DE4324982A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung der Sperrschichttemperatur eines GTO-Thyristors - Google Patents
Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung der Sperrschichttemperatur eines GTO-ThyristorsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungs
elektronik.
Sie betrifft ein Verfahren zur Messung der Sperrschicht
temperatur eines GTO-Thyristors. Im weiteren geht sie aus
von einer Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des
vierten Anspruchs.
Verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Temperatur
messung von GTOs werden z. B. im Normierungsvorschlag IEC
747-6 von 1983 angegeben. Diesen Verfahren ist gemeinsam,
daß die Sperrschichttemperatur des GTOs nur über den Um
weg des inneren thermischen Widerstandes errechnet werden
kann.
Zu diesem Zweck muß sowohl dieser Wert als auch die Tem
peratur und die Verlustleistung der GTOs durch zusätzli
che Meßeinrichtungen gemessen werden. Aus den errechne
ten Werten kann jedoch nur näherungsweise auf die
tatsächliche Siliziumtemperatur des GTOs geschlossen wer
den.
Damit ist man aber stets im Ungewissen, wie hoch der GTO
thermisch tatsächlich belastet wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein
Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Messung der
Sperrschichttemperatur eines GTOs anzugeben, wobei die
Messung direkt am GTO und im Betrieb möglich sein soll.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren bzw. einer Vor
richtung der eingangs genannten Art durch die Merkmale
des ersten bzw. vierten Anspruchs gelöst.
Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es also, daß
während der Sperrphase des GTOs im Gatekreis ein Meßstrom
eingeprägt wird und nach Abklingen des Ausschalt
steuerstroms die Spannung zwischen Gate und Kathode des
GTOs gemessen wird. Diese Spannung weist je nach Sperr
schichttemperatur des Siliziums einen bestimmten Wert
auf. Deshalb kann aus dieser Spannungsmessung direkt auf
die Sperrschichttemperatur des GTOs geschlossen werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens
zeichnet sich dadurch aus, daß ein konstanter Strom von
ca. 100 mA eingeprägt wird.
Der Kern der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung be
steht darin, daß eine spezielle Vorrichtung vorgesehen
ist, welche einen Meßstrom eingeprägt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Vor
richtung eine Stromquelle zwischen dem Gate und der Ka
thode des GTO sowie eine Vorrichtung zur Messung der
Spannung zwischen Gate und Kathode. Die Stromquelle wird
dabei von einer Speisespannungsquelle, welche ebenfalls
im Pfad "Gate-Kathode" angeordnet ist, gespeist.
Der GTO wird durch eine Ansteuerschaltung, bestehend aus
einem Einschaltkreis und einem Ausschaltkreis, angesteu
ert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit dem Aus
schaltkreis parallel geschaltet. Um eine elektrische Ent
kopplung zu erreichen, kann eine Diode zwischen dem Aus
schaltkreis und der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorge
sehen werden.
Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Un
teransprüchen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der
Schaltungsanordnung liegen insbesondere darin, daß aus
der gemessenen Spannung direkt auf die Silizium-Sperr
schichttemperatur des GTOs geschlossen werden kann. Die
Messung kann zudem während des Betriebs der Anlage vorge
nommen werden. Dadurch und da die Messung direkt am Ele
ment erfolgt wird es erstmals möglich, die Belastung des
GTOs direkt über die Silizium-Temperatur zu regeln.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei
spielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu
tert.
Es zeigen:
Fig. 1 Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur
Messung der Sperrschichttemperatur eines GTO;
Fig. 2 Den Verlauf des Gate-Stromes und der Spannung
zwischen Kathode und Gate beim Abschalten des
GTOs in Abhängigkeit der Zeit;
Fig. 3 Die Abhängigkeit der gemessenen Spannung von
der Silizium-Sperrschichttemperatur des GTOs.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und de
ren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenge
faßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren
gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Gatestroms und
der Spannung zwischen Kathode und Gate beim Abschalten
eines GTO. Nach dem Abschalten sinkt der Strom (IG) auf
Null ab (strichliert angedeutet). Dieses Verhalten ist
wohl bekannt und bedarf deshalb keiner weiterer Erläute
rungen.
Die Spannung zwischen Kathode und Gate (UGR) steigt zum
Zeitpunkt des Gatestrommaximums rasch an, überschwingt
ein wenig und sinkt, nachdem der Strom (IGR) gegen Null
gesunken ist, wieder ab. Üblicherweise wird die Spannung
(UGR) anschließend von außen auf einem konstanten Wert
von beispielsweise 15 V gehalten (punktierter Spannungs
verlauf).
Nach der Erfindung wird nun ein Meßstrom (IM) in den
Gatekreis eingeprägt. Demzufolge klingt der Strom (IG)
nicht mehr auf Null ab, sondern bleibt nach dem Abschalt
vorgang auf einem Wert (IM) stehen. Dadurch ändert sich
auch der Verlauf der Spannung (UGR). Sie bleibt auf einem
höheren Endwert stehen (strich-punktiert).
Wie Fig. 3 zeigt, ändert sich dieser Endwert der Span
nung (UGR) linear mit der Sperrschichttemperatur des
GTOs. Im Versuchsaufbau mit einem Meßstrom von ca. 100
mA wurde ein Gradient von ca. 16.5 mV/K bis 16.7 mV/K je
nach GTO-Typ gemessen. Damit kann anhand der gemessenen
Spannung präzise und auf einfache Weise auf die Silizium-
Sperrschichttemperatur des GTOs geschlossen werden.
Vorteilhafterweise wird die Spannung erst nach dem Ab
klingen der transienten Abschaltvorgänge gemessen. Danach
hat die Spannung in der Regel einen stationären, nur noch
von der Sperrschichttemperatur anhängigen Wert erreicht.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem GTO (1),
welcher auf konventionelle Weise z. B. mit einem Ein
schaltkreis (2) und einem Ausschaltkreis (3) angesteuert
wird. Der GTO (1) kann beispielsweise Teil einer Anlage
mit mehreren GTOs sein. Der Einschaltkreis (2) ist für
das Zünden des GTOs (1) zuständig, der Ausschaltkreis (3)
für das Abschalten. Ein- und Ausschaltkreis (2, 3) werden
von den Speisespannungsquellen (5.1, 5.2) gespeist.
Sowohl der Einschaltkreis (2) als auch der Ausschaltkreis
(3) ist zwischen Gate und Kathode des GTOs geschaltet.
Ihre Funktionsweise wird als bekannt vorausgesetzt und
hier nicht mehr weiter erläutert.
Für die Erfindung wesentlich ist die strichliert umran
dete Vorrichtung (4). Mit dieser Vorrichtung (4) kann die
Sperrschichttemperatur des GTOs im Betrieb und in der An
lage, zu welcher der GTO gehört, gemessen werden.
Die Vorrichtung (4) ist parallel zum Ein- und Ausschalt
kreis (2,3) geschaltet und umfaßt im wesentlichen eine
Stromquelle (6), eine Vorrichtung (8) zur Messung der Ka
thoden-Gate-Spannung (UGR) sowie eine Speisespannungs
quelle (7) zur Spannungsversorgung der Stromquelle (6).
Mit dieser Vorrichtung (4) ist es möglich, den Meßstrom
(IM) einzuprägen und gleichzeitig die Spannung (VGR) zwi
schen Kathode und Gate des GTOs zu messen. Um die Vor
richtung (4) vom Ausschaltkreis (3) zu entkoppeln und ein
Fehlzünden des GTOs durch große du/dt-Werte zu verhin
dern, kann zudem eine Diode (D) zwischen dem Gate und dem
Ausschaltkreis (3) vorgesehen werden.
Wie im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erläutert wurde, gibt die Stromquelle z. B. einen Strom
(IM) von ca. 100 mA ab, und die Spannung (UGR) wird eine
bestimmte Zeit nach dem Abschalten gemessen. Wesentlich
beim Meßzeitpunkt ist nur, daß die Spannung (UGR) einen
stabilen Endwert erreicht hat, derart, daß sie nur noch
vom Meßstrom (IM) und von der Sperrschichttemperatur des
GTOs abhängt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der dazu ge
eigneten Vorrichtung ist es also erstmals möglich, die
Sperrschichttemperatur des GTOs direkt am Element, ohne
Umwege über z. B. Messung der Kühlkörpertemperatur o. ä.,
und vor allem auch während des Betriebs zu messen. Damit
wird es möglich, die Anlage in Abhängigkeit von der ther
mischen Belastung der GTOs zu regeln.
Bezugszeichenliste
1 GTO
2 Einschaltkreis
3 Ausschaltkreis
4 Vorrichtung zur Messung der Sperrschicht temperatur des GTO
5.1, 5.2 Speisespannungsquellen für Ein- und Aus schaltkreis
6 Stromquelle
7 Speisespannungsquelle für die Vorrichtung 4
8 Vorrichtung zur Messung der Gate-Kathoden- Spannung
UB1, UB2, UQ Speisespannungen
UGR Spannung zwischen Gate und Kathode
IM Meßstrom
IG Gatestrom
2 Einschaltkreis
3 Ausschaltkreis
4 Vorrichtung zur Messung der Sperrschicht temperatur des GTO
5.1, 5.2 Speisespannungsquellen für Ein- und Aus schaltkreis
6 Stromquelle
7 Speisespannungsquelle für die Vorrichtung 4
8 Vorrichtung zur Messung der Gate-Kathoden- Spannung
UB1, UB2, UQ Speisespannungen
UGR Spannung zwischen Gate und Kathode
IM Meßstrom
IG Gatestrom
Claims (9)
1. Verfahren zur Messung der Sperrschichttemperatur eines
GTO-Thyristors, welcher als Halbleiterschalter in ei
ner Anlage eingesetzt wird und einen Laststromkreis
und einen Gatekreis aufweist, wobei der Laststrom
durch den GTO ein- und ausgeschaltet werden kann, in
dem der Gatekreis mit einem Steuerstrom beaufschlagt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) im Gatekreis ein verglichen mit dem Steuerstrom kleiner Meßstrom (IM) eingeprägt wird;
- b) nach dem Abschalten des GTOs und nachdem transiente Abschaltvorgänge abgeklungen sind eine Spannung (UGR) zwischen Kathode und Gate des GTOs gemessen wird; und
- c) anhand der gemessenen Spannung (UGR) auf die Sperr schichttemperatur (Tj) des GTO geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Meßstrom (IM) von z. B. ca. 100 mA eingeprägt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Meßstrom (IM) nach dem Abschalten des
GTOs mindestens einmal und für eine bestimmte Meßzeitdauer
eingeprägt wird.
4. Schaltungsanordnung mit mindestens einem GTO (1), des
sen Gate und Kathode mit einer Ansteuerschaltung, be
stehend aus einem Ein- (2) und einem Ausschaltkreis
(3), verbunden ist, wobei der GTO (1) als Halbleiter
schalter in einer Anlage eingesetzt wird und einen
Laststromkreis und einen Gatekreis aufweist, wobei der
Laststrom durch den GTO ein- und ausgeschaltet werden
kann, indem der Gatekreis mit einem Steuerstrom beauf
schlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vor
richtung (4) vorhanden ist, mittels welcher ein Meß
strom (IM) in den Gatekreis eingeprägt wird.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Vorrichtung (4) zwischen Gate und
Kathode des GTOs angeordnet ist und eine Stromquelle
(6) sowie ein Vorrichtung (8) zur Messung einer Katho
den-Gate-Spannung (UGR) umfaßt.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Vorrichtung (8) die Spannung (UGR)
zwischen Kathode und Gate nach dem Abschalten des GTOs
mißt, sobald der Gatestrom (IG) auf den Meßstrom
(IM) abgesunken ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Ein- und Ausschaltkreis (2, 3) und
die Stromquelle (6) von je einer Spannungsquelle (5.1,
5.2 bzw. 7) gespeist werden.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwischen dem Ausschaltkreis (3) und dem
Gate des GTO mindestens eine Diode (D) derart angeord
net ist, daß die Meßvorrichtung (4) vom Ausschalt
kreis (3) elektrisch entkoppelt ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Stromquelle (6) einen kleinen Strom
von z. B. ca. 100 mA abgibt.
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