DE102004046442A1

DE102004046442A1 - Anordnung zum Schutz von elektronischen Komponenten

Info

Publication number: DE102004046442A1
Application number: DE102004046442A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Hartmann; Michael Dr. Römheld
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2006-04-06
Also published as: US7692911B2; DE112005001997A5; US20080130184A1; WO2006032677A1

Abstract

Insbesondere in Geräten zur Erzeugung von stromstarken Hochleistungsimpulsen müssen die elektronischen Komponenten, beispielsweise passive Komponenten wie z. B. Kondensatoren und/oder Schaltelemente wie Halbleiterschalter, Dioden o. dgl., gegen Überströme bei einer Fehlfunktion geschützt werden. Dazu werden üblicherweise Serienwiderstände und Serieninduktivitäten verwendet. Gemäß der Erfindung ist der Serienwiderstand (R) und die Serieninduktivität (L) derart zusammengefasst, dass eine mit dem geforderten Widerstands- und Induktivitätswert versehene Spule (20, 30, 40) entsteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Schutz von elektronischen Komponenten, insbesondere in Geräten zur Erzeugung stromstarker Hochleistungsimpulse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Elektronische Komponenten in Geräten zur Erzeugung stromstarker Hochleistungsimpulse, insbesondere passive Komponenten wie z.B. Kondensatoren, und Schaltelemente wie z.B. Halbleiterschalter (Thyristoren, IGBT, IGCT/IGET, etc.), Dioden usw. müssen in der Regel gegen Überströme bei Fehlfunktion (Kurzschluss, Überschlag) geschützt werden, da sie nur eine begrenzte Stoßstromtragfähigkeit aufweisen und ihre Lebensdauer bei Überschreiten der zulässigen Werte stark verringert wird oder diese Bauteile sogar irreversibel geschädigt werden.

Bisher werden zur Lösung dieses Problems entweder Schmelzsicherungen eingesetzt, die bei kurzen Impulszeiten jedoch oft zu träge reagieren, oder die Bauelemente werden durch Serienschaltung von einzelnen Widerständen und/oder Induktivitäten dadurch geschützt, dass der maximal mögliche Kurzschlussstrom im Fehlerfall die zulässigen Grenzwerte der Bauteile nicht überschreitet. Dazu werden verlustarme Induktivitäten gegebenenfalls in Reihe mit separaten Widerständen eingesetzt, wobei die Widerstände so dimensioniert sind, dass sie die in dem Gerät gespeicherte Energie aufnehmen, ohne unzulässig erwärmt zu werden.

Ausgehend von obigem Sachverhalt ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Anordnung zum Schutz der elektronischen Komponenten vorzuschlagen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der neuen Problemlösung werden die begrenzenden Bauelemente Serienwiderstand und Serieninduktivität in einem einzigen Bauteil derart zusammengefasst, dass eine mit dem geforderten Serienwiderstand versehene Spule entsteht. Durch passende Wahl des Materials, charakterisiert durch die Wärmekapazität und den spezifischen elektrischen Widerstand, ist es möglich, einerseits die geforderte Energiemenge aufzunehmen, ohne andererseits eine unzulässig starke Erwärmung zu verursachen. Einige Edelstahlsorten bieten sich hier im Besonderen an.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird die widerstandsbehaftete Induktivität dadurch realisiert, dass ein dünnwandiges Rohr oder dünnes Band aus einem metallischen Werkstoff niedriger Leitfähigkeit zu einer zylindrischen oder spiralförmigen (flachen) Spule aufgewickelt wird. Die Leitfähigkeit, der Rohrdurchmesser bzw. die Bandbreite, die Rohr-/-Bandlänge und die Materialdicke werden dabei so gewählt, dass bei der geforderten Energieaufnahme der benötigte Widerstand erreicht und die zulässige Erwärmung nicht überschritten wird. Die damit verbundene Leiterlänge wird zu einer der geforderten Induktivität entsprechenden Spule aufgewickelt, wobei sich die maßgebenden Spulendaten wie Windungszahl, Durchmesser, Spulenlänge zwangsläufig ergeben bzw. gegebenenfalls durch iterative Berechnung aller Größen optimiert werden.

Bei der Erfindung kann gegebenenfalls das verwendete Leitermaterial gewechselt werden, um eine geeignete Kombination aus Leitfähigkeit und spezifischer Wärme im Einklang mit den anderen geforderten Größen zu bringen. Zur Erhöhung der Wärmekapazität kann bei Verwendung eines Rohrs das Rohr mit einer nur schwach leitenden oder isolierenden Flüssigkeit bzw. einem Pulver gefüllt sein.

Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung, wenn das Material der Spulenwicklung nicht nur einen hohen spezifischen Widerstand, sondern auch einen hohen Temperaturkoeffizienten aufweist. Dadurch erhitzt sich der Widerstand im Kurzschlussfall stark, wodurch dann der Heißwiderstand besonders hoch wird, was zu einer starken Begrenzung des Kurzschlussstroms und damit zu einem sehr effektiven Schutz der zu schützenden Komponente(n) führt. Der Kaltwiderstand ist bei dieser Ausführung minimal, was zu einer sehr energieeffizienten Schaltung im Normalbetrieb führt. Besonders gut geeignet als Spulenwerkstoff sind Eisenlegierungen (Stahl), vor allem nicht-magnetische hoch legierte Edelstähle.

Wird die RL-Kombination hohen Strömen ausgesetzt, ist wegen der dann wirkenden magnetischen Kräfte für eine gute mechanische Fixierung der Spulenwindungen z. B. auf einem Spulenkern aus isolierendem und hitzebeständigem Material zu sorgen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Es zeigen
1 eine RL-Kombination gemäß dem Stand der Technik, als Serienschaltung einer verlustarmen Spule und eines Widerstandes,
2 eine zylindrische Spule aus Rohrmaterial in Seitenansicht und im Schnitt,
3 eine zylindrische Spule aus Bandmaterial in perspektivischer Darstellung und im Schnitt und
4 eine Spiralspule aus Rohr- oder Bandleitermaterial.
In der 1 stellt 1 ein Widerstandselement mit ohmschen Widerstand R und 2 ein Spulenelement mit Induktivität L dar.
Solche RL-Kombinationen sind vom Stand der Technik in geeigneter Auslegung bekannt.
In 2 ist ein Träger 21 vorhanden, auf dem ein Rohrmaterial 22 umlaufend als Spirale gewickelt ist. Der Träger dient zur Fixierung des Rohres; er kann u.U. auch entfallen. Beidseitig sind Anschlüsse 23 bzw. 23' vorhanden.
In 3 wird ein Bandleitermaterial 32 zu einer zylindrischen Spule 30 gewickelt. Ein Träger ist hierbei nicht gezeichnet. Die beidseitigen Anschlüsse sind mit 33 bzw. 33' bezeichnet.
In 4 ist eine Spiralspule 40 aus einem Material 42 aufgebaut. Das Material kann entweder ein Rohrmaterial, wie beispielsweise das Material 22 aus 2 oder aber ein Bandleitermaterial, wie beispielsweise das Material 32 aus 3, sein.
Bei den Beispielen gemäß den 2 bis 4 wird jeweils eine Spule mit definierter Induktivität und definiertem ohmschen Widerstand gebildet.
Bei Impulsgeneratoren für hohe Stromamplituden ist es vorteilhaft, den zur Energiespeicherung notwendigen Kondensator in mehrere parallel geschaltete kleinere Kondensatoren aufzuteilen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, jedem Kondensator eine integrierte Widerstands-/Spulenkombination in Serie zuzuordnen, um einerseits den Einzelkondensator effektiv zu schützen, andererseits aber auch eine optimale Symmetrisierung der Stromverteilung durch die einzelnen Kondensatoren zu erreichen.
Weiterhin wird dadurch die Gesamtenergie im Kurzschlussfall auf mehrere R-L-Kombinationen verteilt, was wegen der nun geringeren Masse im Einzelwiderstand zu dessen rascherer Abkühlung führt, wodurch eine schnellere Wiederinbetriebnahme er möglicht wird. Die Gesamtzahl der einzelnen R-L-Einheiten in Zusammenarbeit mit der systeminhärenten Systeminduktivität und den Eigeninduktivitäten der Kondensatoren wird dabei so abgestimmt, dass auch ein in Serie geschalteter (Halbleiter-) Schalter bzw. Freilaufdioden in optimaler Weise geschützt werden. Die Gesamtmasse der RL-Einheiten wird so gewählt, dass die im Kurzschlussfall aufgenommene Entladungsenergie nicht zu einer unzulässigen Erwärmung der Einzelelemente führt.
Zur Kühlung reicht im Normalfall die Konvektion mit der Umgebung. Insbesondere bei hohen mittleren Leistungen, wie sie bei größeren Impulswiederholraten auftreten, ist es vorteilhaft, eine zusätzliche forcierte Kühlung in Ergänzung zur natürlichen Konvektionskühlung vorzusehen; eine solche Zwangskühlung kann beispielsweise darin bestehen, dass das rohrförmige Widerstandselement von einem Kühlmittel durchströmt wird, welches über elektrisch isolierte Zuleitungen aus einem zusätzlichen Kühlkreislauf zugeführt wird. Als Kühlmittel sind dem Stand der Technik entsprechend elektrisch schlecht leitende Flüssigkeiten wie beispielsweise deionisiertes Wasser, Transformatorenöl, div. Alkohole etc geeignet.
Die Integration der Funktion von Spule und Widerstand stellt eine besonders vorteilhafte, Platz sparende Problemlösung dar, da nur noch ein einziges Bauteil benötigt wird und zusätzlich die für das zweite Bauteil notwendigen Isolationsabstände entfallen können.
Ferner wird die Fehlerwahrscheinlichkeit der gesamten Anordnung verringert, da eine geringere Anzahl an Bauteilen und elektrischen Verbindungen notwendig ist.

Claims

Anordnung zum Schutz von elektronischen Komponenten, insbesondere in Geräten zur Erzeugung stromstarker Hochleistungsimpulse, die passive Komponenten, wie z.B. Kondensatoren, und/oder Schaltelemente, wie z.B. Halbleiterschalter, Dioden od. dgl., aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Serienwiderstand (1) und eine Serieninduktivität (2) derart zusammengefasst sind, dass eine mit dem geforderten ohmschen Wert (R) des Serienwiderstandes (1) versehene Spule (20, 30, 40) mit einer geforderten Induktivität (L) gebildet ist, wobei durch Vorgabe von Wärmekapazität und spezifischem elektrischen Widerstand des Spulenmaterials in der Spule (20, 30, 40) eine geforderte Energiemenge ohne unzulässig starke Erwärmung aufgenommen werden kann.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus einer Eisenlegierung (Stahl), insbesondere aus einem nichtmagnetischen hoch legierten Edelstahl besteht.
Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die widerstandsbehaftete Induktivität durch ein dünnwandiges Rohr (22) aus einem metallischen Werkstoff niedriger Leitfähigkeit gebildet ist, wobei das Rohr zu einer zylindrischen (20) oder spiralförmigen Spule (40) gewickelt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die widerstandsbehaftete Induktivität durch ein dünnes Band (32) aus einem metallischen Werkstoff niedriger Leitfähigkeit gebildet ist, wobei das Band zu einer zylindrischen (30) oder spiralförmigen Spule (40) gewickelt ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material einen hohen Temperaturkoeffizienten (α_T) des spezifischen elektrischen Widerstandes (ρ) hat, wobei der Widerstandswert (R) von der Temperatur abhängig ist und im Kurzschlussfall ein Heißwiderstand R_h(T) > R_o(T) gebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der radial und axial wirkenden Kräfte eine mechanische Fixierung vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Kühlung des Elements, insbesondere eine Durchströmung des Rohres mit einem Kühlmittel, zur Kühlung bei hoher mittlerer Leistung vorgesehen sind.