DE2154283C2

DE2154283C2 - Überspannungsschutzschaltung für ein in einer Hochspannungsstromrichteranlage betriebenes Thyristor-Stromrichterventil

Info

Publication number: DE2154283C2
Application number: DE2154283A
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: 1985-01-17
Also published as: DE2154283A1; JPS566224B2; FR2119931B1; SE375891B; JPS4710319A; FR2119931A1; US3662250A; CH557115A; IT940552B; GB1365714A

Description

spannungsstoß sine erhöhte Arbeitsgeschwindigkeit oder Ansprechgeschwindägkeit besitzen. Die Anstiegsgeschwindigkeit der Stoßspannung selbst kann mit Hufe zusätzlicher Induktivitäten begrenzt oder abgeschwächt werden, die sich in den Hauptstromleitungen zwischen den Ventilzweigen des Stromrichters und den Hochspannungsanschlüssen der Stromrichteranlage befinden. Schließlich kann man mit den Thyristoren bzw. Ventilen Induktivitäten in Reihe schalten, die beim Durchschalten die Stromanstiegsgeschwindigkeit begrenzen.

All diese Lösungsvorschläge sind jedoch mit ernsthaften Nachteilen verbunden. Zusätzliche oder größere Bauelemente und Bauteile führen zu höheren Herstellungskosten und einem größeren Platzbedarf. Außerdem erhöht sich die elektrische Verlustleistung.

Aus der BE-PS 6 53 746 ist eine Überspannungsschutzschaltung für ein Stromrichterventil bekannt, das aus zwei parallelgeschaltetcn Thyristoren besteht. Den Hauptanschlüssen des Ventils ist über eine Sperrdiode ein Ladekondensator parallelgeschaltet, und der Verbindungspunkt zwischen der Diode und dem Kondensator ist über einen zusätzlichen Thyristor mit dem Steucranschluß des Ventils verbunden. Der Steueranschluß des zusätzlichen Thyristors ist über eine Zenerdiode ebenfalls an den Verbindungspunkt zwischen der Diode und dem Ladekondensator angeschlossen. Beim Betrieb dieser Anordnung wird der Ladekondensator stets auf die maximal auftretende Vorwärtsspannung des Siromrichterventils aufgeladen. Beim Auftreten einer Oberspannung spricht die Zenerdiode an und schaltet den zusätzlichen Thyristor durch. Der sich über den durchgeschalteten zusätzlichen Thyristor entladene Kondensator zündet die beiden parallelgeschalteten Thyristoren des Stromrichterventils. Auch bei dieser Überspannungsschutzschaltung liegt zur Zeit des Zündens der Thyristoren des Stromrichterventils die volle Überspannung an den Hauptanschlüssen des Ventils an. Es treten daher die gleichen Nachteile wie bei der Überspannungsschutzschaltung nach der US-PS 34 24 948 auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Überspannungsschutzschaitung so weiterzubilden, daß zur Zeit des Durchschaltens des Thyristor-Stromrichterventils die am Ventil anliegende Überspannung auf einen die Thyrisioreigenschaften nicht beeinträchtigenden Wert abgefallen ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs t gelöst.

Die nach der Erfindung a'isgebildetc Überspannungsschutzschaitung führt drei ineinandergreifende Funktio ncnaus:

1. Sobald die Vorwärtsspannung zwischen den Hauptanschlüsse.! des Stromrichtervcntils auf einen Überspannungswert in einem vorgewählten Spannungsbereich angestiegen ist, der zwischen der normalerweise auftretenden Spitzensperrspannung in Vorwärtsrichtung und der Durchbruchsspannung des Ventils liegt, schaltet die Spannungsfühlersehaltung abrupt von einem normalen Zustand hohen Widerstands zu einem stromdurchlässigen Zustand niedrigen Widerstands mit hoher Ansprechgeschwindigkcil um. und zwar unter gleichzeitigem Zusammenbruch der an der Spannungsfühlcrschaltung anliegenden Spannung. Die- b5 scr Spannungsabfall ist mit einem entsprechenden Abfall der am Ventil anliegenden Überspannung verbunden

2. Die in der Energiespeicherschaltung mit dem Kondensator in Reihe geschaltete Induktivität verhindert eine plötzliche Aufladung des Kondensators und begrenzt den in die Energiespeicherschaltung fließenden Strom. Der mit dem Spannungszusammenbruch der Spannungsfühlerschaltung verbundene Stromimpuls wird daher zunächst nahezu vollständig in Form eines steilen Zündimpulses dem Steueranschluß des Ventils zugeführt.

3. Der sich über die Induktivität verzögert aufladende Kondensator dient im Anschluß an seine Aufladung als Energiequelle zur Erhöhung der Amplitude und Verlängerung der Zeitdauer des Zündimpulses. Dadurch wird sichergestellt, daß bei einem aus mehreren parallelgeschalteten Thyristoren aufgebauten Ventil alle Thyristoren mit Sicherheit gezündet werden.

Zur Erzielung optimaler Zündbedingungen ist bei einer bevorzugten Weiterbildung der Er'liidung die Eigenschwingungsperiodendauer des aus dein Kondensator und der Induktivität gebildeten Reihenschwingkreises in eine solche Beziehung zum Zündverzug bzw. der Zündzeit der Thyristoren gesetzt, daß auch der langsamste Thyristor einen ausreichend starken und langen Zündimpuls erhält.

Da mit dem Zusammenbruch der Spannung an der Spannungsfühlerschaltung auch die Überspannung bzw. Vorwärtsspannung am Ventil auf einen rel&iiv niedrigen Wert zusammenbricht, kann das Ventil ohne Beeinträchtigung der Thyristoreigenschaften mit einer sehr hohen Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt durchgeschaltet werden. Diese Tatsache ist für Hochstromthyristoren mit großer Fläche von ganz besonderem Vorteil, da die Kapazität der Übergangsbereiche solcher Thyristoren relativ hoch ist und bei der Zündung die schnelle Entladung dieser Kapazität zu einem merklichen Anfangsstromanstieg beiträgt. Eine Begrenzung dicker Stromanstiegskomponente durch äußere zusätzliche Schaltungsmittel ist nicht möglich.

Nacft einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung enthält die Spannungsfühlerschaltung einen oder mehrere in Reihe geschaltete Hilfsthyristoren ode^r Vierschicht-Halbleiterbauelemente. Sobald diese Hilfsschalterelemente in ihren stromdurchlässigen Zustand kippen, bricht die Vorwärtsspannung über dem Ventil zusammen. Bei diesen Hilfsschalterelementen kann es sich um sehr kleine Bauelemente handeln, da sie jeweils nur kurzzeitig stromleitend sind und deswegen bei Umgebungstemperatur betrieben werden. Die Hilfsschalterelementc können daher auch einen sehr hohen Wert für die Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt ertragen.

Bei Anwendung der Erfindung auf ein Thyristor-Stromrichterventil aus mehreren in Reihe geschalteten Thyristorstufen ist jeder Thyristorstufe eine Üc;rspannungsschutzschaltung zugeordnet. Jede Thyristorstufe kann daher schnell und sicher durchgeschaltet werden, bevor eine vorübergehende Überspannung in Vorwärtsrichtung eine zerstörerisch hohe Amplitude erreicht. Die erfindungsgemäße Überspannungsschut?.-schaltung kann auch die Funktion einer Reservezündschaltung übernehmen, wenn aus irgendeinem Grunde in irgendeiner Stufe die normale Zündschaltung versagt. Weiterhin können in Gleichstromzerhackern, Impulsmodulatoren. Wechselrichtern oder ähnlichen Anordnungen nach der Erfindung ausgebildete Überschutzschaltungen eingesetzt werden, um ausgewählte Zündschaltungcn zu ersetzen, die normalerweise zur gleich-

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zeitigen Zündung der entsprechenden Stufen des Ventils vorgesehen sind. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, einen in der Spannungsfühlerschaltung der erfindungsgemäßen Übcrspannungsschuizschaltung vorgesehenen steuerbaren Hilfsthyristor mit einem herkömmlichen Zündsignal zu zünden, beispielsweise in einer Pilottriggeranordnung.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung soll im folgenden an Hand von Zeichnungen im einzelnen erläutert werden. Es zeigt

Fig. I ein schematisches Schaltbild eines aus mehreren parallelgeschaltetcn Thyristoren aufgebauten Stromrichtervcntils mit einem Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Übcrspannungsschutzschaltung,

Fig. 2 zeitliche Verläufe bestimmter Spannungen und Ströme in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,

Fig.3 eine Teildraufsicht eines in der Überspannungsschutzschaltung nach F i jj. I vorzugsweise benutzten Haibleiterelcmcnts,

Fig.4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Halbleiterelements nach F i g. 3.

F i g. 4A und 4B geschnittene Seitenansichten von Ausschnitten zweier abgeänderter Ausführungsformen des Halbleiterelements nach F i g. 4.

Ein in Fig.) als Anwendungsbeispiel dargestelltes Thyristor-Stromrichtervcntil besteht aus vier einzelnen Hauptthyristoren 71,72,73 und 74, die unmittelbar miteinander parallel geschaltet sind. Jeder dieser vier Hauptthyristoren ist eine Hochleistungsanordnung mit relativ großen Abmessungen. Beispielsweise kann jeder Thyristor ein zylindrisches Isolatorgchäusc besitzen, dessen Außendurchmesser etwa 5 cm und dessen axiale Länge etwa 2,5 cm beträgt. Alle vier Thyristoren 71 bis 74 können räumlich in einer einzelnen Druckanordnung untergebracht 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 F i g. I gezeigt sind. Der Leiter 75 stellt eine gemeinsame Wärmesenke benachbart zu den Anoden der Thyristoren 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 Lcistungsschaltung verbunden werden können. So können beispielsweise die parallclgeschalteten Thyristoren 71 bis 74 einen der Thyristorabschnitte in einer Stromrichteranordnung nach der DE-OS 20 63 436 bilden.

Jeder der Hauptthyristoren 71 bis 74 ist mit einer Zündeinrichtung versehen, die den Thyristor durchschaltet, wenn ein brauchbares Steuersignal zugeführt wird bei Anwesenheit einer Vorwärtsspannung an den Hauptelektroden. Obwohl die Zündeinrichtung andere bekannte Formen annehmen kann, ist sie in F i g. 1 symbolisch als Steuerelektrode dargestellt, die auf einen Zündstromimpuis geeigneter Polarität. Amplitude und Dauer anspricht Die Steuerelektroden aller vier Thyristoren 71 bis 74 sind über Stromaufteilungswiderstände 81,82,83 und 84 mit zugehörigen Steueranschlüssen 49 verbunden, an die periodisch ein Zündsignal von einer äußeren Zündschaltung gelegt wird. Die Widerstandswcric der jeweiligen Widerslände 81 bis 84 sind so ausgewählt, daß sie die Angleichung der Einschalt/cit der vier Thyristoren unterstützen, wenn diese durch eine relativ geringe Anodenspannung in Durchlaßrichtung vorgespannt sind. In F i g. 1 ist der Gcsamtanodcnslrom. welcher bei eingeschalteten Thyristoren durch die Thyristoranordnung fließt, mit i_A bezeichnet

Wie bereits erläutert, können die Thyristoren 71 bis 74 eingeschaltet werden, ohne daß ihren Stcuerclcktroden ein Zündsignal zugeführt wird, und /war jedesmal dann, wenn die momcnune Amplitude der Vorwärts-■; spannung sich auf einen Wert erhöht, der genügend weil über der normalerweise zugeführtcn Spiizcnsperrspannung in Vorwärlsrichtung liegt und einen Spannungsdurchbruch verursacht. So kann beispielsweise bei einem Hoch.spanniingsthyristor mit einem Nennwert der

ι» Spilzensperrspannung in Vorwärtsrichtung von 2600 V ein Spannungsdiirchbruch auftrcicn, wenn seine Vorwärtsspannung einen Wert von etwa 3000 V erreicht. Diese ArI der F.insehultung ist unerwünscht, weil sie den Thyristor einer ernsthaften Beschädigung aussetzt, wenn der Anfangswcrl von di/di groß ist. Wenn zunächst einer der parallelen Thyristoren 71 bis 74 ungefährdet eine solche Einschaltung überlebt, könnte er anschließend durch einen übermäßig hohen Strom beschädigt werden, wenn die Parallcllhyristorcn wegen des Zusammenbruchs der Anodenspannung beim Einschalten des ersten Thyristors überhaupt nicht durchschalten und daher anschließend nicht ihren Anteil von ;,» übernehmen. ErfindungsgcmaU wird die Gefahr eines Spannungsdurchbruches vermieden durch Verwendung ei-

ner Übcrspannungsschuizschaltung70nach (·'ig. 1.

Wie- aus Fig. 1 ersichtlich, umfaßt die Überspan· nungsschuizschaltung 70 gemäß der Erfindung eine Überspannungsfühlcrschaltung 85, die in Reihe mit einer Energicspcicherschaltung 86 zwischen einen ersten

jo und zweiten Anschluß 87 und 88 geschaltet ist. Der erste Anschluß 87 ist mit dem Anodcnleiier 75 der Hauptthyristoren 71 bis 74 verbunden, und der zweite Anschluß 88 ist mit dem Kathodcnlciter 76 verbunden. Dadurch ist die Serienkombination aus Überspannungsfühler-

j5 schaltung 85 und Energicspeicherschaltung 86 parallelgeschaltet zu der parallelen Anordnung aus den Hauptthyristoren 7! bis 74. Die Schutzschaitung 70 besitzt auch noch einen dritten Anschluß 89, der über eine Isolationsdiodc 90 und einen Widerstand 91 mit dem Verbindungspunkl 92 zwischen den beiden Schaltungen 85 und 86 verbunden ist. Die Steucrelektrodcn der Hauplihyristoren 71 bis 74 sind alle mittels eines Leiters 93 an den Anschluß 89 angeschlossen.

Beim normalen Betrieb besteht die Aufgabe der Überspannungsfühlerschaltung 85 darin, einen Betriebszustand mit einem sehr hohen Widerstand zu besitzen. Die dieser Schaltung aufgeprägte Spannung wird daher im wesentlichen gleich groß sein wie die jeweils den Hauptthyristoren 71 bis 74 zugeführte Spannung.

Wenn jedoch die Spannung sich auf einen Wert r-höht der anzeigt, daß die Vorwärlsspannung an den Parallelthyristoren einen Schwellwert erreicht hat, der höher ist als die normalerweise zugeführte Spitzensperrspannung in Vorwärtsrichtung, aber niedriger als die Durchbruchspannung der Hauptthyristoren, dann wird die Schaltung 85 abrupt in einen Schaltzustand mit niedrigem Widerstand und mit einsinnig gerichtetem Stromdurchlaß umschalten. Bei dieser Art des Betriebs liefert die Überspannungsschutzschaltung 85 sofort einen steil

ω ansteigenden Stromimpuls durch die Anschlüsse 87 und 89, und dieser Stromimpuls sorgt für ein Zündsignal (i_f) an den Steuerelektroden der Hauptthyristoren 71 bis 74. Infolgedessen werden die Hauptthyrisioren durch einen steilen Zündimpuls gezündet, bevor die Vorwärtsspan-

b5 nung den kritischen Durchbrucnsweri erreichen kann.

Die Encrgiespcichcrschaltung 86 der Schutzschaltung 70 umfaßt einen Kondensator 94 in Reihe mit einer Spule 95, die einer momentanen Stromerhöhung in der

IjiergicspcidicrschHllimg entgegenwirkt, wenn die UbeispiiniHingsfuhlcrschaltung 85 zuerst in ihren Miomdurchlassigen /usuiiul umschaltet. Dailtirch wird der größte Teil des ursprünglich von der l'ühleischallung geführten Stroms gezwungen, das üben beschriebene Zündsignal zu liefern. Wahlweise kann zur Verringerung der Amplitude dieses Zündsignals ein Widerstand 9fc ;m Nebenschluß zu dem Kondensator 94 und der Spule 95 geschaltet sein. Obwohl die Spule 95 mit einem Luftkern gezeigt ist, kann sie gewünschtenfalls einen magnctisicrbaren oder Sättigungskern besitzen.

Sobald mindestens einer der Haupithyristoren durchgeschaltet ist. wird der Strom von der parallel liegenden Überspannungssehutzschallung 85 abgeleitet und fließt mil sich schnell erhöhender Amplitude durch den durchgcschalteten Hauptthyristor. Die daraus resultierende große Anstiegsgeschwindigkeit des Anodenstroms kann in dem durchgeschalteten Hauptthyristor ungefährdet zugelassen werden, da seine ÄMouerispanfiurig /ur ZcU der Zündung auf eine relativ geringe Amplitude abgefallen ist, und zwar infolge des vorhergehenden Schaltvorgangs der Überspannungsfühlerschaltung 85. Die Überspannungsfühlerschaltung selbst kann einen relativ hohen Wert von di/dt ertragen wegen ihres relativ kurzen Siromdurchiaßinlervalls.

Jede bekannte Einrichtung oder Schaltung mit den vorgeschriebenen Eigenschaften kann zur Ausbildung der Überspannungsfühlerschaltung 85 verwendet werden. Gewünschtenfalls kann die Fühler- und Schalterfunktion dieses Teils der Schutzschaltung durch zwei getrennte parallele Komponenten ausgeführt werden. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden jedoch beide Funktionen durch eine Reihenkombination von einsinnig stromdurchlassenden Einrichtungen 97, 98 ausgeführt. Diese Einrichtungen sind so gepolt, daß sie den Strom in der gleichen Richtung durchlassen wie die parallelen Haup'.ihyrisioren 7! bis 74. Die Einrichtungen 97 sind PNPN-Halbleitcrschalterelemcnte. In Fig. 1 sind zwei dieser Einrichtungen 97 gezeigt. Es können jedoch in der Praxis eine größere oder kleinere Zahl verwendet werden. Obwohl diese letztgenannten Elemente einen Stapel einzelner HaIblciterplättchcn in einem gemeinsamen Gehäuse umfassen, kann auch eine Vielzahl getrennter und einzelner Hilfsthyristoren verwendet werden, die, wie gezeigt, in Reihe mit gleicher Polung miteinander verbunden sind. Vorzugsweise ist die Einrichtung 98 eine einfache Diode in Reihe dazu ist eine Spuie 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 74. Ihre charakteristische Durchbruchspannung ist ein festgelegter Bruchteil der Gesamtspannung, die an der Fühlerschaltung 85 liegt, wenn die Anodenspannung an den Hauptthyristoren die vorgenannte Schweliwertamplitude erreicht. Die vorgegebenen Spannungsanteile aller Einrichtungen 97 sind jeweils so gewählt, daß ihre Summe gleich diesem Gesamtwert ist Bei einer Ausführungsform der Erfindung wurde beispielsweise dieses Ergebnis erreicht durch Verwendung einer Reihenschaltung von drei Thyristoren des Typs General Elektric Reihe C-140, welche jeweils einen durchschnittlichen Nennwert für den Vorwärtsstrom von 22 A und für die StoSspitzcnspanrsung in Rückwärtsrichtung von 500 V besaßen. Solche Einrichtungen können im Spannungsdurchbruchbetrieb getriggert oder eingeschaltet werden, indem über ihren jeweiligen Hauptelektroden eine Vorwarisspunnung angelegt wird, die sich dem Wert von 700 V nahen. Bei diesem Beispiel beträgt die Spil/.cnspcrrspiinnung in Vorwürtsrichtung, welche normalerweise an den Hnupuhyristoren 71 bis 74 angelegt wird, weniger als 200(1 V. und daher bleibt jeder der Hilfsthyristoren 97 normalweisc in seinem gesperrten Schaltzustand mit hohem Widerstand. Sobald jedoch die Spannung an den Hauptthyristoren den obengenannten Schwellwcrt (d.h. 2100 V) erreicht, tritt jeder

ίο der Hilfsthyristoren in Tätigkeit und schaltet abrupt auf einen stromdurchlässigen Zustand mit niedrigem Widerstand um. Wenn ein höherer Schwellwert erwünscht ist (beispielsweise 2250 V), dann ist es zweckmäßig, hierzu nur einen der vorgenannten Thyristoren des Typs C-140 in Reihe mit einem Thyristor des Typs General Elektric C 137 zu verwenden, der etwa die gleiche Größe und Strombelastung besitzt wie der Thyristor C-140, aber einen höheren Wert für die Spitzenspannung in Rückwärisrichiüüg (JOOCV) und eine Darchbruchs spannung in Vorwärtsrichtung von angenähert 1600V hat.

Die oben beschriebene Anordnung ergibt eine Anzahl von praktischen Vorteilen. Die Hilfsthyristoren 97 sind einzeln relativ klein und billig. Beispielsweise be· sitzt das Gehäuse für jede Einrichtung 97 einen Durchmesser von nur etwa 1,2 cm 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 Hauptthy ristoren infolge eines Kondensatorladestroms zwischen den Anschlüssen 87 und 89 mit der Annäherung der Anodenspannung an den Schwellwert vermieden. In erwünschter Weise und besonders bei niedrigen Temperaturen ist die dv/dt-Fähigkeit solcher Einrichtungen groß. Diese Thyristoren fallen einzeln unter die Kategorie von Niederspannungseinrichtungen und können daher bei einem Spannungsdurchbruch ungefährdet mit relativ hohem Wert für di/dt einschalten. Durch Verbindung von einer oder mehreren Dioden 98 in Reihe mit den Hilfsthyristoren 97 wird gewährleistet, daß die Nennsperrspannung in Rückwärtsrichtung für die Überspannungsfühlerschaltung 85 diejenige der dazu parallelen Hauptthyristoren 71 bis 74 übersteigt. Die zusätzlichen Dioden können einen geringen Durch schnittswert für den Nennstrom in Vorwärtsrichtung besitzen, beispielsweise 3 A.

Zur weiteren Erläuterung und Klarstellung der Erfindung dient F i g. 2, welche die Arbeitsweise einer Überspannungsschutzschaltung nach der vorstehenden Be- Schreibung veranschaulicht. Es wird angenommen, daß vor dem Zeitpunkt null in F i g. 2 alle Hauptthyristoren 71 bis 74 und die Hilfsthyristoren 97 in F i g. 1 gesperrt sind und daß die Anodenspannung ν über den Hauptihyristoren 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 Erhö hung proportional zur Steilheit des Spannungsstoßes, die Parameter der Schutzschaltung 70 sind jedoch so selektiv, daß für einen beliebigen Wert von dv/dt innerhalb gegebener Grenzen der Wert, bei dem die Triggerung tatsächlich erfolgt, in einem Bereich liegt, dessen Minimum höher ist als die normalerweise zugeführte Spilzensperrspannung in Vorwärtsrichtung und dessen Maximum kleiner ist als der Wert der Vorwärtsspannung, welcher einen Spannungsdurchbruch der Haupt-

thyristoren verursacht.) Bei der Triggerung in dieser Betriebsart schalten die Hilfst hy ristoren 97 abrupt in Schaltzustände mit niedrigem Widerstand um. in denen sie nicht mehr länger die zugeführte Spannung halten können, und innerhalb eines Bruchteils einer Mikrosekunde bricht die Spannung v, wie gezeigt, auf einen relativ niedrigfn Wert zusammen. Der Strom durch die Hilfsthyristore« erhöht sich jetzt sehr schnell. Da jegliche Stromerhöhung in der Energiespeicherschaltung 86 der Schutzschaltung 70 momentan durch die Spule 95 gehemmt wird, wird der größte Teil des am Anfang durch die Hilfsthyristoren durchgelassenen Stroms gezwungen, zu dem Zündstrom \_t beizutragen, der vom Anschluß 89 zum Kathodenleiter 76 über den Leiter 93 und die Zündeinrichtung der Hauptthyristoren 71 bis 74 fließt.

Von dem Zeitpunkt null bis zum Zeitpunkt d in F i g. 2 wird der gesamte durch die Anordnung nach F i g. 1 fließende Strom i> durch die Hilfsthyristoren 97 geleitet. Die anfängliche Anstiegsgeschwindigkeit von /> hängt von dem äußeren System ab, aus dem dieser Strom entnommen wird, und ist weiterhin begrenzt durch die Spule 99 in der Schutzschaltung 70. Zu diesem Zweck kann die Spule 99 eine Induktivität im Bereich von 5 bis 40 Mikrohenry besitzen. Alternativ könnte sie gcwünschtenfalls weggelassen werden. Es wird hierbei daran erinnert, daß die einzeln betrachteten Hilfsthyristoren keine 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 daher bei Umgebungstemperatur arbeiten können; hierdurch werden ihre Fähigkeiten zur Aufnahme hoher Werte von di/dt noch weiter verbessert.

An dem Verbindungspunkt 92 der Hilfsthyristoren 97 und der Energiespeicherschaltung 86 teilt sich der Gesamtstrom i_T zwischen der Schaltung 86 und den Zündstromwegen der Hauptthyristoren auf. Wie gezeigt, steigt der Zündstrom i_f steil von null aus an (es ist hier zu beachten, daß in der F i p. 2 der Strommaßstab für i_f im Vergleich zu dem Maßstab für /r vergrößert ist). Gleichzeitig wird der Kondensator 94 in der Energiespcicherschaltung 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 ein ansteigender Wert der Vorwärtsspannung ν in Durchlaßrichtung aufgeprägt. Der Strom in der Energiespeicherschaltung 86 besitzt den Charakter einer Schwingung, und die Parameter des Kondensators 94 und der Spule 95 werden so ausgewählt, daß eine Halbperiode ihrer Eigenschwingung im Bereich von etwa 2 bis 8 Mikrosekunden liegt Beispielsweise könnte ein Kondensator von 0,) Mikrofarad und eine Spule von 25 Mikrohenry verwendet werden.

Nachdem die Hauptthyristoren 71 bis 74 in einem kurzen Intervall, das typischerweise in der Größenordnung von 2 Mikrosekunden liegt und als Zündverzug bekannt ist, mit Zündstrom versorgt wurden, wird mindestens eine dieser Einrichtungen einschalten und der Durchfluß von Anodenstrom U beginnt Zu diesem Zeitpunkt fi in F i g. 2 ist der Zündstrom i_f auf einen beträchtlichen Wert angestiegen (beispielsweise Ϊ5Α). Wenn ein geringerer Zündstrom erwünscht ist, kann, wie mit gestrichelten Linien in F i g. 1 angedeutet, ein Widerstand 96 im Nebenschluß zur Energiespeicherschaltung 86 geschaltet werden. Wie aus F i g. 2 ersicht lich, ist die Vors|'Innung ν in Vorwärtsrichtung an den Hauptthyristoren zum Zeitpunkt t\ noch gering und steigt weiter an. Wegen des scharfen Zündimpulses oder -Stoßes, der von der Übcrspannungsschutzschaltung gc liefert wird, sowie der verringerten Anodenspannung und dem positiven dv/dt kann der zunächst eingeschaltete Hauptthyrislor ungefährdet den hohen Wert von di/dt tolerieren, der sich ergibt, wenn der zunächst die Schaltung 70 durchfließende Strom h übergeht auf den

to bevorzugten Strom weg, weicher dieser Thyristor bildet. Die F i g. 2 zeigt deutlich den anfänglichen steilen Anstieg des Anodenstroms i.\. Der Zündstrom i_r beginnt abzusinken, und der Strom in der Energiespeichcrschaltung 86 wird auf null schwingen und sich umkehren. Die Energicspeichcrschaltung der Schutzschaltung 70 dient jetzt als Quelle oder Generator des Zündstromes i_f und hält dadurch ein Zündsignal hinreichender Amplitude und Dauer aufrecht, um ein erfolgreiches Einschulten aller Hauptthyristoren 71 bis 74 für den Fall zu gewähr leisten, 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 h in Fig.2 bezeichnet. Wenn der in Rückwärtsrichtung fließende Erholslrom in den Hilfsthyristoren aufhört, dann erhöht sich, wie gezeigt, der Strom i„ abrupt. Danach wird der gesamte verbleibende Entladestrom vom Kondensator 94 in der Energiespeicherschaltung 86 durch die Steuer- Kathoden-Strecken der Hauptthyristoren fließen. Die Zündstromschwingungcn werden gedämpft durch einen Widerstand 91 (beispielsweise 30 Ohm).

Während des vorbeschriebenen Ablaufs liefert die Schutzschaltung 70 zwei aufeinanderfolgende Zündim pulse an die parallel dazu geschalteten Hauptthyristo ren 71 bis 74. Die erste Welle des Zündstroms steigt steil an und triggert schnell mindestens einem der Haupuhyristorcn. Dieser folgt eine weitere starke Welle, weiche den Einschaltvorgang des langsamsten Thyristors in der parallelen Anordnung fördert. Beide Einschaltvorgänge treten auf, nachdem die Vorwärtsspannung über den Hauptthyristoren auf einen relativ geringen ungefährlichen Wert zusammengebrochen ist. Daher werden die Hauptthyristoren durch die Hilfsthyristoren vor dem Schock geschützt der durch ein Einschalten mit hoher Anodenspannung hervorgerufen wird. Die Hilfsthyristoren ihrerseits werden durch die Hauptthyristoren vor einer Überhitzung geschützt Mindestens einer der Hauptthyristoren wird mit einer so kurzen Verzöge rungszeit einschalten, daß er schnell die Belastung der Hilfsthyristoren durch Verbraucherstrom wegnimmt

Durch Verwendung der erläuterten Überspannungschutzschaltung und der damit verbundenen Vorteile, beispielsweise bei einer Thyristor-Stromrichteranord nung nach dsr DE-OS 20 63 436 mit einem vorgegebe nen Nennwert für die zu schaltende Hochspannung, wird eine geringere Anzahl in Reihe geschalteter Hauptthyristoren benötigt, die Induktivität im Hauptstromzweig liegender sättigbarer Drosselspulen kann geringer sein und gewisse vorbekannte Hilfskomponenten können bezüglich ihrer Abmessungen verringert oder ganz weggelassen werden. Beispielsweise können in den Wechselstromzuleitungen der Siromrichterbrükke liegende Drosselspulen zur Begrenzung der Größe dv/dt viel kleiner ausgeführt werden, und den einzelnen Thyristorabschnitten der Stromrichterbrücke parallelgeschaltelc Abstufungskondensatoren könne,; weggelassen werden. Ebenso können Kondensatoren entfal-

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lon, die die Reihenfolge der Durchschaltung der in Reihe liegenden Thyristorabschnitte beim Aullretcn eines abnormal hohen Vorwärtsspannungsstoßcs steuern.

.^s wurde gefunden, daß eine Ventilanordnung, welche mit der erfindungsgemäßen Schutzschaltung ausgestattet ist, gewünschtcnfalls ohne Schädigungsgefahr auf einer wiederholten Basis mit 60 Hz eingeschaltet werden kann. Dies gibt die Möglichkeit, mindestens einen Teil der äußeren Zündtreiberschaltungen /u beseitigen, die gewöhnlich den jeweiligen Matrizen der Ventilanordnungcn zugeordnet sind. Bei gewissen Anwendungen (beispielsweise bei Wechselrichtern) kann es vorteilhaft sein, die erfindungsgemäße Schallung zur normalen Steuerung der Ventilanordnung zu verwenden. In diesem Falle können die Zündsignale anstatt den Steueranschlüssen der Hauptthyristoren 71 bis 74 den Steueranschlüssen der Hilfsthyristoren 97 zugeführt werden.

Wenn die Überspannungsschutzschaltung in der vorgeschriebenen Weise aufgebaut und angeordnet :si. arbeitet sie vollständig zufriedenstellend. Trotzdem können gewisse Vero-isserungcn dadurch erhalten werden, daß für die cinsinnig Strom durchlassenden Einrichtungen 97 ein Hilfsthyristor verwendet wird, welcher die Eigenschaften besitzt, wie sie im US-Patent 34 08 445 beschrieben sind. Eine noch idealere Arbeitsweise ergibt sich, wenn besondere durch Überspannung getriggerte Schaltelemente verwendet werden, deren VW Charakteristiken für diesen Anwendungsfall optimiert sind. Eine solche Einrichtung ist in den F i g. 3 und 4 gezeigt.

F i g. 3 ist eine Ansicht einer Hälfte eines scheibenförmigen PNPN-Halbleitcrelemcntes 100, und Fig.4 ist ein Teilschnitt (nicht maßstabsgetreu) der linken Hälfte des Elementes nach F i g. 3. Es werden nachstehend nur die wesentlichen Teile der dargestellten Ausführungsform des Elementes 100 beschrieben. Der Fachmann wird !eicht 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.

Das Sondcrelemeni 100 nach den F i g. 3 und 4 umfaßt einen Körper aus Halbleitermaterial (beispielsweise Silizium) mit vier aufeinanderfolgenden Schichten oder Zonen 101, 102, 103 und 104. Dabei besitzen ancinandergrenzendc Schichten einen verschiedenen Leitfähigkeitstyp. So besitzt beispielsweise die Endschicht oder 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 Endschicht besitzt 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 Ubergangsbereich oder Kontakt mit niedrigem Widerstand bildet. Dieser Komakt 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. Ip. dieser Weise aufgebaut, stellt das Element !00 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 S05 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

κι 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 Kreisring 107 aus elektrisch leitendem Material (beispielsweise Gold) verbunden, der durch einen Kanal 108 einen Abstend von der Kathode 105 besitzt. Der äußerste Hilfsbereich C umschließt den Bereich B und besitzt vorzugsweise einen mit ihm verbundenen Kreisring 109 oder eine Insel aus elektrisch leitendem Material, das durch einen Ksnsl! 10 einen Abstand voⁿ A&rn ßjn<x 1Ω7 hat.

Die Hilfsbereite B und Γ der Endschicht 101 sind charakterisiert durch relativ hohe seitliche (laterale) Widerstände, wobei der seitliche Widerstand des äußeren Bereiches Cerheblich 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 Abmes-

jo sungen.

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 des Plätt-

j5 chens 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 d~r 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 Plättchens vorgesehen ist.

Wenn die an der Anode eines gesperrten Elementes

100 zugeführte Vorspannung in Vorwärtsrichtung sich auf einen festgelegten kritischen Wert erhöht, erleidet das Element einen Spannungsdurchbruch. Dies geschieht deswegen, weil der über die Oberfläche des

so 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 einen kleinen peripheren Bereich des Plättchens zu triggern. 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 Anfang den Hauptstrom leitet, ent-

bo hält den Hilfsbereich S, welcher in der Endschicht 101 zwischen dem ersten stromführenden Umfangsbereich 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 fließen, der zwischen der angrenzenden P-Schicht 102 und dem 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 einer !.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 Hochspannungsdurchbruchs auf einem anfänglich kleinen Bereich in dem Innern des Elementes 100 in einen Vorgang nach Art einer Steuerelektrodenzündung mit niedrigerer Spannung und größerem Bereich überführt welcher in entscheidender Weise die dt/dt-Eigenschaft des Elementes für das Einschalten verbessert.

Gemäß der Erfindung ist zu der beschriebenen Einrichtung der Hilfsbereich C hinzugefügt um die Möglichkeit einer fehlerhaften Arbeitsweise infolge einer an sich möglichen Wirkung zu verhindern, welche »Untertunnelung« (»underpass«) genannt wird. Der Hilfsbereich C ist so aufgebaut und angeordnet, daß cL-r 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 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 Hauptbereichs 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 die 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 Cfür den Effekt einer Untcrtunnelung anfällig gemacht wird. Beispielsweise kann bei einem Hochspannungsplättchen mit großem Querschnitt (beispielsweise Durchmesser 33 mm) der seitliche Widerstand des Hilfsbereichs B von der Größenordnung 1,0 Ohm gemacht werden (gemessen zwischen der Kathode 105 und dem Ring 107) und der seitliche Widerstand des Hilfsbereichcs C kann viel größer sein, beispielsweise 50 Ohm (gemessen zwischen den Ringen 107 und 109). In der dargestellten Ausführungsform wurde dieses Ergebnis erhalten durch Steuerung der Abmessungen der Kanäle 108 und 110, welche vorzugsweise durch bekannte Ätzverfahren ausgebildet werden. Insbesondere wurde die Breite (radiale Abmessung) des Kanals 108 kleiner gemacht als I mm, die Breite des Ringes 107 war größer als 0,5 mm, die Breite des Kanals 110 war größer als I mm und die Breite des Rings 103 war kleiner als ip mm. Auf diese Weise wird praktisch gewährleistet daß ein ausreichender Teil des Leckstroms es stets vorziehen wird, den PN-Übcrgangsbereich zwischen der P-Schicht 102 und dem Hilfsbereich ßdes Emitters zu kreuzen und eine doppelte Triggerung zu bewirken. Es ist bedeutend schwieriger, dieses Ergebnis mit Sicherheit bei einem Elemen). 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 Durchbrach.

Bei einem PNPN-Elemenl von einer vorgegebenen Gesamlgröße bedeutet die Zufügung des Hilfsbereiches

ίο C eine Verringerung des Durchmessers und damit der aktiven Räche der Kathode 105. Dadurch wird der Nennwert des Hauptstroms für das Element verringert Dies ist jedoch kein Nachteil bei der Schaltung 85 für Überspannungserfassung und Schalterwirkung, 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 Normalstroins 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 109 bei dem Hilfsbereich C weggelassen. Dies ist in F i g. 4A darge stellt, welche einen Teilschnitt des Elementes zeigt, das in anderer Hinsicht ähnlich ist dem Element nach F i g. 4. Ein Ringkanal 110' erstreckt sich über die volle Breite des Umfangs verringerter Tiefe der Endschicht 101 vom N-Typ. Der Kanal 110' definiert den Hilfsbereich C in der Ausführungsform des Elementes nach Fig.4, und dieser Bereich liefert den zuvor erwähnten Untcrlunnelungscffckl.

Eine andere Modifikation des Elementes ist in F i g. 4 dargestellt welche einen vergrößerten Teilschnitt eines modifizierten Hilfsbereiches β zeigt In diesem Falle besitzt der elektrisch leitende Ring 107' einen Abstand vor der Kathode 105 durch einen Ringkanal des Spaltes 108', der sich bis zur Zwischenschicht 102 vom P-Typ erstreckt und dadurch die Endschicht vom N-Typ in zwei Teile 101a und 1016 unterteilt. Der Teil 101a ist der Hauptbereich A der Endschicht, und der seitlich versetzte Teil 101 b ist der Hilfsbereich B der gleichen Endschicht. In der Art eines »Pilotgatters« (pilot gate) ist der elektrisch leitende Ring 107' in unmittelbaren Kon takt mit einem Teil der P-Schicht 102 gebracht, welche zwischen 101a und 101 £> frei liegt Die Arbeitsweise dieser Abwandlung der erfindungsgemäßen Anordnung isi im wesentlichen die gleiche wie zuvor im Zusammenhang mit den Fig.3 und 4 beschrieben. Der Ring 107 und die Kathode 105 können gewünschtenfalls in an siel' bekannter Weise ineinandergreifend angeordnet werden. Dies gilt auch für die übrigen Ausführungsformen und die in dieser Beschreibung verwendeten Begriffe »Kreisring« und »Ring« sollen daher nicht auf rcir kreisförmige Gestaltungen beschränkt sein.

Es ist wichtig, daß das Element 100 eine gute dv/dt Charakteristik besitzt und der Fachmann wird da hei erkennen, daß das Element durch die bekannten Diffu sionslcgieriingsvcrfahrcn hergestellt werden kann, oder wenn nur die Diffusion verwendet wird, sollte es mi einem kurzgeschlossenen Emitter ausgestattet werden.

Der Fachmann wird leicht erkennen, dal! auch nnclen

neben den beispielhaft dargestellten Au.sführiingsfor

21 54 283 15	10	16
men möglich sind. Beispielsweise kann die Überspan nungsschutzschaltung 70 vorteilhafterweise dazu ver wendet werden, andere Arten von Einrichtungen oder Schaltern zu schützen, welche ähnliche Eigenschaften besitzen, wie die zuvor beschriebenen Hauptthyristoren 5 71 bis 74.	15
Hierzu ! Blatt Zeichnungen	20
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W)

Claims

1 2 lional stromleitendes Bauelement (97) aufweist, das Patentansprüche: normalerweise einen hohen Widerstand hat und bei einen vorbestimmten Wert überschreitenden Span-

1. Überspannungsschutzschaltung für ein in einer nung schnell und abrupt auf einen kleinen Wider-Hochspannungsstromrichteranlage betriebenes 5 standswert mit begleitendem Zusammenbruch der Thyristor-Stromrichterventil aus einem oder mehre- Spannung umschaltet.

ren parallelgeschalteten Thyristoren, enthaltend ei- 9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekenn-

ne dem Stromrichterventil parallelgeschaltete Rei- zeichnet, daß das Bauelement ein Hilfsthyris-'or (97)

henschaltung aus einer unidirektional stromleiten- ist.

den Spannungsfühlerschaltung und einer einen Kon- 10 10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekenndensator aufweisenden Energiespeicherschaltung, zeichnet, daß die Durchbruchsspannung des Hilfswobei der Verbindungspunkt zwischen der Span- thyristors oder die Summe der einzelnen Durchnungsfühlerschaltung und der Energiespeicherschal- bruchsspannungen mehrerer in Reihe geschalteter tung mit dem Steueranschluß des Stromrichterven- Hilfsthyristoren (97) gleich der Schwellwertspanrils verbunden ist und die Spannungsfühlerschaltung 15 nung ist. beim Überschreiten einer vorbestimmten Schwell wertspannung von einem Stromsperrzustand in ei-

nen Stromdurchlaßzustand übergeht, dadurch gekennzeichnet,

daß die S&oanungsfühlerschaltung (85) so ausgebil- 20 Die Erfindung bezieht sich auf eine Übcrspannungsdet ist, daß der Übergang vom Stromsperrzustand in schutzschaltung für ein in einer Hochspannungsstromden Stromdurchlaßzustand ein Kippvorgang ist, bei richteranlage betriebenes Thyristor-Stromrichterventil dem die an der Spannungsfühlerschaltung (85) anlie- nach dem Oberbegriff des Anspruchs I. gende Spannung zusammenbricht, und Eine derartige Überspannungsschutzschaltung ist aus daß die Energiespeicherschaltung (86) eine mit dem 25 der US-PS 34 24 948 bekannt, allerdings für ein Strom-Kondensator (94) in Reihe geschaltete Induktivität richterventil, das lediglich aus einem einzigen Thyristor (95) aufweist, die beim Umschalten der Spannungs- aufgebaut ist. Bei dieser bekannten Überspannungsfühlerschaltung (85) vom Stromsperrzustand in den schutzschaltung besteht die Energiespeicherschaltung Stromdurchlaßzustand einem momentanen Strom- im wesentlichen aus einem Kondensator, und die Spananstieg in der Energiespeicherschaltung (86) entge- 30 nungsfühlerschaltiitvg ist eine Reihenschaltung aus einer genwirkt. Zenerdiode und einer in der Durchbruchsrichtung der

2. Schalung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Zenerdiode gepolten Diode. Der Verbmdungspunkt zeichnet, daß die Eigei.schwingungsperiodendauer zwischen dem Kondensator und der Diodenreihenschaldes aus dem Kondensator (94) -nd der Induktivität tung ist über eine Shockley-Diode mit dem Steucran-(95) der Energiespeicherschaltung (86) gebildeten js schiuß des Thyristors verbunden. Überschreitet die Vor-LC-Reihenschwingkreises in einer solchen Bezie- wärtsspannung zwischen den Hauptanschlüssen des hung zum Zündverzug der Thyristoren (71 bis 74) Thyristors einen vorbestimmten Wert, bricht die Zenersteht. daß nach der Durchschaltung wenigstens eines diode unter Beibehaltung der an ihr abfallenden Spander Thyristoren das Zündsignal eine zur Durchschal- nung durch und der Kondensator wird geladen. Sobald tung aller Thyristoren (71 bis 74) ausreichende Am- 40 die Ladespannung des Kondensators die Durchbruchsplitude und Zeitdauer hat. spannung der Shockley-Diode erreicht, bricht diese

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- Diode durch, und der Thyristor wird gezündet. Zur Zeit kennzeichnet, daß die Schwellwertspannung höher der Zündung des Thyristors liegt jedoch die volle Überais der Nennwert der Spitzensperrspannung in Vor- spannung am Thyristor an, die sich aus der Zenerdurchwärtsrichtung und kleiner als die Vorwärtsdurch- 45 bruchsspannung und der der Durchbruchsspannung der bruchspannung der Thyristoren (71 bis 74) ist. Shockley-Diode entsprechenden Kondensatorlade-

4. Schaltung nach einem der vorstehenden An- spannung zusammensetzt. Beim Durchschalten des Thysprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wider- ristors tritt daher i:i Verbindung mit einer überhohen stand (91) zwischen den Verbindungspunkt (92) der Vorwärtsspannung eine sehr hohe Stromanstiegsge-Spannungsfühler- und Encrgicspeicherschaltung ei- 50 schwindigkcit di/dt auf. Dieser Betriebszustand kann zu nerseits und den Steueranschluß (89,93) des Strom- einer bleibenden Beeinträchtigung der Eigenschaften richterventils andererseits geschaltet ist. des Thyristors führen.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- Eine Möglichkeit zur Überwindung der aufgezeigten zeichnet, daß mit dem Widerstand (91) eine Trenn- Problematik besteht beispielsweise darin, in der Hochdiode (90) in Reihe geschaltet ist. 55 spannungsrichteranlage eine größere Anzahl in Reihe

6. Schaltung nach einem der vorstehenden An- geschalteter Thyristoren vorzusehen, als es zur sicheren Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Span- Handhabung der maximal auftretenden Spitzensperrnungsfühlerschaltung (85) eine Induktivität (99) in spannung erforderlich ist. Diese Lösung ist jedoch äu-Reihe mit den übrigen Bauelementen der Span- ßerst kostenaufwendig und führt zu einer Herabsetzung nungsfühlerschaltung geschaltet ist. 6ö des Belriebswirkungsgrads. Man hai daher auch bereiis

7. Schaltung nach einem der vorstehenden An- andere Lösungswege in den verschiedensten Kombinasprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ener- tionen vorgeschlagen. So kann man zusätzliche Abstugiespeicherschaltung (86) der Reihenschaltung aus fungskondensatorcn verwenden, um im Falle eines steil dem Kondensator (94) und der Induktivität (95) ein ansteigenden Spannungsstoßes eine gleichmäßigere Widerstand(96) parallelgeschaltet ist. b5 Verteilung der Gesamtspannung über die in Reihe ge-

8. Schaltung nach einem der vorstehenden An- schalteten Thyristoren zu erhalten. Ferner können die Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Span- zugeordneten Überschlagschiitzcinrichtungen so konnungsfühlerschaltuhg (85) wenigstens ein unidirck- struieri werden, daß sie bei einem aufgeprägten Über-