УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ НАРАСТАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ЗАКРЫТОМ СОСТОЯНИИ ТИРИСТОРОВ

Полезная модель относится к области электротехники и может найти применение в устройствах для испытаний силовых полупроводниковых приборов.
Известно устройство для определения критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии тиристоров, описанное в книге Бардин В.М., Моисеев Л.Г., Сурочан Ж.Г. Аппаратура и методы контроля параметров силовых полупроводниковых вентилей. М.: Энергия, 1971, с. 130, включающее автотрансформатор, повышающий трансформатор, выпрямитель, накопительный конденсатор, электронный ключ, переменную катушку индуктивности в качестве регулятора скорости нарастания напряжения и испытуемый тиристор. Основными недостатками известного устройства являются нелинейная (экспоненциальная) форма переднего фронта импульса напряжения, обусловленная применением в качестве регулятора скорости нарастания напряжения пассивного элемента - катушки индуктивности, и низкий коэффициент полезного действия, обусловленный необходимостью создания значительного запаса по напряжению на накопительном конденсаторе, а именно до 2,5 раз больше по сравнению с требуемой амплитудой напряжения на испытуемом тиристоре.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемой установке для определения критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии тиристоров является устройство, описанное в статье Грицевский Е.А., Смирнов B.C., Тогатов В.В. Устройство для классификации тиристоров по величине dU/dt. - Электротехническая промышленность. Сер. Преобразовательная техника, 1976, №3, с. 14-16 и в книге Лаппе Р., Фишер Ф. Измерения в энергетической электронике: Пер с нем. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 93, рис. 3.38, включающее источник напряжения с накопительным конденсатором, электронный ключ, токозадающий элемент, формирующий конденсатор, отсекающий диод, второй источник напряжения и испытуемый тиристор.
В известном устройстве фронт импульса испытательного напряжения формируется при заряде формирующего конденсатора через токозадающий элемент. Начало формирования переднего фронта импульса напряжения определяется замыканием электронного ключа, скорость нарастания регулируется величиной емкости формирующего конденсатора и значением тока, который задается токозадающим элементом. Применение в качестве токозадающего элемента электронной лампы, включенной по схеме источника тока, обеспечивает линейный передний фронт импульса напряжения. Амплитуда импульса напряжения ограничивается отсекающим диодом и регулируется изменением выходного напряжения второго источника напряжения. Переключение испытуемого тиристора при достижении критического значения скорости нарастания напряжения регистрируется осциллографом.
Основными недостатками известного устройства является низкая надежность, обусловленная небольшим ресурсом электронно-вакуумных ламп и низкая точность измерений, связанная с влиянием емкости испытуемого тиристора на задаваемую скорость нарастания переднего фронта импульса напряжения. Например, долговечность модуляторного тетрода ГМИ-83, в соответствии с техническими условиями, составляет 150 часов. Величина барьерной емкости p-n-перехода современных мощных тиристоров составляет от 1000 пФ до 10 000 пФ, что сопоставимо с величиной емкости формирующего конденсатора. Более того, величина барьерной емкости тиристора зависит от приложенного к нему напряжения и при его увеличении во время испытаний изменяется в несколько раз. Подключение к испытательной установке испытуемых тиристоров с различной величиной барьерной емкости и ее изменение во время испытаний приводят к нестабильности заданного значения скорости нарастания переднего фронта импульса напряжения, что снижает точность определения значения критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии испытуемого тиристора.
В основу полезной модели поставлена задача - усовершенствовать установку для определения критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии тиристоров путем введения новых конструктивных элементов, новых связей между конструктивными элементами, нового выполнения конструктивных элементов.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерений и обеспечение высокой надежности измерительной установки в целом.
Поставленная задача решается тем, что установка для определения критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии тиристоров, выполненная с возможностью подключения испытуемого тиристора, включает источник напряжения с накопительным конденсатором, токозадающий элемент, формирующий конденсатор, электронный ключ и регистрирующее устройство, причем вход токозадающего элемента соединен с выходом источника напряжения, параллельно которому подключен накопительный конденсатор, формирующий конденсатор подключен к выходу токозадающего элемента, а регистрирующее устройство выполнено с возможностью подключения параллельно испытуемому тиристору. Согласно предлагаемому техническому решению установка дополнительно содержит от 4-х до 6-ти источников напряжения, от 4-х до 6-ти накопительных конденсаторов, от 4-х до 6-ти токозадающих элементов, от 4-х до 6-ти формирующих конденсаторов, от 4-х до 6-ти электронных ключей, от 5-ти до 7-ми повторителей напряжения, от 5-ти до 7-ми ограничителей тока и схему синхронизации, при этом источники напряжения гальванически развязаны между собой, вход каждого повторителя напряжения подключен к соответствующему формирующему конденсатору, каждый из электронных ключей подсоединен параллельно формирующему конденсатору, выходы повторителей напряжения соединены между собой последовательно через ограничители тока, положительный полюс выхода первого повторителя напряжения выполнен с возможностью подключения к аноду испытуемого тиристора, отрицательный полюс выхода последнего повторителя напряжения выполнен с возможностью соединения через ограничитель тока с катодом испытуемого тиристора, а выходы схемы синхронизации подключены к соответствующим входам управления токозадающих элементов и электронных ключей.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков технического решения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
Введены новые конструктивные элементы и новые связи между конструктивными элементами, а также осуществлено новое выполнение конструктивных элементов заявляемой установки для определения критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии тиристоров, а именно то, что она:
дополнительно содержит 4-6 источников напряжения,
дополнительно содержит 4-6 накопительных конденсаторов,
дополнительно содержит 4-6 токозадающих элементов,
дополнительно содержит 4-6 формирующих конденсаторов,
дополнительно содержит 4-6 электронных ключей,
дополнительно содержит 5-7 повторителей напряжения,
дополнительно содержит 5-7 ограничителей тока,
дополнительно содержит схему синхронизации,
источники напряжения гальванически развязаны между собой, вход каждого повторителя напряжения подключен к соответствующему формирующему конденсатору, каждый из электронных ключей подсоединен параллельно формирующему конденсатору, выходы повторителей напряжения соединены между собой последовательно через ограничители тока, положительный полюс выхода первого повторителя напряжения выполнен с возможностью подключения к аноду испытуемого тиристора, отрицательный полюс выхода последнего повторителя напряжения выполнен с возможностью соединения через ограничитель тока с катодом испытуемого тиристора, а выходы схемы синхронизации подключены к соответствующим входам управления токозадающих элементов и электронных ключей, в совокупности с известными признаками технического решения обеспечено формирование импульса напряжения с линейно нарастающим фронтом, крутизна которого не зависит от параметров испытуемого тиристора, что повышает точность измерений и надежность установки в целом.
Это объясняется тем, что после заряда накопительных конденсаторов от источников напряжения, схема синхронизации формирует сигналы управления ключами, которые переводят ключи в состояние низкой проводимости, затем схема синхронизации формирует импульсы управления токозадающими элементами, которые обеспечивают одновременное формирование импульсов тока со стабилизированной амплитудой. При заряде формирующих конденсаторов импульсами тока со стабилизированной амплитудой на них формируются импульсы напряжения с линейно нарастающим передним фронтом. Крутизна переднего фронта каждого импульса напряжения определяется значением амплитуды импульса тока, который формирует токозадающий элемент, и емкостью формирующего конденсатора. Каждый повторитель напряжения, вход которого подключен к формирующему конденсатору, имеет высокое входное и низкое выходное.
Установка для определения критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии тиристоров содержит 5-7 источников напряжения 1, к каждому из которых подключен накопительный конденсатор 2. К положительным обкладкам накопительных конденсаторов 2 подключены входы токозадающих элементов 3 и положительные клеммы питания повторителей напряжения 4. Выходы токозадающих элементов 3 соединены с положительными обкладками формирующих конденсаторов 5 и со входами повторителей напряжения 4. Параллельно каждому формирующему конденсатору 5 подключен электронный ключ 6. Отрицательные обкладки каждого накопительного конденсатора 2 соединены с отрицательными обкладками формирующих конденсаторов 5 и отрицательными клеммами питания повторителей напряжения 4. Положительный полюс выхода первого повторителя напряжения 4 выполнен с возможностью подключения к аноду испытуемого тиристора, отрицательный полюс выхода первого повторителя напряжения 4 соединен через ограничитель тока 7 с положительным полюсом выхода второго повторителя напряжения 4, отрицательный полюс выхода второго повторителя напряжения 4 соединен через ограничитель тока 7 с положительным полюсом выхода третьего повторителя напряжения 4, и т.д. Другими словам, выходы всех повторителей напряжения 4 соединены через ограничители тока 7 последовательно. Отрицательный полюс выхода последнего повторителя напряжения 4 выполнен с возможностью подключения через ограничитель тока 7 к катоду испытуемого тиристора. Регистрирующее устройство 8 подсоединено к положительному полюсу выхода первого повторителя напряжения 4 и к выходу последнего ограничителя тока 7. Один из выходов схемы синхронизации 9 подключен к управляющим входам токозадающих элементов 3, второй выход схемы синхронизации 9 соединен с управляющими входами электронных ключей 6.
Установка для определения критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии тиристоров работает следующим образом.
Источники питания 1 обеспечивают заряд накопительных конденсаторов 2 до напряжения около 900 В. В исходном состоянии установки электронные ключи 6 замкнуты и закорачивают формирующие конденсаторы 5. Начало формирования импульса напряжения определяется схемой синхронизации 9, которая подает команду на размыкание электронных ключей 6 и команду на начало формирования импульсов тока токозадающими элементами 3. Токозадающие элементы 3 обеспечивают одновременное формирование импульсов тока со стабилизированной амплитудой, которыми заряжаются формирующие конденсаторы 5. При заряде формирующих конденсаторов 5 импульсами тока со стабилизированной амплитудой на них формируются импульсы напряжения с линейно нарастающим передним фронтом. Крутизна переднего фронта каждого импульса напряжения определяется значением амплитуды импульса тока, который формирует токозадающий элемент 3, и емкостью формирующего конденсатора 5. Изменение крутизны линейного переднего фронта импульса напряжения обеспечивается изменением амплитуды импульса тока. Импульсы напряжения с линейно нарастающим передним фронтом поступают на входы повторителей напряжения 4. Напряжением питания повторителей напряжения 4 служит напряжение на накопительных конденсаторах 2. Каждый повторитель напряжения 4, вход которого подключен к формирующему конденсатору 5, имеет высокое входное и низкое выходное сопротивления, что обеспечивает исключение влияния емкости нагрузки на крутизну переднего фронта импульса напряжения. Выходы повторителей напряжения 4 включены последовательно друг с другом, что обеспечивает суммирование выходных импульсов напряжения, увеличивая амплитуду и скорость нарастания выходного импульса пропорционально количеству соединенных последовательно каскадов. Суммарный импульс напряжения, вследствие одновременного формирования импульсов напряжения на выходах повторителей напряжения 4, также имеет линейно нарастающий передний фронт. Ограничители тока 7, включенные последовательно с выходами каждого повторителя напряжения, обеспечивают ограничение тока через испытуемый тиристор при его переключении в проводящее состояние во время испытаний и предотвращают его выход из строя из-за превышения допустимой коммутационной мощности потерь. По достижении амплитудой импульса заданного значения схема синхронизации 9 формирует команду токозадающему элементу 3 на уменьшение тока формирования до нуля, при этом формируется плоская часть импульса напряжения заданной длительности. Затем схема синхронизации 9 формирует команду на переход электронных ключей 6 в открытое состояние, что приводит к разряду формирующих конденсаторов 5 и окончанию импульса напряжения. При определении значения критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии к испытуемому тиристору прикладывается последовательность импульсов напряжения с увеличивающейся от импульса к импульсу крутизной переднего фронта до момента переключения испытуемого тиристора в проводящее состояние. Переключение испытуемого тиристора в проводящее состояние и соответствующее значение крутизны импульса напряжения фиксируются регистрирующим устройством 8.
В устройстве, выбранном в качестве прототипа, при испытании тиристоров крутизна линейно нарастающего переднего фронта импульса напряжения отклоняется от заданного значения. Причиной отклонений является то, что параллельно формирующему конденсатору подключена барьерная емкость p-n-перехода испытуемого тиристора. Величина барьерной емкости p-n-перехода современных мощных тиристоров составляет от 1000 пФ до 10000 пФ, что сопоставимо с величиной емкости формирующего конденсатора. Амплитуду импульса тока токозадающего элемента устанавливают в диапазоне 10-20 А, т.к. увеличение амплитуды тока может приводить к отказу испытуемого тиристора при его переключении в проводящее состояние во время испытаний. Поэтому для обеспечения скорости нарастания напряжения порядка 1000-2000 А/мкс емкость формирующего конденсатора должна составлять примерно 0,01 мкФ. Более того, величина барьерной емкости тиристора зависит от приложенного к нему напряжения и при его увеличении во время испытаний уменьшается в несколько раз. Подключение к испытательной установке испытуемых тиристоров с различной величиной барьерной емкости и ее изменение во время испытаний приводят к нестабильности заданного значения скорости нарастания переднего фронта импульса напряжения, что снижает точность определения значения критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии испытуемого тиристора.
В предложенном устройстве к формирующим конденсаторам подключены входы повторителей напряжения, а испытуемый тиристор подключен к последовательно соединенным выходам повторителей напряжения. Каждый повторитель напряжения, вход которого подключен к формирующему конденсатору, имеет высокое входное и низкое выходное сопротивления, что обеспечивает точную передачу формы импульса напряжения на нагрузку и исключает влияния барьерной емкости испытуемого тиристора на крутизну переднего фронта импульса напряжения.
В устройстве, выбранном в качестве прототипа, токозадающий элемент, обеспечивающий линейность переднего фронта импульса напряжения при токе формирования 10-20 А и напряжении около 4 кВ, реализован на базе мощной электронной лампы. Долговечность электронных ламп невысока, например, у модуляторного тетрода ГМИ-83, в соответствии с техническими условиями, она составляет 150 часов, вследствие чего устройство, выбранное в качестве прототипа, имеет низкую надежность.
В предложенном устройстве одновременное формирование 5-7 импульсов напряжения и последовательное включение выходов повторителей напряжения обеспечивает суммирование импульсов напряжения как по скорости нарастания, так и по амплитуде, что позволяет формировать импульсы с амплитудой 4 - 4,5 кВ и скоростью нарастания 2000-3200 В/мкс с помощью элементов с рабочим напряжением 800-1000 В. Поэтому токозадающие элементы и повторители напряжения могут быть выполнены на мощных полевых транзисторах, например, на транзисторах IXYS IXTN30N100L с максимально допустимым напряжением сток-исток 1000 В и максимальным током стока 30 А, имеющим долговечность 40 - 60 тысяч часов. Кроме того, гальваническая развязка источников напряжения между собой не приводит к перегрузке транзисторов токозадающих элементов и повторителей напряжения по напряжению вследствие его перераспределения при пробое одного из транзисторов. Следовательно, даже при пробое одного из транзисторов, установка сохраняет работоспособность при уменьшенном на 1/5-1/7 выходном напряжении.
Как видно из вышеизложенного, в заявляемой установке для определения критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии тиристоров реализуется высокая точность измерений за счет формирования импульса напряжения с линейным передним фронтом, крутизна которого задается с высокой точностью и не зависит от параметров испытуемых тиристоров, а также обеспечивается высокая надежность испытательной установки.
Заявляемая установка для определения критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии тиристоров может быть реализована на известном оборудовании с помощью известных материалов и средств.