DE4224674A1 - Gleichrichtergerät mit mindestens vier Gleichrichterdioden in n-Puls-Brückenschaltung - Google Patents

Description

Stand der Technik seit vielen Jahren sind Gleichrichtergeräte, die intern einen mit Halbleiterdioden bestückten Gleichrichter in n-Puls-Schaltung aufweisen, wobei jede Diode mit einem Halb­ leiter/Halbleiter-Übergang aufgebaut ist. Ist n=2, so handelt es sich zumeist um eine Wechselstrombrücke, auch Einphasen- oder Graetzbrücke genannt, bei n=6 liegt i. d. R. eine sog. Dreh­ strombrücke vor. Zusammenfassend werden Gleichrichter in Brüc­ kenschaltung oft Vollweggleichrichter genannt, da sie, ohne einen Transformator mit Mittelanzapfung zu benötigen, sowohl die positive als auch die negative Halbwelle der speisenden Quelle belasten. In diesen Halbleitergleichrichtern haben sich im Be­ reich der allgemeinen Elektrotechnik vor allem Siliziumlegie­ rungsdioden mit Halbleiter/Halbleiter-Übergang, nachfolgend kurz als Si-Dioden bezeichnet, durchgesetzt. Sie weisen bei Strom­ durchfluß in Durchlaßrichtung einen Spannungsabfall von ca. 0,65 V auf [10]. Sie sind z. Z. mit einer maximalen Gleich­ strombelastbarkeit von etwa 500 A verfügbar [1] und bis etwa 150°c thermisch belastbar [2].

Speziell in Hochfrequenzanwendungen und zum Gleichrichten klei­ ner Amplituden finden gering belastbare Germaniumdioden Verwen­ dung. Für die Gleichrichtung technischer Wechselströme mit Ger­ maniumdioden kommen meist Germaniumlegierungsdioden zum Einsatz [10]. Sie weisen bei Stromdurchfluß in Durchlaßrichtung einen Spannungsabfall von etwa (0,2 . . . 0,35) V auf [2/10]. Sie sind z.Z. mit einer maximalen Gleichstrombelastung von etwa 100 A ver­ fügbar [1] und sind bis etwa (65 . . . 85)°C thermisch belastbar [2/10], weshalb ihre Anwendbarkeit im Bereich der Leistungselek­ tronik stark eingeschränkt ist, auch ist die Verfügbarkeit auf dem Markt von Leistungs-Ge-Dioden nicht zufriedenstellend.

Seit neuerer Zeit gehören Dioden mit einem mechanisch stabilen Metall/Halbleiter-Übergang ebenfalls zum Stand der Technik. Heute übliche Bauformen für allgemeine Anwendungen weisen bei Stromdurchfluß in Durchlaßrichtung einen Spannungsabfall von etwa 0,35 V auf [3], die typische thermische Maximalbelastung beträgt etwa 125°C [3]. Die Effekte eines Metall/Halbleiter- Überganges sind seit dem Jahr 1874 prinzipiell bekannt. In der Form des Spitzengleichrichters war dieser Übergang das erste elektronische Bauteil überhaupt. Die inneren Vorgänge an diesem Übergang wurden im Jahre 1938 von Schottky erstmalig zufrieden­ stellend beschrieben. Seitdem hat sich der Name Schottkydiode für eine mit einem Metall/Halbleiter-Übergang realisierte Diode durchgesetzt [7]. Diese finden in zahlreichen Bauformen, z. T. mit anderen Namen (Hot Carrier Diode, Schottky Barrier Diode, Schottky-Varaktor, Schottky-Varistor) vor allem in der Hochfre­ quenztechnik Anwendung [7]. Sie zeichnen sich dort auch durch eine geringe Sperrschichtkapazität und ein geringes Eigenrau­ schen aus [2]. Ebenfalls weite Verbreitung finden sie durch ihre Verwendung innerhalb der Logik-IC-Reihen verschiedener Herstel­ ler (eingeschobenes Kürzel "LS" zwischen IC-Bezeichnungs-Präfix und -Name, wobei das Kürzel für "Low Power Schottky" steht) [9]. Mittlerweile sind Schottkydioden auch für den Bereich der Lei­ stungselektronik gut erhältlich. Moderne Schottkydioden verbinden die Vorteile der ursprünglichen Spitzendiode mit denen der Flächendiode, daher ist ein weiterer Einsatzschwerpunkt von Schottkydioden heute die Anwendung in Schaltnetzteilen. Hier kommen i. d. R. Schottkydioden in einer Mittelpunktgleichrich­ terschaltung zur Anwendung [6]. Zu diesen Zwecken sind sowohl Einzel- als auch Doppeldioden mit einer Strombelastbarkeit von bis zu 150 A pro Diode [4] und einer Spitzensperrspannung von etwa 100 V auf dem Markt gut verfügbar. Doppeldioden sind zwei Dioden in einem Gehäuse, von deren insgesamt vier Anschlüssen zwei innerhalb des hermetisch dichten Gehäuses miteinander ver­ bunden und die Anschlüsse des so entstandenen Dreipols aus dem Gehäuse nach außen geführt sind. Den weitaus überwiegenden Teil der Doppeldioden stellen solche mit gemeinsamer Kathode oder ge­ meinsamer Anode dar. Doppeldioden, die eine Reihenschaltung mit nach außen geführtem Mittelabgriff bilden und die durch Kaska­ dierung eine sehr einfache Möglichkeit zum Aufbau von Vollweg­ gleichrichtern bieten, sind nicht leicht zu beschaffen, aber prinzipiell verfügbar. Außerdem sind Module mit drei Schottkydi­ oden, in einem hermetisch dichten Gehäuse, zu einem Vierpol zu­ sammengefaßt, mit einer Strombelastbarkeit von 3×40 A bis 3×120 A auf dem Markt [3]. Diodenmodule mit drei Schottkydi­ oden sind ausschließlich in einer Ausführung mit gemeinsamer Anode erhältlich [3/4].

Trotz der bekannten Vorzüge von Schottkydioden und den erwähnten Doppelausführungen und Modulen sind weder Gleichrichtergeräte bzw. -module erhältlich, die einen kompletten Vollweggleichrich­ ter mit Schottkydioden enthalten, noch mindestens vier Schottky­ dioden zur Realisierung eines derartigen Gleichrichters durch einfache Beschaltung von außen. Die statt dessen speziell für Einphasen- und Drehstrombrücken fast ausschließlich benutzten Gleichrichter mit Si-Dioden erzeugen besonders bei höheren Strö­ men, wie sie bei Betrieb von Niederspannungsgeräten häufig auf­ treten, nennenswerte Verluste mit entsprechender Wärmeentwick­ lung. Außerdem ist bei manchen Anwendungen die Höhe der Durch­ laßspannung der Einzeldioden des Gleichrichters störend in bezug auf die erreichbare Ausgangsspannung.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Verluste bei der Gleichrichtung von Wechselströmen, wie sie bisher bei der Ver­ wendung von mit Si-Dioden aufgebauten Gleichrichtergeräten auf­ traten, bei gleichzeitig möglicher Betriebstemperatur von deut­ lich über 110°C, preisgünstig zu vermindern. Das Problem ist dadurch gelöst, daß die bisher in den Geräten verwendeten Si- Gleichrichterdioden gegen Schottkydioden ausgetauscht sind, wie in Fig. 1 (neue Bauform mit Schottkydioden im Gleichrichterteil) und Fig. 1a (alte Bauform) gezeigt.

Der Hauptvorteil der Erfindung beruht auf einer Verbesserung des Wirkungsgrades von Gleichrichtergeräten gegenüber solchen mit Si-Dioden mit Halbleiter/Halbleiter-Übergang. Durch die in den Gleichrichterdioden erheblich verminderte Wärmeentwicklung kann bei höheren Strömen der Kühlaufwand für diese stark reduziert werden oder kann ggf. ganz entfallen. Dies bringt weitere Vor­ teile wie verringerten Materialaufwand, Platzersparnis, größere Freiheit der Einbaulage. Bei gleichbleibendem Kühlaufwand erhält man als Vorteil eine höhere mögliche Umgebungstemperatur oder eine z. T. beträchtliche Erhöhung der Lebensdauer des Gleich­ richters und benachbarter Bauteile und -gruppen. Ein weiterer Vorteil ist die höhere Wirtschaftlichkeit im Betrieb des Gerätes. Ebenso steht bei gegebener Wechselspannung am Ausgang des Gleichrichters im Vergleich zu einem mit Si-Dioden aufgebau­ ten Gleichrichter eine etwas höhere Gleichspannung zur Verfü­ gung.

Quellenverzeichnis

[1]: Tabellenbuch Elektrotechnik/Elektronik, Friederich, Seite 3-1f, 1989, Ferd. Dümmlers Verlag, Bonn
[2]: Das große Werkbuch Elektronik, Nührmann, Seite 711ff, 4. Aufl., Franzis Verlag, München
[3]: Katalog CAT. No. J434-7, Fa. Shindengen, Tokyo (J)
[4]: Katalog Kat. Nr. B9-BP4091, 1992, Fa. Siemens, Fürth
[5]: Werkstoffe der Halbleitertechnik, Hadamovsky, Seiten 32ff u. 38ff, VEB Deutscher Verlag für die Grundstoffindustrie, 1985, Leipzig
[6]: Halbleiter-Schaltungstechnik, Tietze/Schenk, 4. Aufl., Seite 396, 1978, Springer Verlag, Berlin
[7]: Hochfrequenz-Halbleiter-Elektronik, Unger/Harth, Seite 165, 1972, S. Hirzel Verlag, Stuttgart
[8]: Electronics Designers Handbook, 2nd Edition, Seite 10-31f, McGraw-Hill Inc., Mass.(USA)
[9]: Bauelemente der Elektronik und ihre Grundschaltungen, Böhler/Käger/Weigt, 6. Auflage, Seite 487, 1982, Verlag H. Stam GmbH, Köln-Porz
[10]: Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik, Lindner/Brauer/Lehmann, 2. Auflage, Seite 288, 1986, Verlag Harri Deutsch, Thun.

Ausführungsbeispiele

Nachfolgend sind, neben der o. g., weitere mögliche vorteilhafte Ausführungen abgebildet und erläutert. Manche Bauformen beruhen auf Labormustern, die zumeist in ähnlicher Form erprobt wurden.

Fig. 1 zeigt die gegenüber einem bisher produzierten Gleichrich­ tergerät in Fig. 1a verbesserte Bauform. Es ist zum Einsatz als Drehstromgleichrichter für Anwendungen im 24V-Gleichspannungs­ netz der Industrie bestimmt. Der Laststrom darf über 20 A betra­ gen. Neben Glättungskondensatoren sind auch Sicherungs- und An­ zeigeeinrichtungen integriert. Fig. 1b beinhaltet eine Skizze zu einer möglichen mechanischen Gestaltung des Gerätes in Fig. 1. Das vorgesehene Aluminiumgehäuse mit den Maßen 145 mm×45 mm×145 mm (B×H×T) ist bei offener Unterseite zur direkten Montage auf einen Drehstromtransformator geeignet (s. Fig. 1b). Die Kon­ taktierung erfolgt durch Lötanschlüsse. In einer geschlossenen Bauform zur vom Transformator räumlich getrennten Montage weist das Gerät auf seiner Rückseite eine Vorrichtung zur einfachen Befestigung auf einer Hutschiene auf. Die Kontaktierung erfolgt dann mit Schraubklemmen. Aufgrund des Aufbaus des Gleichrichter­ teils mit Schottkydioden ist das Gehäuse auch bei 20 A Dauer­ laststrom zur Kühlung völlig ausreichend. Gegenüber dem Vorläu­ fermodell in Fig. 1a konnten die Kosten für den eigentlichen Gleichrichterteil durch die Anwendung der in den Schutzansprü­ chen dargelegten Technik um 50% reduziert, der bisherige Wir­ kungsgrad des Gerätes um gut 40% erhöht werden. Der Herstel­ lungspreis des gesamten Geräts verringert sich um rund 20%, da der bisher benötigte Kühlkörper entfallen kann. Wegen des Wegfalls des Kühlkörpers vermindert sich die Bauhöhe um 65 mm, was etwa 55% entspricht. Die Einbaulage ist jetzt beliebig.

Fig. 2 stellt die Schaltung eines Gerätes dar, das Anspruch 1 genügt. In dieser einfachen Konstruktionsform handelt es sich um ein Gleichrichtermodul in 2-Puls-Brückenschaltung mit Schottky­ diodenbestückung für allgemeine Anwendungen. Fig. 2a zeigt eine mechanische Ausführung des Gerätes. Es kommen zwei Doppeldioden in einem zu vergießenden Modulgehäuse zum Einsatz. Der so aufge­ baute Gleichrichter weist eine Spitzensperrspannung von minde­ stens 60 V und eine Strombelastbarkeit von mindestens 8 A auf und kann bis etwa 110°C Gehäusetemperatur thermisch belastet werden. Der Gleichrichter muß bei maximaler Belastung gekühlt werden.

Fig. 3 zeigt die Schaltung eines Gerätes mit Schottkydioden als Drehstrombrückengleichrichtermodul, Fig. 3a zeigt eine mechani­ sche Ausführung, die in sehr ähnlicher Form als Labormuster auf­ gebaut wurde. Mit diesem Muster wurden auch die nachfolgend an­ geführten Meßergebnisse erzielt. Zum Vergleich sind die Meßer­ gebnisse eines anderen Drehstromgleichrichters in ähnlicher Bau­ form, aber mit normalen Si-Dioden bestückt, in Klammern angege­ ben. Der speisende Transformator war in beiden Fällen derselbe, beide Gleichrichter wurden mit derselben Last unter den gleichen Kühlbedingungen betrieben. Als Last dienten acht parallelge­ schaltete Glühlampen, deren Nennleistung je 25 W bei 24 V Be­ triebsspannung betrug. Die Ausgangsspannung des nach Anspruch 1 aufgebauten Gleichrichtergerätes betrug etwa 24,3 V (23,4 V), der Ausgangsstrom etwa 8,35 A (8,2 A). Nach 30 min war bei bei­ den Gleichrichtern je die maximale Erwärmung erreicht, die Tem­ peraturdifferenz betrug etwa 20 K. Setzt man die Verlustleistung des mit normalen Si-Dioden aufgebauten Gerätes mit 100% gleich, so läßt sich aufgrund der gewonnenen Daten die Reduzierung der Verlustleistung überschlägig zu deutlich über 40% bestimmen.

Fig. 4 zeigt die Schaltung eines längsgeregelten Netzgerätes. Hier ist Patentanspruch 6 betroffen, da dem Gleichrichter mit Glättungskondensator nach Patentanspruch 2 ein Transformator vor- und eine Längsregelung nachgeschaltet ist. Der Transforma­ tor bewirkt in erster Linie eine Veränderung der Amplitude der Eingangsgrößen. Die Längsregelung bewirkt im Idealfall eine Gleichspannung ohne jeden Wechselanteil in einer Höhe unterhalb der Gleichspannung am Glättungskondensator und somit eine Verän­ derung der Ausgangsgrößen hinsichtlich Amplitude und Kurvenform. Diese Schaltung hat gegenüber einer gleichen, aber mit Si- Gleichrichterdioden aufgebauten Schaltung den Vorteil, daß ein­ gangsseitig größere Netzspannungsschwankungen nach unten erlaubt sind, ehe die Ausgangsspannung nicht mehr stabil ist.

Fig. 5 zeigt eine Ausführung als Drehstrombrückengleichrichter mit einer integrierten extern einstellbaren Spitzenspannungsbe­ grenzung. Obwohl das Gerät Elemente einer Längsregelung auf­ weist, jedoch keinen Spannungsfühler, ist die Verwendung als Längsregler unsinnig, da aufgrund des fehlenden Siebkondensators eine zufriedenstellende Glätte der Ausgangsspannung nur mit überhöhter Verlustleistung bei entsprechend niedriger Ausgangs­ spannung erreichbar ist. Das Gerät ist vielmehr als preisgünsti­ ger Gleichrichter hoher Belastbarkeit mit einer Möglichkeit zur Begrenzung der Ausgangsspannung zum Schutz angeschlossener Ver­ braucher gedacht, wobei ein Teil der durch die Transistorschal­ tung verursachten Verluste durch die Verwendung von Schottkydi­ oden anstelle von Si-Dioden kompensiert wird. Eine typische Anwendung wäre z. B. in der Industrie die Gleichrichtung für ein 24V-Gleichspannungsnetz mit einer Restwelligkeit von etwa 5% unter Vollast bei gleichzeitiger Begrenzung der maximalen Aus­ gangsspannung (im Leerlauffall des speisenden Transformators) auf 28 V. In ähnlicher Bauform, die als Labormuster erprobt wurde (Werte in Klammern), sind Anwendungen möglich, in denen nur ein Teil (8A) des gleichgerichteten Stromes über die Be­ grenzungsstufe entnommen wird und der überwiegende Teil (20A) andere, in bezug auf die Höhe ihrer Speisespannung weniger emp­ findliche, Lasten speist. So kann der Vorteil des hochbelastba­ ren, aber verlustleistungsarmen Gleichrichterteils optimal ge­ nutzt werden.

Claims (7)

1. Gleichrichtergerät mit mindestens vier Gleichrichterdioden in n-Puls-Brückenschaltung dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Gleichrichterdioden einen Metall/Halbleiter­ übergang aufweisen.

2. Gerät nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kondensator oder Akkumulator integriert ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Entstörglied integriert ist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, außerdem dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens eine Schutzeinrichtung für die speisende Quelle und/oder das Gerät nach Anspruch 1 bis 3 und/oder die angeschlossene Last integriert ist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, außerdem dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens eine Betriebszustandsanzeige inte­ griert ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, außerdem dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens eine Schaltung zur Modifikation der gleichzurichtenden und/oder gleichgerichteten Wechselgrößen hinsichtlich Kurvenform und/oder Amplitude integriert ist.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, als integraler Bestand­ teil eines anderen Gerätes übergeordneter Funktion.