DE1937786A1 - Temperaturueberwachungseinrichtung fuer Halbleiterelemente - Google Patents

Temperaturueberwachungseinrichtung fuer Halbleiterelemente

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DE1937786A1
DE1937786A1 DE19691937786 DE1937786A DE1937786A1 DE 1937786 A1 DE1937786 A1 DE 1937786A1 DE 19691937786 DE19691937786 DE 19691937786 DE 1937786 A DE1937786 A DE 1937786A DE 1937786 A1 DE1937786 A1 DE 1937786A1
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semiconductor
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monitoring device
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DE19691937786
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Korb Dipl-Ing Fritz
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BBC Brown Boveri France SA
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BBC Brown Boveri France SA
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H6/00Emergency protective circuit arrangements responsive to undesired changes from normal non-electric working conditions using simulators of the apparatus being protected, e.g. using thermal images
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F1/00Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/52Circuit arrangements for protecting such amplifiers

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Description

  • Temperaturüberwachungseinrichtung für Halbleiterelemente Die Erfindung betrifft eine Demperaturüberwachungseinrichtung für Halbleiterelemente, insbesondere Überlastungsschutz, nach Maßgabe der Umgebungstemperatur bzw. der Kühler- oder der Halbleitergehäusetemperatur und der höchst zulässigen Halbleiterkristalltemperatur (Grenztemperatur).
  • Beim Betrieb eines Halbleiterelementes darf eine maximale Sperrschichttemperatur des Haibleiterkristalis nicht überschritten werden, da dieser bei zu großer Erwärmung zerstört würde. Deshalb wird in der DAS 1 243 276 vorgeschlagen, einen Selengleichrichter durch einen Kaltleiter zu schützen, indem im Schichtaufbau der Selengleichrichterplatte eine Schicht aus einem polykristallinen Kaltleiter besteht. Diese Methode eignet sich nur für Halbleiter mit geringen Sperrspannungen; da Silizium-Halbleiter für sehr viel höhere Sperrspannungen ausgelegt sind, kann diese Art der Strombegrenzung keine Anwendung finden.
  • Eine Möglichkeit des Schutzes von Halbleiterelementen, z.B.
  • von Thyristoren' und Dioden, gegen überströmte und Kurzschlüsse ist durch die Verwendung von Kurzschließern oder Sicherungen gegeben (E. Nitsche und P. Pokorny: "Der 5lizium-Gleichrichter in der Starkstromtechnik", ETZ-A, Bd. 80, 1959, S. 506 - 512).
  • So beinhaltet die DAS 1241 916 eine Gleichrichteranordnung mit einem Halbleitergleichrichter, der mit einem Kühlkörper verbunden ist und mit einer Sicherung in Reihe liegt.
  • Beim Auftreten von Kurzschlüssen ist dieser Schutz normalerweise ausreichend. Bei überströmen jedoch ist ein Sicherungsschutz ungeeignet, eine kurzzeitige Stoßstrombelastung, für die das Halbleiterelement noch ausgelegt sein mag, läßt die Sicherung schon ansprechen. Besonders problematisch ist der Schutz eines Haibleiterelementes bei wechselnder Belastung, wenn die thermische Zeitkonstante des Gehäuses und des Kühlers nicht vernachlässigt werden kann, wenn also nach der dem Halbleiter noch zuführbaren Leistung bis zum Erreichen der maximalen Verlustleistung gefragt ist.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturdberwachungaeinrichtung für Halbleiterelemente, insbesondere Uberlastungsschutz, zu schaffen, die einen sicheren Schutz bei wechselnder Belastung gewährleistet, die es insbesondere gestattet, das Halbleiterelement jeweils bis zum Erreichen der höchst zulässigen Sperrschichttemperatur auszunützen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Betrachtung des Temperaturverhaltens eines Halbleiteriementes notwendig. Bei Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial liegt die höchst zulässige Sperrschicht-Temperatur zwischen 1200 und 1800C. Bei einer mitt leren Kühlertemperatur der Sperrschicht von 50°C ist also eine Ubertemperatur von 1000C möglich. Zur Festlegung der Strombelastbarkeit eines Halbleiterelementes muß deasen Temperaturverhalten bekannt sein.
  • Die durch den Durchlaßstrom in einem Halbleiterelement (Fig. 1) verursachte Verlustleistung entsteht fast ausschließlich im Halbleiterkristall. Dieser wird also erwärmt und aufgrund des Temperaturgefälles zwischen Kristall, Gehäuse und Kühler wird die Wärme an die umgebende Luft oder Plüsaigkeit abgeführt.
  • Der gesamte Wärmewiderstand zwischen Halbleiterkristall und Umgebung kann bei Leistungsgleichrichtern aufgeteilt werden in den Wärmewiderstand des Halbleiterkristalls, der Molybdänschei be, des Gehäuses und des Kühlers. Im nichtstationären Fall ist daneben noch die zugehörige Wärmekapazitäit der einzelnen Massen zu berücksichtigen.
  • Das Temperaturverhalten eines lialbleiterelementes läßt sich bekanntlich in Form eines thermischen Ersatz schaltbildes analog einem elektrischen Ersatzschaltbild darstellen (H. Buri und R.
  • Weinsheimer: "Berechnungsgrundlagen für die Strombelastbarkeit von Si-Thyristoren und Dioden bei nichtstationärer Belastung BSC-Nachrichten, II. 8, 1968, S. 450 - 457).
  • Im thermischen Ersatzschaltbild der Fig. 2 ist die ladung Q in As der Wärmemenge Qth in W5 zugeordnet, die Kondens-atoren CJ, CG und CK entsprechend den Wärmekapazitäten des Halbleiterkristalls, des Halbleitergehäuses und des Kühlers, die Widerstände entsprechen den Wärmewiderständen RthJG zwischen Rristall und Gehäuse, RthGK zwischen Gehäuse und Kühler sowie RthKU zwischen Kühler und Umgebung. Die Spannungen an den Kondensatoren entsprechen den Temperaturen #J des Kristalls, des des Gehäuses, #K des Kühlers und #U der Umgebung.
  • Um Anhaltswerte für die Größe der Kapazitäten zu gewinnen, sei angenommen, daß die dauernd zulässige Verlustleistung PpN auf die verschiedenen Nassen einwirkt, ohne daß eine Wärmeabgabe stattfindet. Für die Aufheizung von einer Umlufttemperatur von 4500 auf eine höchst zulässige Halbleiterkristalltemperatur von 125°C vergehen in etwa folgende Zeiten Halbleiterkristall 10 msec ( A= Oj) Halbleitergehäuse 10 sec (# CG) Kühler 100 sec (#CK) Die betriebsmäßigen Überlastungen liegen aber normalerweise im Sekundenbereich, so daß C ternachlässigbar ist.
  • Zur weiteren Vereinfachung wird das gesamte, an die Gehäusekapazität sich anschließende Netzwerk durch einen leicht meßbaren transienten Wärmewiderstand Rs thGU er setzt, der sich experimentell wie folgt bestimmen läßt: Erfindungsgemäß wird nun diese leicht meßbare Gehäusetemperatur bzw. Kühlertemperatur für die Temperaturüberwachung benützt.
  • Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht nun darin, daß die die Temperaturverhältnisse näherungsweise bestimmende Gleichung #G + PF # RthJG # #Jmax -in der bedeutet Gehäusetemperatur elektrische Verlustleistung im Kristall R Wärmewiderstand zwischen Halbleiterkristall und Halbleitergehäuse #Jmax Grenztemperatur mit Hilfe eines elektrischen Auswerters in der Weise dargestellt wird, daß einem oder mehreren Eingängen des Auswerters eine der Temperatur pG entsprechende elektrische Größe und eine dem Produkt aus der im Halbleiterelement entstehenden elektrischen Verlustleistung PF und dem Wärmewiderstand RthJG entsprechende Größe oder die Summe aus beiden zugeführt und die- Summe mit einer einem weiteren Eingang des Auswerters zugeführten, die Grenztemperatur Jmax entsprechenden elektrischen Größe im Auswerter in der Weise verglichen wird, daß bei tbçrschreiten der Grenztemperatur ein Schalt- oder Steuersignal ausgelöst wird.
  • Der entscheidende Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß zur Temperaturüberwachung des Halbleiterelementes - und damit sur vollen Ausnützung der Belastungsfähigkeit - allein die Gehäusetemperatur und der Durchlaßstrom gemessen werden muß.
  • Die Grenztemperatur sowie das Produkt aus elektrischer Verlustleistung Pp und-Wärmewiderstand RthJG werden einem Auswerter vorgegeben und die gebildete Summe beider Größen mit der Gehäusetemperatur verglichen. Es ist also in jedem Augenblick die Einhaltung der Grenztemperatur gewährleistet In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird in der Gleichung i¼+ 2Rmax . RthJG = # Jmax bei fest vorgegebener Verlustleistung der Faktor PF. RthJG mit der Grnztemperatur zu einer neuen konstanten Größe schaltungsmäßig zusammengefaßt und mit der Gehäusetemperatur verglichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß bei fest vorgegebener Verlustleistung die Summenbildung und die Strommessung entfällt und nur noch ein Vergleich der neuen konstanten Größe, die z.B. an einem Spannungsteiler eingestellt wird, mit der Gehäusetemperatur erfolgt.
  • Sind die Zeiten zwischen den einzelnen Belastungsphasen so- groß, daß auch die thermische Zeitkonstante des Halbleitergehäuses vernachlässigt werden kann, so genügt es, an Stelle der Halbleitergehäusetemperatur die Kühlertemperatur zu messen und dem Auswerter zuzuführen. Der Vorteil liegt darin, daß im normalen Fall die Kühlertemperatur noch einfacher zu messen ist als die Gehäusetemperatur.
  • Als Auswerter wird vorteilhafterweise ein kippbarer Verstärker eingesetzt, z.B. ein Schmitt-Trigger oder ein Signal-Bereichsmelder. Die Addition der Gehäusetemperatur mg und des Produkte PF . RthJG kann entweder dem Auswerter vorangehen oder aber von diesem selbst erfolgen Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung i Verbindung mit den Zeichnungen hervor. Dabei zeigen Fig. 1 ein Halbleiterelement im Schnitt auf einen Kühler aufgesetzt, Pig. 2 das thermische Ersatzschaltbild eines Halbleiterelementes nach Fig.
  • Fig. 3 das mittels eines transienten Wärmewiderstandes vereinfachte thermische Ersatzschaltbild eines Halbleiterelementes, Fig. 4 eine erfindungsgemäße Temperaturüberwachungseinrichtung bei Zuführung der Gehäusetemperatur, der Grenztemperatur und des Produktes Pp F RthJG in einen Auswerter und Vergleich der ersten Größe mit der Summe der beiden letzten Fig. 5 eine vereinfachte Temperaturüberwachungseinrichtung bei fest vorgegebener Verlustleistung unter Zusammenfassung der Faktoren PFmax . RthJG und der Grenztemperätur zu einer neuen Konstantgröße.
  • Anstelle der Gehäusetemperatur kann in den Fig. 4 und 5 die Kühlertemperatur dem Auswerter zugeführt werden.
  • Fig. 6 zeigt eine Temperaturüberwachungseinrichtung mit nachfolgender Steuereinrichtung.
  • Eine Realisierung der erfindungsgemäßen emperaturüberwachungseinrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Der durch das Halbleite -element fließende Durchlaßstrom und gegebenenfalls die Spannung werden mittels eines Wandlers oder Umsetzers 1 gemessen. Ein Funktionsgeber 2 bildet hieraus das Produkt aus der Verlustleistung PF und dem Wärmewiderstand RthJG. Diese Größe wird mit der vorgegebenen Grenztemperatur summiert, die an einem Spannungsteiler 5 einstellbar ist. Die Summe wird in einem Auswerter 3 mit der ebenfails zugeführten, in eine elektrische Größe umgewandelten Gehäusetemperatur tG verglichen. Ubersteigt die Summe aus Genäusetemperatur G und Produkt PF . RthJG die Grenztemperatur Qthmlx' so wird vom Auswerter ein Signal an ein Auslösegerät 4 abgegeben, der seinerseits ein geeignetes Boha'1- oder StXuer4gnal auslöst.
  • Fig. 5 zeigt eine vereinfachte Schaltung von Fig. 4, wenn nämlioh die Verlustleistung fest vorgegeben oder aus dem entsprechenden Datenblatt entnommen werden kann und mit dem Faktor PRnax e RthJG schaltungsmäßig zusammengefaßt ist. Auf eine Messung des Stromes kann hier verzichtet werden. Die Ausführung empfiehlt sich immer dann, wenn während des Betriebes mit Erreichen der maximalen Verlustleistung gerechnet werden muß. Dem Auswerter 3 wird hier die Gehäusetemperatur und die an dem Spannungsteiler 5 abgegriffene neue konstante Größe zugeführt.
  • Anstelle derGehäusetemperatur kann bei Vernachlässigung der thermischen Zeitkonstante des Halbleitergehäuses bei Belastung spielen über längere Zeit hinweg den Schaltungen der Fig. 4 und 5 anstatt der Gehäusetemperatur die Kühlertemperatur zugeführt werden.
  • Die Erfindung kann bevorzugt dazu verwendet werden, Abweichunge der Temperatur während des laststoßes so zu korrigieren, daß di Überlastungsfähigkeit dr Gesamtanlage weitgehend erhalten bleibt.
  • Die Ausführung nach Fig. 6 kann beispielsweise bei einigen oder bei allen parallel arbeitenden Systemen eingebaut werden. Wird bei symmetrischer Stromaufteilung während des Laststoßes die zulässige Gehäuse- bzw. Kühlertemperatur, z.B. bei einer Größe infolge ungünstiger Kühlerbedingungen, überschritten, so wird das vom Auslöser 4 abgegebene Signal zu einem Korrektursignal für die Gittersteuerung oder die Strombegrenzung umgeformt, das die Strombelastung während des Laststoßes für die betreffende Gruppe herabsetzt. Führt das Korrektursignal nicht zum gewünschten Erfolg, so kann das vom Auslösegerät abgegebene -Signal über einen Signalverzögerer in ein Ausschaltsignal umgeformt werden.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Temperaturüberwachungseinrichtung für Halbleiterelemente, insbesondere Überlastungsschutz, nach Maßgabe der Umgebungstemperatur bzw. der Kühlers oder Halbleitergehäusetemperatur und der höchst zulässigen Halbleiterkirstalltemperatur (Grenztemperatur), dadurch gekennzeichnet, daß die die fflemperaturverhältnisse näherungsweise bestimmende Gleichung #G + PF # RthJG = #Jmax' in der bedeutet: Gehäusetemperatur PF elektrische Verlustleistung im Kristall RthJG Wärmewiderstand zwischen Halbleiterkristall und und Halbleitergehäuse #Jmax Grenztemperatur mit Hilfe eines elektrischen Auswerters in der Weise dargestellt wird, daß einem oder mehreren Eingängen des Auswerters eine der Temperatur mg entsprechende elektrische Größe und eine eine dem Produkt aus der im Halbleiterelement entstehenden elektrischen Verlustleistung PF und dem Wärmewiderstand RthJG entsprechende Größe oder die Summe aus den beiden zugeführt und die Summe mit einer einem weiteren Eingang des Auswerters zugeführten, der Grenztemperatur #Jmax entsprechenden elektrischen Größe im Auswerter in der Weise verglichen wird, daß bei Überschreiten der Grenztemperatur ein Schalt- oder Steuer signal ausgelöst wird.
2. Temperaturüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gleichung #G + PF . RthJG = #Jmax bei fest vorgegebener Verlustleistung der Faktor PF. RthJG mit der Grenztemperatur zu einer neuen Konstantgröße schaltungsmäßig zusammengefaßt und mit der Gehäusetemperatur vergliehen wird.
3. Temperaturüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter Vernachlässigung der thermischen Zeitkonstante dssHalbleitergehäuses anstelle der Halbleitergehäusetemperatur -die Kühlertemperatur dem Auswerter zugeführt wird.
4. Temperaturüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Auswerter ein kippbarer Verstärker, z.B. ein Schmitt-Trigger gegebenenfalls mit Eingangsmischung oder ein Signalbereichsmelder, verwendet wird.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2333967A1 (de) * 1972-07-10 1974-01-31 Asea Ab Thyristorventil mit selbstzuendungsoder wiederherstellungsschutz
DE2553210A1 (de) * 1974-12-02 1976-08-12 Gen Electric Canada Temperaturueberwachungsschaltung

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