DE7112385U - Anordnung zur Kompensation von Stör kapazitäten an einem Halbleiterventil - Google Patents

Description

Aktenzeichen G 71 123 85.8 - AG BBC, Baden/Schweig Neue Beschreibungsteile vom 13*2«1973

Anordnung zur Kompensation von Störkapazitäten an einem Halbleiterventil

Die vorliegende Neuerung betrifft eine Anordnung zur Kompensation von Störkapazitäten an einem Halbleiterventil, das aus mehreren HalbIeiterelementen besteht, von denen jeweils einige

hintereinanderliegend zu einer Baugruppe zusammengefaßt sind, wobei die so gebildeten Baugruppen in einer Etagenanordnung übereinanderliegen und in jeder Etage mindestens zwei Baugruppen angeordnet sind, so dais alle HalbIeiterelemente eine Reihenschaltung bilden,

Halbleiterventile, insbesondere Thyristorventile, für die Hochspannungs-Gleichstromübertragung bestehen üblicherweise aus einer groSen Anzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterelementen.

Ua bei gesperrtea ventil eine aögliehst gleießiaäSige vertei-

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lung der anliegenden Hochspannung (Stossspannung) auf alle Halbleiterelemente zu erwirken und dabei den störenden Einfluss der Bauteilkapazitäten gegen Erde zu kompensieren, hat Ban beim Bekannten eine aus konzentrierten Kondensatoren aufgebaute Kompensationsbeschaltung vorgesehen.

Eine derartige Beschaltung wird z.B, in der schweizer Patentschrift Nr· fti>9 396 beschrieben.

I>ie BeschaltuRg alt sogenannten konzentrierten Kondensatoren weist jedoch erhebliche Nachteile auf,, da näolich einerseits Wickelkondensatoren eine zu tiefe Resonans^frequenz aufweisen (über deren Resonanzfrequenz sind sie praktisch wirkungslos) und andererseits Keramikkondensatorsn ein sehr grosses Bauvolumen beanspruchen. Kondensatoren mit Bariuntitanat als Dielektrikum zeigen hingegen stark teaperatur- und spannungsabhängige Kapazitätswerte.

Gelangt nun an ein gesperrtes Halbleiterventil «in «teiler Spannungsstoss, dann ist aus obigen Gründen eine symmetrische Spannungsaufteilung auf die einzelnen Halbleitereleaente nicht möglich oder zumindest nur mit sehr grossem Aufwand realisierbar.

Aufgabe der Erfindung ist ee* die aufgezeigten Nachteile des

Bekannten zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Neuerung dadurch gelöst, daß mit jeder zweiten Verbindungsstelle zwischen den Baugruppen ein metallischer Schirm elektrisch leitend verbunden ist, der die beiderseits dieser Verbindungsstelle angeordnete?: Baugruppen von außen umschließt, daß mit der untersten und der obersten Baugruppe der⁴ Etagenanordnung mindestens ein Schirmblech verbunden ist, welche Schirmbleche den metallischen Schirmen an der Außenseite des Halbleiterventils gegenüberliegen, und daß der Abstand zwischen diesen Schirmblechen und den metallischen Schirmen mit zunehmendem Abstand von demjenigen Ende der Etagenanordnung, mit dem das betreffende Schirmblech verbunden ist, größer bemessen ist.

Der Vorteil der Neuerung ist vor allem darin zu sehen, daß das Halbieiterventil wesentlich betriebssicherer ist, weil die zuvor aufgezeigten Nachteile der konzentrierten Konden-

datoren und deren allgemeine Störanfälligkeit behoben sind.

Da keine obere Grenzfreouenz zu beachten ist, kann auf eine Vordrossel verzichtet werden, welche bsi gewissen zum Stand der Technik zu rechnenden Anordnungen zur Begrenzung der

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^: stiegsgesehwindigkeit (||) vorzusehen ist (um die Grenzfre-

,du.
⁽dV

quenz der Wickelkondensatoren nicht zu überschreite*i).

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des ErfindungsgegensSanues veranschaulicht.

Es zeige:

Fig. 1 eine vereinfachte, perspektivische Darstellung eines

Halbleiterve ntils,

Fig.2a einen Querschnitt in der Ebene BC nach Fig. 1, Fig.2b einen weitoren, möglichen Querschnitt in der Ebene BC

nach Fig. 1,

Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines gesperrten Halbleiterventils .

In Fig. 1 ist mit 1,1' ein kathodenseitiges Schirmblech, mit 2,2· ein anodenseitiges Schirmblech und mit A bzw. K ein Anodenbzw. Kathodenanschluss bezeichnet.

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

Gleiche Teile sind in allen figuren mit denselben Bezugszeichen

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versehen.

±n Fig. 2a bedeutet Ά* einen metallischen Schirm, der- in der gleichen Stage wie der sit $ bezeichnete angeordnet ist.

Mit den Bezugszahlen 8 sind in den Figuren 2a, 2b und 3 Baugruppen gekennzeichnet, die z,B. Jeweils aus der Reihenschaltung von sehs HalfeX

Durch k ist ein Anschluss zur nlchstliBheren Stage und durch a ein Anschluss zur nächstniederen Stage Angedeutet» während S Anschlussteilen für die metallischen Scbirae 3,3'* $» 4* usw. kennzeichnen« Dj... und D₂jl stellen die Distanzen zwischen den metallischen Schirm U und den Schirablechen 1 bztt. 2 dar. Darüberhinaus sind in Fig. 3 noch dia resultierenden Sperr- ϊι Schichtkapazitäten Jeweils einer Baugruppe 8 nit C kenntlich gemacht, i₂, bis i₂₇ sowie i__ bis i₇₁ stehen als Bezeichnungen für Ströme und ü_AK sowie U^_x sind Spannungen. Mit C^ bzw. C^ sind die zwischen dem metallischen Scbiria U und den SChIi⁵S-blechen 1 bzw. 2 wirksamen Kapazitäten veranschaulicht.

Dem Ersatzschaltbild nach Fig. j liegt eine Anordnung rait fflnf Etagen (entspr. Fig. 1) zu Grunde, wobei in jeder Etage zwei Saugruppen 8 nach der in Fig. 2b angedeuteten Art angeordnet sind.

Jede Baugruppe ist eine kompakte Einheit, bestehend aus z.B. zehn Halbleitereleaenten (Thyristoren) zusammen mit deren Kghleleaenten (eventuell eingerichtet für OelkOnlung).

Im strojnsperrenden Zustand tritt lediglich die Sperrschichtkapazität Jedes einzelnen Halbleiterelementes in Erscheinung, wobei zur Vereinfachung die resultierende Kapazität C encspre-I-chsnd der Hei^fe€ssefe^.ty«g *?Λ*** HalblftitereleDiente einer Baugruppe betrachtet wird.

Selbstverständlich ist bei der Betrachtung der fig» 3 t,u achten, dass hier die dreidimensionale Anordnung (Fig. 1) nur -zweidimensional dargestellt sein kann. Jedoch wird hier das allgemeine Prinzip der Kompensation und auch der Grundgedanke der Erfindung erkennbar.

Es sei nun angenommen, am gesperrten Halbleiterventil liege eine Gleichspannung von 200 kV. Im statischen Zustand (Gleichspannung) ist diese Hochspannung gleichmässig auf alle Halbleiterelemente verteilt, wobei jedes Halbleiterelement unterhalb seiner kritischen Durchbruchspannung belastet ist.

Gänzlich anders liegen jedoch die Verhältnisse_s wenn jetzt eine Stosspannung von z.B. ebenfalls 200 kV zusätzlich an das Halbleiterventil gelangt (möglich ist sogar eine Stosspannung von

2 χ Nennspannung).

Bei dieser dynamischen Beanspruchung, bei der sich Ja die Spannung mit einer bestimmten Geschwindigkeit ändert (*=r)» fliesst jetzt ein Strom von der Anode A über die Reihenschaltung aller Sperrschichtkapazitäten C zur Kathode K. Es fliessen aber auch kapazitive Verschiebungsströme ±~, bis X₇₁ von der Anode A <über das Sehirmblech 2, die einzelnen metallischen Schirme 3 bis 7 und das Schirmblech 1 2ur Kathode K.

Infolge der in den Figuren ersichtlichen, erfindungsgemässen Ausgestaltung der metallischen Schirme und der Sehirableche wird nun erreicht, dass der Strom i₂- (sprich zwei nach sieben) gleich ist dem Strom I₇₁* Ebenso besteht Gleichheit der Ströme ^d25 ^; Si* ^L2k ' Hi ^sind *23 ' Hr

Wie zu erkennen ist, beeinflussen daher diese kapazitiven Ver~ Schiebungsströme den Über die Sperrschichtkapazitäten C fliessenden Strom in keiner Weise. Demnach hat dieser Strca bei jeder Kapazität C die gleiche Grosse, so dass sich daher auch die Stosspannung völlig gleichmässig auf alle Baugruppen 8 bzw. Halbleiterelemente aufteilt. Nachdem jedes Halbleiterventil für einen Ableiterschutzpegel von z.B. 4_ 2,4 χ ^Ν_βΠη ^di^IIlens*^oni^erfc "wird (Empfehlung siehe Brown Boveri Mitteilungen, Bd. 55)# besteht keine Gefahr einer Beschädigung.

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Es mag jedoch fraglich erseheinen, weshalb eigentlich diese Schirmbleche 1 und 2 so nahe angeordnet werden, dass sie überhaupt diese kapazitiven Verschiebungsströme verursachen. Dazu ist zu bemerken, dass es in der Praxis wohl kaum erreichbar ist, parasitäre Versehiebungsströme zu vermeiden, da stets Stör*- kapazitäten zwischen den einzelnen Baugruppen und der Erde oder einer Gehäusewand oder einem benachbarten Maschinensatz usw. bestehen. Das hiesse« dass die QrÖsse z.B. der Ströme χ₂,ί ^24* ^25' ^"'6 ^üru* ^27 ^w^^lkuIl^^^{cn von den} Umgebungsbedingungen abhinge. Es Hesse sich dann aber nicht vermeiden, dass die nicht kompensierten Stromanteile über die Sperrschichtkapazitäten C abfliessen und damit unterschiedliche Spannungsabfälle an den einzelnen Halbleiterelementen verursachen. Das bedeutet, dass sich die Stosspannung von z.B. 200 kV völlig ungleichmäss.ig aufteilt, weshalb die Halbleiterelemente einer oder sogar mehrerer Baugruppen 8. mehr als die zulässige Sperrspannung erhalten und beschädigt werden.

Mit der vorgeschlagenen Anordnung hingegen kann der- Einfluss parasitärer Störkapazitäten abgeschirmt werden und die Grosse der kapazitiven Verschiebungsströme ist sehr gut bestimmbar.

Man erkennt in Fig. 3_Ö dass die metallischen Schirme 7,6,5>ⁱ* und 3 zunehmend auf höherem Potential gegenüber der Anode A und damit dem Schirmblech 2 liegen. Analog liegen die Verhältnisse

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im Hinblick auf die Kathode.

An Beispiel der Etage mit dem metallischen Schirm 4 sei noch die Bestimmung der Abstände zwischen diesem Schirm und den Schinablechen 1 bzw. 2 erläutert.

Der metallische Schirm Il bildet zusammen mit den Schirmblechen 1 bzw. 2 die Kapazitäten C^₁ bzw. C₂₁., wobei diese in erster Näherung den Abständen D₁.- bzw. D^ umgekehrt proportional sind (unter der Voraussetzung» dassvilcis gegenüberliegenden Flächenteile von metallischem Schirm und Schirmblech von Etage zu Etage gleich gross bleiben).

Ss gilt daher:

Die kapazitiven Verschiebungsströme lassen sich wie folgt be rechnen:

dt *1

ät 24 dt

_A /I"?

- 3K) - jH/71 /(If,

es »oil i_2!{ gleich sein ^₁, woraus folgt s

dt D^₁ dt ^D
umgestellt hsisst es dann:

₂1{

dt * ^D24 ⁼ υ

Weil aber die Spannungsverteilung bei der dynamischen Beanspruchung genauso wie is statischen Zustand (ohne ~ ) erfolgen soll, genügt die vereinfacht© ?ora:

Bei Einhaltung dieser Bedingung ist gewihrleistet, diias die kapazitiven Verschiebungsströae kospensiert sind,

In Abwandlung des in Fig. I gezeigten Halbleiterventils, könnten die Schirableche *.B. »it Trapex- oder dreieckföraigen Flächen ausgeführt werden.

Exakterweise nuss dann berücksichtigt werden, dass d£e Kapazität (z.B. C_2i} > zwischen metallischen Scbina und Schirableeh auch von der Grosse der sich gegenüberliegenden PlSchenteile abhängt. Es ist dann, genauso wie bei anderen komplizierteren Formen, notwendig, die zwischen metallischem Schira und den Schirablechen wirksame Kapazität genau zu berechnen oder zu.

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inessen. Das Prinzip der Kompensation bleibt jedoch davon unberührt^

Die Fig. 2a zeigt eine gegenüber der Pig« 2b häufiger anzutreffende Anordnung von Baugruppen. Wie zu erkennen ist, befinden sich vier Baugruppen 8 in jeder Etage, so dass man mit einer geringeren Gesamthöhe auskommt. Der im Inneren ersichtliche Raum kann z.B, den Impulstransformator für die Steuerung der einzelnen Halbleitereiemente enthalten. Der= verdoppelten Anzahl Baugruppen entsprechend, sind auch pro Etage zwei metallische Schirme h und S¹ erforderlich. Zu beachten ist jetzt, dass im Gegensatz zu Fig. 2b dem metallischen Schirm 4 nur jeweils ein Teil der Schirableche, nämlich 1 und 2 gegenübersteht, während deren zweite Teile I¹ und 2¹ dem metallischen Schirm ή¹ zugeordnet sind.

Obwohl in den Figuren von einer rechteckigen Konfiguration ausgegangen wird, ist es nicht auszuschliessen, dass auch zumindest j teilweise abgerundete metallische Schirme und Schirmbleche aus- | geführt werden.

Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest eines der Schirmbleche I₁₁2 Bestandteil eines das Halbleiterventil umgebenden Behälters, wie etwa eines Oelkessels -für ölisolierte und geMhlte Ventile.

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Claims (2)

Aktenzeichen G 71 12 > 85-8 >T ÄS* BSC, Baden/Seoweiz Heue Seimtganspruehe vom

1. Anordnung sur Koinpensation von St or kapazitäten an einem Halbleiterventil, das aus mehreren HaIbIeiterelementen besteht, von denen jevfeils einige hintere inander liegend zu einer* Baugruppe zusanunenge/aßt sind, wobei die so gebildeten Baugruppen in einer Etagenanordnun^ übereinander liegen unrl in jeder Stage mindestens zwei Baugruppen angeordnet sind, so daß alle Haibleitereleajente eins Reihensehaltisig bilden, dadurch gekennzeichnet,, daß mit Jeder zweiten Verbindungsstelle (S) zv/ischen den Baugruppen (8) ein aetallischer Schirm (3>5*i 4,4*j 5*5*«....) elektrisch leitend veibunden ist> der die beiderseits dieser Verbindungsstelle angeordneven Baugruppen von außen umschließt, daß mit der untersten und der obersten Baugruppe der Stagenanordnung mindestens ein Schirniblech (1,1*; 2,2*) verbanden ist, -welche Sehirmbleche (1,1*5 2,2*) den matallisehen Schlrtzen (3*3*i 4,4*5 5,5* ) an der Außenseite des Halbleiterventils gegenüberliegen, und da3 der Abstand zwischen diesen Schirmblechen und den metallischer* Schirmen mit zunehmendem Abstand von demjenigen Ende der Etagenanordnung, mit dem das betreffende Schirmblech verbunden ist, größer bemessen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände eines metallischen Schirmes (3,3*; 4.4*; 5,5* ) vön.-den ■ Schirmblechen (1,1*; 2,2*) im wesentlichen

zueinander in einem Verhältnis stehen, welches asm Verhältnis der Abstände dieses Schirmes von den mit den betraffenden Schirmblechen verbundenen Enden der Etagenanordnung entspricht.

3· Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Schirmbleche (1,1^f; 2,2*) Bestandteil eines das HaIbleiterventil umgebenden Behälters ist.