WO1994022198A1 - Diodenüberwachung - Google Patents

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WO1994022198A1
WO1994022198A1 PCT/DE1994/000189 DE9400189W WO9422198A1 WO 1994022198 A1 WO1994022198 A1 WO 1994022198A1 DE 9400189 W DE9400189 W DE 9400189W WO 9422198 A1 WO9422198 A1 WO 9422198A1
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Inventor
Gerhard Spilger
Thomas Klinger
Dieter Stellwag
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H6/00—Emergency 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/24—Electric supply or control circuits therefor
    • B23K11/25—Monitoring devices
    • B23K11/252—Monitoring devices using digital means
    • B23K11/257—Monitoring devices using digital means the measured parameter being an electrical current

Definitions

  • the invention is based on a method and a Schutzanordnur.g according to the types of independent claims 1 and 3.
  • Hoch ⁇ current rectifier diodes for which the arrangement according to the invention is provided, are used for example in known welding systems (EP 185 629), in which an alternating current is first transformed in a welding transformer and then rectified by means of one or more high-current diodes. It is known, for example from DE-OS 41 34 461, to provide general measures for the protection of the primary-side power semiconductor components in such welding systems. It is also known to monitor cooled high-current diodes for the fact that coolant is present or that its temperature does not exceed a limit value.
  • High-current diodes which are suitable for the above-mentioned application in welding systems, are generally expensive components, the installation or replacement of which is also labor-intensive and therefore additionally cost-intensive. Destruction of the high-current diodes, which occurs in particular as a result of possibly even a brief overload, should be avoided for these reasons. For applications where such expensive high-current diodes are used are, and in which an overload cannot be completely ruled out at the same time, it is therefore expedient to provide additional measures to protect the secondary-side high-current diodes.
  • the object of the invention is to specify a method and an arrangement which permit this.
  • the object is achieved by a method and an arrangement having the features of independent claims 1 and 3.
  • the method according to the invention can be retrofitted to existing systems.
  • the associated arrangement consists of standard components and is therefore simple and inexpensive to implement. It is particularly expedient to use the method according to the invention in known spot welding systems which are operated in intermittent operation.
  • FIG. 1 shows a structural diagram of an arrangement according to the invention
  • FIG. 2 shows a typical profile of the diode junction temperature during intermittent operation
  • FIG. 3 shows an example of an embodiment of the RC network
  • FIG. 4 shows a diagram corresponding to FIG. Network simulated temperature curve.
  • FIG. 1 shows a DC welding system as an example of an application of the method according to the invention or the associated arrangement.
  • a welding current is first transformed to the desired voltage, rectified in high-current rectifier diodes 10 and finally the welding gun 12 supplied.
  • a current meter 20 measures the current I ⁇ flowing on the secondary side of the welding transformer 11 and transmits the measured value to a controlled current source 21.
  • the current meter 20 is expediently arranged, as shown in FIG.
  • an arrangement directly behind a high current diode 10 is also possible. The ammeter then only detects the current flowing through a high current diode 10, to which the monitoring arrangement is to be adapted.
  • a toroidal coil with a downstream integrating element 27 can be used as the ammeter 20.
  • the integrating element 27 is usually necessary because a toroidal coil does not measure the absolute value of the current, but rather its change over time d / dt.
  • the controlled direct current source 21 impresses a direct current I into a measuring line 28, which always corresponds to the current I flowing on the secondary side of the welding transformer 11.
  • a network block 22 Connected to the direct current source 21 and connected to it via the measuring line 28 is a network block 22 which has an RC network consisting of a plurality of resistors 25 and capacitors 26.
  • the output voltage signal U of the network block 22 is fed via the measuring line 28 to a monitoring circuit 23.
  • This contains, in particular, a comparator arrangement expediently constructed from a plurality of comparators which contains the voltage signal supplied via the measuring line
  • the monitoring circuit 23 is followed by a control 24, which in particular is capable of switching off the welding current I flowing through the high-current diodes 10, if necessary.
  • the components 21 to 28 are expediently integrated together in an already existing assembly of the welding controller.
  • the high-current diodes 10, the ammeter 20 and the welding transformer 11 are also expediently combined to form a block.
  • the function of the proposed arrangement is described below.
  • the basic idea of the proposed monitoring arrangement 20 to 28 is to simulate the thermal behavior of one or more diodes 10 to be monitored by means of an electrical equivalent circuit.
  • the core component of the proposed arrangement 20 to 28 is the network block 22, in which the electrical equivalent circuit is arranged in the form of an RC network.
  • This network consisting of resistors 25 and capacitors 26, impresses the measuring line 28 with a current and time-dependent voltage U.
  • the course of the voltage U depends on the size of the resistors 25 or the capacitances of the capacitors 26.
  • the course of the voltage U present in the measuring line 28 is influenced in such a way that it corresponds exactly to the temperature behavior of the Junction layer temperature of the high current diodes corresponds to the same current.
  • the voltage U present at the output of the network block 22 corresponds in each case to the current temperature T of the diodes 10.
  • the temperature observed is usually the junction temperature T of the diodes. This should also be assumed in this description.
  • An example of a typical course of the junction temperature T of a diode in intermittent operation is shown in FIG. 2.
  • the current I or the diode temperature T are plotted over the time axis t. If the capacitors or resistors in the network 22 are selected correctly, the course of the barrier layer temperature T shown in FIG. 2 corresponds to the voltage U present at the output of the network 22. In the subsequent monitoring circuit 23, this now corresponds to the diode junction temperature
  • Voltage value U with a predetermined reference value U, the i. R suitably corresponds to the maximum permissible junction temperature T, compared. Provides the monitoring circuit 23 based on this If it is found that the applied voltage U, and thus the temperature in the diode, has an inadmissible value, in particular exceeds the maximum permissible junction temperature, the monitoring circuit 23 transmits a signal with a corresponding information to the control unit 24, which then routes it Measures to limit the flowing through the diodes 10
  • the dimensioning of the resistors 25 and capacitors 26 of the RC network can be carried out, for example, according to the method proposed in the document "Power Semiconductor Manual" from Semikron, Nuremberg 1978, pages 75 to 90. It essentially consists of the thermal behavior of the diodes under consideration. represent it in a suitable mathematical manner so that the values to be selected for the resistors 25 and capacitors 26 can be derived in a simple manner from the mathematical representation. A computer is expediently used to carry out the required mathematical operations. Using the calculated values for resistances or capacitances, an electrical equivalent circuit diagram can then be realized in a known manner, which simulates the thermal behavior of the diode under consideration.
  • FIG. 3 An example of such an electrical equivalent circuit diagram in the form of an RC network is shown in FIG. 3.
  • the network shown generates a temporal voltage curve U which is shown in FIG. 4, the voltage U and the current I are plotted over the time axis t. It corresponds to the thermal behavior of the diode.
  • current source 21 expediently has a switchable device which permits a change in the transmission ratio from measured secondary current I to current I impressed in measuring line 28. If additional parallel diodes are added, the current source 21 of the measuring line 28 only impresses the nth part of this current instead of a current which corresponds to the case without the additional diodes, if n is the total number of all diodes connected in parallel. The prerequisite is that the additional diodes have the same thermal behavior as the existing ones.
  • the reference signal U can of course also be changed in a simple manner.
  • the connection of further diodes 10 cannot generally be taken into account simply in a linear manner.
  • the arrangement according to the invention is not limited to use in welding systems. Rather, it is suitable for all applications in which high-current diodes are used.

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  • Rectifiers (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung und/oder Schutz von Hochstromdioden, insbesondere in Schweißanlagen, wobei die Überwachung durch Bestimmung der Temperatur (9) der Dioden (10) erfolgt, indem die Temperatur (T) der Dioden (10) analog, vorzugsweise mittels eines RC-Netzwerkes elektrisch nachgebildet (UT) und mit einem einer höchstzulässigen Temperatur entsprechenden Referenzsignal (UR) verglichen wird.

Description

Diodenüberwachunq
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Schutzanordnur.g nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche 1 und 3. Hoch¬ strom-Gleichrichterdioden, für welche die erfindungsgemäße Anordnung vorgesehen ist, werden beispielsweise in bekannten Schweißanlagen (EP 185 629) eingesetzt, bei denen ein Wechselstrom zunächst in einem Schweißtransformator transformiert, und anschließend mittels einer oder mehrerer Hochstromdioden gleichgerichtet wird. Bekannt ist es, zum Beispiel aus der DE-OS 41 34 461, bei solchen Schwei߬ anlagen allgemeine Maßnahmen zum Schutz der primärseitigen Leistungshalbleiterbaulemente vorzusehen. Bekannt ist es ferner, gekühlte Hochstromdioden darauf zu überwachen, daß Kühlflüssigkeit vorhanden ist, bzw. daß deren Temperatur einen Grenzwert nicht überschreitet.
Hochstromdioden, welche für die vorstehend beispielhaft genannte Anwendung in Schweißanlagen geeignet sind, sind im allgemeinen teure Bauteile, deren Einbau bzw. Austausch zudem arbeitsaufwendig und somit zusätzlich kostenintensiv ist. Eine Zerstörung der Hochstrom¬ dioden, die insbesondere als Folge einer evtl. auch nur kurzzeitigen Überlastung auftritt, sollte aus diesen Gründen vermieden werden. Für Anwendungsfälle, wo derartige teure Hochstromdioden eingesetzt werden, und in denen gleichzeitig eine Überlastung nicht vollkommen ausgeschlossen werden kann, ist es deshalb zweckmäßig, zusätzliche Maßnahmen zur Absicherung der sekundärseitigen Hochstromdioden vor¬ zusehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung an¬ zugeben, welche dies gestatten.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren sowie eine Anordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 3. Das erfindungsge¬ mäße Verfahren ist auf bereits vorhandene Anlagen nachrüstbar. Die zugehörige Anordnung besteht aus Standardbauteilen und ist deshalb einfach und kostengünstig realisierbar. Besonders zweckmäßig ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in bekannten Punkt¬ schweißanlagen, die im Aussetzbetrieb betrieben werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen Figur 1 ein Strukturschaubild einer erfindungsgemäßen An¬ ordnung, Figur 2 einen typischen Verlauf der Diodensperrschicht- temperatur bei Aussetzbetrieb, Figur 3 ein Beispiel für eine Aus¬ führung des RC-Netzwerks, und Figur 4 einen Figur 2 entsprechenden, durch das RC-Netzwerk nachgebildeten Temperaturverlauf.
Beschreibung
Figur 1 zeigt als Beispiel für eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der zugehörigen Anordnung eine Gleichstromschwei߬ anlage. Mittels eines Schweißtransformators 11 wird ein Schweißstrom zunächst auf die gewünschte Spannung transformiert, in Hoch¬ strom-Gleichrichterdioden 10 gleichgerichtet und schließlich der Schweißzange 12 zugeführt. Ein Strommesser 20 mißt den auf der Sekundärseite des Schweißtransformators 11 fließenden Strom Iύ und übermittelt den Meßwert an eine gesteuerte Stromquelle 21. Hierzu ist der Strommesser 20 zweckmäßig, wie in Figur 1 dargestellt, hinter dem Su menstrompunkt oder im Mittelzweig des Sekundärkreises angeordnet. Jedoch ist ebenso eine Anordnung direkt hinter einer Hochstromdiode 10 möglich. Der Strommesser erfaßt dann nur den durch eine Hochstromdiode 10 fließenden Strom, woran die Uberwachungsan- ordnung anzupassen ist. Als Strommesser 20 kann zum Beispiel eine Toroidspule mit nachgeschaltetem Integrierglied 27 eingesetzt werden. Dabei ist das Integrierglied 27 in der Regel erforderlich, weil eine Torroidspule nicht den Absolutwert des Stromes, sondern dessen zeitliche Änderung d/dt mißt. Aufgrund des vom Stromsensor 20 übermittelten, absoluten Strommeßwertes prägt die gesteuerte Gleich¬ stromquelle 21 einer Meßleitung 28 einen Gleichstrom I ein, der stets dem auf der Sekundärseite des Schweißtransformators 11 fließenden Strom I entspricht. Der Gleichstromquelle 21 nachge¬ schaltet und über die Meßleitung 28 an diese angeschlossen ist ein Netzwerkblock 22, der ein aus mehreren Widerständen 25 und Konden¬ satoren 26 bestehendes RC-Hetzwerk aufweist. Das Ausgangsspannungs¬ signal U des Netzwerkblockes 22 ist über die Meßleitung 28 einer Überwachungsschaltung 23 zugeführt. Diese enthält insbesondere eine, zweckmäßig aus mehreren Komparatoren aufgebaute Vergleicheran¬ ordnung, welche das über die Meßleitung zugeführte Spannungssignal
U →. mit einem vorgebbaren Referenzsignal UR vergleicht. Der Über- wachungsschaltung 23 nachgeschaltet ist schließlich eine Steuerung 24, die insbesondere in der Lage ist, gegebenenfalls eine Ab¬ schaltung des über die Hochstromdioden 10 fließenden Schweißstromes I herbeizuführen. Bei dem hier vorgestellten Beispiel einer Schweißanlage sind die Bauelemente 21 bis 28 sinnvollerweise ge¬ meinsam in eine ohnedies vorhandenen Baugruppe der Schweißsteuerung integriert. Zweckmäßig sind ferner die Hochstromdioden 10, der Strommesser 20 und der Schweißtransformator 11 ebenfalls zu einem Block zusammengefaßt. Nachfolgend wird die Funktion der vorgeschlagenen Anordnung be¬ schrieben. Grundgedanke der vorgeschlagenen Überwachungsanordnung 20 bis 28 ist es, das thermische Verhalten einer oder mehrerer zu über¬ wachender Dioden 10 mittels einer elektrischen Ersatzschaltung analog nachzubilden. Kernbestandteil der vorgeschlagenen Anordnung 20 bis 28 ist der Netzwerkblock 22, in dem die elektrische Ersatz¬ schaltung in Form eines RC-Netzwerkes angeordnet ist. Dieses be¬ zeichnungsgemäß aus Widerständen 25 und Kondensatoren 26 bestehende Netzwerk prägt der Meßleitung 28 eine ström- und zeitabhängige Spannung U ein. Der Verlauf der Spannung U hängt ab von der Größe der Widerstände 25 bzw. der Kapazitäten der Kondensatoren 26. Durch geeignete Dimensionierung dieser Bauelemente 25 bzw. 26 wird der Verlauf der in der Meßleitung 28 anliegenden Spannung U so beeinflußt, daß er genau dem Temperaturverhalten der Sperrschicht¬ temperatur der Hochstromdioden bei gleichem Strom entspricht. Mit anderen Worten, die am Ausgang des Netzwerkblocks 22 anliegende Spannung U entspricht jeweils der aktuellen Temperatur T der Dioden 10.
Beobachtete Temperatur ist üblicherweise die Sperrschichttemperatur T der Dioden. Hiervon soll auch in dieser Beschreibung ausgegangen werden. Ein Beispiel für einen typischen Verlauf der Sperrschicht¬ temperatur T einer Diode im Aussetzbetrieb zeigt Figur 2. Aufge¬ tragen sind der Strom I beziehungsweise die Diodentemperatur T über der Zeitachse t. Dem in Figur 2 abgebildeten Verlauf der Sperr¬ schichttemperatur T entspricht bei richtiger Wahl der Kondensatoren bzw. Widerstände im Netzwerk 22 die am Ausgang des Netzwerks 22 anliegende Spannung U . In der nachfolgenden Überwachungsschaltung 23 wird nun dieser der Diodensperrschichttemperatur entsprechende
Spannungswert U mit einem vorgegebenen Referenzwert U , der i. R zweckmäßig der höchstzulässigen Sperrschichttemperatur T entspricht, verglichen. Stellt die Uberwachungsschaltung 23 aufgrund dieses Vergleichs fest, daß die anliegende Spannung U , und damit die Temperatur in der Diode einen unzulässigen Wert einnimmt, insbe¬ sondere die höchstzulässigen Sperrschichttemperatur überschreitet, so übermittelt die Überwachungsschaltung 23 ein Signal mit einer entsprechenden Information an die Steuerung 24. Diese leitet darauf¬ hin Maßnahmen zur Begrenzung des über die Dioden 10 fließenden
Stroms I ein, oder bewirkt sogar eine vollständige Abschaltung s des Schweißstromes.
Die Dimensionierung der Widerstände 25 und Kondensatoren 26 des RC-Netzwerkes kann zum Beispiel nach der in der Schrift "Leistungs¬ halbleiterhandbuch" der Firma Semikron, Nürnberg 1978, Seiten 75 bis 90, vorgeschlagenen Methode durchgeführt werden. Sie besteht im wesentlichen darin, das thermische Verhalten der betrachteten Dioder. geeignet mathematisch darstellen, um aus der mathematischen Dar¬ stellung die für die Widerstände 25 und Kondensatoren 26 zu wählenden Werte in einfacher Weise abzuleiten. Zweckmäßig wird für die Durchführung der erforderlichen mathematischen Operationen ein Rechner eingesetzt. Mit den berechneten Werten für Widerstände bzw. Kapazitäten läßt sich anschließend in bekannter Weise ein elektrisches Ersatzschaltbild realisieren, welches das thermische Verhalten der betrachteten Diode nachbildet. Ein Beispiel für ein solches elektrisches Ersatzschaltbild in Form eines RC-Netzwerks zeigt Figur 3. Das dargestellte Netzwerk erzeugt einen in Figur 4 wiedergebenden zeitlichen Spannungsverlauf U , aufgetragen sind die Spannung U und der Strom I über die Zeitachse t. Er entspricht dem thermischen Verhalten der Diode.
In einigen Anwendungsf llen, z.B. wenn Schweißströme > 20 kA be¬ nötigt werden, kann es sinnvoll sein, die Möglichkeit vorzusehen, bei Bedarf zusätzliche Dioden zu dem vorhandenen parallel hinzu¬ schalten zu können. Um auch in einem solchen Fall mit nur einer Uberwachungsanordnung 20 bis 28 auszukommen, besitzt die gesteuerte Stromquelle 21 in diesem Fall zweckmäßig eine umschaltbare Vor¬ richtung, die eine Änderung des Übertragungsverhältnisses von ge¬ messenem Sekundärstrom I zu in die Meßleitung 28 eingeprägtem Strom I gestattet. Werden zusätzliche Paralleldioden hinzuge¬ schaltet, prägt die Stromquelle 21 der Meßleitung 28 statt eines Stromes, welcher dem Fall ohne die zusätzliche Dioden entspricht, nur den n-ten Teil dieses Stromes ein, wenn n die Gesamtzahl aller parallelgeschalteter Dioden ist. Voraussetzung dabei ist, daß die zusätzlichen Dioden dasselbe thermische Verhalten aufweisen wie die bereits vorhandenen.
Alternativ kann slbstverständlich auch in einfacher Weise das Referenzsignal U veränderbar sein. Zu beachten ist allerdings, daß wegen des nichtlinearen Temperaturverhaltens der Dioden die Hinzuschaltung weiterer Dioden 10 in der Regel nicht einfach linear berücksichtigt werden kann.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist nicht auf Verwendung bei Schweißanlagen beschränkt. Sie eignet sich vielmehr für alle An¬ wendungen, bei denen Hochstromdioden zum Einsatz kommen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Überwachung und/oder Schutz von Hochstromdioden, insbesondere in Schweißanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachung durch Bestimmung der Temperatur (9) der Dioden (10) erfolgt, indem die Temperatur (T) der Dioden (10) analog, vorzugsweise mittels eines RC-Netzwerkes elektrisch nachgebildet (U ) und mit einem einer höchstzulässigen Temperatur entsprechenden Referenzsignal (U ) verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Schritte zum
- Erfassen des durch die Hochstromdioden fließenden Stromes (I_)
- Einprägen eines dem gemessenen Wert entsprechenden Stromes (I_) in eine Meßleitung (28)
- Erzeugen einer das thermische Verhalten der Hochstromdiode nachbildenden Spannung (U ) mittels eines RC-Netzwerkes (22)
- Vergleichen der Spanung (U_) mit einer vorgebbaren Referenzspannung (U )
- Erzeugen eines Fehlersignals, falls (U ) größer ist als (U ) . R
3. Anordnung zur Überwachung und/oder zum Schutz von Hochstrom¬ dioden, insbesondere in Schweißanlagen, gekennzeichnet durch:
a) einen Strommesser (20), der den über die Hochstromdiode(-n) (10) fließenden Strom mißt und in ein Meßsignal abbildet, b) einer gesteuerten Stromquelle (21), die einer Meßleitung (28) einen dem vom Strommesser (20) abgegebenen Meßsignal entsprechenden Strom einprägt, c) einen RC-Netzwerkblock (22), welcher der Meßleitung (28) eine das thermische Verhalten der Hochstromdiode (10) nachbildende Spannung (U ) einprägt, d) sowie eine Überwachungsschaltung (23), die ein Signal abgibt, wenn die in die Meßleitung (28) eingeprägte Spannung (U ) einen vorgebbaren Referenzwert (U ) überschreitet.
R
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom¬ messer (20) eine Toroidspule ist, welcher ein Integrierglied (27) nachgeschaltet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Uber- wachungsschaltung (23) wenigstens einen Komparator aufweist, an dessen erstem Eingang die das thermische Verhalten der Hochstrom¬ diode (10) nachbildende Spannung (U ) und an dessen zweitem Ein¬ gang eine einen Temperaturgrenzwert angebende Referenzspannung
(U ) anliegt.
6. Schweißanordnung mit einem Schweißtransformator (11), dessen Sekundärstrom mittels wenigstens einer Hochstromdiode (10) gleich¬ gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anordnung zur Überwachung und/oder zum Schutz von Hochstromdioden (10) gemäß An¬ spruch 3 aufweist, welche die Diode (10) durch Nachbildung des thermischen Verhaltens überwacht.
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