DE3536098A1

DE3536098A1 - Device for monitoring the temperature of an electrical component

Info

Publication number: DE3536098A1
Application number: DE19853536098
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr Ing Gerhaeusser; Manfred Dipl Ing Weibelzahl
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1985-10-09
Filing date: 1985-10-09
Publication date: 1987-04-09

Abstract

Electrical power semiconductors (T) which are cooled via heat sinks (K) and a cooling medium, particularly the environmental air, must be monitored with regard to a maximum temperature not being exceeded on the semiconductor (T). For this purpose, the temperature (TL) of the cooling medium and the power dissipation on the power semiconductor (T) is determined. The temperature (TT) on the semiconductor (T) is determined via a converter (U3), the conversion characteristic of which is determined in accordance with the thermal model of power semiconductor (T), heat sink (K) and cooling medium. This ensures a temperature determination with very low inertia and relative accuracy. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Überwachen der Temperatur eines elektrischen Bauelements, das sich in thermischem Kontakt zu einem Kühlmedium befindet.The invention relates to a device for monitoring the temperature of an electrical component that is in thermal contact with a cooling medium.

Elektrische Leistungshalbleiter, z. B. Thyristoren, müssen dann, wenn sie relativ stark belastet werden, auf das Einhalten einer zulässigen Betriebstemperatur überwacht werden. Bei handelsüblichen Halbleiterelementen, die mit Kühlkörpern versehen sind, ist es daher üblich, mit Hilfe eines temperaturabhängigen Sensors, der auf dem Kühlkörper montiert wird, das Einhalten der zulässigen Betriebstemperatur zu überprüfen. Bei einer derartigen Temperaturmeßanordnung ist jedoch nicht sichergestellt, daß aufgrund hoher dynamischer Wärmebeanspruchung kritische Übertemperaturen im eigentlichen Halbleiterbauelement auftreten.Electrical power semiconductors, e.g. B. thyristors then when they are relatively heavily loaded the observance of a permissible operating temperature is monitored will. With commercially available semiconductor elements, which are provided with heat sinks, it is therefore common with the help of a temperature-dependent sensor that the heat sink is installed, observing the permissible Check operating temperature. With such a However, temperature measurement arrangement is not ensured that due to high dynamic thermal stress critical excess temperatures in the actual Semiconductor device occur.

Daher ist es auch üblich, daß Schaltmaßnahmen getroffen werden, die einen Strom bestimmter Stärke jeweils nur für eine bestimmte Zeitspanne zulassen. Auch dieses Verfahren ist jedoch relativ ungenau, da hierbei die jeweilige Ausgangstemperatur des Halbleiters nicht bekannt ist, und demzufolge aus Gründen der Betriebssicherheit eine höchstmögliche Ausgangstemperatur angenommen wird. Demzufolge können nur relativ geringe Ansätze für Strom und Zeit getroffen werden. Gerade aber ein Ausnutzen der maximalen thermischen Leistungsfähigkeit der Bauelemente, insbesondere der relativ teuren Halbleiter, ist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen wünschenswert. It is therefore also common for switching measures to be taken be that a current of certain strength only allow for a period of time. This procedure too is, however, relatively inaccurate, since the respective one Output temperature of the semiconductor is not known is, and therefore for reasons of operational safety the highest possible starting temperature is assumed. As a result, only relatively small amounts of electricity can be used and time will be hit. But just taking advantage of maximum thermal performance of the components, especially the relatively expensive semiconductor, however desirable for economic reasons.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß in äußerst einfacher Weise eine sehr genaue Aussage über die jeweilige Temperatur des zu überwachenden elektrischen Bauelements gewonnen werden kann.The object of the invention is to provide a device of the beginning mentioned type so that in extremely simple Way a very precise statement about the respective Temperature of the electrical component to be monitored can be won.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß von einer Einrichtung zum Erfassen der elektrischen Leistungsaufnahme des Bauelements ein entsprechendes Kennsignal als erstes Eingangssignal einem Umsetzer zuführbar ist, dem von einer Temperaturmeßeinrichtung ein der Temperatur des Kühlmediums entsprechendes Kennsignal als zweites Eingangssignal zuführbar ist, und daß vom Umsetzer die diesem zugeführten Eingangssignale entsprechend dem thermischen Ersatzschaltbild der Kühlanordnung zu einem Ausgangssignal umformbar sind, das der Temperatur des Bauelements entspricht.According to the invention, this object is achieved in that that of a device for detecting the electrical A corresponding power consumption of the component Identification signal can be fed to a converter as the first input signal is that of a temperature measuring device identification signal corresponding to the temperature of the cooling medium can be supplied as a second input signal, and that from the converter the input signals supplied to it accordingly the thermal equivalent circuit diagram of the cooling arrangement are convertible to an output signal that the temperature corresponds to the component.

Dadurch, daß dem Umsetzer Mittel der Anzeige der Temperatur des Bauelements zugeordnet sind, ist eine schnelle Diagnose des jeweiligen Betriebszustandes möglich.The fact that the converter means of displaying the temperature assigned to the component is a quick one Diagnosis of the respective operating status possible.

Dadurch, daß beim Überschreiten einer vorgegebenen Maximaltemperatur des Bauelements die Erzeugung elektrischer Verlustleistung am Bauelement reduzierbar ist oder die Abfuhr der Wärmeleistung am Bauelement vergrößerbar ist, kann ein Schutz des Bauelements erfolgen, ohne daß ein völliges Abschalten des Bauelements erforderlich ist. Eine Reduktion der Verlustleistung am Bauelement kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Versorungsspannung reduziert wird oder daß die Entnahme elektrischer Leistung durch einen nachgeschalteten Verbraucher verringert wird. Die Erhöhung der Abfuhr von Wärmeleistung kann beispielsweise durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des kühlenden Mediums erfolgen. The fact that when a predetermined maximum temperature is exceeded of the component to generate electrical Power loss on the component can be reduced or the dissipation of the heat output on the component can be increased the component can be protected, without completely switching off the component is. A reduction in the power loss on Component can take place, for example, in that the supply voltage is reduced or that Withdrawal of electrical power by a downstream Consumer is reduced. The increase in removal of heat output can, for example, by a Increase the flow rate of the cooling Medium.

In entsprechender Weise wäre es auch möglich, ein Unterschreiten einer vorgegebenen Minimaltemperatur des Bauelements durch konträre Maßnahmen zu verhindern.In a corresponding way, it would also be possible to fall short a predetermined minimum temperature of the component to prevent through contrary measures.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:An embodiment of the invention is in the drawing shown and is explained in more detail below. Show:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Gesamteinrichtung und Fig. 1 is a block diagram of the overall device and

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Funktion des die Temperatur des Bauelements ermittelnden Umsetzers. Fig. 2 is a block diagram of the function of the temperature of the device investigating converter.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist eine Stromquelle S gezeigt, die einen Verbraucher V mit elektrischer Leistung versorgt. In die Verbindungsleitung zwischen Stromquelle S und Verbraucher V ist ein Thyristor T geschaltet, der mit einem Kühlkörper K versehen ist. Als kühlendes Medium ist Luft vorgesehen, deren Geschwindigkeit bedarfsweise über einen Lüfter L gesteigert werden kann. Über einen Sensor S 1 (durch ein offenes Dreieck symbolisiert) wird der durch den Thyristor T fließende Strom gemessen und bei Kenntnis des verwendeten Thyristortyps und des angewandten Steuerungsverfahrens für das Schalten des Thyristors T ist damit ein fester Bezug zur im Thyristor T anfallenden Verlustleistung W _T möglich. Die Umformung des Ausgangssignals des Stromsensors S 1 zu einem der Verlustleistung W _T entsprechenden Kennsignal erfolgt mit Hilfe eines Umsetzers U 1. Dieses Kennsignal wird als erstes Eingangssignal einem Umsetzer U 3 zugeführt, auf dessen Funktion im folgenden noch eingegangen wird.In the illustration of FIG. 1, a current source S is shown, which supplies a consumer V with electric power. A thyristor T , which is provided with a heat sink K , is connected in the connecting line between current source S and consumer V. Air is provided as the cooling medium, the speed of which can be increased if necessary via a fan L. A sensor S, the current flowing through the thyristor T current is 1 (symbolized by an open triangle) is measured and a knowledge of the Thyristortyps used and the applied control method for switching the thyristor T is thus a fixed relation to the costs incurred in the thyristor T Power loss W _T possible. The output signal of the current sensor S 1 is converted into a characteristic signal corresponding to the power loss W _T with the aid of a converter U 1 . This identification signal is fed as the first input signal to a converter U 3 , the function of which will be discussed in the following.

Ferner ist ein Sensor S 2 (ebenfalls durch ein offenes Dreieck symbolisiert) vorgesehen, der ein temperaturabhängiges Ausgangssignal an den Eingang eines Umsetzers U 2 liefert, durch den ein der Temperatur T _L der Umgebungsluft proportionales Kennsignal als zweites Eingangssignal dem Umsetzer U 3 zugeführt wird.Furthermore, a sensor S 2 (also symbolized by an open triangle) is provided, which delivers a temperature-dependent output signal to the input of a converter U 2 , through which a characteristic signal proportional to the temperature T _{L of} the ambient air is supplied to the converter U 3 as a second input signal.

Der Umsetzer U 3 weist ein Umsetzverhalten auf, das durch das thermischen Ersatzschaltbild der Kühlanordnung, bestehend aus Thyristor T und Kühlkörper K im Kühlmedium, gegeben ist. Dementsprechend liegt am Ausgang des Umsetzers U 3 ein Ausgangssignal vor, das der Temperatur des Thyristors T _T entspricht. Das thermische Ersatzschaltbild ist als Regelstruktur in Fig. 2 dargestellt.The converter U 3 has a conversion behavior which is given by the thermal equivalent circuit diagram of the cooling arrangement, consisting of thyristor T and cooling body K in the cooling medium. Accordingly, there is an output signal at the output of the converter U 3 which corresponds to the temperature of the thyristor T _T. The thermal equivalent circuit diagram is shown as a control structure in FIG. 2.

Die ermittelte Thyristortemperatur T _T kann zum einen mit Hilfe einer Anzeigeeinrichtung A beispielsweise digital angezeigt werden, zum anderen kann das Ausgangssignal des Umsetzers U 3 einem Umsetzer U 4 zugeführt werden, der beim Überschreiten von vorgegebenen Schwellwerten dieses Überschreiten beispielsweise durch optische Leuchtmelder anzeigt und der gleichzeitig oder in vorgegebener Reihenfolge als Maßnahmen zum Schutz des Thyristors T entweder durch Einflußnahme auf den Lüfter L die Geschwindigkeit des kühlenden Mediums erhöht oder aber durch Einflußnahme auf die Stromquelle S oder den Verbraucher V die Verlustleistung am Thyristor T reduziert.The determined thyristor temperature T _T can, on the one hand, be displayed digitally with the aid of a display device A , on the other hand, the output signal of the converter U 3 can be fed to a converter U 4 which, when predetermined threshold values are exceeded, indicates this exceeding, for example by optical indicator lights, and at the same time or in a predetermined order as measures to protect the thyristor T either by influencing the fan L increases the speed of the cooling medium or by influencing the current source S or the consumer V reduces the power loss at the thyristor T.

In der Darstellung gemäß Fig. 2 ist nach Art eines regelungstechnischen Blockschaltbildes, das schaltungsmäßig im Umsetzer U 3 realisiert wird, das thermische Ersatzschaltbild der Kühlanordnung gezeugt. Die Thyristortemperatur wird dabei zunächst durch die thermische Verlustleistung W _T am Thyristor T und die vom Thyristor T an den Kühlkörper K abgeführte thermische Leistung W _TK nach folgender Beziehung bestimmt:In the illustration of FIG. 2 is conceived of a closed-loop control block diagram, which is realized in the converter in circuit U 3, the thermal equivalent circuit of the cooling arrangement according to Art. The thyristor temperature is initially determined by the thermal power loss W _T at the thyristor T and the thermal power W _TK dissipated from the thyristor T to the heat sink K according to the following relationship:

Die Konstante C ₁ kann dabei durch Versuche ermittelt oder durch Berechnung gewonnen werden. Die Gleichung (1) bestimmt das Umsetzverhalten des Umsetzers U 8.The constant C ₁ can be determined by experiments or can be obtained by calculation. Equation (1) determines the conversion behavior of converter U 8 .

Dem Umsetzer U 8 werden zum einen der Wert der Verlustleistung W _T am Thyristor T entsprechend dem Ausgangssignal des Umsetzers U 1 mitgeteilt, zum anderen ist die vom Thyristor T zum Kühlkörper K fließende thermische Leistung W _TK eine Eingangsgröße. Der Wert dieser Eingangsgröße wird nach folgender Beziehung von einem Umsetzer U 7 ermittelt:The converter U 8 is informed on the one hand of the value of the power loss W _T at the thyristor T in accordance with the output signal of the converter U 1 , and on the other hand the thermal power W _TK flowing from the thyristor T to the heat sink K is an input variable. The value of this input variable is determined according to the following relationship by a converter U 7 :

Die Konstante C ₂ wird entsprechend der Konstanten C ₁ bestimmt, die Temperatur T _K des Kühlkörpers K ergibt sich nach folgender Beziehung, die auch das Umsetzerverhalten eines Umsetzer U 6 bestimmt:The constant C ₂ is determined in accordance with the constant C ₁ , the temperature T _{K of} the heat sink K results from the following relationship, which also determines the converter behavior of a converter U 6 :

Auch die Konstante C ₃ wird wie die Konstante C ₁ bestimmt, die Leistung W _TK ist aus der Beziehung (2) bekannt und die thermische Leistung W _KL, d. h. die Wärmeleistung vom Kühlkörper K an das kühlende Medium, in diesem Fall die Umgebungsluft, ergibt sich aus der Beziehung:The constant C ₃ is also determined like the constant C ₁ , the power W _TK is known from the relationship (2) and the thermal power W _KL , ie the heat output from the heat sink K to the cooling medium, in this case the ambient air from the relationship:

Dementsprechend wird der Umsetzervorgang eines Umsetzers U 5 bestimmt. Die Konstante C ₄ kann ebenso wie die Konstante C ₁ festgestellt werden. Damit ergeben die Eingangsgrößen Temperatur T _L des kühlenden Mediums und Verlustleistung W _T am Thyristor T entsprechend den Beziehungen (1) bis (4) die Temperatur T _T des Thyristors T. The converter process of a converter U 5 is determined accordingly. The constant C ₄ can be determined in the same way as the constant C ₁ . Thus, the input variables temperature T _L, the temperature T _T of the thyristor T result of the cooling medium and power loss W _T T at the thyristor according to the relationships (1) to (4).

Der gesamte Umsetzvorgang ließe sich nicht nur durch einzelne Umsetzer, sondern auch durch einen Mikroprozessor oder ein ähnliches Rechenwerk ausführen. Die Formeln (1) bis (4), die das Wärmeleitvermögen mit guter Näherung darstellen, könnten dann auch relativ leicht so modifiert werden, daß sich die Genauigkeit des Modells noch erhöhen ließe.The entire implementation process could not only be carried out through individual converters, but also by a microprocessor or perform a similar arithmetic work. The formulas (1) to (4), which is the thermal conductivity with good approximation could also be relatively easy be modified so that the accuracy of the Model could be increased.

6 Patentansprüche
2 Figuren6 claims
2 figures

Claims

1. Device for monitoring the temperature of an electrical component which is in thermal contact with a cooling medium, characterized in that a device ( S 1 , U 1 ) for detecting the electrical power consumption of the component ( T ) has a corresponding identification signal ( W _T ) can be fed as a first input signal to a converter ( U 3 ), to which a temperature signal ( S 2 , U 2 ) supplies a characteristic signal ( T _L ) corresponding to the temperature of the cooling medium as a second input signal, and that the converter ( U 3 ) the supplied thereto input signals (W _T, T _L) are formable in accordance with the thermal equivalent circuit of the cooling arrangement (T, K) into an output signal (T _T) corresponding to the temperature of the device (T).

2. Device according to claim 1, characterized in that the converter ( U 3 ) means ( A ) for displaying the temperature ( T _T ) of the component ( T ) are assigned.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that when a predetermined maximum temperature of the component ( T ) is exceeded, the generation of electrical power loss on the component ( T ) can be reduced.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that when a predetermined maximum temperature of the component ( T ) is exceeded, the dissipation of the heat output on the component ( T ) can be increased.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the generation of electrical power loss on the component ( T ) can be increased when the temperature falls below a predetermined minimum temperature of the component ( T ).

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that when the temperature falls below a predetermined minimum of the component ( T ), the dissipation of the heat output on the component ( T ) can be reduced.