DE2130900A1 - Verfahren und Vorrichtung zur UEberwachung der Sperrschicht-Temperatur von Halbleitern - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur UEberwachung der Sperrschicht-Temperatur von Halbleitern

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DE2130900A1 DE19712130900 DE2130900A DE2130900A1 DE 2130900 A1 DE2130900 A1 DE 2130900A1 DE 19712130900 DE19712130900 DE 19712130900 DE 2130900 A DE2130900 A DE 2130900A DE 2130900 A1 DE2130900 A1 DE 2130900A1
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Description

Dipl.-Ing. Egon Prim Dr. Gertrud Hauser München, den 2i. Juni 1971 Dipl.-Ing. Golf fried Leiser O η Λ Qflfi PafentanwaH· £ I O U a U U
MG« München-P«ing Ernibtrstritrajie 1?
Unser Zeichen; G 1276
GENERAL ELECTRIC COMPANY
Sohenectady, New York, V.St.A.
Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Sperrschicht-Temperatur von Halbleitern "
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Schaltungen zur Temperaturüberwachung und insbesondere eine Schaltung zur überwachung der Sperrschicht-Temperatur einer Halbleiteranordnung, die ein Signal liefert, sobald diese Temperatur einen bestimmten Wert erreicht.
In elektrischen Energiewandlern, Frequenzwandlern und statischen Schaltern werden heute üblicherweise Pestkörperanordnungen, wie Thyristoren benutzt. Thyristoren sind mehrschichtige Halbleiteranordnungen mit mehreren p-n-Übergangen, durch welche ein Laststrom fließt, wenn der Thyristor bei positiver Vorspannung durchschaltet. Zur näheren Information über derartige Anordnungen wird auf das Buch "Semiconductor Controlled Rectifiers" von P.E. Gentry hingewiesen ( 1964 veröffentlicht von Prentiee-HaIl Inc. Englewood Cliffs, New Jersey).
Wie wohl bekannt ist, verursacht ein Stromfluß durch einen p-n-Übergang darin einen bestimmten Betrag an Energieverlust und Wärmeerzeugung, wodurch die Sperrschicht-Temperatur über die der Umgebung ansteigt. In Anbetracht der hohen Spannungen und Ströme, denen die Pestkörper-Anordnungen ausgesetzt werden, kommt dieser Erscheinung bei Hochleistungs-Anwendungen erhöhte Bedeiitung zu.
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BAD OBiGlNAL.
Zur Abführung eines Teils der erzeugten Wärme werden üblicherweise Kühlvorrichtungen vorgesehen. Nichtsdestoweniger verursachen ständiger Betrieb oder häufiges Einschalten mit geringen Aus-Perioden einen Anstieg der Sperrschicht-Temperatur auf gefährliche Werte, insbesondere, wenn die Umgebungstemperatur hoch ist.
Bei sehr hohen Temperaturen sinken die Stromleit- und Sperrspannungsdaten von Halbleitern merklich unter ihre Maximalwerte, wodurch ihre Leistungsfähigkeit abnimmt· Diese reduzierte Leistungsfähigkeit kann zu Fehlern bei der dem Halbleiter innerhalb seines Schaltkreises zugedachten Punktion (z.B. für den Fall, daß ein Thyristor den Stromfluß blockieren soll, bis er bei positiver Vorspannung getriggert wird) und gelegentlich zur Zerstörung der Halbleiter-Anordnung selbst führen.
Zur Vermeidung einer Beschädigung der Anordnung selbst oder innerhalb des zugehörigen Stromkreises sollte sie ausgeschaltet werden, bevor ihre Sperrschicht-Temperatur einen gefährlich hohen Wert erreicht« Dies wurde bisher dadurch gelöst, daß man eine auf thermische Überlastung ansprechende Vorrichtung, wie beiapielsweise eine Schmelzsicherung mit dem Halbleiter in Reihe schaltete. Hierdurch entstanden nj^cht nur die Kosten für die Schutzvorrichtung, sondern auch das Problem der Anpassung ihrer thermischen Eigenschaften an den zu schützenden Halbleiter. Ein besserer Wärmeschutz ließe sich erreichen, wenn es möglich wäre, schnell und zuverlässig festzustellen, daß ein kritischer Wert der Sperrschicht-Temperatur unmittelbar bevorsteht.
So ist es eine Aufgabe der Erfindung,eine Vorrichtung zur schnellen und genauen Überwachung der SperrschichWTemperatur einer in Betrieb befindlichen Halbleiter-Anordnung aufzuzeigen.
Die feststellung der Sperrschicht-Temperatur kann sowohl innerhalb der Halbleiter-/-^Ordnung oder auch außerhalb derselben erfolgen. Zur physikalischen Überwachung der Sperrschicht-Temperatur inr.^rhalb würde man einen Temperaturfühler innerhalb der AnordnuE in 4er Nähe ihrer Sperrschicht anbringen.
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Ein solcher Versuch ist teuer und ungeeignet, da die Sperrschicht selbst im allgemeinen nicht zugänglich ist, und es bedürfte einer Sonderanfertigung von Halbleitern, die besonders zur Anbringung eines Temperaturfühlers hergerichtet wären.
Wenn man andrerseits die Sperrschicht-Tempe<ratur außerhalb der Anordnung mißt, so ist eine gewisse Freizügigkeit erreicht, weil besonders konstruierte Halbleiter nicht erforderlich sind. Die Feststellung der Sperrschicht-Temperatur außerhalb der Anordnung kann jedoch nicht mit einem befriedigenden Maß an Genauigkeit erreicht werden, wenn man lediglich die Gehäusetemperatur der Halbleiteranordnung überwacht. In Anbetracht der langsamen thermischen Übertragungseigenschaften des Gehäuseaufbaus und seiner zugehörigen Vorrichtungen läßt die äußere Messung der Temperatur keine exakten Rückschlüsse auf die Sperrschicht-Temperatur im Augenblick der Messung zu.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Überwachung der Sperrschicht-Temperatur einer Halbleiteranordnung durch eine verbesserte Vorrichtung, welche die Genauigkeit einer inneren Messung und die Vorzüge einer äußeren Messung vereinigt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung oder Schaltung zur Überwachung der Sperrschicht-Temperatur einer Halbleiteranordnung außerhalb der Anordnung selbst durch Synthesen unter Benutzung gewisser physikalisch gemessenar Parameter.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung s?ur überwachung der Sperrschicht-Temperatur eines Thyristors innerhalb eines statischen Schaltkreises, wodurch dieser Schaltkreis geöffnet und der laststroo sicher unterbrochen wird, wenn die Sperrschicht-Temperatur einen bestimmten Wert erreicht.
Mit der Erfindung wird eine Temperaturüberwachungsvorrichtung geschaffen, die feststellt, wenn die Sperrschicht-Temperatur eines leitenden Tiyristors einen bestimmten Wert erreicht hat,
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der einer gefährlichen Erhöhung der Sperrschicht-Temperatur entspricht.
Die Überwachungsvorrichtung enthält eine Schaltung, welche das thermische Verhalten eines Teils des Thyristors und der zugehörigen Spannvorrichtung zwischen dem inneren p-n-Übergang des Thyristors und einem äußeren Bezugspunkt an der Kühlvor- : richtung in enger Nachbarschaft des Übergangs künstlich nachbildet. Diese Nachbildungsschaltung benutzt ein gemessenes Signal, welches der Stromstärke durch den Übergang (die Sperrschicht) entspricht und dieses Signal in ein solches umformt, welches der Verlustleistung in dem Übergang bzw. der Sperrschicht entspricht« Das letztgenannte Signal wird auf einen Wärmeübergangs-Simulator gegeben, wo es in ein Signal umgewandelt wird, welches der Temperaturdifferenz zwischen der Sperrschicht und dem Bezugspunkt an der Kühlvorrichtung entspricht. In einem Addierer wird dieses Signal mit einem gemessenen Signal kombiniert, welches der Temperatur der Kühlvorrichtung entspricht und ein Ausgangssignal gebildet, welches dann der Sperrschicht-Temperatur selbst entspricht. Die Ausgangsgröße des Addierers wird vorzugsweise aus einen Pegel-Detektor geschaltet, welcher ein Stopp-Signal liefert, wenn seine Eingangsgröße oberhalb eines bestimmten Wertes liegt. Dann kann eine Einrichtung vorgesehen werden, welche auf die Stopp-Signale reagiert und die Zuführung der Steuersignale zu dem leitenden Thyristor verhindert, so daß dieser ausge-
t schaltet wird und abkühlt.
Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
Fig.1 ein Punktions-Biockschaltbild der erfindungsgemäßen Sperrschichttemperatur-Überwachungsvorrichtung für einen statischen Schalter,
Fig.2 eine schematische Darstellung eines Teils des statischen Schalters aus Fig.1,
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Pig.3 einen Querschnitt eines Thyristors und seiner zugehörigen Spannvorrichtung,
Fig.4 eine perspektivische Darstellung eines Teilbereichs des in der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung benutzten Sperrschichttemperatur-Pühlers,
Pig.5 ein Punktions-Blockschaltbild eines Teiles der in Pig.1 gezeigten Schaltung,
Pig.6 eine graphische Darstellung der Yerlustleistungs-Kenn-.linie eines Thyristors,
Pig.7 eine graphische Darstellung des transienten Wärmewiderstands des Thyristors und seiner Spannvorrichtung.
Pig.1 zeigt in Form eines Blockdiagrarams eine Phase eines dreiphasigen Wechselstromschalters in festkörper tech nik: (statisch), der erfindungsgemäß ausgerüstet ist.
Eine Phase des Stromkreis-Unlterbrechers oder Schalters 1, die zwischen einer Wechselstromquelle 2 und einer Last 3 liegt, enthält einen Schalter 4, der aus zwei gegensinnig parallel geschalteten Thyristor-Pfaden 5 und 6 und einem Steiierkreis 7 für diese besteht. Der Steuer kreis liefert T rigger signale an die Gitter-Elektroden der Thyristoren, die den Schalter einschalten und die Thyristoren leitend machen, wodurch Wechsel*· strom an die Last geliefert wird.
Wis dem Fachmann wohl bekannt ist, wird ein Thyristor dann Laststrom leiten, wenn er zu dem Zeitpunkt getriggert wi.ru, wenn seine Anode in Bezug auf seine Katode positiv vorgespannt ist.Aus diesem Grund sind in Thyristor-bestückten Wechselstromschalter!! gewöhnlich zwei einander gegensinnig parallel geschaltete Thyristoren vorgesehen, damit sowohl während der positiven als auch während der negativen Halbwolle Laststrom fließen kann«Einmal getriggert,leitet ein Thyristor weiterhin, bis der Strom-
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pegel unter einen bestimmten Kalierfert absinkt. Bei Betrieb in einem Wechselstromsystem wird die Verbindung zyklisch dann unterbrochen, wenn der natürliche Null-Durchgang des Stromes erscheint, worauf der Thyristor geöffnet bleibt, bis er in einemZeitpunkt wieder getriggert wird, wenn seine Anodenspannung wieder positiv ist.
Der Stromkreis-Unterbrecher 1 hat (nicht gezeigt) Mittel zum Peststellen des Auftretens von Fehlern und zum Unterdrücken der Gritter-Signale an die Thyristoren daraufhin, wodurch der Laststrom beim Erscheinen des nächsten Null-Durchgangs unterbrochen wLrde Es können auch Unterbrechungsmittel (nicht gezeigt) vorgesehen sein, welche die leitenden Thyristoren vor dem nächsten Null-Durchgang des Stromes wegschalten, wodurch der Fehlstrom bereits bei seinem Einsetzen begrenzt wird.
In Figei sioä die Bfoyristorpfade 5 und 6 symbolisch mit einer doppelten Sitterelektrode gezeigt, um anzudeuten, daß es sich ia Wirfeliohkeit um eine Vielzahl von einzelnen Thyristoren feasHleltj, die aur BswältiguEg großer Ströme parallel geschaltet slot?.ο Diese Anordnung ist in Fig,2 in größerem Detail dargestellt ο
Fig.2 seigt eine schematische Darstellung der Baugruppe für ein© Phase eioes dreiphasigen Schalters. Diese Figur zeigt f in vereinfachter Forra die physikalische Anordnung und die
elektrische Verbindung von mehreren Thyristoren, welche den Schalter 4 darstellen,, Jeder in Fig.2 gezeigte Block repräsentiert einen einzelnen Thyristor und seine Spannvorrichtung. Die Block© 5a bis 5n sind parallel geschaltet, um den Thyristor-Pfad 5 au bild®», während die Blöcke 6a bis 6n parallel geschaltet SiDd9 um Sen Thyristor-Pfad 6 zu bilden.
Di® einzelnen Thyristoren und ihre Spannvorricht ungen sinä in äer Praxis Io @ng@r Kachbarschaft zueinander in einem eisa hei t liehen * αϊ bau susasraengefaßt, der Mittel zur Erzeugung
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eines kühlenden Luftstroms in der gezeigten Ächtung durch die wärmeableitenden Mittel der einzelnen Spannvorrichtungen aufweist.
In Fig.3 sind ein typischer Thyristor 7 und seine Spannvorrichtung 8 im Querschnitt gezeigt. Diese Figur ist eine Vereinfachung der Vorrichtung, die in Fig.1 der USA-Patentschrift 3 471 757 gezeigt ist, und §ie zeigt auch einen Teil der hier beschriebenen Überwachungsvorrichtung in Verbindung damit.
Der Thyristor 7 hat eine dünne , scheibenförmige Platte 9» welche auf einem dickeren Substrat IO aus Wolfram oder ähnlichem Material aufgebracht ist. Diese Platte 9 ist gekennzeichnet durch vier Schichten 9a, 9b, 9c und 9d aus Silizium von abwechselnd p* und n-leitfähigem Typ ( die Berührungsfläche von zwei benachbarten Schichten bildet einen gleichrichtenden Übergang). Die scheibenförmige Halbleiterplatte 9 und ihr Substrat 10 sind nach "Sandwich"-Art zwischen zwei schlisselförmigen Abschlußkörpern 11 und 12 gehalten, deren Ränder mit den gegenüberliegenden Enden einer keramischen Hülse 13 verklebt sind, wodurch ein zusammenhängendes, hermetisch abgeschlossenes Gehäuse für die Platte 9 gebildet wird. Die Seitenwände der sohüsselförmigen Abschlußkürper sind aus geschmeidigem,leitfähigem Metall, wie beispielsweise Kupfer, und ihre Bodenpartien dienen als Hauptelektroden für den Thyristor. Der Körper 12 bildet die Anode, und der Körper 11 bildet die Katode des Thyristors. Der Thyristor 7 befindet sich physikalisch zwischen zwei ausgerichteten Druckgliedern oder Stempeln 14 und 15 aus Kupfer, die als kombinierte elektrische und thermische Leiter dienen; elektrisch ist er mit diesen in Reihe geschaltet. Zwischen der Katode 11 und dem Stempel 14 befindet sich ein leitfähiger Druckpuffer 16. Die Anode und die Katode des Thyristors 7 sowie die zugehörigen Stempel 14 und 15 sind durch Zusammenpressen unter hohem Druck mechanisch verbunden. Die Spannvorrichtung 8 hat einen zentralen Verbindungsbolzen 17, der unter Spannung steht und eine axiale Zusammenhaltekraft auf jeden der Stempel 14 und 15 ausübt. Es sind auch noch weitere Sätze von Stempeln vorgesehen,
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(einer derselben, 18 , ist gezeigt). Eine vollständige Dar-' stellung der Spannvorrichtung findet sich in der oben erwähnten Patentschrift.
Wenn der Thyristor in Betrieb ist, erzeugt der elektrische Stromfluß durch seine hableitenden Übergänge in diesen Wärme. Aufgrund ihres relativ höheren Spannungsabfalls neigt die Mittelschicht 19 dazu, von allen gleichrichtenden Thyristor-Übergängen die meiste Wärme su erzeugen. Die leitenden Stempel 14 und 15 dienen als thermische Wärmesenken für den Thyristor Zur Förderung der Wärmeableitung von den Stempeln sind diese mit zwei entsprechend zugeordneten Gruppen von auseinander-) stehenden Kühlrippen 20 und 21 aus Metall ausgerüstet, wodurch eine wärmeableitenüe Einheit gebildet wird.
Obwohl der Wärmeableiter normalerweise in der Lage ist, die in den Übergängen erzeugte Wärme ausreichend abzuleiten, um die Vorrichtung innerhalb sicherer thermischer Arbeitsbedingungen zu halten, können dennoch bestimmte begebenheiteη eintreten, welche die Übergangs-Temperatur in unzulässige Bereiche bringen. Somit ist es wünschenswert, die jeweils vorliegende Übergangs- oder Sperrschicht-Temperatür festzustellen, um die Vorrichtung abzuschalten und ihr die Abkühlung zu ermöglichen, wenn ihre Sperrschicht-Temperatur solche Werte erreicht·
Eine direkte Messung der Übergangs- oder Sperrschicht-Teraperatur ist in Anbetracht der Unzugängl iehkeit der Sperrschicht bislang nicht durchführbar« Zwar kanu die Temperatur des Wärmeableiters bequem gemessen werden, jedoch spiegelt diese die Sperr-Schicht-Tetnperatur nicht ao präzise, wie es bei bestimmten praktischen Anwendungen von Hochleistungs-Thyristoren wünschens-• wert ist. Die Sperrschicht-Temperatur ist eine Punktion eier Verlustleistung in dem Haibleiterplättcheη, der Geschwindigkeit, mit welcher die Wärme von der Sperrschicht abgeleitet wird, und der Temperaturbedingungen des Halbleiters, seines Gehäuses,
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seiner Spannvorrichtung und der umgebenden Atmosphäre. Eine Messung der Temperatur des Wärmeabieiters an sich kann nicht mit allen diesen Faktoren in Übereinstimmung gebracht werden.
Die erfindungsgemäße Wärme-Überwachungsschaltung mißt die Temperatur eines bequem zugänglichen Bezugspunktes, während : der thermische Zustand des Thyristors und eines Abschnittes seiner Spannvorrichtung künstlich hergestellt wird. Das küustlich erzeugte Signal zeigt die Temperaturdifferenz zwischen der Sperrschicht und dem Bezugspunkt an (z.B. einem Punkt auf der Wärmeableit-Vorrichtung). Dieses Signal wird dann mit dem Bezugssignal kombiniert, wodurch einSignal erstellt wird, welches die Sperrschicht-Temperatur an sich anzeigt.
Das künstliche Signal berücksichtigt die in der Sperrschicht umgesetzte Energie, die Geschwindigkeit der Wärmeableitung und die Temperatur be dingungen der Vorrichtung und stellt somit eine akkurate Messung sicher. Die Geschwindigkeit, mit welcher die erzeugte Wärme von der Sperrschicht abgeleitet wird, ist eine Funktion des transienten Wärmewiderstand es der Vorrichtung. Dar transients Wärme widerstand ist das Verhältnis des Temperaturanstieges der Sperrschicht als Funktion der Zeit zu der Verlustleistung in der Sperrschicht. Deswegen kann der Temperaturanstieg der Sperrschicht ermittelt werden, wenn die Verlustleistung in der Sperrschicht und gleichzeitig auch der transients Wärme wider stand bekannt sind.
Es besteht ein direkter Analogie-Zu3ammenhang zwischen dem äquivalenten thermischen Kreis eines Thyristors und einer RC-Filterkette. Zur näheren Erläuterung dieser Zusammenhänge wird auf die Seiten 166-187 des oben erwähnten Buches von Gentry hingewiesen. Eine passende Auswahl der Dimensionen der Komponenten des RC-Netzwerkes liefert einen elektrischen Kreis, der ein analoges Verhalten wie der transiente Wärmewiderstand der benutzten physikalischen Konfiguration zeigt (z.B. der Konfiguration zwischen der Sperrschicht und einem Bezugspunkt auf der Wärmeableitvorrichtung)« Das RC-NachbiIdungsnetz werk
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kann dann mit einem Signal beaufschlagt werden, welches den Betrag der Verlustleistung in der Sperrschicht darstellt, ■wodurch eine Ausgangsgröße geliefert wird, welche die Temperaturäifferenz zwischen der Sperrschicht und dem Bezugspunkt darstellt.
Der transients Wärme widerstand einer Vorrichtung ist eine Funktion von verschiedenen Faktoren, u.a. folgenden: (1) dem Format der Wärmeableitvorrichtung, mit welcher sie zusammenarbeitet; (2) der Geschwindigkeit des an der Y'ärmeableitvorrichtung vorbsiströmenden Kühlmittels und (3) der Oberflächeneigenschaften der Wärmeabi®itvorrichtung (s.B. Sauberkeitsgrad)«
Ura die durch ©ines ügtaperaturwechsel in der upgebenden Atmosphäre oder die ©eschviittäigkeit oder die Oberflächen-Eigenschaften äer-Abisitvorrichtung bedingten Unterschiede minimal zu halten, v;irct ?arsugsweise das RO«=IaehMldungsnetzwerk so ausgebildet, ύο,Β es (3 en thera ie ehe η Eigenschaften de3 Aufbaus zwischen der Opsi;iSGlii©ht nticl eiaea Bezugspunkt auf der Wärmeableitvorrichtiiag ia nächster Mähe der Sperrschicht entspricht.
Wie in Fig«1 gezeigte ist in der erfindungsgemäßen Temperaturüber WaOIiIiOgSi51OS rieh tu ng eine Anzahl von Bestandteilen doppelt vorhanden«, Eies© Anordnung ist vorzuzieiaen, wenn sie im Zu-"saffiGiesiliaog mit eiaea zweiseitig arbeiteöden Schalter 4 benutzt wird, iasit eie© Überhitzung eines jeden der beiden wechselweise leitssaeo i'hyrisioi'pfade 5 und 6 bemerkt wird. So dienen beispielsweise der Temperaturfühler 27, die Überwachungsschaltung 25 unr; iar Stroiefühler 22 zur Überwachung des Temperaturpegels flee schema tisch äargesteilten Thyristor-Pfade3 5, während der Teraperaturfühler 28 (ein Duplikat des Fühlers 27), die Überwachungsschaltung 26 (ein Duplikat der Schaltung 25) und der gemeinsame S-l-rosK-luiXer 22 den !nyristor-Pfad 6 überwachen.
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Wie aus Fig.1 ersichtlich, sind die Ausgänge 23 und 24 des Stromfühlers 22 auf die Temperaturüberwachungsschaltungen 25 bzw. 26 geschaltet, ebenso wie die Ausgänge 29 und 30 der Temperaturfühler 27 bzw. 28. Die Ausgänge 31 bzw. 32 der Temperatur-Überwachungsschaltungen sind mit dem Steuerkreis 7 verbunden. Sollte die Sperrschicht-Temperatur eines Thyristors gefährlich ansteigen, so liefert die zugeordnete Überwachungsschaltung ein Stopp-Signal an den Steuerkreis 7.
Bei Eintreffen dieses Signals wird der Steuerkreis 7 damit aufhören, Gittersignale zu den Schalter-Thyristoren zu liefern, welche daraufhin beim Eintreffen des nächsten natürlichen Null-Durchgangs des Stromes aufhören zu leiten. Die Thyristoren können daraufhin ausreichend abkühlen, bevor sie durch die Wiederaufnahme von Gittersignalen des Steuerkreises 7 wieder leitend gemacht werden.
Wie schon eingangs erwähnt, bestehen die Thyristor-Pfade 5 und 6 physikalisch aus einer Parallelschaltung vieler einzelner Thyristoren. Die Art ihrer Zusammenschaltung ist in ?ig.2 für eine Phase gezeigt. Dabei werden die Thyristoren (5c, 5d, 5i» 53, 6c, 6d, 61 und 6j) , welche In der Nähe der Mitte des Aufbaus angeordnet sind, normalerweise stärker erwärmt als die übrigen. In Anbetracht der Tatsache, daB die kühlende Luft für die Phasenbaugruppe in der gezeigten Richtung strömt, werden sich ferner die stromabwärts gelegenen, mittleren Thyristoren, nämlich 5c, 5d, 6c und 6d stärker erwärmen als die stromaufwärts gelegenen Thyristoren 5i» 5j, 6i und 6j· Wenn isan nur in der Nähe derjenigen Thyristoren Temperaturfühler anordnet, bei denen die stärkste Erwärmuug zu erwarten ist, werden die Bedingungen des Bohlechtesten Falles geliefert, während die Notwendigkeit einer mehrfachen Anordnung von Fühlern minimal wird. Deswegen ist der Thyristor 5c mit dem Temperaturfühler 27 versehen und der Thyristor 6c mit dem Temperaturfühler 26.
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Die Konstruktion des Temperaturfühlers 27 und seine „Anordnung auf einer Kühlrippe der Spannvorrichtung des Thyristors 5c ist in den Figuren 3 und 4 gezeigt. Wie dort zu sehen ist, umfaßt der Temperaturfühler einen Oherm is tor 32, der in der Innenseite einerAusnehmung 33 in eioem wärmeleitenden Glied, beispielsweise einem Kupfer block 34 angeordnet ist. Die Anschlußdrähte : des Thermistors verlassen den Block an zwei gegenüberliegenden Seiten und sind mit einem Koaxia!-Kabel 35 verbunden, über welches der Thermistor mit der Temperatur-Überwachungsschaltung in Verbindung steht. Der Block 34 ist aus den oben erwähnten Gründen in unmittelbarer Nähe des Thyristors mit einer Kühlrippe 21 verbunden.
Der Block und sein Thermistor sind durch eine geeignete Vergußmasse 36 geschützt, in der sie eingekapselt sind.
Fig.5 ist ein detailliertes Blockschaltbild derjenigen Baugruppen, welche die Funktion der Überwachung der Sperrschicht-Temperatur für den Thyristor 5c ausüben.
Der Stromfühler 22 enthält vorzugsweise einen Stromwandler mit zwei identischen Ausgängen. Sein Ausgang 23 ist auf die Temperatur-Überwachungsschaltung 25 geschaltet (in i'ig.5 gezeigt), während sein Ausgang 24 auf die Überwachungsschaltung 26 geschaltet ist. Das Signal am Ausgang 23, dessen Größe dem Stromfluß durch den gleichrichtenden Übergang 19 entspricht, ist im folgenden als I1 bezeichnet. Dieses Signal gelangt an den Eingang eines nichtlinearen Funktionsgenerators 37. Der "Funktionsgenerator 37 foarot das Signal I1 in ein Signal um, welches den Betrag der Verlustleistung in der Sperrschicht repräsentiert. Der Generator 37 ist also derart konstruiert, daß er die Charakteristik des LeistungsVerlustes in dem Übergang bzw. der Sperrschicht nachahmt.
Fig«,6 ist eine graphische Darstellung des tatsächlichen (idealen) Verlustleistungsverhaltens des Thyristors 7 und seiner linearen Annäherung. Die ideale Kurve ist das nichtlineare Verlust-
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leistungs-Verhalten des gleichrichtenden Überganges 19 für verschiedene Größen des Sperrschichtstromes.Die linearen Annäherungen der idealen Kurven, wie sie durch die ausgezogenen Linien dargestellt sind, können im Interesse einer praktischen Realisierung einer Schaltung gewonnen werden, die eine Übertragungsfunktion hat, die der idealen im wesentlichen äquivalent ist. Der nichtlineare Funktionsgenerator 37 beinhaltet geeignete Netzwerke zur Erzeugung derartiger Annäherungen, wodurch die Größe seines AusgangssignaLs I2 im wesentlichen dem Betrag der Verlustleistung in der Sperrschicht für jeden Wert von I.. proportional ist.
Das Signal Ip wird an den Eingang des thermischen Übertragungs-Simulators 58 angelegt, dessen Punktion es ist, das Signal I2, welches die Verlustleistung in der Sperrschicht darstellt, in ein Signal umzusetzen, welches der Teaperaturdifferenz zwischen der Sperrschicht und dem ausgewählten Bezugspunkt entspricht.
Wie schon erwähnt, ist die Größe der Verlustleistung in dem Übergang bzw. der Sperrschicht bekannt, und der transiente Wärme- » widerstand der aus dem !Thyristor und einem Abschnitt seiner Spannvorrichtung bestehenden Anordnung ist ebenfalls bekannt; die Temperaturdifferonz zwischen der Sperrschicht und diasem Abschnitt der Spannvorrichtung kann ermittelt werden. Hierzu wird ein Wärmeübertragungs-Simulator eingesetzt, dessen Übertragungsfunktion so ausgelegt ist, daß sie im wesentlichen dem transienten Wärme widerstand des Bereiches des Thyristors unü seiner Spannvorrichtung zwischen der Sperrschicht 19 und dem Punkt auf der"1 kühlrippe 21, wo der Temperaturfühler 27 angeordnet ist, entspricht. Der Simulator enthält im wesentlichen ein RC-Filter mit frequenzabhängigen Dämpfung , dessen Widerstands-und Kapazitätswerte so ausgewählt sind-, daß sie äie gewünschte Übertragungsfunktion liefern. Die Kurve .A der '
Fig.7 zeigt die Übertragungsfunktion.des Wärmeübertragrngs-Simulators, der entsprechend dsr angestrebten Ausgestaltung ausgelegt ist. Die Kurve B zeigt den transierten Wärje wider-
■-_... 109853/1297 .
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stand des Thyristors und der gesamten zugehörigen Spannvorrichtung (d.h. Übergang gegen Luft).
Liefert man dem Simulator 38 ein Eingangssignal, welches der Verlustleistung in der Sperrschicht entspricht, so wird eine A usgangsspannung V1 erzeugt, welche der Temperaturdifferenz zwischen dem Übergang bzw. der Sperrschicht und dem Temperaturfühler entspricht.
Der Temperaturfühler 27 enthält einen Thermistor mit positivem Temperatur-Koeffizient , dessen Widerstand seiner Temperatur direkt proportional ist.
Zur Sicherstellung der Genauigkeit liefert eine Konstantstromquelle 39 einen Strom Ic von konstanter Größe an den Thermistor 32. Die an dem Tieraistor abfallende Spannung wird zur Erzeugung eines Ausgangssignals Vp benutzt,, das der Semperatur aes Thermistors und somit aueh der des Bereiches der Kühlvorrichtung, an welcher er angebracht ist, entspricht. Der Strompegel Ic ist niedrig genug ausgewählt, so daß die infolge seines Flusses durch den thermistor erzeugte Wärme unbedeutend ist.
Zur Verstärkung der Spannung Vp ist ein einstellbarer Verstärker 40 vorgesehen, der eine Ausgangsspannung V, liefert, die der Ausgangsspannung V1 des Simulators 38 maßstabsgerecht entspricht (d.h. daß jedes Volt von V^ einen gleichen Temperatür betrag wie jaöes Volt von V1 darstellt). Die aufeinander abgestimmten Ausgangssignale V, und V1 dienen als Eingangssignale für einen Addierer 41, in welchem sie algebraisch zusammengefaßt werden und ein A us gangs signal V, bilden.
Da die Spannung V1 tier Teaperaturdifferenz zwiechen der Sperrschicht ».nä dem Bezugspunkt auf der Kühlvorrichtung
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entspricht und die Spannung V2 die Temperatur dieses Bezugspunktes auf der Kühlvorrichtung darstellt, entspricht das kombinierte Signal V, der Temperatur des gleichrichtenden Übergangs selbst.
Die Spannung V. dient als Eingangsgröße für einen Pegel-Detektor 42. Sobald die Spannung V, oberhalb eines bestimmtea Punktes ist (was dann bedeutet, daß die Sperrschichttemperatur gefährlich angestiegen ist), liefert der Pegel-Detektor 42 ein Stopp-Signal S, welches vorzugsweise auf den Steuerkreis 7 geschaltet ist, um dessen Gitter-Signale zu unterdrücken. Ebenso kann dieses Signal natürlich dazu benutzt werden, einen hörbaren oder sichtbaren Alarm auszulösen, um auf die erhöhte Sperrschichttemperatur aufmerksam zu machen.
Obwohl die erfindungsgemäße Temperatur-Überwachung im Zusammenhang mit einem dreiphasigen, statischen Wechselstroraunterbrecher gezeigt und beschrieben wurde, liegt es auf der Hand, daß sie ebenso gut in verschiedenen anderen Festkörperanordnungen, wie Gleichrichtern, Wechselrichtern und Frequenzwandlern eingesetzt werden kann.
Pate ntansprüche
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Claims (8)

  1. Ab
    Patentansprüche
    Vorrichtung zur Überwachung der Sperrschicht-Temperatur einer in einem Laststromkreis liegenden Halbleiteranordnung mit einem Körper aus Halbleitermaterial, der wenigstens einen p-n-Übergang aufweist und mit zwei Laststromelektroden, von denen wenig·-; stens eine in mechanischer Verbindung zu einer Kühlvorrichtung steht, mit der sie eine Baueinheit bildet, gekennzeichnet durch
    (a) einen Temperaturfühler (27) zur Erzeugung eines ersten Signals, das der Temperatur einer ausgewählten Stelle dieser Baueinheit entspricht,
    ►
    (b)eine Schaltung (22) zur Ermittlung der Stärke des durch die Sperrschicht fließenden Stroms und zur Erzeugung eties zweiten Signals, das dieser Stromstärke entspricht,
    (c)einen nichtlinearen Funktionsgenerator (37) zur Umwandlung öes zweiten Signals in ein drittes, das Verlustleistungs-Charakteristik der Halbleiteranordnung anzeigt,
    (d)eine Anordnung (38) zur frequenzabhängigen Dämpfung des dritten Signals und zur Lieferung eines vierten Signals, das der Temparaturdifferenz zwischen der Sperrschicht und der gewählten Stelle der Baugruppe entspricht uud
    (e) einen Addierer (41) zur algebraischen Zusammenfassung des ersten und des vierten Signals, deren Ausgangssignal ein Maß für die Jeweilige Sperrschichttemperatur ist.
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  2. 2. Vorrichtung nach Anapruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählte Stelle der Baueinheit ein Bereich der Kühlvorrichtung in enger Nachbarschaft der Sperrschicht ist.
  3. 3« Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichn t, daß am Ausgang des Addierers (41) ein Pegel-Detektor (42) angeschlossen ist, der ein fünftes Signal erzeugt, sobald die Spannung am Ausgang des Addierers einen bestimmten V/ert erreicht.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung ein Thyristor iBt, dessen Steuerelektrode Trigger-Signale von einem Steuerkreis (7) zugeführt werden, der bei Erscheinen des fünften Signals zur unterdrückung weiterer Trigger-Signale blockiert wird.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung in einem Ifestkörperschalter, der aus mehreren parallelgeschalteten Halbleiteranordnungen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (27) so angeordnet ist, daß das von ihm gelieferte erste Signal der Temperatur einer ausgewählten Stelle derjenigen Baueinheit entspricht, deren Halbleiteranordnung normalerweise am stärksten erwärmt wird.
  6. 6. Verfahren zur Überwachung der Sperrschicht-Tempera tür einer in einem Laststrfcmkreis liegenden Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper , der wenigstens einein p-n-Übergang aufweist, und mit zwei Laststromelektroden, von denen wenigstens eine in mechanischer Verbindung zu einer Kühlvorrichtung steht, mit der sie eine Baueinheit bildet, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    (a) Peststellen der Temperatur an einer ausgewählten Stelle ··- - dieser Baueinheit und Erzeugen eines ersten Signals, welches dieser Temperatur entspricht;
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    (b) Ermittlung der Stärke des durch die Sperrschicht fließenden Stroms und Erzeugung eines zweiten Signals, das der Stromstärke entspricht;
    (c) Umwandeln des zweiten Signals in ein drittes Signal, welches der Verlustleistung in der Sperrschicht entspricht;
    (d) Filtern des dritten Signals zur Erzeugung eines vierten Signals, welches der Temperaturdifferenz zwischen dieser Sperrschicht und der ^wählten Stelle der Baueinheit entspricht und
    (e) algebraisches Zusammenfassen des ersten und des vierten Signals zur Erzeugung eines Ausgangssignals, welches der Sperrschicht temperatur entspricht.
  7. 7« Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet, daß die ausgewählte Stelle der Baueinheit eine Stelle der Kühlvorrichtung in unmittelbarer Nachbarschaft der Sperrschicht ist.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt der Überwachung der Große des A us gangs Signa Is zur Erzeugung eines fünften Signals, sobald dieses A us gangs signal einen vorbestimmten viert erreicht.
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