DE1237692B

DE1237692B - Verfahren zur Bestimmung der Belastbarkeit eines Thyristors in Durchlassrichtung und zur Messung seines thermischen Innenwiderstandes

Info

Publication number: DE1237692B
Application number: DEL47619A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Heinz Carl; August-Christian Stumpe
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1964-04-17
Filing date: 1964-04-17
Publication date: 1967-03-30
Also published as: NL6504855A; US3426277A

Description

Verfahren zur Bestimmung der Belastbarkeit eines Thyristors in Durchlaßrichtung und zur Messung seines thermischen Innenwiderstandes Eine sinnvolle Ausnutzung von Thyristoren als elektrischer Bauteil ist nur möglich, wenn die strommäßige Belastbarkeit und auch der thermische Innenwiderstand eines jeden Thyristors bekannt sind. Die Kenntnis des thermischen Innenwiderstandes ist erforderlich, um über die Güte der inneren Wärmeübergänge Aussagen machen zu können und um bein Einsatz der Thyristoren zu gewährleisten, daß die Dimensionierung so gewählt ist, daß keine thermische Überlastung in den Sperrschichten auftreten kann.
Für die Aufnahme der absoluten, für jeden Thyristor gegebenen, strommäßigen Belastbarkeitsgrenze war bisher nur ein Verfahren bekannt, das die Zerstörung des Thyristors herbeiführte. Die relative Belastbarkeit einzelner Thyristoren wurde dadurch bestimmt, daß für die zulässige Sperrschichttemperatur, den zulässigen thermischen Innenwiderstand und für die zulässigen Durchlaßverluste Grenzwerte vorgegeben wurden, wobei über die Größe des sich ergebenden Sicherheitsabstandes bis zum Wert der Zerstörung keine Aussage möglich war. Zur Bestimmung des thermischen Innenwiderstandes mußten bekanntlich die Sperrschichttemperatur und die Bodentemperatur des Thyristors sowie die zugehörigen Verluste gemessen werden. Der thermische Innenwiderstand ist dann Rirs = Bsp - B, Nv Ritji ist der thermische Innenwiderstand in Grad Celsius pro Watt; mit üs; ist die Sperrschichttemperatur, mit pB die Bodentemperatur des Thyristors, beide in Grad Celsius, und mit N, die Verlustleistung in Durchlaßrichtung des Thyristors bezeichnet. Es ist bekannt, zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur 05p eine Eichmessung in der Weise vorzunehmen, daß der Thyristor von außen auf die gewünschte Eichtemperatur gebracht und bei dieser Temperatur der Zusammenhang zwischen der Durchlaßspannung und einem bestimmten Durchlaßmeßstrom aufgenommen wird. Durch Variieren der Eichtemperatur kann somit eine Kennlinie unter Ausnutzung des Zusammenhangs der drei Größen - Eichtemperatur, Durchlaßspannung und Durchlaßmeßstrom - aufgenommen werden.
Wird nun ein Thyristor entsprechend belastet, so ergibt sich auf Grund des Durchlaßspannungs- und Durchlaßmeßstromwertes aus der Kennlinie eine bestimmte Temperatur, die als Sperrschichttemperatur benutzt wird. Bei einem Thyristor wird der Durchlaßspannungsabfall aus den einzelnen über den drei pn-Übergängen auftretenden Spannungsabfällen gebildet. Diese drei Sperrschichten haben bei der Eich- messung gleiche Temperatur. Bei der Belastungsmessung stellt sich dagegen durch den Wärmefluß im Thyristor ein Temperaturgradient ein, so daß die drei pn-Ubergänge bei dieser Messung unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Da die Kennlinie eines jeden pn-Ubergangs von der Temperatur abhängt, ist die Auswertung der Durchlaßkennlinie des Thyristors mittels der Eichkurve eine Mittelwertbildung über die unterschiedlichen Sperrschichttemperaturen der einzelnen pn-Übergänge. Uber die Art der Mittelwertbildung ist auf Grund der bisherigen Erfahrungen keine Aussage möglich. Zudem wird noch die mögliche Temperaturverteilung innerhalb eines pn-Übergangs für jeden pn-Übergang temperaturmäßig gemittelt. Diese Mitteiwertbildungen können bei der Messung der Sperrschichttemperatur zu beträchtlichen Fehlern führen, so daß auch der mit einer solchen Größe berechnete thermische Innenwiderstand entsprechend fehlerbehaftet ist und damit keine Gewähr für einen optimalen Einsatz des Thyristors bietet.
Die Erfindung ermöglicht in einfacher Weise die Belastbarkeit und den thermischen Innenwiderstand eines Thyristors jeweils durch ein Verfahren zu bestimmen, das frei von den angeführten Mängeln der bekannten Verfahren ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Belastbarkeit eines Thyristors in Durchlaßrichtung und besteht darin, daß nach einer Durchlaßstrombeanspruchung mit beliebigen in ihrer Form festgelegten Stromimpulsen und nach einer Zwischenzeit, die größer als die Freiwerdezeit des Thyristors ist, eine vorbestimmte Spannung in Durchlaßrichtung angelegt wird, wobei die Belastbarkeitsgrenze des Thyristors unter den Prüfbedingungen dann erreicht ist, wenn diese Spannung gerade noch gesperrt wird.
Das Verfahren nach der Erfindung benutzt zur Bestimmung der Belastbarkeit den bekannten Zusammenhang zwischen der Nullkippspannung und der Sperrschichttemperatur der mittleren Sperrschicht an der ungünstigsten Stelle. Der Thyristor wird durch einen oder mehrere Stromimpulse festgelegter Kurvenformen in Durchlaßrichtung belastet.
Durch diese Stromimpulse erhöht sich die Sperrschichttemperatur. Im Anschluß an die Durchlaßstrombeanspruchung wird nach einer Zeit, die größer als die Freiwerdezeit des Thyristors ist, eine Spannung in Durchlaßrichtung angelegt. Die Flankensteilheit der angelegten Spannung wird so gewählt, daß die Anstiegsgeschwindigkeit keine Zündung des Thyristors verursacht. Außerdem wird der Scheitelwert dieser Spannung so festgelegt, daß die höchste Feldstärke die innerhalb des Thyristors auftritt, keine bleibende Veränderung der Eigenschaften der pn-Übergänge hervorruft. Beispielsweise wird als anzulegende Spannung die Nennspannung des Thyristors verwendet. Die Belastbarkeitsgrenze des Thyristors unter den gewählten Bedingungen ist dann erreicht, wenn diese angelegte Spannung bei einer bestimmten vorangegangenen Strombelastung nicht mehr gesperrt wird.
Die Belastbarkeit eines Thyristors im Dauerbetrieb wird bestimmt, indem die Belastungsdauer so gewählt wird, daß sich im Thyristor der thermische Gleichgewichtszustand einstellt.
Bei der Verwendung des Verfahrens zur Fertigungskontrolle ist es nicht notwendig, bei einem vorbestimmten Spannungswert jeden Thyristor bis zum Durchbruch zu betreiben, sondern es reicht vollständig aus, wenn auf Grund der Durchlaßstrombelastung durch einen ebenfalls vorgegebenen Stromwert noch keine Durchzündung erfolgt und der Thyristor somit qualifiziert ist.
Das Verfahren zur Bestimmung der Belastbarkeit läßt sich darüber hinaus in einfacher Weise zu einem Verfahren zur Bestimmung des thermischen Innenwiderstandes Rith weiterbilden. Hierzu ist es lediglich notwendig, zusätzlich die Bodentemperatur WB und die durch die Durchlaßstrombelastung hervorgerufene Verlustleistung Nv zu messen und die Messung der Belastbarkeitsgrenze bei zwei verschiedenen Bodentemperaturen agl und ABi, durchzuführen. Die Bestimmung der Belastbarkeitsgrenze soll bei den beiden verschiedenen Bodentemperaturen jeweils bei gleicher Spannungsbelastung durchgeführt werden.
Es kann dabei vorausgesetzt werden, daß die bewirkten kritischen Temperaturen, bei denen die angelegte Spannung bestimmter Größe gerade nicht mehr gesperrt wird, bei beiden Messungen gleich sind und diese daher der Sperrschichttemperatur gleichgesetzt werden können.
Die Beziehung des thermischen Innenwiderstandes Rith = #Sp-#B1 = #Sp - #B2 Nv1 Nv2 ergibt durch Elimination der Sperrschichttemperatur sp den Ausdruck B j QB ° i th N, 2 1 so daß der thermische Innenwiderstand lediglich von den beiden leicht zu messenden Bodentemperaturen #B1 und B2 und den beiden zugehörigen Verlustleistungen Nvi und Nv2 abhängt und die fehlerbehaftete Bestimmung der Sperrschichttemperatur auf die Ermittlung des thermischen Innenwiderstandes keinen Einfluß hat.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Bestimmung der Belastbarkeit eines Thyristors in Durchlaßrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Durchlaßstrombeanspruchung mit beliebigen in ihrer Form festgelegten Stromimpulsen und nach einer Zwischenzeit, die größer als die Freiwerdezeit des Thyristors ist, eine vorbestimmte Spannung in Durchlaßrichtung angelegt wird, wobei die Belastbarkeitsgrenze des Thyristors unter den Prüfbedingungen dann erreicht ist, wenn diese Spannung gerade noch gesperrt wird.
2. Verfahren zur Bestimmung der Belastbarkeit eines Thyristors im Dauerbetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungsdauer so gewählt wird, daß sich im Thyristor thermisches Gleichgewicht einstellt.
3. Verfahren zur Fertigungskontrolle für Thyristoren mit Hilfe der Bestimmung der Belastbarkeit von Thyristoren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine solche Durchlaßstrombeanspruchung jedes Thyristors vorgesehen wird, daß nicht jeder oder kein Thyristor bis zum Durchbruch und damit bis zur Belastungsgrenze betrieben wird.
4. Verfahren zur Messung des thermischen Innenwiderstandes eines Thyristors mit Hilfe der Bestimmung der Belastbarkeit von Thyristoren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Innenwiderstand über zwei Bestimmungen der Belastbarkeitsgrenze eines Thyristors bei zwei verschiedenen Bodentemperaturen gemäß der Beziehung Rtth - B2 - ß2 ith Nv2Nvt ermittelt wird, indem die beiden Bodentemperaturen und die bei den beiden Bestimmungen der Belastbarkeit auftretenden Verlustleistungen gemessen werden.