DE4104376A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur messung des thermischen widerstandes und der transienten waermeimpedanz von thyristoren - Google Patents

Description

Das Verfahren und die Schaltungsanordnung zur Messung des thermischen Widerstandes und der transienten Wärmeimpedanz von Thyristoren, insbesondere von GTO-Thyristoren, eignet sich bei der Bauelemente- und Stromrichterherstellung zur Fertigungskontrolle sowie bei in Betrieb befindlichen Strom­ richtern zur Diagnose.

Zur Messung und Überprüfung des Wärmewiderstandes zwischen dem Bauelement und einem Bezugspunkt finden bei Leistungs­ halbleitern vorwiegend elektrische Verfahren Anwendung, die auf der Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit elektrischer Größen zur Bestimmung der virtuellen Sperrschichttemperatur beruhen. Als solche temperaturabhängige elektrische Größe bei Thyristoren wird die Durchlaßspannung benutzt.

Bei der Durchlaßspannungsmethode erfolgt die Belastung mit einem beträchtlichen Durchlaßstrom und nach einer kurzen Umschaltpause die Flußspannungsmessung bei einem kleinen Durchlaßstrom (Lappe, Fischer: "Leistungselektronik-Meßtech­ nik", Verlag Technik Berlin, 1982).

Nachteilig bringt diese Methode durch die Umschaltpause einen prinzipbedingten Fehler mit sich und es ergibt sich die Notwendigkeit, daß bei Stromrichterschaltungen die Hauptan­ schlüsse des Prüflings freigeschaltet seien müssen, um eine Beeinflussung des Meßsignals durch die Verschaltung auszu­ schließen.

Ziel der Erfindung ist es, mit einer einfachen Methode den Aufwand zur Bestimmung des Wärmewiderstandes und der tran­ sienten Wärmeimpedanz von Thyristoren deutlich zu verringern.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Wärmewiderstandes und der Wärmeimpedanz von Thyristoren gegenüber einem Fuß­ punkt zu schaffen, die auch auf Thyristoren im eingebauten Zustand mit verschaltetem Hauptstromkreis anwendbar sind und den durch die Umschaltpause zwischen Belastung und Messung bedingten Fehler vermeiden.

Erfindungsgemäß wird zur Messung des thermischen Widerstandes und der transienten Wärmeimpedanz von Thyristoren gegenüber einem Fußpunkt als Leistungsimpuls ein geregelter Meßstrom in Rückwärtsrichtung in den Gate-Katoden-Übergang des Thyristors eingeprägt, unmittelbar die durch den geregelten Meßstrom erzeugte Durchbruchspannung als temperaturabhängige elektri­ sche Größe an dem Gate- und Hilfskatodenanschluß erfaßt und über den mittels Eichkennlinie ermittelten Temperaturkoeffi­ zienten des Thyristors ausgewertet.

Hierzu sind zum Gate- und Hilfskatodenanschluß des Thyristors eine geregelte Stromquelle, ein Schalter und ein Spannungs­ meßglied mit einer in Reihe geschalteten Kompensationsspan­ nungsquelle parallel angeordnet.

Der Schalter und das Spannungsmeßglied stehen über ein Steuerglied in Verbindung.

Insbesondere zur Messung der transienten Wärmeimpedanz ist das Spannungsmeßglied als Speicheroszilloskop ausgeführt.

Erfindungsgemäß ist die Belastungsgröße gleichzeitig Infor­ mationsträger für die Größe der Sperrschichttemperatur, wobei vorteilhaft die Belastung und die Messung über die Hilfsan­ schlüsse des Thyristors, Gate- und Hilfskatode erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Schaltungsanordnung werden in einen Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die Figur zeigt die Schaltungsanordnung zur Messung des ther­ mischen Widerstandes und der transienten Wärmeimpedanz von Thyristoren.

Das Verfahren und die Schaltungsanordnung eignen sich beson­ ders für die Bestimmung des Wärmewiderstandes von GTO-Thyri­ storen, die einen Gate-Katoden-Übergang mit ausgeprägtem Avalanche-Durchbruch bei typisch 10...30 V aufweisen. Hinzu kommt, daß diese Durchbruchspannung bei GTO-Thyristoren in einem weiten Strom- und Temperaturbereich einen nahezu kon­ stanten positiven Temperaturkoeffizienten aufweist.

Die Einspeisung des Leistungsimpulses in den GTO-Thyristor erfolgt durch die Einprägung eines Meßstromes I_M aus der geregelten Stromquelle I. Die Stromquelle I erzeugt einen definierten Meßstrom, der mit Öffnen des Schalters S_t in den Hilfskatodenanschluß K′ hineinfließt und somit den Gate- Katoden-Übergang in den Durchbruch treibt. Diese Spannung U_GK, die sich bei dem fließenden Meßstrom I_M, an dem Gate- und Hilfskatodenanschluß G, K′ aufbaut, wird unmittelbar als temperaturabhängige elektrische Kenngröße erfaßt.

Die Durchbruchspannung U_GK wird von dem Spannungsmeßglied V erfaßt, das von dem Steuerglied ST synchron mit dem Öffnen des Schalters S_t einen Startimpuls erhält.

Der für die Messung erforderliche Temperaturkoeffizient T_KU wird durch Aufnahme zweier Eichpunkte ermittelt, indem die Gate-Katodenspannung U_GK bei dem gewünschten stabilisierten Meßstrom für zwei unterschiedliche Gehäusetemperaturen T_C ermittelt wird. Der in die Gate-Katoden-Strecke eingespeiste Meßstrom sollte hierbei so gewählt werden, daß die durch den Meßstrom im Zusammenhang mit der Durchbruchspannung im GTO freigesetzte Leistung zu einer deutlich auswertbaren Erwär­ mung des Bauelementes führt. Bei Kenntnis des Temperaturko­ effizienten T_KU und dem entsprechenden Meßstrom I_M können durch den Meßvorgang mit der Schaltungsanordnung nach der Figur alle zur Bestimmung des Wärmewiderstandes R_th notwendi­ gen Größen ermittelt werden:

wobei U_GK(∞) der Meßwert der Gate-Katoden-Spannung im ther­ misch stationären Zustand und U_GK(t_O) der Meßwert zum Zeit­ punkt t_O unmittelbar nach Öffnen des Schalters S_t sind.

In der Figur ist der GTO mit den Anschlüssen A, K, G und dem Hilfsanschluß K′ dargestellt. Parallel zu dem Gate- und Hilfskatodenanschluß G, K′ sind die geregelte Stromquelle I, der Schalter S_t und das Spannungsmeßglied V angeordnet. In Reihe zum Spannungsmeßglied V ist die Kompensationsspannungs­ quelle E angeschlossen. Diese soll während der Messung eine hohe Stabilität aufweisen und exemplarabhängig auf einen Spannungswert von etwa U_M(t_O) einstellbar sein, um die Span­ nungsdifferenz

U_GK (∞)-U_GK (t₀) = U_M (∞)-U_M (t₀)

mit hoher Genauigkeit erfassen zu können. Bei Kenntnis des Spannungswertes der Kompensationsspannungsquelle E geht dabei die Information über die gesamte Gate-Katodenspannung nicht verloren.

Bei Wahl eines Spannungsmeßgliedes V mit hinreichend hoher Auflösung kann im Grenzfall der Wert der Kompensationsspan­ nungsquelle gleich Null sein, d. h. sie kann entfallen.

Das Steuerglied ST steht mit dem Schalter S_t und dem Span­ nungsmeßglied V in Verbindung.

Die Ansteuereinrichtung ist nicht näher dargestellt. In Ab­ hängigkeit von ihrer konkreten Ausführung kann sie während des Meßvorganges mit dem Prüfling elektrisch verbunden blei­ ben bzw. muß von diesem getrennt werden.

Das Spannungsmeßglied V muß so ausgeführt sein, daß es minde­ stens zu zwei Zeitpunkten, unmittelbar nach Öffnen des Schalters S_t zum Zeitpunkt t_O sowie im thermisch stationären Zustand einen Meßwert zur Verfügung stellt. Dazu ist eine synchronisierte Steuerung zwischen dem Schalter S_t und dem Spannungsmeßglied V erforderlich. Dieses realisiert das Steu­ erglied ST. Als weitere Ausgestaltung der Erfindung ist als Spannungsmeßglied auch der Einsatz eines Speicheroszillosko­ pes möglich.

Mit dem Einsatz des Speicheroszilloskopes ist dann auch die Bestimmung der transienten Wärmeimpedanz auf einfache Art und Weise möglich, indem der zeitliche Verlauf der Sperrschicht­ temperatur bei bekannter, konstanter Fußpunkttemperatur und nahezu konstantem Leistungsimpuls

P (t) = I_M·U_GK (t) = I_M [U_GK (t₀)+ΔU (t) ]
mit ΔU (t) « U_GK (t₀)

ermittelt wird.

Zum Einsatz der Erfindung bei der Bestimmung des Wärmewider­ standes oder der transienten Wärmeimpedanz von Thyristoren (GTO′s) im eingebauten Zustand, z. B. zur Diagnose von Strom­ richtern, ist es zweckmäßig, die erfindungsgemäße Schaltungs­ anordnung komplett mit Auswerteelektronik als tragbares Gerät zu realisieren, welches nach Anschluß an die Gate- und Hilfs­ katodenanschlüsse des eingebauten Ventils bei geeigneter Meßzeit beispielsweise auf Knopfdruck den Wert des Wärmewi­ derstandes Chip-Kühlkörper liefert, der den von der Be­ triebszeit und den Betriebsbedingungen des Prüflings abhängi­ gen thermischen Montagewiderstand enthält.

Claims (3)

1. Verfahren zur Messung des thermischen Widerstandes und der transienten Wärmeimpedanz von Thyristoren gegenüber einem Fußpunkt mit Ermittlung des Temperaturkoeffizienten und unter Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit einer elektrischen Kenngröße, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungsimpuls ein geregelter Meßstrom (I_M) in Rückwärtsrichtung in den Gate-Kathoden-Übergang des Thyristors (GTO) eingeprägt wird, unmittelbar die durch den geregelten Meßstrom (I_M) erzeugte Durchbruchspannung (U_GK) als temperaturabhängige elektrische Größe an dem Gate- und Hilfskatodenanschluß (G, K′) erfaßt und über den mittels Eichkennlinie gewonnenen Temperaturko­ effizienten des Thyristors (GTO) ausgewertet wird.

2. Schaltungsanordnung zur Messung des thermischen Widerstan­ des und der transienten Wärmeimpedanz von Thyristoren, da­ durch gekennzeichnet, daß zum Gate- und Hilfskatodenanschluß (G, K′) des Thyristors (GTO) eine geregelte Stromquelle (I), ein Schalter S_t und ein Spannungsmeßglied (V) mit einer in Reihe geschalteten Kompensationsspannungsquelle (E) parallel angeordnet sind und der Schalter (S_t) und das Spannungsmeß­ glied (V) über ein Steuerglied (ST) in Verbindung stehen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Spannungsmeßglied als Speicheroszilloskop ausgeführt ist.