DE2115636C3 - Anordnung zur Kompensation von Störkapazitäten an Halbleiterventilen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kompensation von Störkapazitäten an Halbleiterventilen, die aus mehreren Halbleiterdementen bestehen, von denen jeweils einige hintereinanderliegende zu einer Baugruppe zusammengefaßt sind und die Baugruppen etagenweise übereinanderliegen, 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-Übertragung bestehen zur Zeit aus einer großen Anzahl in Reihe geschalteter Halbleiterelemente.

Um bei gesperrtem Ventil eine möglichst gleichmäßige Verteilung der anliegenden Hochspannung (Stoßspannung) auf alle Halbleiterelemente zu erw^;rken und dabei den störenden Einfluß der Bauteilkapazitäten gegen Erde zu kompensieren, hat man beim Bekannten eine aus konzentrierten Kondensatoren aufgebaute Kompensationsbeschaltung vorgesehen.

Eine derartige Beschallung für eine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 konstruktiv ausgestaltete Halbleiterventil-Anordnung wird z. B. in der Schweizer Patentschrift Nr. 4 69 396 beschrieben.

Die Beschallung mit sogenannten konzentrierten Kondensatoren weist jedoch erhebliche Nachteile auf, da nämlich einerseits Wickelkondensatoren eine zu tiefe

tu 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 ^r> spannungsabhängige Kapazitätswerte.

Gelangt nun an ein gesperrtes Halbleiterventil der vorgenannten Art 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, eine Lösung zu finden, die die aufgezeigten Nachteile des Bekannten zumindest stark reduziert.

2ϊ Diese Aufgabe wird bei der vorgenannten Anordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an jeder zweiten Verbindungsstelle zwischen den Baugruppen ein metallischer Schirm elektrisch leitend angeschlossen ist, der die beiden durch diese Verbindungsstelle zusammenge-

j» schalteten 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

j") 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 größer 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 eine gleichmäßigere Aufteilung der anliegenden

4^r> Hochspannung auf alle Halbleiterelemente bewirkt wird und die allgemeine Störanfälligkeit der konzentrierten Kondensatoren ausgeschaltet ist.

Da außerdem auch keine obere Grenzfrequenz zu beachten ist, kann auf eine Vordrossel verzichtet

w werden, welche bei einer zum Stande der Technik zu zählenden Anordnung zur Begrenzung der Spannungsanstiegsgeschwindigkei/-rHvorzusehen ist (um die

Grenzfrequenz der Wickelkondensatoren nicht zu überschreiten).

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht.
Es zeigt
Fig. 1 eine vereinfachte, perspektivische Darstellung

bo eines Halbleiterventils,

Fig.2a einen Querschnitt in der Ebene BC nach Fig. 1.

F i g. 2b^einen weiteren, möglichen Querschnitt in der Ebene ßCnach F i g. 1,

b^r> F i g. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines gesperrten Halbleiterventils.

In Fig. 1 ist mit 1, Γ ein kathodenseitiges Schirmblech, mit 2, 2' ein anodenseitiges Schirmblech

und mit A bzw. K ein Anoden- bzw. Kathodenanschluß bezeichnet

Mit den Bezugsziffern 3,4,5,6 und 7 sind metallische Schirme gekennzeichnet Durch die Buchstaben ßund C ist eine Schnittebene markiert, die in F i g. 2a und 2b in Pfeilrichtung betrachtet dargestellt ist

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

In F i g. 2a bedeutet 4' einen metallischen Schirm, der in der gleichen Etage wie der mit 4 bezeichnete angeordnet ist

Mit den Bezugszahlen 8 sind in den F i g. 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 5 Anschlußstellen für die metallischen Schirme 3,3', 4,4' usw. kennzeichnen. D₄I und Eht stellen die Distanzen zwischen dem metallischen Schirm 4 und den Schirmblechen 1 bzw. 2 dar. Darüber hinaus sind in F i g. 3 noch die resultierenden Sperrschichtkapazitäten jeweils einer Baugruppe 8 mit C kenntlich gemacht, /23 bis /27 sowie /3, bis /71 stehen als Bezeichnungen für Ströme und Uak sowie U*k sind Spannungen. Mit Cn bzw. C24 sind die zwischen dem metallischen Schirm 4 und den Schirmblechen 1 bzw. 2 wirksamen Kapazitäten veranschaulicht.

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

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

Im stromsperrenden Zustand tritt lediglich die Sperrschichtkapazität jedes einzelnen Halbleiterelementes in Erscheinung, wobei zur Vereinfachung die resultierende Kapazität C entsprechend der Reihenschaltung aller Halbleiterelemente einer Baugruppe betrachtet wird.

Selbstverständlich ist bei der Betrachtung der F i g. 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 Verhältrisse, wenn jetzt eine Stoßspannung von z. B. ebenfalls 200 kV zusätzlich an das Halbleiterventil gelangt (möglich ist sogar eine Stoßspannung von 2 χ Nennspannung).

Bei dieser dynamischen Beanspruchung, bei der sich ja die Spannung mit einer bestimmten Geschwindigkeit

änderti-rH, fließt jetzt einStrom von der Anode .4 über

die Reihenschaltung aller Sperrschichtkapazitäten Czur Kathode K. Es fließen aber auch kapazitive Verschiebungsströme /23 bis /71 von der Anode A über das Schinnblech 2, die einzelnen metallischen Schirme 3 bis 7 und das Schirmblech 1 zur Kathode K.

Infolge der in den Figuren ersichtlichen, erfindungs-

gemäßen Ausgestaltung der metallischen Schirme und der Schirmbleche wird nun erreicht, daß der Strom /27 (sprich zwei nach sieben) gleich ist dem Strom /71. Ebenso besteht Gleichheit der Ströme jWku hslk\, /WAi sind /23//31.

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 Größe, so daß sich daher auch die Stoßspannung völlig gleichmäßig auf alle Baugruppen 8 bzw. Halbleiterelemente aufteilt. Nachdem jedes Halbleiterventil für einen Abieiterschutzpegel von z. B. ±2,4 χ LJN-cnn dimensioniert wird (Empfehlung siehe Brown Boveri Mitteilungen, Bd. 55,1968, S. 346) besteht ke'ne Gefahr einer Beschädigung.

Es bleibt zu fragen, weshalb eigentlich diese Schirmbleche \ 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 Größe z. B. der Ströme /23, /24, /25, /26 und /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 Stoßspannung von z. B. 200 kV völlig ungleichmäßig aufteilt, weshalb die Halbleiterelemente einer oder sogar mehrerer Baugruppen 8 mehr als die zulässige Sperrspannung erhalten und beschädigt werden.

Mit der vorgeschlagenen Anordnung hingegen kann der Einfluß parasitärer Störkapazitäten abgeschirmt werden und die Größe der kapazitiven Verschiebungsströme ist sehr gut bestimmbar.

Man erkennt in F i g. 3, daß die metallischen Schirme 7, 6, 5, 4 und 3 zunehmend auf höherem Potential gegenüber der Anode A und damit dem Schirmblech 2 liegen. Invers liegen die Verhältnisse 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 Schirrnblechen 1 bzw. 2 die Kapazitäten Gi bzw. C₂₄, wobei diese in erster Näherung den Abständen D41 bzw. D24 umgekehrt proportional sind (unter der Voraussetzung, daß die sich gegenüberliegenden Flächenteile von metallischem Schirm und Schirmblech von Etage zu Etage gleich groß bleiben).

Es gilt daher:

Ö24

Die kapazitiven Verschiebungssliöme lassen sich wii. folgt berechnen:

1U/4K

d(

4K r¹

' <-41 —

t(4 K I

df D,

²⁴ dl ^M d/ D₂₄

Ks soll Z₂₄ gleich sein i₄₁, woraus folgt:

d/ D₄, ~ dl D₂₄

umgestellt heißt es dann:

dL/_4K d(L'_4K - U_4K)

Weil aber die Spannungsverteilung bei der dynamischen Beanspruchung genauso wie im statischen Zustand

(ohne -τ— Jerfolgen 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.

Exakterweise muß dann berücksichtigt werden, daß die Kapazität (z. B. Cm) zwischen metallischem Schirm und Schirmblech auch von der Größe der sich gegenüberliegenden Flächenteile abhängt. Es ist dann, genauso wie bei anderen komplizierteren Formen, notwendig, die zwischen metallischem Schirm und den Schirmblechcn wirksame Kapazität genau zu berechnen oder zu messen. Das Prinzip der Kompensation bleibt jedoch davon unberührt.

Die Fig. 2a zeigt eine gegenüber der Fig. 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 4 und 4' erforderlich. Zu beachten ist jetzt, daß im Gegensatz zu F i g. 2b dem metallischen Schirm 4 nur jeweils ein Teil der Schirmbleche, nämlich 1 und 2 gegenübersteht, während deren zweite Teile Γ und 2' 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 ölkessels für ölisolierte und gekühlte Ventile.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. 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 übereinanderliegen, 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 ^zwischen den Baugruppen (8) ein metallischer Schirm (3,3', 4, 4', 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 Schirmblech (1, Γ, 2, 2') vorgesehen ist, welche Schirmbleche den vorgenannten metallischen Schirmen (3,3', 4,4'...) an der Außenseite des Halbleiterventils gegenüberliegen, wobei der Abstand von diesen Schirmblechen zu den metallischen Schirmen mit zunehmender Potentialdifferenz größer wird und diese Schirmbleche (1, 1', 2, 2') gegeneinander elektrisch isoliert sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände von einem metallischen Schirm (3, 3', 4, 4'...) einerseits zu dem Kaihodenpotential aufweisenden Schirmblech (1) und andererseits zu dem mit der Anode verbundenen Schirmblech (2) derart bemessen sind, daß der zwischen einem Schirmblech und dem metallischen Schirm fließende kapazitive Verschiebungsstrom (hi, in ■ ■ ·) gleich ist dem Strom (k\, '4i...), der zwischen diesem metallischen Schirm und dem anderen Schirmblech fließt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Schirmbleche (1, Γ, 2,2') Bestandteil eines das Halbleiterventil umgebenden Behälters ist.