Ein 600-kV-Gleichrichter ist keine größere Version eines 60-Volt-Gleichrichters. Das ist unmöglich, und der Grund dafür liegt in einer Materialgrenze. Dies ist eine kurze Erklärung, warum Hochspannungsgleichrichtung immer mit Stapelgleichrichtern erfolgt und was das in der Praxis bedeutet.

Die Grenze, die niemand durch Konstruktion umgehen kann.

Die Sperrwirkung von Silizium wird durch seine Durchbruchfeldstärke bestimmt – etwa 20 bis 30 Volt pro Mikrometer bei den in Gleichrichtern verwendeten Dotierungsprofilen. Die Sperrschicht muss so breit sein, dass die Feldstärke in ihr diesen Wert nie erreicht. Das bedeutet, dass die Breite mit der Spannung skaliert: Um eine Sperrspannung von 10 kV zu halten, ist eine Sperrschicht von etwa einem Millimeter Dicke erforderlich. Bei 100 kV entspricht dies etwa einem Zentimeter schwach dotiertem Silizium, und bei 600 kV sechs Zentimetern.

Die Dicke ist nicht das einzige Problem. Diese schwach dotierte Zone ist auch der Teil des Bauelements, der den Vorwärtsstrom führt, und ihr Widerstand steigt deutlich schneller als die Nennspannung. Ein einzelner pn-Übergang mit einer Nennspannung von mehreren hundert Kilovolt würde im Vorwärtsbetrieb absurde Wärmemengen erzeugen und wäre ein Siliziumbauteil von der Größe eines Untersetzers. Seine Herstellung ist zu vernünftigen Kosten nicht realisierbar.

Bei der Hochspannungsgleichrichtung geht es also nicht darum, einen einzelnen pn-Übergang zu verbessern. Vielmehr geht es darum, viele gewöhnliche pn-Übergänge in Reihe zu schalten und diese Reihe so zu verhalten, dass sie sich wie ein einzelnes Bauelement verhält.

Was bedeutet es, „es wie ein einziges Gerät verhalten zu lassen“?

Verbindet man zehn 6-kV-Transistoren in Reihe, erhält man prinzipiell einen 60-kV-Gleichrichter. In der Praxis müssen jedoch drei Probleme gelöst werden, bevor er funktioniert:

  • Die Spannung muss gleichmäßig aufgeteilt werden. Wenn dies nicht der Fall ist, nimmt ein Würfel mehr als seinen Anteil und fällt als erster aus, wodurch die Kette in eine Kettenreaktion gerät. Genau dafür sind die RC-Kompensationsnetzwerke entlang der Kette da.
  • Die Verbindungsstellen müssen abgedichtet werden. Eine freiliegende Kontaktfläche ist undicht, was sowohl zu Verlusten als auch zu Ungleichgewichten führt. Durch die Glaspassivierung wird die Kontaktfläche jedes Chips abgedichtet, sodass die Leckage gering und stabil bleibt.
  • Die Hitze muss raus. Die gesamten Vorwärtsverluste der Kette entstehen in einem einzigen Chip. Die internen Verbindungen müssen diese Verluste zum Gehäuse ableiten. Deshalb werden die Chips vakuumgelötet und nicht geklebt oder verpresst – eine Verbindung ohne Lufteinschlüsse und Flussmittelreste bildet einen durchgängigen Wärmepfad.

Diese drei Werte sind entscheidend für die Funktionsfähigkeit eines Hochspannungsgleichrichters. Die Nennspannung ist zwar in einer Zeile des Datenblatts angegeben, die anderen drei Werte entscheiden jedoch darüber, ob das Bauteil im Betrieb zuverlässig funktioniert.

Warum sich die Verpackung ständig ändert

Sobald die Kabelführung existiert, bleibt die Frage nach der Montage, weshalb diese Produktkategorie so viele verschiedene Formen aufweist. Derselbe elektrische Verteiler wird unter anderem wie folgt verkauft:

Die elektrischen Kenndaten dieser Bauformen überschneiden sich weitgehend. Der Unterschied liegt im Einbauort und der Kühlung – weshalb ein Ersatzteil, das zwar den Datenblattvorgaben entspricht, aber nicht den Montagebedingungen, dennoch ungeeignet ist.

Die praktischen Konsequenzen

Beim Austausch eines veralteten Hochspannungsgleichrichters sind Spannung und Stromstärke der einfache Teil: Sie sind im Datenblatt angegeben und bilden die Grundlage für die Querverweistabellen. Entscheidend für die Funktionsfähigkeit des Ersatzteils sind jedoch drei Faktoren, die nicht in den Nennwerten aufgeführt sind: die Spannungsverteilung im Strang, die Abdichtung der Übergänge und die Wärmeableitung.

Deshalb dient eine Querverweistabelle eher als Ausgangspunkt denn als endgültige Lösung. Senden Sie uns die Original-Teilenummer und ein Foto der Montagevorrichtung. Wir senden Ihnen dann das entsprechende Teil mit den bestätigten mechanischen Abmessungen, nicht nur den Nennwerten.