DE1175359B

DE1175359B - Anordnung zum Schutz von gesteuerten Halb-leiterelementen

Info

Publication number: DE1175359B
Application number: DEL40757A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Klemens Heumann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1961-12-20
Filing date: 1961-12-20
Publication date: 1964-08-06
Also published as: AT269267B

Description

Anordnung zum Schutz von gesteuerten Halbleiterelementen Die Erfindung betrifft den Schutz von gesteuerten Halbleiterelementen.
Gesteuerte Halbleiterelemente als Vierschichtentrioden auf Silizium- oder Germaniumbasis erreichen nicht die hohe Spannungsfestigkeit der ungesteuerten Halbleiterelemente. Unzulässige hohe Spannungsbeanspruchungen bei gesteuerten Halbleiterelementen führen jedoch zu ihrer Zerstörung. Die Erfindung geht davon aus, daß auf Grund des verhältnismäßig komplizierten Aufbaues gesteuerte Halbleiterelemente teurer als ungesteuerte Halbleiterelemente gleicher Belastbarkeit sind.
Schwierigkeiten bietet das Problem des Schutzes von gesteuerten Halbleiterelementen, die z. B. beim Abschalten von Kurzschlußströmen Überspannungen erzeugen, die die gleichen Bausteine in den Zweigen anderer Phasen gefährden.
Anordnungen zum Schutz von Halbleiterelementen sind bereits bekannt, bei denen eine Reihenschaltung von Halbleiterelementen gegen überspannungen dadurch geschützt wird, daß parallel zu jedem Halbleiterelement Widerstände und RC-Glieder geeigneter Größe parallel geschaltet werden und damit die Spannungsverteilung an den Gleichrichterelementen in der gewünschten Weise gesteuert wird.
Weiterhin sind Anordnungen bereits bekannt, bei denen in Reihe mit gesteuerten Halbleiterelementen Dioden geschaltet sind. Dabei übernehmen zwangläufig die ungesteuerten Halbleiterelemente einen Teil der Sperrspannung.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz von gesteuerten Halbleiterelementen. Erfindungsgemäß sind mit jedem gesteuerten Halbleiterelement ein oder mehrere ungesteuerte Halbleiterelemente in Reihe geschaltet, und die ungesteuerten Halbleiterelemente übernehmen den überwiegenden Teil der Sperrspannung, wobei die Spannungsaufteilung in an sich bekannter Weise vorgenommen werden kann, und es sind Dioden vorgesehen, die ein Abfließen des Stromes über die spannungssteuernden Widerstände verhindern.
Der Erfindungsgegenstand unterscheidet sich von den bekannten Anordnungen. Sein Ziel ist nicht der Schutz von Halbleiterelementen schlechthin, sondern es besteht darin, ein gesteuertes Halbleiterelement vor Sperrspannungsbeanspruchungen in der Weise zu schützen, daß man ein oder mehrere ungesteuerte Halbleiterelemente damit in Reihe schaltet und diese den überwiegenden Teil der Sperrspannung übernehmen läßt. Mittel zur Aufteilung der Sperrspannung auf einzelne Halbleiterelemente sind zwar an sich bekannt. Die erfinderische Anordnung bietet jedoch den Vorteil einer größeren Wirtschaftlichkeit, weil der Aufwand für das ungesteuerte Halbleiterelement relativ gering ist gegenüber den Kosten für ein steuerbares Halbleiterelement. Die Lebensdauer des letzteren wird aber durch die erfinderische Schutzmaßnahme wesentlich gesteigert.
Bei der bekannten Anordnung, die eine Reihenschaltung eines gesteuerten Halbleiterelementes mit einer Diode aufweist, sind keine zusätzlichen Maßnahmen für eine Spannungsaufteilung an beiden Elementen getroffen. Die Diode dient vielmehr dazu, das fragliche Halbleiterelement, einen Transistor, vor Rückströmen zu schützen.
Durch die Erfindung lassen sich gesteuerte Halbleiterelemente in Sperrichtung von Spannung entlasten. Durch geeignete Wahl eines Widerstandsverhältnisses kann die statische Spannungsverteilung praktisch auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden. Die Aufteilung der Sprungspannung hängt vom Verhältnis der gewählten Kondensatoren ab und kann ebenfalls auf einen geeigneten Wert eingestellt werden. An Hand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Erfindung wird in der Kombination der Einzelmerkmale gesehen.
In der Zeichnung zeigt F i g. 1 in einem Leitungszug 4 ein gesteuertes Halbleiterelement 1 und ein ungesteuertes Halbleiterelement 2, sowie eine Sicherung 3. Parallel geschaltet dazu sind der Widerstand R1 und R2. Es ist weiterhin eine Parallelschaltung von Kondensatoren C2 und C1 mit ihren Dämpfungswiderständen R3 und R4 dargestellt. Dieser Parallelzweig hat die Aufgabe, eine Spannungsverteilung auf die Halbleiterelemente bei dynamischen Vorgängen, z. B. Spannungsspitzen infolge von Schalthandlungen, zu sichern. Er wurde in der Zeichnung zur Wahrung der Übersichtlichkeit nur in F i g. 1 und 5 eingezeichnet, ist jedoch bei den Ausführungsbeispielen der weiteren Figuren ebenfalls zu ergänzen.
In Sperrichtung verteilt sich die Spannung im Verhältnis der Parallelwiderstände. Will man die Spannungsbeanspruchung der gesteuerten Halbleiterelemente in Sperrichtung auf einen sehr kleinen Wert begrenzen, so muß das Widerstandsverhältnis R1/R, sehr klein gemacht werden, d. h., R1 muß verhältnismäßig klein werden. Um zu verhindern, daß dieser kleine Widerstand R1 in Durchlaßrichtung als Ableitwiderstand parallel zur Vierschichtentriode liegt, ist eine kleine Halbleiterdiode mit R1 in Reihe geschaltet.
Zu dem gleichen Zweck ist in der F i g. 2 eine entsprechende Diode 6 in einem Querzweig 7 angeordnet. Die F i g. 3 und 4 verdeutlichen, daß die Erfindung auch bei einer Parallelschaltung bzw. Antiparallelschaltung mehrerer Halbleiterelemente angewendet werden kann. Nach F i g. 3 schützt das urigesteuerte Halbleiterelement 2 und der dazu parallele Widerstand R, die Parallelschaltung der gesteuerten Halbleiterelemente 1 und 11, denen wiederum Widerstände R1 und R11 parallel zugeordnet sind. Die F i g. 4 zeigt den Schutz antiparallel gesteuerter Halbleiterelemente 1 und 12 nach der Erfindung durch Reihenschaltung von urigesteuerten Halbleiterelementen 2 und 22 mit nicht näher bezeichneten Parallelwiderständen und je einer Diode 6 in dem Querzweig 7. Als Anwendungsbeispiele sind alle Schaltungen anzuführen, bei denen gesteuerte Halbleiterelemente vor Überspannungen in Sperrichtung, die zu ihrem Ausfall führen können, geschützt werden sollen. Solche Überspannungen können beim Schalten bei Netzstörungen oder beim Ansprechen der sehr schnellen Halbleitersicherungen, in der Zeichnung allgemein mit 3 bezeichnet, auftreten. Gesteuerte Halbleiterelemente mit kleinen zulässigen Sperrspannungswerten können durch Reihenschaltung von spannungsfesten Dioden mit den gleichen Spezialsicherungen geschützt werden, die sonst wegen der auftretenden Löschspannungsspitze nur für gesteuerte Halbleiterelemente höherer Spannungsfestigkeit geeignet wären.
Weitere Anwendungsbeispiele sind alle Schaltungen, bei denen die gesteuerten Halbleiterelemente in Sperrichtung höheren Spannungsbelastungen als in Durchlaßrichtung ausgesetzt sind. Als ein Beispiel zeigen die F i g. 5 a und 5 b eine dreiphasige Gleichrichterschaltung mit einem Transformator 60 und den Verbrauchern 61 sowie 62, bei der der Spannungssteuerbereich durch Anschnittssteuerung nicht voll ausgenutzt zu werden braucht. Als Scheitelwert der Sperrspannung tritt hier der Wert [ 2 U"", auf, als höchster Spannungswert in Durchlaßrichtung sin a . 1 2 ü.P,k (A = Steuerwinkel). Durch Reihenschaltung von urigesteuerten Halbleiterelementen zu den gesteuerten Halbleiterelementen kann die erreichbare Gleichspannung wesentlich gesteigert werden. Ein weiterer Vorteil einer derartigen Reihenschaltung besteht auch in dem geringeren Aufwand für die Zündung, da für die Zündung in Reihe geschalteter, gesteuerter Halbleiterelemente höherer Aufwand getrieben werden muß. Auf Grund der Erfindung ist es großenteils möglich, auf Folgezündung und den damit verbundenen Mehraufwand zu verzichten.

Claims

Patentansprüche: 1. Anordnung zum Schutz von gesteuerten Halbleiterelementen, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem gesteuerten Halbleiterelement ein oder mehrere urigesteuerte Halbleiterelemente in Reihe geschaltet sind und die urigesteuerten Halbleiterelemente den überwiegenden Teil der Sperrspannung übernehmen, wobei die Spannungsaufteilung in an sich bekannter Weise vorgenommen werden kann, und daß Dioden vorgesehen sind, die ein Abfließen des Stromes über die spannungssteuernden Widerstände verhindern.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das urigesteuerte Halbleiterelement in Reihe mit mehreren parallel gesteuerten Halbleiterelementen angeordnet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Antiparallelschaltung gesteuerter Halbleiterelemente in jedem Leitungszweig urigesteuerte Halbleiterelemente vorgesehen sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1095 384, 1074740.