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Verfahren und Meßanordnung zur Bestimmung der virtuellen Sperrschichttemperatur
von Thyristoren Die Erfindung betrifft ein Verfahren und zur durchführung des Verfahrens
eine Meßanordnung zur Bestimmung der virtuellen Sperrschichttemperatur von Thyristoren
mit geshortetem Emitter, insbesondere zur Berechnung des inneren Wärmewiderstandes.
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Die Ermittlung des inneren Wärmewiderstandes ist mögliche wenn die
virtuelle Sperrschichttemeratur und die Durchlaßverlustleistung vom Tilyristor bekannt
sind.
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Es ist üblich, die virtuelle Sperrschichttemperatur durch Messen der
Durchlaß-, der Kipp-, oder der Abschaltspannung oder der Freiwerdezeit des Thyristors,
die temperaturabhän.ige Größen sind und aus einer die Temperaturabhängigkeit der
elektrischen Größe aufzeigenden Eichkurve zu bestimmen.
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Das Nutzen einer dieser Größen für die Bestimmung der virtuellen Sperrschichttemperatur
ist jedoch mit Nachteilen verbunden.
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Beim Messen der Durchlaßspannung treten in Abhängigkeit; von der Sperrschichttemperature
und vom Durchlaßstrom Spannungs sprünge auf, die durch ein partielles Durchschal-ten
des Thyristorelementes, die in der Folge als Multistabilitaten bezeichnet erden,
bedingt sind.
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Nach ciem Stand der Technik wird beim Auftreten von Spannungssprüngen
der Durchlaßstrom bis zu deren Beseitigung, vorzugsweise durch Erhöhen, verändert.
Auch durch diese Maßnahme kann nicht sicher gestellt werden, daL3 bei der Messung
der virtuelle Sperrschichttemperatur der gleiche Teil des Thyristorelementes, wie
bei der Aufnahme der Eichkurve, durchgezündet ist.
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Auf Grund dieser Thyristoreigenschaft ist eine sichere Zuordnung der
virtuellen Sperrschicht temperatur zur Durchlaßspannung mit Hilfe der Eichkurve
nicht möglich und es treten exemplarbedingte größere Fehler bei der Temperaturbestimmung
auf.
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Außerdem ergibt die durch die Multistabilitäten notwendige iAnderung
des Meßstromes eine Erhöhung der Meßzeit, die für Labormessung unbedeutend, jedoch
für eine produl;tive Messung in der Thyristorfertigung untragbar ist.
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Sofern die Kippspannung zur Ermittlung der virtuellen Sperrschichtttemperatur
herangezogen wird, muß der Thyristor bis weit über die maximal zulässige Sperrschichttemperatur
bei der Aufnahme der EicIiIurve von außen und belm Meßvorgang mittels Durchlaßbelastung
von innen aufgeheizt werden. Erfolgt; die innere Aufheizung etwa von der Raumtemperatur
aus, dann entspricht diese Durchlaßbelastung nicht mehr dem normalen Anwendungsfall.
Wird dagegen der thyristor vor der Durchlaßbelastung von außen auf eine relativ
hohe Ausgangstemperatur gebracllt und dann mit einer Durchlaßverlustleistung beaufschlagt,
dann erhöht der zusätzliche Erwärmungsvorgang die Meßzeit wesentlich.
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Wird die Abschaltspannung oder die Freiwerdezeit zur Bestimmung der
virtuellen Sperrschichttemperatur benutzt, so hat diese Verfahrensweise zwei Nachteile
Beide Größen können nicht kontinuierlich mit so geringem elek-tronischen Aufwand,
wie z.B. bei der i)urchlaßspannung, in Abhängigkeit von der Zeit gemessen werden.
Weiterhin werden beide Größen von der "Ja-Nein"-Aussage dt'r Thyristor ??leitet
oder leitet nicht" abgelei-tet. Die genaue grenze dieser Aussage, d.h. der genaue
Meßwert, ist jedoch in einfacher Weise nicht mit ausreichender Genauigkeit; zu erhalten.
Bei Thyristoren, deren Abschaltspannung oder Freiwerdezeit nur eine geringe Temperaturabhängigkeit
aufweist, wird die Bestimmung der virtuellen Sperrschichttemperatur zusätzlich in
der Genauigkeit vermindert.
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Zweck der Erfindung ist es, ein produktiveres, zuverlässiges Meßverfahren
nebst Meßanordnung das auch in der Thyristorproduktion benutzt werden kann, zu entwickeln.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine
Meßanordnung zur Durchfllhrung des Verfahrens zu schaffen, mit dem von Thyristoren
mit geshortetem Emitter, auch bei multistabilen Durchlaßkennlinien, die virtuelle
Sperrschichtw temperatur in einfacher Weise schnell und mit hoher Genauigkeit bestimmt
werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Bestimmung
der virtuellen Sperrschichttemperatur mittels einer die Temperaturabhängigkeit der
elektrischen Größe aufzeigenden Eichkurve, die temperaturabhängige elektrische Größe
des Widerstandes zwischen Steuerelektrode und Katode RGK im gelöschten Zustand des
Thyristors ermittelt wird0 Dieser Widerstand- wird in einfacher Weise durch einspeisen
eines definierten Stromes von einer Gleichstromquelle ermittelt, deren Minuspol
an der Steuerelektrode und deren Pluspol an der Katode des Thyristors angelegt wird,
Dabei ist zu beachten, daß durch den definierten Gleichstrom am Widerstand zwischen
Steuerelektrode und Katode RGK ein kleinerer Spannungsabfall erzeugt wird als die
Größe der Durchbruchspannung des pn-8berganges zwischen SteueielLtrode und Katode.
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Eine günstige Leistungseinspeisung wird erreicht, wenn diese mit einem
periodisch unterbrochenen Durchlaß strom beliebiger Porm, z,B. mit Sinushalbwellen
oder Rechteckimpulsen, vorgenommen wird.
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Zur Verringerung des Schaltungsaufwande-s und um eine von Exemplarstreuungen
der Durchlaßkennlinien der Thyristoren annähernd unabhängige konstante Leistungseinspeisung
zu erhalten, werden für die Leerlaufspitzenspannung der Durchlaßstromquelle und
für
die in der Hauptstrecke liegenden Widerstände Größen vorgesehen,
durch die der Durchlaßstrom im Streubereich der Durchlaßkennlinie des belasteten
Thyristors an den Widerständen und an der Anoden-Eatoden-Strecke des gezündeten
Thyristors je etwa den halben Spannungsabfall von der Leerlaufspitzenspannung der
Durchlaß stromquelle erzeugt.
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Weiterhin wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer Meßanordnung,
bei der in der Steuerelektroden-llatoden-Strecke des Thyristors ein Zündgenerator
angeordnet ist, parallel zu diesem eine Meßstromquelle und eine Spannungsmeßeinrichtung
geschaltet sind. Die Anoden-Katoden-Strecke des Thyristors, an der die Belastungsstromquelle
anliegt, ist in bekannter Weise in Reihe mit einem Vorwiderstand und dem Strompfad
eines Beistungsmessers geschaltet und parallel zu dieser ist der Spannungspfad des
Beistungsmessers angeordnet.
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Mit dieser Meßanordnung ist es möglich, das Verfahren in einfacher
Weise schnell und mit hoher Genauigkeit durchzuführen0 Der Widerstand zwischen Steuerelektrode
und Katode RGK wird am gelöschten Thyristor durch Messen der Spannung zwischen Steuerelektrode
und Katode UGK und die virtuelle Sperrschichttemperatur mit Hilfe der die Temperaturabhängigkeit
dieses Widerstandes aufzeigenden Eichkurve ermittelt.
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Die Genauigkeit der Bestimmung der virtuellen Sperrsohichttemperatur
wird höher, wenn die Eichkurve verfahrensgemäß mit Hilfe der Meßstromquelle und
der Meßeinrichtung der erfindungsgemäßen Meßanordnung aufgestellt wird. Für die
Messung der Spannung zwischen Steuerelektrode und Katode UGK wird die Schaltung
einfach und zuverlässig, wenn die Meßstromquelle eine mit dem Minuspol auf die Steuerelektrode
des Thyristors geschaltete Gleichstromquelle ist.
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Damit der Momentanwert der Spannung zwischen Steuerelektrode und Katode
UgK in einem definierten Zeitpunkt gemessen werden kann, ist die Spannungsmeßeinrichtung
entweder ein Spitzenspannungsmesser mit einer vorgeschalteten Torschaltung oder
ein Oszillograf mit einer zu- und abschaltbaren Vergleichsspannungsquelle4 Die Meßanordnung
soll anhand der Zeichnung durch zwei Schaltungsbeispiele näher erlåut.ert werden:
Es zeigen Fig. 1 die Meßanordnung mit einem Spitzenspannungsmesser Fig. 2 die Meßanordnung
mit einem Oszillografen als Spannungsmeßeinrichtung.
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Nach Fig. 1 sind in Reihe mit der Anoden-Katoden-Strecke des Thyristors
1 die Sekundärwicklung des an einer Wechselstrosquelle liegenden Hochstromtransformators
2, der Vorwiderstand 3 und der Strompfad des Beistungsmessers 4 geschaltet, Parallel
zur Anoden-Katoden-Strecke des Thyristors 1 ist der Spannungspfad des 1eistungsmessers
4 angeordnet.
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Zum Erhalt einer von Exemplarstreuungen der Durchlaßkennlinien annähernd
unabhängigen Leistung seinsp ei sung in die Anoden-Eatoden-Strecke des Thyristors
1 sind der Vorwiderstand 3, der Widerstand des Strompfades des Beistungsmessers
4 und die leerlaufspitzenspannung des Hochstromtransformators 2 von der Große, die
beim Durchsohalten des Thyristors 1 etwa die halbe 1eerlaufspitzen° spannung des
Hochstromtransformators 2 am Thyristor 1 und an den vorgenannten Widerständen abfallen
lassen Im Zündgenerator 5 ist ein Zeitgeber angeordnet, der für eine Belastungszeit
eingestellt ist, die gerade ausreicht, um stationäre thermische Verhältnisse im
Thyristor 1 herzustellen.
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In der Steuerelektroden-Katoden-Strecke des Thyristors 1 , ist der
Zündgenerator 5 und parallel zum Zündgenerator 5 sind die Meßstromquelle 6 und der
Spitzenspannungsmess er 7, dem die Torschaltung 8 vorgeschaltet ist, angeordnet,
Die Meßanordnung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Meßanordnung nach Fig. 1
dadurch, daß für den Spitzenspannungsmesser 7 mit Torschaltung 8 parallel zum Zündgenerator
5 der Oszillograf 9 angeordnet ist, dessen Eingang mittels des netzsynchronen Umschalters
10 auf die Steuerelektrode des Thyristors 1 oder auf die Vergleichsspannungsquelle
11 geschaltet ist.
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Zur Bestimmung des genauen Wertes der virtuellen Sperrschichttemperatur
wird zuerst von dem zu messenden Thyristor 1 eine Eichkurve aufgenommen, die die
Abhängigkeit des Widerstandes zwischen Steuerelektrode und Katode R GK und der Sperrschichttemperatur
j' die beim Eichvorgang gleich der Gehäusetemperatur 9 c ist, aufgenommen. Dazu
wird der Thyristor 1 im unbelasteten Zustand von außen aufgeheizt und die Messungen
werden mithilfe der Meßstromquelle 6 und dem Spitzenspannungsmesser 7 oder dem Oszillografen
9 vorgenommen.
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Danach wird der Thyristor in eine Meßfassung, die gut wärmeleitend
ist, gebracht und elektrisch an die Meßschaltung angeschlossen.
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Der Zündgenerator 5 wird für die Dauer einer Belastungszeit, die im
Thyristor stationäre thermische Verhältnisse einstellt und die die Gehausetemperatur
/o kaun erhöht, eingeschaltet0 In den periodisch kurzzeitig auftretenden Belastungspausen
wird am Ende der Belastungszeit mit dem Spltzenspannungsmesser 7 oder dem Oszillografen
9 die Spannung zwischen Steuerelektrode und Katode UGK gemessen. Aus der Eichkurve
wird dann die zu dieser Spannung gehörende virtuelle Sperrschiohttemperatur j ermittelt.
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it Hilfe der außerdem gemessenen Durchlaßverlustleistung P kann nun
nach der bekannten Gleichung
der innere Wärmewiderstand berechnet werden.
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Eine für die Thyristorfertigung produktive Verfahrensweise wird erreicht,
wenn anstelle der Bestimmung des genauen Wertes für die virtuelle Sperrschichttemperatur
nur eine Gut - Schlecht" Aussage, die für diesen Zweck völlig ausreichend ist, angewendet
wird. Hierzu wird die Messung eines Punktes der Eichkurve bei einer bestimmten Temperatur
vorgenommen und der Thyristor wird dann in der-Iaeßschaltung mit der iurchlaßverlustleistung
beaufschlagt, die seine Sperrschicht, sofern der Thyristor den maximal zulässigen
Wärmewiderstand aufweist, bis auf die zum Eichpunkt gehörige Temperatur aufheizt.
Das heißt, es wird nur noch die Einhaltung des vorgegebenen Punktes der Eichkurve
durch das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Meßergebnis kontrolliert
und die Meßzeit ist den Erfordernissen einer Thyristorfertigung angepaßt.