Силовая электроника №2'2004

Аппаратура для диагностики компонентов силовой электроники. Методы построения и особенности реализации

Дмитрий Петров


Производство оборудования для контроля и измерения параметров компонентов силовой электроники в настоящее время является перспективным на отечественных предприятиях. Спрос на него гораздо больше, чем количество предложений, представленных на рынке. В статье анализируются методы построения подобного оборудования. Рассмотрены основные требования к измерительному оборудованию и описан способ его применения в составе автоматизированного измерительного комплекса.


В настоящее время происходит интенсивный рост выпуска мощных полупроводниковых приборов. Наряду с появлением совершенно новых типов полупроводниковых приборов (IGBT и IGCT), все еще находят применение мощные силовые диоды и силовые тиристоры. Областями их применения остаются такие отрасли промышленности, как передача и преобразование энергии, источники питания высокой мощности, преобразователи напряжения, транспорт (трамваи, троллейбусы, метро, электропоезда), электрический нагрев и плавка металлов, электролиз и многое другое.

Производство силовых полупроводниковых приборов требует специальной диагностической аппаратуры для их проверки. Эта аппаратура является достаточно сложной в изготовлении, выпускается относительно небольшими партиями (потенциальных ее потребителей немного) и имеет высокую цену. Среди зарубежных производителей подобной аппаратуры можно назвать швейцарскую фирму LEM и французскую 3C-electronix. В России производством подобной аппаратуры занимается научно-производственный центр «Альфаритм», где выпускаются измерительные комплексы серии АДИП.

В данной статье будут рассмотрены основные требования, предъявляемые к производству диагностической аппаратуры для контроля параметров тиристоров и диодов, методы ее реализации и возникающие при этом проблемы. Спектр подобной аппаратуры достаточно широк и включает аппаратуру для измерения как временных параметров приборов, так и допустимых напряжений в закрытом и обратном состояниях. Объем статьи не дает возможности рассмотреть весь спектр измерительной аппаратуры, представленной на рынке. Остановимся на рассмотрении аппаратуры для измерения напряжения пробоя и напряжения переключения силовых полупроводниковых приборов (СПП), таких, как силовые тиристоры и силовые диоды, и определения класса СПП по напряжению.

В настоящее время производителями выпускаются силовые тиристоры и силовые диоды, рассчитанные на напряжение до 8 кВ (до 80 класса). Производитель должен присвоить прибору класс, то есть определить максимальное обратное напряжение на приборе (или максимальное напряжения в закрытом состоянии), при котором ток утечки через прибор не превысит допустимого значения. Крупным потребителям полупроводниковых приборов (железнодорожный транспорт, метрополитен или электростанции), также приходится контролировать параметры применяемых у них СПП. Это бывает необходимо например, при входном контроле применяемых СПП и при периодическом их контоле в особо ответственных применениях СПП.

Требования к измерительной аппаратуре

Массовое производство СПП предполагает получение детальной информации о параметрах приборов, ведение статистики измерений, быструю реакцию на отклонение каких-либо технологических параметров от нормы и своевременное проведение коррекции техпроцесса. Измерительная аппаратура, применяющаяся на производстве, должна удовлетворять этим условиям. Обязательные требования, которые предъявляются к измерительной аппаратуре:

  • обеспечение точности измерения, достаточной для требований производства;
  • наличие быстродействующей системы защиты от превышения тока через измеряемый СПП и от превышения напряжения на приборе;
  • модульность конструкции, обеспечивающая возможность быстрого поиска неисправности и последующего ремонта;
  • наличие входов блокировки, запрещающих работу измерительного оборудования при открытом корпусе или при открытой дверце зажимного устройства СПП (обычно система захвата и удержания СПП снабжается защитным механизмом, исключающим случайное прикосновение оператора к СПП при подаче на него высокого напряжения);
  • наличие удобного пользовательского интерфейса, позволяющего задавать параметры измерений, отображать текущее состояния системы в понятной пользователю форме, сохранение заданных настроек в памяти прибора после его отключения от сети.

Дополнительные требования, которые повысят эффективность использования измерительного оборудования:

  • наличие встроенной системы диагностики, позволяющей выявить на раннем этапе возникшую неисправность и сообщить об этом оператору;
  • сохранение результата измерения в наиболее удобной для дальнейшей обработки форме и передачу результатов измерения на следующие этапы производства;
  • связь с персональным компьютером (ПК) для передачи результатов измерений;
  • возможность дистанционного управления либо с ПК, либо с выносного пульта управления;
  • просмотр результатов измерения не только в численной форме (численные значения параметров), но и в графическом виде (например вольт-амперная характеристика прибора) встроенными средствами индикации прибора без применения дополнительных устройств (осциллограф или ПК). Для этого в качестве средства индикации возможно использование графического дисплея;
  • разграничение уровня доступа пользователей измерительной установки. Так, проведение измерений и запись результатов производится обычным технологом, а выбор режима работы установки и задание некоторых специфических параметров должно производиться более квалифицированным персоналом. Доступ к этим настройкам желательно закрыть паролем.

Система управления

Для реализации большинства функций, описанных выше, недостаточно управляющей схемы, построенной на логических элементах. Обычно в измерительной установке используется специализированный микроконтроллер или цифровой сигнальный процессор. В этом случае появляется возможность реализовать такие функции, как диалоговый интерфейс пользователя, связь с ПК, хранение последних результатов измерения и др.

В некоторых случаях целесообразно использование даже двухпроцессорной системы управления. Основной процессор формирует испытательное напряжение, обрабатывает результаты измерения и контролирует правильность работы установки. Второй  процессор  занимается   организацией пользовательского интерфейса, приемом команд пользователя и выводом на дисплей результатов измерения.

Использование для подобных целей дополнительного процессора позволяет значительно упростить разработку программного обеспечения и снизить аппаратные требования, предъявляемые к основному процессору. Особенно актуально это в тех измерительных системах, где в качестве устройства индикации используется графический дисплей (например при построении графиков и диаграмм). Кроме того, упрощается реализация выносного пульта управления измерительной установкой, а также становится возможным применить единый интерфейс для связи центрального контроллера с пультом управления и с системой автоматизации верхнего уровня (например ПК).

Следует отметить, что для построения системы управления измерительной установки невысокой сложности, бывает вполне достаточно вычислительных ресурсов одного процессора.

Функциональная схема

На рис. 1 показана обобщенная функциональная схема измерительной установки, построенной по двухпроцессорной схеме. Пульт управления, выделенный в отдельный функциональный блок, может быть размещен как в корпусе установки, так и в выносном блоке.

Формирователь испытательного напряжения представляет собой силовую схему, которая по командам управления от центрального контроллера формирует испытательное напряжение, подаваемое на проверяемый СПП. Задачей этого блока является обеспечение требуемой ГОСТ формы выходного напряжения, а также его амплитуды с требуемой точностью.

Система измерения должна обеспечить контроль подаваемого на прибор напряжения с блока формирования напряжения и измерения тока утечки, протекающего через СПП. Реализация системы измерений осложняется тем, что диапазон измеряемых ею токов и напряжений достаточно широк. Максимальные и минимальные измеряемые значения могут отличаться на несколько порядков. Например значения напряжений, формируемых установкой, лежат в диапазоне от десятков вольт до нескольких киловольт. Поэтому иногда разбивают диапазон измерений на несколько поддиапазонов. Переключение поддиапазонов может осуществляться, например, делителями с регулируемым коэффициентом деления.

Схема защиты предназначена для быстрого прекращения подачи испытательного напряжения на тестируемый СПП. Ее наличие является обязательным, так как при измерении напряжения пробоя или переключения фактически происходит первичный пробой СПП с последующим лавинообразным увеличением тока через прибор. Если не принять никаких дополнительных мер, то первичный пробой СПП перейдет во вторичный пробой из-за теплового разогрева кристалла и СПП выйдет из строя. Для предотвращения аварии необходимо не только прекратить подачу испытательного напряжения на прибор при превышении током утечки допустимого значения, но и ограничить скорость нарастания тока через СПП. Задание тока защиты должно происходить по командам  системы  управления  в   зависимости от типа проверяемого СПП.

Пульт управления служит для задания параметров работы измерительной установки, управления установкой во время ее работы, а также просмотра результатов измерения. Пульт обычно снабжается несколькими функциональными клавишами и текстовым или графическим ЖК-индикатором. Возможно выделение отдельной кнопки, обеспечивающей повторное измерение выбранного параметра, что очень удобно при измерении одного параметра большой партии СПП. Режимы измерения в этом случае предварительно задаются с клавиатуры.

Схема формирования напряжения

Методика измерения, регламентируемая ГОСТом 24461-80, предполагает подачу на прибор одиночной полуволны напряжения частотой 50 Гц или линейно нарастающего постоянного напряжения. Одновременно измеряется ток утечки через прибор. Методика была разработана несколько десятков лет назад и рассчитывалась на применение следующего оборудования: повышающего трансформатора, ЛАТР, измерительного шунта, вольтметра и амперметра.

В это время методика обеспечивала наиболее простой и дешевый способ построения измерительной установки. Разумеется, весь процесс измерения параметров прибора выполнялся оператором вручную (вращение рукоятки ЛАТР, отслеживание показаний амперметра и запись показаний вольтметра).

Современное измерительное оборудование должно соответствовать стандартам, иметь небольшие габариты, высокую надежность, высокую функциональность и низкую стоимость для обеспечения конкурентоспособности. При построении силовой части измерительной установки разработчик встречается со следующими трудностями:

  • высокая мощность импульса (так, например, при формировании обратного напряжения в 10 кВ и допустимом обратном токе в 100 мА мощность импульса должна составлять 1 кВт);
  • большая длительность импульса (10 мс при однополярном импульсе частотой 50 Гц), что не позволяет использовать высокочастотные разделительные трансформаторы для преобразования энергии;
  • необходимость сохранения высокой точности измерения токов и напряжений при изменениях их значений на несколько порядков;
  • в случае использования разделительного трансформатора при пропускании через него однополярных импульсов напряжения возникает проблема запасенной в обмотках энергии, которую необходимо каким-то образом рассеять до момента формирования следующего импульса (в противном случае возникает опасность насыщения трансформатора). Для приведенных выше мощности и длительности импульса запасенная в обмотках энергия может достигать больших значений, что требует специальных мер для ее рассеяния.

    Существует несколько принципиально разных подходов к построению силовой части, а именно:

  1. Формирование импульсов напряжения заданной формы с относительно небольшой амплитудой и использование повышающего трансформатора для получения требуемой амплитуды напряжения на выходе установки. Получение импульсов различной амплитуды на выходе обеспечивается изменением амплитуды импульсов в первичной обмотке трансформатора. При этом методе возникает проблема точности формирования импульсов с амплитудой, изменяющейся на несколько порядков. Однако в случае эффективного решения подобной проблемы такому способу будет соответствовать простая схема управления. Для уменьшения диапазона напряжений импульсов в первичной обмотке возможно использование нескольких повышающих трансформаторов с различным коэффициентом трансформации. Переключение между ними должно производиться схемой управления автоматически, при изменении амплитуды формируемой последовательности импульсов. Данное решение позволяет в несколько раз уменьшить диапазон амплитуд формируемых импульсов напряжения. Однако увеличиваются массогабаритные показатели установки. При использовании одного повышающего трансформатора с несколькими первичными обмотками и общей вторичной (более удобно переключать обмотки в первичной цепи, размыкая цепи с низким напряжением), количество витков вторичной обмотки получается слишком большим. При использовании нескольких трансформаторов происходит еще большее увеличение массогабаритных показателей, так как в каждый момент времени используется только один из них.
  2. Формирование импульсов напряжения путем применения помощи широтно-им-пульсной модуляции (ШИМ) постоянного напряжения, равного максимальной амплитуде формируемых импульсов. Уменьшение пульсаций предполагает использование ФНЧ. Данный метод прост в реализации, однако с его помощью трудно обеспечить требуемую точность во всем диапазоне формируемых напряжений. Кроме того, для коммутации напряжения придется использовать силовые ключи, рассчитанные на максимальное значение формируемого напряжения.
  3. Использование последовательного соединения нескольких источников напряжения и управление каждым из них в отдельности, из-за невозможности получения напряжения, изменяемого в полном диапазоне одним источником напряжения. Этот метод, находящий также широкое применение в управлении высоковольтным электроприводом, получил название метода многоуровневой амплитудной модуляции. Путем последовательного соединения нескольких источников напряжения и подключения их в определенной комбинации возможно получение на выходе требуемого значения напряжения. Для уменьшения количества источников напряжения напряжение каждого из них стремятся сделать как можно большим. Обычно оно выбирается порядка 400-600 В и определяется значением электрической прочности ключа. Их количество определяется максимальным выходным напряжением установки. Форма выходного напряжения системы в этом случае имеет ступенчатый вид (рис. 2а) и отличается по форме от испытательного напряжения, регламентируемого ГОСТом.
Рис. 2

Для приближения формы формируемого импульса к синусоидальной применяются различные методы. Один из них — использование нескольких источников напряжения с различным значением напряжения. Обычно установка состоит из нескольких источников с максимально возможным напряжением и нескольких — с меньшим в кратное число раз напряжением. Кроме того, возможно добавление в состав установки источника напряжения, напряжение которого будет плавно изменяться от нуля до максимума перед подключением следующего источника. Плавное изменение напряжения этого источника может быть реализовано, например, применением в нем ШИМ с регулируемой относительной продолжительностью включения. Частота ШИМ выбирается значительно больше частоты подключения остальных источников напряжения, что позволяет эффективно отфильтровывать высшие гармонические составляющие выходного напряжения. Форма выходного напряжения для этого метода показана на рис. 2б: момент переключения источников напряжения, изменение напряжения одного из источников за счет применения ШИМ, а также усредненное выходное напряжение. Метод обеспечивает наибольшую точность и гибкость, хотя имеет весьма сложную техническую реализацию.

4. Еще один вариант построения измерительной установки заключается в том, что импульсы синусоидального напряжения берутся непосредственно из питающей сети 220 или 380 В. Напряжение отдельных источников создается повышением или понижением сетевого напряжения при помощи трансформаторов. Затем напряжения источников складывается в нужной комбинации для получения нужного значения выходного напряжения. Напряжение питающей сети уже имеет требуемый гармонический состав. Способ получения требуемой формы импульса — только применение ФНЧ, чтобы устранить импульсные пульсации, возникающие при переключении блоков. При таком методе упрощается техническая реализация установки. Однако любое изменение напряжения питающей сети приведет к пропорциональному изменению  напряжений  всех  блоков  установки и, следовательно, к изменению напряжения формируемого импульса. Нужно постоянно контролировать выходное напряжение системы и производить его корректировку в случае изменения его значения.

Каждый из перечисленных подходов к построению силовой части измерительной установки имеет свои достоинства и недостатки. Выбор между ними производится исходя из таких критериев, как:

  • стоимость готового устройства;
  • сложность схемы управления;
  • массогабаритные ограничения;
  • допустимая амплитуда пульсаций выходного напряжения;
  • доступность соответствующей элементной базы.

Перечисленные критерии вступают в противоречие один с другим, поэтому нельзя говорить о том, что какой-то из рассмотренных методов является самым лучшим. Решение о выборе метода построения силовой части принимается разработчиком на этапе проектирования измерительной установки.

Интегрирование в системы автоматизации

Измерительное оборудование на предприятии должно иметь возможность интеграции в современные системы автоматизации и возможность построения на его основе автоматизированных систем измерения.

Основное требование, предъявляемое к автоматизированным системам измерения — возможность построения распределенной системы измерений, позволяющей объединять различные измерительные установки с централизованным управлением (обычно на основе ПК). Это предполагает возможность пространственного распределения измерительного комплекса. Так, например, измерительный комплекс может находиться в одной лаборатории, управление им осуществляться с персонального компьютера из другой лаборатории, а результаты измерения будут доступны оператору непосредственно в процессе измерения и сохранятся на сервере в базе данных.

Пространственное распределение измерительного комплекса приводит к идее удаленных измерений (можно конфигурировать удаленное измерительное устройство, управлять процессом измерений и получать результаты измерений по сети, — то есть использовать информационно-вычислительные комплексы). В подобном случае требуются компоненты, готовые к использованию в сети, или модернизация существующих автономных устройств для обеспечения их сетевых возможностей. Программа, управляющая процессом измерений, должна быть инвариантна по отношению к местоположению измерительного устройства в сети.

Пример разработки

В статье приводится пример измерительной установки, которая в настоящее время готовится к производству на предприятии ЗАО «Электротекс» города Орла. Автор данной статьи является одним из разработчиков установки. В ходе разработки были учтены требования к измерительному оборудованию подобного класса, приведенные выше. Разработчики постарались сделать так, чтобы устройство удовлетворяло большинству из них. Установка предназначена для измерения напряжения пробоя UBR диодов и тиристоров и напряжения переключения UBO тиристоров. Ее основные технические характеристики сведены в таблицу.

Таблица

Основные функции, реализуемые установкой:

  • расчет повторяющегося импульсного обратного напряжения;
  • расчет повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии;
  • расчет неповторяющегося импульсного обратного напряжения;
  • расчет неповторяющегося импульсного обратного напряжения в закрытом состоянии;
  • построение графической зависимости амплитуды импульсов тока через прибор от амплитуды подаваемых импульсов напряжения.

На рис. 3 приведен внешний вид установки со снятой крышкой корпуса и пульта управления установкой.

Рис. 3. Внешний вид установки со снятой крышкой корпуса и пульта управления установкой
Рис. 3. Внешний вид установки со снятой крышкой корпуса и пульта управления установкой

Управление данной установкой возможно как с внешнего пульта управления, так и с ПК. Связь с ПК реализована по интерфейсу RS-485. Была разработана специальная программа, которая служит для управления измерительной установкой, а также для приема и просмотра результатов измерения. На рис. 4 показан пример работы этой программы.

 

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2004_02_42.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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