Постановка задачи

Растущие потребности в энергии промышленных и гражданских объектов выводит на первый план проблему передачи и преобразования электрической энергии. Величины передаваемой и преобразовываемой мощности измеряются мегаваттами. Такие уровни коммутируемой мощности предъявляют высокие требования к обеспечению надёжности мощных преобразовательных устройств.

Основу современных преобразовательных устройств составляют силовые полупроводниковые приборы (СПП), качество изготовления которых определяет надёжность преобразователя в целом. Потенциально высокая надёжность СПП гарантируется только при обеспечении оптимальных температурных и электрических режимах эксплуатации.

Вентильные коммутаторы мощных преобразователей требует применения полупроводниковых ключей, рассчитанных на токи в десятки тысяч ампер и напряжения до десятков киловольт. Однако современной полупроводниковой промышленностью пока не созданы такие приборы. Поэтому в мощных преобразователях применяется групповое последовательное, параллельное и последовательно-параллельное включение СПП.

При этом важнейшим условием обеспечения требуемого уровня надежности СПП является идентичность приборов по характеристикам и параметрам. Наиболее важными являются электрические и тепловые характеристики и параметры. Однако при производстве СПП из-за несовершенства технологического процесса изготовления наблюдается разброс параметров их характеристик. В связи с этим при изготовлении преобразователей на основе группового соединения СПП необходимо осуществлять их подбор по нескольким основным параметрам.

В настоящее время при изготовлении преобразователя обычно подбор приборов осуществляется только по электрическим параметрам. Такой способ подбора не является достаточным для обеспечения их надежности, так как электрические параметры СПП существенно зависят от температуры полупроводниковой структуры. Основным тепловым параметром СПП является тепловое сопротивление переход-корпус R_thjc Подбор по данному параметру весьма затруднён так как по известным методикам [1, 2] требуются большие временные и энергетические затраты на его определение. Однако информация о величине R_thjc позволяет сгруппировать СПП в преобразователе таким образом, чтобы существенно снизить как абсолютные значения температуры их структур, так и их разброс. В связи с этим разработка новых способов измерения и определения тепловых и электрических характеристик и параметров СПП и высокопроизводительной испытательно-измерительной аппаратуры на их основе является актуальной задачей.

Описание решения

На кафедре автоматики Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва разработан метод определения R_thjc [3], который по сравнению с известными, позволяет существенно снизить погрешность определения R_thjc - Это обусловлено, прежде всего, тем, что величина температурного коэффициента напряжения (ТКН) определяется для каждого испытуемого прибора. При этом достигнуто существенное повышение производительность процесса испытания СПП, измерения и определения электрических и тепловых параметров. Дополнительно метод позволяет снять требование стабилизации греющего тока, что существенно упрощает источник греющего тока. Сущность разработанного метода заключается в следующем.

Определение R_thjc производят в три этапа испытания и измерения информативных параметров, и этапа определения Z_thjc и R_thjc (рис. 1). На всех этапах испытания через испытуемый СПП пропускается постоянный измерительный ток I_test. Величина I_test выбирается таким образом, чтобы его протекание несущественно влияло на термодинамическое равновесие испытуемого прибора. В качестве термочувствительного параметра используется напряжение на полупроводниковом приборе U_hc в состоянии высокой проводимости.

Рис. 1. Временные зависимости тока, протекающего через испытуемый СПП, напряжения на нем и температуры структуры и корпуса при испытании

На первом этапе прибор находится в начальном состоянии термодинамического равновесия и температура полупроводниковой структуры 7} равна температуре корпуса Т_с. В момент времени t₀ измеряется и запоминается значение напряжения u_hc(t₀) при протекании I_test и температура корпуса Т_с(t₀).

На втором этапе с момента времени t₁ до момента t₂ СПП нагревается импульсами тока i_heat(t) полусинусоидальной формы с фазовой регулировкой длительности. Нагрев начинается с постепенного увеличения величины греющего тока. В интервалах между очередным увеличением тока рассчитывается значение средней мощности потерь полупроводникового прибора P_tot⁽ⁿ⁾.

После достижения греющей мощности установленного максимального значения, которое определяется из соотношения:

где к = 0,5...0,7 - коэффициент запаса по температуре, R_thjcТУ - значение теплового сопротивления, определяемое по техническим условиям или паспортным данным СПП и T_jmax - максимальная допустимая температура полупроводниковой структуры, дальнейшее увеличение мощности прекращается. Далее нагрев производится током с полученными параметрами греющего тока.

В процессе нагрева в моменты времени t_heati⁽ⁿ⁾ n-ого интервала измерения запоминаются значения u_hc(t_heati⁽ⁿ⁾) и i_heat (t_heati⁽ⁿ⁾), и вычисляется средняя мощность потерь по формуле:

После достижения T_c = 90 °С нагрев прекращается. В процессе остывания измеряются u_hc(t) и T_c(t), и вычисляется ТКН:

Дополнительно вычисляется производная ТКН по времени (dTKH(t)ldt). В момент термодинамического равновесия t₃, когда dTKH(t)/dt=0, величина ТКН принимает истинное значение. Оно запоминается и используется для дальнейшего расчёта.

Далее по полученной информации в процессе испытания рассчитывается временная характеристика динамического теплового сопротивления переход-корпус:

где u_hc(t_heat⁽ⁿ⁾) и Т_с(t_heat⁽ⁿ⁾) - значение термочувствительного параметра и температуры корпуса СПП в конце n-го периода измерения в процессе нагревания.

В полученной характеристике, находится максимальное значение, которое и принимается за величину R_thjc

По измеренной характеристике u_hc(t), определяется переходное тепловое сопротивление переход-среда Z_thja:

В процессе определения R_thjc по данной методике дополнительно определяется вольтамперная характеристика (ВАХ) СПП и её параметры, такие как импульсное напряжение U_f(T)m, пороговое напряжение U_TO; и дифференциальное сопротивление r_T.

Используемое оборудование и ПО

Разработанный способ реализован в испытательно-измерительном комплексе аппаратуры, выполненном на базе оборудования и программного продукта LabVIEW компании National Instruments. Программа измерения и обработки результатов зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ [4].

Сбор информации и управление установкой осуществляется универсальной платой расширения для персонального компьютера NI PCI-6251. Информация о состоянии СПП собирается АЦП с двух датчиков тока и напряжения, и одного или двух датчиков температуры корпуса прибора. Полученная информация передаётся в виртуальный прибор (ВП), созданный в среде программирования LabVIEW, в котором она обрабатывается, и рассчитываются определяемые величины. На основе предварительной информации ВП рассчитывает параметры испытания. Измеренная и обработанная информация сохраняется в файле на жестком диске компьютера и может быть использована для дальнейшего исследования.

На рис. 2 приведена лицевая панель ВП разработанного испытательно-измерительного комплекса, на которой приведена вкладка с представлением временных зависимостей тепловых характеристик испытуемого диода КД2969.

Рис. 2. Лицевая панель ВП испытательно-измерительного комплекса (вкладка с представлением временных зависимостей тепловых характеристик испытуемого диода КД2969)

На рис. 3 приведена лицевая панель ВП разработанного испытательно-измерительного комплекса, на которой приведена вкладка с представлением двух ВАХ испытуемого диода КД2969 при начальной температуре полупроводниковой структуры T_j0=2О°С и при максимальной температуре структуры T_jmax.

Рис. 3. Лицевая панель ВП испытательно-измерительного комплексе (вкладка с представлением ВАХ испытуемого диода КД2969 при различных температурах полупроводниковой структуры)

Внедрение и развитие решения

Разработанный способ определения R_thj_C и комплекс аппаратуры применим для диодов, тиристоров и симисторов в корпусном исполнении на токи от 1 А до 3200 А. Комплекс используется в МГУ им. Н. П. Огарева для проведения лабораторных работ и был применен при исследовании качества изготовления автотракторных диодов КД2969 на предприятии ОАО «Орбита» (г. Саранск). На предприятии «Электронная техника - МГУ» предполагается проведение разработки серии образцов комплекса, которые могут применяться в лабораторных и научно-исследовательских работах, а также при контроле СПП в промышленности.

Список литературы

1. ГОСТ 24461-80 (СТ СЭВ 1656-79). Приборы полупроводниковые силовые. Методы измерений и испытаний. - М.: Издательство стандартов, 1981. - 56 с.

2. Рабинерсон, А. А. Режимы нагрузки силовых полупроводниковых приборов / А. А. Рабинерсон, Ашкинази Г. А. - М. : Энергия, 1976. - 296 с.

3. ПАТЕНТ 2300115 РФ, МПК7 G 01 R 31/26. Способ определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении / Н. Н. Беспалов (RU), М. В. Ильин (RU),. - № 200610336; заявлено 02.02.2006; опубл. 27.05.2007, Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели». № 15. - 642 с.

4. Свидетельство № 2007614237. Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин. Определение тепловых и электрических характеристик полупроводниковых приборов. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 05.10. 2007 г.

..............................................................................................................................