Оборудование для испытаний СПП в предельно допустимых режимах работы

№ 1’2021
PDF версия
Основными параметрами, характеризующими надежность силовых полупроводниковых приборов (СПП) в предельно допустимых режимах работы, являются значения ударного тока и критической скорости нарастания тока в открытом состоянии. Для разработки преобразовательных устройств важно знать не только неповторяющиеся значения этих параметров, определенные в соответствии с методами ГОСТ 24461-80 [1], но и допустимое значение ударного тока при его многократном воздействии и значение критической скорости нарастания тока в открытом состоянии на частоте 50 Гц.

Установка проверки ударного тока

Значение ударного тока (максимально допустимая амплитуда тока полусинусоидальной формы длительностью 10 мс) характеризует перегрузочные способности СПП. Увеличение единичной мощности СПП, разработка приборов с диаметром выпрямительного элемента 100 мм и более требуют создания испытательной установки ударного тока, обеспечивающей формирование импульсов тока с амплитудой свыше 100 кА. При решении этой задачи необходимо учитывать ряд требований. Во-первых, в предпробойном состоянии при шнуровании прямого тока [2] падение напряжения на испытуемом образце резко возрастает и может достигать у высоковольтных СПП значений порядка 60 В. Во-вторых, установка должна обладать высокой точностью задания амплитуды тока, поскольку при формировании импульса тока с амплитудой порядка 100 кА абсолютное отклонение от заданного значения не должно превышать 2–3 кА. В-третьих, необходимо обеспечить жесткость конструкции, учитывая огромные динамические усилия, развиваемые при протекании импульса тока.

Основными путями реализации установок ударного тока являются либо формирование импульсов ударного тока с помощью понижающего трансформатора [3, 4], либо путем разряда накопительного конденсатора в схеме колебательного контура [4]. Применение понижающих трансформаторов для формирования импульсов тока большой амплитуды имеет целый ряд недостатков, к основным из которых относятся недопустимое влияние на питающую сеть при несимметричной токовой нагрузке, низкая точность задания и невозможность плавной регулировки амплитуды тока, влияние колебаний сетевого напряжения на заданное значение амплитуды, неудовлетворительные массогабаритные характеристики, большой коэффициент нелинейных искажений. Наибольшее распространение сегодня имеет формирование импульсов ударного тока с помощью колебательного контура. Но получение формы импульса, близкой к правильной полусинусоиде, требует высокой добротности колебательного контура, обеспечение которой является проблемой при больших потерях. Потери в колебательном контуре, обусловленные как потерями в системе проводников, так и значительным падением напряжения на испытуемом образце, приводят к появлению апериодической составляющей в форме импульса тока, что недопустимо по условиям испытаний. Кроме того, стабильность формируемого импульса тока в колебательном контуре определяется стабильностью параметров конденсаторов. Необходимость применения накопительных конденсаторов значительной емкости со стабильными параметрами и увеличение сечения токопроводящих шин установки для снижения потерь приводит к значительному увеличению массы и габаритов устройства.

Решением, которое лишено упомянутых недостатков, является реализация установки ударного тока на базе активного формирователя — источника тока, выполненного на основе мощных MOSFET [5]. Прежде всего, такое решение позволяет использовать в качестве накопителей энергии электролитические конденсаторы, обладающие высокой удельной емкостью и хорошими массогабаритными характеристиками. Помимо высокой точности регулирования, преимуществом источников тока является практически неограниченная возможность их параллельного включения для достижения заданного значения амплитуды тока, как показано на рис. 1.

Параллельное включение источников тока

Рис. 1. Параллельное включение источников тока

Конденсатор емкостью 3300 мкФ, заряженный до напряжения 100 В, обеспечивает необходимый запас по напряжению регулятора тока при формировании одним транзистором импульса тока с амплитудой 15 А и падением напряжения на испытуемом СПП порядка 60 В. Для обеспечения необходимого запаса по области безопасной работы (ОБР) в регуляторе используются транзисторы типа IRFPS3815.

Функциональная схема установки ударного тока, разработанной на основе источников тока, представлена на рис. 2. Источник напряжения производит заряд накопительных конденсаторов до напряжения примерно 100 В. Блок синхронизации определяет начало формирования импульса ударного тока. Он подает команды на размыкание первого и второго ключей, команду формирователю импульса управления испытуемым полупроводниковым прибором и импульс запуска для формирователя эталонного сигнала. Формирователь эталонного сигнала подает на неинвертирующий вход усилителя обратной связи одиночный импульс правильной полусинусоидальной формы длительностью 10 мс. При этом на выходе усилителя появляется сигнал, поступающий на затворы N полевых транзисторов. Для защиты транзисторов от пробоя по превышению допустимой импульсной мощности сигнал на затворах ограничивается по уровню ограничителем напряжения и ограничивается по длительности работой первого ключа.

Функциональная схема установки

Рис. 2. Функциональная схема установки

Сигнал обратной связи, пропорциональный току, протекающему через первый полевой транзистор, снимается с выравнивающего резистора, установленного в его истоке, и поступает на инвертирующий вход усилителя обратной связи. Поскольку затворы транзисторов объединены, а в истоках транзисторов включены выравнивающие резисторы обратной связи, импульсы тока через каждый из транзисторов примерно одинаковы и повторяют форму эталонного сигнала. В результате суммирования этих импульсов тока формируется полусинусоидальный импульс ударного тока, протекающий через испытуемый полупроводниковый прибор и датчик тока от положительной к отрицательной обкладке накопительного конденсатора. Блок измерений контролирует амплитуду и форму импульса ударного тока и падения напряжения на испытуемом СПП. По окончании импульса ударного тока ключи замыкаются командами от блока синхронизации. Замыкание первого ключа образовывает цепь местной обратной связи усилителя, предотвращая его насыщение в промежутках времени между импульсами ударного тока, а замыкание второго ключа гарантированно закрывает регулирующие транзисторы.

Установка имеет блочную конструкцию. Каждый блок установки формирует импульс тока амплитудой до 3,1 кА, для чего требуется 240 простейших источников тока. Каждый источник содержит один транзистор и один накопительный конденсатор. Все 240 источников тока размещены на шести силовых платах, по 40 штук на каждой. Конструкция силовой платы показана на рис. 3. Каждый силовой блок установки содержит по шесть таких плат. Установка ударного тока на максимальный ток 120 кА содержит 39 идентичных блоков, 38 из которых формируют импульсы тока с фиксированной амплитудой, равной 3100 А. Тридцать девятый блок обеспечивает формирование импульса тока с амплитудой, регулируемой в пределах 100–3100 А. Блочная конструкция установки позволяет легко наращивать максимальную формируемую амплитуду тока. Ограничением такого наращивания является жесткость конструкции и паразитный импеданс силовых шин.

Конструкция силовой платы

Рис. 3. Конструкция силовой платы

Регулятор тока, реализованный в установке, представляет собой цифровой ПИ-регулятор. В ходе разработки установки было опробовано два типа регуляторов — аналоговый на операционном усилителе и цифровой. Применение алгоритма цифрового ПИ-регулирования имеет ряд существенных преимуществ перед аналоговым регулятором на основе операционного усилителя. Во-первых, для аналогового регулятора необходимо время выхода управляющего напряжения до границы начала отпирания транзисторов перед каждым импульсом, что требует подачи предварительного управляющего сигнала. Во-вторых, в аналоговом варианте отсутствует возможность оперативной подстройки пропорционально-интегральных составляющих регулятора. В-третьих, в случае обрыва сигнала обратной связи по току возникает большой риск выхода из строя транзисторов на силовых платах. Кроме того, применение цифрового регулирования расширяет функционал установки возможностью формирования импульсов тока различной формы, например трапецеидальной для оценки времени распространения включенного состояния испытуемых тиристоров. Для взаимодействия с внешней средой блок оснащен интерфейсом CAN и входом синхронизации для запуска формирователя тока.

Управление установкой осуществляется с блока ввода/вывода, оснащенного емкостным сенсорным экраном 19 дюймов. На экране имеются поля ввода и вывода данных, а также область построения графиков тока и напряжения. Все введенные оператором значения передаются по общей для всех блоков CAN-сети в головной блок управления и измерений. Блок управления конфигурирует все 39 силовых блоков — источников тока, формирует сигнал отпирания для испытуемого тиристора и выдает импульс синхронизации для силовых блоков, по которому начинается формирование импульса тока. Суммарный импульс тока протекает через блок измерения тока и испытуемый полупроводниковый прибор. Блок измерения тока представляет собой набор шунтов и трехдиапазонный аналоговый усилитель с автоматически переключаемыми коэффициентами усиления. Во время испытаний блок управления измеряет ток и падение напряжения на испытуемом приборе. 12-битный АЦП блока управления позволяет измерять ток и напряжения с точностью не хуже 1,5%, а оригинальный алгоритм распределения задания по току между силовыми блоками позволяет достичь точности задания амплитуды тока не хуже 2% во всем диапазоне. Визуальный контроль осуществляется с помощью цифрового запоминающего осциллографа. На рис. 4 представлены осциллограммы процесса разрушения испытуемого образца при воздействии импульса ударного тока. Следует обратить внимание на неизменность формы импульса тока при скачке напряжения в момент разрушения испытуемого прибора.

Осциллограммы в момент разрушения полупроводниковой структуры

Рис. 4. Осциллограммы в момент разрушения полупроводниковой структуры.
Синий луч — ток через испытуемый прибор;
желтый — падение напряжения на испытуемом приборе;
розовый — импульс синхронизации.

Устойчивая работа регулятора тока обеспечивается минимальной индуктивностью силовой цепи установки. Минимизация паразитной индуктивности силовых шин во всей установке, от силовых печатных плат до магистральной силовой шины, достигается их бифилярной конструкцией. Паразитная индуктивность всего шинопровода вместе с зажимным устройством составляет 1–2 мкГн. Кроме обеспечения устойчивости регулятора, бифилярная топология установки снижает уровень помех, наводимых на измерительную систему при протекании силового тока.

Установка ударного тока состоит из трех силовых шкафов и шкафа зажимного устройства. В каждом шкафу размещено 13 силовых блоков, которые подключаются к вертикальным силовым шинам (рис. 5), соединенным с магистральным шинопроводом. Для предотвращения деформации магистрального шинопровода при протекании импульса тока большой амплитуды по всей его длине через каждые 20 см установлены стяжки. Магистральный шинопровод установлен на два швеллера, которые закреплены на каркасах силовых шкафов (рис. 6).

Подключение блоков к шинам в силовом шкафу

Рис. 5. Подключение блоков к шинам в силовом шкафу

Размещение магистральной силовой шины на установке; слева — зажимное устройство

Рис. 6. Размещение магистральной силовой шины на установке; слева — зажимное устройство

Установка оснащена автоматическим зажимным устройством для испытания приборов таблеточного типа. Зажимное устройство развивает усилие зажатия до 100 кН и позволяет проводить испытание приборов при температуре до +200 °С. Данное зажимное устройство является автономным узлом установки, который управляется по CAN-интерфейсу. Оно оснащено электроприводом и шарико-винтовой передачей для перемещения по вертикальной оси рабочей части пресса, на которой расположен испытуемый прибор. Датчик усилия, находящийся в зажимном устройстве, позволяет контролировать усилие зажатия. Процесс зажатия и следующее за ним формирование импульса ударного тока производятся по команде оператора, вводимой с сенсорного экрана.

Установка ударного тока, описанная в статье, изготовлена и находится в эксплуатации в АО «Протон-Электротекс» (рис. 7). За все время работы, начиная с 2017 года, показала свою надежность, стабильность характеристик и удобство в эксплуатации. Установка демонстрирует самый высокий показатель соотношения величины формирования ударного тока к собственным габаритам. Установка многофункциональна и позволяет проводить испытания СПП на стойкость к воздействию ударного тока, измерять прямое падение напряжения в открытом состоянии при полу­синусоидальной и трапецеидальной форме тока, а также исследовать процесс распространения включенного состояния по временной зависимости прямого падения напряжения на испытуемом тиристоре. Высокая механическая прочность и надежность конструкции предоставляют возможность получения объективных данных по стойкости СПП к воздействию ударного тока.

Внешний вид установки ударного тока на 120 кА

Рис. 7. Внешний вид установки ударного тока на 120 кА

В соответствии с принятой в АО «Протон-Электротекс» методикой норма ударного тока для ТУ и информационных материалов определяется следующим образом. Пять образцов типопредставителей доводятся до разрушения воздействием одиночных импульсов ударного тока с постепенно увеличивающейся амплитудой. Затем следующие пять образцов из той же выборки изделий подвергаются воздействию 10 импульсов ударного тока с амплитудой, равной 0,9 от минимального разрушающего значения. В случае отсутствия отказов значение ударного тока, при котором проводились подтверждающие испытания, принимается в качестве нормы для ТУ и информационных материалов.

Техническое решение, по которому реализована установка, защищено патентом на полезную модель [5].

 

Установка проверки критической скорости нарастания тока в открытом состоянии

В соответствии с требованиями ГОСТ 24461-80 [1] проверка критической скорости нарастания тока (dI/dt)crit в открытом состоянии проводится в схеме колебательного контура. Современные тиристоры имеют допустимые значения (dI/dt)crit, превышающие 1000 А/мкс. При воздействии на испытуемый тиристор импульса тока, по форме близкого к полу­синусоиде с амплитудой порядка 1000 А, длительность импульса тока будет составлять 2–3 мкс. Такой режим испытаний не обеспечивает объективных результатов, поскольку при малой длительности испытательного воздействия температура структуры не достигает максимальных значений. В [6] показано, что при больших скоростях нарастания анодного тока и трапецеидальной форме импульса тока максимальная температура перегрева локальной области полупроводниковой структуры достигается в момент времени порядка 20 мкс.

Традиционно для формирования трапецеидального импульса анодного тока длительностью 70–10 мкс применяются формирующие линии последовательного либо параллельного типа. Преимущества последовательной формирующей линии, выполненной из Г-образных LC-звеньев [7, 8], заключаются, во-первых, в равенстве значений индуктивностей и емкостей ячеек, из которых она реализована, и, во-вторых, в отсутствии в ее составе активных резистивных элементов, снижающих кпд и ограничивающих рабочую частоту. К недостаткам относится необходимость применения большого количества звеньев для получения импульса тока необходимой длительности. Так, для получения импульса тока продолжительностью около 80 мкс при длительности переднего фронта 0,5–0,7 мкс потребуется не менее 100 LC-звеньев. Кроме того, при работе последовательной формирующей линии на несогласованную нагрузку наблюдаются значительные колебания на вершине импульса [8]. Параллельная неоднородная формирующая линия [9] имеет существенно меньшие габариты за счет того, что формирование трапецеидального импульса тока с неравномерностью плоской части менее 5% можно получить с помощью четырех звеньев. Основным недостатком параллельной формирующей линии является необходимость использования в каждом звене активных сопротивлений для выравнивания импеданса звеньев, что увеличивает потери и накладывает ограничения на максимальную рабочую частоту.

Установка для проверки критической скорости нарастания тока, разработанная в АО «Протон-Электротекс», содержит две параллельные формирующие линии с волновым сопротивлением примерно 0,25 и 1 Ом. Структурная схема установки представлена на рис. 8. В состав установки входят зарядное устройство инверторного типа, резонансный зарядный контур, формирующие линии, набор резисторов и индуктивностей для регулирования амплитуды тока и скорости его нарастания. Регистрация процесса включения (временных зависимостей импульса тока управления, импульса анодного тока и падения напряжения на испытуемом тиристоре) осуществляется осциллографом TDS2024. Датчиком тока является коаксиальный шунт типа 1M-20 (T&M Research Products, Inc) с сопротивлением 1 мОм и временем нарастания 164 нс (полоса пропускания 2,2 МГц), датчиком напряжения — компенсированный делитель 1:100 типа PHV 2000 (полоса пропускания 400 МГц). Каждый цикл измерений начинается с подачи импульса управления на коммутирующий тиристор зарядного контура. При открывании коммутирующего тиристора происходит процесс разряда накопительного конденсатора и заряда конденсаторов одной из формирующих линий. Параметры цепи обеспечивают колебательный характер разрядного тока, поэтому по окончании полусинусоидального импульса тока коммутирующий тиристор закрывается, отключая зарядный контур от формирующей линии. Затем формируется импульс тока управления испытуемым тиристором, амплитуда которого регулируется в диапазоне 0,5–8 А, а скорость нарастания переднего фронта — 0,5–5 А/мкс. При включении испытуемого тиристора через него протекает трапецеидальный импульс тока (рис. 9), параметры которого определяются волновым сопротивлением формирующей линии и значениями индуктивности катушки и сопротивления резистора, включенных в силовую цепь. Максимальное напряжение на испытуемом тиристоре перед его включением составляет 3300 В, это больше, чем напряжение на накопительных конденсаторах зарядного контура за счет колебательного характера перезаряда. При использовании формирующей линии с волновым сопротивлением 1 Ом и отключенных регулирующих катушке индуктивности и резисторе максимальная амплитуда импульса анодного тока составляет около 3500 А, длительность переднего фронта (по уровню 0,5) — 0,65 мкс и длительность импульса тока по уровню 0,9 от амплитуды — 80 мкс. Формирующая линия с волновым сопротивлением 0,25 Ом обеспечивает формирование импульса тока с максимальной амплитудой 12 500 А, длительностью по уровню 0,9, равной 95 мкс, и минимальной длительностью переднего фронта 0,95 мкс.

Структурная схема установки проверки критической скорости нарастания тока в открытом состоянии

Рис. 8. Структурная схема установки проверки критической скорости нарастания тока в открытом состоянии

Осциллограммы

Рис. 9. Осциллограммы:
а) переднего фронта тока и напряжения на DUT-линии с волновым сопротивлением 0,25 Ом при напряжении на линии 2300 В, Iмакс = 12 кА, tф(0,5) = 1,8 мкс, dI/dt = 3300 А/мкс;
б) импульса тока и напряжения на DUT-линии с волновым сопротивлением 1,0 Ом при напряжении на линии 2000 В, Iмакс = 2,8 кА

На рис. 10 представлена схема формирующей линии с волновым сопротивлением 0,25 Ом. Конденсаторы C1–C6 типа К75-40, C7 и C8 — К75-25, катушка индуктивности L1 спиральной намотки, односекционная, диаметр каркаса 110 мм, провод ПТВСД 2×8,5 — 8,5 витка, L2 — два витка Ø20 мм. Резисторы, которые применены в формирующих линиях и в панели резисторов, имеют таблеточную (дисковую) конструкцию (Elektronische Bauelemente GmbH) с принудительным воздушным охлаждением. Формирующая линия с волновым сопротивлением 1 Ом выполнена по аналогичной схеме. Монтаж всей силовой цепи от формирующих линий до испытуемого прибора имеет бифилярную конструкцию, выполнен шиной 50×2 мм.

Формирующая линия с волновым сопротивлением 0,25 Ом

Рис. 10. Формирующая линия с волновым сопротивлением 0,25 Ом

Источник зарядного напряжения установки реализован на основе мостового инвертора с частотой ШИМ 22 кГц. Нагрузкой инвертора служат восемь первичных обмоток повышающих трансформаторов. Выходы выпрямителей, подключенных к вторичным обмоткам, соединены последовательно и нагружены на накопительные конденсаторы зарядного контура. Мощность источника зарядного напряжения составляет более 20 кВт, диапазон регулирования напряжения на накопительных конденсаторах 0–3000 В. Распределение выходного напряжения между восемью идентичными узлами снизило требования к применяемым комплектующим и обеспечило высокую электропрочность устройства.

Конструктивно установка состоит из трех шкафов (рис. 11), в которых размещены зажимное устройство с пневмоприводом (слева), панель синхронизации с органами управления, формирующие линии, панели индуктивностей и резисторов, источник зарядного напряжения и зарядный контур. В состав рабочего места для проведения испытаний входят также стеллажи предварительного нагрева и охлаждения.

Установка для проверки критической скорости нарастания тока

Рис. 11. Установка для проверки критической скорости нарастания тока

В зависимости от условий применения тиристоров испытания на стойкость к воздействию высокой скорости нарастания тока при включении проводятся как для определения неповторяющегося значения (di/dt)crit на частоте 1 Гц, так и для установления нормы повторяющегося значения (di/dt)crit на частоте 50 Гц. Установка обеспечивает испытания тиристоров с частотой следования испытательного воздействия 1–5 Гц при любом сочетании амплитуды тока и напряжения на тиристоре перед его включением. Испытания с частотой следования до 50 Гц производятся с использованием формирующей линии 1 Ом при амплитуде тока не более 2,5 кА и напряжении перед включением испытуемого тиристора не более 2,5 кВ.

 

Заключение

Предложены эффективные технические решения и приведено описание действующих в компании АО «Протон-Электротекс» установок для проверки стойкости работы СПП в основных предельно допустимых режимах — при воздействии ударного тока и высокой скорости нарастания тока в открытом состоянии.

Литература
  1. ГОСТ 24461-80. Приборы полупроводниковые силовые. Методы измерений и испытаний. М.: Издательство стандартов, 1981.
  2. Бурцев Э. Ф., Грехов И. В., Крюкова Н. Н. Локализация тока в кремниевых диодах при большой плотности тока // ФТП. 1970. № 10.
  3. Бардин В. М., Моисеев Л. Г., Сурочан Ж. Г., Чебовский О. Г. Аппаратура и методы контроля параметров силовых полупроводниковых вентилей. М.: Энергия, 1971.
  4. Лаппе Р., Фишер Ф. Измерения в энергетической электронике. М.: Энергоатомизат, 1986.
  5. Патент РФ на полезную модель № 185719 «Стенд для испытаний силовых полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока».
  6. Синегуб Г. А. Исследование надежности силовых тиристоров и разработка методов отбраковки потенциально ненадежных приборов. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: ВЭИ им. В. И. Ленина, 1981.
  7. Ицхоки Я. С., Овчинников Н. И. Импульсные и цифровые устройства. М.: Советское радио, 1972.
  8. Опре В. Генераторы прямоугольных импульсов тока на основе однородных искусственных линий // Силовая электроника. 2008. № 1.
  9. Кожевников М. Н. Мощные неоднородные формирующие линии высокого напряжения микро- и наносекундного диапазона для создания на малоомной нагрузке импульсов, близких по форме к прямоугольным. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук по ВАК РФ 05.14.12, 2000.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory