DE1160091B

DE1160091B - Monitoring device for the series connection of several semiconductor elements

Info

Publication number: DE1160091B
Application number: DEB63666A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Erhard Gruber
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1961-08-16
Filing date: 1961-08-16
Publication date: 1963-12-27

Description

Überwachungseinrichtung für die Reihenschaltung mehrerer Halbleiterelemente In Halbleiteranlagen, beispielsweise in Gleichrichteranlagen, deren Betriebsspannung die maximale Sperrspannung einer Halbleiterzelle überschreitet, ist es bekanntlich notwendig, mehrere Halbleiterzellen in Reihe zu schalten. Bei einer derartigen Reihenschaltung liegt eine gleichmäßige Spannungsaufteilung auf die einzelnen in Reihe geschalteten Zellen wegen der schwankenden Sperrwiderstände zunächts nicht vor. Sie wird dadurch erreicht, daß jeder Zelle ein Widerstand parallel geschaltet wird, die zusammen einen Spannungsteiler mit gleichen Einzelwiderständen bilden. Außerdem werden noch zusätzlich Kondensatoren oder CR-Glieder den Gleichrichterzellen parallel geschaltet, um eventuell auftretende Kommutierungsschwingungen zu unterdrücken. Trotz dieser Maßnahmen kommt es hin und wieder vor, daß einzelne Halbleiterzellen durchschlagen und dadurch kurzgeschlossen werden. Das bedeutet, daß die Gesamtspannung sich nunmehr auf die restlichen Halbleiterzellen verteilt und diese entsprechend spannungsmäßig höher belastet werden. Damit besteht die erhöhte Gefahr des Durchschlagens weiterer Zellen, was schließlich zum Kurzschluß der gesamten Reihenschaltung führen kann. Um die Betriebssicherheit der gesamten Anlage zu gewährleisten, ist es erforderlich, rechtzeitig, d. h. schon beim Durchschlag der ersten Zelle, ein Signal oder eine sonstige Schalthandlung zum Schutz der Anlage auszulösen. Die bekannten, hierfür benutzten Einrichtungen sind durchweg sehr aufwendig und stellen keine befriedigende Lösung dieser Aufgabe dar.Monitoring device for the series connection of several semiconductor elements In semiconductor systems, for example in rectifier systems, whose operating voltage exceeds the maximum reverse voltage of a semiconductor cell, it is known to connect several semiconductor cells in series. In the case of such a series connection, there is initially no uniform voltage distribution between the individual cells connected in series because of the fluctuating blocking resistances. It is achieved by connecting a resistor in parallel to each cell, which together form a voltage divider with the same individual resistances. In addition, capacitors or CR elements are connected in parallel to the rectifier cells in order to suppress any commutation oscillations that may occur. Despite these measures, it happens now and then that individual semiconductor cells break down and are short-circuited as a result. This means that the total voltage is now distributed over the remaining semiconductor cells and these are correspondingly subjected to higher voltage loads. This increases the risk of other cells breaking down, which can ultimately lead to a short circuit in the entire series circuit. In order to ensure the operational safety of the entire system, it is necessary to timely, i. H. triggering a signal or other switching action to protect the system as soon as the first cell breaks down. The known facilities used for this are all very complex and do not represent a satisfactory solution to this problem.

Es ist eine Anordnung bekannt, bei der je zwei in Reihe geschaltete Ventile durch zwei Widerstände zu einer Brückenschaltung ergänzt sind. In der Dia-' gonale dieser Brücke sind Signal- oder Steuereinrichtungen vorgesehen. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß für jedes in Reihe geschaltete Ventil eine derartige Brückenschaltung erforderlich ist, wenn jedes Ventil einzeln überwacht werden soll.There is known an arrangement, are added in two series-connected valves through two resistors to a bridge circuit. Signal or control devices are provided in the diagonal of this bridge. This arrangement has the disadvantage that such a bridge circuit is required for each valve connected in series if each valve is to be monitored individually.

Die Erfindung löst das Problem der überwachung in Reihe geschalteter Halbleiterzellen mit äußerst einfachen Mitteln. Sie bezieht sich auf eine überwachungseinrichtung für die Reihenschaltung von mehr als zwei Halbleiterelementen mit einem selbständigen Spannungsteiler, dessen Potentialstufen denen der Reihenschaltung entsprechen und einer zwischen zwei potentialgleichen Punkten der Reihenschaltung und des Spannungsteilers geschalteten Melde- oder Signaleinrichtung und besteht darin, daß jedem Halbleiterelement in an sich bekannter Weise ein Widerstand parallel geschaltet ist.The invention solves the problem of monitoring in series Semiconductor cells with extremely simple means. It relates to a monitoring device for the series connection of more than two semiconductor elements with an independent Voltage divider whose potential levels correspond to those of the series circuit and one between two equipotential points of the series circuit and the voltage divider switched reporting or signaling device and consists in that each semiconductor element a resistor is connected in parallel in a manner known per se.

In den Fig. 1 und 2 ist die vorzugsweise Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt. 1 and 2, the preferred embodiment of the device according to the invention is shown.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind drei Gleichrichterzellen 1 in Reihe geschaltet. Diese drei Zellen können entweder unmittelbar als Einwegventilstrecke verwendet werden, oder sie können einen Zweig, beispielsweise einer Drehstrombrückenschaltung, bilden. Jeder einzelnen Zelle ist in bekannter Weise ein Widerstand 2 parallel geschaltet. Der feste Spannungsabfall an diesen untereinander gleichen Widerständen gewährleistet eine gleichmäßige Spannungsbelastung jeder Zelle. Zusätzlich ist jeder Halbleiterzelle noch ein Dämpfungskondensator 3 parallel geschaltet. Gemäß der Erfindung wird nunmehr der Gesamtreihenschaltung ein weiterer, vom ersten unabhängiger Spannungsteiler parallel geschaltet, der ebenfalls aus drei gleichen Einzelwiderständen 4 besteht. Infolge des gleichen Spannungsabfalles sowohl an der Gleichrichterreihenschaltung als auch an dem zweiten Spannungsteiler besteht im normalen Betrieb, also bei intakter Gesamtanlage, zwischen den Punkten 5 und 6 bzw. 7 und 8 keine Spannung.In the exemplary embodiment in FIG. 1 , three rectifier cells 1 are connected in series. These three cells can either be used directly as a one-way valve section, or they can form a branch, for example a three-phase bridge circuit. A resistor 2 is connected in parallel to each individual cell in a known manner. The fixed voltage drop across these equal resistors ensures an even voltage load on each cell. In addition, a damping capacitor 3 is connected in parallel to each semiconductor cell. According to the invention, a further voltage divider which is independent of the first and which also consists of three identical individual resistors 4 is now connected in parallel to the overall series circuit. As a result of the same voltage drop both on the rectifier series circuit and on the second voltage divider, there is no voltage between points 5 and 6 or 7 and 8 during normal operation, i.e. with the overall system intact.

Sobald an einer der drei Gleichrichterzellen ein Durchschlag und damit ein Kurzschluß erfolgt, wird die gleichmäßige Spannungsaufteilung an der Gleichrichterkette gestört, so daß nunmehr zwischen den Punkten 5, 6 bzw. 7, 8 eine Spannungsdifferenz entsteht. Diese Spannungsdifferenz wird gemäß der Erfindung einer Signaleinrichtung, beispielsweise einer Lampe, zugeführt.As soon as a breakdown and thus a short circuit occurs in one of the three rectifier cells, the even voltage distribution on the rectifier chain is disturbed, so that a voltage difference now arises between points 5, 6 and 7, 8, respectively. According to the invention, this voltage difference is fed to a signal device, for example a lamp.

In Fig. 2 ist bei einer zweigliedrigen Gleichrichterkette außer dem zugehörigen Überwachungsspannungsteiler noch eine vollständige Signaleinrichtung dargestellt, die beispielsweise aus dem Transformator 5 und einem unter Zwischenschaltung des Hilfsgleichrichters 6 angeschlossenen Relais 7 besteht. In jeder Reihenschaltung ist grundsätzlich nur eine einzige derartige überwachungseinrichtung erforderlich, da bei Eintritt einer Störung an einer beliebigen Gleichrichterzelle zwischen jeden der beiden Aquipotentialpunkte Spannung entsteht. Es sind also nur so viele überwachungseinrichtungen erforderlich, als in der gesamten Anlage voneinander unabhängige Reihenschaltungen von Halbleitern vorhanden sind. Bei einer Drehstrombrückenschaltung sind also beispielsweise sechs solche Einrichtungen erforderlich. In Anlagen mit mehreren Reihenschaltungen bzw. Gleichrichterketten kann für jede Kette eine Primärwicklung eines gemeinsamen Mehrwicklungstransformators vorgesehen werden, die zwischen zwei Äquipotentialpunkten zu schalten ist. Dieser Transformator besitzt nur eine Sekundärwicklung, die an ein zentrales überwachungsorgan angeschlossen ist. Man kann auch die Sekundärwicklungen mehrerer Einzeltransformatoren, die je einer Reihenschaltung zugeordnet sind, in Reihe schalten und einem zentralen Meldeorgan zuführen.In FIG. 2, in addition to the associated monitoring voltage divider, a complete signaling device is shown in a two-part rectifier chain, which consists, for example, of the transformer 5 and a relay 7 connected with the auxiliary rectifier 6 interposed. In principle, only a single monitoring device of this type is required in each series connection, since a voltage occurs between each of the two equipotential points in any rectifier cell when a fault occurs. So there are only as many monitoring devices required as there are independent series connections of semiconductors in the entire system. In the case of a three-phase bridge circuit, for example, six such devices are required. In systems with several series connections or rectifier chains, a primary winding of a common multi-winding transformer can be provided for each chain, which is to be connected between two equipotential points. This transformer has only one secondary winding which is connected to a central monitoring device. You can also connect the secondary windings of several individual transformers, which are each assigned to a series circuit, in series and feed them to a central reporting unit.

Die erfindungsgemäße überwachung hat den Vorzug, daß sie unabhängig ist von der Anzahl der in Serien geschalteten Halbleiterzellen. Sie kann für zwei, drei, vier, fünf usw. in Serien geschaltete Zehen Verwendung finden. Sie ist auch unabhängig von der Höhe der für eine Anlage verwendeten Spannung. Diese Spannung kann ferner in beliebigem Umfang verändert werden. In jedem Fall wird die zur Meldung herangezogene Differenzspannung bei ungestörter Anlage Null sein und bei Eintritt einer Störung einen beträchtlichen Wert einnehmen.The monitoring according to the invention has the advantage that it is independent of the number of semiconductor cells connected in series. It can be used for two, three, four, five, etc. toes connected in series. It is also independent of the level of voltage used for a system. This voltage can also be changed to any extent. In any case, the differential voltage used for reporting will be zero if the system is undisturbed and will assume a considerable value if a fault occurs.

Die erfindungsgemäße überwachungseinrichtung ist ferner unabhängig von der Art der Gleichrichterschaltung. Sie ist verwendbar für Drehstrombrückenschaltung, Einphasenbrückenschaltung, Saugdrosselschaltung usw. Sie ist ferner unabhängig von der Art der Zusammenschaltung der Gleichrichterzellen. Es können beispielsweise drei in Reihe geschaltete Zellen zu einer anderen ebenfalls aus drei Zellen bestehenden Reihenschaltung parallel oder zwei parallel geschaltete Zellen mit zwei weiteren derartigen Parallelschaltungen in Reihe geschaltet sein.The monitoring device according to the invention is also independent on the type of rectifier circuit. It can be used for three-phase bridge circuits, Single-phase bridge circuit, suction throttle circuit, etc. It is also independent of the type of interconnection of the rectifier cells. For example three cells connected in series to another also consisting of three cells Series connection in parallel or two cells connected in parallel with two others such parallel circuits be connected in series.

Schließlich wird durch die ParalleIwiderstände eine gleichmäßige Spannungsaufteilung an den Ventilen erreicht, so daß diese Widerstände doppelt ausgenutzt werden. Die erfindungsgemäße überwachungseinrichtung hat gleichzeitig zwei Wirkungen, was ein besonderer technischer Vorteil ist.Finally, the parallel resistors ensure an even voltage distribution reached at the valves, so that these resistances are used twice. the Monitoring device according to the invention has two effects at the same time, which is a is a particular technical advantage.

Es besteht auch die Möglichkeit, die Art der verwendeten Signaleinrichtung weitgehend den örtlichen Erfordernissen anzupassen. So kann beispielsweise nur eine Meldelampe oder in Verbindung mit dieser Meldelampe eine lichtempfindliche Zelle verwendet werden, die irgendeine Schaltung auslöst. Man kann an Stelle der Meldelampe oder zusätzlich zu dieser ein Relais anschließen, dessen Kontakt weitere Schalthandlungen und Meldungen (z. B. akustische und optische Signale) steuern. Schließlich kann man auch einen Transformator verwenden, an dessen Sekundärwicklungen die Relais unmittelbar angeschlossen werden.There is also the option of changing the type of signaling device used largely to be adapted to local requirements. For example, only one Signal lamp or in connection with this signal lamp a light-sensitive cell that triggers any circuit. One can in place of the signal lamp or connect a relay in addition to this, whose contact further switching operations and control messages (e.g. acoustic and optical signals). Finally can you can also use a transformer with the relays on its secondary windings can be connected directly.

Claims

PATENT CLAIMS-1. Monitoring device for the series connection of more than two semiconductor elements with an independent voltage divider, the potential levels of which correspond to those of the series connection and a reporting or signaling device connected between two equally potential points of the series connection and the voltage divider, characterized in that each semiconductor element has a resistor in a manner known per se is connected in parallel. 2. Monitoring device according to claim 1, characterized in that a relay and / or a lamp is used as the signaling device, optionally with a transformer connected upstream. 3. Monitoring device according to claim 1, characterized in that a transformer with a plurality of primary windings is used as the transmission device, each of which is assigned to a reporting point, and with a secondary winding which is connected to a central signaling element. Documents considered: German Auslegeschrift No. 1052 557; AEG announcements, 1961, & 201.