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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).
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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.
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Eine Möglichkeit des Schutzes von Halbleiterelementen, z.B.
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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).
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So beinhaltet die DAS 1241 916 eine Gleichrichteranordnung mit einem
Halbleitergleichrichter, der mit einem Kühlkörper verbunden ist und mit einer Sicherung
in Reihe liegt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das Temperaturverhalten eines lialbleiterelementes läßt sich bekanntlich
in Form eines thermischen Ersatz schaltbildes analog einem elektrischen Ersatzschaltbild
darstellen (H. Buri und R.
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Weinsheimer: "Berechnungsgrundlagen für die Strombelastbarkeit von
Si-Thyristoren und Dioden bei nichtstationärer Belastung BSC-Nachrichten, II. 8,
1968, S. 450 - 457).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Anstelle der Gehäusetemperatur kann in den Fig. 4 und 5 die Kühlertemperatur
dem Auswerter zugeführt werden.
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Fig. 6 zeigt eine Temperaturüberwachungseinrichtung mit nachfolgender
Steuereinrichtung.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung kann bevorzugt dazu verwendet werden, Abweichunge der
Temperatur während des laststoßes so zu korrigieren, daß di Überlastungsfähigkeit
dr Gesamtanlage weitgehend erhalten bleibt.
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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.