Einrichtung zur Erhöhung der spannungsmässigen Belastbarkeit von Einkristall-Halbleiterdioden Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erhöhung der spannungsmässigen Belastbarkeit von Einkristall-Halbleiterdioden und/oder zum Schutz solcher Dioden gegen Überspannungen, die sich ins besondere als Leistungsgleichrichtergerät ausbilden lässt.
In neuerer Zeit ist man dazu übergegangen, anstelle der ausgiebig verwendeten polykristallinen Halbleiter gleichrichter (wie z. B. Selengleichrichter und Kupfer- oxydulgleichrichter) Einkristall-Halbleiterdioden, z. B. Germanium- oder Silizium-Dioden, in Leistungs- gleichrichtergeräten zu verwenden, und zwar wegen des bedeutend besseren Wirkungsgrades, welchen die Einkristall-Halbleiterdioden aufweisen.
Die Anwendung von Einkristall-Halbleiterdioden für Leistungsgleichrichterzwecke stösst aber insofern auf Schwierigkeiten, als diese Dioden sowohl Strom- als auch spannungsmässig nur eine sehr geringe Über lastung vertragen. Diese geringe Überlastbarkeit ist verständlich, wenn man bedenkt, dass ein Einkristall- Gleichrichter für einen gegebenen Durchgangsstrom eine etwa 1000mal kleinere aktive Fläche besitzt als einer der bisher üblichen Gleichrichter.
Somit ist auch das Energie-Speichervermögen für einen Einkristall- Gleichrichter sehr viel kleiner als für einen poly kristallinen Gleichrichter. Daher führen selbst nur kurzzeitige Strom- oder Spannungsüberlastungen zur Zerstörung des Kristalles oder mindestens zur dauern den Störung der Gleichrichtungs-Eigenschaften.
Zum Schutz der Einkristall-Halbleiterdioden gegen Überströme, und zwar auch gegen kurzzeitige Über ströme, sind sogenannte ultraflinke Sicherungen entwickelt worden, die mit der Diode in Serie zu schalten sind und einen wirksamen Schutz der Diode bilden.
Was den Schutz von Einkristall-Halbleiterdioden gegen Überspannungen betrifft, so geben alle bisher in Vorschlag gebrachten Schutzmassnahmen zu Ein wänden Anlass. Es ist bekannt, dass in Leistungs- gleichrichterschaltungen ziemlich hohe Spannungs spitzen auftreten, infolge der endlichen Kommutie- rungszeit der Einkristall-Halbleiterdioden von Lei ten auf Sperren , und zwar bedingt durch die Ab flusszeiten der Ladungsträger. Diese Kommutierungs- zeit hat auf zwei verschiedene Arten Überspannungen zur Folge, die auf die Dioden in Sperrichtung ein wirken.
1. Bei Leistungs-Gleichrichterschaltungen mit je einer Serie-Diode pro Gleichrichterzweig bedingt diese Kommutierungszeit einen kurzzeitigen Kurzschluss zweier Phasen des Speisetransformators bei jeder Ab lösung, weil die Diode, die soeben den Strom geleitet hat, noch nicht sperrt, während die nächste Diode, welche die vorangehende ablöst, bereits leitet. Dieser Kurzschluss hat einen entsprechend grossen kurzzeitig auftretenden Kurzschlussstrom zur Folge, der nach erfolgter Kommutierung der nun sperrenden Diode verschwindet. Die kurzzeitigen hohen Stromänderun gen induzieren in den Schaltungsinduktivitäten (z. B.
in den Streuinduktivitäten des Transformators) hohe momentane Spannungen, welche als zu sperrende Spannungen zusätzlich an den Gleichrichterdioden auftreten.
z. Bei Leistungsgleichrichter-Schaltungen mit meh reren in Serie geschalteten Dioden pro Zweig bedingt die erwähnte Kommutierungszeit eine weitere un erwünschte Erscheinung, die zu einer spannungs mässigen Überbeanspruchung der Dioden führt. Die Erfahrung zeigt nämlich, dass die Kommutierungszeit von Diode zu Diode verschieden ist. Daraus ergibt sich, dass in einem Gleichrichter mit mehreren in Serie ge schalteten Dioden pro Zweig diejenige Diode, welche die kleinste Kommutierungszeit aufweist, zunächst einmal die ganze Sperrspannung des Zweiges über- nehmen muss, und zwar so lange, bis die andern Dioden ebenfalls kommutiert haben.
Zusätzlich verunmöglicht die Sperrung dieser einen Diode den Abfiuss der Ladungsträger der andern in Serie geschalteten Dioden und verzögert damit deren Kommutierung.
Als Abhilfe gegen diese schädlichen Überspan nungen wurden bisher die folgenden Hilfsmittel vor geschlagen: <I>A. Bei Schaltungen mit nur einer Diode pro Zweig</I> a) Beanspruchung der Einkristall-Halbleiterdioden mit einer Dauersperrspannung von höchstens 1/3 der vom Dioden-Fabrikanten als maximal zulässig an gegebenen Scheitelsperrspannung.
Die auftretenden Spitzenspannungen können in gewissen Fällen den dreifachen Wert der normalen Sperrspannung auch übersteigen, so dass durch die eben erwähnte Massnahme die Betriebssicherheit nicht mehr gewährleistet wäre. Ausserdem stellt eine solch geringe Ausnützung der Einkristall-Halbleiterdioden deren Wirtschaftlichkeit in Frage.
b) Parallelschaltung von Gasstrecken-Überspan- nungs-Ableitern zu den einzelnen Dioden.
Die Erfahrung zeigt jedoch, dass die Ionisierungs- zeit der Gasstrecke über der Durchbruchszeit der Dioden liegt, so dass diese Schutzmassnahme illu sorisch ist.
e) Parallelschaltung von Kondensatoren zu den einzelnen Dioden.
Diese Lösung hat sich bewährt für die Unschädlich machung sehr kurzer Überspannungsspitzen mit relativ kleinem Energiegehalt. Sie bietet aber keinen Schutz gegen länger auftretende Überspannungen, die bei spielsweise aus dem Wechselstromnetz herrühren kön nen, weil sich der Kondensator einfach auf die höhere Sperrspannung aufladen kann.
<I>B. Bei</I> Schaltungen <I>mit einer</I> Serieschaltung <I>von Dioden</I> <I>pro Zweig</I> a) Beanspruchung der Einkristall-Halbleiterdioden mit einer Dauersperrspannung von höchstens i/3 der vom Dioden-Fabrikanten als maximal zulässig an gegebenen Scheitelsperrspannung.
Nachdem erwiesen ist, dass durch die unter schiedlichen Kommutierungszeiten der einzelnen Serie dioden im Zweig die ganze Zweigsperrspannung kurz zeitig an einer Diode allein liegen kann, ist die Pro blematik dieser Massnahme offensichtlich.
b) Parallelschaltung von Gasstrecken-Überspan- nungs-Ableitern zu den Dioden.
Diese Lösung hat offensichtlich den gleichen Nach teil wie unter A, b) angegeben.
c) Parallelschaltung von Kondensatoren zu den einzelnen Dioden.
Durch Speicherung der Überspannungsenergie in den Kondensatoren wird die unter A, c) beschriebene Erscheinung noch ausgeprägter für die Diode mit der kürzesten Kommutierungszeit.
d) Parallelschaltung eines aus Widerständen be stehenden Spannungsteilers zur Dioden-Serieschaltung, welcher einen Querstrom aufnehmen kann, der etwa 10mal so gross ist wie der normale Rückstrom der betreffenden Einkristall-Halbleiterdioden.
Diese Lösung ist wegen der ungleichen Kommu- tierungszeit der Dioden ebenfalls ungeeignet, da im ersten Augenblick alle Spannungsteilwiderstände mit Ausnahme eines einzigen durch die noch leitenden Dioden kurzgeschlossen sind. Die Erfindung bezweckt nun, die Nachteile der bisher in Vorschlag gebrachten Lösungen zu ver meiden.
Erfindungsgemäss wird nun eine Einrichtung zur Erhöhung der spannungsmässigen Belastbarkeit von Einkristall-Halbleiterdioden und/oder zum Schutz solcher Dioden gegen Überspannungen geschaffen, welche sich dadurch auszeichnet, dass man der Halb leiterdiode ein polykristallines Halbleiterventil derart parallel schaltet, dass gleichnamige Pole von Diode und Ventil miteinander verbunden sind.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes näher erläutert.
Bei Schaltungen mit nur einer Einkristall-Halb- leiterdiode pro Zweig wird jeder Diode ein poly kristallines Halbleiterventil, z. B. ein Selenventil, par allel geschaltet, und zwar wie erwähnt in der Art, dass die gleichnamigen Pole der Diode und des Ventils miteinander verbunden sind. Dabei wird ein Halb leiterventil gewählt, welches ein viel grösseres (bei spielsweise 100faches) Energie-Speicher- bzw. -Ableit- Vermögen als die Einkristalldiode aufweist.
Dieses Halbleiterventil leistet praktisch keinen Beitrag an die Gleichrichtung, sondern dient lediglich zum Schutz der Einkristalldiode.
In den Fällen, wo zur Gleichrichtung eines grösseren Stromes pro Zweig mehrere Einkristall-Halbleiter- dioden parallel geschaltet sind, genügt es, zu dieser Parallelschaltung von Dioden ein einziges entsprechend bemessenes polykristallines Halbleiterventil parallel zu schalten.
Bei Schaltungen mit mehreren in Serie geschalteten Dioden pro Zweig wird zu jeder Diode ein poly kristallines Halbleiterventil parallel geschaltet, und zwar wiederum so, dass gleichnamige Pole von Diode zu Ventil miteinander verbunden sind.
Die erfindungsgemässe Massnahme bietet nun gegenüber den oben erwähnten bekannten Massnahmen die folgenden Vorteile: a) Gegenüber der dauernden dreifachen Unter beanspruchung erlaubt die vorgeschlagene Lösung eine Erhöhung der spannungsmässigen Ausnützung der Einkristall-Halbleiterdioden bis mindestens 2/3 der vom Fabrikanten angegebenen maximal zulässigen Scheitelsperrspannung.
b) Gegenüber den Gasstrecken-Überspannungs- Ableitern bietet die vorgeschlagene Massnahme den Vorteil, dass durch die Vielzahl der beteiligten Kristalle im Schutzventil die Ansprechzeit eines oder mehrerer dieser Kristalle im Ventil mit Sicherheit unterhalb der Durchbruchszeit der Einkristalldiode liegt. c) Gegenüber der Parallelschaltung von Konden satoren zu den Einkristalldioden ergibt sich der Vorteil, dass das Schutzventil nicht nur eine Kapazität auf weist, die bei einer Selengleichrichterplatte z.
B. etwa 30000 pF pro cml beträgt und dementsprechend analog dem Kondensator zur Unschädlichmachung energiearmer Spannungsspitzen dienen kann, sondern gleichzeitig als Kondensator, Überspannungsableiter und Spannungsteiler wirkt. Treten z. B. Überspannun gen im Wechselstromspeisenetz auf, welche die Sperr spannung der Einkristall-Halbleiterdiode bis an die zulässige Grenze beanspruchen, wird der Rückstrom im Schutzventil so gross werden, dass das Schutzventil zerstört wird.
Dadurch kann man beispielsweise die Sicherung des Gleichrichterzweiges zum Ansprechen bringen und die gefährdete Einkristall-Halbleiterdiode abschalten, was bei Verwendung eines Kondensators nicht möglich ist.
Zusätzlich ist zu bemerken, dass beim Schutz der Einkristall-Halbleiterdioden mit parallel geschalteten Kondensatoren und bei mehreren in Serie geschalteten Dioden pro Zweig die Aufteilung der totalen Zweig- Sperrspannung auf die einzelnen Halbleiterdioden ganz willkürlich sein kann, während bei Verwendung eines polykristallinen Halbleiterventils durch die stark exponentielle Rückstromkennlinie des Schutzventils eine gleichmässige Aufteilung erzwungen wird. Voraus setzung ist dabei, dass im Rückstromgebiet die Strom- Spannungskennlinie für das Schutzventil früher anzu steigen beginnt als für die Einkristalldiode.
Der oben erwähnte Vorteil der gleichmässigen Auf teilung der Sperrspannung auf die einzelnen Dioden eines Zweiges gilt selbstverständlich auch im Vergleich zu der Verwendung eines aus Widerständen bestehen den Spannungsteilers.
Ausserdem bewirkt das Schutzventil bei Verwen dung von mehreren in Serie geschalteten Einkristall- dioden pro Zweig einen weiteren Schutz, falls eine Serie-Diode ausfallen sollte. Fällt eine solche Diode durch Kurzschluss aus, so wird der Rückstrom der Schutzventile der übrigen Dioden im Zweig bedeutend höher. Die Schutzventile können so bemessen sein, dass es in einem solchen Fall durch Überhitzung zer stört wird und die Überstrom-Schutzsicherung des Zweiges zum Ansprechen bringt, wodurch die ge fährdeten Einkristall-Halbleiterdioden abgeschaltet werden.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass die vorgeschlagene Schutzmassnahme den bis herigen Massnahmen in technischer Beziehung ein wandfrei überlegen ist. Ausserdem stellt sie durch den Umstand, dass sie eine bedeutend verbesserte span nungsmässige Belastung der Einkristall-Halbleiter- dioden gestattet, in wirtschaftlicher Hinsicht einen bedeutenden Vorteil dar.