Способ оценки тепловой постоянной силового полупроводникового прибора
METHOD OF ESTIMATION OF THERMAL CONSTANT POWER SEMICONDUCTOR APPARATUS

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов силовой электроники и может быть использовано для экспресс-оценки тепловой инерционности прибора, его теплового сопротивления и контроля качества.
Силовые полупроводниковые приборы (СПП) в настоящее время широко применяются при создании преобразователей электрической энергии в электроэнергетике, электроприводе железнодорожного транспорта, в различных технологических установках и других областях техники. Причем мощность таких преобразователей может достигать сотен киловатт и более.
Обеспечение надежной работы СПП в таких преобразователях является одним из главных требований. Показатели надежности СПП определяются, в основном, значением температуры полупроводниковой структуры СПП, а она зависит от многих факторов, как внешних по отношению к СПП, так и от его электрических и тепловых параметров. В частности, от величины рабочего тока, параметров прямой вольтамперной характеристики прибора (ПВАХ), его теплового сопротивления, условий охлаждения.
Поскольку непосредственное измерение температуры полупроводниковой структуры не представляется возможным, прибегают к различным косвенным методам. Один из них основан на измерении величины теплового сопротивления прибора и его взаимосвязи с температурой структуры. Эта взаимосвязь описывается выражением [1]:
С
К
th
где T – температура структуры, T – температура корпуса, P – выделяемая в приборе мощность потерь, R – тепловое сопротивление.
th
th
th
1
th
th
1
1
0
0
th
th
1
2
2
1
th
Одним из параметров, характеризующих тепловое состояние СПП, является тепловое сопротивление прибора. Различают переходное тепловое сопротивление r и установившееся тепловое сопротивление R. Процесс изменения теплового состояния СПП во времени при нагреве прибора за счет выделяемой в нем мощности потерь принято характеризовать кривой переходного теплового сопротивления r(t), форма которой близка к экспоненте [1]. Из сути теплового процесса следует, что через некоторое время t величина переходного теплового сопротивления станет равной величине установившегося теплового сопротивления R. Чем хуже контактные соединения в приборе и больше величина R, тем больше будет время t. То есть разница ф = t – t, где t – момент времени начала измерений, характеризует тепловую инерционность прибора и по её величине можно судить о величине R [1]. Измерение R в настоящее время на предприятиях России возможно только в лабораторных условиях и весьма трудоемко по времени. Отечественное серийное оборудование для таких измерений пока отсутствует. Поэтому предлагается ввести тепловой параметр, который характеризует инерционность тепловых процессов в СПП и коррелирует с величиной его теплового сопротивления. Этот параметр назван «тепловой постоянной СПП». Для оценки её величины СПП нагревают протекающим через него током произвольной формы до установившегося теплового состояния. В момент времени t (чертеж) выключают греющий ток и с этого момента измеряют величину термочувствительного параметра (ТЧП) до момента времени t. Термочувствительным параметром называется любой физический параметр, зависящий от температуры. Величина ф = t – t прибора названа «тепловой постоянной» СПП. Сравнительный анализ величин тепловых постоянных ф для приборов одной партии позволяет выявить потенциально ненадежные экземпляры, например, с плохим качеством внутренних контактных соединений, а также осуществлять подбор приборов по тепловому режиму для использования их при групповой работе. По величине ф можно судить о величине теплового сопротивления R, поскольку между ними существует однозначная зависимость.
и
и
th
К
и
C
th
Известны способы измерения величины теплового сопротивления [1-3], основанные на оценке величины какого-либо измеряемого параметра (ТЧП) СПП, однозначно связанного с температурой полупроводниковой структуры. Способы основаны на использовании предварительно построенной для СПП температурной зависимости, например, падения напряжения ДU на приборе от протекающего через него постоянного тока малой величины (измерительный ток), то есть в данном случае ДU является измеряемым ТЧП. Процесс измерения R сводится к нагреванию СПП силовым током, измерению мощности потерь на приборе, измерению температуры корпуса T. Сразу после прерывания силового тока измеряется величина ДU и по ранее построенной градуировочной зависимости определяется величина T. Далее на основании выражения (1) вычисляется величина R.
Недостатком известных способов является большая длительность процесса построения градуировочной зависимости для каждого СПП.
К
С
th
Известен метод «двух режимов» [4], основанный на проведении двух экспериментов, позволяющих при двух разных режимах охлаждения СПП найти два значения мощности потерь (при разных значениях греющего тока) и два значения температуры корпуса T при условии равенства величин ТЧП, то есть при одной температуре структуры. Таким образом на основании двух экспериментов будут получены два уравнения вида (1), из которых путем исключения T можно определить R по формуле
.                                                  (2)
Недостатком известного способа является сложность технической реализации, так как требуется специальная система регулируемого охлаждения корпуса испытуемого прибора.
th
К1
2
Известны способы экспресс-измерения величины R, которые условно можно назвать «методом двух экспонент» [5-6]. Методы основаны на измерении температуры корпуса на этапах нагрева и охлаждения прибора. Реализация способа заключается в следующем. Через испытуемый прибор (ИП) пропускается греющий ток небольшой величины (несколько ампер). В процессе нагрева прибора измеряется значение ТЧП и температуры корпуса T. Измерения производят в момент достижения величины ТЧП определенного значения. После выключения греющего тока начинается процесс остывания ИП. На этом этапе непрерывно измеряется ТЧП прибора и температура корпуса. При достижении ТЧП на этапе охлаждения такого же заданного значения ТЧП, как и на этапе нагрева, измеряется температура корпуса Tк. По формуле определяют искомую величину
.                                          (3)
К основному недостатку известных способов можно отнести необходимость непрерывного измерения температуры корпуса СПП и ТЧП на всем интервале измерений. В режиме охлаждения измерение ТЧП производят в момент достижения термодинамического равновесия, когда температура корпуса и температура структуры становятся равными. Эти особенности способов приводят к усложнению системы синхронизации измерений и увеличению погрешности вычисляемого теплового сопротивления переход-корпус СПП.
Разновидностью указанных способов является способ определения теплового сопротивления переход-корпус транзисторов с полевым управлением [7]. Испытуемый прибор нагревают путем пропускания через него периодических импульсов греющего тока произвольной формы. В процессе нагрева через прибор пропускают измерительный ток, измеряют и запоминают значения ТЧП и температуры корпуса. Вычисляют среднюю мощность потерь в приборе. При достижении температурой корпуса прибора заданного максимума выключают греющий ток и продолжают измерять значения ТЧП. В режиме естественного охлаждения в момент времени, когда достигается термодинамическое равновесие (температура структуры становится равной температуре корпуса), измеряют и запоминают значение ТЧП и температуру корпуса. Затем по специальной формуле вычисляют величину теплового сопротивления.
Недостатком известного решения является то, что способ сложен в реализации, так как требует непрерывного измерения величины ТЧП и температуры корпуса, их запоминания и последующих вычислений. Кроме того, сложно обеспечить точное измерение момента достижения термодинамического равновесия из-за малой крутизны тепловых экспонент на последних этапах охлаждения прибора.
Технический результат предлагаемого решения заключается в сокращении времени оценки теплового параметра СПП – тепловой постоянной ф и связанного с ней теплового сопротивления, а также путем сравнения величин ф в партии СПП выявлять потенциально ненадежные образцы.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе оценки тепловой постоянной СПП осуществляют нагрев СПП протекающим через него током произвольной формы до установившегося теплового состояния. Затем выключают ток и на этапе охлаждения СПП непрерывно измеряют величину ТЧП. Измерение ТЧП производят от момента времени выключения греющего тока до момента, когда ТЧП достигает заранее заданного значения, и по величине тепловой постоянной судят о тепловой инерционности и величине теплового сопротивления СПП.
На чертеже представлены временная диаграмма мощности, необходимой для нагрева прибора, изменение динамического теплового сопротивления в зависимости от времени нагрева СПП и временные зависимости изменения ТЧП.
Способ оценки тепловой постоянной СПП основан на использовании ТЧП как показателя инерционности теплового процесса в приборе.
2
1
Учитывая, что тепловая постоянная ф прибора как физическая величина, характеризующая тепловые свойства прибора, одинакова как для этапа нагрева прибора, так и для этапа его охлаждения, то измерения ф осуществляют не на этапе нагрева, а на этапе охлаждения. Поэтому измерения ф сводится к нагреву прибора в течение некоторого времени до установившегося теплового состояния, оценке мощности потерь, измерению величины ТЧП1 в момент отключения греющего тока и дальнейшему измерению величины ТЧП до достижения им некоторого заданного значения ТЧП2 (например, 0,5 от его величины в момент выключения греющего тока). По времени от момента отключения греющего тока до момента достижения величиной ТЧП заданного значения (ТЧП2) судят о величине тепловой постоянной прибора ф = t – t.
По сравнению с известным техническим решением предлагаемое позволяет сократить время оценки тепловых параметров СПП, а также упростить техническую реализацию измерительного устройства.
Источники информации
1. Бардин В.М. Аппаратура и методы контроля параметров силовых полупроводниковых вентилей / В.М. Бардин, Л.Г. Моисеев, Ж.Г. Сурочная, О.Г. Чебовский. – М.: «Энергия», 1971. – 184 с.
2. Чебовский О.Г. Испытания силовых полупроводниковых приборов / О.Г. Чебовский, Л.Г. Моисеев. – М.: «Энергоиздат», 1981. – 200 с.
3. RU 2178893, МПК G01R31/26, опубл. 27.01.2002.
4. Рабинерсон А.А. Режимы нагрузки силовых полупроводниковых приборов / А.А. Рабинерсон, Г.А. Ашкинази. – М.: «Энергия», 1976. – 293 с.
5. RU 2240573, МПК G01R31/26, опубл. 20.11.2004.
6. RU 2300115, МПК G01R31/26, опубл. 27.05.2007.
7. RU 2516609, МПК G01R31/26, опубл. 20.05.2014.