DE2154283A1

DE2154283A1 - Thyristor Überspannungsschutz schaltung und Schaltelement

Info

Publication number: DE2154283A1
Application number: DE19712154283
Authority: DE
Inventors: D E Piccone; I Somos
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-11-12
Filing date: 1971-10-30
Publication date: 1972-05-18
Also published as: DE2154283C2; FR2119931A1; IT940552B; SE375891B; JPS4710319A; CH557115A; GB1365714A; JPS566224B2; US3662250A; FR2119931B1

Description

Die» Erfindung bezieht sich, allgemein auf eine elektrische Steuoxnmgs- und Schutzschaltung zum Triggern einer gesteuerten schaltoreinrichtung mit relativ hohem Strom und hoher Spannung und vom Festkörpertyp, jeweils dann, wenn der Einrichtung eine Spannung in Durchlaßrichtung von erheblicher Amplitude aufgeprägt wird. Insbesondere betrifft sie eine Triggerungsanordnung zur Gewährleistung einer sicheren Abschaltung einer Anordnung von parallelen Thyristoren im Falle oinoo üborspannungszuütandos.

Dor Ausdruck "Thyristor" i3t eine gonorisclio Bezeichnung für oino Familie von bistabilen Festkürporschaltern einschließlich goatouorton Siliziumgloichrichtorn (SCR). Diese sind

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plxyalkalisch, gekennzeichnet duroh oinon Tx"Ugex*körper aus monokristalxinem Halbleitermaterial zwischen einem paar von metalliscnon stromführenden Iiauptelektroden. Diese werden oi*t als Anodo bzw. Kathode bezeichnet. Jber Halbleiterkörper kann beispielsweise oin dünnes scheibenähnliches Plättchen mit großem Querschnitt umfassen, welches vier Schichten aufweist, die abwechselnd den Loitfähigkeltstyp P und den Leitfähigkeitstyp N besitzen. Dadurch werden zwischen den Hauptelektroden drei gleichrichtende Übergangsbereiche aneinandergronzender P- und N-Schichten gebildet. Gewöhnlich ist das Plättchen mechanisch in einem isolierenden Gehäuse eingeschlossen und ist übei* seine Anode und Kathode elektrisch mit einer äußeren Leistungsschaltung verbunden. Es ist eine geeignete Gattereinrichung (Gitter) vorgesehen, um den Stromdurchgang zwischen diesen Hauptelektroden beim Eintreffen eines vorgegebenen Steuer- oder Triggersignals auszulösen.

Wenn ein Thyristor in Reihe mit einer Verbraucherimpedanz geschaltet ist und einer Spannung in Durchlaßrichtung unterworfen wird (das Anodenpotontial ist dann positiv bezüglich der Kathode), dann wird er gewöhnlich so lange den Durchfluß dee Verbraucherstroma sperren, bis er dadurch getriggert oder gezündet wird, daß an seiner Gitter- oder Gatterelektrode ein Steuersignal oberhalb eines niedrigen Schwellwertes zugeführt wird. Daraufhin schaltet er abrupt aus einem Zustand des hohen Widerstandes zu einem sehr niedrigen Widerstand um, welcher auch als Vorwärtszustand oder Stromdurchlaß zustand (ein) bezeichnet werden kann. Später geht die Einrichtung in ihren gesperrton (abgeschalteten) zustand dann zurück, wenn der durchfließende strom unter einen gegebenen llaltewert verringert wird. In der nachstehenden Beschreibung wird der Hauptstrom, der zwischen Anode und Kathode durch den Thyristor fließt, als Anodenstrom (i) bezeichnot und die Potontialdifferenz zwischen Anode und Kathode wird als Anodenspannung (v) bezeichnet.

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Dor Burchlaßstrom lind, die zulässige Spitzensporrspannung (peak blocking voltage) eines Thyristors werden von dem Hersteller vorgeschrieben. Diese Nennwerte legen unter angegebenen Bedingungen und ohne Beschädigung des Thyristors den maximalen Verbraucherstrom fest, den der Thyristor im eingeschalteten zustand führen kann, und außerdem die maximal anliegende Spannung, der or sicher im ausgeschalteten oder gesperrten zustand widerstehen kann. Hohe Nennströme werden allgemein dadurch erx-eicht, daß Halbleiterplättchen mit relativ großem Querschnitt verwendet werden. Hohe Nennspannungen erfordern relativ dicke Basisschichten (Trägerschichten) in dem Plättchen. Beispielsweise kann ein Thyristor mit einer maximalen DurchlaßstromstUrke von 500 A effektiv und einer wiederholten Spitzensporrspannung von 26OO V bei einer Temperatur des Übergangsbereiches von 100 C ein Plättchen besitzen, dessen Querschnitt etwa 6,25 cm (1 Quadratzoll) beträgt und das eine Dicke von etwa 0,5 ram (0,02 Zoll) besitzt.

Die oben angegebenen Nennwerte und Abmessungen sind ein Beispiel für einzelne Hochleistungsthyx-istoren, die heute handelsmäßig verfügbar sind. Diese Nonnwerte sind immer noch sehr viel niedriger als die Nennwerte, welche für Anwendungszweclce mit sehr hohen Schalt 1 eistungen erforderlich sind. Eine solche Anwendung liegt auf dem Gebiet der Hochspannungs-Gleichstromübertragung, bei der eine Vielzahl von steuerbaren elektrischen Ventilen (valves) untereinander verbunden und so angeordnet sind, daß sie einen Hochstromwandler (converter) (Konverter) zur Steuerung des Hauptteils der elektrischen Leistung zwischen den Gleichstromabschnitton und den Wechselstromabschnitten eines Hochspannungs-Leistungsübertragungssystems bilden. Es können beispielsweise bis zu 2000 A von oinoni dieser Umwandlerventile in ihroiii eingeschalteten Zustand übernommen werden und im abgeschalteten Zustand können über dom Ventil weit über

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20 000 V anliegen. Um einen Festkörpergleichrichter (-Ventil) dieser Größe herzustellen, muß eine Vielzahl von Anordnungen von parallelen Thyristoren in Reihe untereinander verbunden und gemeinsam betrieben werden.

Während der zyklisch wiederkehrenden Intervalle, in denen sich das oben erwähnte Konverterventil (-Gleichrichter) (valve) im gesperrten oder abgeschalteten Zustand befindet, !«.eigen der Gleichrichter und seine zugehörigen Bauteile· zu einer Beschädigung durch außergewöhnlich hohe Spannungsstöße, die durch eine Vielzahl der verschiedensten zeitwei-

f ligen oder voz'üb ergehend en Phänomene erzeugt werden können. Beispielsweise kann dies geschohen durch Blitzschläge, Überschläge oder einen Defekt der Kommutierung des inverters. Gewöhnlich werden Überschlagssicherungen verwendet, um vorübergehende Überspannungen zu xinterdrücken und in harmloser Weise abzuleiten. Es wird jedoch als unpraktisch und unzweckmäßig betrachtet, sich nur auf solche Überschlagssichorungen für den Schutz von Festkörperventilen zu verlassen, wenn diese abnormen Spannungsstößen in Vorwärtsrichtung ausgesetzt sind. Weiterhin wird gewöhnlich die Überschlags sicherung über die ganze Gleichrichtereinrichtung geschaltet, und es besteht keine Garantie dafür, daß jeder einzelne Thyristor der Gleichrichtereinrichtung nicht einzeln einer übermäßigen Spannung unterworfen wird. Im US-Patent Nr. 2 585 796 wurde bereits ein System für Überspannungsschutz angegeben, bei dem der Steuerelektrode der Gleichrichtereinrichtung ein Zündsignal zugeführt wird, sobald ein Anstieg einer Anodensx^anntuig in Durchlaßrichtung orfaßt wird. Dadurch wird der Gleichrichter selbst eingeschaltet, bevor diese Spannung einen zerstörend hohen Wert einnimmt.

Dieses letztere System ist besonders vorteilhaft bei einer Festkörpergloichrichtereinrichtung der hier in Betracht

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gezogenen Art. Wenn der Gatterelektrode eines Thyristors kein Triggersignal zugeführt wird und man gleichzeitig zuläßt, daß die Anodenspannung auf einen kritischen Wert oberhalb des Nennwertes dor Spitzensperrspannung in Durchlaßx-ichtung ansteigt, dann wird der Thyristor sich infolge eines Spannungsdurchbruchs (breakover) einschalten« Diese Art des Einschaltens, welche durch einen Lawinendurchbruch, einen Durchschlag oder einen übermäßigen Leckstrom oder Kriechstrom verursacht werden kann, ist ein in dem Gebiet der Thyristortechnik bekanntes Phänomen. Es ist ebenfalls bekannt, daß die normalen di/dt-Fähigkeiten von konventionellen Hoohspannungsthyristoren (d.h. von Thyristoren mit Spitzensperrspannungen oberhalb 1500 V) ernsthaft verschlechtert werden, wenn sie in dieser Art eingeschaltet werden.

Die di/dt-Fähigkeit eines Thyristors bezieht sich auf die maximale anfängliche Anstiegsgeschwindigkeit des Anodenstroms in Durchlaßrichtung (Neigung der Einschaltstromkur ve), welche der Thyristor ohne dauernde Beschädigung aufnehmen kann bei dem schalten vom gesperrten zum voll strom— durchlässigen Zustand. Der maximal zulässige Wert von di/dt während eines einzigen vorübergehenden Spannungsdurchbruchs und auch während des 60 Hz-Betriebes des Thyristors wird bestimmt durch den örtlichen Temperaturanstieg des anfänglich eingeschalteten Bereichs auf dem Halbleiterplättchen.

Im Falle eines spannungsdurohbruchs beginnt der Stromdurchgang in einem relativ kleinen Bereich des Thyristors und die angologto Spannung ist sehr hoch. Wenn der Durchbruchsvor-/;ang beginnt, ist die Spannung übor dem Thyristor gleich dom Durchbruchawert und verringert sich anschließend in einor kurzen Zeit (d.h. 1 Mikrosekunde) auf einen Wert in Größenordnung von 50 bis 100 V und dann noch allmählicher.

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mit der progressiven Ausbreitung des strontdurchlassenden Bereichs über das ganze Halbleiterplättchen auf einen niedrigen stationären Anodenspannungsabfall in Durchlaßrichtung. Solche hohen Anfangsspannungen führen zu einer sehr hohen momentanen Wärmeerzeugung durch die elektrische Leistung vi und zu einem hohen örtlichen Temperaturanstieg· Um zu verhindern, daß diese Wärmeerzeugung eine zulässige Grenze übersteigt, muß während des EinschaItvorgangs der Anodenstrom auf relativ geringe Worte begrenzt werden. D.h. der Anfangswert der Größe di/dt muß gering sein. Dieses Problem wird noch verschärft bei Hochstromthyristoren mit großer Fläche, da die Kapazität des Übergangsbereichs einer solchen Einrichtung relativ hoch ist und beim Triggern die schnelle Entladung derselben zu einer merklichen Anfangs— Stromkomponente beiträgt. Diese wird jedoch nicht irgendwie abgeschwächt durch irgendeine für die Begrenzung der Größe di/dt in der äußeren Verbraucheratrumschaltung eingefügten Induktivität.

Zu einem gewissen Grade wird das vorstehende Problem etwas gemildert durch Ver\irendung eines verbesserten Thyristors gemäß US-Patent 3 ^08 5^5 oder durch das Vorhandensein einer Schutzschaltung, die so angeordnet ist, daß sie bei einem Überspannungszustand ein starkes Triggorsignal an die Gattereinrichtung eines konventionellen Thyristors abgibt. Dadurch wird der Thyristor in seinem Gattersteuerungsbetrieb eingeschaltet, bevor die zugeführte Spannung einen zerstörend hohen Wert erreicht. Beispiele für solche Schutz— schaltungen sind beschrieben in den US-Patenten 3 b2k 9^8 und 3 ^87 261.

Zur Konstruktion oder Herstellung eines IIochspannungs-Festkörperventils oder Gleichrichtorsyatoms mit einem vorgegebenen Nennwert der Spitzensperrspannung ist es selbstverständlich vom Standpunkt geringer Kosten und eines hohen

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Wirkungsgrades im Betrieb erwünscht, eine möglichst geringe Zahl von Thyristoren in Reihe zu verwenden. Dabei sollte dann jeder Thyristor individuell so konstruiert 3ein, daß er in seinem gesperrten Zustand einem Spannungswert in einer irgendwie praktisch erreichbaren Höhe widersteht. Wie jedoch zuvor ausgeführt, erfolgt jedoch beim Einschalten eines Ventils oder Gleichrichtersystems infolge eines Spannungsstoßes in Durchlaßrichtung bei einer relativ hohen Spannung über einer der Gleichrichterstufen eine unerwünschte Verringerung des Wertes von di/dt, welchen die Thyristoren auf dieser Stufe ohne Beschädigung aufnehmen können. Ein ausreichender Sicherheitsfaktor in dieser Beziehung kann die Anwendung von einer größeren Zahl von Thyristoren in Reihe erfordern als im Hinblick auf andere Bedingungen benötigt werden.

Die Notwendigkeit zur Verfügungstellung von zusätzlichen Thyristorstufen bei einem Hochspannungsventil oder Gleichrichteranordnung kann zu einem gewissen Grade durch bestimmte andere bisher vorgeschlagene Lösungswege in den verschiedensten Kombinationen abgeschwächt werden. XJm eine praktisch gleichmäßige Verteilung der Gesamtventilspannung über die einzelnen Thyristoren im Falle eines stell ansteigenden Spannungsstoßes beizubehalten, können zusätzliche Abstufungskondensatoren (grading) verwendet werden. XJm die auf die gesamte Ventilanordnung aufgeprägte Gesamtstoßspannungsbelastung zu mildern, kann der zugeordnete Überschlagschutz so konstruiert werden, daß er eine erhöhte Arbeitsgeschwindigkeit oder Ansprechgeschwindigkeit besitzt. Die An3tiogsgeschwindigkeit dor Stoßspannung selbst kann begrenzt oder abgeschwächt worden mit Hilfe einer zusätzlichen Induktivität in den Hauptstromleitungen, welche die jeweiligen Ventilanordnun^en des Konverters mit den Hochspannungsanschlüsson der Konvei'torstation verbinden. Die Geschwindigkeit, mit der sich beim Triggern eines Ventils

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der Verbraucherstrom erhöht, kann durch in Reihe geschaltete Reaktoren begrenzt werden*

Alle die bekannten Lösungen für die aufgezeigten Probleme haben jedoch ernsthafte Nachtelle* Venn zusätzliche oder größere Hilf Bicomponent en erforderlich sind, ergibt sich eine damit einhergehende Steigerung der Herstellungskosten, des Platzbedarfs und auch der Kosten für die gesamte Installation. Außerdem erhält man eine Erhöhung der Verluste an elektrischer Leistung, d.h. eine Verringerung des Wirkungsgrades im Betrieb.

Weiterhin ist festzustellen, daß die besonderen Schutzschaltungen, die bisher zur Triggerung der Ventilanordnung selbst verwendet wurden, bei Auftreten einer vorübergehenden Überspannung alles andere als in idealer Weise wirksam sind, insbesondere für Ventilanordnungen mit sehr hohem Strom, bezüglich der Aufnahme eines sehr hohen Wertes von di/dt und der Reduzierung der Anzahl von in Reihe miteinander verbundenen Thyristoren, die für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb bei irgendeinem vorgegebenen Spitzennennwort der Sperrspannung erforderlich sind.

Es ist daher eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfind'uig, zum Schutz von Thyristoren segen übermäßige Überspannungen ein Triggersystom zu schaffen, welches die Nachteile der vorbekannten Anordnungen überwindet und besondors gut geeignet ist zur Verbesserung der Arbeitsweise und Verringerung der Kosten für eine elektrische Leistungswandleranordnung, deren Hauptschaltoz'bauteile Fostkörperventile für hohe Spannung und hohen Strom umfassen.

Es ist ein weiteres Ziel dor Erfindung, ein vorbessortas Überspannung3-Tricgorungsf3ystGm zu schaffen, mit dom eine

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Anordnung von parallelen Thyristoren sowohl geschützt als auch gesteuert wird.

In einer Ausführungsform der Erfindung liegt im Nebenschluß zu einem Hauptthyristor oder einer Gruppe von parallelen Thyristoren eine Schutzschaltung, die .so konstruiert und angeordnet ist, daß sie drei Funktionen ineinandergreifend ausführt: (1) abrupt von einem normalen Zustand hohen Widerstandes zu einem stromdurchlässigen Zustand mit niederem Widerstand umschaltet mit hoher Ansprechgeschwindigkeit, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung auf dem Hauptthyristor auf einen Überspannungswert in einem vorgewählten Bereich ansteigt, der sich zwischen der normalerweise zugeführten Spitzensperrspannung in Durchlaßrichtung und der Durchbruchsspannung derselben erstreckt, (2) es wird sofort oin Triggersignal der Gattereinrichtung des Hauptthyristors zugeführt und daraufhin der Hauptthyristor schnell eingeschaltet durch einen scharfen Gatterimpuls (-stoß) (sharp gate punch) und (3) das Triggersignal wird während eines Zeitintervalls aufrechterhalten, das merklich langer ist als die Mindestzeit, die zur Einschaltung des Hauptthyristors oder des zuerst eingeschalteten Thyristors einer parallelen Gruppe erforderlich ist. Vorzugsweise umfaßt diese Schutzschaltung eine Überspannungsdetektor- und Schaltereinrichtung in Reihe mit Energiespeichereinrichtungen, wobei der Verbindungspunkt zwischen diesen beiden an die Gattoreinrichtung des Hauptthyristors gekoppelt 1st. Die Überspannungsdetektor- und Schaltereinrichtung kann eine Hilfsschaltereinrichtung umfassen, die durch Überspannung gotriggert wird oder vorzugsweise eine Vielzahl solcher liloraonte in Reihe und die Enorgiespeicheroinrichtung umfaßt oinon Induktor in Reihe mit einem Kondensator. Wenn einmal die Hilfselemente in ihren stromdurchlässigen Zustand schul ton, dann bricht die Vorspannung über dem parallelen Hauptfchyriütox· in Durchlaßrichtung auf einen relativ

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niedrigen Wert zusammen und der letztere kann sicher und ohne Schaden einschalten mit einem sehr hohen Wert von di/dt. Danach wird der Verbrauchers tr Qtn von den Hilfsschaltereletnenten umgeleitet zu dem Hauptthyristor, welcher für diesen Strom einen Weg mit einem niedrigeren Widerstand bietet. Die einzelnen Hilfselemente können sehr kleine Einrichtungen sein und werden jeweils eingeschaltet, wenn an ihnen jeweils eine Vorspannung in Durchlaßrichtung vorhanden ist, die nur einen Bruchteil der vorgenannten Überspannungsamplitude beträgt. Daher können sie wegen ihres kurzen Stromdurchlaßintervalls bei Umgebungstemperatur arbeiten. Daher werden diese Elemente selbst einen sehr hohen Wert für di/dt ertragen. Die Energiespeichereinrichtung der Schutzschaltung dient als eine Stromquelle, welche einmal die Hilfselemente abschaltet oder sperrt und weiterhin Triggersignale liefert, nachdem der erste Hauptthyristor eingeschaltet ist. Dadurch wird eine erfolgreiche Triggerung irgendwelcher weiterer Thyristoren gewährleistet, die parallel dazu geschaltet sein können.

Indem entsprechend eine Vielzahl von Schutz schaltungen entsprechend der oben zusammengefaßt erläuterten Schaltung parallel zu den verschiedenen Ebenen (stufen) einer Reihe von Hauptthyristoren geschaltet wird, die in Reihe miteinander zur Ausbildung eines Festkörperventils für hohe Spannung verbunden sind, wird jede Stufe des Ventils schnell und mit Sicherheit eingeschaltet, wenn eine ernsthafte vorübergehende Überspannung in Durchlaßrichtung auftritt, bevor die Spannung eine zerstörerisch hohe Amplitude erreicht. Diese Schutzschaltungen führen auch zuverlässig eine "Back-up"-Triggerfunktion (Reserve-) im Falle eines abnormen Spannungsaufbaus auf irgendeiner Stufe infolge eines Vorsagens der regulären Triggereinrichtung, welche zu dieser Stufe gehört, aus. Weitox'hin können in Gleichstromzerhackern,

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Impulsmodulatoren, Invertern oder ähnlichen Einrichtungen solche Schaltungen gewünschtenfalls verwendet werden, um ausgewählte Triggerschaltungen zu ersetzen, die normalerweise vorgesehen sind zur gleichzeitigen Steuerung der entsprechenden stufen des Ventils. Oder ein Hilfsschalterelement in der Schutzschaltung selbst kann eingeschaltet werden durch ein konventionelles Steuersignal in einer Pilöttriggeranordnung (pilot triggering arrangement).

Ein besseres Verständnis der Erfindung und weiterer Aufgaben und Vorteile ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung einzelner beispielhafter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Fig. 1 ist eine schematische Schaltzeichnung eines elektrischen Leistungskonverters, in dem Hochspannungs-Pestkörperventilanordnungen unter Vorwendung der Erfindung vorteilhafterweise verwendet werden können·

Fig· 2 ist eine schematische Schaltzeichnung einer Reihenschaltung von doppelt vorhandenen Thyristorreihen (panels), die eines der sechs elektrischen Ventile bilden, welche in Blockform in Fig· 1 dargestellt sind.

Fig· 3 ist eine schematische Schaltzeichnung einer Hoch— strom-Schaltermatrix, die in einer der in Fig. 2 in Blockform gezeigten platinen (reiterative panels) vorhanden ist.

Fig. k ist eine schematische Schaltzeichnung einer Anordnung von parallelen Thyristoren, die eine doi* vier Stufen dor in Fig. 3 symbolisch dargostellton Matrix umfassen und eino Ausführungsform der Schutzschaltung gemäß der Erfindung bilden.

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Fig. 5 ist eine Zeitkurve bestimmter Spannungen und Ströme

in der Schaltung nach Fig. 4 während ihres Betriebes.

Fig. 6 ist eine Teildraufsicht eines verbesserten durch

Überspannung getriggerten Halbleiterelementes, das in der Schutzschaltung nach Fig. 4 verwendet werden kann .

Fig. 7 ist eine Aufsicht, teilweise im Schnitt, des Elementes nach Fig. 6.

Fig. 7A und 7D sind Teilaufsichten zweier abgeänderter For-

men des Elementes nach Fig. 7«

Die Figuren 1 bis 3 sind aufgenommen zur Veranschaulichung einer praktischen Anwendungsform eines Überspannungs-Trig— gersystems gemäß der Erfindung. Fig. 1 ist eine schematische Schaltzeichnung einer statischen Hochspannungs-Lei-' stungskonverteranlage, die einen Leistungstransformator in Kombination mit einer Wechselstrom/Gleichstrom-Brücke umfaßt. Der Transformator besitzt einen Satz 11 von drei in Sternschaltung verbundenen Wicklungen, die induktiv mit einem anderen Satz Wicklungen (nicht gezeigt) gekoppelt sind, welche ihrerseits so eingerichtet sind, daß sie mit den jeweiligen Phasen eines DxOiphasen-Wechaelspannungs— kraftsystems verbunden werden können. Die Wicklungen des dargestellten Satzes 11 sind jeweils verbunden mit den Wechselstromanschlüssen a bzw. b bzw. c der Drücke, welche

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sechs identische gesteuerte Ventilanordnung/1, 2, 3, ^, und 6 besitzt, die in einer Dreiphasen-Doppelwog-sechs— Impulsanordnung (six-pulse) angeordnet sind. Daher sind die Kathoden der ungeradzahligen Ventile gomeinsam mit einem oberen Gleichstromanschluß d der Brücke verbunden und die Anoden der geradzahligen Ventile sind gemeinsam mit dem anderen Gleichstromanschluß e verbunden. Mit Hilfe

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der Glöichstromanschlüsse d und. e wird die dargestellte Brücke gewünschtenfalls in Reihe mit anderen ähnlichen Brücken odor mit einer Hochspannungs-Gleichstromübertragungsleitung oder ähnlichem verbunden.

Durch zünden der sechs Ventile nach Fig. 1 in der durch die ziffern angegebenen Reihenfolge in Intervallen von 60 Phasenwinkel kann die an den Wechselstromanschlüssen zugeführte Wechselspannung mit drei Phasen gleichgerichtet werden, d.h. sie wird in eine Gleichspannung umgewandelt. Die mittlere Amplitude der gleichgerichteten Spannung zwischen den Gleichstromanschlüssen d und e beträgt ein Maximum, wenn der Zündwinkel der Ventile null ist. Durch Erhöhen des Zündwinkels auf beinahe 90 kann die Gleichspannung auf null verringert werden. Noch größere Zündwinkel werden verwendet, wenn die Brücke in ihrer Betriebsart als Inverter arbeitet. Zu diesem Zeitpunkt ist das Potential des Anschlusses d negativ bezüglich des Anschlusses e und die an diesen Anschlüssen zugeführte elektrische Gleichspannungsleistung wird durch die Brücke in Dreiphasen-Wechselspannungsleistung umgewandelt.

Wenn jedes der Ventile nacheinander gezündet wird, schaltet es um in den eingeschalteten zustand, in dem es so lange den Verbraucherstrom in der Vorwärtsrichtung frei durchlassen kann, bis es später durch die Kommutierung der Spannung auf der Leitung abgeschaltet wird. Es bleibt dann so lange gesperrt, bis es eine Periode später wieder gezündet wird. Während verschiedener Zoiten in den abgeschalteten oder nicht-leitenden Intervallen muß das Ventil hohen Spitzenspannungen widerstehen, welche ihm das zugeordnete Loistungaayetem normalerweise aufprägt. Weiterhin kann oin Ventil in seinem gesperrten zustand abnormen Spannungsiitoßon untorworfon werden infolge vorübergehender Phänomene, wie z.B. boi Blitzschlagen odor bei einem Überschlag an den

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Anschlüssen (bushings). Um eine Beschädigung des Ventile infolge übermäßig hoher Sperrspannungen in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung zu verhindern, werden gewöhnlich Einrichtungen zur Unterdrückung von Spannungsstößen verwendet. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist über jede Ventilanordnung in der dargestellten Brücke ein Uberschlagsschutz 12 geschaltet.

Konventionelle Überschlagsschutzeinrichtungen arbeiten relativ langsam und im Falle eines sehr schnell ansteigenden Spannungsstoßes in Vorwärtsrichtung können sie möglicherweise ein Festkörperventil nicht ausreichend schützen« Aus diesem Grunde ist bisher vorgeschlagen worden, die maximale Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung an den Ventilen dadurch zu verringern oder abzuschwächen, daß Induktoren 13 zwischen die Transformat or ans chluß klemmen (nicht gezeigt) für die Wicklungen 11 und die entsprechenden Wechselstromanschlüsse a, b und c der Brücke geschaltet werden und zusätzliche Induktoren 14 und 15 zwischen die Wandanschlußklemmen für die Gleichstromanschlüsse d und e der Brücke und die jeweiligen zugehörigen Ventile geschaltet werden.

Die Gleichspannungsbelastungsfähigkeit der Brücke nach Fig. hängt ab von der einzelnen Spannungsbelastung jedes Ventils* Fig. 2 zeigt das erste Ventil 1, welches ersichtlicherweise eine Reihe von mindestens zwei Thyristorpaletten oder -platinen (panels) 20- und 20 umfaßt, die sich zwischen den Anschlüssen a und b erstrecken. Jede Thyristorpalette besitzt eine vorgegebene Spannungsfestigkeit, und die Nennspannung des Ventils ist daher ein Vielfaches dieser Spannungsfestigkeit. Wie nachstehend beschrieben, enthält jede palette oin Widerstandskondensatornetzwex'k mit dem Zweck, eine gleichmäßige Spannungsaufteilung sowohl während des stationären Zustandes als auch während vorübergehender

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Zustände zu gewährleisten. Trotzdem besteht beim Aufprägen eines starken Spannungstoßos in Durchlaßrichtung auf das gesamte Ventil eine Tendenz für eine Anhäufung der Spannung an der palette oder an den Paletten an einem Ende des Ventils· Um das Risiko einer Beschädigung infolge einer übermäßig hohen Spannung über irgendeiner einzelnen Palette auf ein Minimum zu bringen, wurde daher bisher vorgeschlagen, parallel zu den Paletten Abstufungskondensatoren hinzuzufügen. Daher ist üb ex¹ den Anschlüssen a., und d. der Palette 20 ein Kondensator 21 gezeigt und andere Kondensatoren können in entsprechender Weise über die übrigen Paletten des Ventils geschaltet werden.

Jede der Thyristorpaletten, welche das Ventil nach Fig. bilden, ist ihrerseits aufgebaut aus einer oder mehreren Hochstromschalterschaltungon oder Matrizen 30. Weitere Einzelheiten einer solchen Matrix sind in Fig. 3 gezeigt. Eine Schaltermatrix 30 umfaßt eine Kommutierungsschaltung und Schaltung zur Unterdrückung von vorübergehenden Vorgängen in Reihe mit mindestens einem Abschnitt oder einer Stufe von Thyristoren.

Die Matrix 30 ist ein Grundmodul oder ein Baustein des Festkörperventils· Sie kann allein oder in Reihe mit der erforderlichen Anzahl wiederholt aneinandergefügter Matrizen verwendet werden, welche zum Aufbau eines Ventils mit der erwünschten Nennspannung erforderlich sind. Die Hauptsohaltungen der Matrix nach Fig. 3 können aufgebaut sein entsprechend der technischen Lehre der US-Patentschrift 3 ^23 66k und sie beinhalten auch gewisse Verbesserungen, die in der US-Patentanmeldung Nr. 888 432 vom 29. Dezember 1969 von der gleichen Anmelderin hinterlegt sind. Diese beiden Literaturstellen ergeben ein besseres Verständnis der vollständigen Arbeitsweise einer Matrix 30.

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Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Matrix 30 vier Ebenen 41, 42, 43 und 44 von Thyristoren umfaßt, die in Reihe mit einem Hauptinduktor 45 mit Sättigungekern zwischen einen Anodenanschluß 46 und einen Kathodenanschluß 47 geschaltet sind· Selbstverständlich kann gewünschtenfalls eine kleinere oder größere Zahl von Stufen verwendet werden· Jede Stufe umfaßt mindestens einen Hochleistungsthyristor mit einem vorgegebenen Nennwert der Spitzensperrspannung in Durchlaßrichtung, beispielsweise 2000 V. Um eine gute Aufteilung der Spannung im stationären Zustand und bei vorübergehenden Zuständen auf die jeweiligen Stufen der Matrix zu erreichen, liegt im Nebenschluß zu diesen Stufen ein RC-Netzwerk 48. Die Thyristoren in den vier Stufen

bis 44 sind so angeox'dnet, daß sie einen Durchgang des konventionellen Stroms durch die Matrix vom Anschluß 46 zum Anschluß 47 gestatten, wenn sie alle zu dem stromdurchlässigen zustand in Vorwärtsrichtung gezündet sind.

Wenn der erwünschto Nennwert des Stroms für die Matrix (beispielsweise 2000 A effektiv) den maximalen Nennstrom in Durchlaßrichtung für einen einzelnen Halbleiter aus Silizium übersteigt, dann kann Jede Thyristorstufe durch Verbindung von zwei oder mehreren dieser Elemente parallel zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse gebildet werden oder durch die elektrische Parallelschaltung von räumlich getrennten Thyristoren. In einer solchen parallelanordnung sind die jeweiligen Elemente oder Einrichtungen so auszuwählen, daß sie sich gleichzeitig einschalten, und praktisch gleiche Anteile des gesamten Matrixstroms durchlassen. Ein verbesserter Thyristor, der sich sehr gut für diese Zwecke eignet, wird beschrieben im US-Patent 3 489 962* Für den Fachmann 1st ersichtlich, daß der Zweck der Darstellung der einzelnen Stufen 4i bis 44 in Fig. 3 mit einem einzigen Gleichrichtorsystem mit doppelten Gitterelektroden darin besteht, eine Anordnung mit doppolten Thyristoren für

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besonders hohe Stromstärke darzustellen, die in der Lage ist, gleichzeitig aus dem Sperrzustand in Vorwärtsrichtung in zustände mit praktisch gleichem Stromdurchlaß zu schalten.

Um die Matrix 30 in den Schaltzustand für den Stroradurchlaß zu bringen, werden die Thyristoren in ihren verschiedenen Stufen 41 bis 44 gleichzeitig dadurch getriggert oder gezündet, daß ihren jeweiligen Gitteranordnungen Steuersignale zugeführt werden, während die Anoden- und Kathodenanschlüsse 46 und 47 der Matrix eine Spannung für Durchlaßrichtung besitzen. Die erforderlichen Steuer- oder Triggersignale können aus irgendeiner geeigneten Quelle erhalten werden· Wo diese Signale die Form von Gitterstromimpulsen besitzen, ist es bequem, eine äußere Gattertreiberschaltung (nicht gezeigt) zu benutzen, die zugeschaltet wird durch die Biockierungsspannung über der örtlichen Matrix, mit der sie über die Anschlüsse 31 und 32 verbunden ist. Sie wird so angeordnet, daß sie periodisch auf Abruf an die Steueranschlüsse 49 der Thyristoren der jeweiligen Stufen 41 bis 44 Stromimpulse kurzer Dauer und mit steiler Vorderflanke liefert.

Obwohl sie alle gleichzeitig gezündet werden, können sich in Wirklichkeit einige der Stufen 41 bis 44 der Matrix geringfügig schneller einschalten als die anderen. Xn diesem Falle ermöglicht es das Spannungsteilernetzwerk 48 im Nebenschluß, daß der Einschaltvorgang so lange erfolgreich weiter abläuft, bis sogar die unterste Stufe den vollen Stromdurchlaßzustand erreicht hat. Wie in Fig. 3 gezeigt, umfaßt das Nobonschlußnetzwerk 48 vier für gleichmäßige Spannungsverteilung vorgesehene Unterschaltungen 51» 52, 53 und $h mit Widerstand und Kondonsator in Reihe, die über die vier Stufen dor* Thyristoren 4i, 42, 43 und 44 jeweils geschaltet oind. Der gemeinsame Vorbindungspunkt der Unterschaltungen 51 und 53 ist verbunden mit dem gemeinsamen

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■Verbindungspunkt der Thyristorstufen 41 und 43 durch, einen Induktor 50 mit Sättigungskern, und der gemeinsame Verbindungspunkt der Unterschaltungen 52 und $k ist in gleicher Weise mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Thyristorstufen 42 und 44 verbunden. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Unter schaltungen 51 und 52 ist verbunden mit dem Verbindungspunkt eines Paars von Rückkopplungsdioden 35 und 56. Diese können erwünschtenfalls in Reihe zu weiteren paaren von Dioden liegen und überbrücken den Hauptinduktor 45 der Matrix. wie im einzelnen in der obengenannten US-Patentanmeldung beschrieben, kann ein Kondensator 57 über einen vorgewählten Teil des Gesamtwiderstandes der aneinandergrenzenden Unterschaltungen 51 und 52 verbunden werden, um die Reihenfolge zu steuern, in der die jeweiligen Thyristorstufen 41 bis 44 eingeschaltet werden, wenn an der Matrix eine abnorm hohe Stoßspannung in Durchlaßrichtung mit steiler Vorderflanke eintrifft. Xn diesem Falle werden die Stufen 43 und 44 einen unverhältnismäßig hohen Anteil des Spannungstoßes erhalten und werden daher zuerst einschalten. Daraufhin verhindern die Induktoren 50 ein übermäßig hohes di/dt in diesen Stufen und bewirken ebenfalls eine sichere dv/dt-Triggorung der zuletzt eingeschalteten Stufen 41 und 42.

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Wie aus Fig. 3 ersichtlich, liegt im Nebenschluß zu dem Hauptinduktor 45 mit Sättigungskern der Matrix 30 ein paar von Widerständen R1 in Reihe mit der Parallelkombination der Rückkopplungsdioden 55 und 56 und einer Unterkombination, die einen HiIfsinduktor 60 mit Sättigungskern in Reihe mit einem weiteren Widerstand 61 umfaßt. Die Hauptfunktion dieses Satzes von Bauteilen besteht darin, solche KoDUnUtIe" rungsstoßθ zu unterdrücken, die am Beginn einer Kommutie— rungsperiode erwartet werden können, wenn alle Matrizen in dem Ventil in ihre Durchlaßzustände umgeschaltet haben. Die Arbeitsweise dieser Schaltung wird im einzelnen in dem

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zuvor genannten Patent beschrieben. Die Grüße und die Kosten für den Hauptinduktor wurden verringert und der Wirkungsgrad der Schaltung wurde erhöht dadurch, daß ein Hilfsinduktor 60 mit einem Sättigungskern vorgesehen wird, welcher sich nach der Triggerung der Thyristoren der Matrix und vor dem Deginn der Sättigung des Induktors 45 zu sättigen beginnt.

Die bisher nach Pig. 3 beschriebene Matrix gehört zum Stand der Technik und ebenso die zugeordnete Gattertreiberschaltung, welche gleichzeitig periodische Triggersignale an die entsprechenden Sätze von Steueranschlüssen 49 liefert. Jede Stufe der Matrix ist weiterhin mit einer Überspannunge-Triggerungsschaltung 70 ausgestattet, die zu der vorliegenden Erfindung gehört. Die Einzelheiten einer bevorzugten Ausführungsform einer solchen Stufe (43) sind schematisch in Fig. 4 wiedergegeben.

Es ist ersichtlich, daß die bestimmte stufe oder der Abschnitt der Schaltermatrix nach Fig. 4 ebenfalls vier einzelne Hauptthyristoren 71» 72, 73 und 7^ umfaßt, deren entsprechende Hauptelektroden unmittelbar miteinander verbunden sind zur Ausbildung einer parallelen Anordnung von gleichgepolten Einrichtungen. Jeder dieser vier Hauptthyristoren ist eine Hochleistungsanordnung mit relativ großen Abmessungen. Beispielsweise kann jeder Thyristor ein zylindrisches Isolatorgehäuse besitzen, dessen Außendurchmesser et'·· 5 cm (2 Zoll) beträgt und dessen axiale Länge etwa 2,5 ^c;"' (1 zoll) beträgt. Alle vier Thyristoren 71 *>is 74 können räumlich in einer einzelnen Druckanordnung angebracht sein, wobei ihre jeweiligen Anoden und Kathoden fest zwischen massiven Metallteilen verklammert sind, die als elektrische und thermische Leiter dienen und schematisch bei 75 und 76 in Fig. 4 gezeigt sind. Der Leiter 75 stellt eine gemeinsame Wärmesenke benachbart zu den Anoden dieser Einrichtung

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dar und der Leiter 76 stellt eine andere gemeinsame Wärmesenke benachbart zu den Kathoden dar. Durch diese Leiter sind die Elektroden jedes Thyristors so eingerichtet, daß sie in einer elektrischen Leistungsschaltung verbunden werden können, beispielsweise in dem vorbeschriebenen Hochspannungsventil 1 und daß bei einer solchen Schaltverbindung jeder Thyristor periodisch einer Spannung für Durchlaßrichtung unterworfen wird·

Jeder der Haupt thyristoren 7I bis 74 ist mit Gattereinrichtungen versehen zur Einschaltung des Thyristors, wenn ein

W brauchbares Steuersignal zugeführt wird bei Anwesenheit einer Durchlaßspannung an den Hauptelektroden. Obwohl diese andere Formen annehmen könnte, wie sie an sich bekannt sind, ist die Gattereinrichtung in Fig. 4 symbolisch zur Darstellung als eine steuerelektrode gezeigt, die auf einen Gatterstromimpuls geeigneter Polarität, Amplitude und Dauer anspricht. Die Steuerelektroden aller vier Thyristoren TΛ bis 7k sind über Gleichverteilungswiderstände 81, 82, 83 und 84 (equalizing resistors) leitend an den zugehörigen Satz von Steueranschlüssen 49 gekoppelt, welche periodisch mit einem Triggersignal von einer äußeren Gattertreiberschaltung versorgt werden. Daher sind die jeweiligen Gatterelektroden so angeordnet, daß sie das gleiche Triggersignal miteinander teilen. Auf diese Weise wird jeder Thyristor 7I bis 74 periodisch getriggert im Gleichklang mit den anderen Thyristoren in der gleichen Anordnung, und zwar von einem gesperrten zustand mit hohem Widerstand in den eingeschalteten Zustand mit niedrigem Widerstand. Dadurch wixxi der Beginn des Stromdurchgangs in Vorwärtsrichtung zwischen den Leitern 75 und y6 wie gewünscht gesteuert. Die Wider— standswerte der jeweiligen Widerstände 81 bis 8k worden so ausgewählt, daß sio die Angloichung dor* liinschaltzoit dor vier Thyristoren uiitoretützon, wonn dieso durch oino relativ geringe Anodonapuiuuuitf in DurclilalJricliIujic vorgespannt

?098?1/nfifLi

sind. Xn Fig. b ist der Gosamöanodenatrom, welcher bei eingeschalteten Thyristoren durch die Anordnung fließt, mit

i. bezeichnet.

Wie bereits erläutert, können die Thyristoren 71 hie 7^- eingeschaltet werden, ohne daß an ihren Gitterelektroden ein Triggersignal zugeführt wird, und zwar jedesmal dann, wenn die momentane Amplitude der Vorspannung in Durchlaßrichtung sich auf einen Wert erhöht, der genügend weit über einer normalerweise zugeführten Spitzensperrspannung in Durchlaßrichtung liegt, um einen Spannungsüberschlag (oder -Durchbruch) (voltage breakover) zu verursachen. So kann beispielsweise ein Hochspannungsthyristor mit einem Nennwert der Spitzensperrspannung in Vorwärtsrichtung von 2000 V einen Spannungsdurchbruch erhalten, wenn seine Anodenspan— nung einen Wert von etwa 3000 V erreichen kann. Diese Art der Einschaltung ist unerwünscht, weil sie den Thyristor einer ernsthaften Beschädigung aussetzt, wenn der Anfangswert von di/dt groß ist· Wenn zunächst einer der parallelen Thyristoren 71 bis 7h ungefährdet eine solche Einschaltung überlebt, könnte er anschließend beschädigt werden durch einen übermäßig hohen strom, wenn die Begleitthyristoren wegen des Zusammenbruchs der Anodenspannung beim Einschalten des ersten Thyristors überhaupt nicht umschalten und daher anschließend nicht ihren Anteil von i. duroh-

lassen. Erfindungsgemaß wird die Gefahr eines Spannungsdurchbruches vermieden durch Verwendung des verbesserten Überspannungs-Triggerungssystems nach Fig. h.

Wie aus Fig. h ersichtlich, umfaßt die Überspannungstriggerungsschal bung 70 gomäß der Erfindung eine Überspannungsdotolctox'oinrichtung 85, dlo in Reihe mit einer Energiespeichoroinrichtung 86 zwischen den ersten und zweiten Anschluß 87 und 88 geschaltet ist. Der erste Anschluß 87 ist mit dom Aaodenloiter 75 dor Ilauptthyristoren 71 und Jk

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verbunden und der zweite Anschluß 88 ist mit dem Kathoden— leiter "J6 verbunden. Dadurch ist die Serienkombination von Überspannungsdetektoreinrichtung 85 und Energiespei— chereinriohtung 86 parallelgeschaltet zu der parallelen Anordnung von Hauptthyristoren. Die Triggerschaltung 70 besitzt auch noch einen dritten Anschluß 89, der über eine Isolationsdiodo 9° und einen Widerstand 9? mit dem Verbindungspunkt 92 ihrer beiden Teile 85 und 86 verbunden ist. Die Gatt er elektroden der Haupt thyristoren 71 bis 7** sind alle mittels eines Leiters 93 an den Anschluß 89 gekoppelt.

Bein normalen Betrieb besteht die Aufgabe der Uberspannungsdetektoreinrichtung 85 darin, einen Betriebszustand mit einem sehr hohen Widerstand zu besitzen. Die an dieser Schaltung aufgeprägte Spannung wird daher im wesentlichen gleich groß sein wie die jeweils den Hauptthyristoren 7? bis 7k zugeführte Spannung. Wenn jedoch die Spannung sich auf einen Wert erhöht, der anzeigt, daß die Vorspannung in Durchlaßrichtung auf dem Parallel thyristor einen Schwallwert erreicht hat, der höher ist als die normalerweise zugeführte Spitzensperrspannung in Durchlaßrichtung, aber niedriger als die Durchlaßspannung der Hauptthyristoren, dann wird die Einrichtung 85 abrupt in einen Schaltzustand. Ψ

mit niedrigem Widerstand und mit einsinnig gerichtetem Stromdurchlaß umschalten. Bei dieser Art des Betriebs führt die Überspannungsdetektoreinrichtung 85 sofort einen steil ansteigenden Stromimpuls zwischen den Anschlüssen 87 und 89 und dieser strom liefert ein Triggersignal (i ) für die Gatterelektroden der Hauptthyristoren 7I bis 7^· Infolgedessen werden die Hauptthyristoren durch einen steilen Gatterimpuls (punch) gezündet, bevor die Vorspannung in Durchlaßrichtung den kritischen Durchbruchswert erreichen kann.

Die Energioapeicheroinrlchfcung 86 der Triggerungsschaltung

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umfaßt einen Kondensator 9^ in Reihe mit einem Induktor 951 welcher dazu dient, jede Stromerhöhung in dieser Schaltung momentan zu behindern, wenn die Überspannungsdetektoreinrichtung 85 zuerst in ihren stromdurchlässigen Zustand umschaltet. Dadurch wird der größte Teil des ursprünglich von dieser letzteren Einrichtung geleiteten Stroms gezwungen, das oben beschriebene Triggersignal zu liefern· Als wahlweise Anordnung und Merkmal der Schaltung kann gewünschtonfalls zur Verringerung der Amplitude dieses Triggersignale ein Widerstand 96 im Nebenschluß zum Kondensator 94 und dem Induktor 95 geschaltet sein. Obwohl der Induktor 95 mit einem Luftkern gezeigt ist, kann er gewünschtenfalle einen magnetisierbaren oder Sättigungskern besitzen·

Wenn einmal mindestens einer der Hauptthyristoren eingeschaltet wird, dann wird der Strom von der parallelen Überspannungsdetektoreinrichtung 85 abgeleitet und fließt mit sich, schnell erhöhender Amplitude durch diesen Hauptthyristor. Die daraus resultierende große Anstiegsgeschwindigkeit des Anodenstroms kann von dem Hauptthyristor ungefährdet zugelassen werden, dessen Anodenspannung zur Zeit der Triggerung eine relativ geringe Amplitude besitzt infolge des vorhergehenden Schaltvorgangs der Überspannungsdetektoreinrichtung 85· Die Überspannungsdetektoreinrichtung selbst kann einen relativ hohen Wert von di/dt ertragen wegen ihres relativ kurzen Stromdurchlaßintervalls·

Jede bekannte Einrichtung oder schaltung mit den vorgeschriebenen Eigenschaften kann zur Ausbildung der Überspannungsdetektoreinrichtung 85 verwendet werden. Gewünschtenfalls kann die-Detektor- und Schalterfunktion dieses Teils der Triggeranordnung durch zwei gotrennte parallele Komponenten durchgeführt werden. In der dax'gestellten Ausführungaform dor Erfindung werden jedoch beide Funktionen durch eine Roihonkoinbination von oinsinnig stroradurchlassendon Einrichtungon 97, <?ü ausgeführt. I)io₈e Einrichtungen

sind so gepolt, daß sie den Strom in der gleichen Richtung durchlassen wie die parallelen Hauptthyristoren 71 bis 7k. Die Einrichtungen 97 sind PNPN-Halbleiterschalterelemente. In der Fig. k sind zwei dieser Einrichtungen gezeigt.. Es können jedoch in der Praxis eine größere oder kleinere Zahl verwendet werden· Obwohl diese letztgenannten Elemente einen stapel einzelner Halbleiterplättchen in einem gemeinsamen Gehäuse umfassen, kann auch eine Vielzahl von getrennten und diskreten Hilfsthyristoren verwendet werden, die, wie gezeigt, in Reihe mit gleicher Polung miteinander verbunden sind. Vorzugsweise ist die Einrichtung 98 eine einfache Diode und in Reihe dazu ist ein Induktor 99 geschaltet.

Jeder der Hilfsthyristoren 97 ist eine durch Überspannung getriggerte gesteuerte Schaltereinrichtung mit geringerer Nennspannung, geringerem Nennstrom und geringeren Abmessungen als die Hauptthyristoren 71 bis 7^« Ihre charakteristische Durchlaßspannung ist ein festgelegter Bruchteil der Gesamtspannung, die über der Detektoreinrichtung 85 besteht, wenn die Anodenspannung an den Hauptthyristoren die vorgenannte Schwellwertamplitude erreicht. Die vorgegebenen Spannungsanteile aller Einrichtungen 97 werden jeweils so gewählt, daß ihre Summe gleich diesem Gesamtwert ist. Bei einor Ausführungsform der Erfindung wurde beispielsweise dieses Ergebnis erreicht durch Verwendung einer Reihenschaltung von drei Thyristoren des Typs General Electric Reihe C-14O, welche jeweils einen durchschnittlichen Nennwert des Vorwärtsstroms von 22 A und einen Einzelspitzenwert (non-repetitive) der Spannung in Gegenrichtung von 500 V besaßen. Solche Einrichtungen können im Spannungsdurchschlagbetrieb getriggert oder eingeschaltet werden, indem über ihren jeweiligen Hauptelektroden eine Vorwärtsspannung angelegt wird, die sich dem Wert von 700 ν nähert. Bei diesem Beispiel beträgt die

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Spitzensperrspannung in Durchlaßrichtung, welche normalerweise an den Hauptthyristoren 71 bis 7^ angelegt wird, weniger als 2000 V und daher bleibt jeder der Hilfsthyristoren 97 normalerweise in seinem gesperrten Schaltzustand mit hohem widerstand. Sobald jedoch die Spannung an den Hauptthyristoren den obengenannten Schwellwert (d.h. 2100 V) erreicht, tritt jeder der Hilfsthyristoren in Tätigkeit und schaltet abrupt auf einen stromdurchlässigen Zustand mit niedrigem Widerstand. Wenn ein höherer Schwellwert erwünscht ist (beispielsweise 2250 V)» dann ist es zweckmäßig, hierzu nur einen der vorgenannten Thyristoren des Typs C-14O in Reihe mit einem Thyristor des Typs General Electric C 137 zu verwenden, der etwa die gleiche Größe und Strombelastung besitzt wie der Thyristor C-14O, aber einen höheren wert für die Spitzenspannung in Gegenrichtung (1000 V) und eine Durchbruchsspannung in Vorwärtsrichtung von angenähert i600 V·

Die oben beschriebene Anordnung ergibt eine Anzahl von praktischen Vorteilen. Die Hilfsthyristoren 97 sind einzeln relativ klein und billig. Beispielsweise besitzt das Gehäuse für jede Einrichtung 97 einen Durchmesser von nur etwa 1,2 cm (0,5 Zoll) und etwa die gleiche Höhe. Die innere Kapazität einer solchen Einrichtung ist relativ gering und dadurch wird ein mögliches Problem einer vorzeitigen schwachen Triggerung der Hauptthyristoren infolge eines Kondonsatorladestroms zwischen den Anschlüssen 87 und 97 mit der Annäherung der Anodenspannung an den schwellwert vermieden. Xn erwünschter Weise und besonders bei niedrigen Temperaturen ist die dv/dt-Fähigkeit solcher Einrichtungen groß. Diese Thyristoren fallen einzeln unter die Kategorie von Niederspannungseinrichtung und können daher bei einem Spannungsdurohbruch ungefährdet mit relativ hohem Wert für di/dt einschalten.

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Durch Verbindung von einer oder mehreren Dioden 98 in Reine mit den Hilf sthyristox*en 97 wird gewährleistet, daß die Nennsperrspannung in Durchlaßrichtung für die Überspan— nungsdetelctoreinrichtung 85 diejenige der dazu parallelen Haupt thyristoren 71 bis 7k übersteigt. Die zusätzlichen Dioden können einen geringen Durchschnittswert Tür den Nennstrom in Durchlaßrichtung besitzen, beispielsweise 3 A·

Zur weiteren Erläuterung und Klarstellung der Erfindung dient die Fig« 5» welche die Arbeitsweise eines Überspannungstriggersystems nach der vorstehenden Beschreibung veranschaulicht. Es wird angenommen, daß vor dem Zeitpunkt null in der Fig. 5 alle Hauptthyristoren 71 bis 7^ und die Hilfsthyristoren 97 in der Fig. 5 gesperrt sind und daß die Anodenspannung ν über dem Hauptthyristor ansteigt in Richtung eines übermäßig hohen Wertes. Zu dem Zeitpunkt null erreicht die Spannung ν gerade die Überspannungsamplitude in Vorwärtsrichtung, welche einen lawinenartigen Durchbruch der Hilfsthyristoren verursacht (in der Praxis zeigt die Schwellwertamplitude von ν eine Tendenz zur Erhöhung proportional zur Steilheit des Spannungsstoßes, die Parameter der Triggerungsschaltung 70 sind jedoch so selektiv, daß für einen beliebigen Wert von dv/dt innerhalb gegebener Grenzen der Wert, an dem die Triggerung tatsächlich erfolgt, in einem Bereich liegt, dessen Minimum höher ist als die normalerweise zugeführte Spitzensperrspannung in Vorwärtsrichtung und dessen Maximum kleiner ist als der Wert der Vorspannung in Vorwärtsrichtung, welcher einen Spannungsdurchbruch der Haupt thyristoren verursacht·). Bei der Triggerung in dieser Betriebsart schalten die Hilfa— thyristoren 77 abrupt in Schaltzustände mit niedrigeis Widerstand um, in denen sie nicht mehr länger die zugeführte Spannung halten können und innerhalb eines Bruchteile einer Mikrosekunde bricht die Spannung ν, wie gezeigt, auf «inen relativ niedrigen Wert zusammen. Der Strom durch die

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Hllfsthyrlatoren erhöht eich jetzt sehr schnell. Da jegliche Stromerhöhung in dem Energiespeicherzweig 86 der Schaltung 70 momentan durch den Induktor 95 gehemmt wird, wird der größte Teil des am Anfang durch die Hilfsthyristoren durchgelassenen Stroms gezwungen, zu dem Gatteretrom i beizutragen, der vom Anschluß 89 zum Kathodenleiter 76

über den Leiter 93 und die Gatt er einrichtung der Hauptthyristoren 71 bis 7k fließt.

Von dem Zeitpunkt null bis zum Zeitpunkt t. in Fig. 5 wird der gesamte durch die Schaltungen nach Fig. 4 fließende Strom i durch die Hilfsthyristoren 97 geleitet. Die anfängliche Anstiegsgeschwindigkeit von i_, hängt von dem äußeren System ab, aus dem dieser Strom entnommen wird und ist weiterhin begrenzt durch den Induktor 99 in der Triggerschaltung 70. zu diesem Zweck kann der Induktor 99 eine Induktivität im Bereich von 5 bis ko Mikrohenry besitzen. Alternativ könnte er gewünsentenfalls überhaupt weggelassen werden. Es wird hierbei daran erinnert, daß die einzeln betrachteten Hilfsthyristoren nicht Hochspannungseinrichtungen sind und daß sie bei der Einschaltung mit Spannungsdurchbruch ungefährdet relativ hohe Werte von di/dt ertragen können. Weiterhin wird noch nachstehend ersichtlich, daß sie bald von dem Stromdurchgang entlastet werden und · bei Umgebungstemperatur arbeiten können; hierdurch werden ihre Fähigkeiten zur Aufnahme hoher Werte von di/dt noch weiter verbessert.

An dem Verbindungspunkt 92 der Hilf β thyristoren 97 und der Energiespeichereinrichtung 86 teilt sich der Gesamtstrom i zwischen diesen letzteren Einrichtungen und den Gatterschaltkreisen der Hauptthyristoren auf. wie gezeigt, steigt der Gatterstrom i steil von null aus an (es ist hier zu beachten, daß in der Fig. 5 der Strommaßstab für i im Vergleich zu dem Maßstab für 1 vergrößert ist). Gleichzeitig wird

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-seder Kondensator 9k in der Energiespeicher einrichtung: 86 durch den durchfließenden Strom geladen. Hierdurch wird das Potential des Verbindungspunktes 92 bezüglich des Kathodenleiters 76 erhöht und als Folge davon wird den Hauptthyristoren 71 bis 75 ©in ansteigender Wert der Vorspannung ν in Durchlaßrichtung aufgeprägt· Der Strom in der Energiespeichereinrichtung 86 besitzt den Charakter einer Schwingung (Is oszillatory) und die Parameter des Kondensators 9h und des Reiheninduktors 95» welche diesen Zweig der Triggerschaltung 70 bilden, werden so ausgewählt, daß eine Halbperiode ihrer natürlichen Schwingung im Bereich von etwa 2 bis 8 Mikrosekunden liegt. Beispielsweise könnte ein Kondensator von 0,1 Mikrofarad und ein Induktor von 25 Mikrohenry verwendet werden.

Nachdem die Haupt thyristoren 7I bis 7k in einem kurzen Intervall, das typischerweise in der Größenordnung von 2 Mikrosekunden liegt und als Verzögerungszeit bekannt ist, mit Gatterstrom versorgt wurden, wird mindestens eine dieser Einrichtungen einschalten und der Durchfluß von Anodenstrom i beginnt. An diesem Zeitpunkt t, in Fig. 5 ist der Gatterstrom i auf einen beträchtlichen Wert angestiegen (beispielsweise 15 Λ). Wenn ein geringerer Gatterstrom erwünscht ist, kann, wie mit gestrichelten Linien in Fig. k angedeutet, ©in Widerstand $6 im Nebenschluß zur Energiespeichereinrichtung 86 geschaltet werden. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist die Vorspannung ν in Vorwärtsrichtung an den Haupt thyristoren zum Zeitpunkt t.. noch gering und steigt weiter an. Wegen des scharfen Gatterimpulses oder -stoßes, der von dei· Überspannungstriggerungsschaltung geliefert wird, sowie der verringerten Anodenspannung und dem positiven dv/dt kann der zunächst eingeschaltete Hauptthyristor ungefährdet den hohen Wert von di/dt tolerieren, der sich ergibt, wenn der in der Schaltung 70 durchfließende strom i übergeht auf den bevorzugten Stromweg, welchen dieser Thyristor bildet.

Die Fig· 5 zeigt deutlich, den anfänglichen steilen Anstieg des Anodenstroms i . Der Gatterstrom i beginnt abzusin-

A g

ken, lind der Strom in der Energiespeichereinrichtung 86 wird auf null schwingen und sich, umkehren· Dieser letztere Zweig der Triggerschaltung 70 dient jetzt als Quelle oder Generator des Gatterstroms i und hält dadurch ein Triggersignal hinreichender Amplitude und Dauer aufrecht, um ein erfolgreiches Einschalten aller Hauptthyristoren 71 bis 7k für den Fall zu gewährleisten, daß einige von ihnen nicht zu dem Zeitpunkt t.. mit dem Stromdurchlaß begonnen haben. Diese Quelle bewirkt auch eine Vorspannung für die Hilfsthyristoren 97 in Sperrichtung, welche dadurch bald gesperrt werden· Dieses Ereignis ist mit dem Zeitpunkt tg in Fig. 5 bezeichnet. Wenn der in Gegenrichtung verlaufende Erholstrom (recovery current) in den Hilfsthyristoren aufhört, dann erhöht sich, wie gezeigt, der strom i abrupt· Danach wird der gesamte verbleibende Entladestrom vom Kondensator 9h In der Energiespeichereinrichtung 86 durch die Gatter-Kathoden-Strecken der Hauptthyristoren fließen· Die GatterStromschwingungen werden gedämpft durch den Widerstand 91 (beispielsweise 30 Ohm).

Während des vorbeschriebenen Ablaufs liefert die Triggerschaltung 70 zwei aufeinanderfolgende Gatterimpulse an die parallel dazu geschalteten Hauptthyristoren 7I bis 7^· Die erste welle des Gatterstroms steigt steil an und triggert schnell mindestens einen der Hauptthyristoren. Dies ist gefolgt von einer weiteren starken Welle, welche den Einschaltvorgang des langsamsten Thyristors in der parallelen Anordnung fördert. Beide Einsehaltvorgänge treten auf, nachdem die Vorspannung in Durchlaßrichtung über den Hauptthyristoren auf einen relativ geringen ungefährlichen Wert zusammengebrochen ist. Daher werden die Hauptthyristoren durch die Hilfsthyristoren vor den Schock geschützt, der durch ein Einschalten mit hoher Anodenspannung hervorgerufen

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wird. Die Hilfsthyristoren ihrerseits werden durch die Hauptthyristoren vor einer Überhitzung geschützt. Mindestens einer der Haupt thyristoren wird mit einer so kurzen Verzögerungszeit einschalten, daß er schnell die Belastung der Hilfsthyristören durch Verbraucherstrom wegnimmt.

Durch Verwendung des verbesserten Überspannungs-Triggersystems und der damit verbundenen Vorteile bei einer Festkörper-Ventilanordnung mit einem vorgegebenen Nennwert der Hochspannung wird eine geringere Zahl von in Reihe geschalteten Hauptthyristoren benötigt, die Induktivität der Induktoren 45 kann geringer sein und gewisse vorbokannte HiIfakomponenten können bezüglich ihrer Abmessungen verringert oder ganz weggelassen werden. Beispielsweise können die Induktoren 13» 14 und 15 gemäß Fig· 1 zur Begrenzung der Größe dv/dt viel kleiner ausgeführt werden und die Ab— stufungskondensatoren 21 nach Fig. 2 können weggelassen werden. Ebenso kann der Kondensator 57 nach Fig· 3 ausgelassen werden.

Es wurde gefunden, daß eine Ventilanordnung, welche mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ausgestattet ist, gewünscht enf alls ohne Schädigungsgefahr auf einer wiederholten Basis mit 60 Hz eingeschaltet werden kann. Dies gibt die Möglichkeit, mindestens einen Teil der äußeren Gatter— treiberschaltungen zu beseitigen, die gewöhnlich den jeweiligen Matrizen der Ventilanordnungen zugeordnet sind. Bei gewissen Anwendungen (beispielsweise bei Invertern) kann es vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße System zur normalen Steuerung der Ventilanordnung zu verwenden· In diesem Falle können die Triggersignale anstatt unmittelbar den Gattern der Hauptthyristoren TΛ bis 74 den Gattern der Hilfsthyristoren 97 zugeführt werden.

Wenn das Uberspannungstriggerungssystem in der bestimmten vorbeschriebenen weise aufgebaut und angeordnet ist, arbeitet

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es vollständig zufriedenstellend· Trotzdem können gewisse Verbesserungen dadurch, erhalten werden, daß für die einsinnig strom durchlassenden Einrichtungen 97 ein Hilfsthyristor verwendet wird, welcher die Eigenschaften besitzt, wie sie im US-Patent 3 408 kk$ beschrieben sind. Eine noch idealere Arbeitsweise ergibt sich, wenn besondere durch Überspannung getriggerte Schalterelemente verwendet werden,

deren Y —Charakteristiken für diesen Anwendungsfall op ti— SO

miert sind. Eine solche Einrichtung ist in den Figuren 6 und 7 gezeigt.

Fig. 6 ist eine Ansicht einer Hälfte eines scheibenförmigen PNPN-Halbleiterelementes 100 und Fig. 7 ist ein Teilschnitt (nicht maßetabsgetreu) der linken Hälfte des Elementes nach. Fig· 6· Es werden nachstehend nur die wesentlichen Teile der dargestellten Ausführungsforra des Elementes 100 beschrieben. Der Fachmann wird leicht erkennen, daß dieses Element nach einer Vielzahl von an sich bekannten Verfahren hergestellt werden kann und daß es zur Bildung einer kompletten Einrichtung in einer Vielzahl bekannter Strukturen eingekapselt sein kann. Wenn weitere Informationen hierzu benötigt werden, können sie aus dem vorgenannten US—Patent, auf das hiermit ausdrücklich als Literaturstelle verwiesen ist, entnommen werden.

Das Sonderelement 100 nach den Figuren 6 und 7 umfaßt einen Körper aus Halbleitermaterial (beispielsweise Silizium) mit vier aufeinanderfolgenden Schichten oder Zonen 101, 102, 1Ο3 und 104. Dabei besitzen aneinaridergrenzende Schichten einen verschiedenen Leitfähigkeitstyp. So besitzt beispielsweise die Endschicht odor der Emitter 101 des Halbleiterkörpers den Leitfähigkeitstyp N, die an dem Emitter 101 anliegende zwischenschicht oder Basis 102 besitzt den Leitfähigkeitstyp P, die nächste Zwischenschicht 103 besitzt den Leitfähigkeitstyp N und die andere Endschiοht besitzt

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den Leitfähigkeitstyp P. Die Grenzflächen zwischen den jeweiligen Schichten bilden gleichrichtende Übergangsbereiche. Auf der Endschicht 104 vom Leitfähigkeitstyp P des Elementes ist ein metallischer Kontakt 106 in einer solchen Weise angebracht und verbunden, daß er mit dieser Schicht einen ohmschen Übergangsbereich oder Kontakt mit niedrigem Widerstand bildet. Dieser Kontakt bildet die Anode des Elementes 100. Ein dünner metallischer Kontakt 105 ist in ähnlicher Weise in einen mittleren Bereich A der Endschicht 101 mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp N des Elementes verbunden, und dieser Kontakt umfaßt die Kathode» P Xn dieser Weise aufgebaut, stellt das Element 100 ein dünnes kreisförmiges plättchen dar, das geeignet ist zur Anordnung zwischen einem paar im Abstand gebrachter, den Hauptstrom tragenden Elektroden in einem abgedichteten Gehäuse · Die vollständige Anordnung besitzt geeignete Mittel zur Verbindung der freiliegenden Oberfläche der Kathode mit einer zusammenwirkenden Oberfläche einer dieser Hauptelektroden und zur Verbindung der Anode 106 mit der anderen Hauptelektrode.

Außerhalb des mittleren oder Hauptbereichs A der Endschicht 101 des Leitfähigkeitstyps N des Elementes 100 sind zwei . seitlich angrenzende konzentrische Hilfsbereiche B und C " vorhanden. Diese Hilfsbereiche sind beide frei von einer Verbindung mit der Kathode. Der erste Hilfsbereich B ist benachbart zu dem seitlichen Rand des Hauptbereiches A und mit ihm ist ein ICreisring 107 aus elektrisch leitendem Material (beispielsweise Gold) verbunden, der durch einen Kanal 108 einen Abstand von der Kathode 105 besitzt. Der äußerste Hilfsbereich C umschließt den Bereich B und besitzt vorzugsweise einen mit ihm verbundenen Kreisring 109 oder Insel aus elektrisch leitendem Material, das durch einen Kanal 110 einen Abstand von dem Ring IO7 besitzt.

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Die Hilfsbereiche B und C der Endschicht 101 sind charakterisiert durch relativ hohe seitliche (lateral) Widerstände, wobei der seitliche Widerstand des äußeren Bereiches C erheblich höher ist als der des Bereiches B* Dies kann in bequemer weise dadurch erreicht werden, daß die Abmessungen der Endschicht 101 vom Leitfähigkeitstyp N gesteuert werden, welche sich jeweils unter den Kanälen 108 bzw. 110 befindet. Die nachstehende Beschreibung enthält hierzu beispielhafte Abmessungen·

Das Element 100 ist so aufgebaut und angeordnet, daß bei seinem Einschalten in der Betriebsart eines Spannungsdurchbruchs in Vorwärtsrichtung der Durchbruch irgendwo in der Nähe der Peripherie dos plättchens beginnt· Für die Zwecke dieser Beschreibung bedeutet der Ausdruck "Peripherie" die Bereiche des Elementes 100, die außerhalb des Flächenbereiches entsprechend der Kathode 105 liegen. Vorzugsweise wird eine periphere Lokalisierung der Durchbruchswirkung dadurch gewährleistet, daß der winkel der Oberflächenabschrägung geeigneterweise gesteuert wird, welche in an sich bekannter Weise an der äußeren Kante des mittleren gleichrichtenden Übergangsbereiches des Plättohens vorgesehen ist·

Wenn die an der Anode eines gesperrten Elementes 100 zugeführt ο Vorspannung in Vorwärtsrichtung sich auf einen festgelegten kritischen Wert erhöht, erleidet das Element einen Spannungsdurchschlag. Dies geschieht deswegen, well der über die Oberfläche des Plättchens Über die äußere Kante seines mittleren Übergangsbereichs und durch den PN-Übergangsbereich zwischen den aneinandergrenzenden Schichten 101 und 102 fließende Leckstrom sich an irgendeinem Punkt zu einer hinreichend hohen Stromdichte steigert, um oinon kleinen periphoren Bereich des Plättchens zu triggoxTi. Jetzt wird dieser Bereich einen Stromweg liefern, über den der Hauptstrom von der Anode 106 zur Kathode 105 fließen kann. Der Stromweg zwischen den Schichten, der am

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- 3k -

Anfang den Haupt strom leitet, enthält den Hilf sbereicli B_t welcher in der End.sch.icht 101 zwischen dem ersten stromführenden Umfangsberθich und der Kathode 105 angebracht ist« Der Hilfsbereich ist so aufgebaut und angeordnet, daß mindestens ein Teil des anfänglichen Hauptstroms gezwungen wird, quer durch den gleichrichtenden Übergangsbereich zu verlaufen, der zwischen der angrenzenden P-Schicht 102 und dem Hauptbereich A der Endschicht 101 gebildet ist. Durch den Ring 107 wird die Ausbreitung dieses Stroms um den Umfang des Hauptbereiches herum gefördert· Gleichzeitig entsteht eine Potentialdifferenz über dem Kanal 108. Wo er den letztgenannten Übergangsbereich kreuzt, wirkt sich der Hauptstrom als ein vorzeitiges Triggersignal hoher Energie für einen breiten Bereich des Plättchens aus, der praktisch den ganzen Umfang der Kathode 105 einnimmt« Dadurch wird das Element 100 durch die doppelte Triggerwirkung eingeschaltet, welche im einzelnen in dem angeführten Patent erläutert ist. Infolgedessen wird der Vorgang eines Hochspannungsdurchschlags auf einem anfänglich kleinen Bereich in dem Innern des Elementes 100 auf einen Vorgang in Art einer Gatterzündung mit niedrigerer Spannung und über einem großen Bereich umgewandelt, welcher in entscheidender Weise die di/dt-Eigenschaft des Elementes für das Einschalten ver-

^ bessert.
-

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde zu der früheren Einrichtung der Hilfsbereich C hinzugefügt, um die Möglichkeit einer fehlerhaften Arbeitsweise infolge einer an sich möglichen Wirkung zu verhindern, welche hier als "Untertunnelung" ("underpass¹*) bezeichnet sein soll« Der Hilfsbereich C ist so aufgebaut und angeordnet, daß der zuvor erwähnte Leckstrom beim Durchbruch (auch als Lawinenstrom bekannt) normalerweise unter dem Bereich C fließt und zuerst einen Teil des Hilfsbereichs B unter dem Ring 107 triggert. Dadurch wird gewährleistet, daß der zuvor

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beschriebene zweistufige Triggervorgang mit Gewißheit erfolgt. Ohne den zusätzlichen Hilfsbereich C besteht das Risiko» daß dieser strom unter dem Hilfsbereich B verläuft und anfangs nur eine kleine Fläche des Hauptber«l ■ ' A triggert. In diesem Falle wird die zweite verstärkte Stufe des erwünschten Einschaltvorganges in unerwünschter Weise ausgelassen* Bei der verbesserten Anordnung werden eine Doppeltriggerung und die damit einhergehenden Vorteile gewährleistet. Sogar wenn ein gewisser Teil des Anfangsleckstroms unmittelbar zum Hauptbereich A fließt, wird der Hilfsbereich B stets als erster getriggert, da seine Stromdichte höher sein wird als die im Bereich A (tatsächlich besteht eine Möglichkeit, daß sogar vor dem Einschalten von B der Leckstrom den außen liegenden Hilfsbereich C des Elementes triggern kann und in diesem Falle kann der Einschaltvorgang charakterisiert werden als eine Dreifachtriggerung (C-B-A), welche harmlos ist)·

Diese vorstehenden Vorgänge werden erreicht durch Optimierung des Hilfsbereichs B, wobei gleichzeitig der Hilfsbereich C für den Effekt einer Untertunnelung anfällig gemacht wird. Beispielsweise kann bei einem Hoohspannungsplättchen mit großem Querschnitt, (beispielsweise Durchmesser 33 mm) der seitliche Widerstand des Hilfsbereiohs B von der Größenordnung I₁O Ohm gemacht werden (gemessen zwischen der Kathode 105 und dem Ring 107) und der seitliche Widerstand des Hilfsbereiches C kann viel größer sein, beispielsweise 50 Ohm (gemessen zwischen den Ringen I07 und 109). Xn der dargestellten Ausführungsform wurde dieses Ergebnis erhalten durch Steuerung der Abmessungen der Kanäle 108 und 110, welche vorzugsweise durch bekannte Ätaverfahren ausgebildet werden. Insbesondere wurde die Breite (radiale Abmessung) des Kanals 108 kleiner gemacht als 1 mm, die Breite des Rings I07 war größer als 0,5 mm, die Breite des Kanals 110 war größer als 1 mm und die Breite des

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Rings 109 war kleiner als 1,5 mn»· Auf diese Welse wird praktisch gewährleistet 1 daß ein ausreichender Teil des Leckstroms es stets vorziehen wird, den PN-Übergangsbereich zwischen der P-Schicht. 102 und dem Hilfsbereich B des Emitters zu kreuzen und eine doppelte Triggerung zu bewirken. Bs ist bedeutend schwieriger, dieses Ergebnis mit Sicherheit bei einem Element zu erreichen, das nicht den zusätzlichen Hilfsbereich C besitzt, und zwar infolge der unvorhersagbaren Verteilung des Leckstroms in den Umfangsbereichen der Schicht 102 unmittelbar vor dem Durchbruch·

Bei einem PNPN-Element von einer vorgegebenen Gesamtgröße bedeutet die Zufügung des Hilfsbereich.es C eine Verringerung des Durchmessers und damit der aktiven Fläche der Kathode 105· Dadurch wird der Nennwert des HauptStroms für das Element verringert. Dies ist jedoch kein Nachteil bei einer Schaltung 85 für Überspannungserfassung und Schalter— wirkung, bei der, wie oben erörtert, der zu übernehmende Dauerstrom sehr gering ist. In der Tat kann für die Einrichtungen 97 in dieser Schaltung eine Vielzahl von kleinen PNPN-Elementen 100 in Reihe verwendet werden, bei denen jedes Element einen Nennwert des Normalstroms bis herunter zu etwa 1 A effektiv besitzt. Diese letztere Anordnung bietet die Vorteile einer geringeren inneren Kapazität, einer leichteren Herstellung (beispielsweise gleichmäßigere Eigenschaften und höhere Ausbeute) und einer größeren Flexibilität bei der Anpassung an irgendeine durch die Spezifikation vorgegebene Amplitude der Überspannung.

Bei einer modifizierten Ausführungsform des Elementes 100 wird der darüberliegende Ring I09 bei dem Hilfsbereich C weggelassen. Dies ist in Fig. 7A dargestellt, welohe einen Teilschnitt des Elementes zeigt, das in anderer Hinsicht ähnlich ist dem Element nach Fig. 7. Ein Ringkanal 110« erstreckt sich über die volle Breite des Umfangs verringerter

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- 37 Tiefe der Endschicht 101 vom N-Typ. Der Kanal 110« defl-

niert den Hilfsbereich C in der Ausführungsform des Elementes nach Fig· 7A und dieser Bereich liefert den zuvor erwähnten Untertunnelungseffekt.

Eine andere Modifikation des Elementes ist in Fig. 7B dargestellt, welche einen vergrößerten Teilschnitt eines modifizierten Hilfsbereiches B zeigt. In diesem Falle besitzt der elektrisch leitende Ring IO7· einen Abstand von der Kathode IO5 durch einen Ringkanal des Spaltes IO8¹, der sich bis zur zwischenschicht 102 vom P-Typ erstreckt und dadurch die Endschicht vom N-Typ in zwei Teile 101a und 101b unterteilt. Der Teil 101a ist der Hauptbereich A der Endschicht und der seitlich versetzte Teil 101b ist der Hilfsbereich B der gleichen Endschicht. In der Art eines "Pilotgatters·¹ (pilot gate) ist der elektrisch leitende Ring 107¹ in unmittelbaren Kontakt mit einem Teil der P-Schicht 102 gebracht, welche zwischen 101a und 101b frei liegt. Die Arbeitsweise dieser Abwandlung der erfindungsgemäßen Anordnung ist im wesentlichen die gleiche wie zuvor im Zusammenhang mit den Figuren 6 und 7 beschrieben. Der Ring 107» und die Kathode I05 können gewünschtenfalls in an sich bekannter weise ineinandergreifend (interdigitated) angeordnet werden. Dies gilt auch für die übrigen Ausführungsformen und die in dieser Beschreibung verwendeten Begriffe "Kreisring¹' und "Ring" sollen daher nicht auf rein kreisförmige Gestaltungen beschränkt sein.

Es ist wichtig, daß das Element 100 eine gute dv/dt-Charakteristik besitzt und der Fachmann wird daher erkennen, daß er durch die bekannten Diffusionslegierungsverfahren hergestellt werden kann, oder wenn nur die Diffusion verwendet wird, sollte er mit einem kurzgeschlossenen Emitter auegestattet werden.

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Der Fachmann wird leicht erkennen, daß auch, andere neben den beispielhart dargestellten Ausführungsformen möglich sind. Beispielsweise kann die Überspannungs-Triggerschaltung 70 vorteilhafterweise dazu verwendet werden, andere Arten von Einrichtungen oder Schaltern zu schützen, welche ähnliche Eigenschaften besitzen, wie die zuvor beschriebenen Hauptthyristoren 71 bis 7k,

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Claims

Patentansprüche

[ 1.JÜberspannungstriggerungssystem zur Triggerung minde-— stens eines ersten Pestkörperschalters mit Steuergitter für die Einschaltung des Stromdurchgangs in einem Hauptzweig mit relativ hoher elektrischer Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt ι eine Reihenschaltung einer überspannungsdetektoreinrichtung (85) und einer Energiespeichereinrichtung (86) mit einem Verbindungspunkt (92) und den Endanschlüssen (87, 88), wobei die Reihenschaltung (70) parallel zu einem oder mehreren untereinander parallelen, gleich gepolten Festkörperschaltern (71 - 7*0 liegt, eine Einrichtung (90, 91) zur Verbindung der Qitteranechlüsee des oder der Festkörperschalter (71 - 7^) mit dem Verbindungspunkt (92), wobei die Überspannungsdetektoreinrichtung (85) mindestens eine in einer Richtung mit niedrigem Durchlaßwiderstand stromdurchlassende Vorrichtung (97) besitzt, die gleiche Polung wie der Festkörperschalter (71 - 7^) aufweist und durch einen Spannungswert zwischen der Spitzensperrspannung in Vorwärtsrichtung und der Durchbruchsspannung des Festkörperschalters (71-74) einschaltbar ist.

2. Überspannungs-Triggerungssystern zur Einschaltung mindestens eines ersten Hauptthyristors, wobei dieser Hauptthyristor ein paar von Hauptelektroden und eine Gattereinrichtung besitzt und die Hauptelektroden so beschaffen sind, daß sie in einer elektrischen Leistungsschaltung verbunden werden können, wo sie periodisch einer Vorspannung in Durchlaßrichtung unterworfen sind (das Anodenpotential ist positiv bezüglich der Kathode), und der Hauptthyristor bei Vorspannung in Vorwärtsrichtung entweder durch Zuführung eines Triggersignale an die Gattereinrichtung oder durch momentane Steigerung des

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Betrags der Vorspannung auf einen Wert gezündet werden kann, der hinreichend weit über einer normalerweise anliegenden Spitzensperrspannung in Vorwärtsrichtung liegt, um einen Spannungsdurchbruch zu erzielen, dadurch gekennzeichnet , daß sie enthält:

(a) eine Überspajinungs-Detektoreinrißhtung (85)ι

(b) eine Energiespeichereinrichtung (86),

(c) eine Einrichtung zur Verbindung der Überspannungs-Detektoreinrichtung (85) und der Energiespeichereinrichtung (86) in Reihe miteinander und parallel zu dem Hauptthyristor (71 - 7*0 und

(d) eine Einrichtung (90» 91) zur Kopplung der Gattereinrichtung des Thyristors (71 - 74) an den Verbindungspunkt (92) der überspannungedetektor- und der Speichereinrichtung,

(e) wobei die Überspannungs-Detektoreinrichtung (85) mindestens eine in einer Richtung stromdurchlassende Vorrichtung (97) besitzt, die so gepolt ist, daß sie den Strom in der gleichen Richtung wie der Haupt thyristor (71 - 74) durchläßt und einen normalen Schaltzustand mit hohem Widerstand besitzt und bei Erreichen eines Überspannungswertes der Vorspannung auf dem Hauptthyristor schnell abrupt auf einen Zustand mit niedrigem Widerstand und Stromdurchlaß umschaltbar ist, wobei diese Spannungsamplitude größer ist als die Spitzensperrspannung in Vor«_v μ \ richtung und kleiner ist als der Wert der Durchbru«bespannung ,

(f) die Energiespeichereinrichung (86) so geschaltet ist, daß momentan jede Stromerhöhung darin hemmt, wenn die Überepannungs-Detektoreinrichtimg zuerst bei einem Überspannungszustand in ihrem stromdurchlässigen Zustand umschaltet und zwangsweise der größte Anteil des am Anfang durch die Überspannungs-Detektoreinrichtung durchgelassenen Stroms das Triggersignal für die Gattereinrichtung liefert und der

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erste Hauptthyristor (71) βohne11 «inaohaltbar 1st durch einen scharfen Gatterstoß, bevor seine Vorspannung In Vorwärtsrichtung den Durchbruohswert erreichen kann.

3· System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Überspannungs-Detektor einrichtung (85) eine vernachlässigbare Kapazität besitzt.

4. system nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kopplungseinrichtung (90, 91) eine leitende Verbindung mit einem Widerstand (91) umfaßt.

5· System nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet , daß die Überspannungs-Detektoreinrichtung (86) einen in Reihe mit der einsinnig stromdurchlassenden Einrichtung verbundenen Induktor (99) umfaßt.

6. System nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet , daß die Energiespeichervorrichtung (86) einen in Reihe mit einem Induktor (95) geschalteten Kondensator (9^) enthält.

7· System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Energiespeichereinrichtung (86) durch einen Widerstand (96) überbrückt ist.

8. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichne t , daß die einsinnig stromdurch Iaasende Einrichtung (97) ein PNPN-Halbleiterelement umfaßt.

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- kz -

9· System nach Anspruch. 8, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von PNPN-Halbleit er element en (97) in Reihe untereinander ml', gleicher Polung zur Ausbildung der Überspannungs-Detektoreinrichtung (85) miteinander verbunden sind.

10. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das PNPN-Halbleiterelement (97) umfaßt ι

(a) einen Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgend angeordneten aneinander übergehenden schichten (101 —

W 10k) verschiedenen Leitfähigkeitstyps und mit gleich

richtenden Übergangsbereichen, ausgebildet zwischen den ineinander übergehenden Schichten des Körpers,

(b) einen Hauptstrom-führenden Kontakt (1Ο5),

(c) eine Einrichtung zur Verbindung dieses Kontaktes

mit einer vorbestimmten Endschicht (101) des Körpers,

(d) wobei diese Endschicht (10 I ) einen mittleren Hauptbereich (A) umfaßt, der mit dem Kontakt (105) verbunden ist, einen ersten zur seitlichen Grenze des Hauptbereiches (A) benachbart angeordneten Hilfsbereich (b) und einen zweiten außerhalb des ersten Hilfebereiches (b) angeordneten Hilfsbereich (c) und alle Hilfsbereiche (B, C) benachbart zu der Zwischen

schicht des Körpers sind, die an die vorgegebene Endschicht grenzt,

(e) ein im Abstand von dem Kontakt (105) gebrachter Ring (107) aus elektrisch leitendem Material, der mit dem ersten Hilfsbereich (b) verbunden ist,

(f) wobei der zweite Hilfsbereich (c) einen seitlichen Widerstand aufweist, der wesentlich höher ist als der Widerstand zwischen dem Ring (107) und den Kontakt (105) und

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(g) der Halbleiterkörper so aufgebaut angeordnet ist, daß ein peripherer Bereich desselben beim Auftreten eines Überepannungszustandee durch Leckstrom triggerbar ist·

11. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Überspannungs-Detektoreinrichtung (85) eine Vielzahl von einsinnig stromdurchlassenden Einrichtungen (97) umfaßt, die in Reihe und mit gleicher Polung miteinander verbunden aind.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine dieser einsinnig stromdurchlaseenden Einrichtungen einen Hilfethyristor (97) umfaßt.

13· System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Gattereinrichtung des Thyristors so aufgebaut ist, daß sie an eine äußere Quelle für periodische Triggersignale koppelbar ist.

14. System nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet , daß die Kopplungseinrichtung eine leitfähige Verbindung einschließlich einer Isolierdiode in Reihe mit einem Widerstand umfaßt.

15· Schaltung zur Triggerung eines Schalters mit einer Charakteristik ähnlich der Charakteristik eines Thyristors mit einem Paar Hauptelektroden und einer steuereinri tung zur Aufnahme eines Triggersignals, dadurch gekennzeichnet , daß sie umfaßt ι (a) einen ersten Anschluß zur Verbindung mit einer der Hauptelektroden, einen zweiten Anschluß zur Verbindung mit der anderen Hauptelektrode und einen dritten Anschluß,

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(b) eine Einrichtung (81) zur Kopplung des dritten Anschlusses an die Steuereinrichtung des Schalters,

(c) einen Kondensator (9^) » der mit einem Induktor (95) in Reihe zwischen den zweiten und dritten Anschluß geschaltet ist, und

(d) mindestens zwei Hilfsthyristoren (97), die in Reihe und mit gleicher Polung miteinander zwischen dem ersten und dritten Anschluß verbunden sind, wobei der Hilfsthyristor in der Betriebsart eines Spannungsdurchschlages bei Ansteigen der Vorspannung in Vorwärtsrichtung über den Hauptelektroden des Schalters (71) auf eine vorgegebene Amplitude einschal tbar ist.

16, Sahaltung nach Anspruoh 15, daduroh gekennzeichnet , daß der Schalter mindestens einen Hauptthyristor (71 - 7k) umfaßt und die Hilfsthyristoren (97) so ausgewählt sind, daß die vorgegebene Spannungsamplitude niedriger ist als die Amplitude der Vorspannung in Durchlaßrichtung, welche eine Beschädigung des Hauptthyristors bewirken kann.

17. Triggerschaltung zur Einschaltung mindestens eines ersten Hauptthyristors mit relativ großen Abmessungen, wobei dieser Thyristor ein Paar von Hauptelektroden und eine Gattereinrichtung besitzt und die Hauptelektroden zur Verbindung in einer elektrischen Leistungsschaltung eingerichtet sind, bei der sie einer Vorspannung in Vorwärtsrichtung unterliegen, die bei Ansteigen zu einem hinreichend hohen Wert einen Spannungsdurchschlag des Hauptthyristors verursachen kann, dadurch gekennzeichnet , daß sie umfaßt:

(a) eine Spannungs-Detektoreinrichtung (85),

(b) eine Energiespeichereinrichtung (86), umfassend einen Kondensator (94) in Reihe mit einem Induktor (95),

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(c) eine Einrichtung (92) zur Verbindung der Spannungs-Detektoreinrichtung (85) und der Energiespeichereinrichtung (36) in Reihe zueinander und parallel zu dem Haupt thyristor (71 - 7**) und

(d) eine Einrichtung (90» 91) zur Kopplung der Gattereinrichtung des Hauptthyristors an den Verbindungspunkt (92) des Spannungs-Detektors und der Energiespei chore inr iohtung,

(e) wobei die Spannungs-Detektoi'einrichtung (85) eine Vielzahl von normalerweise gesperrten, durch Überspannung gezündeten gesteuerten schalterelementen (97) umfaßt, die mit gleicher Polung in Reihe miteinander verbunden sind und Jedes dieser Elemente in seinen Abmessungen kleiner ist als der Hauptthyristor (71)· wobei diese Schalterelemente (97) schnell und abrupt umschaltbar sind in einen Stromdurchlässigen zustand mit niedrigem Widerstand, wenn die Spannung über dem einzelnen Schalteröle— ment einen Wert erreicht, der einem vorgegebenen Bruchteil der über der Spannungs-Detektoreinrichtung (85) anstehenden Spannung entspricht, wenn die Vorspannung über dem Hauptthyristor (71) in Durchlaßrichtung eine vorgegebene Amplitude erreicht, die kleiner ist als der Durchschlagwert·

18. Schaltung nach Anspruch 17» dadurch gekenn zeichnet , daß die Schalterelemente Hilfsthyristoren (97) sind, von denen mindestens zwei dieser Hilfsthyristoren Spannungsdurchlaßwerte in Vorwärtsrichtung besitzen, die sich voneinander unterscheiden und die summe der einzelnen Spannungsdurchlaßwerte von allen Hilfsthyristoren gleich der Spannung ist, die über der Spannungs-Detektoreinrichtung liegt, wenn die Vorspannung auf dem Hauptthyristor in Durchlaßrichtung den vorgegebenen wert erreicht«

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19· Schutzeinrichtung für mindestens zwei Hauptthyristoren zum Schutz gegen Überspannung, wobei die Hauptthyristor en jeweils ein paar von Hauptelektroden und eine Gattereinrichtung besitzen und die entsprechenden Hauptelektroden der jeweiligen Hauptthyristoren unmittelbar miteinander verbunden sind zur Ausbildung einer parallelen Anordnung von gleich gepolten Hauptthyristoren und diese Anordnung zur Einschaltung in eine elektrische Leistungsschaltung mit hohem strom eingerichtet ist, in der die Hauptthyristoren einem Spannungsdurchschlag ausgesetzt sind, wenn die Momentanamplitude der Vorspannung in Durchlaßrichtung Über der Anordnung sich auf einen hinreichend großen Wert erhöht, dadurch gekennzeichnet , daß sie umfaßt,

(a) eine Überspannungs-Oetektoreinrichtung (85)»

(b) eine Energiespeichereinrichtung (86),

(c) eine Einrichtung zur Verbindung der Überspammngs-Detektoreinrichtung und der Energiespeichereinrichtung in Reihe miteinander und parallel zu der Anordnung, und

(d) eine Einrichtung (90, 91) zur Kopplung der Gattereinrichtung alter Thyristoren an den Verbindungspunkt zwischen der Üherspannunge-petektoranordxmng (85) und der Energiespeichereinrichtung (86),

(e) wobei die Überspannungs-Detektoreinrichtung (85) mindestens eine in einer Richtung stromdurchlassende Einrichtung (97) besitzt, die so gepolt ist, daß sie den Strom in der gleichen Richtung wie die Hauptthyristoren (7I - 74) durchläßt und die Überspannungs-Detektoreinrichtung (85) einen normalen Schaltzustand mit hohem Widerstand besitzt und abrupt in einen stromdurchlässigen Schaltzustand mit niedrigem Widerstand umschaltbar ist, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung über der Anordnung von Thyristoren einen vorgegebenen Überspannungswert

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erreicht, der kleiner ist ale der Durchschlagewert,

(f) wobei die Energiespeichervorrichtung (86) so angeordnet ist, daß sie momentan jede Stromerhöhung darin hemmt, wenn die Detektoreinrichtung (85) zuerst bei einem Überspannungszustand in ihren stromdurchlässigen zustand schaltet, worauf der größte Teil des anfänglich von der Detektoreinrichtung durchgelassenen Stroms zwangsweise ein Triggersignal an die Gattereinrichtung liefert und mindestens ein Hauptthyristor (71) schnell durch einen scharfen Gatterstoß einschaltbar ist, bevor seine Vorspannung in Durchlaßrichtung den Durchlaßwert erreichen kann und die Energiespeichereinrichtung (86) weiterhin so eingerichtet ist, daß sie eine Stromquelle bildet zur Aufrechterhaltung des Triggersignals nach der Einschaltung des ersten Hauptthyristors und zur Erzeugung eines Triggersignals hinreichender Amplitude und Dauer zur Gewährleistung einer erfolgreichen Einschaltung aller Hauptthyristoren in der Anordnung«

20. Schaltung nach Anspruch 19 t dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Hauptthyristoren eine Anode und eine Kathode besitzt und eine erste gemeinsame Wärmesenke für alle Anoden der Hauptthyristoren und eine zweite gemeinsame Wärmesenke für die Kathoden aller Hauptthyristoren vorgesehen ist.

21. schutzschaltung zum Schutz einer Vielzahl von Hauptthyristoren vor Überspannung, wobei diese Hauptthyristoren jeweils ein paar von Hauptelektroden und eine Gattereinrichtung besitzen und die Hauptelektroden entsprechender Hauptthyristoren in einer Reihenschaltung untereinander verbunden sind, weiche in eine elektrische

Leistungsschaltung mit holier Spannung einschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt» eine Vielzahl gleicher Überspannungstriggereinrichtungen (70), die jeweils diesen Hauptthyristoren zugeordnet sind und jede dieser Schaltungen umfaßt:

(a) eine Überspannungs-Detektoreinrichtung (85)t

(b) eine Energiespeichereinrichtung (86),

(c) eine Einrichtung zur Verbindung der Überspannungs-Detektoreinrichtung und der Energiespeichereinrichtung in Reihe miteinander und parallel zu dem zu-

k geordneten Hauptthyristor und

(d) eine Einrichtung (90, 91) zur Kopplung der Gattereinrichtung des zugeordneten Hauptthyristors mit dem Verbindungspunkt (92) der Überspannungs-Detektoreinrichtung (85) und der Energiespeichereinrichtung (86),

(e) wobei die Überspannungs-Detektoreinrichtung (85) einen normalen Schaltzustand mit. hohem Widerstand besitzt und abrupt in einen stromdurchlässigen Schaltzustand mit niedrigem Widerstand einschaltbar ist, wenn die Vorspannung in Vorwärtsrichtung über den Hauptelektroden des zugeordneten Hauptthyristors sich auf einen vorgegebenen Überspan-

f nungswert erhöht,

(f) die Energiespeichereinrichtung (86) so angeordnet ist, daß sie momentan jede Stromsteigerung in derselben verhindert, wenn einmal die Detektoreinrichtung (85) zuerst bei einem tjberspannungszustand in ihren stromdurchlässigen Schaltzustand schaltet und dann der größte Teil des anfänglich von der Detektoranordnung durchgelassenen Stroms zwangsweise ein Triggersignal für die Gattereinrichtung des zugeordneten Hauptthyristors liefert, der darauf hin durch einen scharfen Gatterstoß eingeschaltet wird.

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22. Durch. Überspannung getriggertes PNPN-Halbleiterelement, dadurch. gekennzeichnet, daß es umfaßt:

(a) einen Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgend angeordneten Schichten (101-10^), wobei aneinandergrenzende Schichten verschiedenen Leitfähigkeitstyp besitzen und zwischen diesen Schichten daduich gleichrichtende Übergangsbereiche ausgebildet sind,

(b) einen Hauptstromkontakt (105)·

(c) eine Einrichtung zur Verbindung dieses Kontaktes (105) mit einer vorgegebenen Endschicht (101) des Körpers,

(d) wobei diese vorgegebene Endschicht (101) einen mittleren mit dem Kontakt (105) verbundenen Hauptbereich (Λ) besitzt, einen ersten benachbart zu der seitlichen Begrenzung des Hauptbereichs (δ) angeordneten Hilfsbereich (b) und einen zweiten außerhalb des ersten Hilfsbereichs angeordneten zweiten Hilfsbereich. (c) und alle diese Bereiche (A, B, C) benachbart sind zu der Zwischenschicht (102) des Körpers, welche an die vorgegebene Endschicht (101) grenzt,

(e) ein Ring (IO7) aus elektrisch leitendem Material in einem Abstand von dem Kontakt (105), der mit dem ersten Hilfsbereich (b) verbunden ist,

(f) wobei der zweite Hilfsbereich (c) einen seitlichen Widerstand besitzt, der merklich höher ist als dexWider stand zwischen dem Ring (IO7) und dem Kontakt (105) und

(g) der Halbleiterkörper so aufgebaut und angeordnet ist, daß er bei der Verbindung mit einer Schaltung, die einen Überspannungszustand besitzen kann, durch Leckstrom an einen Bereich der Peripherie triggerbar ist.

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23· Element nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfsbereiche (B, C) so aufgebaut und angeordnet sind, daß beim Triggern des Elementes bei einem Überspannungszus tand der anfänglich den Hauptstrom führende Stromweg diesen ersten Hilfsbereich (b) enthält und mindestens ein Teil des anfänglichen Hauptstroms ein vorläufiges Triggersignal für einen breiten, an den Kontakt (105) anschließenden Flächenbereich des Körpers bildet.

2h, Element nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine kreisringförmige Insel (109) aus elektrisch leitendem Material mit dem Umfang des zweiten Hilfsbereiches (c) verbunden 1st, und daß diese Insel einen Abstand (110) von dem Ring (107) besitzt und konzentrisch zu ihm ist·

25. Element nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Hilfsbereich (b) von dem Hauptbereich (A) durch einen Spalt (108) in der vorgegebenen Endschicht (ΙΟΙ) abgetrennt ist·

26· Element nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Zwischenschicht (102) des Körpers zwischen dem ersten Hilfsbereich (b) und dem Hauptbereich (a) freiliegt und der Ring (107·) damit verbunden ist·

27. Verbessertes PNPN-Halbleiterelement mit einer Vielzahl von Schichten aus Halbleitermaterial, die aufeinanderfolgend zwischen ersten und zweiten Metallkontakten angeordnet sind, wobei benachbarte Schichten verschiedenen Leitfähigkeitstyp besitzen und gleiohricht« .>do Übergangsbereiche dazwischen ausgebildet sind, eine erste der gegenüberliegenden Endschichten dee

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Halbloitermatorials einen mittleren Hauptboreicli besitzt, der mit dem ersten Kontakt verbunden ist und einen ringförmigen Hilfübereich, der seitlich benachbai * dazu angebracht ist, wobei dieser Hilfsbereich außerhalb des Hauptbereiches angeordnet ist und über ihm ein Ring aus olektroleitendem Material in einem Abstand von dem ersten Kontakt angebracht iat, und das Element so aufgebaut und angeordnet 1st, daß beim Anlegen einer Vorspannung in Durchlaßrichtung mit hinreichend hohem Wert zur Verursachung eines Spannungsdurchlasses des Elementes zwischen dem ersten und zweiten Kontakt, der Durchschlagvorgang in einem Bereich der Peripherie demselben beginnt, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:

einen zusätzlichen ringförmigen Hilfsbereich (c) der ersten Endschicht (101), welcher den ersten Hilfsbereich (b) umschließt und einen seitlichen Widerstand besitzt, der merklich höher ist als der Widerstand zwischen dem Ring (I07) und dem ersten Kontakt (10^

28. Halbleiterelement nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet , daß der zusätzliche Hilfsbereich (c) einen hinreichenden seitlichen Widerstand besitzt, um einen "Untertunnelungs"-Effekt zu liefern·

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