DE2342772C3 - Hochspannungshalbleitergleichrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungshalbleitergleichrichter gemäß Oberbegriff des Anspruchs I.

Solche Hochspannungsgleichrichter finden Verwendung insbesondere bei Anlagen zur Teilchenbeschleunigung. Sie können aber auch dort eingesetzt werden, wo allgemein hohe Gleichspannungen verwendet werden.

Will man sehr hohe Gleichspannungen erzielen, sind eine Vielzahl von hintereinandergeschalteten Gleichrichtern notwendig, wodurch die Gesamtanordnung eine erhebliche Baulänge erreicht. Besondere Bedeutung erhält auch der räumliche Aufbau und die elektrische Beschallung und Abschirmung der Gleichrichter, um Zerstörungen dieser beispielsweise durch Entladungsvorgänge oder Spannungsspitzen zu vermeiden.

Ein Hochspannungsgleichrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist durch die DE-PS 9 48 274 bekanntgeworden. Bei diesem Hochspannungsgleichrichter sind die Dioden jeder Gleichrichtergruppe in Reihe übereinander oder nebeneinander angeordnet, wodurch sich eine beträchtliche Baulänge ergibt. Nachteilig dürfte ferner die direkte leitende Verbindung /wischen den Gleichrichtergruppen und den zugeordneten Faradaykäfigen sein, weil hierdurch gleichspannungsmäßig die Gefahr der Entstehung ungleichmäßiger Verhältnisse über die gesamte Gleichrichterkette besteht, was dazu führen kann, daß über einzelnen Gleichrichtern oder Dioden zu hohe Spannungen auftreten, die diese zerstören können.

Durch die DE-OS 14 64 721 ist eine Hochspannungsgleichrichteranordnung bekanntgeworden, bei der mehrere Gleichrichtergruppen wendelförmig um einen säulenförmigen Träger angeordnet sind. Ein Faradaykäfig umgibt die Gleichrichtergruppen, die je mit einem Widerstand und einem Kondensator parallel beschaltet sind. Diese bekannte Anordnung ist bauteilemäßig relativ aufwendig und beansprucht noch relativ viel Baulänge, da die wendeiförmige Anordnung der Gleichrichtergruppen selbst noch keine bemerktiiswerte Verringerung der Baulänge ergibt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsgleichrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszubilden, daß ein kompakter Gleichricnter mit sehr kleinen Abmesringen entsteht, der trotz der kompakten Ausführung vor Schäden durch Hochspannungsentladungen geschützt ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei der vorliegenden Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Gestaltungsmerkmale vorgesehen.

Durch die wendeiförmige Anordnung der Dioden jeder Gleichrichtergruppe läßt sich eine Vielzahl von Dioden und Gleichrichtergruppen hintereinander schalten, um sehr hohe Gleichspannungen bei sehr kompakter Bauweise zu erzielen. Durch die Verbindung der Faradaykäfige mit den davon abgeschirmten Gleichrichtergruppen über ohmsche Widerstände wird gleichstrommäßig ein stabiles, gleichmäßiges Potentialverhältnis entlang der Gleichrichterkette geschaffen, wodurch die bei der kompakten Bauweise besonders große Gefahr von Zerstörungen einzelner Gleichrichter, beispielsweise durch Entladungsvorgänge, verringert wird.

In den Unteransprüchen sind für die Aufgabenlösung vorteilhafte und förderliche Weiterbildungen beansprucht.

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung zweier Faradaykäfige des Hochspannungshalbleitergleichrichters,

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Hochspannungsgleichrichter,

Fig.3 eine Seitenansicht der Gleichrichter nach Fig. 2,

Fig.4 schematisch eine perspektivische Ansicht einer einzelnen Gleichrichtergruppe mit der wendeiförmigen Anordnung der Bauelemente der Gleichrichtergruppe,

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Gleichrichterbaustein und

Fig. 6 schematisch ein Schaltbild des Hochspannungshalbleitergleichrichters.

In den Fig. 1,2 und 3 ist die Gleichrichteranordnung in sieben Faradaykäfigen 11 bis 17 untergebracht. Die Anzahl dieser Käfige ist beliebig wählbar. Die Käfige sind hohl und weisen eine elektrisch leitende, im Querschnitt rechteckförmige Außenwand 21 auf. Eine elektrisch leitende, im Querschnitt ebenfalls rechteckförmige Innenwand 22 ist konzentrisch innerhalb der Außenwand 21 angeordnet und ragt mit einem Teil aus der Außenwand 21 heraus. Die Innenwand 22 ist an der Innenfläche der Außenwand 21 befestigt und mit dieser elektrisch verbunden.

Die Faradaykäfige 11 bis 17 sind mit Hilfe von zwei Isolationsstreifen 23, 24 miteinander ausgerichtet und an diesen Streifen mit Hilfe von Schrauben o. ä.

befestigt. Der Abstand zwischen den Außenwänden 21 benachbarter Faradaykäfige ist kleiner als die Entfernung, um die die Innenwand 22 aus der Außenwand herausragt. Die Innenwand 22 eines Faradaykäfigs, beispielsweise des Faradaykäfigs 14 (Fig. 1), ragt dabei in den Hohlraum des benachbarten Faradaykäfigs 13 hinein, ohne diesen zu berühren. Durch die so erzeugte überlappte Anordnung benachbarter Faradaykäfige entstehen Kapazitäten, wie dies ausführlicher in Verbindung mit der Fig.6 beschrieben werden soll. Durch die Überlappung benachbarter Abschnitte der Faradeykäfige entsteht eine gleichmäßige Abschirmung der innerhalb der Käfige angeordneten Gleichrichterelemente, trotz der beanstandeten Anordnung der Außenwände 21.

Die Innenwand kann auch nur auf zwei Seiten der Faradaykäfige vorgesehen werden. Diese Anordnung weist jedoch einen Nachteil auf. Die Abschirmwirkung ist geringer, und es ist notwendig, eine größere Überlappung vorzusehen, um die gleiche Kapazität wie bei der Überlappung durch eine vierseitige Innenwand zu erzielen. Eine vierseitige Anordnung benötigt in etwa nur die halbe Baulänge und nur ein Drittel des Volumens einer zweiseitigen Anordnung. Bei einem Ausführungsbeispiel weist jede Gleichrichteranordnung eine Länge von etwa 30,5 cm und einen Querschnitt von 16 cm² auf.

Der Eingangsanschluß des Gleichrichters liegt an einem Ende einer HF-Drossel 26, deren anderes Ende an die Innenwand 22 des Faradaykäfigs 11 angeschlossen ist. Die Drossel 26 ist in Wirklichkeit mit den gegenüberliegenden Flächen der V/and 22 verbunden, jedoch elektrisch nur an eine dieser Flächen angeschlossen. Der Anschluß der Drossel 26 ist mit Hilfe eines Isolators 27 gegenüber der Wand 22 isoliert. Die Aufgabe der Drossel 26 wird in Zusammenhang mit der F i g. 6 ausführlich beschrieben.

Parallel zur Drossel 26 ist eine Zündstrecke 31 angeordnet, die Elektroden 32 und 33 aufweist. Die Elektrode 32, die auf dem Isolationsstreifen 23 angeordnet ^:st, ist mit der Drossel über eine Leitung 34 verbunden. Die Elektrode 33 ist auf einem elektrisch leitenden Flansch 35 angeordnet, der von der Außenwand 21 des Faradaykäfigs 11 in der Nähe des Isolationsstreifens 23 ausgeht. Die Außenwand 22 ist selbstverständlich elektrisch an das andere Ende der Drossel 26 über die Innenwand 21 angeschlossen. Die Zündstrecke 31 verläuft senkrecht zum Isolationsstreifen 23.

Entlang der Gleichrichteranordnung sind weitere Zündstrecken 40 angeorciiet, und zwar jeweils zwischen zwei benachbarten Faradaykäfigen. Wenn man die Zündstrecks 40 zwischen den Faradaykäfigen 13 und 14 beispielhaft betrachtet, so müssen zwei beabstandete Zündstreckenelektroden 41, 42 vorgesehen werden, die etwa an der Verbindungsstelle zwischen den Außenwänden 21 der Faradaykäfige angeordnet sind. Die Elektrode 41 ist auf einem leitenden Flansch 43 angeordnet, der sich von der Außenwand 21 des Faradaykäfigs 13 entlang einer Seite des Isolationsstreifens 23 nach oben erstreckt. Die Elektrode 42 ist auf einem leitenden Flansch 44 angeordnet, der sich von der Außenwand 21 des Faradaykäfigs 14 entlang der gegenüberliegenden Seite des Isolationsstreifens 23 nach oben erstreckt. Auf diese Weise sind die Elektroden 41 und 42 an die entsprechenden Außenwände 21 benachbarter Faradaykäfige angeschlossen. Wichtig ist, daß die Z'indstrecke 31 und sämtliche weiteren Zündstrecken 40 miteinander ausgerichtet sind. Dies erlaubt die Zündung jeder Zündstrecke durch Ultraviolettstrahlung der Zündung einer der Zündstrekken, wie nachfolgend näher beschrieben wird.

Die Gleichrichteranordnung ist aufgeteilt in gleiche Gleichrichtergruppen, wobei jede Gleichrichtergruppe benachbarte Faradaykäfige 12 bis 13 verbindet. Die HF-Drossel 26 befindet sich am Faradaykäfig 11. Eine Gleichrichtergruppe 50 ist beispielhaft in der F i g. 4 dargestellt und besteht selbst aus einer Vielzahl gleicher in Reihe geschalteter Gleichrichterelemente. Jedes Element besteht aus drei in Reihe geschalteten Si-Dioden 51, 52 und 53, die wechselstrommäßig durch Nebenschlußkondensatoren 55, 56 und 57 abgeglichen sind und in Reihe mit Widerständen 54 geschaltet sind. Dieses siebenteilige Gleichrichterelement ist auf einer Isolierstoffplatte 58, wie in der Fig. 5 dargestellt, angeordnet. Jede isolierstoffplatte 58 ist auf Isolatoren angeordnet, wobei aufeinanderfolgende Isolierstoffplatten 58 die Seiten eines Quadrates bilden. Sie sind dabei hintereinander so angeordnet, daß eine wendeiförmige Anordnung entsteht, die im Querschnitt rechteckförmig ist.

Bei der in der F i g. 4 dargestellten Ausführungsform sind 27 Gleichrichterelemente in Reihe geschaltet und bilden eine Gleichrichtergruppe. Jede Gleichrichtergruppe ist von der anderen durch eine Schalttafel getrennt, die einen Isolationswiderstand 59 aufweist. Das eine Ende des Widerstandes 59 ist an einen der Faradaykäfige angeschlossen. Auf diese Weise entsteht eine Reihenschaltung sämtlicher Gleichrichterelemente über die gesamte Gleichrichtergruppenanordnung, jede Gleichrichtergruppe weist einen Kondensator auf, der die angelegte Wechselspannung entsprechend teilt, parallel zur Gleichrichtergruppe liegt und durch den Kondensator 60 gebildet wird, der durch die Überlappung benachbarter Faradaykäfige gebildet wird, wie oben bereits beschrieben.

Im Ersatzschaltbild gemäß Fig.6 ist jede der reihengeschalteten Gleichrichtergruppe 50 durtii eine Diode dargestellt. Isolationswiderstände 59 verbinden jed¹^ Gleichrichtergruppe 50 mit der durch die Überlappung der Faradaykäfige entstandenen Kapazität 60, zu der im Nebenschluß wiederum eine Zündstrecke 40 liegt. Die Zündstrecke 31 ist parallel zur Drossel 26 geschaltet, und die Parallelschaltung selbst ist in Reihe mit der Kette der Kapazitäten 60 geschaltet.

Die soweit beschriebene Gleichrichteranordnung weist sechs Gleichrichtergruppcn auf, von denen jede 81 Dioden enthält, insgesamt sind also 486 Dioden in Reihe geschaltet. Diese Zahl wurde für eine spezielle Ausführungsform verwendet. Die tatsächlich zu wählende Anzahl an Dioden hängt ab von der zu erzeugenden Gleichspannung und voii den Nennwerten der einzelnen Dioden. Der Nennwert der Spitzensperrspannung der Gesamtgleichrichteranordnung muß mindestens dreimal so hoch sein wie die zu erzeugende Gleichspannung.

Die sechs Gleichrichtergruppen, die jeweils von den entsprechenden Faradaykäfigen 12 bis 17 umgeben sind, sind in Reihe geschaltet und bilden ein gleichmäßiges, wendeiförmiges Gebilde. Jede Gleichrichtergruppe 50 ist von der nächsten durch eine Schalttafel mit einem Isolationswiderstand 59 getrennt, der die eleictrische Verbindung zum jeweiligen Faradaykäfig herstellt.

Die Kondensatoren 55, 56 und 57, die parallel zu den Dioden 51, 52 und 5.3 angeordnet sind, sorgen für den wechselstrommäßigen Abgleich; d. h., daß diese Kondensatoren sichern, daß die über der Gesamtanordnting anliegende Wechselspannung und sämtliche Stoßspan-

nungen gleichmäßig auf die Dioden 51, 52, 53 aufgeteilt werden.

Die Widerstände 54 dienen zur Verstimmung der Güte des Kreises und dämpfen Schwingungen und Stoßspannungen bei Störbedingungen. Der Widerstand 59 dient zur gleichstrommäßigen Verbindung zwischen den Gleichrichtergruppen 50 und den Faradaykäfigen und weist einen ausreichend großen Wert auf, um die Wirkspannung zwischen beiden zu isolieren.

Die Faradaykäfige 11 bis 17 schirmen die von ihnen abgeschirmten Gleichrichtergruppen 50 gegen äußere Hf -Störungen ab. Hierbei ist von Bedeutung, daß die Überlappung zwischen benachbarten Faradaykäfigen auf allen vier Seiten sicherstellt, daß solche HF-Störungen von vernachlässigbarem Einfluß auf den Kreis sind. Durch die Überlappung wird außerdem die durch die Kondensatoren 60 gebildete Hauptkapazitätskette parallel zur gesamten Gleichrichteranordnung gebildet. Hierdurch wird eine Störung oder Verzerrung der gleichmäßigen Wechselspannungsverteilung über die Gleichrichtergruppen 50, die sonst durch äußere Einflüsse entstehen könnte, vermieden. Ferner sorgen die Faradaykäfige 11 bis 17 mit ihren durch die Überlappung gebildeten Kapazitäten 60 und den parallelen Zündungsstrecken 40 für einen wesentlich kürzeren Weg für Spannungsspitzen und Stromwellen aufgrund von Störungen.

Die Zündstrecken 40 begrenzen etwaige Spitzenstoßwellenspannungen, die zwischen den Faradaykäfigen auftreten können. Dabei begrenzen sie zugleich Spitzenstoßwellenspannungen über jede Gleichrichtergruppe 50. Außerdem bewirken die Zündstrecken 40 eine Ableitung äußerer gespeicherter Energie von den einzelnen Gleichrichtergruppen 50. Diese gegeneinander ausgerichteten Zündstrecken ermöglichen, daß das durch das Zünden einer Zündstrecke emittierte ultraviolette Licht die anderen Zündstrecken zündet.

Sollten Überspannungen in der Gleichrichteranordnung, beispielsweise durch eine elektrische Entladung.

entstehen, so tritt die Überspannung zuerst an der Drossel 26 auf. Diese Überspannung bewirkt die Zündung der Zündstreckc 31. die wiederum die Zündung der weiteren Zündstrecken durch Ultraviolettlichtanregunp bewirkt. Da normalerweise über der Zündstrecke 31 bei normalen Betrieb keine Überspannungen, sondern nur kleine Spannungen anfallen, kann der Spalt der Zündstrecke sehr schmal gemacht werden, um den Durchbruch unter Stoßspannungsbedingungen zu begünstigen. Die übrigen Zündstrecken 40 müssen so eingestellt werden, daß sie bei den /wischen den Gleichrichtergruppen auftretenden normalen Spannungsdifferenzen nicht zünden. Da die Zündstrecken 50 überdies durch die Zündstrecke 31 gezündet werden, ist ihre Einstellung nicht kritisch. Bei einem Teilchenbeschleuniger kann die Zündstrecke 31 so angeordnet sein, daß sie die Zündung zwischen dem Ende der Diodenkette und der Außenwand des Teilchenbeschleunigers erfaßt, insbesondere in tier Nähe der Koronaschutzschirme. Üblicherweise betritt ι der Abstand der Zündstrecke etwa 0,02 cm und zündet dann bei etwa 5000-10 000 Volt. Dies entspricht in etwa einer Spannung von 100 000-200 000 Volt über die gesamte Gleichrichteranordnung. An den übrigen Zündstrecken 40 würde normalerweise dann eine Spannung von etwa 30 000 Volt anliegen, und diese würden dann so eingestellt werden, daß sie bei einer Spannung zünden die ein vtenig höher liegt.

Wie oben bereits erwähnt, hängt die Zahl der Dioden der Gleichrichtergruppen und der Faradaykäfige usw hauptsächlich von der Höhe der Betriebsspannung unc den Daten der einzelnen Komponenten ab.

Die Faradaykäfige weisen bevorzugt einen quadrati sehen Querschnitt auf. Jedoch kann der Querschnit auch rechteckförmig, dreieckförmig, kreisförmig odei elliptisch gestaltet sein. In diesen Fällen müßte die Querschnittsform der Wendel mit den auf Isolierstoff platten angeordneten Gleichrichterelementen entspre chend angepaßt sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Hochspannungshalbleitergleichrichter, der mehrere in Reihe geschaltete Gleichrichtergruppen aufweist, wobei die Gleichrichtergruppen jeweils von einem Faradaykäfig umgeben, säulenartig übereinander angeordnet und aus mehreren in Reihe miteinander verbundenen Dioden aufgebaut sind, wobei die Faradaykäfige jeweils mit der zugeordneten Gleichrichtergruppe verbunden sind und sich jeweils benachbarte Abschnitte dieser Käfige mit Abstand überlappen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (51,52,53) einer Gleichrichtergruppe (50) wendelförmig angeordnet sind und daß die Faradaykäfige (11 bis 17) über ohmsche Widerstände (59) mit der jeweils davon abgeschirmten Gleichrichtergruppe (50) verbunden sind.

2. Gleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Dioden (51,52,53) aufgebaute iVendel im Querschnitt eine rechteckförmige Gestalt hat,

3. Gleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Dioden (51,52, 53) aufgebaute Wendel im Querschnitt eine vieleckige Gestalt hat.

4. Gleichrichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faradaykäfige (U bis 17) die gleiche Querschnittsform wie die aus den Dioden (51,52,53) aufgebauten Wendel aufweisen.

5. Gleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (51,52,53) auf einer auf der Innenwand des Faradaykäfigs (11 bis 17) befestigten Isolitrstoffp^tte (58) angeordnet sind.