Силовая электроника №4'2012

Методы повышения качества измерения характеристик СПП в области статических потерь

Полещук Алексей


Производители СПП прилагают множество усилий по максимальному снижению статических потерь проводимости при сохранении остальных параметров СПП на требуемом уровне. Результатом такого подхода является наличие некоторого, весьма существенного, разброса параметров СПП в партии приборов даже в случае применения современных технологий. В ряде случаев возникает необходимость параллельного соединения СПП в единый узел, приборы в котором должны быть прецизионно подобраны по параметрам для достижения их симметричного нагружения и выравнивания тепловыделения. Поэтому необходимо максимально точно измерять параметры СПП, отвечающие за статические потери проводимости для их корректной классификации и селективной группировки при параллельном соединении. Для этого необходимо оборудование, позволяющее формировать токовые импульсы заданной амплитуды и формы с высокой точностью и повторяемостью.

Оборудование для прецизионного измерения прямого падения напряжения мощных СПП

Непрерывное повышение мощности электросиловых и электропреобразовательных установок, связанное с развитием промышленности и энергетики, ведет к непрерывному повышению требований к характеристикам и нагрузочной способности силовых полупроводниковых приборов (СПП). Соответственно, растут требования к допустимой токовой нагрузке силовых тиристоров и диодов, которая ограничивается потерями на тепловыделение в полупроводниковых структурах и интенсивностью процесса теплоотвода от кристалла.

Производители СПП прилагают множество усилий по максимальному снижению статических потерь проводимости при сохранении остальных параметров СПП на требуемом уровне. Результатом такого подхода является наличие некоторого, весьма существенного, разброса параметров СПП в партии приборов даже в случае применения современных технологий. При этом достаточно малый разброс характеристик (в пределах 10–15%) способен оказать ключевое влияние на сравнительную нагрузочную способность приборов вследствие ограничений по допустимому тепловыделению на кристалле в диапазоне больших токов. С другой стороны, очень часто присутствует необходимость коммутации токов, величина которых превышает токонесущую способность кристаллов большого диаметра (90 мм и более). В этом случае возникает необходимость параллельного соединения СПП в единый узел, приборы в котором должны быть прецизионно подобраны по параметрам для достижения их симметричного нагружения и выравнивания тепловыделения.

Вышеперечисленные задачи обуславливают необходимость максимально точного измерения параметров СПП, отвечающих за статические потери проводимости (в нашем случае — падения напряжения в открытом состоянии VTM), для их корректной классификации и селективной группировки при параллельном соединении. Для измерения VTM на рабочих токах в приборах больших диаметров необходимо оборудование, позволяющее формировать токовые импульсы заданной амплитуды и формы с высокой точностью и повторяемостью. При этом существенной для измерения параметров является не только амплитуда токового импульса, но и его длительность, форма и последующая обработка полученных данных.

Формирование токового импульса

В разработанном оборудовании для формирования токового импульса с изменяемой формой применяется топология параллельного buck-преобразователя, работающего в качестве источника тока. Источником энергии для импульса является набор конденсаторных батарей, коммутируемых высокоскоростными IGBT-модулями с целью формирования токового импульса заданной формы и амплитуды после сглаживания на фильтре.

Модульная конструкция с параллельным соединением ячеек позволяет масштабировать мощность установки в широких пределах 1–9 кА и осуществлять независимую автоматическую диагностику состояния каждой батареи.

Используя адаптивную схему (рис. 1) оцифровки сигнала и цифровое управление силовыми ключами, возможно получить практически любую форму токового импульса, включая трапециидальную, полусинус, ступенчатую трапециидальную и S-образную.

 Функциональная схема измерительного модуля

Рис. 1. Функциональная схема измерительного модуля

Повышение быстродействия контура управления током

Основное требование, предъявляемое к контуру управления, — максимально точная генерация заданного токового импульса достаточно малой длительности и обеспечение ее повторяемости в последовательности испытаний. При этом параметры цепи, в которой протекает тестовый ток, являются достаточно стабильными и не изменяются в процессе проведения измерений либо изменяются нечасто. Это позволяет реализовать регулятор, осуществляющий управление током в цепи, на основе предварительно сформированной математической модели (model following control).

На схеме (рис. 2) использованы следующие обозначения:

  • ID(t) — желаемая форма токового импульса;
  • WM — модель управляемого объекта электрической цепи;
  • FM — фильтр измеренного значения тока;
  • I(t) — реальное значение тока в цепи;
  • g(t) — внешние возмущающие воздействия;
  • LQR-регулятор — регулятор, минимизирующий ошибку формирования токового импульса.
 Упрощенная схема регулятора тока

Рис. 2. Упрощенная схема регулятора тока

При наличии достаточно точно идентифицированной модели системы возможно не только увеличить скорость отработки системой заданного сигнала, но и синтезировать оптимальные фильтр и регулятор для увеличения стойкости управляющей цепи к внешним помехам и шумам. Последнее является особенно важным, учитывая достаточно высокий уровень электромагнитных возмущений, генерируемый силовыми ключами.

Автоматическая идентификация параметров цепи основывается на определении таких характеристик, как омическое сопротивление (R) контура, индуктивность (L), эффективная емкость конденсаторных накопителей энергии (С) путем подачи серии тестовых импульсов и последующей обработки результатов для самонастройки системы под текущие характеристики цепи. Помимо этого осуществляется диагностика состояния конденсаторных батарей для исключения эффекта их старения и дальнейшей разбалансировки системы.

Указанные возможности обеспечивают отклонение реального тока от заданного в динамике не более чем на 2–3% и повторяемость результатов измерений на уровне 0,6–0,9% (рис. 3, 4).

 Синусоидальный импульс 3,3 кA, 10 мс

Рис. 3. Синусоидальный импульс 3,3 кA, 10 мс
 Отклонение измеренного значения от заданного

Рис. 4. Отклонение измеренного значения от заданного

Обработка оцифрованных результатов измерений

Основной целью проводимых измерений является получение наиболее адекватных значений VTM(FM) биполярных СПП при заданном значении тока и форме импульса. Реальное значение тока в процессе измерения испытывает флуктуации вокруг целевого значения вследствие импульсного метода регуляции тока, что вносит определенный разброс в измеряемые значения, которые дополнительно оказываются зашумленными внешними помехами.

Чтобы получить более точное значение напряжения, необходимо провести дополнительную математическую обработку результатов измерений. Для этого за основу берется известное уравнение, приближенно описывающее вид ВАХ силового прибора [1]:

В области малых отклонений от точки измерения данная формула может быть успешно линеаризована, и к полученной совокупности результатов измерений может быть приведен метод наименьших квадратов для получения наиболее достоверной оценки измеряемого параметра. Для успешной реализации данного метода измерение проводится не менее чем в 10–20 точках в окрестности заданного значения тока.

Измерение VTM при различных формах тестовых импульсов

Значение VTM может варьироваться в зависимости от формы токового импульса вследствие различного прогрева полупроводниковой структуры и динамических процессов в приборе. Основной задачей является обеспечение равномерного полного открытия СПП для протекающего тока с минимизацией при этом изменения его характеристик вследствие нагрева протекающим током.

 Трапецеидальный импульс

Рис. 5. Трапецеидальный импульс 4 кA, 2000 мс

Поэтому для различных приборов может оказаться целесообразным применение различных форм тестовых импульсов: от синусоидальных до S-образных. На рис. 6 приведены графики форм токовых импульсов.

 Различные формы импульсов

Рис. 6. Различные формы импульсов для измерения VTM при ITM 4 кA

На рис. 7 показан разброс результатов измерений одного прибора при ITM = 1570 А, +25 °С. Среднее значение выборки М = 1235,53 мВ, σ = 4,74 мВ, что составляет менее 0,7% от измеряемой величины.

 Типичный разброс результатов измерений одного прибора

Рис. 7. Типичный разброс результатов измерений одного прибора (90 значений)

Заключение

Измерение потерь проводимости СПП позволяет формировать из них параллельные сборки с повышенной надежностью функционирования и более симметричным нагружением отдельных приборов. Для кристаллов значительных диаметров, обладающих существенным временем включения, указанное оборудование позволяет подобрать оптимальный режим тестирования, минимизирующий собственный нагрев кристалла при обеспечении полного его включения в проводящее состояние по площади.

Рассмотренный модуль является частью разработанного комплекса измерения статических параметров СПП, обеспечивающего тестирование тиристорных и диодных кристаллов, приборов и модулей, производимых ЗАО «Протон-Электротекс». Дальнейшие исследования в этом направлении будут сосредоточены на создании оборудования, обеспечивающего тестирование приборов на токах большей мощности (до 20–30 кА), и технологического оборудования для тестирования IGBT-модулей.

Литература

  1. Тиристоры. Информационные материалы ABB Semiconductors AG. 1999.
  2. Евсеев Ю. А., Дерменжи П. Г. Силовые полупроводниковые приборы. М.: Энергоиздат. 1981.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_04_14.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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