CH639225A5

CH639225A5 - Halbleiterschaltkreis mit mindestens einer in serie geschalteten drosselspule, insbesondere fuer elektrische umformer.

Info

Publication number: CH639225A5
Application number: CH930778A
Authority: CH
Inventors: Koji Imai; Sumio Kobayashi; Ko Kumai; Toshihiko Tsuji
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co; Nippon Kinzoku Co Ltd
Priority date: 1977-09-07
Filing date: 1978-09-05
Publication date: 1983-10-31
Also published as: US4236200A; GB2004136B; FR2402965B1; FR2402965A1; JPS5851406B2; JPS5440556A; DE2838494A1; BR7805801A; SE7809309L; GB2004136A

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschaltkreis mit mindestens einem Halbleiterelement und mindestens einer dazu in Serie geschalteten Drosselspule, wobei die Drosselspule einen Kern mit geschlossenem Magnetpfad, einen Leiter für den Magnetisierungsstrom sowie eine Isolationseinrichtung für die elektrische Isolation des Magnetpfads vom Leiter aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung des Halbleiterschaltkreises in einem elektrischen Umformer.

Elektrische Umformer zum Umsetzen von Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt sowie Umformer wie z.B. Zer-hacker besitzen in der Regel einen Halbleiterschaltkreisteil, der Halbleiterelemente wie z.B. Thyristoren oder Transistoren aufweist sowie eine Drossel, die in Serie mit den Halbleiterelementen geschaltet ist und dazu dient, die Belastung, welche beim Einschalten eines Halbleiterlementes entsteht (nachfolgend Einschaltbelastung genannt), zu absorbieren.

Die bisher verwendeten Drosselspulen waren Luftdrosseln, Luftspaltdrosseln sowie Drosseln mit endlosen Ferritkernen. Luftdrosseln verlangen eine grosse Anzahl Leiterwindungen für eine ausreichende Induktivität. Sie haben deshalb grosse Abmessungen. Luftspaltdrosseln weisen wegen Wirbelstrombildung unbefriedigende Frequenzeigenschaften der Induktivität auf. Drosselspulen mit geschlossenem Ferritkern geraten schon bei kleinen Strömen in Sättigung, weshalb eine grosse Menge Kernmaterial erforderlich ist, um eine ideale Charakte-risitik zu erhalten.

Aus den oben erwähnten Gründen stellt sich die Aufgabe, einen Halbleiterschaltkreis mit Drosselspule zu schaffen, welche sowohl die Frequenzeigenschaften als auch die Sättigungseigenschaften aufweist, die nötig sind, um die Induktivität zu erzeugen zur Absorption der Einschaltbelastung der Halbleiterelemente und welche geräuschlos arbeitet.

Insbesondere stellt sich die Aufgabe, einen Halbleiterschaltkreis in einem elektrischen Umformer zu schaffen, der eine Drosselspule aufweist, welche zum Einschaltzeitpunkt der in Serie geschalteten Halbleiterelemente die erforderliche Induktivität aufweist, um den Stromfluss ausreichend zu dämpfen, sowie eine niedrige Impedanz hat, um den Spannungsabfall nach Abschluss der Einschaltphase zu reduzieren und die entstehenden Geräusche wesentlich herabzusetzen, wobei in dieser Drosselspule die Einschaltbelastung absorbiert wird.

Dies wird erfindungsgemäss mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6 erreicht.

Nachfolgend wird die Erfindung im Vergleich mit dem Stand der Technik anhand der Zeichnungen im Detail beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltschema eines Halbleiterschaltkreises, der eine Serieschaltung aus Halbleiterelementen und Drosselspulen aufweist;

Fig. 2 Strom- und Spannungscharakteristiken zum Einschaltzeitpunkt der Halbleiterelemente;

Fig. 3 Sättigungscharakteristiken teilweise von bekannten Drosselspuleninduktivitäten ;

Fig. 4, eine Drosselspule, welche zur Serieschaltung mit den Halbleiterelementen im Halbleiterschaltkreis von Fig. 1 geeignet ist;

Fig. 5 die Draufsicht auf den Kern der in Fig. 4 gezeigten Drosselspule, wobei ein Teil weggebrochen ist;

Fig. 6 einen Schnitt durch den in Fig. 5 gezeigten Kern entlang der Linie VI-VI ;

Fig. 7 eine weitere Drosselspule, wobei ein Teil des Kerns weggebrochen ist; und

Fig. 8 einen Schnitt durch die Drosselspule von Fig. 7 entlang der Linie VIII-VIII.

In Fig. 1 ist ein Beispiel eines als Umformer ausgebildeten Halbleiterschaltkreises dargestellt, wobei der Umformer aus einer Mehrzahl von Halbleiterelementen aufgebaut ist.

Wie aus dem Schaltschema in Fig. 1 ersichtlich, dienen in Serie zueinander geschaltete Thyristoren, welche mit den Bezugsziffern 12i, 122,..., 12n bezeichnet sind, als entsprechende Halbleiterelemente. Auf der Anodenseite und der Kathodenseite dieser in Serie geschalteten Thyristoren befindet sich eine Drosselspule 14 resp. 16, welche zum Absorbieren der Einschaltbelastung in den Thyristoren 12i, 122..., 12n dienen. Obwohl im Schaltschema von Fig. 1 zwei Drosselspulen 14 und 16 vorgesehen sind, genügt es zur Absorption der Einschaltbelastung, nur eine der beiden Drosselspulen anzubringen. Über Anode und Kathode des Thyristors 12i liegen in Parallelschaltung ein Widerstand 18i sowie eine Serieschaltung aus einem Kondensator 20t und einem Widerstand 22i, und entsprechend liegt über dem Thyristor 122 ein Widerstand

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182 und parallel dazu eine Serienschaltung aus einem Kondensator 202 und einem Widerstand 22i. Dies setzt sich entsprechend fort bis zum Thyristor 12n. Die einzelnen Parallelschaltkreise dienen als Spannungsteiler zur Vergleichmässigung der an die Thyristoren 12i, 12212n angelegten Spannungen. Der Ausdruck «Einschaltbelastung der Halbleiterelementes» umfasst erstens den Leistungsabfall, der sich als Produkt der Spannung zwischen Anode und Kathode des Halbleiterlemen-tes und dem Strom durch dieses Element beim Einschalten ergibt, und zweitens auch die Einwirkung einer Überspannung auf eines der in Serie geschalteten Halbleiterelemente entsprechend den unterschiedlichen Einschaltzeiten der einzelnen Elemente.

Beide der oben erwähnten Auswirkungen der Einschaltbelastung sind durch den Stromfluss in den Halbleiterlementen beeinflusst, weshalb durch geeignete Steuerung dieses Stromes die Einschaltbelastung absorbiert werden kann. Dies wird mittels Drosselspulen erreicht, welche in Serie zu den Halbleiterelementen geschaltet sind. Die Drosselspulen zur Absorption der Einschaltbelastung müssen erstens die Eigenschaft haben, dass sie während der Einschaltzeit (gewöhnlich mehrere Mikrosekunden) die erforderliche Induktivität aufweisen, und zweitens, dass sie in einen gesättigten Zustand übergehen und eine kleine Impedanz haben, wenn der Stromfluss durch die Elemente einen bestimmten Wert übersteigt. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die Drosselspulen zum Einschaltzeitpunkt der Halbleiterlemente eine höchst mögliche Induktivität aufweisen sollten, um einen plötzlichen Stromanstieg zu dämpfen und nach Abschluss der Einschaltphase eine tiefst mögliche Impedanz aufweisen sollten, um den Spannungsabfall über dem Schaltkreis möglichst kleinzuhalten.

Die bisher verwendeten Drosselspulen waren, wie erwähnt, Luftdrosseln, Luftspaltdrosseln sowie Drosseln mit endlosen Ferritkernen oder ähnlichem. Jeder dieser Typen hat seine bestimmten Vor- und Nachteile, die nachstehend erläutert werden.

Bei Luftdrosseln, welche keinen Kern aufweisen, werden innerhalb der Drosselspule keine Wirbelströme erzeugt. Obwohl deshalb die Frequenzeigenschaften hinsichtlich der Induktivität sehr gut sind, muss die Anzahl der Leiterwindungen vergrössert werden, um die erforderliche Induktivität zu erreichen. Als Folge davon müssen die Abmessungen der Drosselspule vergrössert werden, so dass sie nicht geeignet ist für leistungsstarke Umformer von Nennstrom und Nennspannung. Zudem können die erforderlichen oben beschriebenen Impedanzcharakteristiken nicht erreicht werden.

Im Falle der Luftspaltdrossel, bei welcher der Kern aus zwei einander gegenüberliegenden Teilen mit dazwischenliegendem Spalt besteht, können durch geeignete Wahl des Kernmaterials, des Kernquerschnittes, der Spaltabmessungen, der Anzahl Leiterwindungen etc. ideale Sättigungseigenschaften der Induktivität erreicht werden. Zufolge der Wirbelströme, welche in den Stahllamellen auftreten, die den Kern bilden, sind jedoch die Frequenzeigenschaften der Induktivität unbefriedigend, indem es schwierig ist, die erforderliche Induktivität in einem Frequenzbereich oberhalb 100 bis 200 KHz zu erreichen.

Aus diesem Grund weicht die Stromcharakteristik der gewöhnlichen Luftspaltdrossel zum Einschaltzeitpunkt, welche mittels der Kurve A in Fig. 2 dargestellt ist, wesentlich von der idealen Charakteristik in Kurve B ab. Kurve C in Fig. 2 zeigt die Klemmenspannung über dem Halbleiterschaltkreis mit Halbleiterelementen und in Serie dazu geschalteten Drosselspulen.

Zudem ist bei der Luftspaltdrossel die Änderungsrate des magnetischen Flusses im Kern der Spule extrem hoch, wenn die Halbleiterlemente eingeschaltet werden, so dass am Spalt zwischen den einander gegenüberliegenden Teilen des Kernes schlagartig eine hohe Kraft auftritt, die zu einem heftigen Lärm führt. Deshalb sind bei Umformern, welche Luftspaltdrosseln aufweisen, spezielle Lärmschutzmittel erforderlich, was die Kosten des Systems als Ganzes erhöht.

Im Falle der Drosselspule, bei welcher ein Leiter um einen geschlossenen Kern aus einem magnetischen Material mit sehr guten Frequenzeigenschaften, wie z.B. Ferrit, geführt wird, erfolgt die plötzliche Sättigung seiner Induktivität auf Null schon bei einem sehr kleinen Strom, wie aus Kurve A in Fig. 3 ersichtlich, weshalb eine grosse Menge Kernmaterial erforderlich ist, um etwa die ideale Charakteristik der Kurve B zu erhalten (Kurve C zeigt eine entsprechende Charakteristik in einer Luftspaltdrossel). Soll ein Ümformer von praktisch einsetzbarer Grösse konstruiert werden, ist es deshalb nötig, die Schwankungen der Einschaltzeiten der einzelnen Halbleiter in extremen Masse zu verkleinern, was zu einem aufwendigen Aufbau führt.

In Fig. 4 ist ein Beispiel einer zur Absorption der Einschaltbelastung geeigneten Drosselspule (d.h. z.B. der Drosselspule 14 und 16) für einen Halbleiterschaltkreis mit Thyristoren I2i, 122,..., 12n(Fig. 1) dargestellt.

Wie aus Fig. 4 klar ersichtlich, umfasst die Drosselspule einen ringförmigen Kern 42 mit geschlossenem Magnetpfad und einen Leiter 44 für den Magnetisierungstrom, welcher auf dem ringförmigen Kern 42 aufgewickelt ist, wobei die Wicklungsrichtung rechtwinklig zur Achsrichtung des Kernes verläuft und der Leiter in dieser Weise magnetisch mit dem ringförmigen Magnetpfad im Kern 42 verkettet ist.

Aus den Fig. 5 und 6 ist ersichtlich, dass der Kern ein ringförmiges Aufnahmeglied 46 aus nichtleitendem Material aufweist, das im Querschnitt einen Kanal mit U-förmigem Profil bildet, sowie einen ringförmigen Deckel 48 aus nichtleitendem Material, der die Öffnung des Aufnahmegliedes 46 schliesst, und ferner ein ringförmiges, formgepresstes Element aus einer Mischung von nichtleitendem Material und Partikeln eines magnetischen Stoffes, welches den oben erwähnten Kanal ausfüllt. Als magnetischer Stoff kann elektrolytisches Eisen, Cabonyleisen, Armcoeisen etc. verwendet werden, und als Beispiele für das nichtleitende Material 52 sind Lacke, fette Öle und Fette, Epoxyharze und Polyesterharze zu nennen. Ferner kann eine Mischung, welche mindestens zwei Stoffe der Stoffgruppe elektrolytisches Eisen, Carbonyleisen und Armcocei-sen umfasst, verwendet werden.

Da der Kern 42, wie oben dargestellt, aus nichtleitendem Material formgepresst ist, sind die magnetischen Partikel, welche im formgepressten Material eingebettet sind, untereinander elektrisch isoliert. Demzufolge kann der Wirbelstrom, welcher sich aus Änderungen des magnetischen Flusses im Kern 42 ergibt, wenn sich der Magnetisierungsstrom im Leiter 44 ändert, auf einem sehr kleinen Wert gehalten werden. So ist es möglich, die Frequenzcharakteristik der Drosselspule sehr stark zu verbessern, und ohne wesentliche Änderung der Impedanz über einen Frequenzbereich, der von tiefen Frequenzen bis zu Frequenzen im Bereich von einem MHz reicht, ausgezeichnete Frequenzencharakteristiken zu erhalten.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Halbleiterschaltkreis ändert sich die Frequenz der Spannung zwischen Anode und Kathode der Halbleiterelemente, d.h. der Thyristoren 12i, 122 ..., 12n während der Einschaltperiode in der Regel von 100 KHz bis etwa 1 MHz. Die in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellte Drosselspule weist die erforderliche Induktivität über diesen Frequenzbereich auf. Ist diese Drosselspule in einem Halbleiterschaltkreis angeordnet, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, so bedeutet dies, dass der Strom, welcher beim Einschalten der Halbleiterelemente (d.h. der Thyristoren 12i, 122..., 12n) entsteht, sich verhält wie in Kurve B (Fig. 2) dargestellt, so dass die Einschaltbelastung in wirksamer Weise gedämpft werden kann.

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Wie bereits erwähnt, wird durch die Stromänderung, wel- und 6 dargestellte Beispiel einer Drosselspule keineswegs die che beim Einschalten der Thyristoren 12i, 12:..., 12n in der einzige Möglichkeit zur Verwirklichung des zugrundeliegen-

Halbleiterschaltung von Fig. 1 entsteht, eine plötzliche Ände- den erfinderischen Konzeptes ist, sondern dass verschiedene rung des magnetischen Flusses im Spulenkern erzeugt, was zur andere Drosselspulenausführungen mit einem Kern aus form-

Folge hat, dass beachtliche Kräfte entstehen, die lärmerzeu- 5 gepresstem isolierendem Material und darin eingebetteten gend wirken können. Wenn die in den Figuren 4, 5 und 6 dar- Magnetpartikeln denkbar sind.

gestellte Drosselspule im Halbleiterschaltkreis von Fig. 1 ver- Fig. 7 zeigt ein solches Beispiel einer weiteren möglichen wendet wird, so verteilt sich die vorerwähnte Kraft auf die Ausführungsform. Bei dieser Drosselspule ist, im Gegensatz

Anzahl der magnetischen Partikel, welche in Abständen von- zur Drosselspule in Fig. 4, der Leiter 62 für den Magnetisie-

einander im formgepressten Isolator 52 angeordnet sind. Der- 10 rungsstrom nicht um den Kern herum gewickelt, sondern art kann verhindert werden, dass die erwähnte Kraft lärmer- erstreckt sich im Zentrum des Kerns 42, d.h. entlang einer zeugend wirkt. Dies wiederum bedeutet, dass die Verwendung ringförmigen Mittellinie des Kerns. Der Leiter 62 und das derartiger Drosselspulen in Halbleiterschaltkreisen weitere formgepresste Material 52 sind durch ein röhrenartiges Ele-

Massnahmen zur Lärmunterdrückung unnötig macht. ment 64 aus nichtleitendem Material, das den Leiter 62

Die in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellte Drosselspule 15 umgibt, voneinander elektrisch isoliert. Dies ist besonders verhält sich derart, dass bei zunehmendem Magnetpartikelan- deutlich aus der Schnittansicht in Fig. 8 ersichtlich. In den Fig.

teil. d.h. zunehmender Anreicherungsdichte, die Induktivität 7 und 8 ist der Leiter 62 und das röhrenartige Element 64 der wächst, während sich der Sättigungsstrom verkleinert und dass Deutlichkeit halber übertrieben gross dargestellt.

umgekehrt bei Verkleinerung der Anreicherungsdichte der Sät- Sowohl bei der Drosselspule in Fig. 4 als auch bei derjeni-

tigungsstrom ansteigt, während die Induktivität reduziert wird. 20 gen in Fig. 7 wird der Leiter dazu verwendet, einen Magneti-

Ferner hat sie die Eigenschaft, dass die Induktivität sich mit sierungsstrom für den Kern 42 zu führen. Es ist demnach klar,

der Kerngrösse der Magnetpartikel ändert. Deshalb kann dass verschiedene andere Anordnungen des Leiters denkbar durch geeignete Wahl der Anreicherungsdichte und der Kern- sind.

grosse der Magnetpartikel eine Drosselspule erhalten werden, Obschon in der vorstehenden Beschreibung eine Anord-

deren Frequenz- und Sättigungscharakteristiken die ideale 25 nung mit Thyristoren als Halbleiterelemente im Vordergrund

Form aufweisen. Dies ist etwa der Fall bei einer Korngrösse stand, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung auf alle von 0,12 bis 0,17 mm und einer Anreicherungsdichte von 5 bis Halbleiterelemente anwendbar ist, welche auf ein Steuersignal

7,5 g/cm3. eingeschaltet werden, z.B. auf Transistoren.

Wie oben dargestellt wurde, ermöglicht der Einbau von Wie bereits hervorgehoben worden ist, erlaubt der Einbau

Drosselspulen gemäss den Fig. 4, 5 und 6 mit einem aus Iso- 30 der Drosselspulen gemäss den Fig. 4 oder 7 mit einem Kern liermaterial formgepressten Kern und darin eingebetteten aus formgespresstem isolierendem Material und darin einge-

Magnetpartikeln in einen Halbleiteschaltkreis, eine wesent- betteten Magnetpartikeln in den Halbleiterschaltkreis gemäss liehe Verbesserung der Einschaltbelastungseigenschaften der Fig. 1 den Aufbau einer Halbleiterschaltung, bei der die Ein-

Halbleiterelemente (d.h. der Thyristoren 12i, 122..., 12n ). schaltbelastung der Halbleiterelemente wesentlich reduziert

Es sei darauf hingewiesen, dass das in den Figuren 4, 5 35 ist.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Halbleiterschaltkreis mit mindestens einem Halbleiterelement und mindestens einer dazu in Serie geschalteten Drosselspule, wobei die Drosselspule einen Kern mit geschlossenem Magnetpfad, einen Leiter für den Magnetisierungsstrom sowie eine Isolationseinrichtung für die elektrische Isolation des Magnetpfades vom Leiter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (42) der Drosselspule aus einer Mischung von isolierendem Material (52) und Partikeln eines magnetischen Stoffes formgepresst ist.

2. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrösse der Partikel des magnetischen Stoffes zwischen 0,12 und 0,17 mm und die Anreicherungsdichte der Partikel zwischen 5 und 7,5 gl/cm3 liegt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das das isolierende Material aus der Stoffgruppe Lacke, fette Öle und Fette, Epoxyharz und Polyesterharz ausgewählt ist.

4. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Stoff aus der Stoffgruppe elektrolytisches Eisen, Carbonyleisen und Armcoeisen ausgewählt ist.

5. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Stoff eine Mischung mindestens zweier aus der Gruppe elektrolytisches Eisen, Carbonyleisen und Armcoeisen ausgewählter Stoffe ist.

6. Verwendung des Halbleiterschaltkreises nach Anspruch 1 in einem elektrischen Umformer, wobei das Halbleiterelement zur Steuerung eines elektrischen Stromflusses durch den Umformer vorgesehen ist, welcher Stromfluss plötzlichen Änderungen unterwerfbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselspule (14,16) zur Dämpfung der plötzlichen Stromänderungen vorgesehen ist.

7.Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrösse der Partikel des magnetischen Stoffes des Drosselspulenkerns zwischen 0,12 und 0,17 mm und die Anreicherungsdichte der Partikel zwischen 5 und 7,5 gl/cm3 liegt.

8. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Material (52) des Kerns der Drosselspule aus der Stoffgruppe Lacke, fette Öle und Fette, Epoxyharz und Polyesterharz ausgewählt ist.

9. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Stoff des Kerns der Drosselspule aus der Stoffgruppe elektrolytisches Eisen, Carbonyleisen und Armcoeisen ausgewählt ist.

10. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Stoff des Kerns der Drosselspule eine Mischung mindestens zweier aus der Gruppe elektrolytischer Eisen, Carbonyleisen und Armcoeisen ausgewählter Stoffe ist.