Линейка современных зажимных устройств для измерения силовых полупроводниковых приборов на усилия до 100 кН

В настоящее время во многих сферах промышленности силовые полупроводниковые приборы являются основными элементами конструкции различного оборудования. Силовая электроника непрерывно развивается и совершенствуется, поэтому повышаются требования к точности измерения основных характеристик приборов. Лаборатория автоматизации научно-технического центра АО «Протон-Электротекс» разработала линейку измерительного оборудования, предназначенного для измерения параметров СПП и отвечающего требованиям по точности, надежности и эргономике. Ниже представлены измеряемые параметры для биполярных СПП:

• параметры и характеристики в проводящем состоянии: U_TM, U_FM, I_TSM, I_FSM, I_L;
• блокирующие параметры и характеристики: U_RRM, U_DRM, U_DSM, U_RSM, I_DRM, I_RRM, (dU_D/dt)_crit;
• характеристики управления: U_GT, I_GT;
• тепловые характеристики: R_th, Z_th;
• динамические характеристики: Q_RR, t_q, t_gd.

Измерительное оборудование (рис. 1) представляет собой комплекс, состоящий из зажимного устройства и отдельных измерительных блоков, установленных в 19” стойку. Каждый блок выполняет определенную функцию. Управление осуществляется с помощью интерфейсного блока, оснащенного емкостным сенсорным дисплеем диагональю 17”. Программное обеспечение позволяет производить серию последовательных измерений в автоматическом режиме. Комплекс обслуживается одним оператором, в обязанности которого входит выбор измеряемого профиля, установка прибора в зажимное устройство и запуск испытаний кнопкой «Старт».

Рис. 1. Измерительный комплекс с зажимным устройством

Ранее при производстве СПП использовалось измерительное оборудование, эксплуатация которого приносила ряд неудобств. Чтобы провести серию измерений, нужно было переходить от одного измерительного поста к другому, в результате чего производительность значительно снижалась. Каждый пост занимал производственные площади, возрастало количество операторов. Перед каждым измерением оператор выполнял ручную настройку оборудования под требуемые условия испытаний. Зажимное устройство было оснащено пневматическим приводом и имело ряд недостатков: развитие недостаточного усилия для зажатия приборов большого диаметра, отсутствие возможности динамического изменения скорости и усилия зажатия.

Для устранения основных недостатков лаборатория автоматизации разработала современное зажимное устройство. Измерительный комплекс представляет собой две стандартные 19” дюймовые стойки, с установленными в них измерительными блоками и зажимным устройством. Такое модульное исполнение позволило подстраивать оборудование под конкретную задачу, выбирая необходимые блоки в измерительный комплекс. Также следует отметить, что обслуживание и ремонт оборудования стали значительно удобней, а время простоя существенно сократилось. Необходимо просто отсоединить вышедший из строя блок и установить новый из резерва, после чего можно продолжать эксплуатацию комплекса. Автоматизация измерительного процесса значительно уменьшила влияние человеческого фактора на качество и достоверность измерений, при этом работа оператора стала менее ответственной.

Кроме того, были проработаны вопросы эргономики и эстетического исполнения. Изначально предполагалось использовать зажимное устройство как отдельный механизм, подключаемый к комплексу, но при такой конфигурации оставалось незадействованное пространство в стойке над ЗУ. Некоторые блоки необходимо подключать максимально короткими проводниками (кабелями и шинами), чтобы обеспечить высокую точность измерения, поэтому было решено включить ЗУ в состав комплекса и расположить измерительные блоки в свободном пространстве над ним.

Рабочее место оператора представляет собой сенсорный дисплей, зажимное устройство и столик для временного размещения приборов. Для удобства сенсорный дисплей вынесен из измерительного комплекса на подвесном кронштейне, чтобы настроить его положение так, как удобно оператору. После проведения опроса операторов был внесен ряд доработок, что позволило повысить эргономические свойства. На месте оператора, в корпусе измерительного комплекса, сделана выемка для удобного расположения ног. Было также выявлено, что зажимное устройство имеет недостаточное освещение, необходимое для контроля оператором процесса зажатия прибора и отслеживания износа контактной поверхности. Был проведен анализ требуемого освещения внутри ЗУ, подобраны источники света и установлены как внутри, так и снаружи зажимного устройства.

Измерительные и вспомогательные блоки (рис. 2) представляют собой корпуса разной высоты, рассчитанные на установку в стандартную 19” стойку. На лицевой панели размещены световые индикаторы, информирующие о корректной работе, а разъемы и выводные шины для подключения установлены на задней части. Для повышения точности измерений применяется бифилярное расположение шин как внутри, так и снаружи блока.

Рис. 2. Измерительные и вспомогательные блоки

Зажимное устройство в составе измерительного комплекса (рис. 1) предназначено для зажатия диодов, тиристоров в таблеточном исполнении и отдельных структур. Устройство обеспечивает равномерное распределение давления по всей площади контактных поверхностей прибора и представляет собой отдельное решение, состоящее из рамы, привода, системы компенсации перекосов и блока управления. Максимальное развиваемое усилие 150 кН — этого достаточно для зажатия приборов большого диаметра, до 150 мм.

Прибор большого диаметра имеет вес чуть меньше 3 кг. Оператору сложно физически манипулировать таким прибором, ему необходимо задействовать обе руки, в итоге повышается вероятность повреждения поверхности прибора при установке и позиционировании. При измерении прибора в горячем состоянии предварительно нагретый прибор необходимо устанавливать в ЗУ между двумя нагретыми до +190 °С контактными поверхностями. В случае с приборами большого диаметра задача становится крайне сложно выполнимой и травмоопасной. Для устранения описанной ситуации было решено оснастить ЗУ выкатной системой загрузки. После измерений нижняя контактная поверхность автоматически выдвигается (рис. 3), это позволяет без особых сложностей установить прибор большого диаметра или прибор в горячем состоянии. Система оснащена датчиком, который следит за положением контактной поверхности. Если она не находится в задвинутом состоянии, то сработает система безопасности и на дисплее появится ошибка. При работе с приборами малых диаметров или структур, вес которых колеблется в пределах 70–1000 г, оператор может намного проще и быстрее одной рукой или пинцетом устанавливать их в ЗУ, при этом выкатная система не понадобится и не займет дополнительное время. При необходимости выкатную систему можно отключить с помощью сенсорного дисплея.

Рис. 3. Зажимное устройство с выдвинутой выкатной системой

Для выкатывания нижнего столика и перемещения средней плиты ЗУ необходимо размыкать бифилярную силовую линию, для этой цели была разработана и испытана конструкция пневматического контактора, обеспечивающего надежное протекание тока без подгорания и залипания его контактных поверхностей.

Некачественная контактная поверхность ЗУ (рис. 4) может нарушить внешний вид прибора, и тогда его придется отправить в брак. Поэтому верхняя и нижняя контактные поверхности — сменные пластины, имеющие высокий допуск по плоскостности и шероховатость Ra 0,8. Для удобства поверхность выполнена быстросъемной, чтобы в случае повреждения или износа замена таких пластин происходила без длительного простаивания оборудования. Изношенная сменная пластина отправляется на шлифовку, после чего ее снова можно использовать в зажимном устройстве.

Рис. 4. Контактные поверхности зажимного устройства

Для протекания импульсов тока большой амплитуды критически важно распределение усилия по контактной поверхности прибора. Поскольку области концентрации усилия обладают минимальным сопротивлением, а ток течет по пути наименьшего сопротивления, то при больших импульсах тока возможен локальный перегрев и выход прибора из строя. Для решения этой проблемы была создана система, компенсирующая непараллельность контактных плоскостей, тем самым увеличивая равномерность распределения усилия, а соответственно, и тока по контактной поверхности прибора. Верхняя и нижняя контактные поверхности установлены на подпружиненном шарнире. Если поверхности перед зажатием не параллельны, то во время зажатия прибора они выравниваются за счет подпружиненных шарниров. Для компенсации плоскопараллельного движения, которое возникает во время выравнивания поверхностей, нижняя контактная поверхность установлена на упорном подшипнике. Таким образом, улучшается распределение усилия и уменьшается вероятность повреждения прибора. Подключение контактной части к силовой шине осуществляется через гибкую связь, которая сделана из сплетенного особо эластичного провода (6-й класс гибкости). Использование такой гибкой связи обеспечивает свободное перемещение системы компенсации.

Изначально в конструкции был предусмотрен один шарнир, на нижней контактной поверхности, но в ходе большого количества тестов и опытной эксплуатации выяснилось, что распределение усилия неоптимально и сохраняется вероятность повреждения приборов малого диаметра, поэтому было принято решение также установить его и на верхней контактной поверхности. На рис. 5.1 изображено распределение усилия между прибором и контактной поверхностью ЗУ с одним шарниром, а на рис. 5.2 — с двумя шарнирами.

Рис. 5. Распределение усилия между контактной поверхностью ЗУ и прибором

Устройство оснащено сервоприводом, что позволяет контролировать скорость зажатия и положение нижней контактной плоскости. Для увеличения производительности зажатие производится ступенчато, сначала привод развивает максимальную скорость, а перед моментом зажатия скорость снижается, чтобы исключить удар и не повредить прибор. Привод оснащен электромагнитным тормозом, поэтому можно продолжительное время удерживать максимальное усилие с высокой точностью и не нагружать привод, тем самым предоставляя возможность проводить длительные измерения и значительно увеличивать ресурс привода. В качестве приводного механизма применяется шарико-винтовая передача (ШВП), которая способна передавать большие усилия с высокой точностью позиционирования прибора в вертикальном положении.

Устройство оснащено системой нагрева для проведения измерений в горячем состоянии. При проектировании для нагрева выбран кольцевой нагреватель, расположенный вокруг контактной поверхности, такое расположение не влияет на распределение усилия. Для патронных или спиральных нагревателей необходимо делать в основании контактной поверхности установочные отверстия, из-за которых распределение усилия нарушается. Использование плоских нагревателей было исключено, поскольку они не рассчитаны на большую нагрузку. Система нагрева способна нагревать и поддерживать заданную температуру контактной поверхности до +200 °С. Для поддержания и контроля заданной температуры установлены терморегулятор и термосопротивления в зоне измерения.

Зажимное устройство оснащено потенциальными контактами, предназначенными для измерения величины статических потерь и расположенными в центре контактных поверхностей. В первой итерации были изготовлены подпружиненные контакты, использование которых не дало положительных результатов, поскольку контакт работает при повышенных температурах и испытывает нагрузки при установке прибора. Изготовленный контакт часто выходил из строя, наблюдалось его залипание, подгорание, повреждение, поэтому требовалось повысить надежность, используя готовые пружинные контакты. Для этого было выбрано несколько аналогов и проведена серия испытаний. Контакты подбирались по геометрическим и температурным параметрам, а также по упругости пружины. Верхний порог рабочей температуры составлял не меньше +200 °С.

Упругость пружины выбирали так, чтобы она не превышала вес самого маленького прибора, поэтому был выбран контакт, пружина которого развивает усилие не больше 0,8 Н. После продолжительной эксплуатации и сравнения надежности нескольких контактов от разных производителей было решено использовать пружинные контакты компании INGUN.

Для безопасности оператора установлена оптическая шторка безопасности, при проведении испытаний предотвращающая доступ в рабочую область зажимного устройства. Принцип ее работы основан на создании световой завесы из ИК-лучей, образованной между излучателем и приемником, расположенными на одной оси. В случае пересечения луча во время зажатия и измерения прибора сигнал от нее поступает на коммутационный блок, который аппаратно отсоединяет измерительные блоки и подключает испытуемый прибор к защитному заземлению, чтобы накопленные заряды не причинили вреда здоровью оператора, затем сигнал поступает на блок управления зажимным устройством, и процесс зажатия приостанавливается. Весь процесс остановки измерений и отключения зажимного устройства происходит за доли секунды. По такому же принципу действует кнопка экстренной остановки, расположенная перед рабочим местом оператора в самом легкодоступном месте.

При проектировании учитывалось влияние петли электромагнитного поля на измерения, которое образуется при протекании тока через силовые шины и контактные части зажимного устройства. Для минимизации влияния на измерения выбрано бифилярное расположение силовых шин, а также использован материал с низким показателем магнитной проницаемости. Изначально в качестве материала контактной поверхности применялась сталь 40Х13, однако это привело к появлению эффекта трансформации, или наведения ЭДС, на линии съема потенциала. Чтобы понять, как возникает подобный эффект, рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора, в основе работы которого лежит явление электромагнитной индукции. Это явление предполагает наличие переменного магнитного поля, для его создания служит магнитная цепь, состоящая из магнито­провода с электрическими обмотками. Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной, с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки, эта обмотка называется вторичной. Если на первичную обмотку подать переменное напряжение, то по виткам обмотки потечет переменный ток, который вокруг нее и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле, образующее магнитный поток. Проходя по магнитопроводу, такой поток пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует в них переменные ЭДС.

В зажимном устройстве есть контур силового тока, который проходит через прибор и образует первичную обмотку паразитного трансформатора (рис. 6). При протекании силового тока необходимо измерять падение напряжения, возникающее на силовом полупроводниковом приборе. Для этого служат потенциальные пружинные контакты, расположенные в центре верхней и нижней контактных поверхностей, вместе с проводами, образующими вторичную обмотку паразитного трансформатора. Сердечник паразитного трансформатора формируется контактными поверхностями. Создание дополнительной ЭДС на потенциальных линиях возникает следующим образом. Силовой ток идет через прибор по силовому контуру, и возникает переменное магнитное поле, чьи линии направлены по правилу буравчика. Соответственно, концентрация магнитного поля в пространстве между шинами выше, так как магнитное поле, создаваемое силовыми проводниками, суммируется. В точке пространства, где расположены потенциальные провода, магнитное поле гораздо слабее, поскольку в большей степени удалено от силовых шин. При использовании в качестве материала контактного узла стали 40Х13, которая относится к мартенситному классу и имеет высокий показатель магнитной проницаемости, эффект трансформации усиливается. Поэтому в качестве основного материала контактного узла было решено использовать алюминиевый сплав Д16Т, а сменную пластину сделать из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, относящейся к аустенитному классу. Эти материалы имеют низкий показатель магнитной проницаемости. Сталь 12Х18Н10Т является достаточно твердой для использования ее в качестве контактной поверхности. Алюминиевый сплав Д16Т не подходит для контактной поверхности, так как является мягким материалом. При его применении после нескольких зажатий на контактной поверхности остаются следы, вследствие чего нарушается поверхность прибора.

Рис. 6. Схема возникновения паразитного трансформатора в ЗУ

Можно сделать вывод, что разработанное и изготовленное Лабораторией автоматизации АО «Протон-Электротекс» измерительное оборудование удовлетворяет требованиям широкого круга потребителей. Модульное исполнение позволяет подобрать необходимые параметры измерительного комплекса. Применение комплектующих ведущих производителей повысило надежность оборудования. При каждом приобретенном негативном опыте во время эксплуатации проводился глубокий анализ (FMEA — failure mode and effects analysis — анализ отказов и возможных причин). Такой подход позволил получить качественное, эргономичное оборудование.