DE2115636A1 - Anordnung zur Kompensation von Stör kapazitäten an Halbleiterventilen - Google Patents

Description

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Anordnung zur Kompensation von Störkapazitäten an Halbleiter» ventilen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kompensation von Störkapazitäten an Halbleiterventilen, die aus mehreren Halbleiterelementen bestehen, von denen jeweils einige hintereinanderliegende zu einer Baugruppe zusammengefasst sind und die Baugruppen etagenweise übereinander liegen, λ wobei in jeder Etage mindestens zwei Baugruppen angeordnet und alle Baugruppen wendelartig zusammengeschaltet sind, so dass alle Halbleiterelemente eine einzige Reihenschaltung bilden.

Halbleiterventile, insbesondere Thyristorventile, für die Hochspannungs- Gleichstrom- Uebertragung bestehen zur Zeit aus einer grossen Anzahl in Reihe geschalteter Halbleiterelemente.

Um bei gesperrtem Ventil eine möglichst gleichmässige Vertei-

209839/0586

- 2 - 31/71

lung der anliegenden Hochspannung (Stossspannung) auf alle Halbleiterelemente zu erwirken und dabei den störenden Einfluss der Bauteilkapazitäten gegen Erde zu kompensieren, hat man beim Bekannten eine aus konzentrierten Kondensatoren aufgebaute Kömpensationsbeschaltung vorgesehen.

Eine derartige Beschaltung wird z.B. in der schweizer Patentschrift Nr. 469 396 beschrieben.

Die Beschaltung mit sogenannten konzentrierten Kondensatoren weist jedoch erhebliche Nachteile auf, da nämlich einerseits Wickelkondensatoren eine zu tiefe Resonanzfrequenz aufweisen (über deren Resonanzfrequenz sind sie praktisch wirkungslos) und andererseits Keramikkondensatoren ein sehr grosses Bauvolumen beanspruchen. Kondensatoren mit Bariumtitanat als Dielektrikum zeigen hingegen stark temperatur- und spannungsabhängige Kapazitätswerte.

Gelangt nun an ein gesperrtes Halbleiterventil ein steiler Spannungsstoss, dann ist aus obigen Gründen eine symmetrische Spannungsaufteilung auf die einzelnen Halbleiterelemente nicht möglich oder zumindest nur mit sehr grossem Aufwand realisierbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile des

209833/0536

- 3 - 31/71

Bekannten zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass an jeder zweiten Verbindungsstelle zwischen den Baugruppen ein metallischer Schirm elektrisch leitend angeschlossen ist, der die beiden durch diese Verbindungsstelle zusammengeschalteten Baugruppen nach der Aussenseite des Halbleiterventils ausgerichtet umschliesst, wobei die einzelnen metallischen Schirme elektrisch gegeneinander isoliert sind und dass weiterhin zumindest ein Kathoden- und ein Anodenpotertial aufweisendes Schirmblech vorgesehen ist, welche Schirmbleche den vorgenannten metallischen Schirmen an der Aussenseite des Halbleiterventils gegenüberliegen, wobei der Abstand von diesen Schirmblechen zu den metallischen Schirmen mit zunehmender Potentialdifferenz grosser wird und diese Schirmbleche gegeneinander elektrisch isoliert sind. *

Der Vorteil der Erfindung ist vor allem darin zu sehen, dass das Halbleiterventil wesentlich betriebssicherer ist, da die zuvor aufgezeigten Nachteile der konzentrierten Kondensatoren sowie deren allgemeine Störanfälligkeit ausgeschaltet sind.

Da keine obere Grenzfrequenz zu beachten ist, kann auf eine Vordrossel verzichtet werden, welche bei einer zum Stande der Technik zu zählendeAnordnung zur Begrenzung der Spannungsan-

209839/0586

34/71

Stiegsgeschwindigkeit (rr) vorzusehen ist (um die Grenzfrequenz der Wickelkondensatoren nicht zu überschreiten).

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht.

Es zeigt:

W Fig. 1 eine vereinfachte, perspektivische Darstellung eines

Halbleiterve ntils,

Fig.2a einen Querschnitt in der Ebene EU* nach Fig. 1,

Fig.2b einen weiteren₉ möglichen Querschnitt in der Ebene BC nach Fig. 1,

Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines gesperrten Halbleiterventils.

In Fig. 1 ist mit 1,1· ein kathodenseitiges Schirmblech, mit ™ 2,2' ein anodenseitiges Schirmblech und mit A bzw. K ein Anodenbzw. Kathodenanschluss bezeichnet.

Mit den Bezugsziffern 3,^,5,6 und 7 sind metallische Schirme gekennzeichnet. Durch die Buchstaben B und C ist eine Schnittebene markiert, die in Fig. 2a und 2b in Pfeilrichtung betrachtet dargestellt ist.

. Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen

209839/0686

versehen.

In Fig. 2a bedeutet 4¹ einen metallischen Schirm, der in der gleichen Etage wie der mit 4 bezeichnete angeordnet ist.

Mit den Bezugszahlen 8 sind in den Figuren 2a, 2b und 3 Baugruppen gekennzeichnet, die z,B. jeweils aus der Reihenschaltung von zehn Halbleiterelementen bestehen. "

Durch k ist ein Anschluss zur nächsthöheren Etage und durch a ein Anschluss zur nächstniederen Etage angedeutet, während S Anschlusstellen für die metallischen Schirme 3,3', 4, i|' usw. kennzeichnen. D₁,, und Dp₁₁ stellen die Distanzen zwischen dem metallischen Schirm *J und den Schirmblechen 1 bzw. 2 dar. Darüberhinaus sind in Fig. 3 noch die resultierenden Sperr- · '■ schichtkapazitäten jeweils einer Baugruppe 8 mit C kenntlich gemacht, i_, bis ip„ sowie i bis i„, stehen als Bezeichnungen für Ströme und U_AK sowie U₁^ sind Spannungen. Mit C^₁ bzw. C₃^ sind die zwischen dem metallischen Schirm 4 und den Schirmblechen 1 bzw. 2 wirksamen Kapazitäten veranschaulicht.

Dem Ersatzschaltbild nach Fig. 3 liegt eine Anordnung mit fünf Etagen (entspr. Fig. 1) zu Grunde, wobei in jeder Etage zwei Baugruppen 8 nach der in Fig. 2b angedeuteten Art angeordnet

209839/0588

- 6 - " 34/71

Jede Baugruppe ist eine kompakte Einheit» bestehend aus z.B. zehn' Halbleiterelementen (Thyristoren) zusammen mit deren Kühlelementen (eventuell eingerichtet für Oelkühlung).

Im stromsperrenden Zustand trit.t lediglich die Sperrschichtkapazität jedes einzelnen Halbleiterelementes in Erscheinung, wobei zur Vereinfachung die resultierende Kapazität C entspre·*' -· chend der Reihenschaltung aller Halbleiterelemente einer Baugruppe betrachtet wird.

Selbstverständlich ist bei der Betrachtung der Fig. 3 zu beachten, dass hier die dreidimensionale Anordnung (Fig. 1) nur zweidimensional dargestellt sein kann. Jedoch wird hier das allgemeine Prinzip der Kompensation und auch der Grundgedanke der Erfindung erkennbar.

Es sei nun angenommen, am gesperrten Halbleiterventil liege eine Gleichspannung von 200 kV. Im statischen Zustand (Gleichspannung) ist diese Hochspannung gleichmässig auf alle Halbleiterelemente verteilt, wobei jedes Halbleiterelement unterhalb seiner kritischen Durchbruchspannung belastet ist.

Gänzlich anders liegen jedoch die Verhältnisse, wenn jetzt eine Stosspannung von z.B. ebenfalls 200 kV zusätzlich an das Halbleiterventil gelangt (möglich ist sogar eine Stosspannung von

209839/0586

2 χ Nennspannung).

Bei dieser dynamischen Beanspruchung, bei der sich ja die Spannung mit einer bestimmten Geschwindigkeit ändert (rr)»

QI

fliesst jetzt ein Strom von der Anode A über die Reihenschaltung aller Sperrschichtkapazitäten C zur Kathode K. Es fliessen aber auch kapazitive Verschiebungsströme i₉, bis i₇₁ von der Anode A über das Schirmblech 2, die einzelnen metallischen Schirme 3 bis 7 und das Schirmblech 1 zur Kathode K.

Infolge der in den Figuren ersichtlichen, erfindungsgemässen Ausgestaltung der metallischen Schirme und der Schirmbleche wird nun erreicht, dass der Strom ip„ (sprich zwei nach sieben) gleich ist dem Strom i₇₁· Ebenso besteht Gleichheit der Ströme ⁱ26 ' ¹Ol' ¹ZS ' ¹Sl' ^ ' Hl ^Sind *23 ' ⁱ3l·

Wie zu erkennen ist, beeinflussen daher diese kapazitiven Verschiebungsströme den über die Sperrschichtkapazitäten C fliessenden Strom in keiner Weise. Demnach hat dieser Strom bei jeder Kapazität C die gleiche Grosse, so dass sich daher auch die Stosspannung völlig gleichmässig auf alle Baugruppen 8 bzw. Halbleiterelemente aufteilt. Nachdem jedes Halbleiterventil für einen Ableiterschutzpegel von z.B. + 2,Ί χ ^UNenn ^di^mensi°ⁿi-^ert wird (Empfehlung siehe Brown Boveri Mitteilungen, Bd. 55), besteht keine Gefahr einer Beschädigung.

209839/058S

- 8 - 3-4/71

Es mag jedoch fraglich erscheinen, weshalb eigentlich diese Schirmbleche 1 und 2 so nahe angeordnet werden, dass sie überhaupt diese kapazitiven Verschiebungsströme verursachen. Dazu ist zu bemerken, dass es in der Praxis wohl kaum erreichbar ist, parasitäre Verschiebungsströme zu vermeiden, da stets Störkapazitäten zwischen den einzelnen Baugruppen und der Erde oder einer Gehäusewand oder einem benachbarten Maschinensatz usw. bestehen. Das hiesse, dass die Grosse z.B. der Ströme ip,, ipji» i?^⁹ ^26 ^unc* ^27 willkürlich von den Umgebungsbedingungen abhinge. Es liesse sich dann aber nicht vermeiden, dass die nicht kompensierten Stromanteile über die Sperrschichtkapazitäten C abfliessen und damit unterschiedliche Spannungsabfälle an den einzelnen Halbleiterelementen verursachen. Das bedeutet, dass sich die Stosspannung von z.B. 200 kV völlig ungleichmässig aufteilt, weshalb die Halbleiterelemente einer oder sogar mehrerer Baugruppen S mehr.als die zulässige Sperrspannung erhalten und beschädigt werden.

Mit der vorgeschlagenen.Anordnung hingegen kann der Einfluss ■ parasitärer Störkapazitäten abgeschirmt werden und die Grosse der kapazitiven Verschiebungsströme ist sehr gut bestimmbar.

Man erkennt in Fig. 3, dass die metallischen Schirme 7,6,5,*! und 3 zunehmend auf höherem Potential gegenüber der Anode A und damit dem Schirmblech 2 liegen. Analog liegen die Verhältnisse

209839/0586

- -9 - 314/71

im Hinblick auf die Kathode.

Am Beispiel der Etage mit dem metallischen Schirm 4 sei noch die Bestimmung der Abstände zwischen diesem Schirm und den Schirmblechen 1 bzw. 2 erläutert.

Der metallische Schirm 4 bildet zusammen mit den Schirmblechen 1 bzw. 2 die Kapazitäten C₁.- bzw. C-j., wobei diese in erster Näherung den Abständen D^₁ bzw. D^ umgekehrt proportional sind (unter der Voraussetzung, dass\ sich gegenüberliegenden Flächenteile von metallischem Schirm und Schirmblech von Etage zu Etage gleich gross bleiben).

Es gilt daher:

Die kapazitiven Verschiebungsströme lassen sich wie folgt be rechnen:

at D₁₁₁

24 * dt ^C24 ⁼ dt DZ

209839/0586

-Es soll I₄ gleich sein I_1n , woraus folgt:

dt D^₁ dt

umgestellt heisst es dann:

?^UHK„. . _D . d (ÜAig-Up*) _n

dt ^ ' dt -⁰Mi

Weil aber die Spannungsverteilung bei der dynamischen Beanspruchung genauso wie im statischen Zustand (ohne Ö ) erf -Igen soll, genügt die vereinfachte Form:

Bei Einhaltung dieser Bedingung ist gewährleistet, dass die kapazitiven Verschiebungsströme kompensiert sind.

In Abwandlung des in Fig. 1 gezeigten Halbleiterventils, könnten die Schirmbleche z.B. mit Trapez- oder dreieckförmigen Flächen ausgeführt werden.

Exakt erweise muss dann berücksichtigt werden, dass die Kapazi-· tat (z,B. c_2i{ ) zwischen metallischem Sehirm und Schirmblech auch von der Grosse der sich gegenüberliegenden Flächenteile abhängt. Es ist dann* genauso wie bei anderen komplizierteren Formen, notwendig, die zwischen metallischem Schirm und den Schirmblechen wirksame Kapazität genau zu berechnen oder zu

209839/0586

- 11 - 34/71

-messen. Das Prinzip der Kompensation bleibt jedoch davon unberührt.

Die Fig. 2a zeigt eine gegenüber der Pig. 2b häufiger anzutreffende Anordnung von Baugruppen. Wie zu erkennen ist, befinden sich vier Baugruppen 8 in jeder Etage, so dass man mit einer geringeren Gesamthöhe auskommt. Der im Inneren ersichtliche Raum kann z.B. den Impulstransformator für die Steuerung der einzelnen Halbleiterelemente enthalten. Der verdoppelten Anzahl Baugruppen entsprechend, sind auch pro Etage zwei metallische Schirme H und H¹ erforderlich. Zu beachten ist jetzt, dass im Gegensatz zu Fig. 2b dem metallischen Schirm h nur jeweils ein Teil der Schirmbleche, nämlich 1 und 2 gegenübersteht, während deren zweite Teile 1' und 2¹ dem metallischen Schirm 4' zugeordnet sind.

Obwohl in den Figuren von einer rechteckigen Konfiguration ausgegangen wird, ist es nicht auszuschliessen, dass auch zumindest teilweise abgerundete metallische Schirme und Schirmbleche ausgeführt werden.

Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest eines der Schirmbleche 1,2 Bestandteil eines das Halbleiterventil umgebenden Behälters, wie etwa eines Oelkessels für ölisolierte und gekühlte Ventile.

Claims (3)

1. . - 12 - .34/7I D

   Patentansprüche

   -I.) Anordnung zur Kompensation von Störkapazitäten an Halbleiterventilen, die aus mehreren Halbleiterelementen bestehen, von denen jeweils einige hintereinanderliegende zu einer Baugruppe zusammengefasst sind und die Baugruppen · etagenweise übereinander liegen, wobei in jeder Etage mindestens zwei Baugruppen angeordnet und alle Baugruppen wendelartig zusammengeschaltet sind, so dass alle Halbleiterelemente eine einzige Reihenschaltung bilden, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder zweiten Verbindungsstelle (S) zwischen den Baugruppen (8) ein metallischer Schirm (3,3', 4,²I¹, 5,5'...) elektrisch leitend angeschlossen ist, der die beiden durch diese Verbindungsstelle zusammengeschalteten Baugruppen nach der Aussenseite des Halbleiterventils ausgerichtet umschliesst, wobei die einzelnen metallischen Schirme elektrisch gegeneinander isoliert sind und dass weiterhin zumindest ein Kathoden- und ein Anodenpotential aufweisendes SchJrmblech (1,1', 2,2') vorgesehen ist,welche Schirmbleche den vorgenannten metallischen Schirmen (3,3',²J,^',....) an der Aussenseite des Halbleiterventils gegenüberliegen, wobei der Abstand von diesen Schirmblechen zu den metallischen Schirmen mit zunehmender Potentialdifferenz p-rösser wird und diese Schirmbleche (1,2) gegeneinander elektrisch isoliert sind.

   BAD ORIGINAL

   2 0 9839/0588

   - 13. - -34/71 D
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände von einem metallischen Schirm (3,3'4,4·...) einerseits zu dem Kathodenpotential aufweisenden Schirmblech (1) und andererseits zu dem mit der Anode verbundenen Schirmblech (2) derart bemessen sind, dass der zwischen einem Sohirmblech und dem metallischen Schirm fliessende kapazitive Verschiebungsstrom (ip?» i_?h...) gleich ist dem Strom (i-»-,» d ij., ...)» der zwischen diesem metallischen Schirm und dem anderen Schirmblech fliesst.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Schirmbleche (1,1'2,2·) Bestandteil eines das Halbleiterventil umgebenden Behälters ist.

   Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

   209839/0586

   JN .

   Leerseife