DE4308769A1

DE4308769A1 - Diodenüberwachung

Info

Publication number: DE4308769A1
Application number: DE19934308769
Authority: DE
Inventors: Gerhard Spilger; Thomas Klinger; Dieter Ing Grad Stellwag
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-03-19
Filing date: 1993-03-19
Publication date: 1994-09-22
Also published as: WO1994022198A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Schutzanordnung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche 1 und 3. Hoch strom-Gleichrichterdioden, für welche die erfindungsgemäße Anordnung vorgesehen ist, werden beispielsweise in bekannten Schweißanlagen (EP 185 629) eingesetzt, bei denen ein Wechselstrom zunächst in einem Schweißtransformator transformiert, und anschließend mittels einer oder mehrerer Hochstromdioden gleichgerichtet wird. Bekannt ist es, zum Beispiel aus der DE-OS 41 34 461, bei solchen Schweiß anlagen allgemeine Maßnahmen zum Schutz der primärseitigen Leistungshalbleiterbauelemente vorzusehen. Bekannt ist es ferner, gekühlte Hochstromdioden darauf zu überwachen, daß Kühlflüssigkeit vorhanden ist, bzw. daß deren Temperatur einen Grenzwert nicht überschreitet.

Hochstromdioden, welche für die vorstehend beispielhaft genannte Anwendung in Schweißanlagen geeignet sind, sind im allgemeinen teure Bauteile, deren Einbau bzw. Austausch zudem arbeitsaufwendig und somit zusätzlich kostenintensiv ist. Eine Zerstörung der Hochstrom dioden, die insbesondere als Folge einer evtl. auch nur kurzzeitigen Überlastung auftritt, sollte aus diesen Gründen vermieden werden. Für Anwendungsfälle, wo derartige teure Hochstromdioden eingesetzt werden, und in denen gleichzeitig eine Überlastung nicht vollkommen ausgeschlossen werden kann, ist es deshalb zweckmäßig, zusätzliche Maßnahmen zur Absicherung der sekundärseitigen Hochstromdioden vor zusehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung an zugeben, welche dies gestatten.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren sowie eine Anordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 3. Das erfindungsge mäße Verfahren ist auf bereits vorhandene Anlagen nachrüstbar. Die zugehörige Anordnung besteht aus Standardbauteilen und ist deshalb einfach und kostengünstig realisierbar. Besonders zweckmäßig ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in bekannten Punkt schweißanlagen, die im Aussetzbetrieb betrieben werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 ein Strukturschaubild einer erfindungsgemäßen An ordnung, Fig. 2 einen typischen Verlauf der Diodensperrschicht temperatur bei Aussetzbetrieb, Fig. 3 ein Beispiel für eine Aus führung des RC-Netzwerks und Fig. 4 einen Fig. 2 entsprechenden, durch das RC-Netzwerk nachgebildeten Temperaturverlauf.

Beschreibung

Fig. 1 zeigt als Beispiel für eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der zugehörigen Anordnung eine Gleichstromschweiß anlage. Mittels eines Schweißtransformators 11 wird ein Schweißstrom zunächst auf die gewünschte Spannung transformiert, in Hoch strom-Gleichrichterdioden 10 gleichgerichtet und schließlich der Schweißzange 12 zugeführt. Ein Strommesser 20 mißt den auf der Sekundärseite des Schweißtransformators 11 fließenden Strom I_S und übermittelt den Meßwert an eine gesteuerte Stromquelle 21. Hierzu ist der Strommesser 20 zweckmäßig, wie in Fig. 1 dargestellt, hinter dem Summenstrompunkt oder im Mittelzweig des Sekundärkreises angeordnet. Jedoch ist ebenso eine Anordnung direkt hinter einer Hochstromdiode 10 möglich. Der Strommesser erfaßt dann nur den durch eine Hochstromdiode 10 fließenden Strom, woran die Überwachungsan ordnung anzupassen ist. Als Strommesser 20 kann zum Beispiel eine Toroidspule mit nachgeschaltetem Integrierglied 27 eingesetzt werden. Dabei ist das Integrierglied 27 in der Regel erforderlich, weil eine Torroidspule nicht den Absolutwert des Stromes, sondern dessen zeitliche Änderung d/dt mißt. Aufgrund des vom Stromsensor 20 übermittelten, absoluten Strommeßwertes prägt die gesteuerte Gleich stromquelle 21 einer Meßleitung 28 einen Gleichstrom I_r ein, der stets dem auf der Sekundärseite des Schweißtransformators 11 fließenden Strom I_S entspricht. Der Gleichstromquelle 21 nachge schaltet und über die Meßleitung 28 an diese angeschlossen ist ein Netzwerkblock 22, der ein aus mehreren Widerständen 25 und Konden satoren 26 bestehendes RC-Netzwerk aufweist. Das Ausgangsspannungs signal U_r des Netzwerkblockes 22 ist über die Meßleitung 28 einer Überwachungsschaltung 23 zugeführt. Diese enthält insbesondere eine, zweckmäßig aus mehreren Komparatoren aufgebaute Vergleicheran ordnung, welche das über die Meßleitung zugeführte Spannungssignal U_T mit einem vorgebbaren Referenzsignal U_R vergleicht. Der Über wachungsschaltung 23 nachgeschaltet ist schließlich eine Steuerung 24, die insbesondere in der Lage ist, gegebenenfalls eine Ab schaltung des über die Hochstromdioden 10 fließenden Schweißstromes I_S herbeizuführen. Bei dem hier vorgestellten Beispiel einer Schweißanlage sind die Bauelemente 21 bis 28 sinnvollerweise ge meinsam in eine ohnedies vorhandenen Baugruppe der Schweißsteuerung integriert. Zweckmäßig sind ferner die Hochstromdioden 10, der Strommesser 20 und der Schweißtransformator 11 ebenfalls zu einem Block zusammengefaßt.

Nachfolgend wird die Funktion der vorgeschlagenen Anordnung be schrieben. Grundgedanke der vorgeschlagenen Überwachungsanordnung 20 bis 28 ist es, das thermische Verhalten einer oder mehrerer zu über wachender Dioden 10 mittels einer elektrischen Ersatzschaltung analog nachzubilden. Kernbestandteil der vorgeschlagenen Anordnung 20 bis 28 ist der Netzwerkblock 22, in dem die elektrische Ersatz schaltung in Form eines RC-Netzwerkes angeordnet ist. Dieses be zeichnungsgemäß aus Widerständen 25 und Kondensatoren 26 bestehende Netzwerk prägt der Meßleitung 28 eine strom- und zeitabhängige Spannung U_T ein. Der Verlauf der Spannung U_T hängt ab von der Größe der Widerstände 25 bzw. der Kapazitäten der Kondensatoren 26. Durch geeignete Dimensionierung dieser Bauelemente 25 bzw. 26 wird der Verlauf der in der Meßleitung 28 anliegenden Spannung U_T so beeinflußt, daß er genau dem Temperaturverhalten der Sperrschicht temperatur der Hochstromdioden bei gleichem Strom entspricht. Mit anderen Worten, die am Ausgang des Netzwerkblocks 22 anliegende Spannung U_T entspricht jeweils der aktuellen Temperatur T der Dioden 10.

Beobachtete Temperatur ist üblicherweise die Sperrschichttemperatur T der Dioden. Hiervon soll auch in dieser Beschreibung ausgegangen werden. Ein Beispiel für einen typischen Verlauf der Sperrschicht temperatur T einer Diode im Aussetzbetrieb zeigt Fig. 2. Aufge tragen sind der Strom I_S beziehungsweise die Diodentemperatur T über der Zeitachse t. Dem in Fig. 2 abgebildeten Verlauf der Sperr schichttemperatur T entspricht bei richtiger Wahl der Kondensatoren bzw. Widerstände im Netzwerk 22 die am Ausgang des Netzwerks 22 anliegende Spannung U_T. In der nachfolgenden Überwachungsschaltung 23 wird nun dieser der Diodensperrschichttemperatur entsprechende Spannungswert U_T mit einem vorgegebenen Referenzwert U_R, der zweckmäßig der höchstzulässigen Sperrschichttemperatur T entspricht, verglichen. Stellt die Überwachungsschaltung 23 aufgrund dieses Vergleichs fest, daß die anliegende Spannung U_T, und damit die Temperatur in der Diode einen unzulässigen Wert einnimmt, insbe sondere die höchstzulässige Sperrschichttemperatur überschreitet, so übermittelt die Überwachungsschaltung 23 ein Signal mit einer entsprechenden Information an die Steuerung 24. Diese leitet darauf hin Maßnahmen zur Begrenzung des über die Dioden 10 fließenden Stroms I_S ein, oder bewirkt sogar eine vollständige Abschaltung des Schweißstromes.

Die Dimensionierung der Widerstände 25 und Kondensatoren 26 des RC-Netzwerkes kann zum Beispiel nach der in der Schrift "Leistungs halbleiterhandbuch" der Firma Semikron, Nürnberg 1978, Seiten 75 bis 90, vorgeschlagenen Methode durchgeführt werden. Sie besteht im wesentlichen darin, das thermische Verhalten der betrachteten Dioden geeignet mathematisch darzustellen, um aus der mathematischen Dar stellung die für die Widerstände 25 und Kondensatoren 26 zu wählenden Werte in einfacher Weise abzuleiten. Zweckmäßig wird für die Durchführung der erforderlichen mathematischen Operationen ein Rechner eingesetzt. Mit den berechneten Werten für Widerstände bzw. Kapazitäten läßt sich anschließend in bekannter Weise ein elektrisches Ersatzschaltbild realisieren, welches das thermische Verhalten der betrachteten Diode nachbildet. Ein Beispiel für ein solches elektrisches Ersatzschaltbild in Form eines RC-Netzwerks zeigt Fig. 3. Das dargestellte Netzwerk erzeugt einen in Fig. 4 wiedergebenden zeitlichen Spannungsverlauf U_T, aufgetragen sind die Spannung U_T und der Strom I_S über die Zeitachse t. Er entspricht dem thermischen Verhalten der Diode.

In einigen Anwendungsfällen, z. B. wenn Schweißstrome < 20 kA be nötigt werden, kann es sinnvoll sein, die Möglichkeit vorzusehen bei Bedarf zusätzliche Dioden zu dem vorhandenen parallel hinzu schalten zu können. Um auch in einem solchen Fall mit nur einer Überwachungsanordnung 20 bis 28 auszukommen, besitzt die gesteuerte Stromquelle 21 in diesem Fall zweckmäßig eine umschaltbare Vor richtung, die eine Änderung des Übertragungsverhältnisses von ge messenem Sekundärstrom I_S zu in die Meßleitung 28 eingeprägtem Strom I_T gestattet. Werden zusätzliche Paralleldioden hinzuge schaltet, prägt die Stromquelle 21 der Meßleitung 28 statt eines Stromes, welcher dem Fall ohne die zusätzliche Dioden entspricht, nur den n-ten Teil dieses Stromes ein, wenn n die Gesamtzahl aller parallelgeschalteter Dioden ist. Voraussetzung dabei ist, daß die zusätzlichen Dioden dasselbe thermische Verhalten aufweisen wie die bereits vorhandenen.

Alternativ kann selbstverständlich auch in einfacher Weise das Referenzsignal U_T veränderbar sein. Zu beachten ist allerdings, daß wegen des nichtlinearen Temperaturverhaltens der Dioden die Hinzuschaltung weiterer Dioden 10 in der Regel nicht einfach linear berücksichtigt werden kann.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist nicht auf Verwendung bei Schweißanlagen beschränkt. Sie eignet sich vielmehr für alle An wendungen, bei denen Hochstromdioden zum Einsatz kommen.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung und/oder Schutz von Hochstromdioden, insbesondere in Schweißanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachung durch Bestimmung der Temperatur (9) der Dioden (10) erfolgt, indem die Temperatur (T) der Dioden (10) analog, vorzugsweise mittels eines RC-Netzwerkes elektrisch nachgebildet (U_T) und mit einem einer höchstzulässigen Temperatur entsprechenden Referenzsignal (U_R) verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Schritte zum

- Erfassen des durch die Hochstromdioden fließenden Stromes (I_S)
- Einprägen eines dem gemessenen Wert entsprechenden Stromes (I_T) in eine Meßleitung (28)
- Erzeugen einer das thermische Verhalten der Hochstromdiode nachbildenden Spannung (U_T) mittels eines RC-Netzwerkes (22)
- Vergleichen der Spanung (U_T) mit einer vorgebbaren Referenzspannung (U_R)
- Erzeugen eines Fehlersignals, falls (U_T) größer ist als (U_R).

3. Anordnung zur Überwachung und/oder zum Schutz von Hochstrom dioden, insbesondere in Schweißanlagen, gekennzeichnet durch:

a) einen Strommesser (20), der den über die Hochstromdiode(n) (10) fließenden Strom mißt und in ein Meßsignal abbildet,
b) einer gesteuerten Stromquelle (21), die einer Meßleitung (28) einen dem vom Strommesser (20) abgegebenen Meßsignal entsprechenden Strom einprägt,
c) einen RC-Netzwerkblock (22), welcher der Meßleitung (28) eine das thermische Verhalten der Hochstromdiode (10) nachbildende Spannung (U_T) einprägt,
d) sowie eine Überwachungsschaltung (23), die ein Signal abgibt, wenn die in die Meßleitung (28) eingeprägte Spannung (U_T) einen vorgebbaren Referenzwert (U_R) überschreitet.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom messer (20) eine Toroidspule ist, welcher ein Integrierglied (27) nachgeschaltet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Über wachungsschaltung (23) wenigstens einen Komparator aufweist, an dessen erstem Eingang die das thermische Verhalten der Hochstrom diode (10) nachbildende Spannung (U_T) und an dessen zweitem Ein gang eine einen Temperaturgrenzwert angebende Referenzspannung (U_R) anliegt.

6. Schweißanordnung mit einem Schweißtransformator (11), dessen Sekundarstrom mittels wenigstens einer Hochstromdiode (10) gleich gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anordnung zur Überwachung und/oder zum Schutz von Hochstromdioden (10) gemäß An spruch 3 aufweist, welche die Diode (10) durch Nachbildung des thermischen Verhaltens überwacht.