WO1994021020A1 - Power load improvement of semiconductor valves - Google Patents

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WO1994021020A1
WO1994021020A1 PCT/EP1994/000729 EP9400729W WO9421020A1 WO 1994021020 A1 WO1994021020 A1 WO 1994021020A1 EP 9400729 W EP9400729 W EP 9400729W WO 9421020 A1 WO9421020 A1 WO 9421020A1
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WO
WIPO (PCT)
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replacement
valve
current
semiconductor
barrier layer
Prior art date
Application number
PCT/EP1994/000729
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Georg Preleuthner
Grammenos Nicoltsios
Original Assignee
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT öSTERREICH
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Filing date
Publication date
Application filed by SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT öSTERREICH filed Critical SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT öSTERREICH
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H6/00Emergency protective circuit arrangements responsive to undesired changes from normal non-electric working conditions using simulators of the apparatus being protected, e.g. using thermal images
    • H02H6/005Emergency protective circuit arrangements responsive to undesired changes from normal non-electric working conditions using simulators of the apparatus being protected, e.g. using thermal images using digital thermal images
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0824Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in thyristor switches
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K2017/0806Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage against excessive temperature

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for improving the current utilization of semiconductor switches which can be switched on and off, each having at least one semiconductor valve, in particular for use in an at least two-pulse converter, with each semiconductor valve periodically during a conductive period with electrical Current is loaded and the barrier layer heating of at least one semiconductor valve is monitored at each switching period with the introduction of a replacement valve which, based on the characteristics of the semiconductor valve, is formed on the basis of a n-degree thermal model consisting of n RC elements, each with a thermal resistance and a time constant is, and a switching current flowing through the semiconductor valve is used for determining the junction heating.
  • the manufacturer or user takes various measures.
  • the European patent application EP-A2-451 324 describes a device for determining the junction temperature of a semiconductor component using at least one RC element, the thermal behavior of the junction being electrically simulated by an RC network. With such a network which simulates the thermal behavior, only a rough approximation of the complicated thermal behavior of the barrier layer can be achieved with reasonable hardware and cost expenditure.
  • the object of the invention is to exploit the thermal limits of the semiconductor switches or their semiconductor valves for the different switching current profiles that occur in practice in the sense of the greatest possible economy when using the semiconductor valves as flexibly and largely as possible.
  • This objective implies the approval of a time-limited, monitored overload operation, in which the semiconductor valves are loaded over a switching period for a certain time with a higher current than the continuous limit current specified by the manufacturer, none of the usual overcurrent protection devices, such as fuses or circuit breaker.
  • a monitoring device is required to monitor temporal mixed load current curves, which on the one hand ensures that the maximum permissible junction temperature of the semiconductor valves is never exceeded during the overload phases and on the other hand also ensures this carries that none of the usual overcurrent protection devices respond.
  • the cost of the technical monitoring effort must be less than the cost difference of a system of semiconductor switches of a higher performance class, in which the same currents can be classified as normal load currents.
  • a digital computer provided for system control, among other things, also takes on the task of monitoring the junction temperature of the semiconductor valves and the method used further comprises the following steps:
  • a particularly advantageous embodiment of the method additionally has the following steps:
  • the method is characterized in that protective measures are taken if the calculated equivalent junction temperature exceeds a selected response threshold.
  • the forward loss power is used for the power loss, whereby characteristic data for the calculation of the
  • Forward power loss can be obtained from a polygon approximation that is a function of the lock voltage and the Equivalent resistance at a certain reference temperature, for example the maximum permissible junction temperature.
  • the peak value of the junction temperature of the semiconductor device that prevails at the end of the conduction period is advantageously calculated.
  • a fixed value can be specified for the ambient temperature, or a currently measured value can be used.
  • the response threshold for protective measures is set in an advantageous embodiment of the invention in such a way that no overlapping with conventional overcurrent protection measures, such as fuses or circuit breakers, is possible, the maximum permissible junction temperature being able to be selected as the highest possible value for this response threshold.
  • the switching current is reduced on average over the switching period to at least 100% of the continuous limit current.
  • the current set of previous values is at least partially stored for later reuse, initial values which have not been stored being replaced by permanently stored worst-case values.
  • a binary heating detector is expediently activated during such a supply failure, which, when operation is resumed, indicates whether the barrier layer of the semiconductor device has already cooled to ambient temperature.
  • Means for determining a switching current substitute value for example by averaging the switching current measured over a switching period
  • additional means for setting protective measures are advantageously provided, which become active when the calculated substitute barrier layer temperature exceeds a defined response wave.
  • thyristors, diodes or power transistors are used as semiconductor valves for the semiconductor switch.
  • the means for determining the switching current mean value are implemented by a current converter and an analog / digital converter. in order to supply the switching current or load current and, in a further embodiment, the ambient temperature in digital form to the calculation means.
  • an advantageous embodiment of the device has an input / output module coupled to a control panel for the selection of the protective measures by the user.
  • a device for the early detection of a supply failure can be installed, which initiates the securing of current replacement partial barrier layer heating.
  • a binary heating detector can also be provided, which is activated in the event of a supply failure and, when the power supply is resumed, supplies a binary signal which indicates whether the barrier layer of the semiconductor device has cooled to ambient temperature.
  • means for measuring the ambient temperature are provided, which deliver a measured value to the calculation means in defined time intervals.
  • the device can be provided with a timer which outputs a signal for starting the temperature calculation for each switching period.
  • the monitoring device is provided with a display for issuing warnings and error messages.
  • FIG. 1 shows an equivalent circuit diagram of the thermal model used
  • Figure 2 shows the time course of a rectangular
  • FIG. 3 shows a polygon approximation of a real pass characteristic
  • FIG. 4 shows the time course of transient thermal resistances for direct current
  • FIG. 5 shows a structogram of the main routine of the program code processed in the microcomputer unit for determining the equivalent junction temperature of the semiconductor device
  • FIG. 6 shows the thermal monitoring of a converter for speed control of a DC machine as an application example for the invention
  • Figure 7 is a schematic diagram of the microcomputer unit used in Figure 6 for thermal monitoring.
  • the transmission power loss P ⁇ , q converted during the conducting period t p on the basis of the switching current substitute value I, qi m semiconductor valve has to be determined.
  • a polygon approximation of the pass characteristic of the semiconductor device V shown in FIG. 3 is used for this, the calculation of the pass loss conduction, as shown in FIG. 2, based on a rectangular current pulse with the width tp and the amplitude I ⁇ , q.
  • the forward power loss p ⁇ , q determined on the basis of the polygon approximation of the forward characteristic according to FIG. 3 is calculated according to the following relationship, which is known from the prevailing teaching:
  • ⁇ a is the ambient temperature
  • T is the duration of the switching period
  • t is the conducting time.
  • ⁇ -j ⁇ qi are the previous values of the replacement partial junction heating of the respective RC elements i of the n-th order thermal model and the quantity R t h with the dimension of a thermal resistance is according to equation (3) below with the partial thermal resistance - stand between r t ⁇ j _, the time constants ⁇ * j_ of the individual RC elements of the thermal model and the lead time tp.
  • equations (1), (2) and (4) take the following form, with the dimensionless quantities occurring here being written down in small letters: ; 5.
  • PT, q c 2 i ⁇ q (c- X T, (
  • ⁇ i / q ⁇ i ⁇ g. ! + k ⁇ p T / g;
  • the method designed to improve the current utilization for a semiconductor valve to be monitored is now extended to a system of semiconductor switches to be monitored, each consisting of at least one semiconductor valve, and using the equation systems (1) to (4) or (5) described above ) to (7), that is also described in detail on the assumption of the above-mentioned requirements on which these equations are based.
  • Equation (1) or (5) the amplitude of the in the replacement valve implemented forward power loss Pp "or pp Q are calculated, a polygon approximation of the forward characteristic curve shown in FIG. 3 being used for this calculation.
  • This polygon approximation is carried out with those values for the lock voltage U-pn and the equivalent resistance rp that are specified by the manufacturer for the maximum permissible barrier layer temperature ⁇ .
  • the associated time profile of the forward power loss used for calculating the junction temperature is shown in FIG. 2 above.
  • the current peak junction temperature ⁇ g max or ⁇ q, max of the replacement valve which according to FIG. 2 is assigned to the negative edge of the current or forward loss power pulse is closed and recursively calculated as the sum of the ambient temperature and the n partial junction heating for the switching cycle q, namely as a folding integral depending on suitable previous values of the replacement partial junction heating for the switching cycle q-1. If necessary, the value of the junction temperature ⁇ g can also be calculated at any other time.
  • Suitable predecessor values for the replacement partial barrier layer heating can be provided in different ways.
  • switching cycle q junction temperature of the semiconductor valves in operation
  • q-1 values calculated according to equation (4) or (7) are used. These values are updated in each switching period after calculation of the equivalent barrier layer temperature for use in the next switching cycle.
  • stored values representative of the cold semiconductor valve are used for the respective n replacement partial barrier layer heating.
  • the predecessor values are saved with relevantly large time constants ⁇ * j_.
  • the amount of data stored in a resistant manner depends primarily on the time available after the detection of a supply failure, the available memory space and the memory access time of the storage medium provided for this purpose, for example an EEPROM. If these conditions are so unfavorable that updated replacement partial junction heating is lost, they are replaced by worst-case values permanently stored (for example in an EPROM) when operation is resumed.
  • a known binary heating detector in the form of a time measuring element is provided in the system to be monitored, which is started after detection of a supply failure or after the system has been switched off and starts immediately, a reference time, for example, for cooling Count the necessary cooling time of the barrier layer of the replacement valve to the ambient temperature.
  • this time measuring element uses a control bit to indicate whether this reference time has already passed or not, after which the suitable previous values are selected in accordance with the criteria mentioned above. If the reference time has not yet elapsed (warming state "warm”), the values saved before switching off or the so-called worst-case values are used as previous values.
  • the predecessor values are replaced by the predecessor values associated with the "cold" heating state, which are generally permanently stored. Is not a binary warming provided that the previous values are used for the replacement high-temperature layer heating, which can be assigned to the warming state "warm” (either the values saved before switching off or the worst-case values), regardless of whether the semiconductor valve already exists cooled down or not.
  • the program-controlled thermal monitoring permits any conceivable form of overloading of the current-carrying semiconductor valves. If the calculated temperature exceeds the response threshold, the protective measures specified by the user are taken. At least the switching current is reduced on average over the switching period to the value of the continuous limit current.
  • the power supply is completely switched off, in many cases, for example in the case of a crane or elevator, mechanical fuses are activated at the same time in order to avoid accidents.
  • FIG. 5 shows a structogram of the main routine in which the above-mentioned standardized equations (5), (6) and (7) are processed. Because of the time-saving and overflow-proof processing, these equations are implemented in fixed-point fractional arithmetic.
  • constancy of the values for the lead time t p and switching period T is required, as is the case, for example, for line-guided converters.
  • the steps of this algorithm denoted by A to F are explained in more detail below.
  • the amplitude of the forward loss power implemented in the replacement valve is calculated according to relationship (5).
  • step B the first summand is calculated from equation (6) and added to the ambient temperature.
  • the information provided by the heating detector about the heating state of the semiconductor valves also flows into the calculation step D via a further control bit ANF_ERW.
  • step E if the response threshold is exceeded, the protective measures defined by the user are triggered by the value calculated for the replacement barrier layer heating.
  • a final calculation step F the processor updates the replacement partial barrier layer heating for each element i of the thermal model in accordance with relationship (7) and makes it available for use in the next calculation cycle. Then the processor can turn to other tasks. until a signal supplied by a clocked timer orders the execution of the next computing cycle (steps A to F).
  • FIG. 6 shows an application example of thermal monitoring using a speed-controlled direct current drive.
  • a three-phase converter SR3 takes over the function of the load converter. On the DC side, it feeds the armature circuit of a GM DC machine.
  • FIG. 6 also shows, among other things, the input or output signal bundle which the microcomputer has to process or deliver in connection with the thermal monitoring and the speed and current control.
  • the load current value is measured with a current transformer SW and converted into the analog signal I act, wt. list.gew ⁇ st e ⁇ - n Key signal both for thermal monitoring and for the current control subordinate to the speed control.
  • a measuring unit for measuring the ambient temperature MU can be installed on the heat sinks of the load converter. This then supplies the analog signal ⁇ a to the microcomputer unit as a measure of the ambient temperature.
  • the control panel enables the user, inter alia, to switch the thermal monitoring on and off and to select the protective measures which are to take effect when the monitoring is activated. If the protective measures are supplemented by warnings and error messages, these, but also, for example, the measured ambient temperature, can be taken from a display.
  • the microcomputer unit is supplied via the power supply SV, which among other things also contains a VN module for implementing an early warning in the event of a power failure. In the event of a critical drop in the supply voltage, this module sends a digital early warning signal to the microcomputer unit for processing.
  • Another task of the microcomputer unit is, among other things, the control of the phase angle ⁇ via the unit for generating the ignition pulses for the thyristors.
  • FIG. 6 In the following some details of FIG. 6 are discussed which are not directly related to the invention in Are related and only serve to explain the function of the DC drive shown.
  • the speed controller implemented digitally in the microcomputer unit requires the signals n so n and n-j_ st as information about the setpoint and actual value of the speed.
  • the target speed is specified by the user, the actual speed is measured by the tachometer machine TM on the shaft.
  • the direct current machine GM is externally excited, the excitation winding of the direct current machine GM with the inductor Le is thus externally supplied, as is generally the case by a two-phase converter SR2 (field converter).
  • SR2 field converter
  • the ripple of the actual load current value is reduced to the desired level by a smoothing choke Lg.
  • the two converters SR2 and SR3 are equipped with commutation chokes to support commutation, SR3 is protected by string fuses e.g. protected against short-circuit currents.
  • the dash-dotted line in FIG. 6 frames all those assemblies which are combined in the converter device SG.
  • the microcomputer unit shown in FIG. 7, clocked by a clock generator 14, consists of a microcomputer core with a processor unit 10, an analog / digital converter 12 and a timer 8. Furthermore, there are three digital memories 16, 18 and 20, a time measuring element 22 in this microcomputer unit with associated voltage buffer 24, digital input / output units 26, 28 and 30 and the required bus connections, such as address, data and control bus are provided, only the control bus being shown in FIG. 7 for the sake of simplicity.
  • a microcontroller of the type SIEMENS 80C166 clocked at 36 MHz is used as the processor. However, any other commercially available processor with the required computing power can also be used.
  • the RAM 18 is generally used for storing changeable data and the EPROM 16 for storing unchangeable data, such as tables and, inter alia, the programs indicated in FIG. 7.
  • the input and output blocks 26, 28 and 30 provide and pick up the digital information to be exchanged with modules external to the computer. For example, information about the activation or deactivation of the thermal monitoring and the choice of measures for protecting the power output are obtained via the component 26 and the information about the phase angle ⁇ is provided for the unit for ignition pulse injection by the component 28.
  • the module 30 takes on the one hand the output of error messages, warnings and possibly values of the ambient temperature, but on the other hand also in cooperation with the other modules of the microcomputer unit and the early warning device VN the function already described in detail in the event of an arbitrary shutdown, failure of the power supply SV or when the short-term protection trips.
  • the application of the present invention is not limited only to the example of use of a line-guided converter explained in FIG. 6.
  • all clocked semiconductor switches can be provided with such a device and thermally monitored using the method according to the invention.
  • Further possible applications are, for example, power supplies clocked with a certain duty cycle, such as inverse converters, step-down or step-up converters.
  • the use of the thermal model for calculating a replacement junction temperature of a semiconductor device by means of a digital computer has the further great advantage that, on the basis of this model, project planning documents can be calculated precisely for many practical applications, and thus the customer for his Select an inexpensive, yet overheat-proof system for a specific application can.
  • the method proves to be particularly cost-saving when applied to a whole type series of semiconductor circuits if all circuit types are operated with one and the same software, which accesses type-specific information when processing type-specific information.

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Abstract

A process and device are disclosed for improving the power load of one or several semiconductor switches with at least one semiconductor valve. Each semiconductor valve is loaded with a switching current during a conduction period and the depletion layer temperature of at least one semiconductor valve is calculated from an n-degree thermal model consisting of n RC members. For that purpose, a switching current substitute value is at first determined and the power loss is calculated therefrom. In addition, a substitute depletion layer temperature for the depletion layer of the semiconductor valve is derived and recursively calculated by a digital computer from above-said model. If required, the device applies protective measures when the value of said substitute depletion layer temperature exceeds a selected reaction limit.

Description

Verbesserung der Stromauslastung von HalbleiterventilenImprovement of the current utilization of semiconductor valves
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Ein¬ richtung zur Verbesserung der Stromauclastung von ein- und ausεchaltbaren Halbleiterschaltern mit zumindest je einem Halbleiterventü, insbesondere zur Verwendung in einem zu¬ mindest zweipulsigen Stromrichter, wobei jedes Halbleiterven¬ tü periodisch während einer Leitdauer mit elektrischem Strom belastet ist und die Sperrschichterwärmung zumindest eines Halbleiterventüs zu jeder Schaltperiode unter Einführung eines Ersatzventils überwacht wird, welches aufgrund der Kenndaten des Halbleiterventüs anhand eines thermischen Mo¬ dells n-ten Grades, bestehend aus n RC-Gliedern mit jeweils einem Wärmewiderstand und einer Zeitkonstanten gebildet wird, und für die Bestimmung der Sperrschichterwärmung ein durch das Halbleiterventü fließender Schaltstrom herangezogen wird.The invention relates to a method and a device for improving the current utilization of semiconductor switches which can be switched on and off, each having at least one semiconductor valve, in particular for use in an at least two-pulse converter, with each semiconductor valve periodically during a conductive period with electrical Current is loaded and the barrier layer heating of at least one semiconductor valve is monitored at each switching period with the introduction of a replacement valve which, based on the characteristics of the semiconductor valve, is formed on the basis of a n-degree thermal model consisting of n RC elements, each with a thermal resistance and a time constant is, and a switching current flowing through the semiconductor valve is used for determining the junction heating.
Zum kontrollierten Ausnützen der thermischen Möglichkeiten von Halbleiterventilen werden seitens der Hersteller bzw. An¬ wender unterschiedliche Maßnahmen getroffen. Beispielsweise wird in der Europäischen Patentanmeldung EP-A2-451 324 eine Vorrichtung zum Bestimmen der Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelementes unter Verwendung zumindest eines RC- Gliedes beschrieben, wobei das thermische Verhalten der Sperrschicht durch ein RC-Netzwerk elektrisch nachgebaut wird. Durch ein solches, das thermische Verhalten nachbilden¬ des Netzwerk kann, bei vernünftigem Hardware- und Kostenauf¬ wand, lediglich eine grobe Annäherung des komplizierten thermischen Verhaltens der Sperrschicht erreicht werden. Dem Vorteil einer weitgehenden Verzögerungsfreiheit steht aber der beschriebene große Hardwareaufwand gegenüber, der den Einsatz dieser Vorrichtung zur Überwachung von Überströmen in Halbleiterventilen, insbesondere ihre Verwendung an einer ganzen Typenreihe von Stromrichtergeräten mit unterschiedli¬ chen Stromrichterventilen je Einzelgerät, im Vergleich zu einer großzügigeren Dimensionierung der Ventile, welche ohne Überwachung betrieben werden können, unwirtschaftlich erscheinen läßt.To take advantage of the thermal possibilities of semiconductor valves in a controlled manner, the manufacturer or user takes various measures. For example, the European patent application EP-A2-451 324 describes a device for determining the junction temperature of a semiconductor component using at least one RC element, the thermal behavior of the junction being electrically simulated by an RC network. With such a network which simulates the thermal behavior, only a rough approximation of the complicated thermal behavior of the barrier layer can be achieved with reasonable hardware and cost expenditure. However, the advantage of extensive freedom from delays is offset by the large amount of hardware described, which relates to the use of this device for monitoring overcurrents in semiconductor valves, in particular its use on a whole range of converter devices with different converter valves per individual device, in comparison with a more generous dimensioning of the valves which without Surveillance can be operated, seems uneconomical.
In "Digitale Regelung elektrischer Antriebe" von Rolf Schönfeld, erschienen im Hüthig Verlag, 2. Auflage, 1990 wird auf Seite 133 die Verwendung eines thermischen Modells für Elektromotoren bzw. Stromrichter angesprochen, das in den Rechnerregler implementiert ist, wobei auch ein Flußdiagramm zur Überwachung der kritischen Temperatur angegeben ist. Da das thermische Verhalten von Stromrichtern und Motoren kom¬ pliziert ist, wird deren hinreichend genaue Modellierung je¬ doch nicht für möglich gehalten und daher alternativ vorge¬ schlagen, im Rechner eine höchstzulässige Belastungskennlinie einzuspeichern und die zu jeweiligen Abtastzeitpunkten tatsächlich gemessenen Strombelastungen mit dieser zulässigen Kennlinie zu vergleichen.In "Digital control of electric drives" by Rolf Schönfeld, published by Hüthig Verlag, 2nd edition, 1990, on page 133 the use of a thermal model for electric motors or power converters, which is implemented in the computer controller, is addressed, including a flow chart for monitoring the critical temperature is given. Since the thermal behavior of power converters and motors is complicated, their sufficiently precise modeling is not considered possible and is therefore proposed as an alternative to storing a maximum permissible load characteristic in the computer and the current loads actually measured at the respective sampling times with this permissible characteristic to compare.
Aufgabe der Erfindung ist es, die thermischen Grenzen der Halbleiterschalter bzw. deren Halbleiterventile für die in der Praxis auftretenden unterschiedlichen Schaltstromverläufe im Sinne größtmöglicher Ökonomie beim Einsatz der Halbleiter¬ ventile möglichst flexibel und weitgehend auszuschöpfen. Diese Zielstellung impliziert die Zulassung eines zeitlich begrenzten, überwachten Überlastbetriebes, bei welchem die Halbleiterventile im zeitlichen Mittel über eine Schaltperi¬ ode für bestimmte Zeit mit einem höheren Strom als mit dem vom Hersteller angegebenen Dauergrenzstrom belastet werden, wobei keine der üblichen Überstromschutzeinrichtungen, wie beispielsweise Sicherungen oder Leistungsschalter, anspre- chen.The object of the invention is to exploit the thermal limits of the semiconductor switches or their semiconductor valves for the different switching current profiles that occur in practice in the sense of the greatest possible economy when using the semiconductor valves as flexibly and largely as possible. This objective implies the approval of a time-limited, monitored overload operation, in which the semiconductor valves are loaded over a switching period for a certain time with a higher current than the continuous limit current specified by the manufacturer, none of the usual overcurrent protection devices, such as fuses or circuit breaker.
Der Wunsch nach einer Mischbelastung von Halbleiterventilen (d.i. eine beliebige Abfolge von Normal- und Überlastphasen) besteht in der Praxis insbesondere dann, wenn die Halbleiter- ventile während des größten Teils ihrer Betriebszeit im zeit¬ lichen Mittel mit Strömen kleiner als der Dauergrenzstrom und nur während vergleichsweise kurzer Zeitabschnitte mit Über- lastströmen belastet werden.In practice, there is a desire for a mixed load of semiconductor valves (ie any sequence of normal and overload phases) in particular when the semiconductor valves have a current average of currents less than the continuous limit current and during most of their operating time are only subjected to overload currents during comparatively short periods of time.
Während es keine Schwierigkeiten bereitet, die Einhaltung von Normallastströmen zu kontrollieren, ist zur Überwachung zeit¬ licher Mischlaststromverläufe eine Überwachungsvorrichtung erforderlich, welche einerseits sicherstellt, daß die maximal zulässige Sperrschichttemperatur der Halbleiterventile wäh¬ rend der Überlastphaεen nie überschritten wird und anderer- seitε zusätzlich dafür Sorge trägt, daß keine der üblichen Überstromschutzeinrichtungen anspricht. Jedenfalls müssen die Kosten für den gerätetechnischen Aufwand der Überwachung geringer sein, als die Kostendifferenz eines Systems von Halbleiterschaltern einer höheren Leistungsklasse, in welcher dieselben Ströme als Normallastströme einzustufen sind.While there is no difficulty in checking compliance with normal load currents, a monitoring device is required to monitor temporal mixed load current curves, which on the one hand ensures that the maximum permissible junction temperature of the semiconductor valves is never exceeded during the overload phases and on the other hand also ensures this carries that none of the usual overcurrent protection devices respond. In any case, the cost of the technical monitoring effort must be less than the cost difference of a system of semiconductor switches of a higher performance class, in which the same currents can be classified as normal load currents.
Dies wird erfindungsgemäß mittels des eingangs genannten Verfahrens dadurch erreicht, daß ein unter anderem zur Systemsteuerung vorgesehener Digitalrechner zusätzlich auch die Aufgabe der Überwachung der Sperrschichttemperatur der Halbleiterventile übernimmt und das zur Anwendung kommende Verfahren weiters die folgenden Schritte aufweist:This is achieved according to the invention by means of the method mentioned at the outset in that a digital computer provided for system control, among other things, also takes on the task of monitoring the junction temperature of the semiconductor valves and the method used further comprises the following steps:
- Bestimmen eines Schaltstrom-Ersatzwertes für die betrach- tete Leitphase des Halbleiterventüs, z.B. durch Mittelung des während der Leitdauer durch das Halbleiterventü fließenden Stromes,- Determining a switching current substitute value for the considered leading phase of the semiconductor device, e.g. by averaging the current flowing through the semiconductor valve during the conduction period,
- Berechnen einer durch den Schaltstrom im Ersatzventil wäh- rend einer Schaltperiode umgesetzten Verlustleistung,Calculating a power loss converted by the switching current in the replacement valve during a switching period,
- Berechnung der Ersatz-Sperrschichttemperatur für das Ersatzventil unter Zuhilfenahme des berechneten Wertes für die Verlustleistung und der Parameter für die Wärmewi- derstände und die Zeitkonstanten der einzelnen RC-Glieder des thermischen Modells, sowie unter Einrechnung der Umge¬ bungstemperatur, Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens weist zusätzlich die folgenden Schritte auf:- Calculation of the replacement junction temperature for the replacement valve with the aid of the calculated value for the power loss and the parameters for the thermal resistances and the time constants of the individual RC elements of the thermal model, and also taking into account the ambient temperature, A particularly advantageous embodiment of the method additionally has the following steps:
- Bereitstellen eines Satzes von n Vorgängerwerten für Ersatz-Teüεperrschichterwärmungen der einzelnen RC-Glie- der des Ersatzventils,Provision of a set of n previous values for replacement partial barrier layer heating of the individual RC members of the replacement valve,
- Geschlossene und rekursive Berechnung der Ersatz-Sperr- Schichttemperatur für das Ersatzventil unter Zuhilfenahme des Satzes von n Vorgängerwerten,- Closed and recursive calculation of the replacement barrier layer temperature for the replacement valve using the set of n previous values,
- Geschlossene und rekursive Berechnung der Ersatz-Teil- Sperrschichterwärmungen zur Verwendung als Vorgängerwerte in der nachfolgenden Schaltperiode.- Closed and recursive calculation of the replacement partial barrier layer heating for use as previous values in the subsequent switching period.
In vielen praktischen Anwendungsfällen zeichnet sich das Ver¬ fahren dadurch aus, daß Schutzmaßnahmen gesetzt werden, falls die berechnete Ersatz-Sperrschichttemperatur eine gewählte Ansprechschwelle überschreitet.In many practical applications, the method is characterized in that protective measures are taken if the calculated equivalent junction temperature exceeds a selected response threshold.
Die im folgenden angeführten, für die Berechnung der Ersatz- Sperrschichttemperatur zusätzlich herangezogenen Verfah¬ rensmerkmale ermöglichen, daß das obengenannte Verfahren in jeder Ausführungsform besonders einfach, schnell und wirt¬ schaftlich ausgeführt werden kann.The method features listed below, which are additionally used for the calculation of the equivalent junction temperature, enable the above-mentioned method to be carried out particularly easily, quickly and economically in each embodiment.
Im oben beschriebenen Verfahren wird als Modellannahme ange¬ nommen, daß das Halbleiterventü durch einen rechteckförmigen Stromimpuls belastet wird, dessen Pulsbreite gleich der Leitdauer und dessen Amplitude gleich dem Schaltstrom-Er¬ satzwert ist.In the method described above, it is assumed as a model assumption that the semiconductor valve is loaded by a rectangular current pulse, the pulse width of which is equal to the conduction duration and the amplitude is equal to the switching current replacement value.
Weiters wird für die Verlustleistung die Durchlaßverlustlei- stung herangezogen, wobei Kennliniendaten zur Berechnung derFurthermore, the forward loss power is used for the power loss, whereby characteristic data for the calculation of the
Durchlaßverlustleistung aus einer Polygonnäherung erhalten werden, die eine Funktion der Schleusenspannung und des Ersatzwiderstandes bei einer bestimmten Referenztemperatur, beispielsweise der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur ist .Forward power loss can be obtained from a polygon approximation that is a function of the lock voltage and the Equivalent resistance at a certain reference temperature, for example the maximum permissible junction temperature.
Vorteilhafterweise wird der am Ende der Leitdauer herrschende Spitzenwert der Sperrschichttemperatur des Halbleiterventüs berechnet .The peak value of the junction temperature of the semiconductor device that prevails at the end of the conduction period is advantageously calculated.
Wahlweise kann für die Umgebungstemperatur ein fester Wert vorgegeben, oder ein aktuell gemessener Wert herangezogen werden.Optionally, a fixed value can be specified for the ambient temperature, or a currently measured value can be used.
Die Ansprechschwelle für Schutzmaßnahmen wird bei einer vor¬ teilhaften Ausführungsform der Erfindung so gesetzt, daß kein Überschneiden mit herkömmlichen Überstromschutzmaßnahmen, wie beispielsweise Sicherungen oder Leistungsschalter ermöglicht wird, wobei als höchstmöglicher Wert für diese Ansprech¬ schwelle die maximal zulässige Sperrschichttemperatur gewählt werden kann.The response threshold for protective measures is set in an advantageous embodiment of the invention in such a way that no overlapping with conventional overcurrent protection measures, such as fuses or circuit breakers, is possible, the maximum permissible junction temperature being able to be selected as the highest possible value for this response threshold.
Bei Überschreiten der gewählten Ansprechschwelle wird der Schaltstrom im zeitlichen Mittel über die Schaltperiode zu¬ mindest auf 100% des Dauergrenzstromes verringert.If the selected response threshold is exceeded, the switching current is reduced on average over the switching period to at least 100% of the continuous limit current.
Bei Ausfall der Stromversorgung wird der aktuelle Satz von Vorgängerwerten zur späteren Wiederverwendung zumindest teilweise abgespeichert, wobei nicht abgespeicherte Anfangs¬ werte durch permanent gespeicherte worst-case-Werte ersetzt werden.If the power supply fails, the current set of previous values is at least partially stored for later reuse, initial values which have not been stored being replaced by permanently stored worst-case values.
Weiters wird während eines solchen Versorgungsausfalls zweck¬ mäßigerweise ein binärer Erwärmungsmelder aktiviert, welcher bei Wiederaufnahme des Betriebes anzeigt, ob die Sperrschicht des Halbleiterventüs bereits auf Umgebungstemperatur abge- kühlt ist. Zur Durchführung des eingangs genannten Verfahrens zur Ver¬ besserung der Stromauslastung von Halbleiterschaltern wird nachfolgend eine Einrichtung der eingangs genannten Art geof¬ fenbart, welche die folgenden Merkmale aufweist:Furthermore, a binary heating detector is expediently activated during such a supply failure, which, when operation is resumed, indicates whether the barrier layer of the semiconductor device has already cooled to ambient temperature. In order to carry out the method mentioned at the beginning for improving the current utilization of semiconductor switches, a device of the type mentioned at the outset is disclosed which has the following features:
- Mittel zum Bestimmen eines Schaltstrom-Ersatzwertes, bei¬ spielsweise durch Mittelung des über eine Schaltdauer gemessenen Schaltstromes,Means for determining a switching current substitute value, for example by averaging the switching current measured over a switching period,
- Mittel zum Berechnen einer durch den Schaltstrommittelwert im Halbleiterventü umgesetzten Verlustleistung und der Ersatz-Sperrschichttemperatur des Ersatzventils.- Means for calculating a power loss converted by the switching current mean value in the semiconductor valve and the replacement junction temperature of the replacement valve.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung weist weiters die folgenden Merkmale auf:A particularly advantageous embodiment of the invention also has the following features:
- Mittel zum Bereitstellen eines Satzes von n Vorgängerwer¬ ten für Ersatz-Teilsperrschichterwärmungen der einzelnen RC-Glieder des thermischen Modells n-ten Grades,Means for providing a set of n predecessor values for replacement partial junction heating of the individual RC elements of the n-degree thermal model,
Mittel zur geschlossenen und rekursiven Berechnung derMeans for the closed and recursive calculation of the
Ersatz-Sperrschichttemperatur des Ersatzventils und zumReplacement junction temperature of the replacement valve and
Aktualisieren der Ersatz-Teilsperrschichterwärmungen für jedes RC-Glied des thermischen Modells n-ten Grades.Update the replacement partial junction heats for each RC element of the nth degree thermal model.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind vorteilhafter¬ weise zusätzlich Mittel zum Setzen von Schutzmaßnahmen vorge¬ sehen, welche aktiv werden, wenn die berechnete Ersatz-Sperr¬ schichttemperatur eine definierte Ansprechwelle überschrei- tet.In a device according to the invention, additional means for setting protective measures are advantageously provided, which become active when the calculated substitute barrier layer temperature exceeds a defined response wave.
Für praktische Anwendungen werden als Halbleiterventile für den Halbleiterschalter Thyristoren, Dioden oder Leistungε- transistoren verwendet.For practical applications, thyristors, diodes or power transistors are used as semiconductor valves for the semiconductor switch.
Die Mittel zum Bestimmen des Schaltstrommittelwertes sind durch einen Stromwandler und einen Analog/Digitalwandler rea- lisiert, um den Schaltεtrom bzw. Laststrom und in einer wei¬ teren Ausführungsform auch die Umgebungstemperatur in digita¬ ler Form an die Berechnungsmittel zu liefern.The means for determining the switching current mean value are implemented by a current converter and an analog / digital converter. in order to supply the switching current or load current and, in a further embodiment, the ambient temperature in digital form to the calculation means.
Weiters weist eine vorteilhafte Auεführungsform der Einrich¬ tung einen mit einem Bedienfeld gekoppelten Ein/Ausgabebaustein zur Auswahl der Schutzmaßnahmen durch den Benutzer auf.Furthermore, an advantageous embodiment of the device has an input / output module coupled to a control panel for the selection of the protective measures by the user.
Zusätzlich kann eine Vorrichtung zur Früherkennung eines Ver- sorgungsauεfalles installiert sein, die das Sichern aktueller Ersatz-Teilsperrschichterwärmungen in Gang setzt.In addition, a device for the early detection of a supply failure can be installed, which initiates the securing of current replacement partial barrier layer heating.
In Zusammenwirken mit dieser Früherkennung kann weiters ein binärer Erwärmungsmelder vorgesehen sein, der bei einem Ver- sorgungsauεfall aktiviert wird und bei Wiederaufnahme der Stromversorgung ein binäres Signal liefert, welches anzeigt, ob die Sperrschicht des Halbleiterventüs auf Umgebungstempe¬ ratur abgekühlt ist .In cooperation with this early detection, a binary heating detector can also be provided, which is activated in the event of a supply failure and, when the power supply is resumed, supplies a binary signal which indicates whether the barrier layer of the semiconductor device has cooled to ambient temperature.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind Mittel zur Mes¬ sung der Umgebungstemperatur vorgesehen, die in definierten Zeitabschnitten einen Meßwert an das Berechnungsmittel lie¬ fern.In one embodiment of the invention, means for measuring the ambient temperature are provided, which deliver a measured value to the calculation means in defined time intervals.
Die Einrichtung kann mit einem Timer versehen sein, der je Schaltperiode ein Signal zum Starten der Temperaturberechnung ausgibt .The device can be provided with a timer which outputs a signal for starting the temperature calculation for each switching period.
In vielen praktischen Anwendungsfällen ist die Uberwachungs- einrichtung mit einer Anzeige zur Ausgabe von Warnungen und Fehlermeldungen versehen.In many practical applications, the monitoring device is provided with a display for issuing warnings and error messages.
Weitere Vorteile und Details der vorliegenden Erfindung, sowie die Grundlagen des herangezogenen theoretischen Modells und ein Ausführungsbeispiel werden anhand der beigefügten Figuren 1 bis 7 näher erläutert. In diesen zeigen: Figur 1 ein Ersatzschaltbild des verwendeten thermi¬ schen Modells,Further advantages and details of the present invention, as well as the basics of the theoretical model used and an exemplary embodiment are explained in more detail with reference to the attached FIGS. 1 to 7. In these show: FIG. 1 shows an equivalent circuit diagram of the thermal model used,
Figur 2 den Zeitverlauf eines rechteckförmigenFigure 2 shows the time course of a rectangular
SchaltStromes, der zugehörigen Durchlaßverlustlei¬ stung und Sperrschichttemperatur eines Halbleiter¬ ventüs,Switching currents, the associated forward loss and junction temperature of a semiconductor valve,
Figur 3 eine Polygonnäherung einer realen Durchla߬ kennlinie,FIG. 3 shows a polygon approximation of a real pass characteristic,
Figur 4 den Zeitverlauf transienter Wärmewiderstände für Gleichstrom,FIG. 4 shows the time course of transient thermal resistances for direct current,
Figur 5 ein Struktogramm der Hauptroutine des in der Mikrorechnereinheit verarbeiteten Programmcodes zur Bestimmung der Ersatz-Sperrschichttemperatur des Halbleiterventüε,FIG. 5 shows a structogram of the main routine of the program code processed in the microcomputer unit for determining the equivalent junction temperature of the semiconductor device,
Figur 6 die thermische Überwachung eines Stromrich¬ ters zur Drehzahlregelung einer Gleichstrommaschine als ein Anwendungsbeispiel für die ErfindungFIG. 6 shows the thermal monitoring of a converter for speed control of a DC machine as an application example for the invention
Figur 7 eine Prinzipskizze der in Figur 6 für die thermische Überwachung verwendeten Mikrorechnerein¬ heit.Figure 7 is a schematic diagram of the microcomputer unit used in Figure 6 for thermal monitoring.
Zum besseren Verständniε deε in Fig. 1 dargestellten thermi- sehen Modells n-ten Grades, das für die erfindungsgemäße Berechnung der Ersatz-Sperrschichttemperatur eines Halblei¬ terventüs herangezogen wird, werden die in jeder Schaltpe¬ riode 1, 2, 3, ..., q-1, q, q+1, ... durchzuführenden Rechen¬ schritte unter der Voraussetzung, daß die Umgebungstemperatur gemessen wird und sämtliche Verlustleistungskomponenten mit Ausnahme der Durchlaßverlustleistung vernachlässigt werden, anhand der folgenden theoretischen Betrachtung näher erläu¬ tert:For a better understanding of the n-degree thermal model shown in FIG. 1, which is used for the calculation according to the invention of the equivalent junction temperature of a semiconductor device, the values in each switching period 1, 2, 3, ... , q-1, q, q + 1, ... calculation steps to be carried out, provided that the ambient temperature is measured and all power loss components with the exception of the forward power loss are neglected, based on the following theoretical consideration:
Vorerst ist die während der Leitdauer tp zufolge des Schalt- strom-Ersatzwertes I ,q im Halbleiterventü umgesetzte Durch¬ laßverlustleistung Pτ,q zu bestimmen. Hiefür wird eine in Figur 3 gezeigte Polygonnäherung der Durchlaßkennlinie des Halbleiterventüs V herangezogen, wobei der Berechnung der Durchlaßverlustleiεtung, wie in Figur 2 dargestellt ist, ein rechteckförmiger Stromimpuls mit der Breite tp und der Amplitude Iτ,q zugrunde gelegt wird. Die auf Basiε der Polygonnäherung der Durchlaßkennlinie nach Figur 3 ermittelte Durchlaßverlustleistung pτ,q errechnet sich nach der folgenden, der herrschenden Lehre bekannten Beziehung:For the time being, the transmission power loss Pτ, q converted during the conducting period t p on the basis of the switching current substitute value I, qi m semiconductor valve has to be determined. A polygon approximation of the pass characteristic of the semiconductor device V shown in FIG. 3 is used for this, the calculation of the pass loss conduction, as shown in FIG. 2, based on a rectangular current pulse with the width tp and the amplitude Iτ, q. The forward power loss p τ, q determined on the basis of the polygon approximation of the forward characteristic according to FIG. 3 is calculated according to the following relationship, which is known from the prevailing teaching:
(1) pT,q = UT0 IT,q + rT ττ, q"(1) p T, q = U T0 I T, q + r T τ τ, q "
wobei U- o die Schleusenspannung und r*j* der Ersatzwiderstand des Halbleiterventüε V ist. Der Index q gibt die Anzahl der erfolgten Rechenzyklen (begonnenen Schaltperioden) an.where U- o is the lock voltage and r * j * is the equivalent resistance of the semiconductor valve V. The index q indicates the number of computation cycles (switching periods started).
Der in Figur 1 dargestellte Spitzenwert der Ersatz-Sperr¬ schichttemperatur Θg/Inax für den Taktzykluε q ergibt sich aus der folgenden Beziehung:The peak value of the equivalent junction temperature Θg / Inax for the clock cycle q shown in FIG. 1 results from the following relationship:
n ■'2) Θqftnax = Θa + PT;q Rth + Σ e-TΛi AΘ± ι q. l t i=ln ■ ' 2) Θ qftnax = Θ a + P T; q R th + Σ e-TΛi AΘ ± ι q . lt i = l
wobei Θa die Umgebungstemperatur, T die Dauer der Schaltpe¬ riode und t die Leitdauer bedeuten. ΔΘ-j^q-i sind die Vor¬ gängerwerte der Ersatz-Teilsperrschichterwärmungen der jewei¬ ligen RC-Glieder i des thermischen Modells n-ter Ordnung und die Größe Rth mit der Dimension eines Wärmewiderstandes steht nach untenstehender Gleichung (3) mit den Teilwärmewider- ständen rt^ j_, den Zeitkonεtanten τ*j_ der einzelnen RC-Glieder des thermischen Modells und der Leitdauer tp in Verbindung.where Θ a is the ambient temperature, T is the duration of the switching period and t is the conducting time. ΔΘ-j ^ qi are the previous values of the replacement partial junction heating of the respective RC elements i of the n-th order thermal model and the quantity R t h with the dimension of a thermal resistance is according to equation (3) below with the partial thermal resistance - stand between r t ^ j _, the time constants τ * j_ of the individual RC elements of the thermal model and the lead time tp.
n (3) Rth = ∑ rthf i (1-e-tpAi) i=ιn (3) R th = ∑ r thf i (1-e-tpAi) i = ι
Sofern für das i-te RC-Glied des thermischen Modells die Teilwärmekapazität C^- i zusätzlich zum Teilwärmewiderstand rth i als Modellparameter bekannt ist, wird die zugehörige Zeitkonstante τ*j_ gemäß der bekannten Beziehung *c"th, ii-cth, i ermittelt. Zwei Zeitverläufe des transienten Wärmewiderstan¬ des Zth für Gleichstrom, einmal für den Wärmeübergang Sperr¬ schicht-Umgebung (JA = junction to ambient) bzw. einmal für den Übergang Sperrschicht-Gehäuse (JC = junction to case) , sind in Fig. 4 abgebildet, wobei R^ JA un<^ Rth JC ^e zuge¬ hörigen Endwerte für große Zeiten, die sogenannten stationä¬ ren Wärmewiderstände, bezeichnen. Zu der in Beziehung (2) festgelegten Berechnung der absoluten Ersatz-Sperrschichttem- peratur einer Schaltperiode q wird im allgemeinen der voll¬ ständige Satz der im vorhergehenden Schaltzyklus q-1 berech¬ neten Ersatz-Teilsperrschichterwärmungen Θi , π- l benötigt. Ihre Aktualisierung für den nächsten Zyklus q+1 erfolgt gemäßIf the partial heat capacity C ^ - i in addition to the partial heat resistance r th i is known as a model parameter for the i-th RC element of the thermal model, the associated time constant τ * j_ is calculated according to the known relationship * c "th, i = τ i- c th, i. Two time profiles of the transient heat resistance of the Zth for direct current, one for the heat transfer between the barrier layer environment (JA = junction to ambient) and one time for the transition between the barrier layer housing (JC = junction to case), are shown in Fig. ready to 4, wherein R ^ YES un <^ R th JC ^ e supplied ¬ impaired final values for large time, the so-called stationä¬ ren thermal resistances call. at the time specified in relationship (2) calculation of the absolute replacement Sperrschichttem The temperature of a switching period q generally requires the complete set of the replacement partial barrier layer heaters Θi, π- l calculated in the previous switching cycle q-1, which are updated for the next cycle q + 1 takes place according to
(4) ΔΘi/q = ΔΘ^q.-L + PT/q rth ± ( l- e^p/H ) ; i=l, 2 n.(4) ΔΘ i / q = ΔΘ ^ q.- L + P T / q r th ± (l- e ^ p / H); i = 1.2 n.
Die Ableitung der Beziehungen (2) bis (4) hat Linearität und Zeitinvarianz des betrachteten thermischen Modells zur Annah¬ me und wurde unter Verwendung des Faltungssatzes der Laplace Transformation durchgeführt.The derivation of the relationships (2) to (4) has linearity and time invariance of the thermal model under consideration and was carried out using the convolution theorem of the Laplace transformation.
Nach ihrer zweckmäßigen Normierung zur Überlaufsicheren und zeitsparenden Verarbeitung in Fraktional Festkommaarithmetik nehmen die Gleichungen (1) , (2) und (4) die folgende Gestalt an, wobei die hier auftretenden dimensionslosen Größen klein geschrieben werden: ; 5 . PT , q = c2 i^ q ( c- XT , ( After their appropriate standardization for overflow-proof and time-saving processing in fractional fixed-point arithmetic, equations (1), (2) and (4) take the following form, with the dimensionless quantities occurring here being written down in small letters: ; 5. PT, q = c 2 i ^ q (c- X T, (
nn
< 6 - Θq , max = Θa + k PT , q + Σ e i ΔΘi , q- l < mi t ei = e" τ τi , i = l< 6 - Θ q, max = Θ a + k PT, q + Σ e i ΔΘ i, q- l < mi te i = e "τ τ i, i = l
( 7 ) ΔΘi / q = ΔΘi ^ g. ! + k± pT / g;(7) ΔΘ i / q = ΔΘi ^ g. ! + k ± p T / g;
c l* c2 unc^ -^i sind dimensionslose Größen, wobei k = Σ k^ ist. c l * c 2 unc ^ - ^ i are dimensionless quantities, where k = Σ k ^.
Das für ein zu überwachendes Halbleiterventü ausgelegte Ver¬ fahren zur Verbesserung der Stromauslastung wird nun auf ein System von zu überwachenden Halbleiterεchaltern, bestehend aus je zumindest einem Halbleiterventü, ausgedehnt und unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichungssysteme (1) bis (4) bzw. (5) bis (7) , also auch unter Annahme der bereits er¬ wähnten, diesen Gleichungen zugrunde liegenden Voraussetzun- gen im Detail beschrieben.The method designed to improve the current utilization for a semiconductor valve to be monitored is now extended to a system of semiconductor switches to be monitored, each consisting of at least one semiconductor valve, and using the equation systems (1) to (4) or (5) described above ) to (7), that is also described in detail on the assumption of the above-mentioned requirements on which these equations are based.
Die realen Halbleiterventile des betrachteten Systems, für die vorausgesetzt wird, daß auf sie durchwegs dieselben Kenn¬ liniendaten zutreffen, werden durch ein einziges fiktives Er- satzventil V ersetzt. Diesem Ersatzventil V wird unter¬ stellt, daß es während der Schaltperiode q für die Leitdauer tp der realen Halbleiterventile mit einem Schaltstrom- Ersatzwert Iτ,q belastet ist, der sich z.B. durch geeignete Mittelung des realen SchaltStromverlaufs Is, über die Leit- dauer tp ergibt. Bei unterschiedlicher Belastung der einzel¬ nen Halbleiterventile wird zweckmäßigerweise das Maximum die¬ ser Mittelwerte genommen. Bei dem später erläuterten Ausfüh¬ rungsbeispiel eines netzgeführten Stromrichters wird bei¬ spielsweise der Mittelwert des Laststromes lL( ) gewählt. Ein solcher zeitlicher Ventilstromverlauf ist vereinfacht in Figur 2 unten dargestellt. Unter Verwendung von Gleichung (1) bzw. (5) kann somit die Amplitude der im Ersatzventil umgesetzten Durchlaßverlustleistung P-p „ bzw. p-p Q berechnet werden, wobei für diese Berechnung eine in Figur 3 darge¬ stellte Polygonnäherung der Durchlaßkennlinie herangezogen wird. Diese Polygonnäherung wird mit denjenigen Werten für die Schleusenspannung U-pn und den Ersatzwiderstand r-p durch¬ geführt, die vom Hersteller für die maximal zulässige Sperr¬ schichttemperatur θ angegeben sind. Der zugehörige, für die Berechnung der Sperrschichttemperatur verwendete zeitliche Verlauf der Durchlaßverlustleistung ist in Figur 2 oben dar- gestellt.The real semiconductor valves of the system under consideration, for which it is assumed that the same characteristic curve data apply throughout, are replaced by a single fictitious replacement valve V. This substitute valve V is assumed that during the switching period q it is loaded with a switching current substitute value Iτ, q for the conductance tp of the real semiconductor valves, which is obtained, for example, by appropriately averaging the real switching current curve Is, over the conductance tp . With different loads on the individual semiconductor valves, the maximum of these mean values is expediently taken. In the embodiment of a line-guided converter explained later, for example, the mean value of the load current IL () is selected. Such a temporal valve current curve is shown in simplified form in FIG. 2 below. Using equation (1) or (5), the amplitude of the in the replacement valve implemented forward power loss Pp "or pp Q are calculated, a polygon approximation of the forward characteristic curve shown in FIG. 3 being used for this calculation. This polygon approximation is carried out with those values for the lock voltage U-pn and the equivalent resistance rp that are specified by the manufacturer for the maximum permissible barrier layer temperature θ. The associated time profile of the forward power loss used for calculating the junction temperature is shown in FIG. 2 above.
Anhand der Beziehung (2) und (3) bzw. (6) wird nun die aktu¬ elle Spitzen-Sperrschichttemperatur Θg max bzw. Θq,max des Ersatzventils, die gemäß Fig. 2 der negativen Flanke des Strom, bzw. Durchlaßverlustleistungsimpulses zugeordnet ist, geschlossen und rekursiv als Summe der Umgebungstemperatur und der n Teil-Sperrschichterwärmungen für den Schaltzyklus q berechnet, und zwar als Faltungsintegral in Abhängigkeit von geeigneten Vorgängerwerten der Ersatz-Teilsperrschichterwär- mungen für den Schaltzyklus q-1. Falls es erforderlich ist, kann auch der Wert der Sperrschichttemperatur Θg zu jedem anderen Zeitpunkt berechnet werden.Based on the relationship (2) and (3) or (6), the current peak junction temperature Θ g max or Θq, max of the replacement valve, which according to FIG. 2 is assigned to the negative edge of the current or forward loss power pulse is closed and recursively calculated as the sum of the ambient temperature and the n partial junction heating for the switching cycle q, namely as a folding integral depending on suitable previous values of the replacement partial junction heating for the switching cycle q-1. If necessary, the value of the junction temperature Θg can also be calculated at any other time.
Dieser Berechnung liegt das in Figur 1 zu sehende thermische Modell n-ten Grades zugrunde, das aus einer Reihenschaltung von n RC-Gliedern besteht, wobei die Wärmewiderstände rth und Kapazitäten C*j_ sowie Zeitkonstanten τ^ dieser Ersatz- Schaltung vom Hersteller angegeben sind oder aus dem Zeitver¬ lauf des in Figur 4 dargestellten transienten Wärmewider- Standes des Wärmeüberganges Sperrschicht-Umgebung ermittelt werden.This calculation is based on the n-degree thermal model seen in FIG. 1, which consists of a series connection of n RC elements, the heat resistances r t h and capacitances C * j_ and time constants τ ^ of this equivalent circuit being specified by the manufacturer are or are determined from the time course of the transient thermal resistance of the heat transfer in the junction environment shown in FIG.
Die Bereitstellung geeigneter Vorgängerwerte für die Ersatz- TeilSperrschichterwärmungen kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Bei laufender Überwachung der Sperrschichttempera¬ tur der in Betrieb befindlichen Halbleiterventile (Schaltzyklus q) werden die während der vorhergehenden Schaltperiode q-1 gemäß der Gleichung (4) bzw. (7) berechne¬ ten Werte herangezogen. Diese Werte werden in jeder Schaltpe¬ riode nach Berechnung der Ersatz-Sperrschichctemperatur zur Verwendung im nächstfolgenden Schaltzyklus aktualisiert. Zu Beginn der thermischen Überwachung (1. Rechenzyklus) werden abgespeicherte, für das kalte Halbleiterventü repräsentative Werte für die jeweiligen n Ersatz-Teilsperrschichterwärmungen herangezogen. Bei Abschaltung des Halbleiterschalters oder bei Ausfall der Stromversorgung werden jedenfalls die Vor- gängerwerte mit relevant großen Zeitkonstanten τ*j_ resistent abgespeichert. Die Menge der resistent gespeicherten Daten hängt in erster Linie von der verfügbaren Zeit nach dem Er¬ kennen eines Versorgungsausfalles, dem verfügbaren Speicher¬ platz und der Speicherzugriffszeit des dafür vorgesehenen Speichermediumε, z.B. eines EEPROMs ab. Falls diese Bedingun¬ gen so ungünstig sind, daß aktualisierte Ersatz-Teilsperr¬ schichterwärmungen verloren gehen, so werden diese bei Wie¬ deraufnahme des Betriebes durch (z.B. in einem EPROM) perma¬ nent gespeicherte worst-caεe Werte ersetzt.Suitable predecessor values for the replacement partial barrier layer heating can be provided in different ways. When the junction temperature of the semiconductor valves in operation (switching cycle q) is continuously monitored, they become during the previous one Switching period q-1 values calculated according to equation (4) or (7) are used. These values are updated in each switching period after calculation of the equivalent barrier layer temperature for use in the next switching cycle. At the beginning of the thermal monitoring (1st computing cycle), stored values representative of the cold semiconductor valve are used for the respective n replacement partial barrier layer heating. When the semiconductor switch is switched off or the power supply fails, the predecessor values are saved with relevantly large time constants τ * j_. The amount of data stored in a resistant manner depends primarily on the time available after the detection of a supply failure, the available memory space and the memory access time of the storage medium provided for this purpose, for example an EEPROM. If these conditions are so unfavorable that updated replacement partial junction heating is lost, they are replaced by worst-case values permanently stored (for example in an EPROM) when operation is resumed.
In diesem Zusammenhang kann davon ausgegangen werden, daß in dem zu überwachenden Syεtem ein bekannter binärer Erwärmungε- melder in Form eineε Zeitmeßgliedes vorgesehen ist, das nach Erkennen eines Versorgungsausfalles oder nach Abschaltung des Systemε geεtartet wird und sofort beginnt, eine Referenzzeit, z.B. die zur Abkühlung der Sperrschicht deε Ersatzventils auf Umgebungstemperatur nötige Auskühlzeit auszuzählen. Bei Wie¬ deraufnahme des Betriebes zeigt dieseε Zeitmeßglied über ein Steuerbit an, ob diese Referenzzeit bereits verstrichen ist oder nicht, wonach die geeigneten Vorgängerwerte entsprechend der oben angeführten Kriterien ausgewählt werden. Ist die Referenzzeit noch nicht verstrichen (Erwärmungszustand "warm") , werden die vor Abschaltung gespeicherten Werte oder die sogenannten worst-case Werte als Vorgängerwerte verwen- det. Andernfallε werden die Vorgängerwerte durch die dem Erwärmungεzustand "kalt" zugeordneten, in der Regel permanent gespeicherten Vorgängerwerte ersetzt. Ist kein binärer Erwär- mungsmelder vorgesehen, so werden bei Aufnahme des Betriebeε jene Vorgängerwerte für die Erεatz-Teüεperrschichterwärmun- gen verwendet, die dem Ξrwärmungszustand "warm" zuzuordnen sind (entweder die vor dem Abschalten gespeicherten oder die worst-case Werte) , unabhängig davon, ob das Halbleiterventü bereits ausgekühlt ist oder nicht.In this context, it can be assumed that a known binary heating detector in the form of a time measuring element is provided in the system to be monitored, which is started after detection of a supply failure or after the system has been switched off and starts immediately, a reference time, for example, for cooling Count the necessary cooling time of the barrier layer of the replacement valve to the ambient temperature. When operation is resumed, this time measuring element uses a control bit to indicate whether this reference time has already passed or not, after which the suitable previous values are selected in accordance with the criteria mentioned above. If the reference time has not yet elapsed (warming state "warm"), the values saved before switching off or the so-called worst-case values are used as previous values. Otherwise, the predecessor values are replaced by the predecessor values associated with the "cold" heating state, which are generally permanently stored. Is not a binary warming provided that the previous values are used for the replacement high-temperature layer heating, which can be assigned to the warming state "warm" (either the values saved before switching off or the worst-case values), regardless of whether the semiconductor valve already exists cooled down or not.
Solange die gewählte Ansprechschwelle nicht überschritten wird, gestattet die programmgesteuerte thermische Überwachung jede denkbare Form der Überbelastung der stromführenden Halb¬ leiterventile. Falls die berechnete Temperatur die Ansprech¬ schwelle überschreitet, so werden die vom Benutzer festgeleg¬ ten Schutzmaßnahmen getroffen. Zumindest wird der Schaltstrom im zeitlichen Mittel über die Schaltperiode auf den Wert des Dauergrenzstromes verringert. Bei einem völligen Abschalten der Stromversorgung werden in vielen Fällen, wie zum Beispiel bei einem Kran oder Aufzug, gleichzeitig mechaniεche Sicherungen aktiviert werden, um Unfälle zu vermeiden.As long as the selected response threshold is not exceeded, the program-controlled thermal monitoring permits any conceivable form of overloading of the current-carrying semiconductor valves. If the calculated temperature exceeds the response threshold, the protective measures specified by the user are taken. At least the switching current is reduced on average over the switching period to the value of the continuous limit current. When the power supply is completely switched off, in many cases, for example in the case of a crane or elevator, mechanical fuses are activated at the same time in order to avoid accidents.
In Figur 5 ist ein Struktogramm der Hauptroutine dargestellt, in der die obengenannten normierten Gleichungen (5) , (6) und (7) verarbeitet werden. Diese Gleichungen sind auε Gründen der zeitεparenden und Überlaufsicheren Verarbeitung in Feεt- komma-Fraktionalarithmetik implementiert. Bei dem in Figur 5 dargestellten Algorithmus wird zusätzlich zu den eingangs genannten Vorausεetzungen Konstanz der Werte für die Leit- dauer tp und Schaltperiodendauer T gefordert, wie dies zum Beispiel für netzgeführte Stromrichter zutrifft. Die mit A bis F bezeichneten Schritte dieses Algorithmus werden im fol- genden näher erläutert.FIG. 5 shows a structogram of the main routine in which the above-mentioned standardized equations (5), (6) and (7) are processed. Because of the time-saving and overflow-proof processing, these equations are implemented in fixed-point fractional arithmetic. In the algorithm shown in FIG. 5, in addition to the prerequisites mentioned at the outset, constancy of the values for the lead time t p and switching period T is required, as is the case, for example, for line-guided converters. The steps of this algorithm denoted by A to F are explained in more detail below.
In dem ersten Berechnungsschritt A wird gemäß Beziehung (5) die Amplitude der im Ersatzventil umgesetzten Durchlaßver¬ lustleistung berechnet.In the first calculation step A, the amplitude of the forward loss power implemented in the replacement valve is calculated according to relationship (5).
In dem Schritt B wird der erste Summand auε Gleichung (6) be¬ rechnet und zur Umgebungstemperatur addiert. In dem nächsten Arbeitsgang C wird der Routine anhand eines Bits INIT die Information mitgeteilt, ob dem aktuellen Rechenzyklus eine willkürliche Abschaltung oder ein Versor- gungsausfall vorangegangen ist (INIT=0) oder nicht (INIT=1) , wonach die Routine entsprechend verzweigt.In step B, the first summand is calculated from equation (6) and added to the ambient temperature. In the next step C, the routine is informed using a bit INIT whether the current computing cycle was preceded by an arbitrary shutdown or a supply failure (INIT = 0) or not (INIT = 1), after which the routine branches accordingly.
Bei INIT=0 fließt in dem Berechnungsschritt D über ein weite¬ res Steuerbit ANF_ERW zusätzlich die von dem Erwärmungsmelder bereitgeεtellte Information über den Erwärmungszustand der Halbleiterventile ein. Bei diesem Schritt D der Hauptroutine wird unter Zugriff auf die gespeicherten Modellparameter (Wärmewiderstände ^-^ -j_, Wärmekapazitäten C^-^ bzw. Zeitkon¬ stanten t-j_ der RC-Glieder) der dritte Summand aus Gleichung (6) verarbeitet, wobei bei INIT=0 und ANF_ERW=0 die permanent gespeicherten Ersatz-Teilsperrschichterwärmungen für den Er¬ wärmungszustand "kalt" und bei INIT=1 die im Zuge des vorher¬ gehenden Rechenzyklus aktualisierten Ersatz-Teilsperr¬ schichterwärmungen verarbeitet werden. Bei INIT=0 und ANF_ERW=l werden zunächst die h ersten (h<n) abgespeicherten, im Zuge des vorhergehenden Rechenzyklus aktualiεierten Erεatz-Teüεperrschichterwärmungen als Vorgängerwerte verar¬ beitet. Für die restlichen (n-h) RC-Glieder des thermischen Modells werden dann permanent gespeicherte worst-case Werte aufgerufen. Nach Beendigung des Schrittes D ist das INIT-Bit in jedem Fall auf INIT:=1 gesetzt.If INIT = 0, the information provided by the heating detector about the heating state of the semiconductor valves also flows into the calculation step D via a further control bit ANF_ERW. In this step D of the main routine, the third summand from equation (6) is processed while accessing the stored model parameters (heat resistances ^ - ^ -j_, heat capacities C ^ - ^ or time constants t-j_ of the RC elements), wherein with INIT = 0 and ANF_ERW = 0 the permanently stored replacement partial junction heating for the heating state "cold" and with INIT = 1 the replacement partial junction heating updated in the course of the previous computing cycle are processed. With INIT = 0 and ANF_ERW = 1, the h first (h <n) stored replacement layer heaters, which were updated in the course of the previous computing cycle, are first processed as predecessor values. Permanently stored worst-case values are then called for the remaining (n-h) RC elements of the thermal model. After step D has ended, the INIT bit is set to INIT: = 1 in any case.
In dem nächsten Programmschritt E werden bei Überschreiten der Ansprechschwelle durch den für die Ersatz-Sperrschichter- wärmung berechneten Wert die vom Benutzer festgelegten Schutzmaßnahmen ausgelöst.In the next program step E, if the response threshold is exceeded, the protective measures defined by the user are triggered by the value calculated for the replacement barrier layer heating.
In einem abschließenden Berechnungsschritt F wird vom Prozes¬ sor für jedes Glied i des thermischen Modells die Ersatz- Teilsperrschichterwärmung gemäß Beziehung (7) aktualisiert und zur Verwendung im nächsten Rechenzyklus bereitgehalten. Danach kann sich der Prozessor wieder anderen Aufgaben zuwen- den, bis ein von einem getakteten Timer geliefertes Signal die Ausführung des nächsten Rechenzyklus (Schritte A biε F) anordnet.In a final calculation step F, the processor updates the replacement partial barrier layer heating for each element i of the thermal model in accordance with relationship (7) and makes it available for use in the next calculation cycle. Then the processor can turn to other tasks. until a signal supplied by a clocked timer orders the execution of the next computing cycle (steps A to F).
Figur 6 zeigt ein Anwendungεbeiεpiel der thermiεchen Überwa¬ chung anhand eines drehzahlgeregelten Gleichstomantriebes. Wie der Fig. 6 zu entnehmen iεt, übernimmt ein Dreiphasen- Stromrichter SR3 die Funktion deε Laεtεtromrichterε. Er speist gleichstromseitig den Ankerkreis einer Gleichstromma- schine GM.FIG. 6 shows an application example of thermal monitoring using a speed-controlled direct current drive. As can be seen in FIG. 6, a three-phase converter SR3 takes over the function of the load converter. On the DC side, it feeds the armature circuit of a GM DC machine.
Bei Regelung auf einen Drehzahlfestwert und Belastung durch ein festes mechanischeε Widerstandsmoment an der Maschinen¬ welle stellt sich in Verbindung mit der Regelung der Drehzahl auch ein fester Laststromistwert Iist< d.h. ein stationärer Betriebszustand ein. Nimmt man für den Laststromrichter die üblicherweise eingesetzte sechεpulεige Drehstrom-Brücken¬ schaltung an, so führt dann während jedes 60-Grad-Phasenin- tervallε ein andereε Paar von Stromrichterventilen deε Strom- richters diesen Strom I-j_Sf I Verlauf jeder Taktperiode er¬ folgt eine Beteiligung aller Stromrichterventile an der Last¬ stromführung.For control at a fixed speed and load value by a fixed mechanischeε moment of resistance at the Maschinen¬ wave arises in connection with the control of the speed, a fixed Laststromistwert Ii s t <ie a stationary operating state. If the six-pulse three-phase bridge circuit that is normally used is assumed for the load converter, then a different pair of converter valves of the converter leads this current I-j_ Sf I course of each clock cycle during each 60-degree phase interval a participation of all converter valves in the load current supply.
Nicht nur im stationären, sondern auch in jedem dynamischen Betriebsfall bzw. bei Regelung auf einen beliebigen zeitli¬ chen Drehzahlverlauf, d.h. also im Fall eines nahezu beliebi¬ gen zeitlichen Laststromverlaufeε werden alle realen Strom¬ richterventile unter Benützung der bereits genau erläuterten Fiktion eines für sie repräsentativen Ersatzventils, welches hier während seiner Leitdauer als mit dem Laststrommittelwert über eine Schaltperiode belastet angenommen wird, von der Mikrorechnereinheit in Echtzeit laufend thermisch überwacht. Wenn die Rechenleistung, Rechnerauslastung und Speicherdaten es zulaεεen, kann hier die programmgesteuerte thermische Überwachung noch entscheidend verschärft, verfeinert und in der Reaktion beschleunigt werden, indem in jeder Sechstelpe¬ riode die Ersatz-Sperrschichttemperatur des jeweils in der unmittelbar vorhergehenden Sechstelperiode abkommutierten Thyristorε unter Berücksichtigung der jeweils gültigen Vor¬ gängerwerte für die Ersatz-Teilsperrschichterwärmungen berechnet wird.Not only in the steady state, but also in every dynamic operating case or when regulating to an arbitrary temporal speed curve, ie in the case of an almost arbitrary temporal load current curve, all real converter valves become one for them using the fiction which has already been explained in detail representative replacement valve, which is assumed to be loaded with the load current mean value over a switching period during its lead time, continuously thermally monitored by the microcomputer unit in real time. If the computing power, computer load and memory data allow it, the program-controlled thermal monitoring can be decisively tightened, refined and accelerated in the reaction by the replacement junction temperature of the respective in each sixth period immediately preceding sixth period of the commutated thyristor is calculated taking into account the respectively valid predecessor values for the replacement partial barrier layer heating.
Fig. 6 zeigt u.a. auch das Eingangs- bzw. Ausgangssignalbün- del auf, welches der Mikrorechner in Zusammenhang mit der thermischen Überwachung und der Drehzahl- und Stromregelung zu verarbeiten bzw. zu liefern hat. Der Laststrom-Iεtwert wird mit einem Stromwandler SW gemesεen und in daε Analogsi- gnal Iist,gew umgewandelt. list.gew ^st e^-n Schlüsselsignal sowohl für die thermische Überwachung als auch für die der Drehzahlregelung unterlagerte Stromregelung. Zusätzlich kann bei einer Ausführungsform der Erfindung eine Meßeinheit zur Messung der Umgebungstemperatur MU an den Kühlkörpern des LastStromrichters installiert werden. Diese liefert dann das Analogsignal Θa als Maß für die Umgebungstemperatur an die Mikrorechnereinheit. Das Bedienfeld ermöglicht dem Anwender u.a. die Zu- bzw. Abschaltung der thermischen Überwachung und die Wahl der Schutzmaßnahmen, die beim Ansprechen der Überwa¬ chung in Kraft treten sollen. Werden die Schutzmaßnahmen durch Warnungen und Fehlermeldungen ergänzt, so können diese, aber auch z.B. die gemessene Umgebungstemperatur, einer An¬ zeige entnommen werden.6 also shows, among other things, the input or output signal bundle which the microcomputer has to process or deliver in connection with the thermal monitoring and the speed and current control. The load current value is measured with a current transformer SW and converted into the analog signal I act, wt. list.gew ^ st e ^ - n Key signal both for thermal monitoring and for the current control subordinate to the speed control. In addition, in one embodiment of the invention, a measuring unit for measuring the ambient temperature MU can be installed on the heat sinks of the load converter. This then supplies the analog signal Θ a to the microcomputer unit as a measure of the ambient temperature. The control panel enables the user, inter alia, to switch the thermal monitoring on and off and to select the protective measures which are to take effect when the monitoring is activated. If the protective measures are supplemented by warnings and error messages, these, but also, for example, the measured ambient temperature, can be taken from a display.
Die Mikrorechnereinheit wird über die Stromversorgung SV ver¬ sorgt, welche u.a. auch eine Baugruppe VN zur Realisierung einer Frühwarnung bei einem Netzausfall enthält. Diese Bau¬ gruppe εendet bei kritischem Abfall der Versorgungsspannung ein digitales Frühwarnsignal zur Verarbeitung an die Mikro¬ rechnereinheit . Eine weitere Aufgabe der Mikrorechnereinheit ist unter anderem die Steuerung deε Phasenanschnittswinkelε α über die Einheit zur Erzeugung der Zündimpulse für die Thyristoren.The microcomputer unit is supplied via the power supply SV, which among other things also contains a VN module for implementing an early warning in the event of a power failure. In the event of a critical drop in the supply voltage, this module sends a digital early warning signal to the microcomputer unit for processing. Another task of the microcomputer unit is, among other things, the control of the phase angle α via the unit for generating the ignition pulses for the thyristors.
Im folgenden werden nun noch einige Details von Fig. 6 besprochen, welche nicht unmittelbar mit der Erfindung in Zusammenhang stehen und lediglich zur Erläuterung der Funk¬ tion des dargestellten Gleichstromantriebes dienen.In the following some details of FIG. 6 are discussed which are not directly related to the invention in Are related and only serve to explain the function of the DC drive shown.
Der in der Mikrorechnereinheit digital realisierte Drehzahl- regier benötigt die Signale nson und n-j_st als Informationen über Soll- und Istwert der Drehzahl. Die Solldrehzahl wird durch den Anwender vorgegeben, die Istdrehzahl durch die Tachometermaschine TM an der Welle gemessen.The speed controller implemented digitally in the microcomputer unit requires the signals n so n and n-j_ st as information about the setpoint and actual value of the speed. The target speed is specified by the user, the actual speed is measured by the tachometer machine TM on the shaft.
Die Gleichstrommaεchine GM ist fremderregt, die Erreger¬ wicklung der Gleichstrommaschine GM mit der Induktivität Le also fremdgespeist, und zwar wie allgemein üblich durch einen Zweiphasenstromrichter SR2 (Feldstromrichter) . Im Ankerkreis wird die Welligkeit des Lastεtrom-Istwertes durch eine Glät- tungsdrossel Lg auf das gewünschte Maß vermindert. Drehstrom- seitig sind die beiden Stromrichter SR2 und SR3 mit Kommutie¬ rungsdrosseln zur Unterstützung der Kommutierung bestückt, SR3 ist durch Strangsicherungen z.B. gegen Kurzschlußströme abgesichert. Die strichpunktierte Linie in Fig. 6 umrandet all jene Baugruppen, die im Stromrichtergerät SG zusammenge¬ faßt sind.The direct current machine GM is externally excited, the excitation winding of the direct current machine GM with the inductor Le is thus externally supplied, as is generally the case by a two-phase converter SR2 (field converter). In the armature circuit, the ripple of the actual load current value is reduced to the desired level by a smoothing choke Lg. On the three-phase side, the two converters SR2 and SR3 are equipped with commutation chokes to support commutation, SR3 is protected by string fuses e.g. protected against short-circuit currents. The dash-dotted line in FIG. 6 frames all those assemblies which are combined in the converter device SG.
Die in Figur 7 dargestellte, durch einen Taktgeber 14 getak¬ tete Mikrorechnereinheit besteht aus einem Mikrorechnerkern mit einer Prozesεoreinheit 10, einen Analog/Digitalwandler 12 und einen Timer 8. Weiterε sind in dieser Mikrorechnereinheit drei digitale Speicher 16, 18 und 20, ein Zeitmeßglied 22 mit zugehörigem Spannungspuffer 24, digitale Ein- Ausgabeeinhei¬ ten 26, 28 und 30 und die erforderlichen Busverbindungen, wie Adreß- Daten- und Steuerbus vorgesehen, wobei der Einfachheit halber in Fig. 7 nur der Steuerbus eingezeichnet iεt . Alε Prozeεsor wird im gegenständlichen Fall ein mit 36 MHz getak- teter MikroController deε Typε SIEMENS 80C166 verwendet. Ebenso kann jedoch jeder andere handelsübliche Prozessor mit der erforderlichen Rechenleistung eingesetzt werden. Das RAM 18 dient allgemein zur Speicherung von veränderlichen Daten und das EPROM 16 zur Speicherung von unveränderlichen Daten, wie Tabellen und u.a. auch der in Fig. 7 angegebenen Programme. Durch Ein- Ausgabesteine 26, 28 und 30 erfolgt die Bereitstellung und Abholung der mit rechnerexternen Baugrup¬ pen auszutauschenden digitalen Informationen. So werden z.B. über den Baustein 26 Informationen über Zu- oder Abschaltung der thermischen Überwachung und die Wahl der Maßnahmen zum Schutz deε Leistungεteüs eingeholt und durch den Baustein 28 die Information über den Phasenanschnittswinkel α für die Einheit zur Zündimpulεbüdung bereitgestellt. Der Baustein 30 übernimmt einerseits die Ausgabe anfallender Fehlermeldungen, Warnungen und gegebenenfalls von Werten der Umgebungstempera¬ tur, andererseits aber auch in Zusammenwirken mit den übrigen Baugruppen der Mikrorechnereinheit und der Frühwarneinrich¬ tung VN die bereits ausführlich beschriebene Funktion bei willkürlicher Abschaltung, Ausfall der Stromversorgung SV oder bei Ansprechen des Kurzzeitschutzes.The microcomputer unit shown in FIG. 7, clocked by a clock generator 14, consists of a microcomputer core with a processor unit 10, an analog / digital converter 12 and a timer 8. Furthermore, there are three digital memories 16, 18 and 20, a time measuring element 22 in this microcomputer unit with associated voltage buffer 24, digital input / output units 26, 28 and 30 and the required bus connections, such as address, data and control bus are provided, only the control bus being shown in FIG. 7 for the sake of simplicity. In the present case, a microcontroller of the type SIEMENS 80C166 clocked at 36 MHz is used as the processor. However, any other commercially available processor with the required computing power can also be used. The RAM 18 is generally used for storing changeable data and the EPROM 16 for storing unchangeable data, such as tables and, inter alia, the programs indicated in FIG. 7. The input and output blocks 26, 28 and 30 provide and pick up the digital information to be exchanged with modules external to the computer. For example, information about the activation or deactivation of the thermal monitoring and the choice of measures for protecting the power output are obtained via the component 26 and the information about the phase angle α is provided for the unit for ignition pulse injection by the component 28. The module 30 takes on the one hand the output of error messages, warnings and possibly values of the ambient temperature, but on the other hand also in cooperation with the other modules of the microcomputer unit and the early warning device VN the function already described in detail in the event of an arbitrary shutdown, failure of the power supply SV or when the short-term protection trips.
Die Anwendung der vorliegenden Erfindung beschränkt sich nicht nur auf daε in Fig. 6 erläuterte Anwendungsbeispiel eines netzgeführten Stromrichters. Grundsätzlich können alle getakteten Halbleiterschalter mit einer solchen Einrichtung versehen und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ther- misch überwacht werden. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind beispielsweise mit einem bestimmten Tastverhältnis getaktete Stromversorgungen, wie Inverswandler, Tiefsetz- oder Hoch- εetzεteller.The application of the present invention is not limited only to the example of use of a line-guided converter explained in FIG. 6. In principle, all clocked semiconductor switches can be provided with such a device and thermally monitored using the method according to the invention. Further possible applications are, for example, power supplies clocked with a certain duty cycle, such as inverse converters, step-down or step-up converters.
Zu den bereitε eingangs erwähnten Vorteilen der Erfindung hat die Anwendung deε thermiεchen Modells zur Berechnung einer Ersatz-Sperrschichttemperatur eines Halbleiterventüs mittels eineε Digitalrechners den weiteren großen Vorteil, daß auf Basis dieses Modells für viele praktische Anwendungsfälle Projektierungsunterlagen exakt berechnet werden können und der Kunde somit für seinen spezifischen Anwendungsfall ein günstiges und dennoch überhitzungsfestes System auswählen kann. Besonders kostensparend erweist sich das Verfahren bei Anwendung auf eine ganze Typenreihe von Halbleiterschaltun¬ gen, wenn alle Schaltungstypen mit ein- und derεelben Soft¬ ware bedient werden, die bei anfallender Verarbeitung typen- εpezifiεcher Informationen auf typenεspezifische Tabellen zugreift. In addition to the advantages of the invention mentioned at the outset, the use of the thermal model for calculating a replacement junction temperature of a semiconductor device by means of a digital computer has the further great advantage that, on the basis of this model, project planning documents can be calculated precisely for many practical applications, and thus the customer for his Select an inexpensive, yet overheat-proof system for a specific application can. The method proves to be particularly cost-saving when applied to a whole type series of semiconductor circuits if all circuit types are operated with one and the same software, which accesses type-specific information when processing type-specific information.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur Verbesserung der Stromauslastung eines oder mehrerer, ein- und ausschaltbarer Halbleiterschalter mit zumindest je einem Halbleiterventil (V), insbesondere zur Verwendung in einem Stromrichter (SR3), wobei jedes Halblei¬ terventil (V) periodisch während einer Leitdauer (tp) mit Strom belastet ist und die Sperrschichterwärmung zumindest eines Halbleiterventils (V) zu jeder Schaltperiode (q) unter Einführung eines Ersatzventils (V) überwacht wird, welches aufgrund der Kenndaten des Halbleiterventils (V) anhand eines thermischen Modells n-ten Grades aus n RC-Gliedern mit je einem Wärmewiderstand ( --h) und einer Zeitkonstanten (τ) ge¬ bildet wird, und für die Überwachung der Sperrschichterwär- mung ein im Leitzustand durch das Halbleiterventil (V) flie¬ ßender Schaltstrom (Is,q) herangezogen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:1. A method for improving the current utilization of one or more semiconductor switches that can be switched on and off, each with at least one semiconductor valve (V), in particular for use in a power converter (SR3), each semiconductor valve (V) periodically during a conduction period (t p ) is loaded with current and the barrier layer heating of at least one semiconductor valve (V) is monitored at each switching period (q) by introducing a replacement valve (V) which, based on the characteristics of the semiconductor valve (V), uses a thermal model of nth degree from n RC Gates, each with a thermal resistance (--h) and a time constant (τ), and a switching current (Is, q) flowing in the conducting state through the semiconductor valve (V) is used to monitor the junction heating , characterized in that the method comprises the following steps:
a) Bestimmen eines Schaltstrom-Ersatzwertes dτ, - ' bei¬ spielsweise durch Mittelung des während der Leitdauer (tp) durch das Halbleiterventil (V) fließenden Schalt¬ stromes (Ig(g) .a) Determining a switching current substitute value dτ, - 'for example by averaging the switching current (Ig ( g) flowing through the semiconductor valve (V) during the conduction period (tp).
b) Berechnen einer durch den Schaltstrom-Ersatzwert Üτ, ) im Ersatzventil (V) umgesetzten Verlustleistung (P*p,q)/b) Calculating a power loss (P * p, q) / converted by the switching current substitute value Üτ,) in the substitute valve (V) /
c) Berechnung einer Ersatz-Sperrschichttemperatur (Θg) für das Ersatzventil (V) unter Zuhilfenahme des berechneten Wertes für die Verlustleistung (P<p,q) und der Parameter für die Wärmewiderstände (rj-^ -j_) und die Zeitkonstanten ( j_) der einzelnen RC-Glieder des thermischen Modells, sowie unter Einrechnung der Umgebungstemperatur (Θa) ,c) Calculation of a replacement junction temperature (Θ g ) for the replacement valve (V) with the aid of the calculated value for the power loss (P <p, q) and the parameters for the thermal resistances (r j - ^ -j_) and the time constants (j_) of the individual RC elements of the thermal model, and taking into account the ambient temperature (Θ a ),
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß es weiters die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen eines Satzes von n Vorgangerwerten (ΔΘ-*_ g) für Ersatz-Te sperrschichterwarmungen der ein- zelnen RC-Glieder des Ersatzventils (V ) ,2. The method according to claim 1, dadurchge ¬ indicates that it further comprises the following steps: Provision of a set of n process values (ΔΘ - * _ g ) for replacement barrier layer heating of the individual RC elements of the replacement valve (V),
f) Geschlossene und rekursive Berechnung der Ersatz-Sperr¬ schichttemperatur (Θg) des Ersatzventils (V ) unter Zu¬ hilfenahme des Satzes von n Vorgängerwerten (ΔΘ1(g) .f) Closed and recursive calculation of the replacement junction temperature (Θg) of the replacement valve (V) with the aid of the set of n previous values (ΔΘ 1 ( g).
g) Geschlossene und rekursive Berechnung der Ersatz-Teil- sperrschichterwarmungen (AΘ„) zur Verwendung als Vor- gangerwerte in der nachfolgenden Schaltperiode (q+1) .g) Closed and recursive calculation of the replacement partial barrier layer heating (AΘ „) for use as previous values in the subsequent switching period (q + 1).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Schutzma߬ nahmen gesetzt werden, falls die berechnete Ersatz-Sperr¬ schichttemperatur (Θg) eine gewählte Ansprechschwelle über¬ schreitet .3. The method according to any one of claims 1 or 2, that the protective measures are taken if the calculated substitute barrier layer temperature (Θg) exceeds a selected response threshold.
4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Ersatzventil (V ) zur Berechnung der Ersatz-Sperrschichttemperatur (Θg) eine Belastung durch einen rechteckförmigen Stromimpuls unter¬ stellt wird, dessen Amplitude gleich dem Schaltstro -Ersatz- wert d ,q- und dessen Pulsbreite gleich der Leitdauer (tp)4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the equivalent valve (V) for calculating the equivalent junction temperature (Θ g ) is subjected to a load by a rectangular current pulse, the amplitude of which is equal to the switching current value d , q- and its pulse width equal to the lead time (t p )
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für die Verlustleistung (P*p;q) die Durchlaßverlustleistung herangezo¬ gen wird, wobei Kennliniendaten zur Berechnung der Durchla߬ verlustleistung aus einer Polygonnäherung erhalten werden, die eine Funktion der Schleusenspannung (U-po) und des Ersatz¬ widerstandes (r*p) bei einer bestimmten Referenztemperatur, beispielsweise der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur (&) ist. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, since ¬ characterized in that the forward power loss is used for the power loss (P * p ; q), characteristic data for calculating the forward power loss being obtained from a polygon approximation, which is a function the lock voltage (U-po) and the equivalent resistance (r * p) at a specific reference temperature, for example the maximum permissible junction temperature ( &).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei Aus¬ führung des Schrittes c) nach Anspruch 1 der zeitlich dem Ende der Leitdauer (tp) zugeordnete Spitzenwert der Ersatz- Sperrschichttemperatur (Θg,max' des Ersatzventils (V) berechnet wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, since ¬ characterized in that when executing step c) according to claim 1 of the time associated with the end of the lead time (t p ) peak value of the equivalent junction temperature (Θ g , max ' of Replacement valve (V) is calculated.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für die Umgebungstemperatur ein aktuell gemessener Wert (Θa) heran¬ gezogen wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, since ¬ characterized in that a currently measured value (Θ a ) is used for the ambient temperature.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die An- sprechschwelle nach Anspruch ld) so eingestellt wird, daß Überschneidungen mit herkömmlichen Überstromschutzmaßnahmen, wie beispielsweise mit Sicherungen oder Leistungsschaltern, vermieden werden.8. The method according to any one of claims 3 to 7, so that the response threshold according to claim 1d) is set such that overlaps with conventional overcurrent protection measures, such as fuses or circuit breakers, are avoided.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als An¬ sprechschwelle höchstens die maximal zulässige Sperrschich - temperatur (τ_>) gewählt wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, so that the maximum permissible barrier layer temperature (τ_>) is selected as the response threshold.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei Über¬ schreiten der Ansprechschwelle des Halbleiterventils (V) der Schaltstrom ds,q) im zeitlichen Mittel über eine Schaltperi¬ ode (q) zumindest auf 100% des Dauergrenzstromes verringert wird.10. The method according to any one of claims 3 to 9, since ¬ characterized in that when exceeding the response threshold of the semiconductor valve (V) the switching current ds, q) i m time average over a Schaltperi¬ ode (q) at least to 100% of Continuous limit current is reduced.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei Ausfall der Stromversorgung der aktuelle Satz der n Ersatz-Teü- sperrschichterwärmungen (ΔΘ*j_#q) zur späteren Wiederverwendung zumindest teilweise abgespeichert wird und 2α11. The method according to any one of claims 1 to 10, since ¬ characterized in that in the event of a power failure, the current set of n replacement Teü- barrier layer heating (ΔΘ * j_ # q) is at least partially stored for later reuse and 2α
daß nicht abgespeicherte Werte durch permanent gespeicherte worst^case-Werte ersetzt werden.that unsaved values are replaced by permanently stored worst ^ case values.
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß während des Versorgungsaus- falls ein binärer Erwärmungεmelder aktiviert wird, welcher bei Wiederaufnahme deε Betriebes anzeigt, ob die Sperrschicht des Halbleiterventils (V) bereitε auf Umgebungεtemperatur ab¬ gekühlt ist .12. The method according to claim 11, so that a binary heating detector is activated during the supply failure, which, when operation resumes, indicates whether the barrier layer of the semiconductor valve (V) is already cooled to ambient temperature.
13. Einrichtung zur Verbesserung der Stromauslaεtung eines oder mehrerer ein- und ausεchaltbarer Halbleiterschalter mit zumindest je einem Halbleiterventil (V), insbesondere zur Verwendung an einem Stromrichter (SR3), wobei jedes Halblei- terventil (V) periodisch während der Leitdauer (tp) mit Strom belastet iεt und die Sperrschichterwärmung zumindest eines Halbleiterventils (V) zu jeder Schaltperiode (q) unter Ver¬ wendung eines Ersatzventils (V) überwacht wird, welches anhand der Kenndaten des Halbleiterventils (V) durch ein thermiεcheε Modell n-ten Gradeε, bestehend aus n RC-Gliedern mit jeweils einem Wärmewiderstand (r^h) und einer Zeitkon¬ stanten (τ-j gebildet wird, und für die Überwachung der Sperrschichterwärmung ein Mittel (SW) zum Erfassen des durch das Halbleiterventil (V) fließenden Schaltstromes (Is,q) vor- gesehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ¬ n e t , daß die Einrichtung folgendes aufweist :13. Device for improving the current utilization of one or more semiconductor switches that can be switched on and off, each with at least one semiconductor valve (V), in particular for use on a converter (SR3), each semiconductor valve (V) periodically during the lead time (t p ) is loaded with current and the barrier layer heating of at least one semiconductor valve (V) is monitored at each switching period (q) using a replacement valve (V), which consists of an n-th degree thermal model based on the characteristic data of the semiconductor valve (V) n RC elements, each with a thermal resistance (r ^ h) and a time constant (τ-j), and a means (SW) for monitoring the junction heating for detecting the switching current flowing through the semiconductor valve (V) (Is , q) is provided, characterized in that the device has the following:
a) Mittel (SW, 12,10) zum Bestimmen eineε Schaltstrom- Erεatzwerteε (Iτ,q) < beiεpielεweise durch Mittelung des gemessenen Schaltstromes (Is,q) über die Leitdauer (tp) ,a) means (SW, 12, 10) for determining a switching current replacement value (Iτ, q) <for example by averaging the measured switching current (Is, q) over the conductance (tp),
b) Mittel (10) zum Berechnen einer durch den Schaltstrom- Ersatzwert dτ,q) im Ersatzventil umgesetzten Verlust¬ leistung (Pτ,q* und der Ersatz-Sperrschichttemperatur (Θg) des Ersatzventils (V) . b) means (10) for calculating a power loss (Pτ, q *) converted by the switching current replacement value dτ, q) in the replacement valve and the replacement junction temperature (Θg) of the replacement valve (V).
14. Einrichtung nach Anspruch 13, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß sie weiters folgendes aufweist :14. Device according to claim 13, so that it also has the following:
c) Mittel (16,18,20) zum Bereitstellen eines Satzes von n Vorgängerwerten (ΔΘj/ q-i) für die Ersatz-Teilsperr¬ schichterwärmungen der einzelnen RC-Glieder des thermi¬ schen Modells n-ten Grades für das Ersatzventil (V) .c) means (16, 18, 20) for providing a set of n predecessor values (ΔΘj / qi) for the replacement partial blocking layer heating of the individual RC elements of the thermal model of the nth degree for the replacement valve (V).
d) Mittel (10) zur geschlossenen rekursiven Berechnung der Ersatz-Sperrschichttemperatur (Θg) des Ersatzventils (V) und der aktuellen Ersatz-Teilsperrschichterwärmungen (Δθi#q).d) Means (10) for the closed recursive calculation of the replacement junction temperature (Θ g ) of the replacement valve (V) and the current replacement partial junction heating (Δθ i # q ).
15. Einrichtung nach den Ansprüchen 13 und 14, d a ¬ d u r c h g- e k e n n z e i c h n e t , daß sie Mittel (10,16,28,30) zum Setzen von Schutzmaßnahmen aufweist, welche aktiv werden, wenn die berechnete Ersatz-Sperrschichttempera¬ tur (Θg) eine gewählte Ansprechschwelle überschreitet.15. Device according to claims 13 and 14, since ¬ by g- indicates that it has means (10, 16, 28, 30) for setting protective measures which become active when the calculated replacement junction temperature (Θg) exceeds a selected response threshold.
16. Einrichtung nach Anspruch 13, 14 oder 15, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Halb¬ leiterventile (V) Thyristoren sind.16. Device according to claim 13, 14 or 15, that the semiconductor valves (V) are thyristors.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie weiters aufweist: Mit den Berechnungsmitteln (10) verbundene Analog/Digitalwandlermittel (12) zum Digitalisieren von Ein¬ gangsgrößen, wie beispielsweise eines Laststromes oder einer herrschenden Umgebungstemperatur, einen mit einem Bedienfeld gekoppelten Ein/Ausgabebaustein (26) zur Auswahl der Schutz¬ maßnahmen durch den Benutzer, eine Vorrichtung (VN) zur Früh¬ erkennung eines Versorgungsausfalles enthält, die das Ausfüh¬ ren der Schritte nach Anspruch 11 in Gang setzt und Mittel (30) zur Ausgabe von Fehlermeldungen und Warnungen. 17. Device according to one of claims 13 to 16, characterized in that it further comprises: with the calculation means (10) connected analog / digital converter means (12) for digitizing input variables, such as a load current or a prevailing ambient temperature, one with a Control panel coupled input / output module (26) for the selection of the protective measures by the user, a device (VN) for early detection of a supply failure, which initiates the execution of the steps according to claim 11 and means (30) for Output of error messages and warnings.
18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie ein an die Analog/Digitalwandlermitt.el (12) angeschlossenes Mittel (MU) zur Messung der Umgebungstemperatur aufweist.18. Device according to one of claims 13 to 17, so that it has a means (MU) for measuring the ambient temperature which is connected to the analog / digital converter means (12).
19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie einen mit den Berechnungsmitteln (10) gekoppelten Timer (8) aufweist, der je Schaltperiode ein Signal zum Starten der Verfahrensschritte nach Anspruch 1 ausgibt. 19. Device according to one of claims 13 to 18, so that it has a timer (8) coupled to the calculation means (10), which outputs a signal for starting the method steps according to claim 1 per switching period.
PCT/EP1994/000729 1993-03-09 1994-03-09 Power load improvement of semiconductor valves WO1994021020A1 (en)

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