DE4324982A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung der Sperrschichttemperatur eines GTO-Thyristors - Google Patents

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung der Sperrschichttemperatur eines GTO-Thyristors

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    • H01L29/70—Bipolar devices
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Description

Technisches Gebiet
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.
Stand der Technik
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.
Darstellung der Erfindung
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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.
Wege zur Ausführung der Erfindung
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

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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