Разработка методики подбора силовых полупроводниковых приборов по комплексу параметров для формирования групповых последовательных цепей устройств силовой электроники

На правах рукописи

КАПИТОНОВ Сергей Сергеевич РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОДБОРА СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ПО КОМПЛЕКСУ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ГРУППОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ УСТРОЙСТВ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Специальность 05.09.12 – Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва» кандидат технических наук

Научный консультант:

Беспалов Николай Николаевич Митяшин Никита Петрович –

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор кафедры «Системотехника» Гарцев Николай Александрович – кандидат технических наук, технический директор ЗАО НПК «Электровыпрямитель», г. Саранск ФГБОУ ВПО «Чувашский

Ведущая организация:

государственный университет имени И. Н. Ульянова», г. Чебоксары

Защита состоится «27» июня 2013 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу:

410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан « » мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Томашевский Ю. Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования и степень её разработанности. При эксплуатации силовых полупроводниковых приборов, в качестве которых широко применяются силовые диоды и тиристоры, их надёжность обусловливается исходным качеством и режимами эксплуатации. Для повышения надёжности силовых полупроводниковых приборов (СПП) и устройств силовой электроники в целом требуется обеспечить близкие к номинальным электрический и тепловой режимы их эксплуатации. Для решения этой задачи нужно иметь информацию о значениях параметров каждого отдельного прибора. Это должно обеспечиваться путём ведения сплошного контроля значений параметров и характеристик силовых полупроводниковых приборов и отбраковки потенциально ненадёжных приборов на стадиях их производства и эксплуатации. Основными параметрами силовых полупроводниковых приборов являются параметры вольт-амперной характеристики (ВАХ) в состоянии высокой проводимости (СВП) и состоянии низкой проводимости (СНП), а также тепловые и электротепловые параметры.

Значения параметров серийных силовых полупроводниковых приборов имеют существенный разброс, обусловленный естественной нестабильностью технологического процесса производства. Отсутствие у производителей и потребителей приборов эффективных методик и высокопроизводительных аппаратно-программных технических средств определения их характеристик и значений параметров не позволяет устанавливать значения этих параметров для каждого конкретного прибора.

Разработчики устройств силовой электроники на основе группового последовательного соединения силовых полупроводниковых приборов не имеют информации о значениях параметров отдельных приборов. Для определения предельных режимов эксплуатации подобных устройств они вынуждены ориентироваться на паспортные данные, которые обычно устанавливают только предельные значения параметров и не несут достоверную информацию о каждом конкретном приборе.

Требуемые показатели надёжности устройств силовой электроники обеспечиваются за счёт снижения значений предельных параметров силовых полупроводниковых приборов и применения дополнительных снабберных цепей, обеспечивающих защиту приборов от различного рода перенапряжений при их групповом последовательном соединении. Подобный подход к проектированию устройств силовой электроники приводит к недоиспользованию силовых полупроводниковых приборов, увеличению значений параметров защитных и выравнивающих цепей, дополнительным потерям энергии и, соответственно, повышению массы, габаритов и стоимости изделий.

Вследствие отсутствия эффективных методик и технических средств для отбраковки потенциально ненадёжных приборов, их подбора для последовательного группового соединения и методик определения значений параметров защитных цепей значения ёмкости снабберных конденсаторов на этапе проектирования устройств силовой электроники определяются с существенным запасом. Однако для снижения потерь в полупроводниковой структуре (ПС) силовых тиристоров при их переключении в состояние высокой проводимости значение ёмкости снабберных конденсаторов необходимо выбирать минимально возможным, поскольку площадь первоначального включения приборов составляет несколько мм2, и именно в ней выделяется энергия, запасённая в снабберном конденсаторе. Кроме того, минимизация значений ёмкости снабберного конденсатора позволяет значительно уменьшить массогабаритные показатели вентильных блоков.

Среди учёных, внёсших вклад в развитие этого научного направления, следует отметить М. И. Абрамовича, О. Г. Чебовского, Л. Р. Неймана, А. А. Рабинерсона, Г. А. Ашкинази, Ю. А. Чеснокова, В. А. Кузьмина, П. Г. Дерменжи, Ю. А. Евсеева, В. М. Бардина, Н. Н. Беспалова, М. В. Ильина, Е. Г. Гейфмана, М. Е. Гольдштейна.

Целью работы является улучшение технико-экономических и эксплуатационных характеристик устройств силовой электроники, основанных на схемах группового последовательного соединения силовых полупроводниковых приборов, и снижение значений ёмкости снабберных конденсаторов, обеспечивающих их защиту от различных перенапряжений, за счёт осуществления предварительной отбраковки потенциально ненадёжных приборов и их подбора по комплексу значений электрических, тепловых и электротепловых параметров.

В соответствии с целью в работе поставлены следующие задачи исследований:

1) разработка теоретических и экспериментальных моделей силовых преобразователей электрической энергии на основе группового последовательного соединения силовых полупроводниковых приборов, исследование электротепловых процессов, протекающих в последовательных цепях приборов;

2) разработка аппаратно-программных технических средств для определения значений электрических, тепловых и электротепловых параметров силовых полупроводниковых приборов в состоянии высокой проводимости, используемых в устройствах силовой электроники;

3) создание методик отбраковки потенциально ненадёжных силовых полупроводниковых приборов и их подбора для группового последовательного соединения по комплексу значений электрических, тепловых и электротепловых параметров, позволяющих формировать последовательные цепи приборов для устройств силовой электроники;

4) создание методики расчёта минимальных значений ёмкости снабберных конденсаторов, обеспечивающих защиту силовых полупроводниковых приборов от различных перенапряжений при их последовательном групповом соединении в устройствах силовой электроники.

Научная новизна работы:

1) впервые разработана электротепловая модель (ЭТМ) силового диода, в которой учитывается зависимость его вольт-амперных характеристик в состояниях высокой и низкой проводимости от значений следующих параметров: тепловое сопротивление переход-корпус в установившемся режиме Rthjc, диаметр полупроводниковой структуры D, время жизни электронов в p-области p, время жизни электронов в n-области n, толщина n базы Wn, концентрация собственных носителей полупроводника ni;

2) разработаны методики и автоматизированные технические средства для определения комплекса значений электрических, тепловых и электротепловых параметров силовых полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров) в состоянии высокой проводимости за 3-5 минут, позволяющие формировать последовательные цепи приборов для устройств силовой электроники;

3) впервые разработана модель силового преобразователя электрической энергии на основе последовательного группового соединения силовых диодов с реальными значениями их электрических, тепловых и электротепловых параметров, с помощью которой установлено, что подбор приборов для последовательных цепей следует вести на основе комплекса значений параметров;

4) разработана методика определения значений ёмкости снабберных конденсаторов, отличающаяся от существующих методик тем, что она основана на информации о реальных значениях параметров отдельных силовых полупроводниковых приборов;

5) установлено, что в результате использования разработанных методик и технических средств при формировании последовательных цепей силовых полупроводниковых приборов для устройств силовой электроники возможно добиться снижения ёмкости снабберных конденсаторов в 10 раз.

Теоретическая и практическая значимость диссертации Разработанные методики и технические средства позволяют:

1) на этапе разработки силовых полупроводниковых приборов измерять и определять значения их основных электрических, тепловых и электротепловых параметров в состоянии высокой проводимости для расчёта предельных режимов работы приборов;

2) на этапе серийного выпуска силовых полупроводниковых приборов осуществлять измерение, определение и оценку значений их электрических, тепловых и электротепловых параметров в состоянии высокой проводимости, далее по полученным данным проводить сплошной контроль и отбраковку потенциально ненадёжных приборов;

3) на этапе изготовления устройств силовой электроники контролировать и подбирать приборы для группового последовательного соединения по значениям их параметров, вести дополнительно отбраковку потенциально ненадёжных приборов и определять значения параметров защитных цепей, что позволит на порядок снизить интенсивность отказов силовых полупроводниковых приборов на начальном этапе эксплуатации;

4) на этапе эксплуатации силовых полупроводниковых приборов в составе устройств силовой электроники осуществлять периодическую диагностику их состояния по комплексу значений параметров и отбраковку потенциально ненадёжных приборов, что позволит повысить надёжность данных устройств в целом.

Объектом исследования являются теоретические и экспериментальные электротепловые модели силовых полупроводниковых приборов, модели группового последовательного соединения силовых полупроводниковых приборов без использования и с использованием снабберных цепей.

Предметом исследования являются электротепловые процессы, протекающие в силовых полупроводниковых приборах при их последовательном групповом соединении.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования основывались на использовании основополагающих разделов математического анализа, теории электрических цепей, физики твёрдого тела, преобразовательной техники, статистических методов обработки результатов экспериментов. Расчёты проводились с помощью вычислительной техники с применением лицензированных пакетов программ Multisim и LabVIEW.

Научно-физической базой являлись положения теоретических основ электротехники, физики твёрдого тела и теории дифференциальных уравнений.

Экспериментальные исследования выполнены с использованием разработанного и изготовленного макетного образца аппаратно-программного информационно измерительного комплекса (АПИИК) аппаратуры, реализованного на базе программных и аппаратных средств National Instruments.

Реализация и внедрение результатов работы Разработанные методики положены в основу автоматизированного аппаратно-программного информационно-измерительного комплекса «АДИП-6», разработанного ООО «Научно-инженерный Центр «РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА – МГУ» (г. Саранск) совместно с Национальным исследовательским университетом «МИЭТ» при поддержке Правительства России по государственному контракту № 16.516.11.6031. Методики отбраковки и подбора приборов для группового последовательного соединения по значениям их электрических, тепловых и электротепловых параметров, а также методика расчёта минимальных значений ёмкости защитных снабберных конденсаторов внедрены в ООО ПКП «Атомспецснаб» (г. Воронеж), где используются на входном контроле силовых полупроводниковых приборов при формировании заказов для атомных станций и металлургических комбинатов. Разработанный аппаратно-программный информационно-измерительный комплекс «АДИП-6» внедрен в учебный процесс кафедры «Микроэлектроника» Национального исследовательского университета «МИЭТ». Теоретические положения и практические результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Автоматика» Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва при обучении студентов специальности 210106 – «Промышленная электроника» по дисциплинам «Основы преобразовательной техники» и «Проектирование информационно-измерительных систем».

Результаты внедрения подтверждены соответствующими документами.

Положения, выносимые на защиту:

1) с помощью разработанной электротепловой модели силового диода установлено, что для повышения надёжности устройств силовой электроники на основе группового последовательного соединения силовых полупроводниковых приборов и минимизации значений ёмкости снабберных конденсаторов требуется обеспечить выравнивание тепловых режимов работы приборов группы;

2) выравнивание тепловых режимов работы силовых полупроводниковых приборов при их последовательном групповом соединении обеспечивается за счёт отбраковки потенциально ненадёжных приборов и подбора по комплексу значений электрических, тепловых и электротепловых параметров;

3) разработанные методики и технические средства для отбраковки потенциально ненадёжных приборов и их подбора по комплексу значений электрических, тепловых и электротепловых параметров позволяют на порядок снизить значения ёмкости снабберных конденсаторов.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием аппарата математического анализа, теории электрических цепей, основ физики твёрдого тела, преобразовательной техники, теории статистических методов обработки результатов экспериментов, профессиональных пакетов прикладных программ Multisim и LabVIEW и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: ежегодной научно-технической конференции «Огарёвские чтения» Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва в 2010 2012 гг.;

Конференции молодых учёных» Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва в 2010-2012 гг.;

V Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 19-21 ноября 2009 г.);

XVI Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 12-16 апреля 2010 г.);

Международной конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (Москва, 2009-2012);

XVII Международной научно-технической конференции «Силовая электроника и энергоэффективность» (Алушта, 19- сентября 2011 г.);

IХ Всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (Чебоксары, 6-8 октября 2011 г.);

ХРЭЛ ТОГООТ-2011 (Улан-Батор, 2011);

XI Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2-4 октября 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Работа включает введение, четыре главы основного материала, заключение и список использованной литературы.

Объем работы составляет 200 страниц, включая приложение на 3 страницах, иллюстрации, 6 таблиц. Список литературы содержит 101 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены актуальность работы, объект и предмет исследований, структура и содержание диссертационной работы.

В первой главе дан обзор методик и технических средств, применяемых при создании преобразователей электрической энергии на основе схем группового последовательного соединения СПП, для обеспечения защиты приборов от различного рода перенапряжений.

Рассмотрены аппаратура и методики измерения, определения, контроля значений электрических, тепловых и электротепловых параметров и характеристик СПП, используемых при разработке и изготовлении преобразователей на основе групповых соединений СПП.

Проведённый анализ показал, что групповое последовательное соединение СПП широко применяется в современных мощных преобразователях электрической энергии. Вследствие нестабильности технологического процесса производства СПП наблюдаются разбросы значений параметров приборов, соединённых в группу. В паспортных данных СПП приводятся только типовые предельные значения основных параметров приборов. В них отсутствует информация о значениях параметров каждого отдельного прибора и их разбросах.

Отсутствие достоверной информации о значениях параметров отдельных СПП приводит к тому, что при изготовлении мощных преобразователей электрической энергии не осуществляется подбор приборов для последовательного группового соединения. В результате в вентильном плече могут оказаться приборы с различными значениями электрических, тепловых и электротепловых параметров. Это приводит к тому, что на СПП группы выделяется разная мощность потерь, которая отводится от их ПС с разной эффективностью. Таким образом, вследствие вариации значений параметров СПП вентильного плеча температуры их ПС Tj могут значительно различаться. Методики расчёта значений параметров снабберных цепей основаны на том, чтобы обеспечить защиту СПП при их групповом последовательном соединении от перенапряжений, вызванных разбросом значений температур ПС Tj отдельных приборов вентильного плеча, причём чем больше разброс значений температур ПС Tj СПП группы, тем большее значение ёмкости снабберных конденсаторов требуется для защиты приборов от перенапряжений. Поскольку при изготовлении преобразователей не осуществляется подбор СПП для группового последовательного соединения по значениям их параметров, то разброс значений температур ПС Tj может быть достаточно велик при определённых комбинациях приборов в вентильном плече. Это вызывает увеличение значения ёмкости снабберных конденсаторов, что приводит к повышению массогабаритных показателей и стоимости преобразователя, что свидетельствует о неэффективности принимаемых мер.

В заключительном пункте главы сформулированы краткие выводы, вытекающие из обзора литературы, и поставлены конкретные цели и задачи данной диссертационной работы.

Во второй главе описывается разработанная в среде Multisim ЭТМ СПП, в которой заложена возможность задавать значения электрофизических и геометрических параметров его ПС.

На основе модели проведено исследование группового последовательного соединения приборов.

Для исследования процессов, протекающих в СПП при их групповом последовательном включении, применялась схема замещения, изображённая на рис. 1, где СПП представлен в виде параллельного соединения схем замещения прибора в СВП и СНП.

На рис. 1 представлена схема замещения СПП в СВП в виде параллельного соединения нелинейного сопротивления RF и диффузионной ёмкости Сд, а схема замещения СПП в СНП представлена в виде параллельного соединения Рис. 1. Схема замещения СПП нелинейного сопротивления RR и барьерной ёмкости Сб.

Для исследования процессов, протекающих в СПП при их групповом последовательном включении, создана модель прибора, содержащая информацию о параметрах ПС прибора. Для её создания получено математическое описание элементов RF, Сд, RR, Сб схемы замещения СПП (рис. 1) в зависимости от величин параметров ПС прибора. На основе полученных зависимостей в среде Multisim создана ЭТМ СПП, состоящая из электрической модели (ЭМ) и тепловой модели (ТМ), разработанной на основе метода электротепловой аналогии, согласно которому конструкция СПП описывается моделью в виде электрической схемы. ТМ позволяет устанавливать величину теплового сопротивления переход-корпус Rthjc.

Разработана ЭТМ силового диода Д161-200 с диаметром ПС 24 мм, величиной предельного тока IFAVm = 200 А и повторяющегося импульсного обратного напряжения URRM = 1,6 кВ. В качестве охладителя выбран О171-80, охлаждение принудительное воздушное, скорость воздушного потока 6 м/с.

Рассмотрено распределение напряжения на вентильном плече, состоящем из трёх силовых диодов. Выбор данного количества СПП объясняется тем, что такое соединение приборов широко используются в преобразователях с фазовым регулированием мощности в нагрузке.

Обобщённая схема расчёта процессов в СПП при их групповом последовательном включении представлена на рис. 2, где е – источник питающего напряжения;

RН – сопротивление нагрузки;

VD1, 2, 3 – исследуемые диоды;

L – сумма индуктивностей контура.

Для исследования распределения напряжения по приборам последовательной группы в СНП моделировался режим работы схемы (рис. 2), когда отсутствуют защитные снабберные RC-цепи и сумма индуктивностей контура L = 10 мГн.

Амплитудное значение напряжения источника питающего напряжения е составляет 4,5 кВ, частотой 50 Гц и выбрано таким образом, чтобы при равномерном его распределении по трём приборам вентильного плеча, амплитудное значение напряжения на каждом приборе не превышало напряжение их класса.

Рассмотрены процессы в СПП при вариации значений температуры ПС приборов в пределах рабочего диапазона от 70 до 90 °С. Значение температуры ПС первого диода равно Tj1 = 75 °С, второго диода – Рис. 2. Последовательное соединение Tj2 = 80 °С, третьего диода – диодов вентильного плеча Tj3 = 85 °С. На рис. 3 представлены временные зависимости напряжения вентильного плеча (кривая 4) и напряжения на каждом приборе (кривые 1-3).

Из рис. 3 видно, что переходный процесс выключения прибора начался в момент времени, равный мс, 11, поскольку длительность импульса тока, протекающего через Рис. 3. Ток, протекающий через приборы вентильного приборы вентильного плеча (а) и распределение напряжения по СПП при Tj1 плеча, вследствие = 75 °С (б кривая 1), Tj2 = 80 °С (б кривая 2), наличия индуктивности, увеличилась и превысила Tj3 = 85 °С (б кривая 3) половину периода питающего напряжения (10 мс). Обратное напряжение, распределяется по приборам вентильного плеча неравномерно во времени, происходит смещение амплитуды напряжения на приборах. К прибору, имеющему наименьшую в группе величину Tj1 = 75 °С, прикладывается напряжение, превышающее напряжение его класса, что может привести к выходу данного прибора из строя.

В интервале перехода СПП из СВП в СНП наблюдается возникновение на приборах коммутационных перенапряжений. При проектировании преобразователей на основе группового соединения силовых тиристоров следует ограничивать скорость нарастания напряжения, прикладываемого к тиристору в обратном направлении. Это вызвано тем, что при встречном включении тиристоров напряжение, приложенное к одному из приборов в обратном направлении, ко второму прибору приложено в прямом направлении, и он может перейти в СВП.

Для предотвращения перенапряжений различного рода, возникающих на СПП при их последовательном групповом соединении, требуется обеспечить одинаковые тепловые режимы приборов группы. Этого можно добиться путём подбора СПП по значениям их электрических, тепловых и электротепловых параметров. Поскольку мы можем подобрать для группового последовательного соединения приборы только с наиболее близкими значениями параметров, то после осуществления подбора требуется провести расчёт значений ёмкости защитных снабберных конденсаторов.

В третьей главе описаны методика определения характеристик и значений параметров СПП в СВП, генератор импульсного греющего тока и АПИИК для испытания и диагностики силовых диодов и тиристоров, в основу работы которого положена разработанная методика.

В главе 2 показано, что для предотвращения перенапряжений на СПП вентильного плеча требуется осуществлять подбор приборов по значениям их электрических, тепловых и электротепловых параметров.

Для определения значений данных параметров, проведения отбраковки потенциально ненадёжных приборов и подбора СПП для группового последовательного соединения на базе оборудования компании National Instruments разработан АПИИК. Внешний вид АПИИК Рис. 4. Внешний вид аппаратно-программного информационно-измерительного комплекса представлен на рис. 4.

Разработанный комплекс позволяет определять значения следующих параметров и характеристик СПП:

1. ВАХ СПП в СВП при различных температурах их ПС. На основе полученной ВАХ определяются:

– импульсное напряжение UF(T)M.

– пороговое напряжение U(TO), при Tj от –40 0С до +190 0С;

– дифференциальное сопротивление rT, при Tj от –40 0С до +190 0С.

2. Зависимость переходного теплового сопротивления переход-корпус Zthjc, на основе полученной зависимости определяется значение теплового сопротивления переход-корпус в установившемся режиме Rthjc.

3. На основе характеристик и значений параметров, полученных в ходе измерения, оцениваются значения:

– предельного среднего тока IF(T)(AV) до 200 А;

– неповторяющегося ударного тока IF(T)SM длительностью 10 мс.

Все электрические, тепловые и электротепловые параметры определяются за один испытательный цикл. Весь цикл испытания и измерения не превышает 3-5 минут для каждого испытуемого СПП. Базовой является методика определения теплового сопротивления Rthjc. В процессе измерительного цикла данной методики измеряются электрические информационные параметры и температура корпуса испытуемого прибора.

Затем определяются производные от информативных параметров параметры ВАХ, а также их функциональные зависимости от температуры ПС Tj.

Разработанный АПИИК позволяет определять значения электрических, тепловых и электротепловых параметров и характеристик и на основе полученных результатов осуществлять отбраковку потенциально ненадёжных приборов и подбор СПП для группового последовательного соединения.

В четвёртой главе описана методика отбраковки потенциально ненадёжных приборов по значениям их электрических, тепловых и электротепловых параметров. На основе разработанной ЭТМ реального СПП и результатов их диагностики с помощью АПИИК предложена методика подбора приборов для последовательного группового соединения по значениям их параметров. Рассмотрена методика расчёта значений ёмкости снабберных конденсаторов, позволяющая определять минимальную величину данной ёмкости на основе результатов диагностики СПП и методик отбраковки и подбора приборов для группового последовательного соединения.

В настоящее время при производстве преобразователей отбраковка и подбор СПП для группового соединения осуществляются на основе применения стандартного параметра ВАХ – импульсного напряжения UT(F)M.

Однако значения других параметров СПП также имеют значительный разброс, что никак не учитывается при производстве преобразователей. Это может привести к тому, что в вентильном плече преобразователя окажутся приборы с заниженными или завышенными по отношению к справочным значениями параметров либо приборы со значительным разбросом величин электрических, тепловых и электротепловых параметров.

Для того чтобы оценить возможный разброс значений параметров СПП с помощью разработанного АПИИК исследована партия силовых диодов штыревого типа Д161-200 в количестве 10 шт. Результаты исследования возможных разбросов значений электрических и тепловых параметров представлены на рис. 5.

Из рис. 5 видно, что значения UFM всех испытуемых диодов не превышает максимально допустимого справочного значения, равного 1,35 В (рис. 5а);

значения U(TO) не выходят за пределы максимально допустимого справочного значения, равного 0,9 В (рис. 5б);

значения rT диодов лежат выше справочного значения, равного 0,85 мОм (рис. 5в);

значения Rthjc испытуемых диодов не превышают паспортной величины 0,15 С/Вт (рис. 5г);

значения предельного среднего тока IF(AV) превышают паспортное значение 200 А (рис. 5д). Рис. 5е показывает, что значение ударного тока IFSM, которое определяется на основе комплекса измеренных параметров, не для всех приборов испытуемой выборки больше или равно паспортному значению в 5500 А. Так приборы №2, 3 и 5 имеют оцененные значения меньше 5500 А.

Рис. 5. Распределения значений параметров UFM (а), U(TO) (б), rT (в), Rthjc (г), IF(AV) (е) и IFSM (д) Таким образом, результаты диагностики партии диодов показали, что необходимо вести отбраковку и подбор приборов для группового последовательного соединения по комплексу параметров. Методики, основанные на отбраковке по значениям одного параметра, неэффективны, поскольку на электротепловые процессы, протекающие в СПП, оказывает влияние совокупность электрических, тепловых и электротепловых параметров.

Подбор приборов для последовательного группового соединения осуществляется с помощью ЭТМ реального СПП, разработанной в среде LabVIEW. Данная модель позволяет рассчитывать тепловые процессы, протекающие в отдельных приборах последовательной группы, на основе информации, полученной при испытании реальных СПП с помощью оборудования, описанного в главе 3. Путём исследования ЭТМ СПП с реальными значениями их параметров можно получить объективную информацию о значениях температуры ПС Tj отдельных СПП при их групповом последовательном соединении и принять решение о возможности совместного их использования в вентильном плече.

С целью выявления зависимостей температур ПС СПП вентильного плеча от значений их параметров проведено моделирование последовательного группового соединения трёх диодов. Исследовались различные комбинации приборов из партии диодов Д161-200, диагностика которых осуществлялась в главе 3. Схема моделирования представлена на рис. 6.

Электрический режим моделирования задан постоянным током от источника напряжения U1. Ток ограничивается резистором RН. Выбор постоянного тока для моделирования объясняется тем, что температура ПС определяется энергией потерь к концу определённого периода времени и не Рис. 6. Схема моделирования зависит от формы протекающего тока.

последовательного соединения Поэтому для упрощения процесса трёх диодов моделирования был выбран постоянный ток. Величина тока, протекающего через группу приборов, выбрана равной 70 А при естественном охлаждении с помощью радиатора ОА-002, поскольку данный режим работы является наиболее распространённым. Начальными тепловыми условиями является равенство температур ПС Tj элементов конструкции СПП и окружающей атмосферы, заданной равной 40 С.

На рис. 7 представлены зависимости для наиболее неблагоприятного сочетания СПП из всех возможных вариантов, поскольку именно при данном сочетании диодов достигается наибольшее расхождение их ВАХ в СВП и температур их ПС Tj.

Группа № 33 состоит из приборов № 2, № 3, № 9. Эти диоды имеют наиболее различающиеся значения параметров ВАХ. Как видно из рис. 7а, ВАХ этих приборов имеют существенное различие в величинах U(TO), которое растёт с увеличением температуры ПС. Это приводит к увеличению разности значений мощности потерь, выделяющейся на приборах, и, соответственно, температур их ПС (рис. 7б). Разность температур ПС наиболее и наименее нагретых СПП группы в установившемся режиме составила Tj = 4,65 С.

а б Рис. 7. Результаты моделирования группы № 33 последовательно соединенных трёх диодов № 2, № 3, № 9: а – ВАХ СПП в СВП после завершения переходного процесса;

б – температуры ПС в течение переходного процесса На рис. 8 изображены результаты моделирования лучшего сочетания приборов из всех возможных вариантов, когда значение Tj минимально.

а б Рис. 8. Результаты моделирования группы № 77 последовательно соединенных трёх диодов № 6, № 7, № 10: а – ВАХ СПП в СВП после завершения переходного процесса;

б– температуры ПС в течение переходного процесса Группа № 77 включает приборы № 6, № 7, № 10. Данные приборы имеют наиболее близкие значения параметров ВАХ. Как видно из рисунка 8б, это приводит к тому, что температуры ПС приборов вентильного плеча становятся почти равными в конце переходного процесса. Разность температур ПС наиболее и наименее нагретых СПП группы в установившемся режиме составила Tj = 0,11 С. Данное соединение является наиболее подходящим сочетанием для трёх приборов исследуемой выборки, которое можно рекомендовать к применению.

Результаты моделирования последовательного группового соединения трёх диодов Д161-200 показали, что при различных комбинациях СПП, имеющих разброс значений электрических, тепловых и электротепловых параметров, величины температур Tj их ПС в установившемся режиме могут значительно различаться. Для обеспечения близких друг к другу тепловых режимов приборов при их последовательном групповом соединении требуется проводить подбор СПП по значениям данных параметров.

Выравнивание значений температур ПС Tj приборов позволит рассчитать минимальные значения защитных снабберных цепей.

На основе методик отбраковки и подбора СПП для последовательного группового соединения по значениям электрических, тепловых и электротепловых параметров разработана методика расчёта минимальных значений ёмкости защитных снабберных конденсаторов. Методика предусматривает выполнение следующих этапов.

Первый этап. На данном этапе осуществляется испытание партии приборов с помощью разработанного АПИИК. Производится измерение значений электрических, тепловых и электротепловых параметров СПП.

Второй этап. На этом этапе производится отбраковка потенциально ненадёжных приборов по значениям их электрических, тепловых и электротепловых параметров.

Третий этап. В рамках выполнения третьего этапа производится комплексный подбор СПП для группового последовательного соединения по значениям их электрических, тепловых и электротепловых параметров.

Четвёртый этап. На данном этапе с помощью программы для расчёта минимальных значений ёмкости снабберных конденсаторов, разработанной в среде LabVIEW, определяются минимальные значения ёмкости снабберных конденсаторов, обеспечивающих защиту СПП от различного рода перенапряжений.

С помощью разработанной методики для расчёта минимальных значений ёмкости снабберных конденсаторов и реализующей её программы для вышеописанного режима работы вентильного плеча построена зависимость ёмкости снабберного конденсатора С от значений разности температур ПС Рис. 9. Зависимость ёмкости снабберных наиболее и наименее конденсаторов С от значений разности температур нагретых СПП группы в ПС СПП в установившемся режиме Tj.

установившемся режиме Tj.

Данная зависимость в логарифмическом масштабе представлена на рис. 9.

Из рис. 9 видно, что зависимость ёмкости снабберных конденсаторов С от значений разности температур ПС Tj СПП в установившемся режиме логарифмически линейна. При увеличении величины Tj на один порядок значение С также увеличивается на порядок.

Таким образом, при использовании методики расчёта значений ёмкости снабберных конденсаторов благодаря подбору приборов по комплексу значений их параметров возможно на порядок уменьшить величину данной ёмкости. Это позволит значительно снизить потери в ПС СПП при их переключении из СНП в СВП и минимизировать массогабаритные показатели вентильных блоков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработана электротепловая модель силового диода, в которой учитывается зависимость его вольт-амперных характеристик в состояниях высокой и низкой проводимости от значений электрофизических и геометрических параметров полупроводниковой структуры.

2. На базе разработанных моделей отдельных силовых диодов представлены модели их группового последовательного соединения.

Разработанные модели позволили установить, что для повышения надёжности устройств силовой электроники на основе группового последовательного соединения силовых полупроводниковых приборов и минимизации значений ёмкости снабберных конденсаторов требуется обеспечить выравнивание тепловых режимов работы приборов группы 3. Разработан комплекс методик для определения значений электрических, тепловых и электротепловых параметров силовых диодов и тиристоров в состоянии высокой проводимости, позволяющий снизить время, затрачиваемое на диагностику приборов, до 3-5 минут.

4. Разработан аппаратно-программный информационно-измерительный комплекс, с помощью которого в ходе одного цикла испытаний определяются значения электрических, тепловых и электротепловых параметров и характеристик силовых диодов и тиристоров. Данная аппаратура может применяться на следующих стадиях жизненного цикла силовых полупроводниковых приборов:

– на этапе разработки приборов для определения значений их основных параметров и характеристик в состоянии высокой проводимости;

– на этапе серийного выпуска приборов для проведения сплошного контроля и отбраковки потенциально ненадёжных приборов;

– на этапе изготовления устройств силовой электроники на основе силовых полупроводниковых приборов подобная аппаратура позволит контролировать и подбирать приборы для группового соединения по комплексу значений параметров и вести дополнительно отбраковку потенциально ненадёжных приборов, что позволит на порядок снизить интенсивность их отказов на начальном этапе эксплуатации;

– на этапе эксплуатации силовых полупроводниковых приборов в составе устройств силовой электроники для периодического диагностирования состояния приборов по определенному комплексу параметров и характеристик и отбраковки потенциально ненадёжных приборов, что позволит повысить надёжность данных устройств в целом.

5. Разработана обобщённая электротепловая модель реальных силовых диодов и силового преобразователя электрической энергии на основе их последовательного группового соединения. С помощью данных моделей установлено, что для повышения надёжности устройств силовой электроники на основе группового последовательного соединения силовых полупроводниковых приборов и минимизации значений ёмкости снабберных конденсаторов требуется обеспечить выравнивание тепловых режимов работы приборов группы;

6. Разработана методика отбраковки потенциально ненадёжных силовых полупроводниковых приборов по комплексу значений их электрических, тепловых и электротепловых параметров, позволяющая по результатам диагностики с помощью разработанных технических средств судить о качестве отдельных приборов. Поскольку выводы о качестве испытуемого прибора делаются на основе комплекса значений параметров, то предложенная методика является более эффективной по сравнению с существующими.

7. Разработана методика подбора силовых полупроводниковых приборов для последовательного группового соединения по комплексу значений их электрических, тепловых и электротепловых параметров, позволяющая формировать группы из подобранных друг к другу приборов, что обеспечивает выравнивание тепловых режимов приборов вентильного плеча.

8. На основе методик отбраковки и подбора силовых полупроводниковых приборов для последовательного группового соединения по комплексу значений параметров разработана методика определения минимальных значений ёмкости снабберных конденсаторов.

9. В результате использования разработанных методик и технических средств при формировании последовательных цепей силовых полупроводниковых приборов для устройств силовой электроники возможно добиться снижения ёмкости снабберных конденсаторов в 10 раз.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ 1. Капитонов, С. С. Моделирование процессов в силовых полупроводниковых приборах при их групповом последовательном включении в среде Multisim / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, С. С. Капитонов, С. В. Лебедев // Электроника и электрооборудование транспорта. 2012. – Вып. № 4. – С. 30-35.

2. Капитонов, С. С. Определение минимальных величин ёмкостей снабберных цепей для ограничения коммутационных перенапряжений на силовых полупроводниковых приборах при их выключении / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, С. С. Капитонов, С. В. Лебедев // Естественные и технические науки. – 2011. – Вып. № 6(56). – С. 396-404.

3. Капитонов, С. С. Разработка и исследование электротепловых моделей силовых полупроводниковых приборов основных типовых конструкций / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, С. С. Капитонов, С. В. Лебедев // Естественные и технические науки. – 2011.

– Вып. № 6(56). – С. 405-412.

4. Капитонов, С. С. Выравнивание напряжений на последовательно распределенных силовых полупроводниковых приборах в состоянии низкой проводимости / Н. Н. Беспалов, С. С. Капитонов // Нелинейный мир. – 2011.– Вып. 8.– С. 500-506.

Свидетельства и патенты 5. Свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ №2012611886.

Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, С. С. Капитонов. Программа расчёта величин ёмкости снабберных конденсаторов для последовательных цепей силовых полупроводниковых приборов в состоянии низкой проводимости. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 22.12. 2011 г.

6. Свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ №2012616140.

Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, С. С. Капитонов, С. В. Лебедев. Программа расчёта значений максимально допустимого среднего тока для силовых диодов в среде графического программирования LabVIEW. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 15.05. 2012 г.

В других изданиях 7. Капитонов, С. С. Автоматизация измерения параметров силовых полупроводниковых приборов в состоянии низкой проводимости / Н. Н. Беспалов, Капитонов // Современные техника и технологии: сборник трудов XVI Международной практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Томск, 2010. – Т. 1. – С. 216-217.

8. Капитонов, С. С. Измерение параметров силовых полупроводниковых приборов в состоянии низкой проводимости / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, С. С. Капитонов // Электроника и информационные технологии. 2010. – Вып. 1 (8). – http://fetmag.mrsu.ru/2010-1/pdf/Measurement_in_low_conductivity.pdf – 04201000067/0003.

9. Капитонов, С. С. Моделирование характеристик силовых полупроводниковых приборов в состоянии низкой проводимости / Н. Н. Беспалов, М. В., С. С. Капитонов, И. И. Пьянзин // Электроника и информационные технологии. 2010. – Вып. 2 (9). – http://fetmag.mrsu.ru/2010-2/pdf/LowConductivity.pdf – 04201000067/0036.

10. Капитонов, С. С. Моделирование переходных процессов в силовом тиристоре в закрытом состоянии при воздействии импульса прямого напряжения / Н. Н. Беспалов, С.

С. Капитонов, В. П. Глебочкин // Электроника и информационные технологии. 2010. – Вып. 2 (9). – http://fetmag.mrsu.ru/2010-2/pdf/TransientProcesses.pdf – 04201000067/0038.

11. Капитонов, С. С. Спектр тока питающей сети при работе мощного трехфазного мостового выпрямителя на активную нагрузку / Н. Н. Беспалов, С. С. Капитонов, Ю. А.

Катяев // Электроника и информационные технологии. 2011. –Вып. 1 (10). – http://fetmag.mrsu.ru/2011-1/pdf/Spectrum_Of_The_Current.pdf – 04201100067/0003.

12. Капитонов, С. С. Моделирование характеристик силовых полупроводниковых приборов в состоянии высокой проводимости / Н. Н. Беспалов, С. С. Капитонов, Ю. А.

Катяев // Электроника и информационные технологии. 2011. – Вып. 1 (10). – http://fetmag.mrsu.ru/2011-1/pdf/Characteristics_Power_Semiconductor_Devices.pdf – 04201100067/0005.

13. Капитонов, С. С. Моделирование распределения напряжения по силовым полупроводниковым приборам в состоянии низкой проводимости при их последовательном групповом соединении / Н. Н. Беспалов, С. С. Капитонов // Техническая электродинамика. Тем. вып. – Харьков, 2011. – С. 270-275.

14. Капитонов, С. С. Определение минимальных величин ёмкостей снабберных цепей для ограничения коммутационных перенапряжений на силовых полупроводниковых приборах при их выключении / Н. Н. Беспалов, С. С. Капитонов // Материалы IX Всероссийской научно-технической конференции ДНДС 2011. – Чебоксары, 2011. – С. 216-217.

15. Капитонов, С. С. Моделирование зависимости величины суммарной мощности потерь силовых полупроводниковых приборов в состоянии высокой проводимости от величин электрофизических параметров их полупроводниковой структуры / Н. Н.

Беспалов, С. С. Капитонов // Технологи инновациийн залуу судлаачдын нийгэмлэг. Эрдэм шинжилгээний бага хурлын эмхэтгэл «Khurel Togoot-2011. – Улан-Батор, 2011. – P. 178-180.

16. Капитонов, С. С. О влиянии времени жизни дырок в n-области полупроводниковых структур на распределение напряжения по силовым полупроводниковым приборам в состоянии низкой проводимости при их последовательном соединении / С. С. Капитонов. Материалы XVI научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва. – Саранск, 2012. – Ч. 1. – С. 88-92.

17. Капитонов, С. С. Испытательная аппаратура для определения электрических и тепловых параметров и характеристик силовых полупроводниковых приборов / Н. Н.

Беспалов, М. В. Ильин, С. С. Капитонов // Электроника и информационные технологии.

2012. – Вып. 1 (12). –http://fetmag.mrsu.ru/2012-1/pdf/Bespalov%20Ilin%20Kapitonov.pdf – 04201200067/0004.

18. Капитонов, С. С. Исследование температурной зависимости тока обратного восстановления силовых полупроводниковых приборов / Н. Н. Беспалов, С. С. Капитонов // XL Огаревские чтения : материалы науч. конф.: в 3 ч. – Саранск, 2012. – С. 234-238.

19. Капитонов, С. С. Генератор тока для испытания силовых полупроводниковых приборов в состоянии высокой проводимости / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, С. С.

Капитонов // Материалы международной научной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения»: сб. науч. тр. : в 7 т. – Новосибирск, 2012. – Т. 7. – С. 143-147.

20. Капитонов, С. С. Моделирование распределения токов в управляющем переходе силовых тиристоров в программе MULTISIM / Н. Н. Беспалов, В. П. Глебочкин, С. С.

Капитонов, А. Е. Лысенков // Инженерные, научные и образовательные приложения на базе технологии National Instruments. – 2012: сб. науч. тр. – М., 2012. – Вып. XI. – С. 320-322.

21. Капитонов, С. С. Определение характеристик силовых полупроводниковых приборов в состоянии низкой проводимости с помощью программной среды LABVIEW / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, С. С. Капитонов // Инженерные, научные и образовательные приложения на базе технологии National Instruments – 2012: сб. науч. тр. – М., 2012. – Вып. XI. – С. 354-356.

Личный вклад автора. Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованные в [16], написаны лично автором. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: постановка задачи и разработка математических моделей [1, 2, 4-6, 9, 10, 12-15], методический подход, обобщения и выводы [17-21], расчетная часть [3, 7, 8, 11].

Подписано в печать 16.05.2013 Формат 6084 1/ Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,25 Уч.-изд. л. 1, Тираж 100 экз. Заказ 73 Бесплатно Саратовский государственный технический университет 410054, Саратов, Политехническая ул., Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., Тел.: 24-95-70;