DE2553210A1

DE2553210A1 - Temperaturueberwachungsschaltung

Info

Publication number: DE2553210A1
Application number: DE19752553210
Authority: DE
Inventors: David R Boothman; Everett C Elgar
Original assignee: General Electric Canada Co
Current assignee: General Electric Canada Co
Priority date: 1974-12-02
Filing date: 1975-11-27
Publication date: 1976-08-12
Also published as: FR2293746B1; FR2293746A1; IT1049946B; GB1534862A; DE2553210C2; JPS5177175A; US4052744A; CA1010574A

Description

Dr. Horst Schüler ₂6. November 1975

Patentanwalt Schu. /Vo. /he. 6 Frankfurt/Main 1

Niddastr.52 3783-CC-2454

CANADIAN GENERAL ELECTRIC COMPANY LIMITED 214 King Street West
Toronto, Ontario / CANADA

Temperatürüberwachungsschaltung

Die Erfindung betrifft Mittel zur Temperaturüberwachung von Halbleitern und insbesondere zum Überwachen der Übergangszonentemperaturen von großen Stromflüssen unterworfenen Leistungshalbleitern.

Festkörperglieder, wie Dioden und Thyristoren, sind im Zusammenhang mit elektrischen Leistungsanwendungen bekannt. Es ist auch bekannt, daß ein großer Teil der in einem Leistungshalbleiter erzeugten Wärme an dessen Stromübergangszone oder den Übergangszonen entsteht. Demzufolge erreicht die Übergangszone die höchste Temperatur im Halbleiter, und sie stellt die Stelle dar, an der gewöhnlich ein Ausfallen des Halbleiters auftritt, wenn die Temperatur übermäßig groß wird.

Eine Bestimmung der Übergangszonentemperatur kann nicht in einem zufriedenstellend genauen Maß dadurch erfolgen, daß die Temperatur des zum Abführen der Wärme vom Halbleiterelement angewendeten Gebildes gemessen wird. Aufgrund der langsamen thermischen Übertragungscharakteristiken dieses Gebildes geben äußere Temperaturmessungen nicht genau die Übergangszonentemperatur wieder. Bei Anwendungen von Leistungshalbleitern ist es unmöglich, die Übergangs-

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zonentemperatur direkt zu messen; demzufolge arbeiten die verwendeten Schutzglieder nach einer indirekten Lösung. Das älteste und am besten bekannte Schutzglied dieser Art ist natürlich die Schmelzsicherung. Die im einzelnen benutzte Schmelzsicherung ist so ausgelegt, daß sie bei einem Stromwert durchbrennt, der als sicher für den Halbleiter angesehen wird. Hierbei handelt es sich um eine etwas rauhe bzw. ungenaue und bequeme lösung, die nicht zum Ausnutzen der vollen Sfc,romleitungsfähigkeiten des Halbleiters neigt und nicht schnell genug ist, um den Halbleiter vor allen Übergangs- bzw. Einschwingzuständen zu schützen. Darüberhinaus führen Schmelzsicherungen zu dem Problem einer Anpassung der thermischen Eigenschaften derselben an diejenigen des Halbleiters.

Es sind auch elektronische Festkörperschaltungen als Schutz von Leistungshalbleitern gegen Übertemperaturen bekannt. Es wird erwartet, daß diese Schaltungen empfindlicher und schneller als Schmelzsicherungen arbeiten. Eine Schaltung dieser Art ist im US-Patent 3 622 849 beschrieben. Bei dieser Schaltung wird ein die Temperatur des Wärme abgebenden Gebildes des Halbleiters repräsentierendes Signal mit einem den Stromfluß im Halbleiter wiedergebenden Signal kombiniert, um ein drittes Signal zu erhalten, das der Temperatur der Übergangszone des Halbleiters entspricht. Im genannten US-Patent wird dieses mit den folgenden Worten zusammengefaßt: "Es ist ein Temperaturwächter vorgesehen, um den Zustand zu bestimmen, bei dem die Übergangszonentemperatur eines leitenden Thyristors einen vorgewählten Pegel erreicht hat, der einer gefährlich erhöhten Übergangszonentemperatur entspricht. Der Temperaturwächter weist eine Schaltung auf, die das thermische Verhalten bzw. Ansprechen eines Teils des Thyristors und des zugeordneten Druckaufbaus zwischen der inneren PN-übergangszone des Thyristors sowie einer hieran dicht angrenzenden äußeren Referenzstelle an der Wärmesenke künstlich herstellt. Diese Synthetisierungsschaltung benutzt ein gemessenes Signal, das den Pegel des durch die Übergangszone fliessenden Stroms angibt, und wandelt dieses Signal zu einem solchen Signal um, das die in der Übergangszone verbrauchte Leistung angibt. Das letztgenannte Signal gelangt zu einem Wärmeübertragungssimulator, wo es in ein Signal umgesetzt wird, das die Temperatur-

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differenz zwischen der Übergangszone und der Referenzstelle der Wärmesenke angibt. Dieses Signal wird in einer Summierschaltung mit einem gemessenen sowie die Temperatur der Wärmesenke angebenden Signal kombiniert, um ein die Übergangszonentemperatur für sich angebendes Ausgangssignal zu bilden. Die Ausgangsgröße der Summierschaltung wird vorzugsweise zu einem Pegeldetektor geleitet, um ein Stoppsignal zu bilden, wenn seine Eingangsgröße über einem vorgewählten PegeJ- liegt. Es können dann auf dieses Stoppsignal ansprechende Mittel benutzt werden, um die Gate- oder Torsignale zum leitenden Thyristor zu unterdrücken, so daß dieser abgeschaltet wird und abkühlt."

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Überwachungsschaltung, mit der sich die Übergangszonentemperaturen direkter feststellen lassen.

Wie es bekannt ist, sind Leistungshalbleiter unterschiedlich in der Anzahl der Übergangsζonen, die Strom von der Anode zur Kathode leiten. Beispielsweise haben eine Diode eine einzelne Übergangszone und ein Thyristor eine Anzahl von Übergangsζonen. Der in der Beschreibung sowie den Ansprüchen benutzte Ausdruck 'Übergangszone¹ soll Halbleiter mit einer Übergangszone und mit mehrfachen Übergangszonen umfassen.

Ein Halbleitertemperaturwächter bzw. eine Schaltung zur Überwachung von Halbleiterübergangszonentemperaturen besteht erfindungsgemäß im wesentlichen aus Mitteln zum Erhalten eines Signals, das den durch die Übergangszone fließenden Strom wiedergibt, aus einem Stromregler, aus einer Widerstands-Kapazitäts-Analogschaltung des thermischen Systems des Halbleiters, aus einer Gleichstromversorgung und aus einem Spannungspegeldetektor. Es sind der Stromregler mit der Analogschaltung und die Kombination bzw. Zusammenschaltung mit der Gleichstromversorgung verbunden. Der Regler wird durch das den Übergangszonenstrom wiedergebende Signal beeinflußt, und er leitet einen Strom über die Analogschaltung. Die Beeinflussung erfolgt in der Weise, daß die Relation des geleiteten Stroms zum Beeinflussungssignal der Verlustleistungscharakteristik der Halbleiterüber-

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gangszone angenähert ist. Die Spannung an der Analogschaltung ist bezeichnend für die Übergangszonentemperatur und wird mittels des Pegeldetektors gemessen. Bei einer Anwendung des Temperaturwächters als Schutz für ein Halbleiternetzwerk vor einem Überhitzen kann diese Spannung dazu benutzt werden, um das Netzwerk abzuschalten, nachdem ein eine zu große Übergangszonentemperatür angebender Pegel erreicht ist.

Die durch den Pegeldetektor gemessene Spannung berücksichtigt die Verlustleistung in der Übergangszone, das Maß bzw. die Geschwindigkeit der Wärmediffusion oder -ausbreitung und die Temperaturzustände des Halbleitergebildes. Die Geschwindigkeit der Wärmeausbreitung von der Übergangszone ist eine Funktion der thermischen Ausgleichsimpedanz dieses Gebildes. Mit dem Begriff Halbleitergebilde ist die Halbleiterzelle in Kombination mit dem für diese bestimmten Wärmeableitungsgebilde gemeint, beispielsweise eine auf einer Wärmesenke bzw. einem Kühlkörper befestigte Zelle. Die thermische Einschwingimpedanz ist das Verhältnis des Temperaturanstiegs der Übergangszone über die Temperatur des Wärmeableitgebildes, nämlich des Kühlkörpers, und zwar ausgedrückt als Funktion der Zeit zu der Verlustleistung in der,Übergangszone. Es handelt sich hierbei um eine Funktion mehrerer Faktoren, zu denen folgende gehören: (1) Größe des Kühlkörpers, auf dem der Halbleiter befestigt ist; (2) Art und Geschwindigkeit des sich in Wärmeaustauachbeziehung mit dem Kühlkörper befindlichen Kühlfluids; (3) Wärmeableitfähigkeiten des Kühlkörpers. Wenn die Verlustleistung in der Übergangszone bekannt ist, kann die Temperatur derselben bestimmt werden, wenn auch die thermische Einschwingimpedanz bekannt ist. Die thermische Einschwingimpedanz eines Halbleitergebildes und die Verlustleistungscharakteristik der Übergangszone sind beides Eigenschaften des Gebildes. Im Fall einer Zelle bzw. eines Elements werden diese Charakteristiken gewöhnlich vom Hersteller geliefert, und im Fall einer Zelle bzw. eines Elements in Kombination mitseinem Kühlkörper können diese Charakteristiken durch Befestigen des Elements auf dem Kühlkörper und durch Ausmessen dieser Kombination erhalten werden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

6 0 ·' ' / G-HrS

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Figur 1 - ein Blockschaltbild zur Darstellung der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 - ein Schaltungsdiagramm der bevorzugten Ausführungsform der Temperaturüberwachungsschaltung,

Figur 3 - eine graphische Darstellung, die sich auf den Betrieb der Schaltung aus Figur 2 bezieht, und

Figur 4 - eine Abwandlung der in Figur 2 dargestellten Schaltung.

In Figur 1 ist eine Temperaturüberwachungsschaltung Io dargestellt, die über einen Stromfühler 12 mit einer Stromumwandlungsschaltung 11 gekoppelt ist. Die letztere besteht im wesentlichen aus einer Leistungseingangsleitung 13, einem Lastschalter bzw. Unterbrecher 14, einem Stromkonverter 15 und einer Leistungsausgangsleitung 16. Diese Leistungsschaltung kann für verschiedene Zwecke benutzt werden, beispielsweise zum Umwandeln eines Mehrphasenwechselstroms an der Leitung 13 in einen Gleichstrom an der Leitung 16, zum Umwandeln eines Mehrphasenwechselstroms an der Leitung 13 in einen Mehrphasenwechselstrom einer anderen Frequenz an der Leitung 16, zum Umwandeln eines Gleichstroms an der Leitung 13 in einen Wechselstrom an der Leitung 16, oder der Stromkonverter kann in einer als Lastschalter bzw. Unterbrecher verwendbaren Konfiguration ausgebildet sein. Der Konverter selbst enthält eine Anzahl von Halbleitern, wie Thyristoren oder Dioden, die entsprechend den Spannungsund Stromerfordernissen in Reihen-Parallel-Schaltungen in Brückenanordnung oder anderen Konfigurationen angeschlossen sind. Für große Leistungen bestimmte Konverter, bei denen ein Halbleiterschutz besonders benötigt wird, enthalten eine sehr große Anzahl von Halbleitern.

Die Temperaturüberwachungsschaltung Io besteht im wesentlichen aus einem Strom-Spannungs-Wandler 17, einem Stromregler 18, einer Widerstands-Kapazitäts-Analogschaltung 19, einem Spannungspegeldetektor 2o und einer Gleichstromquelle 21, 22. Der Wandler 17 empfängt sein Eingangssignal vom Fühler 12 und gibt ein Signal an den Regler 18 ab. Der letztere und die Analogschaltung 19 sind zwischen Gleichstromsammelleitungen 21 und 22 geschaltet, und der Pegeldetektor 2o ist mit der Analogschaltung 19 verbunden. Der Pegeldetek-

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tor kann auch betriebsmäßig mit dem Schalter bzw. Unterbrecher 14 verbunden sein, wie es durch eine gestrichelte Linie 23 dargestellt ist.

Der Fühler 12 erfaßt den in den Verbindungsleitungen bzw. Übergangszonen der Halbleiter im Konverter 15 fließenden Strom, und der Wandler 17 setzt die Fühlerausgangsgröße in eine Gleichspannung um, die eine Funktion der genannten Ströme ist. Da die Halbleiter im Konverter gleich oder so weit wie möglich gleich sind und in einer Schaltungskonfiguration angeschlossen sind, die zu einer Stromteilung zwischen diesen Gliedern führt, ist diese Spannung auch eine Funktion des Stroms in irgendeinem der Halbleiter. Daher ist das dem Regler 18 zum Ansteuern desselben zugeführte Signal eine Spannung, die den in der Übergangszone eines Halbleiters fließenden Strom wiedergibt. Der Regler begründet in Abhängigkeit von dieser Spannung einen Stromfluß zwischen den Sammelleitungen 21, 22 durch sich selbst und die Analogschaltung 19. Die letztere ist ein entsprechend aufgebautes Widerstands-Kapazitäts-Netzwerk, um den ther^ sehen Kreis der im Konverter benutzten Halbleiterart nachzubilden. Die Spannung vom Wandler 17 sorgt für eine Beeinflussung des vom Regler 18 geleiteten Stroms. Dieser Beeinflussungs- bzw. AnsteuerungsVorgang des Reglers ist dergestalt, daß eine graphische Darstellung mit dem Reglerstrom und der Wandlerspannung als Koordinaten zu einer Kurve führt, die der Verlustleistungscharakteristik der Halbleiterübergangszone angenähert ist. Im Hinblick hierauf können die Schaltungsparameter entsprechend einer die Übergangszonentemperatur wiedergebenden Spannung an der Analogschaltung 19 ausgewählt werden. Diese Spannung wird mittels des Detektors 2o gemessen und kann in Temperaturwerten angezeigt oder für einige andere Zwecke benutzt werden, wie zum Einleiten einer Ansteuerungs- bzw. Überwachüngsfunktion bei einem übermäßigen Ansteigen der Übergangszonentemperatur, beispielsweise zum Auslösen des Last- bzw. Leistungsschalters 14. In der in Figur 1 dargestellten Schaltung kann der Stromregler mit der Analogschaltung entweder als Stromquelle oder als Stromsenke verbunden werden, wobei der Unterschied in der Richtung des Stromflusses in den Regler besteht. Für Definitionszwecke wird davon ausgegangen, daß der Strom in die Senke

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— Π mm

und aus der Quelle fließt. Figur 2 zeigt die Analogschaltung in der Betriebsart einer Stromsenke.

Es wird nunmehr eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf Figur 2 beschrieben, in der die Temperaturüberwachungsschaltung detaillierter dargestellt ist. Sie weist einen Eingang 24, einen Eingangspuffer 25, einen Stromregler 26, eine Analogschaltung 27.J5 einen Ausgangspuffer 28, einen Spannungspegeldetektor 29 und ein Paar von Gleichstrom-Sammelleitungen 3o sowie 31 auf. Eingangsklemmen bzw. -anschlüsse 33 und 34 sind mit einem aus einer Reihenschaltung von Widerständen 35, 36 und 37 bestehenden Spannungsteiler verbunden. Eine Zenerdiode 38 ist am Puffer 2 5 über die Widerstände 36 und 37 geschaltet.

Die positive Ausgangsgröße des Spannungsteilers gelangt über einen Operationsverstärker 39 des Puffers 25 zu den direkten bzw. nicht invertierenden Eingängen von Operationsverstärkern 4o, 41 und 42 im tromregler 26. Der Verstärker 4o ist mit seinem Ausgang an die Basis eines NPN-Transistors 43 angeschlossen, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in einer Reihenschaltung mit den Widerständen 44 und 45 zwischen den Sammelleitungen 46 und 31 liegt. Der invertierende Eingang dieses Verstärkers ist direkt an den Emitter des Transistors angeschlossen. Der Verstärker 41 ist bezüglich seines Ausgangs mit der Basis eines Transistors 47 verbunden, dessen Ku.lektor-Emitter-Strecke in einer Reihenschaltung mit Widerständen 48 und 49 zwischen den Sammelleitungen 46 und 31 liegt. Der invertierende Eingang dieses Verstärkers ist mit dem Emitter des Transistors über einen Widerstand 5o und auch über Widerstände 51, 52 und 53 mit den Sammelleitungen 3o und 31 verbunden. Der Verstärker 42 ist in der Schaltung in derselben Weise wie der Verstärker 41 angeschlossen, und zwar mittels Widerständen 55 bis 6o und eines Tran- , sistors 54.

Der Block 27 aus Figur 2 ist eine ungefähre elektrisch analoge Schaltung des thermischen Systems des im Konverter 15 benutzten Halbleiters, und zwar ein Widerstands-Kapazitäts-Netzwerk. In der äquivalenten elektrischen Schaltung entsprechen die elektrische Ka-

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pazität der Wärmekapazität, der elektrische Widerstand dem Wärmewiderstand, der Strom der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung oder -erzeugung und die Spannung der Temperatur. Somit gelten in der Schaltung 27 folgende elektrische Darstellungen der Wärmezustände bzw. -bedingungen im Halbleiter: Die Kapazitäten der Kondensatoren 61 bis 64 entsprechen den Wärmekapazitäten der Übergangszone, des Plättchens, des Körpers und der Senke; die Werte der Widerstände bis 68 entsprechen dem Wärmewiderstand von der Übergangszone zum Plättchen, vom Plättchen zum Körper, vom Körper zur Senke und von der Senke zur Umgebung. Oder für Erläuterungszwecke anders ausgedrückt, können die Kapazitäten der Kondensatoren 61 bis 64 als den effektiven Wärmekapazitäten der Übergangszone, des Plättchens, des Körpers und der Senke etwa entsprechende bzw. analoge Glieder angesehen werden. Die Werte der Widerstände 65 bis 68 könne in ähnlicher Weise als den effektiven Wärmewiderständen zwischen diesen Elementen entsprechende Größen betrachtet werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Ifcnfiguration der Kondensatoren 61 bis 64 und Widerstände 65 bis 68 eine elektrische Schaltung ergibt, die nur dem thermischen System des Halbleiters etwa angenähert ist. Diese besondere Schaltung enthält die minimale Anzahl der Kondensatoren und Widerstände, die für den Monitor bzw. das Überwachungsgerät als notwendig erachtet werden. Eine engere Anpassung bzw. Analogie ist möglich durch Vergrößern der Anzahl der Kondensatoren und Widerstände, deren Netzwerk an die Sammelleitungen 3o und 46 angeschlossen ist. Der Spannungspegeldetektor 29 ist über den Kondensator 61 der Analogschaltung angeschlossen. Diese Verbindung erfolgt über eine Pufferschaltung 28, die einen in einer solchen Schaltungsart befindlichen Operationsverstärker 69 enthält, daß der Detektor die Spannung am Kondensator überwachen kann, ohne diesem einen bedeutenden Strom zu entziehen.

Die Leistungsversorgung für die besondere Temperaturüberwachungsschaltung aus Figur 2 ist eine zweifache GleichspannungsVersorgung, nämlich eine solche mit einer +15 Volt Sammelleitung, einer -15 Volt Sammelleitung und einer ο Volt oder Masseleitung. Vorzugsweise ist diese LeistungsVersorgung vom Sperrtyp gemäß dem US-Patent 3 866 o94. Ein Pegeldetektor, wie der Detektor 29, arbeitet in der

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Weise, daß er einen sich verändernden Spannungspegel mit einem festen Spannungspegel vergleicht. Da die feste Spannung der Leistungsversorgung entnommen wird, können Einschwingvorgänge derselben zu einem unechten bzw. ungewollten Detektorbetrieb führen, wenn die Leistungsversorgung nicht Mittel zum Sperren bzw. Unterdrücken dieses Betriebes aufweist.

Der Betrieb der in Figur 2 dargestellten Schaltung wird nunmehr unter Bezug auf die graphische Darstellung in Figur 3 beschrieben.
Die Spannung an den Klemmen 33 und 34 des Eingangs 24 ist eine solche, die von einem betriebsmäßig mit dem Stromkonverter 15 verbundenen Strom-Spannungs-Wandler erzielt wird. Sie entspricht dem in
einem Halbleiter des Konverters fließenden Strom. Oder anders ausgedrückt handelt es sich hierbei um eine Gleichspannung, die eine
Funktion des übergangsζonenStroms ist. Diese Spannung wird dem
Spannungsteiler 35 bis 37 zugeführt und kann bei 37 auf einen Wert eingestellt werden, der sich für eine Verwendung im Stromregler 2 6 eignet. Die Zenerdiode 38 ist vorgesehen, um die Operationsverstärker vor einer übermäßig großen Spannung zu schützen.

Die an einem Zwischenpunkt des Teilers ausgewählte positive Spannung wird über den Puffer 25 den direkten bzw. nicht invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 4o, 41 und 42 zugeführt. Der
Operationsverstärker 39 des Puffers sorgt für eine Umsetzung einer hohen Eingangsimpedanz in eine niedrige Ausgangsimpedanz. Obwohl
der Puffer für den Betrieb der Schaltung nicht wesentlich ist, ist er insoweit recht nützlich, alser den Teiler vom Stromregler trennt und da somit der letztere nicht den Teilerstromausgleich beeinflußt, d.h. die Proportionalität der Teilerspannung zum Übergangszonenstrom wird nicht durch den vom Regler aufgenommenen Strom gestört. Daher ist die den direkten Eingängen der Operationsverstärker 4o bis 42 zugeführte Spannung V eine Funktion des Übergangs-

CL

zonenstroms.

Die positive Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 4o gelangt zur Basis des Transistors 43, wodurch dieser veranlaßt wird, von
der Leitung 46 über seine Kollektor-Emitter-Strecke und über die

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- Io -

Widerstände 44, 45 einen Strom I, zur Leitung 31 zu leiten. Die Ansteuerung des Verstärkers ergibt sich durch die seinem direkten Eingang zugeführte positive Spannung V und durch eine vom Emitter des Transistors zu seinem invertierenden Eingang geführte Mitkopplungsspannung. Der von dem Transistor geleitete Strom I, wird durch die Verstärkerausgangsgröße und die Werte der Widerstände 44 und bestimmt. Daher besteht zwischen dem Strom I₁ und der Spannung V

ι a

eine direkte. ,Beziehung, die in Figur 3 graphisch dargestellt ist, wobei der Strom I auf der Ordinate und die Spannung V_ auf der

CL

Abszisse aufgetragen sind. Gemäß dieser Darstellung ist der Strom I, linear, und er beginnt bei Nullwerten der Spannung sowie des Stroms. In der Praxis mag dieser Strom nicht immer gänzlich linear sein, doch ist er diesem Zustand ausreichend weit angenähert, um zum Zwecke der vorliegenden Erörterung als linear angesehen zu werden.

Der Verstärker 41, der Transistor 47 und die Widerstände 48 sowie

49 sind in ähnlicher Weise wie die Komponenten 4o, 43, 44 und 45 geschaltet, mit Ausnahme des dem invertierenden Eingang des Verstärkers zugeführten Signals. In diesem Fall ändert der Widerstand

50 die Rückkopplung, und es wird über die Widerstände 53, 52 und

51 eine negative Vorspannung zugeführt. Diese Vorspannung erhöht die zum Durchschalten des Transistors erforderliche Spannung V . Figur 3 zeigt den von dem Transistor 47 geleiteten Strom I-» der von einem Wert Null bei der Spannung V, mit einer Steigung linear ansteigt, die von der Steigung des Stroms I. abweicht. Diese Steigung wird durch die Spannung an der Basis des Transistors und die Werte der Widerstände 48 und 49 bestimmt.

Der Verstärker 42, der Widerstand 54 und die Widerstände 55 bis bilden eine Schaltung, die der im vorherigen Absatz beschriebenen ähnelt. In diesem Fall ist der durch den Transistor 54 geleitete Strom I₃ in Figur 3 dargestellt, und er steigt von einem Wert Null bei der Spannung V2 linear mit einer Steigung, die von derjenigen der anderen zwei Ströme abweicht.

Gemäß Figur 2 werden die Ströme I,, I₂ und I₃ von einer Sammellei-

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tung 46 erhalten, die ebenfalls am Kondensator 61 mit der Analogschaltung 2 7 verbunden ist. Daher kann die Summe dieser Ströme als Summenstrom I_R dargestellt werden, der von der Analogschaltung vom Knotenpunkt des Kondensators 61 und des Widerstands 65 herkommt. Wenn in Figur 3 die Ströme I,, I₂ und I₃ graphisch aufsummiert werden, wie es gemäß Figur 2 algebraisch erfolgt, kann die Summe durch die Kurve I_R dargestellt werden. Diese Kurve I_R ist eine Reihe v.on geraden Linien und erscheint als eine Approximation bzw. Näherung der mit ¹IDEAL¹ bezeichneten gestrichelten Kurve. Die IDEAL-Kurve stellt die Verlustleistungscharakteristik der Übergangszone dar, d.h. sie ist eine graphische Darstellung des Übergangszonenstroms in Abhängigkeit von der in der Übergangszone verbrauchten Leistung plus den Verlusten infolge des Widerstandes der Materialien des Halbleiters. Da der Reglerstrom dem Wärmeerzeugungsmaß analog ist bzw. entspricht, kann der Strom I in Figur 3 in Watt ausgedrückt werden, und die Spannung V repräsentiert natürlich den Übergangszonenstrom*Daher stellt die in dieser Figur gestrichelt dargestellte Kurve auch eine Wiedergabe der Verlustleistungscharakteristik der übergangsζone dar. Die Kurve dieser Charakteristik kann vom Halbleiterhersteller oder durch Versuch erhalten werden. Die Kurve I_R in Figur 3 kann durch geeignete Auswahl der Komponenten 4o bis 45 und 47 bis 60 zur Annäherung der Verlustleistungscharakteristik erzeugt werden. Das heißt, daß die ausgewählten Widerstände entsprechende Werte und die Verstärker sowie Transistoren Betriebseigenschaften haben, die in der funktionsmäßigen Kombination das Fließen von Strömen I,, I- und I₃ erzeugen, welche sich zum Strom I_R aufsummieren.

Figur 2 zeigt einen dreistufigen Stromregler 26, d.h. einen solchen, bei dem die den Strom I₁ erzeugenden Komponenten 4o und 43 bis 45 als die erste Stufe, die den Strom I₂ erzeugenden Komponenten 41 und 47 bis 53 als zweite Stufe und die den Strom I₃ erzeugenden Komponenten 42 und 54 bis 60 als dritte Stufe angesehen werden können. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzeugen die Ströme I₁, I₂ und I₃ der drei Stufen eine angemessene Approximation I_R der Verlustleistungscharakteristik der Übergangszone. Es können jedoch auch Fälle auftreten, bei denen eine engere

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Annäherung bzw. genauere Approximation erwünscht ist. In diesem Fall können eine vierte Stufe oder noch mehr Stufen zugefügt werden. Ein solches Zufügen weiterer Stufen kann der Fachmann unter Berücksichtigung der vorliegenden Offenbarung von sich aus durchführen und gehört zur vorliegenden Erfindung.

Das mit der Hinweiszahl 27 in Figur 2 bezeichnete Kondensator-Widerstands-Netzwerk ist ein ungefähres elektrisches Analogon des thermischen Systems des Halbleiters. Zu jeder Zeit entsprechen der im Kondensator 61 fließende Strom dem Maß der Wärmeerzeugung in der Halbleiterübergangszone und die Spannung am Kondensator dem Temperaturanstieg der Übergangszone. Die Komponenten 62 bis 68 des Netzwerks stellen den Halbleiteraufbau dar, durch den Wärme von der Übergangszone abgeführt wird. Da die Verlustleistungscharakteristik der Übergangszone ein Ausdruck der Übergangszonenerwärmung und der Strom I_R eine Approximation dieser Charakteristik ist, folgt hieraus, daß in einer Analogschaltung, wie der Schaltung 2 7, die Spannung am Kondensator 61 die Übergangszonentemperatur repräsentiert.

Die Spannung am Kondensator 61 wird mittels des Spannungspegeldetektors 29 Überwacht. Ein Puffer 2 8 zwischen der Sammelleitung und dem Pegeldetektor hält diesen davon ab, einen bedeutenden Strom von der Sammelleitung abzuziehen. Der in Figur 2 dargestellte Puffer 28 ist im wesentlichen ein entsprechend geschalteter Operationsverstärker, der von der Sammelleitung nur einen vernachlässigbar kleinen Strom abzieht und dennoch der Spannung am Kondensator folgt. Irgendwelche Änderungen im Wert des Stroms I_R äußern sich in der Spannung am Kondensator 61; daher darf dieser Strom nicht gestört werden, wenn der Pegeldetektor eine genaue Anzeige der Übergangszonentemperatur geben soll. Der Detektor 2 9 kann für eine Anzahl von Funktionen geeignet sein, wie für eine Anzeige der Übergangszonentemperatur, eine Aufzeichnung der Übergangszonentemperatür oder ein Abschalten des Konverters, wenn seine Halbleitertemperaturen übermäßig groß werden.

In der Schaltung aus Figur 2 wird die Analogschaltung 2 7 in Verbin-

dung mit einem Stromregler 26 benutzt, der in der definierten Betriebsart einer Stromsenke betrieben wird. Die Temperaturüberwachungsschaltung kann auch die Analogschaltung in Verbindung mit einem Regler in der definierten Betriebsart als Stromquelle benutzen. Im Rahmen dieser Definition kann davon ausgegangen werden, daß der Strom aus einer Quelle heraus und in eine Senke hineinfließt. Das Betreiben des Reglers als Stromquelle ist in Figur 4 dargestellt und wird nunmehr erörtert. Im Fall einer Stromquelle sind viele der in Figur 2 für den Regler 2 6 und die Analogschaltung 2 7 dargestellten Komponenten wie in Figur 4 gezeigt angeordnet bzw. geschaltet. Die umgeordneten Komponenten sind unter Vorschaltung einer Hinweiszahl 1 im übrigen durch dieselben Zahlen bezeichnet, so daß beispielsweise der Verstärker 4o aus Figur 2 zum Verstärker 14o aus Figur 4, der NPN-Transistor 43 aus Figur 2 zum PNP-Transistor 143 in Figur 4 usw. werden. Figur 4 zeigt die Schaltungskomponenten zum Erzeugen des Stroms I,, und die Komponenten zum Erzeugen der Ströme I₂ und 1-, werden in derselben Weise geschaltet. Im Fall der Anαlogscha1tung sind in Figur 4 nur die zum Darstellen der neuen Anordnung erforderlichen Komponenten gezeigt. Der Betrieb der Temperaturüberwachungsschaltung ist derselbe, wenn der Regler in der Betriebsart einer Stromsenke oder einer Stromquelle benutzt wird.

Bei einer praktischen Anwendung der Erfindung zum Schützen eines Konverters, wie des Konverters 15 in Figur 1, erfolgt dieses gewöhnlich mit einer der in Figur 2 dargestellten Überwachungsschaltungen. Bezüglich der Parameter der Überwachungsschaltung werden die schlimmsten möglichen Betriebsbedingungen für die Halbleiter im Konverter berücksichtigt, und diese Bedingungen werden um eine Sicherheitsschwelle von beispielsweise 2o % vergrößert. Wenn beispielsweise die Stromteilung zwischen den Halbleitern im Konverter so ist, daß der größte durch einen Halbleiter fließende Strom loo Ampere beträgt, wird die Überwachungsschaltung so ausgelegt, als ob dieser Strom 12o Ampere beträgt.

- Patentansprüche -

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Claims

- 14 Patentansprüche

f 1.^Schaltung zum Überwachen von Halbleiterübergangszonentemperaturen, gekennzeichnet durch Mittel (12, 17) zum Erhalten eines Signals (V ), das eine Funktion des durch den Halbleiter geleiteten Stroms ist, durch eine Widerstands-Kapazitäts-Analogschaltung (27) des thermischen Systems des Halbleiters, durch einen mit der Analogschaltung (2 7) zusammengeschalteten Stromregler (26) zum Leiten eines analogen Stroms, durch eine mit der Analogschaltung-Regler-Kombination (2 7, 26) verbundene Stromversorgung zum Zuführen des Stroms, durch Mittel zum Anlegen des Signals (V ) an den Regler (2 6) zum Beeinflussen der Stromleitung desselben, wobei die Beeinflussung des Reglers durch das Signal (V_) so ist, daß die Beziehung des Signalwertes zur analogen Stromgröße der Verlustleistungscharakteristik der Halbleiterübergangszone angenähert ist, und durch einen mit der Analogschaltung (27) verbundenen Spannungspegeldetektor (29) zum Messen der Spannung an der Analogschaltung, wobei diese Spannung die HaIbleiterübergangszonentemperatur wiedergibt.
2. Schaltung zum überwachen von Halbleiterübergangszonentemperaturen, gekennzeichnet durch Mittel (12, 17) zum Erhalten einer Gleichspannung (V ), die eine Funktion des durch den Halbleiter geleiteten Stroms ist, durch eine Widerstands-Kapazitäts-Analogschaltung (2) des thermischen Systems des Halbleiters, wobei diese Analogschaltung die Übergangszone des Halbleiters repräsentierende Kapazitätsmittel (61) aufweist, durch einen Stromregler (26) mit einer Anzahl von Stufen (4o, 43; 41, 47; 42, 54), wobei in jeder der Stufen die Größe des geleiteten Stroms durch den Wert der Gleichspannung (V₀) beeinflußt wird, wobei ferner

Cl

die Stufen parallelgeschaltet sind und wobei eine Seite der Parallelschaltung mit einer Seite der Kapazitätsmittel (61) verbunden ist, durch eine Gleichstromversorgung, deren einer Pol (31) mit der anderen Seite der Parallelschaltung und deren anderer Pol (3o) mit der anderen Seite der Kapazitätsmittel (61) verbunden sind, durch Mittel zum Anlegen der Gleichspannung (V ) an die entsprechenden Stufen des Reglers (26) zum Beeinflussen

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der Größe des von jeder Stufe geleiteten Stroms entsprechend dem Spannungswert, wobei die Beeinflussung derart ist, daß in einer graphischen Darstellung mit dem Strom (I) und der Spannung (V )

als Koordinaten die Summe der von den Stufen geleiteten Ströme eine Kurve (I_D) ergibt, die der Verlustleistungscharakteristik

XV.

der Halbleiterübergangszone angenähert ist, und durch einen an die Kapazitätsmittel (61) angeschlossenen Spannungspegeldetektor (29) zum Jessen des anliegenden und die Halbleiterübergangszonen temperatur wiedergebenden Spannungspegels.
3. Überwachungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Stufen des Stromreglers (26) im wesentlichen aus einem Operationsverstärker (4o, 41, 42) besteht, dessen direktem bzw. nicht invertierendem Eingang die Gleichspannung (V ) zugeleitet wird, ferner aus einem Transistor (43, 47, 54), dessen Basis mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist und dessen Kollektor-Emitter-Strecke in einer Reihenschaltung mit Widerstandsmitteln (44, 45; 48, 49; 55, 56) zwischen einer Seite der Kapazitätsmittel (61) und dem einen Pol (31) der Gleichstromversorgung liegt, und aus Mitteln (5o, 57) zum Leiten einer Mitkopplungsspannung von der Reihenschaltung zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers.
4. Überwachungsschaltung nach Anspruch 3, ferner gekennzeichnet durch einen Spannungsteiler (52, 53; 59, 6o) für jede Stufe (41, 47; 42, 54) des Stromreglers (26), mit Ausnahme der ersten Stufe (4o, 43), wobei jeder Spannungsteiler an die Gleichstromversorgung angeschlossen sowie an einem dazwischen liegenden Punkt mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (41, 42) verbunden ist und wobei der Teiler an den invertierenden Eingang eine negative Vorspannung anlegt, um hierdurch den Wert der Gleichspannung zum Anschalten des Transistors (47, 54) anzuheben.
5. Überwachungsschaltung nach Anspruch 2, 3 oder 4_r dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (26) in der Betriebsart einer Stromsenke geschaltet ist.

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6. Überwachungsschaltung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (26) in einer Betriebsart einer Stromquelle geschaltet ist.
7. Überwachungsschaltung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Mitteln (12, 17) zum Erhalten einer Gleichspannung (V ) und dem Stromregler (26) ein Puffer (25)

vorgesehen ist.
8. überwachungsschaltung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kapazitätsmitteln (61) und dem Spannungspegeldetektor (29) ein Puffer (28) vorgesehen ist.
9. Überwachungsschaltung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (26) drei Stufen (4o, 43; 41, 47; 42, 54) hat.

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