Методы и технические средства определения параметров и характеристик силовых полупроводниковых приборов для группового соединения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Методы и технические средства определения параметров и характеристик силовых полупроводниковых приборов для группового соединения

05.09.12 - Силовая электроника

кандидата технических наук

Ильин Михаил Владимирович

Саратов 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Мордовский государственный

университет имени Н.П. Огарева»

Научный руководитель: кандидат технических наук Беспалов Николай Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сивяков Борис Константинович

кандидат технических наук Семёнов Владимир Константинович

Ведущая организация: ОАО «Электровыпрямитель», г. Саранск

Защита состоится « 13 » ноября 2008 г. в 13⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан « 8 » октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Томашевский Ю.Б.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Тенденция развития современной энергетики промышленных объектов направлена на увеличение потребления электрической энергии. В металлургической, химической промышленности, электротранспорте и в других отраслях используются преобразователи электрической энергии на основе групповых соединений силовых полупроводниковых приборов (СПП).

Надёжность эксплуатации СПП, в качестве которых широко применяются силовые диоды и тиристоры, определяется их исходным качеством и режимами эксплуатации. Особое значение имеет тепловой режим эксплуатации, который в основном определяется величинами параметров вольт-амперной характеристики (ВАХ) в состоянии высокой проводимости и тепловыми параметрами и характеристиками.

Величины параметров и характеристик серийных СПП имеют значительный разброс, вызванный естественной нестабильностью технологии производства. Отсутствие у производителей и потребителей СПП эффективных методик и высокопроизводительных технических средств определения величин параметров и характеристик СПП не позволяет определять эти величины для каждого конкретного прибора.

Это вынуждает разработчиков преобразователей для определения предельных режимов эксплуатации преобразователей ориентироваться на типовые данные. При этом требуемую надёжность обеспечивают за счёт снижения величины предельных параметров режимов эксплуатации и применения дополнительных выравнивающих цепей для групповых соединений. Применение этих мер приводит к недоиспользованию СПП, а также увеличению массы и габаритов преобразователей, дополнительным потерям энергии и повышению стоимости преобразователей.

При изготовлении преобразователей также осуществляется подбор приборов по их параметрам. Однако, по тем же причинам, решение этой задачи осуществляется только в основном по величинам параметров ВАХ, а именно по величинам импульсного напряжения U_F(T)M. Температура полупроводниковой структуры СПП при эксплуатации также зависит от их тепловых параметров: теплового сопротивления переход-корпус в состоянии теплового равновесия R_thjc и переходного Z_thjc. Дополнительно отсутствие учёта взаимосвязи электрических и тепловых параметров и характеристик СПП, влияющих на режим эксплуатации, приводит к неэффективности подбора приборов и к повышению вероятности отказа отдельных приборов.

Практика эксплуатации преобразователей на основе групповых соединений СПП показала, что, несмотря на принимаемые меры, наблюдаются характерные отказы СПП, вызванные перегревом отдельных приборов. Таким образом, все вышеописанные меры не являются достаточными для обеспечения их высокоэффективной и надёжной эксплуатации.

Таким образом, в связи с вышеизложенными проблемами, возникающими в практике проектирования, изготовления и эксплуатации преобразователей на основе групповых соединений СПП, теоретическое и экспериментальное исследование электротепловых процессов в СПП, разработка высокопроизводительных методов комплексного определения величин электрических параметров в состоянии высокой проводимости, их температурных зависимостей и величин тепловых параметров и характеристик СПП, высокопроизводительных технических средств, с помощью которых возможна реализация этих методов и методов подбора СПП для групповых соединений, являются актуальными задачами.

Среди ученых, работающих в этом направлении, следует отметить Л. Р. Неймана, М. И. Абрамовича, А. А. Рабинерсона, Г. А. Ашкинази, Ю. А. Чеснокова, Ю. А. Евсеева, В. М. Бардина, М. Е. Гольдштейна, Н. А. Шипулину.

Целью работы является исследование электротепловых режимов СПП при групповых соединениях с учетом взаимосвязи их электрических и тепловых параметров и характеристик, разработка комплекса методов и технических средств для определения этих параметров и характеристик и разработка метода подбора и отбраковки СПП для групповых соединений.

Эта цель достигается решением в работе следующих задач:

1) разработка электротепловых моделей СПП различных конструкций корпусов, моделей их группового соединения и исследование электротепловых процессов в них;

2) разработка метода определения величин тепловых параметров и характеристик и электрических параметров и характеристик СПП в состоянии высокой проводимости;

3) разработка технических средств для определения электрических и тепловых параметров и характеристик СПП;

4) создание метода подбора и отбраковки СПП для групповых соединений на основе измеренных и определённых величин их электрических и тепловых параметров и характеристик.

Объектом исследования являются электротепловые модели СПП, электротепловые модели группового соединения СПП.

Предметом исследования являются тепловые и электрические процессы, протекающие в СПП при их различных групповых соединениях.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования базировались на применении основных разделов математического анализа, теории электрических цепей, численных методов решения задач и статистических методов обработки результатов экспериментов. Расчёты проводились с помощью вычислительной техники с применением лицензированных пакетов программ Multisim и LabView. Научно-физическими основами являлись положения теории электротепловой аналогии, теоретических основ электротехники и теории дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования проводились с использованием макетного образца испытательно-измерительного комплекса аппаратуры, реализованного на базе программных и аппаратных средств National Instruments.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1) электротепловые модели широко применяемых силовых диодов и тиристоров штыревых и таблеточной конструкций с учётом параметров систем охлаждения и их групповых соединений и результаты моделирования и исследования электротепловых процессов в СПП в различных режимах;

2) методы и аппаратно-программные технические средства комплексного определения величин тепловых параметров и характеристик и электрических параметров и характеристик СПП в состоянии высокой проводимости;

3) результаты моделирования и исследования тепловых и электрических процессов в реальных СПП во времени при их групповом соединении;

4) метод отбраковки и подбора СПП для групповых соединений с учетом величин их тепловых и электрических параметров.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием аппарата математического анализа, теории электрических цепей, теории статистических методов обработки результатов экспериментов и профессиональных пакетов прикладных программ Multisim и LabView и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы:

1) разработаны модели одиночных и соединённых в группы СПП штыревых и таблеточной конструкций, которые учитывают взаимовлияние электрических и тепловых процессов в них и на основе измерительной информации о величинах тепловых и электрических параметров и характеристик, полученной при их испытании, позволяют исследовать электротепловые процессы в них во времени;

2) разработан комплексный метод, позволяющий экспериментально за один испытательно-измерительный цикл определять величины электрических параметров и характеристик СПП в состоянии высокой проводимости и их зависимостей от температуры, теплового сопротивления в установившемся тепловом режиме R_thjc и переходного теплового сопротивления Z_thjc;

3) разработан метод отбраковки и подбора СПП для групповых соединений на основе информации о величинах их тепловых и электрических параметров и характеристик, получаемой при испытании приборов, и моделирования функционирования группового соединения во времени.

Практическая ценность диссертации. Разработанные методы и технические средства позволяют:

1) при производстве СПП определять величины электрических и тепловых параметров и характеристик конкретного прибора для отбраковки потенциально ненадёжных приборов, оценки качества и стабильности технологического процесса производства, а также для расширения паспортной информации о величинах этих параметров;

2) при разработке электрических преобразователей, выполняемых на основе схем, предусматривающих групповое соединение СПП, путем моделирования определять безопасные условия работы приборов;

3) при изготовлении преобразователей на основе групповых соединений СПП, их комплектации и настройке, а также при их эксплуатации в ходе ремонтных и профилактических работ подбирать СПП с идентичными параметрами и отбраковывать потенциально ненадёжные приборы. электротепловой силовой полупроводниковый прибор

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные методы положены в основу автоматизированного программно-аппаратного комплекса «АДИП-6», разработанного Научно-производственным предприятием «Электронная техника - МГУ», г. Саранск.

Метод подбора и отбраковки СПП по электрическим параметрам ВАХ в состоянии высокой проводимости внедрён в ООО ПКП «Атомспецснаб», г. Воронеж, где используется на входном контроле СПП при формировании заказов для атомных станций и металлургических комбинатов.

Теоретические положения и практические результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры автоматики Мордовского государственного университета при обучении студентов специальности 210106 - «Промышленная электроника» по дисциплине «Проектирование информационно-измерительных систем».

Результаты внедрения подтверждены соответствующими документами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: ежегодных научно-технических конференциях «Огарёвские чтения» Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва в 2005 - 2007 гг.; V и VI научно-практических конференциях «Наука и инновации в Республике Мордовия» 2006 г. и 2007 г., VIII и IX международных конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» г. Новосибирск 2006 и 2008 гг.; V Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов», г. Пенза 29 - 30 мая 2007 г.; II Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», г. Тольятти 16-18 мая 2007 г.; IX Симпозиуме «Перспективные технологии электроэнергетики. Электротехника 2030», г. Москва 28 мая - 1 июня 2007 г.; IV Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами: МСУТП - 2007», г. Саранск 24 - 26 октября 2007 г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 печатные работы, из них: 1 патент на изобретение, 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, 21 статья, в том числе 1 статья в издании, рекомендуемом ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Работа включает в себя введение, четыре главы основного материала, заключение и список использованной литературы. Объем работы составляет 205 страниц, включая приложение на 5 страницах, 107 иллюстраций, 17 таблиц. Список использованной литературы содержит 106 наименований.

Основное содержание работы

Во введении определены актуальность работы, объект и предмет исследований, структура и содержание диссертационной работы.

В первой главе дан обзор основных схем групповых соединений СПП в преобразователях и методов выравнивания электрических и тепловых нагрузок СПП. Рассмотрены существующие методы расчета и моделирования электрических процессов в преобразователях и электротепловых процессов в СПП. Рассмотрены основные тепловые и электрические параметры и характеристики СПП, определяющие тепловые режимы эксплуатации, существующие методы и технические средства для определения величин основных тепловых и электрических параметров и характеристик СПП, используемых при проектировании и изготовлении преобразователей на основе групповых соединений СПП.

Проведённый анализ показал, что групповые соединения СПП являются основой схемотехнических решений современных мощных преобразователей электрической энергии. Для обеспечения надёжного функционирования СПП при групповых соединениях особые требования предъявляются к идентичности величин их параметров и характеристик. При технологическом процессе производства СПП из-за его нестабильности наблюдаются разбросы величин их параметров и характеристик. В паспортных данных приборов приводятся только типовые предельные значения основных параметров и характеристик. В них отсутствует информация о величинах параметров и характеристик для каждого прибора и их разбросов.

Ограниченность информации о величинах параметров и характеристик СПП приводит к тому, что преобразователи на основе их групповых соединений проектируются и изготавливаются с применением специальных цепей, которые предназначены для выравнивания величин тока или мощности потерь в СПП. При этом предполагается, что за счёт этого обеспечиваются выравнивание и снижение температуры их полупроводниковых структур при эксплуатации. Однако применение этих цепей увеличивает габариты, массу и стоимость преобразователей и приводит к снижению КПД преобразователей, что свидетельствует о неэффективности принимаемых мер.

При производстве преобразователей, при профилактических работах и их ремонте при формировании группы СПП для обеспечения надёжного функционирования приборов дополнительно осуществляется их подбор по величинам параметров и характеристик. Разработанные методы подбора основываются только на подборе при формировании группы СПП по величинам некоторых параметров ВАХ в состоянии высокой проводимости при одной величине температуры корпуса СПП. Это оказывается недостаточным для повышения эффективности подбора вследствие того, что при этом не учитываются зависимости электрических параметров и характеристик СПП от температуры. В литературе рекомендуется использовать СПП с одинаковыми значениями R_thjc. Однако сплошной контроль и определение величин тепловых параметров и характеристик не осуществляется ни на одном этапе жизненного цикла приборов из-за отсутствия высокопроизводительных и точных методов и технических средств для их определения. При производстве СПП осуществляется только периодический контроль и определяются величины R_thjc ограниченной партии приборов. Всё это также предопределяет неэффективность принимаемых мер.

Методы расчёта преобразовательных устройств направлены в основном на определение электрических режимов в их цепях. При этом СПП представляются в виде идеальных ключей. Выбор СПП осуществляется на основе оценки предельных и перегрузочных режимов работы, которая осуществляется на основе справочных данных о величинах параметров линеаризованных ВАХ и тепловых параметров. При этом не осуществляется расчёт электротепловых процессов, развивающихся в СПП во времени, что необходимо для оценки возможности надёжного функционирования групп СПП при эксплуатации. Это объясняется отсутствием разработок моделей СПП, в которых учитываются взаимосвязь их электрических и тепловых параметров, конструктивное исполнение и параметры систем охлаждения. В связи с этим электротепловые процессы, которые зависят от большого числа факторов и определяют функционирование группы СПП во времени, не изучены достаточно подробно.

В последнем пункте главы сформулированы краткие выводы, вытекающие из обзора литературы, и определены конкретные цели и задачи данной диссертационной работы.

Во второй главе разработаны и исследованы электротепловые модели СПП и их групповых соединений на основе метода электротепловой аналогии. Модели реализованы в вычислительной среде Multisim. Обобщенная структура разработанных моделей СПП (рис. 1) включает в себя модель электрических процессов (МЭП) и тепловую модель (ТМ).

Рис. 1. Обобщенная электротепловая модель СПП

Информация о протекающем токе I_F через СПП поступает в МЭП. На выходе МЭП формируется информация о величине мощности потерь p_tot в полупроводниковой структуре (ПС). Эта информация передаётся на вход ТМ, в которой осуществляется расчёт температуры ПС T_j. Информация о T_j передаётся по обратной связи в МЭП, где на её основе осуществляется температурная коррекция величин электрических параметров ВАХ в МЭП.

Базовым элементом модели является модель диода VD, которая основывается на параметрах кусочно-линейной аппроксимации ВАХ в состоянии высокой проводимости порогового напряжения U_(TO) и дифференциального сопротивления r_T. Исходные значения параметров VD соответствуют устанавливаемой начальной температуре полупроводниковой структуры T_j0, относительно которой производится расчёт. Падение напряжения на модели диода описывается выражением:

(1)

Блок ТК реализует функцию температурной зависимости u_F МЭП. Данный блок представляет собой управляемый источник напряжения V1, напряжение которого определяется как:

(2)

В свою очередь, величина ТКН зависит от величины протекающего тока через диод VD и определяется из следующего соотношения:

(3)

где a и b - постоянные коэффициенты, экспериментально определяемые для конкретного моделируемого прибора.

Общее напряжение на модели СПП определяется соотношением:

(4)

Блок ИМ предназначен для вычисления мощности потерь p_tot. ИМ состоит из трёх основных блоков: датчика напряжения (ДН), датчика тока (ДТ), умножителя (УМ). Мощность, выделяемая в диоде VD, вычисляется как:

(5)

ТМ конструкции СПП разработана на основе метода электротепловой аналогии и состоит из m элементов, которые соответствуют элементам конструкции прибора и охладителя. Элемент с индексом n является полупроводниковой структурой. Для ТМ входной информацией является величина теплового сопротивления R_thjc конкретного прибора, исходя из которой определяются значения эквивалентов тепловых сопротивлений межэлементных контактов R_к. Введение дополнительных межэлементных резисторов - аналогов дефектов дает возможность учесть разброс величин тепловых параметров СПП.

С целью сравнения качества охлаждения полупроводниковых структур приборов различных типов и конструкций с типовыми охладителями были разработаны и исследованы модели следующих приборов: ВЛ200, Д151-160, Д143-800, ВКДУ-150, Т161-160, Т243-400.

Сравнительной оценкой являлся коэффициент запаса k_зT по температуре полупроводниковой структуры относительно максимальной величины температуры полупроводниковой структуры T_jm в установившемся тепловом режиме. Значения этого коэффициента определялись по формуле:

(6)

где ?T_jmax - максимальный перегрев полупроводниковой структуры в установившемся тепловом режиме, T_a = +40⁰С - максимальная температура окружающей среды.

Значения k_зT для всех исследуемых типов приборов приведены на рис. 2.

Рис. 2. Коэффициент запаса k_зT по температуре в установившемся тепловом режиме исследуемых типов СПП различных конструкций

Моделирование показало, что приборы различных конструкций при типовых значениях параметров систем охлаждения имеют существенные различия в величинах коэффициента запаса по температуре k_зT полупроводниковой структуры. Ряд приборов штыревой конструкции вообще не имеют запаса по температуре, что предполагает их потенциальную ненадёжность.

Разработаны и исследованы электротепловые модели групповых соединений СПП. Моделирование процессов в СПП при параллельном соединении трёх диодов Д151-160 с одинаковыми величинами электрических параметров и характеристик в начальном состоянии, но с различными значениями тепловых сопротивлений переход-корпус R_thjc и корпус-охладитель R_thch, показало их существенное влияние на перегревы полупроводниковой структуры СПП и перераспределение токов между ними.

Рис 3. Зависимость разницы прямых токов, протекающих через СПП (а) и перегревов (б) с максимальным и минимальным значениями R_thjc в группе от величины ДR_thjc

На рис. 3а представлены зависимости разности максимального и минимального протекающих токов через параллельные диоды ДI_F и, соответственно, на рис. 3б зависимости разности температур полупроводниковых структур ДT_j от исследуемых тепловых параметров.

Результаты исследования показывают существенную зависимость распределения тепловых перегревов полупроводниковой структуры СПП в группе и тока в них от величин тепловых сопротивлений R_thjc и R_thch.

Исследование также показало существенное влияние на величину предельного среднего тока I_Fmax СПП различных конструкций в группе и времени установления теплового равновесия в приборах от величин разброса теплового сопротивления ?R_thjc и количества приборов n в группе (рис. 4).

Рис 4. Зависимости соотношения I_F(T)max/I_F(T)AVm для одного СПП при их параллельном соединении Д151-160 (а) и Т161-160 (б) от количества приборов в группе N для различных величин разброса R_thjc

Показано, что величины I_F(T)max существенно уменьшаются с увеличением ?R_thjc и количества приборов N в группе. Также показано, что для различных типов СПП в этих зависимостях наблюдается различный характер этих изменений. Время установления теплового равновесия в приборах различных типов при параллельном соединении колеблется от десятков минут до единиц часов.

Исследование последовательно-параллельного соединения СПП показало возможность осуществлять расчёт тепловых процессов в группе по методике, применяемой для расчёта параллельного соединения СПП. Дополнительно для данного типа соединения возможно выравнивание температуры полупроводниковых структур за счёт комбинации приборов с различными величинами параметров.

Проведенные исследования показывают, что групповые соединения СПП с одинаковыми величинами электрических параметров и характеристик, но с различными величинами тепловых параметров и характеристик, имеют пониженную нагрузочную способность. Причём нагрузочная способность группы снижается с увеличением величины разброса ДR_thjc и количества СПП в группе.

Одним из путей уменьшения ?T_j и ?I_F является уменьшение значения величины R_thch. Этого можно добиться за счёт улучшения качества обработки контактирующих поверхностей либо за счёт применения теплопроводных паст. Однако, эффект уменьшения ?T_j и ?I_F наиболее существенен при подборе приборов в группе с примерно равными значениями R_thjc.

Применение разработанных электротепловых моделей для исследования тепловых процессов в СПП при групповых соединениях позволяет на стадиях разработки и производства преобразователей исключить сложный и дорогостоящий процесс экспериментального исследования групповых схем.

В третьей главе разработаны методы и технические средства для определения тепловых и электрических параметров СПП.

Первоначально в главе формируются подходы к определению информативных параметров, к которым относятся температура полупроводниковой структуры T_j, ТКН, температуры корпуса СПП T_C, средней мощности потерь P_totAV, на основе которых разработан метод определения тепловых и электрических параметров и характеристик.

Метод определения Z_thjc и R_thjc прибора заключается в выполнении двух последовательно выполняемых во времени этапов испытания: 1) формирование испытательного режима и измерение информативных параметров; 2) расчётный этап. Все эти этапы производятся за один испытательный цикл. Временные диаграммы электрических и тепловых процессов в СПП при испытании поясняются рис. 5.

Рис 5. Временные зависимости тока через СПП, напряжения на нем и температуры структуры и корпуса при испытании

Первый этап испытания и измерения информативных параметров в свою очередь разделяется на этап нагрева (t₀ - t₂) и этап остывания (t₂ - t₆).

На этапе нагрева формируются тестовые сигналы постоянного тока и импульсов греющего тока через испытуемый прибор. Этот этап предназначен для измерения информативных параметров для определения характеристики Z_thjc и параметра R_thjc. На этапе остывания измеряются дополнительные значения информативных параметров для определения ТКН испытуемого прибора.

Этап нагрева разделяется на стадию нагрева постоянным током (t₀ - t₁) и стадию нагрева импульсным током (t₁ - t₂) испытуемого прибора. Разделение процесса нагрева испытуемого прибора на две данных стадии позволяет более точно определить характеристику Z_thjc на интервале времени до 100 мс.

Рассмотрим более подробно все этапы испытательного цикла.

1. Этап нагрева.

1.1. Этап нагрева постоянным током.

1.1.1. На этом этапе через испытуемый прибор на интервале времени t₀ - t₁, в течение 100 мс, пропускается стабилизированный постоянный ток I_t1 величиной, приводящей к разогреву испытуемого прибора. В данном случае ток I_t1 является одновременно и греющим и тестовым. В течение этого интервала времени измеряются и запоминаются дискретные значения напряжения на испытуемом приборе в состоянии высокой проводимости u_hc(t_i, I_t1) и температура корпуса испытуемого прибора T_C(t_i). Средняя мощность потерь за этот промежуток времени вычисляется по формуле:

(7)

Здесь - количество измеренных дискретных значений напряжения u_hc, где - период дискретизации измерения напряжения u_hc; t_0i - момент на интервале времени t₀ - t₁.

1.1.2. В момент t₁ величина протекающего тока уменьшается до величины I_t2, не влияющей на тепловое равновесие испытуемого прибора, который является вторым тестовым током. При этом измеряется и запоминается напряжение u_hc(t₁, I_t2). Величина этого напряжения используется в дальнейшем для вычисления ТКН(I_t2).

1.2. Этап нагрева импульсным током.

На этом этапе, который начинается с момента t₁, осуществляется нагрев испытуемого прибора импульсами тока c предварительно установленными амплитудой и углом регулирования греющего тока. Нагрев продолжается до момента t₂, когда температура корпуса испытуемого прибора достигает заранее установленного максимального значения T_Cmax. В процессе нагрева в моменты времени j-го интервала измерения запоминаются значения и , и вычисляются дискретные j-е значения средней мощности потерь за период греющего тока по формуле:

(8)

где - количество измеренных точек информативных параметров за один период греющего тока, где - период дискретизации измерения информативных параметров; - момент на интервале времени j-го импульса греющего тока.

2. Этап остывания.

2.1. На стадии остывания, на интервале t₂ - t₃, продолжается измерение T_C(t_2i), u_hc(t_2i) и измеряется продолжительность данного интервала. По полученным данным вычисляются предварительные дискретные значения ТКН(t_2i) для тока I_t2:

(9)

и дискретные значения производной ТКН(t_2(i+1)) по времени:

(10)

Момент t₃ - момент достижения термодинамического равновесия участка конструкции ИП переход-корпус. Достижение этого момента определяется условием

2.2. Протекание тестового тока I_t2 длительное время приводит к погрешности определения температуры T_j по температуре T_C. В момент t₃ температура кристалла T_j определяется как:

(11)

Для выравнивания температур T_j и T_C источник тестового тока I_t2 отключается на интервал времени t₃ - t₄, равный t₂ - t₃. При испытании тиристоров и симисторов интервал t₃ - t₄ пропускается.

2.3. В момент t₄ через испытуемый прибор вновь пропускается ток величиной I_t1, измеряются и запоминаются значения T_C(t₄), u_hc(t₄, I_t1). В момент t₅ тестовый ток уменьшается до величины I_t2 и производятся измерения и запоминание T_C(t₅), u_hc(t₅, I_t2). В момент t₆ источник тестового тока отключается.

3. Расчетный этап. На этом этапе вычисляются следующие величины:

1) ТКН при протекании тока I_t1:

(12)

2) температура кристалла T_j в момент t₁:

 (13)

3) значение ТКН при протекании тока I_t2:

(14)

4) переходное тепловое сопротивление переход-корпус на промежутке t₀ - t₁:

(15)

5) средняя мощность потерь в процессе нагрева:

(16)

где m - количество импульсов греющего тока;

6) средняя мощность потерь на интервале t₀ - t₂:

(17)

Далее по полученной информации в процессе испытания рассчитываются дискретные значения характеристики Z_thjc после каждого j-го импульса греющего тока на интервале времени t₁ - t₂:

(18)

В массиве дискретных значений находится максимальное значение , которое в установившемся режиме равно величине R_thjc:

(19)

Характеристика на интервале времени t₁ - t₂:

(20)

где m - количество греющих импульсов.

На основе моделирования характеристики Z_thjc на электротепловой модели диода Д151-200 было проведено сравнение методической погрешности г_S определения теплового сопротивления R_thjc стандартным методом и разработанным методом. Результаты расчётов представлены на рис. 6.



Рис 6. Зависимость погрешности определения R_thjc стандартным методом от величины R_thca (а) и зависимость погрешности определения R_thjc разработанным методом от теплоёмкости охладителя C_h (б)

Результаты исследования показали существенное увеличение погрешности определения R_thjc от величины R_thca стандартным методом и независимость её от теплоёмкости охладителя C_h. Разработанный метод показал независимость погрешности определения R_thjc от R_thca и существенное её снижение при увеличении C_h.

На основе предложенного способа разработан испытательно-измерительный комплекс аппаратуры, базирующийся на применении ПЭВМ и аппаратных средств и программы LabView компании National Instruments.

В четвёртой главе проведены экспериментальные исследования вариации величин тепловых и электрических параметров и характеристик серийных СПП, разработаны электротепловые модели реальных СПП при групповом соединении. Осуществлено моделирование и исследование электротепловых процессов в реальных СПП с различными величинами параметров электротепловых характеристик при параллельном групповом соединении во времени. С целью выявления потенциально ненадёжных приборов предложен метод отбраковки СПП по величине предельного тока I_F(Т)AVm. Предложен метод подбора СПП для групповых соединений.

Экспериментальные исследования показывают значительную вариацию величин тепловых и электрических параметров и характеристик серийных диодов, что свидетельствует о нестабильности процесса производства исследуемых приборов. При этом по величине предельного прямого тока I_FAVm только 30% приборов соответствуют объявленной типовой паспортной величине. Это свидетельствует также об относительно низком качестве контроля приборов при производстве и о невозможности надёжной эксплуатации этих приборов без проведения процесса тщательной отбраковки и подбора.

Разработана обобщенная электротепловая модель реальных СПП. Информационной основой модели является измерительная информация, получаемая с помощью разработанного испытательно-измерительного комплекса аппаратуры. При этом входной информацией для электрической модели являются следующие характеристики реальных СПП:

1) ВАХ СПП при начальной температуре полупроводниковой температуры T_j0;

2) зависимости ТКН от тока в состоянии высокой проводимости ТКН(I_hc).

На основе этих двух характеристик восстанавливается ВАХ для любой температуры полупроводниковой структуры, напряжение на которой в состоянии высокой проводимости определяется по формуле:

(21)

Для тепловой модели входной информацией является величина теплового сопротивления R_thjc конкретного прибора. Разработанная обобщенная тепловая модель СПП описывается системой дифференциальных уравнений на основе законов Кирхгофа:

(22)

Решением этой системы уравнений относительно u_Cn(t) является временная зависимость T_j(t).

Исследованы электротепловые процессы в силовых диодах при основных видах групповых соединений. Исследования показали, что для обеспечения надёжного функционирования СПП при групповых соединениях необходимо осуществлять подбор приборов в группы с обязательным учётом взаимосвязи электрических и тепловых параметров СПП.

Предложен новый метод отбраковки и подбора СПП для групповых соединений. Метод основывается на реализации четырёх этапов.

Первый этап. На этом этапе осуществляются испытание выборки приборов, предназначенных для группового соединения, измерение и определение величин электрических и тепловых параметров и характеристик каждого прибора, а также характеристик их взаимосвязи.

Второй этап. На данном этапе первоначально отбраковываются приборы с заниженными значениями I_F(T)AVm, затем осуществляется сортировка приборов по группам, в которых группируются приборы с заданным диапазоном значений определенных параметров, таких как U_(TO) и R_thjc.

Третий этап. На этом этапе, на базе обобщенной электротепловой модели реальных СПП, сформированных в группу, производится моделирование электротепловых процессов в них во времени.

Четвёртый этап. На данном этапе на основе полученной информации принимается решение о возможности надёжного функционирования исследуемой группы приборов. Условием принятия решения является отсутствие в группе приборов, максимальная температура полупроводниковых структур которых превышает предельно допустимую величину T_jm. В случае невыполнения для данного группового соединения этого условия осуществляется переход к операциям второго этапа.

Основные результаты работы

1. Разработаны новые электротепловые модели дискретных силовых диодов и тиристоров различных конструкций, реализованные на основе метода электротепловой аналогии. При этом в моделях учтены параметры систем охлаждения и взаимосвязи электрических и тепловых параметров и характеристик СПП.

2. На базе разработанных электротепловых моделей дискретных СПП предложены модели их групповых соединений.

3. Разработан комплекс методов для определения величин электрических параметров и характеристик СПП в состоянии высокой проводимости и тепловых параметров и характеристик.

4. Разработаны технические средства, позволяющие в ходе одного цикла испытаний определять величины основных электрических параметров ВАХ СПП в состоянии высокой проводимости и их тепловых параметров и характеристик.

5. Разработана обобщённая электротепловая модель реальных СПП на основе их измеренных электротепловых характеристик для исследования групповых соединений приборов.

6. Предложен новый метод отбраковки и подбора СПП для групповых соединений на основе испытаний приборов с помощью разработанных технических средств и моделирования электротепловых процессов в группе СПП во времени.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах

В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Ильин, М. В. Метод определения тепловых характеристик силовых полупроводниковых приборов // Н. Н. Беспалов, Ю. М. Голембиовский, М. В. Ильин // Вестник Саратовского государственного технического университета, 2007, № 2 (24). Вып. 1. - С.88 - 94.

Свидетельства и патенты:

2. 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. - с. 642.

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

В других изданиях:

4. Ильин, М. В. Применение программы MULTISIM для определения температуры перегрева силовых полупроводниковых приборов / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Технические и естественные науки: проблемы, теория, эксперимент: межвуз. сб. науч. тр. - Вып. V. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005. - С. 12-15.

5. Ильин, М. В. Исследование термочувствительного параметра полупроводниковых диодов / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Технические и естественные науки: проблемы, теория, эксперимент: межвуз. сб. науч. тр. - Вып. V. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005. - С. 29-30.

6. Ильин, М. В. Разработка источника тока для нагрева полупроводниковых приборов / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // XXXIV Огаревские чтения: материалы науч. конф.: в 2 ч. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. Ч.2. - С. 228.

7. Ильин, М. В. Исследование температурной зависимости параметров диодов в прямом направлении / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, С. А. Зинин // XXXIV Огаревские чтения: материалы науч. конф.: в 2 ч. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. Ч.2. - С. 239.

8. Ильин, М. В. Моделирование тепловых процессов в силовых тиристорах, используемых на высоких частотах / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Актуальные проблемы электронного приборостроения 2006: материалы VIII Междунар. конф.: в 9 т. Новосибирск: НГТУ 2006. - Т. 7. - С. 101-103.

9. Ильин, М. В. Тепловое сопротивление переход-корпус силовых полупроводниковых приборов и способы его оценки / Н. Н. Беспалов, В. М. Бардин, М. В. Ильин // Естественно-технические исследования: теория, методы, практика: межвуз. сб. науч. тр. - Вып. VI. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. - С. 15-17.

10. Ильин, М. В. Автоматизация исследования температурной зависимости прямого напряжения диода с помощью LABVIEW / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Естественно-технические исследования: теория, методы, практика: межвуз. сб. науч. тр. - Вып. VI. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. - С. 39-41.

11. Ильин, М. В. Применение лабораторного комплекса National Instruments для исследования температурной зависимости параметров диодов / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, С. А. Зинин // Наука и инновации в Республике Мордовия: материалы V науч.-практ. конф. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. - С. 544-545.

12. Ильин, М. В. Выбор типоразмера сердечника импульсного трансформатора для систем управления тиристорами / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, М. Н. Байбиков // Электротехнические комплексы и силовая электроника, анализ, синтез и управление: межвуз. науч. сб. тр. Саратов: СГТУ, 2004. - С. 74-77.

13. Ильин, М. В. Исследование драйвера управления силовых тиристоров на основе управляемого источника тока / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, М. Н. Байбиков // Технические и естественные науки: проблемы, теория, эксперимент: межвуз. сб. науч. тр. - Вып. VI. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. - С. 28-29.

14. Ильин, М. В. Метод определения теплового сопротивления силовых полупроводниковых приборов / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: труды II Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием: в 2 ч. Тольятти: ТГУ, 2007. Ч. 1. - С. 288-291.

15. Ильин М. В. О выборе величины тестового тока при определении теплового сопротивления тиристоров / М. В. Ильин // Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов: сб. статей V Всерос. науч.-техн. конф. Пенза: АНОО «Приволжский Дом знаний», 2007. - С. 156-158.

16. Ильин М. В. Определение температурного коэффициента напряжения силовых полупроводниковых приборов / М. В. Ильин // Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов: сб. статей V Всерос. науч.-техн. конф. Пенза: АНОО «Приволжский Дом знаний», 2007. - С. 159-161.

17. Ильин М. В. Аппаратура для определения теплового сопротивления СПП на базе программы LabView / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Наука и инновации в Республике Мордовия: материалы VI науч.-практ. конф. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. - С. 143-145.

18. Ильин М. В. Определение энергии потерь в СПП в открытом состоянии с применением программы LabView / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, С. А. Зинин // XXXV Огаревские чтения: материалы науч. конф.: в 2 ч. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, - 2007. Ч.2. - С. 258-259.

19. Ильин М. В. Токораспределение и тепловой режим в силовых полупроводниковых приборах с различными тепловыми сопротивлениями при групповом параллельном соединении / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Технические и естественные науки: проблемы, теория, эксперимент: межвуз. сб. науч. тр. - Вып. VII. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. - С.6-9.

20. Ильин М. В. Диагностика и контроль параметров силовых полупроводниковых приборов / Н. Н. Беспалов, А. В. Мускатиньев, М. В. Ильин // Методы и средства управления технологическими процессами: МСУТП - 2007: материалы IV Междунар. конф. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. - С. 88 - 91.

21. Ильин М. В. Исследование электротепловой модели параллельно-последовательного соединения СПП / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Методы и средства управления технологическими процессами: МСУТП - 2007: материалы IV Междунар. конф. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. - С. 91 - 94.

22. Ильин М. В. Автоматизация измерений параметров силовых полупроводниковых приборов на основе LABVIEW / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Технологии National Instruments в науке, технике и образовании: материалы Междунар. науч. конф. Таганрог: Изд.-во ТРТУ, 2006. - С. 4-6.

23. Ильин М. В. Моделирование электротепловых процессов в силовых полупроводниковых приборах при параллельном групповом соединении с применением программы LabView / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Актуальные проблемы электронного приборостроения 2008: материалы VIII Междунар. конф.: в 9 т. Новосибирск: НГТУ, 2008. - Т. 7. - С. 76-81.

Размещено на Allbest.ru