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Schutzanordnung gegen Überlastung steuerbarer Halbleiter-Gleichrichter
Die Erfindung betrifft eine Schutzanordnung gegen Überlastung steuerbarer Halbleiter-Gleichrichter.
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Halbleiter-Gleichrichter sind empfindlich gegen überlastungen. Es
ist bekannt, daß Halbleiter-Gleichrichter schon bei geringen Überschreitungen der
zulässigen Temperatur zum Durchschlag der Sperrschicht neigen und damit zerstört
werden. Da außerdem die Erwärmungszeitkonstante bei Überlastung außerordentlich
klein ist, kann schon . in kürzester Zeit der Halbleiter zerstört Werden.
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Sollen Halbleiter-Gleichrichter parallel geschaltet werden, so tritt
neben die Forderung der Nennbelastung die der gleichmäßigen -Strömverteilung. Parallelgeschaltete
Halbleiter-Gleichrichter werden, damit sie sich gleichmäßig an der Stromführung
beteiligen, zu parallelen Gruppen mit- gleichen Durchlaßkennlinien zusammengestellt,
falls keine Stromteilerdrosseln od. dgl. verwendet werden.
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Für parallelgeschaltete, steuerbare Halbleiter-Gleichrichter muß zusätzlich
die -Zündung der parallelen Zellen überwacht werden. Entweder muß die benötigte
Steuerleitung von jeder Zelle gleich groß sein, oder das Zünden der parallelen Zellen
muß durch Zusatzschaltungen erzwungen, werden. Tritt, trotz dieser Maßnahmen durch
irgendeinen Umstand eine unterschiedliche- Erwärmung -der Halbleiterkristalle der
parallelen Halbleiter-Gleichrichter auf, so wird die wärmere Zelle zu- einem früheren
Zeitpunkt -gezündet und führt somit einen höheren Strom. Das dadurch ausgelöste
-progressive Wechselspiel von immer weiterer Temperaturerhöhung und über-. lastung
kann zur Zerstörung des Halbleiter-Gleichrichters führen. Hierdurch werden die noch
übrigen parallelen Halbleiter-Gleichrichter überlastet, die gesamte Anlage kommt
in Gefahr.
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Bisher behalf man sich zum Schutze mit überstroi-nrelais, die die
Halbleiter beim Auftreten von Übergtrömen so schnell- wie möglich abschalteten oder
durch Kurzschließer kurzschlossen. Solche Relais wurden der besseren Anpassung wegen
auch schon mit thermischen Gliedern versehen, was jedoch wegen der außerordentlich
kleinen Zeitkonstanten der Halbleiter bisher nur mangelhaft möglich war. Daraus
resultiert entweder eine gelegentliche Gefährdung der Halbleiterzellen oder eine
überdimensionierung, was eine schlechte Ausnutzung bedeutet.
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Eine bessere Möglichkeit der Überwachung und des Schutzes von Halbleiter--Gleichrichtern
besteht in der Hinzuziehung besonderer thermischer Abbilder, was'jedoch recht aufwendig
ist.
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` Auch Anordnungen mit äußeren Wärmefühlern auf den Gehäusen
von Halbleiter-Gleichrichtern sind wegen der erheblichen Ansprechträgheit nicht
empfehlenswert.
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Von der Motorschutztechnik her ist es ebenfalls bekannt, thermische
Fühler, z. B. Bimetallfühler, an wärinemäßig hochbelastbaren Stellen einer Wicklung
mit einzubandagieren oder gar direkt auf den Leiter mit au fzubringen.
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Versuche sind auch schon in letzter Zeit bekannt. gewgrden, an Stelle
solcher Bimetall-Kleinstschälter an sich bekannte kontaktlose Elelmänte, z. B. NTC-#
(negativer Temperaturkoeffizient) oder neuerdings' auch PTC- (positiver Temperaturkoeffizient)
Widerstände, einzusetzen, die erheblich stärker als andere Halbleiter ihre Widerstandswerte'mit
der Temperatur ändern.
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NTC-Widerstände, auch Heißleiter genannt, sind hochohmig in Bereichen
niedrigerTemperatur, oberhalb einer bestimmten Temperatur erniedrigt sich ihr Widdrstandswert
auf wenige Ohin;-PTC-Widerstände, auch Kaltleiter genannt, sind ir Weiten Bereich
niedriger Temperatur fast temperaturunabhängig bzw. haben nur einen sehr kleinen
positiven Temperaturbeiwert und sind niederohmig. Oberhalb einer bestimmten Temperatur,
der Curietemperatur steigt ihr Widerstand9wert innerhalb von 4011C bis über den
tausendfachen Wert. Der Temperaturbeiwert beträgt in diesem Bereich bis zu
+ 60 IN' C. Die gewünschte Höhe der Curietemperatur kann durch die
Wahl des Typs des nichtlinearen Widerstandes festgelegt werden.
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Ferner ist durch die deutsche Patentschrift 1132 245 eine Vorrichtung
zur Temperaturregelung einer elektrischen Halbleiteranor'dnung bekannt, bei der
an dem Halbleiterkörper der HalbleiteranordnUng unter Bildung eines p-n-überganges
eine zusätzliche Elektrode so angebracht ist, daß durch einen an der zusätzlichen
Elektrode zugeführten Strom oder eine an der zusätzlichen Elektrode angelegte Spannung
keine Einwirkung auf die Halbleiteranordnung
auftritt und daß der
Wechselstromwiderstand zwischen dieser zusätzlichen Elektrode und einer mindestens
angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung zur Regelung der
Temperatur der Halbleiteranordnung verwendet wird.
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Diese bekannte Anordnung dient also nicht zum Schutz der Hälbleiter-Gleichrichter
vor der Zerstörung infolge thermischer Überlastung, sondern lediglich zur Ausschaltung
des auf die Charakteristika des Halbleiters wirkenden Temperatureinflusses. Nachteilig
ist dabei, daß eine zusätzliche Elektrode an dem zu überwachenden Halbleiter erforderlich,
also eine Sonderanfertigung nötig ist. Weiterhin erfordert die bekannte Anordnung
noch eine Meßbrückenanordnung, in welcher die Anzeige der zusätzlichen Elektrode
ausgewertet werden muß. Beides, zusätzliche Elektrodp. und Meßbrücke, bedingen einen
hohen herstellungsmäßigen und gerätetechnischen Aufwand.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ohne besonderen Aufwand eine einfache
und flinke Schutzanordnung für steuerbare Halbleiter-Gleichrichter zu schaffen,
die den jeweiligen Temperaturschwankungen schnell folgen kann.
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Nach der Erfindung wird dieses dadurch -erreicht, daß in dem Halbleiter-Gleiclirichter
unmittelbar am Kristall unter Beibehaltung der ursprünglichen Elektrodenzahl nichtlineare
Widerstände mit ausgeprägter Temperaturabhängigkeit angeordnet sind, welche als
Temperaturfühle,' r dienen und denen die Wärme des Halbleiter-Gleichrichters lediglich
durch m-echanischen Kontakt direkt zugeführt wird und die den Steuerkrels des Halbleiter-GMehrichters
direkt be-
einflussen sowie zugleich mit dem Steuerkreis eine nach außen abgeschlossene
Baueinheit bilden.
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Sogenannte PTC-Widerstände worden dazu in thermischem und-galvanischem
Kontakt zur Steuerelektrode angebracht und unterbrechen den Steuerstromkreis infolge
der Erhöhung ihres Widerstanden bei einer entsprechenden unzulässigen Temperaturerhöhung
des Halbleiters. Eine Anwendung von sogenannten NTC-Widerständen erfolgt in thermischem
und galvanischein Kontakt zur Kathode. Bei übermäßiger Erwärmung erfolgt ein Kurzschließen
zur Steuerelektrode.
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Die, Abschaltung des gefährdeten Teiles erfolgt so. mit vollkommen
selbsttätig ohne -den zusätzlichen Aufwand einer Meßanordnung mit von außen besonders
zugeführtem Meßstrorn und einer durch diese gesteuerten weiteren Vorrichtung zum
Abschalten des Stromes, Außerdem ergibt sich als weiterer Vorteil gegenüber den
bekannten Anordnungen, daß an Stelle des Anbringens einer besonderen überwa-Aungselektrode
am Halbleiter an diesen lediglich auf mechanischemWege ein nichtlinearerWiderstand
augepreßt zu werden braucht. Weiterhin sei noch als Vorteil erwähnt, daß die gesamte
Anordnung nach der Erfindung ein einziges Bauteil bildet, welches nicht nennenswert
größer ist als ein unüberwacht-er Halblßiter-Gleichrichter. Schließlich fallen auch
alle jene Probleme fort, die bei den bekannten Anordnungen dadurch entstehen, daß
die, Funktion der Zusat.zelektrode die. Erzeugung von zusätzlichen Elek# tronen
im System der Halbleiteranordnung erfordert.
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- In der Zeichnung sind Ausführungsbefspiele nach i der Erfindung
schematisch dargestellt. Es zeigt F i g. 1 den Aufbau eines Halbleiter-Gleichrichterg.
mit Kaltleiterschutz, Fig. 2 die elektrische Schaltung dazu, F i g. 3 den
Aufbau eines Halbleiter-Gleichrichters mit Heißleiterschutz, F i g. 4 die
elektrische Schaltung dazu.
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In F i g. 1 ist ein Halbleiter-Gleichrichter 1 darge,-stellt.
Die gestrichelte Linie deutet das kapselndß Gehäuse an. Der Halbleiter-Gleichrichter
besteht aus einem Halbleiterkristall 2 mit einer Anode 3, einer Kathode 4
und einer Steuerelektrode 5. Auf letzterer ist direkt und unmittelbar, thermisch
und galvanisch leitend, ein Kaltleiter 6 (Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten)
angeordnet. Der Wärmekontakt und die galvanische Verbindung können durch Lötung
oder durch Federkraft erfolgen. 7 bezeichnet den äußeren Steuerelektrodenanschluß
über den Kaltleiter 6, 8 einen äußeren Anschluß, der direkt zur Steuerelektrode
5 führt und den -Kaltleiter6 überbrückt, Mit 9. ist der äuAg#re Kathodeanschluß
gekennzeichnet.
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F i g. 2 zeigt diese Anordnung nochmals in Piektrischer Schaltungsdarstellung,
Erwärmt sich der Halbleiter#Gleichrichter 1 über die maximal zulässige.
- Temperatur, so steigt der. Widerstandswert des. Kaltleiters 6 schnell
-ail und unterbricht schließlich den Zündstrom, der über den Steuerelektrodenanschluß
7 verMuft, Die Curlietem# peratur des Kaltleiters 6 ist. dazu
der mgyimal zulässigen Temperatur des Halbleiter-Gleichrichters 1 angepaßt.
Mit dem- Erreichen dieser Temperatur wird der Steuerstrom so weit -verringert,
daß der Halbleiter-Gleichrichter 1 hicht mehr gezündet werden kann. Eine
Zündung erfolgt erst wieder, nachdem der Halbleiter-Gleichrichterl abgekühlt ist.
Bei der Wahl der Höhe der Cur!.etämpQratur Aoll die eventuelleTemperaturdifferenzgvAsche,nHalbleit,er-Gleichrichter
1 und Kaltleiter 6 und außerdem die mögliche, Teinperaturerhöhung,
-die noch bis zur wirklichen Stromunterbrechung auftreten kann, berücksichtigt werden.
Da der Kaltleiter 6 unterhalb der Curieteinperatur einen kleinen, positiven
Temperaturbeiwert hat, ist eine gewisse Kompenslerung mit dem fallenden Steuerleistungsbedarf
bei stelgender Temperatur möglich, Für die Fertigung, Prüfung und andere, eventuelle
Schaltungen ist es zweckmäßig, zu dem- temperaturabhängigen Steuerelcktrodenanschluß
7 einen normalen, temperaturunabhängigon Steuerelektrodenanschluß
8 vorzusehen und herauszuziehen, wozu der Kaltleiter 6 innerhalb -des
Halbleiter-Glrichrichters 1
überbrückt ist. -
Eine andere Möglichkeit
besteht bei der Verwen7 dung eines Widerstandes mit negativem Temperaturbeiwert
(Heißleiter), der so angeorda - et ist, daß er beim Erreichen der maximal
zulässigen Temperatur des Halbleiterkristalls.. den Steuerkreis kurzschließt und
somit die Zündung verhilidret.
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Die F i g. 3 und 4 zeigen ein solche-, Ausführungs-# beispiel
in Anordnung' und. Schaltung' Dem Halbleiter-Gleichrichter 1 ' gekapselt
in einem gestrichelt angedeuteten Gehäuse, mit HalblQiterkristall 2, Anode
3 und Steuerelektröde 5 ist hier auf der Ka-; thode 4 ein Heißleiter
10 zugeordnet, dessen Anschluß 11 mit dem Elektrodrnanschluß
8 in Verbindung steht. Diese Verbindung wird zweckmäßigerweise außerhalb
des Halbleiten-Gleichrichters 1 vor!-genommen. Oberhalb der ' -Curietemperaturdes
Heißleitea 10 verringert- -sich sein Widerstand und stellt somit eine Kurzschlußver
bindu-g zwn Steuerkreie
her. Die Zündung ist damit unterbrochen.
9 stellt den äußeren, temperaturunabhängigen Kathodenanschluß dar.
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Solche Anordnungen ermöglichen auch den überlastungsschutz anderer
steuerbarer Halbleiter-Bauelemente, wobei auch Kombinationen beider Widerstandsschaltungen
denkbar sind.
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Durch die Erfindung wird mit nur geringem Mehraufwand ein nahezu trägheitsloser
Schutz gefährdeter Halbleiter-Gleichrichter erzielt, und äußere, störanfällige,
sonst notwendige Zusatzeinrichtungen können vermieden werden.