DE1219075B - Mehrphasige elektronische Schaltanordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

deutsches wmrmi- Patentamt Int. Cl.:

H03k

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KL: 21 al-36/18

Nummer: 1219 075

Aktenzeichen: D 43709 VIII a/21 al

Anmeldetag: 24. Februar 1964

Auslegetag: 16. Juni 1966

Die Erfindung betrifft eine mehrphasige elektronische Schaltanordnung, bei der in jede Phase Halbleiterschaltelemente gelegt sind, die beim Überschreiten eines Schwellenwertes einer angelegten Spannung vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand und beim Unterschreiten eines Haltewertes des hindurchfließenden Stromes wieder zurückschalten, und bei der ein Steuergerät vorhanden ist, das eine zum Umschalten erforderliche Steuerspannung an die einzelnen Halbleiterschaltelemente legt.

Es ist eine Schaltanordnung dieser Art bekannt, bei der die Halbleiterschaltelemente durch Vierschichttrioden oder -dioden gebildet werden. Beides sind Schaltelemente, die Gleichrichtercharakteristik besitzen und daher den Wechselstrom jeweils nur in einer Richtung durchlassen. Da umgekehrt der Wechselstrom jeweils in vollem 'Umfang benötigt wird, liegen die Halbleiterschaltelemente in Antiparallelschaltung. Es ist ausgeschlossen, diese Elemente jeweils paarweise einander so zuzuordnen, daß sie genau die gleiche Charakteristik haben. Demzufolge ergibt sich zwangläufig eine Unsymmetrie, die zu einer Gleichstromkomponente der angeschlossenen Belastung führt.

Es ist ferner bekannt, zwei Vierschichttrioden in Antiparallelschaltung durch eine Fünfschichtdiode zu ersetzen. Eine solche Fünfschichtdiode hat aber unter normalen Herstellungsbedingungen ebenfalls nicht eine Strom-Spannungs-Kurve mit absolut symmetrischer Form; vielmehr treten auch hier Symmetrieunterschiede auf, die in einer Gleichstromkomponente in der Mehrphasenbelastung resultieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrphasige elektronische Schaltanordnung anzugeben, bei der keine Gleichstromkomponente verbleibt, die vielmehr absolut symmetrisch arbeitet.

Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Halbleiterschaltelemente in den einzelnen Phasen aus einem sperrschichtfreien Halbleitermaterial bestehen.

Sperrschichtfreie Halbleiterschaltelemente haben keinerlei bevorzugte Arbeitsrichtung. Sie sind absolut symmetrisch. Ferner sind sie hochbelastbar und können nicht infolge des Durchbrennens einer Sperrschicht unbrauchbar werden. Außerdem ist ihre Her-Stellung nicht kritisch, ganz im Gegensatz zu den bekannten Mehrschichtdioden. Auch ist man in der Wahl der Kenngrößen (Steuerspannung usw.) wesentlich freier.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform legt das Steuergerät nacheinander etwa in einem dem elektrischen Winkel 180^Q/Phasenzahl entsprechendem Mehrphasige elektronische Schaltanordnung

Anmelder:

Danfoss A/S, Nordborg (Dänemark)

Vertreter:

Dr.-Ing. U. Knoblauch, Patentanwalt,

Frankfurt/M. 1, Kühhornshofweg 10

Als Erfinder benannt:

Arne Jensen, Havnbjerg, Nordborg (Dänemark)

Zeitabstand einen Umschalt-Spannungsimpuls an die einzelnen Halbleiterschaltelemente. Mit Hilfe dieser Einzelimpulssteuerung läßt sich im Gegensatz zu einer bekannten Hochfrequenzsteuerung nicht nur das Halbleiterschaltelement leitend machen, vielmehr läßt sich auch der Zeitpunkt des Leitendwerdens festlegen und zur Leistungssteuerung sogar verschieben. Außerdem ist zu berücksichtigen, daß die Steuerspannung im allgemeinen erheblich höher sein muß als die Netzspannung. Es ist daher zweckmäßig, jeweils nur einen Impuls zuzuführen, anstatt in jeder Periode eine große Zahl solcher Impulse.

Die Steuerspannung kann auf verschiedene Weise gewonnen werden. Bei einem mehrphasigen System kann man Spannungen mit den verschiedensten Phasenlagen abgreifen und direkt als Steuerspannungen verwenden. Im allgemeinen empfiehlt es sich jedoch, von einem einzigen Ausgangswert auszugehen, so daß ein Halbleiterschaltelement direkt, die anderen Halbleiterschaltelemente dagegen über Verzögerungsglieder vom Steuergerät beeinflußt werden. Man kann dann durch Verstellung der Verzögerungsglieder, die elektrisch sehr einfache Bauform haben können, die zeitlichen Abstände zwischen den Einschaltaugenblicken der einzelnen Phasen-Halbleiterschaltelemente und durch eine Verstellung am Steuergerät den Einschaltaugenblick aller Halbleiterschaltelemente ändern. Letzteres ist z. B. interessant, wenn das Steuergerät einen Phasenschieber enthält, weil auf diese Weise zusätzlich eine Leistungsregelung des dreiphasigen Systems bewirkt werden kann.

In manchen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Halbleiterschaltelemente außerdem an einer Steuerspannungsleitung liegen, über die beim Einschalten des Steuergerätes eine Steuerspannung gleichzeitig an alle Halbleiterschaltelemente gelegt wird. Damit wird

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sichergestellt, daß die mehrphasige Belastung vom Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Erfin-

ersten Augenblick an in allen Phasen Strom führt. dung.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn In dem Diagramm der Fig. 1 ist der Strom I eines

alle Halbleiterschaltelemente zwischen Sternpunkt symmetrischen Halbleiterschaltelements auf Tellur-

und Phasenleitung liegen. Man. kann dann nämlich 5 basis über der Spannung U aufgetragen. Unterhalb

einen Pol des Steuergeräts an den Sternpunkt legen, der Schwellenspannung + U_s ist der Strom nahezu

so daß für alle Halbleiterschaltelemente eine gemein- Null, da das Schaltelement seinen hochohmigen Zu-

same Steuerimpulsrückleitung vorhanden ist. stand eingenommen hat, bei dem sein Widerstand bis

Die Anordnung kann noch weiter dadurch verein- zu mehreren Megohm betragen kann (Kurve I). Sofacht werden, daß alle Halbleiterschaltelemente ein io bald jedoch die Schwellenspannung U₅ überschritten gemeinsames Bauelement bilden, bei dem ein Körper ist, springt das Halbleiterschaltelement in seinen eines sperrschichtfreien, insbesondere polykristallinen niederohmigen Zustand (Kurve II) um, bei dem es Halbleiterschaltmaterials auf einer Seite mit Elek- einen Widerstand von 1 Ohm oder weniger hat. Den troden entsprechend der Phasenzahl und auf der an- niederohmigen Zustand behält das Schaltelement bei, deren Seite mit einer gemeinsamen Elektrode belegt 15 bis der hindurchfließende Strom einen Haltewert I_H ist. Diese Schaltungsart ist möglich, weil bei sperr- unterschreitet, der ziemlich in der Nähe des Nullschichtfreien Halbleiterschaltelementen nicht das ge- punktes liegen kann. Beim Unterschreiten von I_n samte Material niederohmig wird, sondern nur ein schaltet das Halbleiterschaltelement in den hochbei jedem Umschaltvorgang neu entstehender Pfad, ohmigen Zustand zurück.

der sich zwischen den entsprechenden Elektroden 20 Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 sind an

erstreckt, so daß das Material zwischen den Elek- einem dreiphasigen Netz in die drei Phasenleitun-

troden nach wie vor als Isolator wirkt. gen 2, 3, 4 Lastwiderstände 5, 6, 7 geschaltet. Die

Besonders empfehlenswert ist in diesem Zusam- Leitungen 2 bis 4 sind im Sternpunkt 8 miteinander menhang ein Halbleiterschaltelement, das über- verbunden. Außerdem ist in jede Phasenleitung ein wiegend aus Tellur mit Zusätzen aus Elementen der 25 Halbleiterschaltelement 9, 10, 11 geschaltet. Ein Gruppen IV und V des Periodischen Systems besteht. Steuergerät 12 versorgt das Schaltelement 9 direkt, Es handelt sich um sperrschichtfreie, absolut symme- das Schaltelement 10 über ein Verzögerungsglied 13 irische Halbleiterschaltelemente, die hochbelastbar und das Schaltelement 11 über die Verzögerungsund sehr leicht herstellbar sind. Außerdem läßt sich glieder 14 und 13 mit einem Steuerimpuls. Damit das bei ihnen die Schwellenspannung durch Wahl des 30 Dreiphasennetz nicht über das Steuergerät kurzge-Mischungsverhältnisses oder durch Wahl der Dicke schlossen wird, ist in jede der Steuerzuleitungen noch des Elements entsprechend den Erfordernissen ein- ein Halbleiterschaltelement 15, 16, 17 gelegt. Das stellen. Als Beispiel sei ein Halbleiterschaltelement Steuergerät 12 ISt⁰HUt dem Netz über eine Leitung 18 genannt, das aus 67,5% Tellur, 25°/o Arsen und gekoppelt. Die Verzögerungsglieder 13 und 14 sind so 7,5% Germanium erzeugt ist. Die Herstellung kann 35 bemessen, daß sie den ihnen zugeführten Impuls mit durch Aufdampfen auf eine Metallplatte, durch Sin- einer Verzögerung von je 60 elektrischen Graden tern, durch Erstarrenlassen einer Legierungsschmelze weiterleiten,
od. dgl. erfolgen. Die Schwellenwerte E/_s der Halbleiterschaltelemente

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel können seien größer als die Phasenspannung des Netzes.

mindestens zwei Halbleiterschaltelemente zu einem 40 Dann bleiben die Schalterelemente normalerweise in

gemeinsamen Element mit einer Mittelelektrode ver- ihrem hochohmigen Zustand. Wenn das Steuergerät

einigt sein. Auf diese Weise ist das Anschließen der 12 eingeschaltet wird, gibt es einen Impuls ab, der

Reihenschaltung gegenüber derjenigen von einzelnen größer als die doppelte Phasenspannung ist. Dann

Halbleiterschaltelementen erleichtert. schalten die Halbleiterschaltelemente 15 und 9 in den

Es kommen aber auch andere Halbleiterschalt- 45 niederohmigen Zustand, und es fließt bis zum Ende elemente in Frage, beispielsweise auf der Basis von dieser Halbwelle ein Belastungsstrom in der Lei-Tellur, Arsen und Jod. tang 2. Das Halbleiterschaltelement 15 geht sofort

Dort, wo die Gefahr besteht, daß die Steuerspan- nach Abklingen des Steuerimpulses in den hochohminung in dem mehrphasigen Netz Schaden stiften gen Zustand zurück. Nach 60 elektrischen Graden kann, empfiehlt sich eine bereits vorgeschlagene Lö- 50 schaltet der Impuls die beiden Halbleiterschaltsung, wonach jedes Halbleiterschaltelement aus elemente 16 und 10 in den niederohmigen Zustand, einer Kombination von mehreren Halbleiterschalt- nach weiteren 60 elektrischen Graden die Halbleiterelemententeilen besteht, wobei entweder die Phase schaltelemente 17 und 11. Kurz darauf ist die erste oder die Steuerspannung nur über einige der Teile Halbperiode in der Phasenleitung 2 zu Ende und ein der Kombination geführt wird. 55 neuer Impuls vom Steuergerät 12 bringt das Halb-Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich leiterschaltelement 9 für die nächste Halbperiode aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausfüh- wieder in den niederohmigen Zustand. Bleibt das Sirungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung. gnal vom Steuergerät 12 aus, schaltet jedes der drei Es zeigt Halbleiterschaltelemente 9, 10, 11 den Belastungs-

Fig. 1 ein typisches Strom-Spannungs-Diagramm 60 strom seiner Phase etwa im Nulldurchgang ab.

für ein erfindungsgemäß verwendbares Halbleiter- Das Ausführungsbeispiel der F i g. 3 unterscheidet

schaltelement, sich von demjenigen der F i g. 2 dadurch, daß statt

Fig. 2 ein Schaltbild für eine erfindungsgemäße der Absicherungs-HalbleiterschaltelementelS bis 17

mehrphasige Schaltanordnung, drei Kondensatoren 19, 20, 21 verwendet werden.

F i g. 3 eine Abwandlung der Ausführungsform 65 Ferner ist der Sternpunkt 8 durch eine Platte 22 er-

nachFig. 2, setzt, auf die eine Schicht 23 aus sperrschichtfreiem

Fig. 4 eine Draufsicht auf das Schaltelement nach Festkörperschaltermaterial aufgetragen, z.B. aufge-

Fig. 3 und dampft, ist. Darüber sind drei Elektroden24, 25, 26

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geringerer Ausdehnung gebreitet (vgl. F i g. 4). Da jeweils nur der Bereich der Schicht 23 zwischen einer Elektrode 24 bis 26 und der Platte 22 niederohmig wird, wirkt das Material zwischen den Elektroden dauernd als hochohmiger Isolator.

In Fig. 5 ist jedes Halbleiterschaltelement in zwei in Reihe geschaltete Teile 9a-9b, lOa-lOb und Ita-ltb geteilt. Der Steuerimpuls wird nur den Teilen 9 b, 10 b und Ub zugeführt. Wenn diese jedoch im niederohmigen Zustand sind, liegt die volle Netzspannung an den Teilen 9 a, 10 a, Ua, so daß auch diese in den niederohmigen Zustand übergehen. Hierbei ist sichergestellt, daß der Steuerimpuls nicht im Netz Schaden stiften kann, trotzdem aber ein einwandfreies Schalten möglich ist. Damit die einzelnen Phasenleitungen nicht über die Steuerleitung kurzgeschlossen werden, ist in den Verzögerungsgliedern 13 und 14 je ein Transformator angeordnet.

Zusätzlich zu den bisherigen Ausführungsformen ist noch eine Steuerleitung 27 vorgesehen, über die ao allen Halbleiterschaltelementen gemeinsam ein phasengleicher Steuerimpuls zugeführt werden kann. Dies geschieht über die Sekundärwicklung 28 eines Transformators, dessen Primärwicklung 29 beim Einlegen des Schalters 30 eine sehr starke Stromänderung erfährt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 12 an ein Gleichspannungsnetz 31 angeschlossen. Während des weiteren Betriebs fließt in der Wicklung 29 nur ein leicht gewellter Gleichstrom, der die Steuerung nicht beeinträchtigt.

Für das Steuergerät 12 und die Verzögerungsglieder 13 und 14 können bekannte elektrische Schaltungen verwendet werden, insbesondere Kombinationen aus Widerständen, Kondensatoren und Drosseln. Im Steuergerät 12 kann ein Phasenschieber vorgesehen sein. Die Steuerspannung muß nicht in Form von Impulsen geliefert werden. Es kommen auch Sinuswellen, Rechteckwellen u. dgl. in Frage.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Mehrphasige elektronische Schaltanordnung, bei der in jede Phase Halbleiterschaltelemente gelegt sind, die beim Überschreiten eines Schwellenwerts einer angelegten Spannung vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand und beim Unterschreiten eines Haltewertes des hindurchfließenden Stromes wieder zurückschalten, und bei der ein Steuergerät vorhanden ist, das eine zum Umschalten erforderliche Steuerspannung an die einzelnen Halbleiterschaltelemente legt, d a durch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltelemente in den einzelnen Phasen aus einem sperrschichtfreien Halbleitermaterial bestehen.

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät nacheinander etwa in einem dem elektrischen Winkel 180°/ Phasenzahl entsprechenden Zeitabstand einen Umschaltspannungsimpuls an die einzelnen Halbleiterschaltelemente legt.

3. Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterschaltelement direkt, die anderen über Verzögerungsglieder vom Steuergerät beeinflußt werden.

4. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltelemente außerdem an einer Steuerspannungsleitung liegen, über die beim Einschalten des Steuergeräts eine Steuerspannung gleichzeitig an alle Halbleiterschaltelemente gelegt wird.

5. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Halbleiterschaltelemente zwischen Stempunkt und Phasenleitung liegen.

6. Schaltanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Halbleiterschaltelemente ein gemeinsames Bauelement bilden, bei dem ein Körper eines polykristallinen Halbleitermaterials auf einer Seite mit Elektroden entsprechend der Phasenzahl und auf der anderen Seite mit einer gemeinsamen Elektrode belegt ist.

7. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltelemente überwiegend Tellur und Zusätze aus Elementen der Gruppen IV und V des Periodischen Systems aufweisen.

8. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät einen Phasenschieber enthält.

9. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Halbleiterschaltelement aus einer Kombination von mehre>ren Halbleiterschaltelementteilen besteht, wobei entweder die Phase oder die Steuerspannung nur über einige der Teile der Kombination geführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1147 980, 1079 212.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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