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Hochspannungsgleichrichter mit mehreren in Reihe geschalteten
Halbleiter elementen
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B. Sili-dung von Koronabildung einen Hochspannungsgleichrichter bzw. eine Gruppe von in Reihe geschalteten Gleichrichterelementen mit einem Schutzkäfig zu umgeben, der an die halbe gleichzurichtende Spannung angeschlossen ist. Dabei ist der Schutzkäfig gleichzeitig als ein die ungleiche Spannungsverteilung verbessernder Ausgleichsleiter für die Störkapazitäten wirksam; weil dabei die Kapazitäten der Halbleiterelemente gegenüber dem Schutzkäfig konstant sind, wird eine gute Linearisierung der Spannungsverteilung aber nicht erhalten.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen an einigenAusführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen :
Fig. l das Ersatzschaltbild eines bekannten Hochspannungsgleichrichters ; Figo 2 den Spannungsverlauf in einem bekannten Hochspannungsgleichrichter ; Fig. 3 das Ersatzschaltbild eines nach der Erfindung mit einem Ausgleichsleiter versehenen HochspannungsgleichrichtersÏ die Fig. 4 und 5 ein erstes bzw. zweites Ausführungsbeispiel eines Hochspannungsgleichrichters, der nach der Erfindung mit einem Ausgleichsleiter versehen ist.
In Fig. 1 ist ein Ersatzschaltbild eines aus einer grossen Zahl (N) in Reihe liegender Halbleiterelemente aufgebauten Gleichricnters dargestellt ; dabei ist jedes Element durch eine Diode (do.... d N) dargestellt, die von der Diodenkapazität Cs überbrückt ist. Zwischen der Eingangselektrode 1 des Gleichrichters und Erde wird eine gleichzurichtende Wechselspannung U zugeführt und zwischen der Ausgangselektrode 2 und Erde kann die durch die Gleichrichtung erzeugte Gleichspannung abgenommen werden ; mit Co ist der üblicherweise an die Ausgangselektrode des Gleichrichters angeschlossene Glättungskondensator bezeichnet.
Für ein gutes Verständnis der Erfindung ist die Kenntnis des Verlaufes der Wechselspannung im Gleichrichter von Wichtigkeit. Zum Bestimmen dieses Wechselspannungsverlaufes können die in Fig. l mit ge-
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Linien dargestellten Dioden do.... dNzitäten Cs von dem Wert U an der Eingangselektrode 1 bis zum Wert 0 an der Ausgangselektrode 2 linear verlaufen würde, so dass an jedem Halbleiterelement die gleiche Spannung U/N auftreten würde. Aus einer Berechnung, bei der auch die Störkapazitäten Cp berücksichtigt werden, folgt aber, dass für den Wechselspannungsverlauf V (n) gilt :
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lauf ausüben.
Mit Hilfe des Ausdruckes (I) ist für die oben angegebenen Werte der Wechselspannungsverlauf im Gleichrichter bestimmt und in Fig. 2 durch die Kurve a dargestellt. Aus dieser Kurve folgt deutlich, dass ein besonders grosser Teil der Spannung an den bei der Eingangselektrode liegenden Elementen auftritt (die Hälfte der Spannung an 14% der vorhandenen Elemente) und dass an den bei der Ausgangselek-
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imdurchdie Kurve b dargestellt. welchedenSpannungsverlaufmitgleichfallsCg * 80 pF und Cp = 8 mpF, jedoch mit N = 600 darstellt.
An Hand des Ersatzschaltbildes in Fig. 3 wird die Art und Weise angegeben, wie der Einfluss der Störkapazitäten auf den Spannungsverlauf im Gleichrichter nach der Erfindung beseitigt werden kann ; dazu wird jedes Element mit einer Ausgleichskapazität versehen, die z. B. mit der gleichzurichtenden Wechselspannung U verbunden ist : diese Ausgleichskapazitäten sind in Fig. 3 mit Cm bezeichnet.
Es ist in einfacher Weise möglich, die Grösse dieser Ausgleichskapazitäten Cm für einen optimalen Ausgleich der Störkapazitäten mit Hilfe folgenden Gedankenganges zu bestimmen. Man denke für jedes Halbleiterelement die in Fig. 3 mit 3 gestrichelt dargestellte Verbindung zwischen der Ausgleichskapazität Cm und der Störkapazität Cp einerseits, und der Reihenschaltung der Diodenkapazitäten Cs anderseits aufgehoben. Die Spannung an den Diodenkapazitäten weist sodann den gewünschten linearen Verlauf auf, der durch den Ausdruck :
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wiedergegeben wird.
Wenn weiterhin die Ausgleichskapazitäten Cm so gross gewählt werden, dass auch die Spannung an jedem Verbindungspunkt der Ausgleichskapazität und der Störkapazität den Wert U n/N hat, so können die Verbindungen 3 wieder hergestellt werden, ohne dass sich der Spannungsverlauf längs der Reihenschaltung der Diodenkapazitäten ändert. Die Bedingung, dass jeder Verbindungspunkt der Aus- gleichskapazität und der Störkapazität die Spannung. U n/N aufweist, wird erfüllt, wenn die Ausgleichskapazitäten derart bemessen werden, dass gilt :
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Aus dem Vorhergehenden folgt, dass, wenn die Bedingung (III) erfüllt wird, die Spannung im Gleichrichter linear verläuft, so dass an jedem Halbleiterelement ein gleicher Spannungsabfall auftritt.
Für diesen optimalen Ausgleich müssen die bei der Eingangselektrode liegenden Elemente mit einer Ausgleichs- kapazitätversehenwerden, die gross ist gegenüber Cp und die bei der Ausgangselektrode liegenden Ele- mente müssen mit einer Ausgleichskapazität versehen werden, die klein ist gegenüber Cp. In der Mitte des Gleichrichters (n = N/2) müssen die Ausgleichskapazitäten etwa von gleicher Grössenordnung sein wie die Störkapazitäten.
Bemerkenswert ist, dass in entsprechender Weise berechnet werden kann, dass, wenn den Ausgleichskapazitäten die gleichzurichtende Wechselspannung mit einer Amplitude zugeführt wird, die um einen Faktor a grösser ist als die der Eingangselektrode 1 zugeführte Wechselspannung, die Ausgleichskapazitäten für einen optimalen Ausgleich folgende Bedingung erfüllen müssen :
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In der Praxis kann die Massnahme nach der Erfindung darin bestehen, dass ein Ausgleichsleiter angebracht wird, dem die gleichzurichtende Wechselspannung zugeführt wird und der derart angeordnet und bzw. oder gestaltet ist, dass die Kapazitäten zwischen den Halbleiterelementen und dem Ausgleichsleiter allmählich abnehmen, je näher die Elemente an der Seite der Ausgangselektrode liegen.
Ein einfaches Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt, welche einen Hochspannungsgleichrichter zeigt, der aus Halbleiterelemente dns einer Eingangselektrode 1, einer Ausgangselektrode 2 und einer Isolierschicht 4 besteht. Der Gleichrichter ist weiterhin mit einem Hochspannungskabel versehen, dessen mit der Eingangselektrode 1 verbundener Leiter als Ausgleichsleiter wirksam ist. Über dem bei der Eingangselektrode liegenden Teil des Gleichrichters liegt dieses Kabel möglichst nahe am Gleichrichter, während über dem übrigen Teil der Abstand zwischen dem Kabel und dem Gleichrichter in Richtung auf die Ausgangselektrode zunimmt. Die Ausgleichskapazitäten Cm werden von den Kapazitäten zwischen den Halbleiterelementen und dem Ausgleichsleiter gebildet.
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Auf die in Fig. 4 dargestellte Weise kann eine gute Linearisierung des Spannungsverlaufes im Gleichrichtet erzielt werden; eine optimale Linearisierung wird aber nicht erreicht, da es hiefür notwendig ist, dass, wie aus der Gleichung (III) hervorgeht, die Ausgleichskapazitäten bei der Eingangselektrode sehr gross sind gegenüber den Störkapazitäten.
Um auch für die bei der Eingangselektrode liegenden Elemente der Gleichung (III) zu entsprechen,
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bung) umso kleiner ist, je grösser die Kapazität zwischen den Elementen und dem Ausgleichsleiter ist. in der Gleichung (III) und auch in der Gleichung (lila) ist also C, ebenso wie C , von n abhän- gig.
In Fig. 5 ist ein Audührungsbeispiel dargestellt. bei dem eine optimale Linearisierung des Spannungverlaufes im Gleichrichter erzielt wird. Auf den Isoliermantel eines Gleichrichters 6 ist eine leitende Schicht 7 (z. B. Metall oder Kohlenstoff) aufgebracht, die den Gleichrichter bei der Eingangselektrode nahezu völlig umfasst, während der von der Schicht 7 bedeckte Teil des Isoliermantel in Richtung auf die Ausgangselektrode kleiner wird ; die Ausgleichskapazitäten sind umso grösser und auch die Störkapa- zitäten gegen Erde umso kleiner, je grösser der von der leitenden Schicht umfasste Gleichrichterteil ist.
Aus dem Vorhergehenden ist es einleuchtend, dass der nach der Erfindung anzubringende Ausgleichs- leiter vielerlei Formen und Lagen gegenüber dem Gleichrichter haben kann. So ist es z. B. möglich, statt der in Fig. 5 dargestellten leitenden Schicht auf dem Isoliermantel eine Drahtwicidung mit allmählich zunehmender Steigung anzubringen.
Erfindungsgemäss kann man auch, insbesondere wenn der Ausgleichsleiter unmittelbar auf die Isolierschicht des Gleichrichters aufgebracht ist, die Stärke dieser Isolierschicht in Richtung auf die Ausgangselektrode zunehmen lassen. Hiedurch ergibt sich nicht nur eine zusätzliche Verringerung der Ausgleichskapazitäten bei der Ausgangselektrode, sondern es wird auch erreicht, dass dem grossen Spannungsunterschied zwischen dem Ausgleichsleiter und den bei der Ausgangselektrode liegenden Halbleiterelementen besser widerstanden wird.
Naturgemäss kann ein Gleichrichter, der z. B. gemäss dem in Fig. 4 oder 5 dargestellten Ausführungs-
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verlauf im Gleichrichter entsteht, nicht in gleicher Form zum Erzeugen einer negativen Gleichspannung verwendet werden. Um einen sowohl zum Erzeugen einer positiven als auch zum Erzeugen einer negativen Gleichspannung neutralisierten Gleichrichter zu erzielen, kann nach einem weiteren Aspekt der Erfindung der Ausgleichsleiter lösbar ausgebildet werden. Dadurch, dass der Ausgleichsleiter umgekehrt und an die andere Elektrode angeschlossen wird, kann der Gleichrichter zum Erzeugen einer Gleichspannung mit anderem Vorzeichen geeignet gemacht werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hochspannungsgleichrichter mit mehreren in Reihe geschalteten Halbleiterelementen sowie einer
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Ausgangselekcrodeleiterelement, umso grösser sind, je näher die Halbleiterelemente an der Fingangselrzktiode liegen. derart, dass die Störkapazitäien der Halbleiterelemente wenigstens nahezu von den Kapazitäten der Halbleiterelemente gegenüber dem Ausgleichsleiter ausgeglichen werden.
2. HochspannungsgleichrichternachAnspruehl, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Halbleiterelementen und dem Ausgleichsleiter. wenigstens für einen Teil der Halbleiterelemente, umso grösser ist, je näher die Halbleiterelemente an der Ausgangselektrode liegen.