DE1198449B - Thermische Schutzvorrichtung fuer Halbleiterelemente - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H 02 j

H02d

Deutsche Kl.: 21 d3 - 2

M 54751 VIII b/21 d3
8. November 1962
12. August 1965

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische Schutzvorrichtung für Halbleiterelemente, insbesondere für Halbleiter-Gleichrichterdioden, in der sowohl ein Signal berücksichtigt wird, das dem durch das Halbleiterelement fließenden Strom proportional ist, als auch ein Signal, das vom Quadrat dieses Stromes abhängt, und die beim Erreichen einer bestimmten Temperatur des Halbleiterelementes einen Schutzvorgang auslöst.

Zum Schütze elektrischer Maschinen, deren Belastung im wesentlichen nur vom Quadrat des Stromes, nicht dagegen auch vom Linearwert des Stromes abhängt, sind Schutzvorrichtungen bekannt, bei denen, abgesehen von einer auf das Quadrat des Stromes ansprechenden Schaltung, ein Temperaturmeßglied vorgesehen ist, das die Kühlmitteltemperatur mißt. Eine derartige Schutzvorrichtung genügt für elektrische Maschinen, da bei ihnen die meist über ein strömendes Medium erfolgende Kühlung quantitativ leicht erfaßbar ist. Zum Schutz von Halbleiterelementen sind derartige Anordnungen dagegen kaum brauchbar, da keine Möglichkeit besteht, die Wärmeabfuhr vom Halbleiterelemen durch einen einfachen Widerstand zu versinnbildlichen.

Für Halbleiterelemente ist bereits eine thermische Schutzvorrichtung bekannt, in der sowohl ein Signal berücksichtigt wird, das dem durch das Halbleiterelement fließenden Strom proportional ist, als auch ein Signal, das vom Quadrat dieses Stromes abhängt und die beim Erreichen einer bestimmten Temperatur des Halbleiterelementes einen Schutzvorgang auslöst. Die bekannte Schutzvorrichtung stellt ein thermisches Abbild des zu schützenden Halbleiters dar. Das Abbild der einzelnen Teile des Halbleiters ist dabei gesondert aus Kondensatoren, Widerständen und Verstärkern zusammengesetzt.

Die Genauigkeit der mit derartigen thermischen Abbildern erreichten Schutzwirkung hängt entscheidend davon ab, wie naturgetreu die erreichte Nachbildung des Halbleiterelementes ist. Will man alle wesentlichen Einflüsse, insbesondere Schwankungen in der Kühlung berücksichtigen, so wird das thermische Abbild außerordentlich kompliziert. Mit einem erträglichen Aufwand lassen sich anderseits nur Näherungswerte der in der Halbleiter-Grenzschicht vorhandenen Temperaturen ermitteln.

Diese grundsätzlich allen thermischen Abbildern anhaftenden Mängel weisen in erhöhtem Maße bekannte Schutzvorrichtungen auf, die im wesentlichen mit mechanischen Mitteln arbeiten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Mängel der bekannten Aus-Thermische Schutzvorrichtung
für Halbleiterelemente

Anmelder:

LMateriel Electrique S.W., Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte, München 22, Steinsdorfstr. 10

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 17. November 1961 (879 301),

vom 15. Februar 1962 (888 110) --

führungen eine thermische Schutzvorrichtung für Halbleiterelemente zu schaffen, die sich durch einen einfachen Aufbau und eine hohe Genauigkeit in der Bestimmung der Temperatur der Halbleiter-Grenzschicht auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Temperaturmeßglied in der Kühlvorrichtung des Halbleiterelementes an einer Stelle mit einem gegenüber der zu schützenden Halbleiter-Grenzschicht bekannten thermischen Widerstand angeordnet ist und daß ein als Addierelement wirkender, über seinen Ausgang den Schutzvorgang aulösender Magnetverstärker vorgesehen ist, dessen einem Eingang eine dem Temperaturmeßwert entsprechende Spannung zugeführt wird, während zwei weiteren Eingängen das linear bzw. quadratisch vom Strom abhängige Signal zugeleitet wird.

Bei der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung handelt es sich somit nicht um ein thermisches Abbild im eigentlichen Sinne. Ein wesentliches Merkmal der neuen Lösung liegt vielmehr in der unmittelbaren Temperaturmessung, die — da sie nicht direkt in der zu schützenden Grenzschicht des Halbleiterelementes erfolgen kann — an einer Stelle vorgenommen wird, deren thermischer Widerstand gegenüber der Grenzschicht bekannt ist. Um zu der gesuchten, d. h. der zu überwachenden Temperatur in der Halbleiter-Grenzschicht zu gelangen, ist es dann lediglich erforderlich, den vom Strom abhän-

5υ gigen Temperaturabfall zwischen der Grenzschicht und der Meßstelle zu ermitteln. Zu diesem Zweck werden im Magnetverstärker außer dem vom Tem-

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peraturmeßglied gelieferten Signal noch das linear und das quadratisch vom Strom abhängige Signal berücksichtigt.

Zur Erläuterung der Erfindung diene folgende formelmäßige Darstellung:

Die Temperatur <9_;- der Grenzschicht eines Halbleiterelementes, beispielsweise einer Gleichrichterdiode oder eines gesteuerten Gleichrichters, kann nach der folgenden Gleichung bereichnet werden:

Hierbei bedeutet Θ_Μ die Temperatur, die in einem in der nahen Umgebung der Sperrschicht zugänglichen Punkt oder an einer Stelle der Kühlanlage gemessen wird; R_m ist der thermische Widerstand zwischen dem Punkt M und der Sperrschicht und P_d die in der Diode umgesetzte Leistung.

Beim vorliegenden Anwendungsbeispiel wird die verbrauchte inverse Leistung nicht berücksichtigt, da sie sehr klein gegenüber der direkten Leistung ist. Die verbrauchte Leistung P_d ist daher durch folgende Gleichung gegeben:

Hierbei ist V₀ die Schwellspannung der Diode, rd der differenzielle Widerstand der Diode, K ein Koeffizient, der von der Montage der Zelle und von der •Art ihrer Verwendung abhängt und id der mittlere Strom, der die Diode durchfließt.

Setzt man Gleichung (2) in Gleichung (1) ein, so ergibt sich

θ, = Θ_Μ + RjM id V₀ + R_m id? rdK. (3)

Diese Gleichung (3) zeigt, daß 0_;- eine Funktion von zwei Variablen (0^, id) ist.

Setzt man R_mV₀ = K₁ und R_jMrdK = K₂, so läßt sich Gleichung (3) schreiben als

Θ j = Θ_Μ + K₁ id + K₂ id*. (4)

Die Temperatur ©_; der Grenzschicht läßt sich daher in jedem Augenblick bestimmen, wenn man Θμ und id kennt.

Aus dieser Gleichung (4) ist das allgemeine Prinzip der Erfindung ersichtlich:

β/} ist die im Punkte M gemessene Temperatur; sie ergibt sich aus den einzelnen Belastungen und der Abkühlung während der vorhergehenden Belastungszustände; dies ist daher das integrierende Element, das in jedem Augenblick den Erwärmungszustand des Gleichrichters anzeigt.

K₁Id und K₂Id² sind anderseits Ausdrücke, die in jedem Augenblick die Temperaturdifferenz zwischen dem Punkt M und der Grenzschicht wiedergeben; diese Temperaturdifferenz hängt von dem vorstehend definierten thermischen Widerstand zwischen dem Punkt M und der Grenzschicht ab und wird ferner von der Wärmemenge beeinflußt, die der in jedem Augenblick in der Grenzschicht umgesetzten elektrischen Leistung entspricht.

Eine erfindungsgemäß ausgestaltete Schutzvorrichtung ermöglicht es daher, in einem gewünschten Augenblick gewisse Schaltvorgänge auszulösen, sobald die Temperatur der Grenzschicht einen Maximalwert &jl erreicht hat, den man je nach Art des ausgelösten Schaltvorganges zuvor entsprechend festlegt. Die Überwachung erfolgt dabei dadurch, daß in jedem Augenblick die Summe der Elemente der rechten Seite der Gleichung (4) mit dem festen Wert QjI verglichen wird und daß der Schaltvorgang ausgelöst wird, sobald die beiden Seiten gleich sind.

Dieser Vergleich läßt sich schaltungstechnisch dadurch erreichen, daß der Wert &;l der Summe der Elemente der rechten Seite der Gleichung entgegengeschaltet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es handelt sich um eine Schutzvorrichtung für einen

ίο Gleichrichter, der aus Halbleiterdioden besteht und bei dem die Temperatur wenigstens einer Diode überwacht wird. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 die Temperaturmessung in der Halterung der Kühlvorrichtung einer Diode,

Fig. 2 ein Schaltschema der gesamten Schutzvorrichtung,

Fig. 3 ein Diagramm, das den Betriebspunkt A für eine konstante Temperatur der Grenzschicht veranschaulicht,

ao Fig. 4 ein Schaltschema eines Ausführungsbeispieles der Erfindung, bei dem ein veränderliches Bezugssignal Verwendung findet.

Die schaltungstechnische Realisierung der Gleichung (4) läßt sich durch Transformation der Meßwerte in elektrische Signale, beispielsweise in Spannungen, durchführen.

Die Temperatur &_M des Punktes M wird durch eine beliebige Temperaturmeßvorrichtung, etwa ein Thermoelement, einen Heißleiter od. dgl., bestimmt, wobei der Temperaturwert in ein elektrisches Signal umgeformt wird. Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausführung zur Bestimmung der Temperatur Θ_Μ; die Diode 1 ist im Körper der Kühlvorrichtung 2 angeordnet; die Temperaturmessung im Punkte M erfolgt durch einen Heißleiter 3. Bei dieser Art der Montage wird in die Kühlvorrichtung 2 eine zylindrische Aufnahme gebohrt, in die der Heißleiter 3 eingeführt wird, so daß er unmittelbar unterhalb der Berührungsfläche zwischen der Kühlvorrichtung und der Diode liegt.

Das dem Wert K₁Id in Gleichung (4) entsprechende elektrische Signal wird entweder an den Klemmen eines Shunts oder eines Meßtransduktors auf der Gleichstromseite des Gleichrichters abgegriffen oder an den Klemmen eines Stromtransformators, der auf der Wechselstromseite des Gleichrichters liegt, oder es wird durch irgendeine andere Strommeßvorrichtung geliefert.
Das dem Wert K₂Id² entsprechende elektrische Signal wird von der vorstehend erläuterten Strommessung abgeleitet.

Die Transformation der Ausdrücke Θ_Μ, K₁Id und K₂id² in elektrische Signale kann durch beliebige Schaltungsmittel erfolgen. Bei dem in Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel geschieht die Transformation der Werte Θμ> K₁Id und K^id- in elektrische Spannungen in folgender Weise:

Der Strom, der den Wert id liefert, wird den Klemmen 4 und 5 zugeführt; das Signal K₁Id wird am

Widerstände abgegriffen. Die Einstellung des Koeffizienten K₁ läßt sich durch Änderung des Widerstandes 7 durchführen.

Das SignalK₂id² wird aus dem Meßwerte oder einem zu id proportionalen Wert mit Hilfe eines Widerstandes 8 und eines nichtlinearen Regelwiderstandes 9 abgeleitet; der genaue Wert des Koeffizienten K₂ läßt sich durch Veränderung des Widerstandes 10 einstellen.

Der Heißleiter 11, der ein der Temperatur im Punkte Μ entsprechendes elektrisches Signal liefert, liegt beispielsweise in einer Wheatstone-Brücke 12; die Einstellung des Stromes erfolgt mittels des Widerstandes 13.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 werden die Signale Θ_Μ, KJd und K₂id² einem logischen Schaltkreis 14 mit mehreren Eingängen zugeführt. Dieser Schaltkreis 14 enthält einen Magnetverstärker mit sprunghafter Sättigung, der vier Steuerwicklungen 15, 16, 17 und 18 sowie eine Ausgangswicklung aufweist, die eine Transistorkippschaltung steuert. Diese Kippschaltung liefert an den Klemmen 19 entweder eine Spannung Null oder eine Spannung bestimmter Größe, beispielsweise 24 V.

Den drei Steuerwicklungen 16, 17 und 18 werden mit gleicher Polarität, beispielsweise mit Minus-Polarität, die Spannungen zugeführt, die den Werten Θ_Μ, KJd und K₂id² entsprechen. Der vierten Steuerwicklung 15 wird mit entgegengesetzter Polarität, d. h. beispielsweise mit Plus-Polarität, eine Bezugsspannung zugeführt, die dem maximalen Grenztemperaturwert entspricht, der in der Grenzschicht des Halbleiterelementes zulässig ist.

Solange daher bei einer bestimmten Belastung die Temperatur in der Grenzschicht unterhalb des Grenzwertes liegt, liefert der logische Schaltkreis 14 an den Ausgangsklemmen 19 eine bestimmte Spannung, beispielsweise 24 V, durch die die Erregung eines Relais 20 aufrechterhalten wird.

Sobald infolge der Belastung der Diode die vorgegebene maximale Grenztemperatur in der Grenzschicht erreicht wird, schaltet der logische Kreis 14 um; die Ausgangsspannung an den Klemmen 19 wird Null, das Relais 20 fällt ab. Die ganze Anordnung bildet daher ein Schutzsystem, das bei Wegfall der Spannung anspricht.

Das Relais 20 kann einen Alarm auslösen, die Gleichrichteranordnung ganz abschalten oder einen sonstigen Schaltvorgang durchführen.

Es versteht sich, daß die den Wicklungen 16, 17 und 18 zugeführten Signale sowie das der Wicklung 15 (mit entgegengesetzter Polarität) zugeführte Signal auch die umgekehrte Polarität wie beim vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel aufweisen können; das Relais schließt dann, wenn die maximale Grenztemperatur in der Sperrschicht der Diode erreicht ist; die Anordnung bildet dann ein Schutzsystem,, das beim Auftreten eines bestimmten Stromes anspricht.

Je nach der Bedeutung der Anlage können mehrere identische Schutzvorrichtungen Verwendung finden, die auf ein unterschiedliches Temperaturniveau der Grenzschicht eingestellt sind. So kann beispielsweise bei einem Temperaturniveau Q_{1 n} die Last vermindert, bei einer Temperatur &_jl2 ein Alarm ausgelöst und bei einer Temperatur 6>_/13 die Anlage ganz abgeschaltet werden.

Der logische Schaltkreis 14 kann bei einer Messung der Temperatur der Grenzschicht des Halbleiterelementes dazu benutzt werden, durch Änderung des der Bezugstemperatur entsprechenden Signals die Gleichheit der beiden Seiten der Gleichung (4) herbeizuführen.

Gleichung (4) läßt sich auch schreiben als

Θ μ = θ, - K₁ id - K₂ id². (5)

Diese Gleichung (5) wird durch das Diagramm in F i g. 3 veranschaulicht. Es zeigt den Ort eines Punktes A, der den Betrieb bei einer konstanten Temperatur der Grenzschicht darstellt. Aus Gleichung (5) ist ersichtlich, daß alle Ortskurven des Punktes A sich durch Verschiebung längs der Ordinatenachse,

d. h. durch Veränderung der Temperatur <9_;- der Grenzschicht ableiten lassen, die für jede Kurve die Grenztemperatur im Punkt M, an dem die Temperatur des Gleichrichters abgenommen wird, darstellt. Wenn man daher &_R, d. h. das der Bezugstemperatur entsprechende Signal, verändert, läßt sich in jedem Augenblick die Temperatur der Grenzschicht bestimmen, sobald die beiden Seiten der Gleichung

(4) einander gleich sind.

Wird der beschriebene logische Schaltkreis zur Messung der Temperatur der Grenzschicht des Halbleiterelementes benutzt, so findet eine Vorrichtung verwendung, die den Strom in der Bezugswicklung 15 (vgl. F i g. 2) mißt; diese Vorrichtung kann beispielsweise eine Gradeinteilung aufweisen und unmittelbar die Temperatur der Grenzschicht anzeigen.

Die Ausgangswicklung des logischen Schaltkreises dient beispielsweise zur Ein- oder Ausschaltung eines Lichtsignals.

Geht man beispielsweise von einem Wert Null des Bezugssignals aus, bei dem die Anzeigelampe ausgeschaltet ist, und vergrößert man progressiv den Wert des Bezugssignals, d. h. im vorliegenden Falle den Strom in der Bezugswicklung, bis die Lampe aufleuchtet, so sind in diesem Augenblick die beiden Seiten der Gleichung (4) einander gleich, und man kann auf der Meßvorrichtung des Bezugsstromes die Temperatur der Grenzschicht des Halbleiterelementes ablesen.

Es ist jedoch auch möglich, in umgekehrter Weise vorzugehen, d. h. von einem Maximalwert des Bezugssignals auszugehen und kontinuierlich das Bezugssignal zu verringern, bis die Anzeigelampe erlischt oder aufleuchtet.

Dieser Meßvorgang kann schließlich auch automatisiert werden, indem die periodische Änderung des Wertes des Bezugssignals vom Ausgangssignal des logischen Schaltkreises abhängig gemacht wird. Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen werden die Ausdrücke Θ_Μ, d. h. ein physikalisches Temperaturmaß, und K₁M, K₂id², d. h. physikalische Stromwerte, in Amperewindungen umgeformt und magnetischen Kernen zugeführt. Ebenso können jedoch die den Ausdrücken Θ_Μ, K₁Id und

K₂id² entsprechenden Signale beispielsweise auch die Eingangswicklungen eines linearen Magnetverstärkers speisen, dessen Ausgangssignal der Summe der Eingangssignale proportional ist.

F i g. 4 zeigt, wie die Signale Θ_Μ, K₁Id und K₂id², die den einzelnen Temperaturen entsprechen und deren Amplituden etwa unter Zugrundelegung von in χ Zentigrade eingeteilten Amperewindungen geregelt werden, einem Additionskreis 21 mit drei Eingängen zugeführt werden, dessen Ausgangssignal der Summe der Eingangssignale proportional ist. Der Additionskreis 21 kann ein linearer Magnetverstärker sein, dessen Ausgang eine Vorrichtung 22 speist, dies das Ausgangssignal mißt und die in Temperaturgrade der Grenzschicht eingeteilt ist, wobei etwa ein Strom von 1 mA einer Temperatur von y Zentigraden entspricht.

Der Magnetverstärker, der die Addition der Ausdrücke Θ_Μ, K₁Id, K₂Id² durchführt, kann so aus-

gebildet werden, daß seine Ausgangsleistung ausreicht, um eine registrierende Meßvorrichtung für das Ausgangssignal zu betätigen.

Durch die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung läßt sich somit eine Anlage mit mehreren Halbleiterelementen einwandfrei schützen, da in jedem Augenblick die Temperatur in der Grenzschicht eines oder mehrerer Halbleiterelemente der Anlage gemessen und überwacht wird.

Bei den üblichen Anwendungen von Gleichrichtern, die mehrere Halbleiterelemente enthalten, ist es häufig erwünscht, nicht nur die Temperatur in der Grenzschicht eines oder mehrerer Halbleiterelemente zu kennen, sondern auch die Erwärmungsreserve, die in der Anlage im jeweiligen Augenblick noch zur Verfügung steht. Diese Reserve läßt sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch ermitteln, daß die Temperaturdifferenz zwischen einer vorgegebenen Grenztemperatur der Grenzschicht und der gerade vorhandenen Temperatur in Grade unterteilt wird; das Ende dieser Gradeinteilung bei der Grenztemperatur bedeutet dann den Null-Wert dieser Skala und gibt an, daß die Betriebstemperatur der Grenzschicht den vorgegebenen Grenzwert erreicht hat und die Reserve somit erschöpft ist.

Die Erfindung beschränkt sich keineswegs auf die dargestellten Ausführungsbeispiele; es sind vielmehr zahlreiche Abwandlungen im einzelnen möglich, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Thermische Schutzvorrichtung für Halbleiterelemente, insbesondere für Halbleiter-Gleichrichterdioden, in der sowohl ein Signal berücksichtigt wird, das dem durch das Halbleiterelement fließenden Strom proportional ist, als auch ein Signal, das vom Quadrat dieses Stromes abhängt, und die beim Erreichen einer bestimmten Temperatur des Halbleiterelementes einen Schutzvorgang auslöst, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturmeßglied (3,11) in der Kühlvorrichtung (2) des Halbleiterelementes (1) an einer Stelle (M) mit einem gegenüber der zu schützenden Halbleiter-Grenzschicht bekannten thermischen Widerstand angeordnet ist und daß ein als Addierelement wirkender, über seinen Ausgang den Schutzvorgang auslösender Magnetverstärker (14, 21) vorgesehen ist, dessen einem Eingang (Wicklung 16) eine dem Temperaturmeßwert entsprechende Spannung zugeführt wird, während zwei weiteren Eingängen (Wicklungen 17, 18) das linear bzw. quadratisch vom Strom abhängige Signal zugeleitet wird.

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Magnetverstärkers (21) an eine die Temperatur der Halbleiter-Grenzschicht anzeigende Meßvorrichtung (22) angeschlossen ist.

3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine sprunghafte Sättigung aufweisende Magnetverstärker (14) einen vierten Eingang (Wicklung 15) besitzt, dem ein der zulässigen Temperatur der Halbleiter-Grenzschicht entsprechendes Bezugssignal zugeführt wird, das im Magnetverstärker mit der Summe der drei anderen Signale verglichen wird, wobei der Ausgang des Magnetverstärkers eine den Schutzvorgang auslösende Kippschaltung steuert.

4. Schutzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Bezugssignals einstellbar ist.

5. Schutzvorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Meßvorrichtung für das Bezugssignal, die die Temperatur der Halbleiter-Grenzschicht im Augenblick der Auslösung des Schutzvorganges anzeigt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1108 317,

1027771; deutsche Auslegeschrift B 2920 VIIIb/2Id^

(bekanntgemacht am 19. 1. 1956).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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