DE1156165B

DE1156165B - Anordnung mit steuerbaren, Zuendeigenschaften besitzenden Halbleiterzellen

Info

Publication number: DE1156165B
Application number: DEL43297A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Guenter Lehmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1962-10-26
Filing date: 1962-10-26
Publication date: 1963-10-24

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 21 d³ 2

INTERNATIONALE Kt.

H02j; d

L43297Vmb/21d3

ANMELDETAG: 26. OKTOBER 1962

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIET: 24. OKTOBER 1963

Bei steuerbaren Halbleiterzellen, insbesondere steuerbaren Siliziumzellen, ist es bekannt, zusätzliche Schaltelemente zur Vermeidung von Überspannungen einzusetzen. Die Überspannungen werden sowohl durch innere Vorgänge, wie beispielsweise das Trägheitsverhalten der Ladungsträger, als auch durch äußere Ereignisse, insbesondere Schaltvorgänge, verursacht.

Eine bekannte Anordnung mit zwei in Reihe geschalteten steuerbaren Halbleiterzellen, denen zusätzliche Schaltelemente zur Bedämpfung von Überspannungen parallel geschaltet sind, zeigt die Fig. 1.

Zu zwei steuerbaren Halbleiterzellen 1 und 2 sind Kondensatoren 3 und 4 induktivitätsarm parallel geschaltet. Um ungedämpfte Schwingungen, die durch Resonanzen der Kondensatoren 3 und 4 mit nicht dargestellten Induktivitäten entstehen können, zu vermeiden, sind Ohmsche Dämpfungswiderstände 5 und 6 vorgesehen. Mit HMe von Ohmschen Widerständen 7 und 8, die den steuerbaren Halbleiterzellen 1 und 2 unmittelbar parallel geschaltet sind, soll eine definierte Aufteilung der statischen Spannungen an den beiden steuerbaren Halbleiterzellen 1 und 2 gesichert werden. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die steuerbaren Halbleiterzellen 1 und 2 entweder mit einer sehr kleinen Frequenz oder gar mit Gleichspannung betrieben werden.

An Hand der Fig. 3 und 4, in denen Spannungen u und Ströme i über der Zeit f aufgetragen sind, soll die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten bekannten Anordnung erläutert werden. Mit Indizes soll eine elektrische Größe gekennzeichnet sein, die dem mit der gleichen Zahl bezeichneten Schaltelement zugeordnet ist.

Bei der Reihenschaltung von steuerbaren Halbleiterzellen ist das Problem zu berücksichtigen, daß die steuerbaren Halbleiterzellen nicht zu gleichen Zeitpunkten schalten. Dies liegt in der immer gegebenen" Ungleichheit der Eigenschaften der Halbleiterzellen begründet. Die Folge davon ist, daß die später schaltende steuerbare Halbleiterzelle vorübergehend eine spannungsmäßige Überlastung erfährt. Ein solcher Fall ist in der Fig. 3 dargestellt, wobei angenommen wurde, daß die steuerbare Halbleiterzelle 2 im Zeitpunkt^ zuerst schaltet. Handelt es sich um steuerbare Siliziumzellen, so wird die an der steuerbaren Halbleiterzelle 2 liegende Spannung M₂ innerhalb weniger Mikrosekunden bis auf einen kleinen Restwert verschwinden. In dem einzuschaltenden Stromkreis kann der volle Strom aber erst dann fließen, wenn sämtliche steuerbaren Halbleiterzellen, hier 1 und 2, durchgeschaltet haben. Es wird also Anordnung mit steuerbaren,
Zündeigenschaften besitzenden Halbleiterzellen

Anmelder:

Licentia Patent-Verwaltungs-G. m. b. H.,
Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Dipl.-Ing. Günter Lehmann, Berlin-Reinickendorf,
ist als Erfinder genannt worden

vorübergehend an der steuerbaren Halbleiterzelle 1 eine ansteigende Spannung U₁ liegen. Erst wenn im Zeitpunkt^ die steuerbare Halbleiterzelle 1 schaltet, kann die an der aus den steuerbaren Halbleiterzellen 1 und 2 gebildeten Reihenschaltung liegende resultierende Spannung und damit auch die Spannungw., zurückgehen. Erst jetzt beginnt ein Strom im Hauptkreis zu fließen, so daß nennenswerte Spannungen nur noch an einer nicht dargestellten Spannungsquelle und einem mit den steuerbaren Halbleiterzellen in Reihe liegenden Verbraucher vorhanden sind. Zusätzlich zu dem hier nicht weiter betrachteten Strom im Hauptkreis müssen die steuerbaren Halbleiterzellen 1 und 2 auch noch die Entladeströme Z₁ und i₂ der Kondensatoren 3 und 4 führen. Diese Entladeströme sind in der Fig. 4 dargestellt. Bei einer Betrachtung der Strom- und Spannungskurven ergibt sich, daß sofort nach dem Durchschalten (Zünden) der steuerbaren Halbleiterzellen in diesen eine erhebliche Leistungsspitze auftritt. Es wurden kurzzeitige Leistungen bis zu mehreren Kilowatt festgestellt. Diese Leistung ist in der steuerbaren Halbleiterzelle 1 gemäß der in den Fig. 3 und 4 gegebenen Darstellung wegen der spannungsmäßigen Überlastung am größten. Wenn eine Vielzahl von steuerbaren Halbleiterzellen in Reihe geschaltet worden wäre, so wäre zu erwarten, daß die steuerbare Halbleiterzelle, die zuletzt durchschaltet, durch die Belastung während des Einschaltvorganges zerstört werden kann. Man hatte daher bisher von einer Reihenschaltung von mehr als zwei steuerbaren Halbleiterzellen abgesehen.

Aus der Zeitschrift »electronics« vom 17. 8. 1962, S. 50 und 51, ist es bekannt, daß ein schneller Strom-

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anstieg bei steuerbaren Halbleiterzellen zur Überlastung des Halbleiters führen kann. Der Halbleiterkörper ist bei einem zu schnellen Stromanstieg noch nicht genügend mit Ladungsträgern angereichert. Als Mittel zur Verhinderung dieser Überbeanspruchung wurden eine besondere Anordnung der Steuerelektrode der steuerbaren Halbleiterzelle sowie die Anordnung einer Induktivität im Hauptstromkreis genannt. Eine Reihenschaltung von steuerbaren Halbleiterzellen und die damit auftretenden Probleme sind jedoch in der vorgenannten Veröffentlichung nicht behandelt worden.

Weiterhin ist es bekannt, in Reihe mit einer Halbleiterdiode eine Induktivität anzuordnen, um eine von einem Bedämpfungskondensator herrührende Einschaltstromspitze aufzufangen (vgl. deutsche Auslegeschrift 1118 346). Hier ist jedoch nicht berücksichtigt worden, daß bei einer Reihenschaltung einer Halbleiterzelle und einer Induktivität beim Abreißen eines durch das Trägheitsverhalten der Sperrschicht der Halbleiterzelle nach der Kommutierung verursachten Rückstromes infolge Trägerverarmung eine Überspannungsspitze an der Sperrschicht induziert wird. Dies ist zwar bei Sättigungsinduktivitäten nur in geringerem Maße der Fall, da der Anstieg des Rückstromes vorübergehend verzögert wird. Zur vollständigen Beseitigung des Rückstromes und der anschließenden Spannungsspitze wäre jedoch eine derart ideale Sättigungsinduktivität erforderlich, wie sie zumindest mit geringem Aufwand nicht erstellbar ist. Auch sind die Reihenschaltung von steuerbaren Halbleiterzellen und die damit verbundenen Probleme nicht behandelt worden.

Die Erfindung betrifft nun eine Anordnnug mit steuerbaren, Zündeigenschaften besitzenden Halbleiterzellen, mit denen Induktivitäten in Reihe liegen, die für eine Verzögerung des Anstieges des Hauptstromes der steuerbaren Halbleiterzellen bemessen sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei in Reihe geschalteten steuerbaren Halbleiterzellen jeder steuerbaren Halbleiterzelle eine Induktivität unmittelbar vorgeschaltet ist und daß Mittel vorgesehen sind, die den Anstieg des Hauptstromes erst von einem bestimmten Stromwert an verzögern und während der Verzögerungszeit die Spannung an der jeweiligen Reihenschaltung einer steuerbaren Halbleiterzelle und der zugeordneten Induktivität annähernd konstant halten. Dadurch, daß sofort mit dem Durchschalten (Zünden) der steuerbaren Halbleiterzellen ein gewisser Strom zugelassen wird, können sich die Halbleiterkörper mit Ladungsträger anreichern, so daß beim anschließenden Ansteigen des Hauptstromes keine unzulässigen Spannungsabfälle an den steuerbaren Halbleiterzellen und keine örtlichen Stromüberlastungen in den steuerbaren Halbleiterzellen auftreten.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dient das in der Fig. 2 dargestellte Ausfuhrungsbeispiel, dessen Wirkungsweise an Hand der Fig. 5 und 6 erläutert wird.

Zur Bedämpfung von Überspannungen an den steuerbaren Halbleiterzellen 1 und 2 sind wieder induktivitätsarm angeschlossene Kondensatoren 3 und 4, aber in Verbindung mit jeweils zwei Ohmschen Widerständen 5, 9 und 6, 10 vorgesehen. Zum weiteren Unterschied gegenüber der bekannten Anordnung nach Fig. 1 sind in Reihe mit der steuerbaren Halbleiterzelle 1 die Drosseln 11 und 12 und in Reihe mit der steuerbaren Halbleiterzelle 2 die Drosseln 21 und 22 geschaltet. Während die Drosseln 11 und 21 einen Ringkern aus einem hochwertigen magnetischen Werkstoff, und zwar ohne Luftspalt, besitzen, handelt es sich bei den Drosseln 12 und 22 um Luftdrosseln oder um Drosseln, deren Kerne, beispielsweise ebenfalls Ringkerne, mit einem Luftspalt versehen sind. Die luftspaltlosen Drosseln 11 und 21 bewirken zunächst eine exakte Begrenzung des die steuerbaren

ίο Halbleiterzellen 1 und 2 durchfließenden Stromes, während die Drosseln 12 und 22 den später folgenden Stromanstieg verzögern. Die letztgenannten beiden Drosseln 12 und 22 sind nicht erforderlich, wenn durch die technischen Daten der dann verbleibenden Anordnung keine Stromanstiege von einer die steuerbaren Halbleiterzellen 1, 2 gefährdeten Steilheit zu erwarten sind.

Mit Hilfe der Widerstände 9 und 10 kann bei einem kleinen Magnetisierungsstrom der luftspaltlosen Drosseln 11 und 21 der die steuerbaren Zellen 1 und 2 sofort durchfließende Hauptstrom etwas angehoben werden, so daß eine definierte Spannungsaufteilung und eine sichere Durchzündung der jeweiligen steuerbaren Halbleiterzelle 1 bzw. 2 gewährleistet ist.

Außerdem fangen die Widerstände 9 und 10 Überspannungsspitzen auf, die an den Drosseln 11, 12, 21 und 22 beim Abreißen des Rückstromes infolge des Trägheitsverhaltens der Sperrschichten auftreten. Die zusätzlichen Vormagnetisierungswicklungen 11', 12', 21' und 22' haben die Aufgabe, den Induktivitäten 11, 12, 21 und 22 jeweils vor dem Einschaltzeitpunkt (Zündzeitpunkt) der steuerbaren Halbleiterzellen eine richtige Magnetisierung zu geben. Zur Einstellung der zusätzlichen Vormagnetisierungen, die den Magneti-

sierungen durch den Hauptstrom entgegengerichtet sind, dienen die Ohmschen Widerstände 7' und 8'. Diese Widerstände bewirken ferner die Festlegung der statischen Spannungsverhältnisse, wozu in der Fig. 1 die Widerstände 7 und 8 vorgesehen sind.

Selbstverständlich kann auch eine Vormagnetisierung durch irgendeine andere Stromquelle erfolgen.

In den Fig. 5 und 6 ist idealisiert dargestellt, wie sich die Anordnung nach Fig. 2 verhält. Es ist angenommen worden, daß im Zeitpunkt I₁ die steuerbare

Halbleiterzelle 2 schaltet. Die Spannung an der Reihenschaltung von Drossel 21, Drossel 22 und steuerbarer Halbleiterzelle 2 wird durch den Kondensator 4 über den Ohmschen Widerstand 6 zunächst aufrechterhalten. Zunächst wird die Spannung in dem gleichen Maße, wie sie an der steuerbaren Halbleiterzelle 2 abnimmt (u_t), an der Drossel 21 (u₂₁) zunehmen. Nach der vollständigen Ummagnetisierung der luftspaltlosen Drossel 21 im Zeitpunkt t₃ liegt die gesamte Spannung an der Drossel 22 (m₂₂). In der

Zeit t_t . . . t_a fließt also ein praktisch konstanter Strom, der den Ummagnetisierungsstrom der Drossel

21 und den Strom im Widerstand 10 enthält, durch die steuerbare Halbleiterzelle 2. Die Zeit t_x . , . t_s ist möglichst so groß gewählt, daß im Zeitpunkt/₃ das Durchschalten der steuerbaren Halbleiterzelle 2 entweder ganz oder zumindest zu einem erheblichen Teil erfolgt ist. Nach dem Zeitpunkt t₃ dämpft die Drossel

22 eine weitere Entladung des Kondensators 4 entsprechend der sinusähnlichen Kurvenform des Stro-

mes z., in Fig. 6. Es wird somit zu keinem Zeitpunkt eine nennenswerte Leistung in der steuerbaren Halbleiterzelle 2 umgesetzt. Durch die Verzögerung des Spannungszusammenbruches an der Reihenschaltung

der steuerbaren Halbleiterzelle 2 und der Drosseln 21, 22 von I₁ auf t._} wird verhindert, daß die später durchschaltende steuerbare Halbleiterzelle 1 in der Nähe des Zeitpunktes t., eine spannungsmäßige Überlastung erfährt. Es kann somit erreicht werden, daß der Einschaltvorgang bei einer Reihenschaltung von zwei oder mehr steuerbaren Halbleiterzellen so erfolgt, daß diese zunächst sämtlich ohne nennenswerte Schaltbeanspruchung durchgeschaltet (gezündet) werden und daß nach einer gewissen Verzögerung mit Hilfe der erfindungsgemäß angeordneten und ausgebildeten Induktivitäten der vorbereitete Hauptstromkreis freigegeben wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Anordnung mit steuerbaren, Zündeigenschaften besitzenden Halbleiterzellen, mit denen Induktivitäten in Reihe liegen, die für eine Verzögerung des Anstieges des Hauptstromes der steuerbaren Halbleiterzellen bemessen sind, da- durch gekennzeichnet, daß bei in Reihe geschalteten steuerbaren Halbleiterzellen (1, 2) jeder steuerbaren Halbleiterzelle (1, 2) eine Induktivität (11, 12 und 21, 22) unmittelbar vorgeschaltet ist und daß Mittel (9, 10) vorgesehen sind, die den Anstieg des Hauptstromes erst von einem bestimmten Stromwert an verzögern und während der Verzögerungszeit die Spannung an der jeweiligen Reihenschaltung einer steuerbaren Halbleiterzelle (1 bzw. 2) und der zugeordneten Induktivität (11, 12 bzw. 21, 22) annähernd konstant halten (Fig. 2, 5).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung von Induktivitäten (11, 21) mit geringem Magnetisierungsstrom jeder Induktivität (11, 12 und 21, 22) ein einen nach einer Zündung sofort über die jeweilige steuerbare Halbleiterzelle (1, 2) fließenden Hauptstrom (i_v i_s) auf einen nennenswert unter dem ständig zulässigen Stromwert liegenden Wert begrenzender Ohmscher Widerstand (9, 10) parallel geschaltet ist.

3. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise jeder steuerbaren Halbleiterzelle (1, 2) eine eigene Reihenschaltung eines niederohmigen Widerstandes (5 bzw. 6) und eines Kondensators (3 bzw. 4) zugeordnet ist und daß diese Reihenschaltung parallel zu der Reihenschaltung der steuerbaren Halbleiterzelle (1 bzw. 2) und der zugehörigen Induktivität (11, 12 bzw. 21, 22) angeschlossen ist.

4. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Induktivität durch eine Reihenschaltung von zwei Drosseln (11, 12 bzw. 21, 22) gebildet ist, von denen nur die eine Drossel (11 bzw. 12) einen aus hochwertigem magnetischem Werkstoff gebildeten Ringkern ohne Luftspalt enthält.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die jeweilige Induktivität bildende Drossel (11, 12, 21, 22) mit einer zusätzlichen Vormagnetisierungswicklung (H', 12', 21', 22') versehen ist und daß die zusätzliche Vormagnetisierung einer Vormagnetisierung durch den Hauptstrom (Z₁, /.,) entgegengerichtet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Vormagnetisierungswicklungen (H', 12' bzw. 21', 22') parallel zu der Reihenschaltung der zugehörigen steuerbaren Halbleiterzelle (1 bzw. 2) und der dieser zugeordneten Induktivität (11, 12 bzw. 21, 22) angeschlossen sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit einer steuerbaren Halbleiterzelle (1 bzw. 2) zugeordneten zusätzlichen Vormagnetisierungswicklungen (H', 12' bzw. 21', 22') ein Ohmscher Widerstand (7' bzw. 8') geschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen