Силовая электроника №1'2004

АДИП: диагностика силовых полупроводниковых приборов

Николай Беспалов
Александр Мускатиньев


Надежность преобразователей электрической энергии при эксплуатации в большой степени определяется качеством силовых полупроводниковых приборов, а также качеством реализации силовой схемы. Исходное качество силовых полупроводниковых приборов должны обеспечивать их изготовители, а качество реализации силовой схемы преобразователя обеспечивается при комплектовании его полупроводниковыми приборами и настройке.


Параметры критериев качества силовых полупроводниковых приборов 

Исходное качество силовых полупроводниковых приборов должно проверяться по определенным критериям. Стандартом определен список параметров критериев годности силовых полупроводниковых приборов [1]:

1) для силовых диодов — повторяющийся импульсный обратный ток IRRM и импульсное прямое напряжение UFM;

2) для силовых тиристоров  — повторяющийся импульсный обратный ток IRRM, повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии IDRM, импульсное напряжение в открытом состоянии UTM и отпирающий ток управляющего электрода IGT.

Аппаратура для диагностики качества силовых полупроводниковых приборов

Проблема обеспечения требуемой надежности преобразователей может быть успешно решена только при применении объективных методик диагностики качества силовых полупроводниковых приборов, реализация которой невозможна без специальной диагностической аппаратуры. Потребители силовых полупроводниковых приборов такой специальной аппаратурой практически не обеспечены ввиду отсутствия ее серийного изготовления в России. Такая диагностическая аппаратура выпускается за рубежом, например, фирмой LEM (Швейцария), однако стоимость ее очень высока. В связи с этим потребители силовых полупроводниковых приборов для диагностики качества, например, по параметрам состояния низкой проводимости, вынуждены применять при входном контроле мегомметры, которые предназначены для измерения сопротивления изоляции. Необходимо сразу отметить, что это неверный путь для диагностики качества полупроводниковых приборов. Это обусловлено, прежде всего, отсутствием при этом единого критерия качества силовых полупроводниковых приборов по значениям сопротивлений полупроводниковых приборов в состоянии низкой проводимости. Другие критерии годности силовых полупроводниковых приборов потребители практически не применяют.

Для диагностики силовых полупроводниковых приборов по критериям годности нами разработан комплекс автоматизированной аппаратуры серии «АДИП». Комплекс «АДИП» предназначен для измерения параметров силовых полупроводниковых приборов, рассчитанных на токи от 10 до 5000 А и напряжения от 100 до 6000 В. При разработке комплекса применены способы формирования испытательных сигналов напряжения и тока, которые обеспечивают выполнение требований стандартов [1] и публикации МЭК 147-2.

Комплекс «АДИП» состоит из устройств для измерения статических параметров силовых полупроводниковых приборов в закрытом (обратном) и в открытом состоянии, динамических параметров тиристоров при включении, а также параметров цепи управления тиристорами. На рис. 1 приведена фотография одного из вариантов конструктивного исполнения комплекса «АДИП». На рис. 2 приведена фотография одного из вариантов устройства «АДИП-2». Комплекс включает более пяти устройств.

Рис.1
Рис.1

Устройство «АДИП-1» применяется для измерения статических параметров в закрытом и обратном состояниях всех типов силовых полупроводниковых приборов. Устройство позволяет измерять токи IDRM(RRM) силовых полупроводниковых приборов в пределах от 100 мкА до 100 мА и определять класс силового полупроводникового прибора по напряжению в пределах от 3 до 60 В. Устройство снабжено двумя цепями быстродействующей защиты тиристоров от пробоя со временем срабатывания не более 1 мкс.

Устройство «АДИП-2» предназначено для измерения импульсных напряжений UTM(FM) всех современных типов тиристоров и силовых диодов. Устройство позволяет формировать через полупроводниковый прибор испытательные импульсы тока в открытом (прямом) состоянии с амплитудой ITM(FM) в пределах от 10 А до 15 кА длительностью 1–5 мс и измерять напряжение UTM(FM) в пределах 0,5–10 В.

Устройство «АДИП-3» применяется для измерения времени задержки tgd и времени включения tgt всех известных типов тиристоров в пределах 0,5–30 мкс.

Устройство «АДИП-4» служит для измерения параметров цепи управления тиристорами: отпирающего тока IGT в пределах 10–1000 мА и отпирающего напряжения UGT в пределах 0,5–10 В.

Устройство «АДИП-5» необходимо для измерения заряда обратного восстановления Qrr и времени обратного восстановления trr полупроводникового прибора. Все приборы серии «АДИП» обладают цифровой индикацией измеряемых параметров, просты в обращении и имеют малые габариты и массу.

Обеспечение входного контроля параметров силовых полупроводниковых приборов

Входной контроль должен осуществляться по критериям годности [1]. Для этого необходимо применять устройства «АДИП-1», «АДИП-2» и «АДИП-4».

Обеспечение диагностики полупроводниковых приборов при изготовлении преобразователей

В преобразовательных установках большой мощности, используемых в промышленности и на электрическом транспорте, применяется групповое соединение силовых полупроводниковых приборов. Наиболее эффективным способом, обеспечивающим равномерную загрузку силовых полупроводниковых приборов в статических и динамических режимах их работы, является подбор этих приборов с минимальным разбросом определенных параметров. Потребность в подборе существует не только на этапе изготовления преобразовательных установок, но и в процессе их эксплуатации и доводки.

Низкочастотные преобразователи с групповым соединением силовых полупроводниковых приборов

При последовательном соединении полупроводниковых приборов для более равномерного распределения напряжений необходимо осуществлять подбор силовых полупроводниковых приборов по значениям токов IDRM(RRM). Их величины должны быть одного порядка при заданном напряжении класса в холодном состоянии. В противном случае невозможно добиться хорошего распределения напряжений между двумя полупроводниковыми приборами. Перед такой операцией следует устранить возможность появления токов утечек по поверхности силовых полупроводниковых приборов.

Более точный результат подбора двух идентичных приборов по характеристикам низкой проводимости может дать их нагрев до рабочей температуры преобразователя. Токи через прибор могут в этом случае существенно возрасти, что подтверждается результатами измерения для силовых полупроводниковых приборов различного типа, приведенными в таблице.

Таблица

Измерение токов IDRM(RRM) может быть осуществлено с помощью прибора «АДИП-1». В инструкции по эксплуатации прибора представлена методика подбора силовых полупроводниковых приборов для последовательного соединения.

В случае параллельного соединения силовых полупроводниковых приборов возникает проблема равномерного распределения тока между ними. Если в преобразователе не предусмотрены принудительные меры распределения тока через параллельные ветви, то вследствие разброса вольт-амперных характеристик силовых полупроводниковых приборов токи в ветвях могут различаться на 20–50%. В этом случае единственным решением проблемы является подбор силовых полупроводниковых приборов по импульсным напряжениям UTM(FM). Желательно, чтобы разброс значений UTM(FM) не превышал 0,02 В. Такая операция для силовых полупроводниковых приборов любых типов может быть осуществлена с помощью устройства «АДИП-2». Результаты подбора могут быть достоверными только при обеспечении необходимого усилия сжатия специальными прессами для полупроводниковых приборов прижимной конструкции. Численное значение усилия сжатия регламентируется техническими условиями завода-изготовителя силовых полупроводниковых приборов.

Высокочастотные преобразователи с групповым соединением силовых полупроводниковых приборов

Для обеспечения надежности высокочастотных преобразователей с последовательным соединением тиристоров в ряде случаев подбор по токам в состоянии низкой проводимости оказывается недостаточным. При включении последовательной цепи тиристоров в преобразователе при одновременной подаче управляющих импульсов первым включается тиристор с малым временем задержки. Остальные оказываются под воздействием дополнительного импульса напряжения с повышенным значением скорости нарастания du/dt, которое может быть снижено с помощью параллельных демпфирующих RC-цепей. Однако более эффективный способ заключается в подборе тиристоров с близкими по значениям времени задержки включения с помощью аппаратуры «АДИП-3». С помощью этого устройства возможно также оценить время включения тиристоров, величина которого может характеризовать коммутационные электрические потери в тиристорах при включении с повышенными значениями скорости нарастания diT/dt в открытом состоянии.

При выключении последовательной цепи тиристоров распределение напряжений между закрывающимися приборами в динамическом режиме может оказаться неравномерным, что связано с различным значением накопленного заряда. Тиристор, закрывшийся первым в последовательной цепи, оказывается под повышенным напряжением из-за протекания обратных токов других тиристоров. Длительность такого процесса тем выше, чем больше накопленный заряд Qrr в тиристорной структуре. Ослабить это явление можно также включением параллельных демпфирующих RC-цепочек, но наиболее эффективный способ — подбор тиристоров по заряду обратного восстановления Qrr на аппаратуре «АДИП-5».

В настоящее время устройства типа «АДИП» используются для контроля параметров силовых полупроводниковых приборов в московском, новосибирском и в самарском метрополитене, на ЗападноСибирской железной дороге, на Ижевском и Череповецком металлургических комбинатах, а также во Всероссийском научно-исследовательском институте электровозостроения, на Новочеркасском электровозостроительном заводе, в ЗАО «Протон-Электротекс» и других предприятиях России, эксплуатирующих электрические преобразователи на основе силовых полупроводниковых приборов.

Использование аппаратуры «АДИП» для технической диагностики параметров силовых полупроводниковых приборов позволяет объективно осуществлять подбор приборов на всех стадиях контроля и отбраковывать потенциально ненадежные приборы. Это обеспечивает уменьшение числа их отказов и повышение надежности преобразователей, что обусловливает повышение общего уровня качества преобразователей, а также сокращение сроков их доводки за счет уточнения критериев технической диагностики и требований к параметрам силовых полупроводниковых приборов.

Литература

  1. ГОСТ 24461 — 80 (СТ. СЭВ 1656 — 79). Приборы полупроводниковые силовые. Методы измерений и испытаний. М.: Издательство стандартов. 1981.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2004_01_38.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо