z. B. aus Lack oder Papier bestehen. Wie aus F i g. 2b hervorgeht, bildet die Deckelektrode 17 nur im Bereich der Öffnung 18' mit der Selenschicht 16 Kontakt.The tablet column 11 is made of tablets with different active Rectifier surface built up. In area I, the length of which is about one sixth of the Making up the total length of the column, fully-contact tablets are used. These Tablets consist according to FIG. 2a from a carrier plate 15, a selenium layer 16 and a top electrode layer 17: In area II (about two sixths of the total length) partially contacted tablets are used, the active area of which is about a quarter their gross area. According to FIG. 2 b from a carrier plate 15, a selenium layer 16, an insulating layer 18, which in the middle has a circular Has breakthrough 18 ', and the cover electrode 17. The insulating layer 18 can in a manner known per se z. B. consist of paint or paper. As shown in FIG. 2 B As can be seen, the cover electrode 17 forms with the selenium layer only in the region of the opening 18 ' 16 Contact.

Im Bereich IIi der Tablettensäule (drei Sechstel der Gesamtlänge) sind ebenfalls teilkontaktierte Tabletten verwendet, bei denen jedoch die aktive Fläche noch weiter, etwa auf ein Zehntel der Gesamtfläche, eingeschränkt ist. Die Tabletten bestehen gemäß F i g. 2 c aus der Trägerplatte 15, der Selenschicht 16, einer Isolierschicht 19 mit zentraler öffnung 19' und der Deckelektrode 17.In area IIi of the pill column (three sixths of the total length) Partially contacted tablets are also used, but the active ones Area is restricted even further, to about a tenth of the total area. the Tablets consist according to FIG. 2 c from the carrier plate 15, the selenium layer 16, an insulating layer 19 with a central opening 19 ′ and the cover electrode 17.

Die unterschiedlichen Aktivflächen der Tabletten in den Bereichen I, ff und IH sind in F i g. 2 durch Gleichrichtersymbole verschiedener Größe angedeutet. Die äußeren Durchmesser bzw. die Bruttoflächen der Tabletten sind in allen drei Bereichen gleich.The different active surfaces of the tablets in the areas I, ff and IH are in FIG. 2 indicated by rectifier symbols of different sizes. The outer diameters or gross areas of the tablets are in all three Areas the same.

In F i g. 3 ist in vereinfachter Form ein Gleichrichter dargestellt, der aus drei hintereinandergeschalteten Teilgleichrichtern 20, 21 und 22 zusammengesetzt ist. Der Aufbau der Teilgleichrichter 20, 21 und 22 ist im wesentlichen der gleiche wie bei der Anordnung nach F i g. 2, mit dem Unterschied, daß jeder Teilgleichrichter nur eine Tablettensorte enthält. Der Teilgleichrichter 20 enthält Tabletten mit großer aktiver Fläche (etwa entsprechend F i g. 2 a), während der Teilgleichrichter 21 aus Tabletten mit mittlerer Aktivfläche (etwa entsprechend F i g. 2 b) und der Teilgleichrichter 22 aus Tabletten mit kleiner Aktivfläche (etwa entsprechend F i g. 2 c) aufgebaut ist. Die Teilgleichrichter liegen mäanderförmig nebeneinander, so däß sich ein geringer Raumbedarf der Anordnung ergibt.In Fig. 3 shows a rectifier in simplified form, composed of three partial rectifiers 20, 21 and 22 connected in series is. The construction of the partial rectifiers 20, 21 and 22 is essentially the same as with the arrangement according to FIG. 2, with the difference that each partial rectifier Contains only one type of tablet. The partial rectifier 20 contains tablets with large active area (roughly corresponding to FIG. 2 a), while the partial rectifier 21 from tablets with a medium active area (roughly corresponding to FIG. 2 b) and the Partial rectifier 22 made of tablets with a small active surface (roughly corresponding to F i g. 2 c) is constructed. The partial rectifiers are meandering next to each other, so that the arrangement requires little space.

Im Hinblick auf die unterschiedliche Beanspruchung der Teilgleichrichter 20, 21 und 22 kann mit Vorteil auch der Tabletten- und Gehäusedurchmesser beim Gleichrichter 20 größer gewählt werden als bei dem Gleichrichter 21 und bei diesem wieder größer als beim Gleichrichter 22, so daß bei dem jeweils höher belasteten Teilgleichrichter eine größere Außenfläche zur Wärmeabgabe zur Verfügung steht. In diesem Fall können für die Teilgleichrichter jeweils vollkontaktierte Gleichrichtertabletten mit entsprechend verschiedenen Durchmessern verwendet werden.With regard to the different demands on the partial rectifiers 20, 21 and 22 can also be the tablet and housing diameter of the rectifier with advantage 20 are selected larger than in the rectifier 21 and larger again in this than in the rectifier 22, so that in the case of the more heavily loaded partial rectifier a larger external surface is available for heat dissipation. In this case you can for the partial rectifiers each fully contacted rectifier tablets with corresponding different diameters can be used.

Claims

Claims: 1. Use of a semiconductor rectifier arrangement with a plurality of rectifier tablets arranged in a column shape, whose Active rectifier surfaces from the AC voltage connection to the DC voltage connection decrease towards the rectification of high and high AC voltages Frequency.

2. Semiconductor rectifier arrangement for use according to claim 1, characterized in that all rectifier tablets have the same gross area own and in a unified Insulated pipe with everywhere are arranged with the same cross-section.

3. Semiconductor rectifier device for use according to claim 1, characterized in that it consists of several series-connected There are parts that each contain rectifier tablets with the same active surface.

4. Semiconductor rectifier arrangement according to claim 3, characterized in that the partial rectifiers are arranged in a meander shape. Considered publications: German Patent Nos. 528 380, 939 395; German interpretative document number 1064 642.