DE2102769C3 - Vorrichtung zum Messen der Freiwerdzeit von Halbleiterventilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Freiwerdezeit von Halbleiterventilen, ir-sbesondere von Thyristoren, wobei das Meßobjekt in einen Laststromkreis geschaltet ist und mit Mitteln für eine Zwangskommutierung des Meßobjektes.

In der Umrichtertechnik, bei Gleichstromstellern und ähnlichen Anwendungen, ist neben den Anforderungen an die Strombelastbarkeit, Blockier- und Sperrspannung, Einschaltverhalten und du/df-Festigkeit der verwendeten Halbleiterventile, insbesondere von Thyristoren, besondere Aufmerksamkeit auf deren Freiwerdezeit zu richten, welche für die Funktionsfähigkeit und für den Wirkungsgrad der Anlage maßgebend ist

Die Zwangslöschung eines in einem Laststromkreis angeordneten Thyristors erfolgt bekanntlich in der Weise, daß der Laststrom sehr schnell von dem Stromzweig des Laststromkreises, in dem der Thyristor liegt, in einen gesonderten Stromzweig kommutiert wird, welcher einen Kondensator (Löschkondensator) und einen Schalter, beispielsweise einen weiteren Thyristor (Löschthyristor), aufweist und beispielsweise zum Stromzweig mit dem zu löschenden Thyristor parallel geschaltet ist Der Löschkondensator wird zu diesem Zweck in der der Kommutierung voraufgehenden Zeit so geladen, daß der negative Pol des Kondensators an der Anodenseite des zu löschenden Thyristors liegt, Die Kommutierung wird mit dem Schließen des Schalters bzw. dem Zünden des Löschthyristors eingeleitet, und der Laststrom kommutiert in den Stromzweig mit dem Löschkondensator und Löschthyristor. Gleichzeitig wird die Ladespannung des Löschkondensators als Rückwärtsspannung auf den zu löschenden Thyristor geschaltet Der Löschkondensator wird sodann unter dem Einfluß der Laststromquelle umgeladen, und der kommutierte Strom fließt dabei als Umladestrom über den Löschkondensator, den Löschthyristor und die LasL Am zu löschenden Thyristor nimmt die Rückwärtsspannung ab, um schließlich in eine positive Vorwärtsspannung überzugehen. In der Zeit, während der die Rückwärtsspannung am zu löschenden Thyristor anliegt (Sperrzeit) werden aus dem zu löschenden Thyristor die infolge des voraufgegangenen Stromflusses vorhandenen Ladungsträger als negativer Ausräumstrom ausgeräumt. Erst wenn dieser Strom abgeklungen ist. vermag der Thyristor eine Vorwärtsspannung zu löschen, ohne durchzuzünden, d. h. der Thyristor ist gelöscht. Die Zeit, die nach dem Beginn des Kommutierens bis zum Ende des Ausräumens vergeht, heißt bekanntlich Freiwerdezeit. Sie kann gemessen werden, indem, ausgehend von einer genügend langen Zeitdauer, die Sperrzeit so weit verkürzt wird, bis der Thyristor beim Einsetzen der Vorwärtsspannung durchzündet. Ein genaues und eindeutiges Messen wird aber nur möglieh, wenn der Löschstromkreis vom Laststromkreis vollständig entkoppelt ist.

Die Messung der Freiwerdezeit in technischen Anlagen ist nicht immer zerstörungsfrei und nur in beschränktem Maße möglich, da in keinem der Anwendtmgsfälle sämtliche für die Freiwerdezeit wesentlichen Parameter unabhängig variiert werden können. Dazu müssen besondere Schaltungsmaßnahmen getroffen werden, und man gelangt zu sogenannten

»synthetischen Prüfschaltungen« in denen eine zeitabhängige Trennung bzw. Verbindung eines Laststromkreises und eines oder mehrerer Spannungskreise erfolgt Derartige Anordnungen und Meßeinrichtungen sind bereits beschrieben in »Direct current«, Juni 1962, Seiten 158 bis 162 und in der deutschen Auslegeschrift 1614037.

Bei der Meßanordnung gemäß der erstgenannten Veröffentlichung besteht ein wesentlicher Nachteil darin, daß die in dieser Schaltung angewandte Impulskette nur eine sehr begrenzte Energie speichern kann und daher nur sehr kurze Laststromimpulse, die kürzer als 100 μβ sind, an das gezündete Meßobjekt zu liefern vermag. Außerdem werden in einem gewissen Umfange schaltungstechnische Mittel zum gegenseiti- is gen wirksamen Entkoppeln des Laststromkreises und der Impulskette von dem Stromkreis, der die wiederkehrende Spannung an das Meßobjekt überträgt, und vom Meßobjekt selbst benötigt

Eine besondere Schwierigkeit liegt darin, daß für jedes Meßobjekt eine Entkoppiungsdiode mit einer Erholzeit die etwas länger als die des Meßobjektes ist ausgesucht werden muß. Diese Diode wird im Laststromkreis dem Meßobjekt unmittelbar in Reihe geschaltet Sie soll beim Einschalten der wiederkehrenden Spannung an das Meßobjekt wieder sperrfähig sein, um diese Spannung vom Stromkreis für die Zwangslöschung des Meßobjektes fernzuhalten. Schließlich können bei der oben angegebenen Meßanoidnung nicht solche Prüfbedingungen hergestellt werden, wie sie bei Wechselbelastungen des Meßobjektes im Nieder- und Mittelfrequenzbereich anzutreffen sind, . wobei das Meßobjekt vor jedem Löschen mit einem Laststrom von genügend langer Dauer und bestimmter Stromstärke belastet wird.

Auch bei der Anordnung gemäß der deutschen Auslegeschrift 16 14 037 benötigt man immer noch ein ausgesuchtes ungesteuertes Halbleiterventil mit sehr langer Sperrverzögerungszeit und einen Thyristor mit wesentlich kürzerer Freiwerdezeit als diejenige des Meßobjektes, wodurch die Messung der Freiwerdezeit sehr schneller Thyristoren mit dieser Methode nicht mehr möglich ist Durch die Serienschaltung einer Diode mit dem Meßobjekt im Löschkreis kann eine Begrenzung der Rückstromamplitude des Meßobjektes nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden, was wiederum keine einwandfreie Messung der Sperrverluste am Meßobjekt erlaubt und gegenüber AMagenbedingungen eine Verfälschung darstellt.

Bei beiden Schaltungen sind die schaltungstechni- w sehen Entkopplungsmittel relativ kompliziert, und nur mit ausgesuchten Halbleiterventilen zu verwirklichen. Außerdem sind die Beanspruchungsverhältnisse, insbesondere die Außschaltverluste, nicht anlagengerecht, da die Impedanzen der Sperrkreise diese Anforderungen nicht zulassen.

Im weiteren ist es aus »Elcktrie« 24 (!97O). H 10 bekannt, einen zu prüfenden Thyristor in einen von der einen Sekundärwicklung eines Transformators gespiescnen Kreis mit einem Lastwiderstand zu schalten, einen wi zweiten Kreis, gespiesen von einer zweiten Sekundärwicklung vorzusehen, mit einer Kommutierungskapazität, einer Drosselspule und einem Ladethyristor, wobei die Kommulierungskapazitäl und die Drosselspule mit Hilfe eines Löscfc'.hyristors über den Prüfling geschalten werden können. Nach dem Löschen des Prüflings erfolgt durch den abkommutierten Laststrom ein Umladen der Kommutierungskapazität, wobei die Last mit die Steilheit der von Sperrspannung zu Blockierspannung wechselnden PrüfSngsbeanspruebung bestimmt Darin ist ein wesentlicher Nachteil zu sehen, da damit der Zeitpunkt der rückkebrenden Blockierspannung nicht lastunabbängig variiert werden kann.

Aus »Messen und Prüfen«, November 1968 ist weiter eine Meßanordnung bekannt, an welcher der Prüfling nicht in einen Laststromkreis geschaltet ist, sondern seine Strombelastung durch einen großen Ladungsspeicher realisiert wird. Der dadurch erzeugte Belastungsstrom braucht nicht in einen separaten Stromkreis abkommutiert zu werden, sondern es erfolgt beim Löschen des Prüflings lediglich eine Oberlagerung von Belastungsstrom aus besagtem Ladungsspeicher und Gegenstrom. Der Nachteil dieser Meßanordnung ist darin zu sehen, daß das Meßobjekt nicht unter Beibehaltung der an ihm in Anlagen auftretenden Beanspruchungsgrößen ausgemessen werden kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen der Freiwerdezeit zu br. treiben, welche eine vollständige Beibehaltung der air MeSobjekt in Anlagen auftretenden Beanspruchungsgrößen erlaubt und eine einfache und wirkungsvolle Entkopplung der verschiedenen Kreise ermöglicht

D'J"-se Aufgabe wird für eine eingangs zitierte Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst daß ein Kommutierungsstromkreis zur Übernahme des Laststromes bei gesperrtem Meßobjekt vorgesehen ist und mittels eines steuerbaren Schalte gans zuschaltbare Mittel zur Erzeugung einer Blockierspannung am Meßobjekt

Gegenüber bekannten Anordnungen hat diese Vorrichtung den Vorteil eines weit geringeren Leistungsbedarfes, da durch die Auftrennung bedingt der Stromkreis nur einen geringen Spannungsbedarf hat die Spannungskreise wiederum nur geringen Strombedarf aufweisen und die einzelnen Beanspruchungsparameter unabhängig voneinander einstellbar sind. Femer wird ein relativ geringer Schaltungsaufwand zur Entkopplung obengenannter Kreise benötigt Die Verwendung besonders ausgesuchter Halbleiterventile ist nicht mehr erforderlich. Schließlich besteht keine Meßbereichsbegrenzung für Meßobjekte kleiner Freiwerdezeiten, da dafür einzig und allein das Meßobjekt und kein anderes Schaltungsglied begrenzend wirkt

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 das Schaltbild des beschriebenen Ausführungsbeispiels und

F i g. 2 Strom- und Spannungsverläufe am Meßobjekt.

Das Prinzip des beschriebenen Ausführungsbeispiels bnuht darauf, das Meßobjekt in einem Gleichstrom führenden Lastkreis mittels Zwangskommutierung einem pulsiere Kien Gleichstrom auszusetzen. In den stromlosen Zeitabschnitten soll der Gleichstrom Ober einen Nebenzweig weiterfließen, während am Meßobjekt die Spnnnungsbeanspruchungen in Sperr- und Blockierrichtuiig von geeigneten Nebenkreisen aufgebracht werden. Die Kgndensatorspannung des nach der Kommutierung nur zum Teil entladenen Kommutierungskondensators wird durch den Loschvorgang am Meßobjckt diesem selbsttätig in Sperrichtung aufgeschaltet wodurch also die gleiche Sperrbeanspruchungsform erzielt wird, wie sie in Anlagen mit Zwangskommulierung auftritt. Schaltungstcchnisch besteht aber der Unterschied, daß die Aufladung des Kommutierungs-Kondensators nicht vom Lastkreis

selbst besorgt wird, sondern von einem eigenen Gleichrichter, was einen viel geringeren Leistungsaufwand erfordert. Die Blockierspannung dagegen wird über einen weiteren Thyristor von einem bereits aufgeladenen Kondensator dem Meßobjekt und parallel -, dazu dem Kommutierungskondensator zugeschaltet, wobei die Ladung des zusätzlichen Kondensators zum Teil auf diesen umschwingt und diesen Kondensator umlädt, wonach eine selbsttätige Löschung des zusätzlichen Thyristors erfolgt. Der Kommutierungskondensator bleibt aufgeladen und beansprucht das Meßobjekt in Blockierrichtung, bis dieses gezündet wird, worauf der Gleichstrom wieder zum Meßobjekt kommutiert.

Die Meßanordnung besteht aus einem in Fig. 1 fett gezeichneten Lastkreis und je einem Spannungskreis für 1 > die Blockier- und Sperrspannung.

Der Lastkreis, welcher über eine Glättungsdrossel 8 an einen Gleichrichter mit einer einstellbaren Ausgangsspannung U\ angeschlossen ist, besteht aus Dioden 4, 5, Thyristoren I, 2, Drosseln 7, T und einem >n Kondensator 6.

Wird zunächst der Thyristor 1 gezündet (Zeitpunkt t\ gemäß Fig. 2). dann schließt sich der Stromkreis über die Diode 4, den Thyristor 1, die Induktivität T, die Glättungsdrossel 8 und den genannten Gleichrichter, r> welcher auch bei höheren Stromstärken nur geringen Leistungsaufwand bedarf, da als Klemmenspannung U\ lediglich die Summe der Durchlaßabfälle je einer Diode und je eines Thyristors erforderlich ist. In der Zeit, in der der Laststrom über die Diode 4 und den das Meßobjekt κι darstellenden Thyristor 1 fließt, wird der Kondensator 6 an einer Spannungsquelle Uj über einen Ladewiderstand 9 und die vorbereitete Diode 4 aufgeladen, so daß der als Hilfselement dienende Thyristor 2 in Blockierrichtung beansprucht wird. Die Diode 5 andererseits r> verhindert eine Entladung des Kondensators 6 über den anderen Zweig der Schaltung.

Wird nun der Thyristor 2 gezündet (Zeitpunkt t₂ gemäß F i g. 2), so wird über den Kondensator 6 und über die Induktivitäten 7 und 7 gegen den im Thyristor 4η

I fließenden Laststrom ein Gegenstrom entstehen, der

Entladung des Kondensators 6 über den äußeren Lastkreis ist wegen der relativ groß gewählten Induktivität 8 nur äußerst langsam möglich. Nach dem 4-, Sperrvorgang am Meßobjekt bleibt der soeben gezündete Thyristor 2 leitend und übernimmt den Laststrom.

Die Anoden-Kathodenstrecke des Meßobjektes wird mit der zu diesem Zeitpunkt vorhandenen Spannung am Kondensator 6 in Verrichtung beansprucht. Infolgedessen bleibt vorerst Diode 4 leitend und Diode 5 gesperrt. Der Laststrom fließt während'dieser Sperrperiode am Meßobjekt über Diode 4. Kondensator 6 und Thyristor 2.

Der Kondensator 6 wird durch den Laststrom stetig entladen und die Sperrspannung am Meßobjekt nimmt proportional zum Verhältnis ld'C'ab. wenn /cder durch den Lastkreis fließende Gesamtstrom und C die Kapazität des Kondensators 6 bedeutet. Bevor der w> Kondensator 6 vollständig entladen ist, wird nach Ablauf der Freihaltezeit ein zwischen der Diode 4 und dem Thyristor 1 angeschlossener Thyristor 3 gezündet (Zeitpunkt r₃ gemäß Fig. 2). Dieser schaltet einen inzwischen von einer weiteren Spannung Ui über einen zweiten Ladewiderstand 10 aufgeladenen Kondensator

I1 über eine Induktivität 12 auf den Kondensator 6.

Die dadurch hervorgerufene Kondensator-Umladung vollzieht sich in einem Schwingungsvorgang, dessen Frequenz durch die Serienschaltung der Kapazitäten 6 und 11 und die Induktivität 12 bestimmt wird. Sobald bei diesem Vorgang der Kondensator 6 auf den Schwellwert der Diode 5 umgeladen ist, wird diese leitend, und der Gleichstrom kommutiert nun von Diode 4 auf Diode

5 und fließt von dieser direkt über den Thyristor 2. Das Meßobjekt. der Thyristor 1, wird nun in Blockierrichtung und die Diode 4 in Sperrichtung beansprucht. Der Kondensator 6 kann sich nicht mehr entladen, da bei der oben geschilderten Umladung zwischen den Kondensatoren Il und 6 der Thyristor 3 nach einer Slrom-Halbwelle selbst sperrt.

Die vom Kondensator 6 aufgenommene Ladung bleibt solange gespeichert, bis dem Thyristor 1 ein Zündimpuls zugeführt wird. Dieser löscht nun seinerseits den Thyristor 2, der dann praktisch mit der gesamten Blockierspannung des Thyristrors 1 in Sperrichtung beanspruch! wird. Der Gleichstrom fließt in diesem Zeitabschnitt über Diode 5 und Thyristor I über Kondensator 6, der dadurch entladen wird. Beim Erreichen des Schwellwertes für die Diode 4 kommiitiert der Gleichstrom von Diode 5 auf Diode 4 direkt zum Meßobjekt, dem Thyristor 1. Der Kondensator 6 wird nun mit der durch den Ladewiderstand 9 bzw. Kondensator 6 gegebenen Zeitkonstanten von Gleichrichter U) aufgeladen. Nach Zünden des Thyristors 2 wiederholt sich der beschriebene Vorgang.

In Fig. 2 ist der zeitliche Ablauf der beschriebenen Vorgänge anhand des durch das Meßobjekt, den Thyristor 1 fließenden Strom /7-bzw. der am Meßobjekt auftretenden Spannung ut dargestellt. Dabei bedeutet t_on die zuvor definierte und zu messende Freiwerdezeit des Meßobjektes.

Die Einstellung der für die Freiwerdezeit ton wesentlichen Parameter erfolgt wie folgt: Die Laststromstärke wird über die Klemmenspannung U\, z. B. durch einen mittels eines Autotransformators regulierbaren Gleichrichter eingestellt. Die Frequenz des pulsierenden Laststromes am Meßobjekt wird über die Frequenz der Zündimpulse der im Gegentakt angectiMiprtpn ThvrUtnrpn 1 und 2 einsrestellt. Durch Phasenverschiebung der erwähnten Zündimpulse kann das Meßobjekt bei fester Frequenz mit veränderlicher Stromleitdauer (Tastverhältnis) belastet werden. So ist z. B. bei konstantem Laststrom-Scheitelwert der Laststrom-Mittelwert variabel einstellbar. Die Steilheit

der Stromabnahme beim Löschen ist über die dr

veränderlichen Induktivitäten 7 bzw. T einstellbar. Die Freihaltezeit ist durch die Impulslage des Thyris» irs 3 einstellbar. Die Höhe der Blockierspannung ist von der Klemmenspannung U₇ abhängig und kann über die dazugehörige Spannungsquelle eingestellt werden. Die Geschwindigkeit des Anstieges der Blockierspannung

— ist über die Induktivität 12 bzw. über die Kapazitäten

6 und 11 einstellbar. Die Höhe der negativen Sperrspannung am MeBobjekt wird über die Klemmenspannung Ui eingestellt

Durch die beschriebene Vorrichtung wird auch die in Anlagen auftretende Sperrbeanspruchung berücksichtigt-

Ferner kann an einem induktionsarmen Shunt 13 über einen Oszillographen der Rückstromverlauf und damit die Trägerstauiadung in Abhängigkeit vom Stromscheitelwert und Stromänderungsgeschwindigkeit gemessen werden, ohne daß durch die Schaltung eine Beeinfhis-

sung der Meßgrößen erfolgt.

Die beschriebene Einrichtung läßt sich für Mittelfrequenzbelastung ausbauen und ermöglicht damit eine Überprüfung des Schaltverhaltens von gesteuerten Halbleiterventilen bei verschiedenen Betriebsfrequenzen.

We£*n der relativ geringen Leistungsaufnahme ist die beschriebene Vorrichtung nicht nur für Messungen der Freiwerdezeit, sondern auch für Dauertests gut geeignet.

Schließlich erfordert die Schaltung einen geringen Aufwand an Schaltungsgliedern. So sind außer dem Meßobjekt nur zwei Thyristoren notwendig und keine ausgesuchten Elemente erforderlich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zum Messen der Freiwerdezeit von Halbleiterventilen, insbesondere von Thyristoren, wobei das Meßobjekt in einen Laststromkreis geschaltet ist und mit Mitteln für eine Zwangskommutierung des Meßobjektes, dadurchgekennze ich η et, daß ein Kommutierungsstromkreis (4, 6, 2, 7; 5, 2, 7) zur Übernahme des Laststromes bei gesperrtem Meßobjekt (1) vorgesehen ist und mittels eines steuerbaren Schaltorgans (3) zuschaltbare Mittel (Lh, 10, 11) zur Erzeugung einer Blockierspannung am Meßobjekt (1).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laststromquelle (Ut) zur Vorgabe des Laststromes (Ia) und eine SperrspannungsqueHe (t/j) zur Vorgabe der Sperrspannung für das MeßobjcKt vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß verstellbare Glieder (7, T) für die Vorgabe der Stromsteilheit beim Löschen des Meßobjektes vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß verstellbare Glieder (12) zur Vorgabe der Spannungssteilheit der Blockierspannung vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Zwangskommutierung eine Kommutierungskapazität umfassen, mit Hilfe eines Zwangskommutierungssckalters über eine.-. Stromzweig mit dem Meßobjekt schaltbat, didurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (6) über zwei jegenpolig angeordneten Dioden (4, 5) liegt, deren Verbindung (0) auf einen Anschluß einer Laststromquelle (U\) geschaltet ist, und daß der Kommutierungsstromkreis einen ersten Zweig mit der einen Diode (4), der Kapazität (6) und dem Zwangskommutierungsschalter (2) und einen zweiten mit der anderen Diode (5) und dem Zwangskommutierungsschalter umfaßt.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrspannungsquelle (L/3) über die eine Diode (5) geschaltet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glieder verstellbare Induktivitäten (7, T) umfassen, sowohl im Laststrom- (0,1,13, T, 8) wie auch im Kommutierungsstromkreis (0,4, 6, 2, 7, 8 oder 0,5,2,7,8) angeordnet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel so zur Zwangskommutierung eine Kommutiemngskapazität umfassen, mit Hilfe eines Zwangskommutierungsschaltcrs über einen Stromzweig mit dem Meßobjekt schaltbar, dadurch gekennzeichnet, daß über das steuerbare Schaltorgan (3) die Mittel zur Erzeugung der Blockierspannung (U₁, 10, II) über die Kommutierungskapazität (6) geschaltet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (Lh, 10, 11) eine an eine Spannungsquelle (Lh) angeschlossene Kapazität (11) w) umfassen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Zwangskommutierung eine Kommutierungskapazität umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß sie verstellbar ist. *>■>

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (II) verstellbar ist.

12, Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verstellbaren Glieder eine verstellbare Induktivität (12) umfassen.