УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КЛАССА СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
INSTALLATION FOR DETERMINATION OF THE CLASS OF POWER SEMICONDUCTOR DEVICES

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение в устройствах для измерений параметров силовых полупроводниковых приборов.
Известно устройство для классификации силовых тиристоров, содержащее источник импульсов высокого напряжения, измерительный шунт, блок сравнения токов, блок измерения напряжения класса, блок памяти, компаратор, измерительный делитель напряжения и клеммы для подключения исследуемого тиристора (авторское свидетельство СССР №920585 А1, опубликовано 15.04.1982).
Основными недостатками известного устройства для классификации силовых тиристоров являются формирование импульса высокого напряжения, форма которого отличается от синусоидальной, что не соответствует требованиям стандарта ГОСТ 24461-80 «Приборы полупроводниковые силовые. Методы измерений и испытаний», и невозможность отбраковки образцов с нестабильными характеристиками, так как тестирование исследуемого тиристора осуществляется одиночным импульсом высокого напряжения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому устройству является устройство для классификации силовых полупроводниковых приборов, описанное в книге Бардин В.М., Моисеев Л.Г., Сурочан Ж.Г. «Аппаратура и методы контроля параметров силовых полупроводниковых вентилей», М., Энергия, 1971, с. 54, рис. 2-7, включающее клеммы для подключения к сетевому напряжению, автотрансформатор, повышающий трансформатор, выпрямитель, ключи для переключения полярности, контакты для подключения испытуемого полупроводникового прибора, датчик тока, делитель напряжения, схему защиты испытуемого полупроводникового прибора, блок управления и блок измерений (осциллограф). В известном устройстве вход автотрансформатора соединен с клеммами для подключения к сетевому напряжению через контакты схемы защиты, выпрямитель подключен к вторичной обмотке повышающего трансформатора, контакты для подключения испытуемого полупроводникового прибора соединены с выпрямителем и вторичной обмоткой повышающего трансформатора через ключи переключения полярности и датчик тока, делитель напряжения подключен параллельно контактам, входы блока измерений соединены с измерительными выходами датчика тока и делителя напряжения, вход схемы защиты подключен к измерительному выходу датчика тока, а выходы блока управления подключены к управляющим входам ключей переключения полярности.
В известном устройстве формирование высокого напряжения осуществляется повышением напряжения сети, форма которого близка к синусоидальной. При определении класса напряжение с помощью автотрансформатора повышается от нуля до значения, при котором ток утечки испытуемого полупроводникового прибора достигает максимально допустимого значения, соответствующего началу лавинного участка его вольтамперной характеристики, измеряются, в зависимости от полярности, напряжение лавинного пробоя или напряжение переключения и оценивается качество полупроводникового прибора по форме его вольтамперной характеристики.
Однако известное устройство не обеспечивает получение импульсов высокого напряжения с формой, близкой к идеальной синусоиде, напряжение с помощью автотрансформатора регулируется скачкообразно, что приводит к низкой точности определения значения тока утечки испытуемого полупроводникового прибора, соответствующего заданному значению амплитуды испытательного напряжения, и низкой достоверности регистрации формы его вольтамперной характеристики.
Невозможность получения импульсов высокого напряжения с формой, близкой к идеальной синусоиде, в известном устройстве обусловлена наличием значительных нелинейных искажений в напряжении питающей сети, которое является источником испытательного сигнала. Особенностью силовых полупроводниковых приборов является большая барьерная емкость, что связано со значительной площадью p-n-переходов. Известно, что емкостная составляющая тока пропорциональна скорости изменения напряжения. Поэтому даже незначительные скачки и провалы на форме импульса высокого напряжения приводят к большим выбросам мгновенных значений тока утечки, что существенно снижает точность измерения его амплитуды и искажает форму вольтамперной характеристики испытуемого полупроводникового прибора. Кроме того, регулирование высокого напряжения с помощью автотрансформатора имеет скачкообразный характер, связанный с тем, что минимальное изменение выходного напряжения автотрансформатора равно напряжению на одном витке его обмотки. Для лабораторных автотрансформаторов (ЛАТРов) минимальная ступень регулировки составляет примерно 1,4 В амплитудного значения. Поскольку коэффициент трансформации повышающего трансформатора для испытания высоковольтных силовых полупроводниковых приборов равен примерно 30, амплитуда высокого напряжения на испытуемом образце будет регулироваться ступенями минимум по 45 В. Диапазон напряжений класса силовых полупроводниковых приборов составляет от 200 В до 6500 В. Следовательно, регулирование напряжения в нижнем краю диапазона осуществляется ступенями порядка 20% от измеряемого значения, что приводит к недопустимо низкой точности задания напряжения.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать установку для определения класса силовых полупроводниковых приборов путем введения новых конструктивных элементов, новых связей между конструктивными элементами, нового выполнения конструктивных элементов.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании заявляемого изобретения, является формирование импульсов высокого напряжения с формой, близкой к идеальной синусоиде, с плавной регулировкой и высокой точностью задания амплитуды.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении точности определения класса силовых полупроводниковых приборов за счет повышения точности задания амплитуды испытательного напряжения, повышения точности определения значения тока утечки испытуемого полупроводникового прибора, соответствующего заданному значению амплитуды испытательного напряжения, и точности определения формы его вольтамперной характеристики.
Поставленная задача решается тем, что в установке для определения класса силовых полупроводниковых приборов, включающей клеммы для подключения к сетевому напряжению, автотрансформатор, повышающий трансформатор, выпрямитель, ключи переключения полярности, блок управления, блок измерений, датчик тока, делитель напряжения и контакты для подключения испытуемого полупроводникового прибора, причем вход автотрансформатора соединен с клеммами для подключения к сетевому напряжению, выпрямитель подключен к вторичной обмотке повышающего трансформатора, контакты для подключения испытуемого полупроводникового прибора соединены с выпрямителем и вторичной обмоткой повышающего трансформатора через ключи переключения полярности и датчик тока, делитель напряжения подключен параллельно контактам, входы блока измерений соединены с измерительными выходами датчика тока и делителя напряжения, а выходы блока управления подключены к управляющим входам ключей переключения полярности, согласно предлагаемому техническому решению, новым является то, что она дополнительно содержит 14-16 отводов автотрансформатора, 15-17 ключевых элементов, блок управления ключевыми элементами, формирователь эталонного синусоидального сигнала, дифференциальный усилитель, усилитель мощности, трансформатор вольтодобавки, причем вход первого ключевого элемента подключен к началу обмотки автотрансформатора, вход каждого следующего ключевого элемента подключен к соответствующему отводу автотрансформатора, а выходы всех ключевых элементов соединены между собой, с одним из выводов вторичной обмотки трансформатора вольтодобавки и с одним из входов дифференциального усилителя, второй вход дифференциального усилителя и вход блока управления ключевыми элементами подключены к выходу формирователя эталонного синусоидального сигнала, выход дифференциального усилителя соединен с одним из входов усилителя мощности, к выходу которого подключена первичная обмотка трансформатора вольтодобавки, а второй вывод его вторичной обмотки соединен со вторым входом усилителя мощности и первичной обмоткой повышающего трансформатора, каждый выход блока управления ключевыми элементами подключен к управляющему входу соответствующего ключевого элемента, а дополнительный выход блока управления соединен с входом формирователя эталонного синусоидального сигнала.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
Введение новых конструктивных элементов и новых связей между конструктивными элементами, а также новое выполнение конструктивных элементов заявляемой установки для определения класса силовых полупроводниковых приборов, а именно то, что она:
- дополнительно содержит 14-16 отводов автотрансформатора,
- дополнительно содержит 15-17 ключевых элементов,
- дополнительно содержит блок управления ключевыми элементами,
- дополнительно содержит формирователь эталонного синусоидального сигнала,
- дополнительно содержит дифференциальный усилитель,
- дополнительно содержит усилитель мощности,
- дополнительно содержит трансформатор вольтодобавки,
- вход первого ключевого элемента подключен к началу обмотки автотрансформатора, вход каждого следующего ключевого элемента подключен к соответствующему отводу автотрансформатора, а выходы всех ключевых элементов соединены между собой, с одним из выводов вторичной обмотки трансформатора вольтодобавки и с одним из входов дифференциального усилителя, второй вход дифференциального усилителя и вход блока управления ключевыми элементами подключены к выходу формирователя эталонного синусоидального сигнала, выход дифференциального усилителя соединен с одним из входов усилителя мощности, к выходу которого подключена первичная обмотка трансформатора вольтодобавки, а второй вывод его вторичной обмотки соединен со вторым входом усилителя мощности и первичной обмоткой повышающего трансформатора, каждый выход блока управления ключевыми элементами подключен к управляющему входу соответствующего ключевого элемента, а дополнительный выход блока управления соединен с входом формирователя эталонного синусоидального сигнала в совокупности с известными признаками технического решения обеспечивает формирование импульсов высокого напряжения правильной синусоидальной формы с плавной регулировкой и высокой точностью задания амплитуды. Приложение к испытуемому полупроводниковому прибору импульсов высокого напряжения правильной синусоидальной формы исключает появление искажений на токе утечки и, соответственно на форме вольтамперной характеристики, а плавная регулировка и точное задание амплитуды напряжения повышают точность определения значения тока утечки при заданном значении амплитуды напряжения, что в совокупности повышает точность определения класса.
Это объясняется тем, что по сигналу, поступившему от блока управления, на выходе формирователя эталонного синусоидального сигнала формируется синхронизированное с напряжением сети напряжение правильной синусоидальной формы, амплитуда которого увеличивается от нуля до значения, которое, в определенном масштабе, задано по условиям испытаний. В зависимости от амплитуды эталонного сигнала блок управления ключевыми элементами подает сигнал управления на один из ключевых элементов, тот замыкается и подключает один из отводов автотрансформатора к своему выходу. На объединенном выходе ключевых элементов появляется напряжение, форма которого соответствует форме напряжения сети, а амплитуда увеличивается ступенями по 18-21 В синхронно с увеличением амплитуды эталонного синусоидального сигнала. Максимальная амплитуда на выходе ключевых элементов составляет 300 В. Количество отводов автотрансформатора и, соответственно, ключевых элементов определяется максимальным выходным напряжением усилителя мощности. Максимальное выходное напряжение усилителя мощности должно быть больше, чем величина ступени амплитуды на выходе ключевых элементов с учетом возможного колебания сетевого напряжения. Напряжение с выхода ключевых элементов поступает на один из входов дифференциального усилителя, где масштабируется и сравнивается с эталонным синусоидальным сигналом. Разность этих двух сигналов фактически является отклонением напряжения на выходе ключевых элементов от сигнала правильной синусоидальной формы с заданной амплитудой. Эта разность усиливается усилителем мощности, выход которого подключен к первичной обмотке трансформатора вольтодобавки. Вторичная обмотка трансформатора вольтодобавки соединена последовательно с выходом ключевых элементов и первичной обмоткой повышающего трансформатора. Таким образом, на первичной обмотке повышающего трансформатора действует напряжение, являющееся суммой сетевого напряжения с выхода ключевых элементов и усиленного отклонения этого напряжения от идеальной синусоиды. В результате суммирования этих сигналов на первичной обмотке напряжение на вторичной обмотке повышающего трансформатора имеет правильную синусоидальную форму. Напряжение с первичной обмотки повышающего трансформатора поступает также на второй вход усилителя мощности, образуя отрицательную обратную связь для повышения устойчивости системы. Амплитуда высокого напряжения плавно, без скачков, регулируется в диапазоне от нуля до 8500 В. В зависимости от сигнала от блока управления включается один из ключей переключения полярности и одна полуволна синусоидального высокого напряжения с вторичной обмотки повышающего трансформатора прикладывается через выпрямитель к испытуемому полупроводниковому прибору.
Таким образом, в заявляемой установке для определения класса силовых полупроводниковых приборов за счет всей совокупности признаков обеспечивается формирование испытательного высокого напряжения правильной синусоидальной формы с плавным регулированием амплитуды, что обеспечивает высокую точность задания амплитуды напряжения, высокую точность определения значения тока утечки испытуемого прибора, соответствующего заданному значению амплитуды испытательного напряжения, и получение неискаженной формы его вольтамперной характеристики и, следовательно, повышение точности определения класса.
Установка для определения класса силовых полупроводниковых приборов поясняется чертежом, на котором приведена функциональная схема заявляемой установки (фиг. 1).
Установка для определения класса силовых полупроводниковых приборов (фиг. 1) содержит клеммы для подключения к сетевому напряжению 1.1 и 1.2, автотрансформатор 2, 15-17 ключевых элементов 3, повышающий трансформатор 4, выпрямитель 5, ключи переключения полярности 6, блок управления 7, блок измерений 8, датчик тока 9, делитель напряжения 10, контакты для подключения испытуемого полупроводникового прибора 11.1 и 11.2, блок управления ключевыми элементами 12, формирователь эталонного синусоидального сигнала 13, дифференциальный усилитель 14, усилитель мощности 15 и трансформатор вольтодобавки 16.
Клеммы для подключения сетевого напряжения 1.1 и 1.2 соединены с входом автотрансформатора 2. Вход первого ключевого элемента 3 подключен к началу обмотки автотрансформатора. К каждому из 14 - 16 отводов автотрансформатора 2 подключен вход одного из 14-16 ключевых элементов 3. Выходы всех ключевых элементов 3 соединены между собой, с одним из входов дифференциального усилителя 14 и с одним из выводов вторичной обмотки трансформатора вольтодобавки 16. Каждый выход блока управления ключевыми элементами 12 подключен к управляющему входу соответствующего ключевого элемента 3. Второй вход дифференциального усилителя 14 и вход блока управления ключевыми элементами 12 подключены к выходу формирователя эталонного синусоидального сигнала 13, а выход дифференциального усилителя 14 соединен с одним из входов усилителя мощности 15. К выходу усилителя мощности 15 подключена первичная обмотка трансформатора вольтодобавки 16, а второй вывод его вторичной обмотки соединен со вторым входом усилителя мощности 15 и первичной обмоткой повышающего трансформатора 4. Один из выводов вторичной обмотки повышающего трансформатора 4 через выпрямитель 5 и ключи переключения полярности 6 соединен к первым контактом для подключения испытуемого полупроводникового прибора 11.1, а второй вывод вторичной обмотки повышающего трансформатора 4 соединен с вторым контактом для подключения испытуемого полупроводникового прибора 11.2 через датчик тока 9. Параллельно контактам для подключения испытуемого полупроводникового прибора 11.1 и 11.2 подключен делитель напряжения 10. Измерительные выходы датчика тока 9 и делителя напряжения 10 соединены с входами блока измерений 8, выходы блока управления 7 подключены к управляющим входам ключей переключения полярности 6, а дополнительный выход блока управления 6 соединен с входом формирователя эталонного синусоидального сигнала 13.
Установка для определения класса силовых полупроводниковых приборов работает следующим образом.
Блок управления 7 определяет условия испытаний, формирует сигнал на включение одного из ключей переключения полярности 6 и, либо автоматически, либо по команде оператора задает сигнал на вход формирователя эталонного синусоидального сигнала 13, определяющий как скорость увеличения амплитуды высокого напряжения от нуля до конечного значения, так и само конечное значение амплитуды. На выходе формирователя эталонного синусоидального сигнала 13 формируется синхронизированный с сетевым напряжением сигнал идеальной синусоидальной формы, амплитуда которого изменяется во времени от нуля до заданного значения. Этот сигнал поступает на вход блока управления ключевыми элементами 12, который формирует команды управления ключевыми элементами 3 таким образом, чтобы в каждый момент времени был открыт один из ключевых элементов 3, и амплитуда сетевого напряжения на выходе ключевых элементов 3 увеличивалась одновременно с увеличением амплитуды эталонного сигнала ступенями по 18 - 21 В. Масштаб между амплитудой эталонного сигнала и амплитудой напряжения на выходе ключевых элементов 3 составляет, например, 1:60. Следовательно, пока амплитуда эталонного сигнала увеличивается, например, от нуля до 0,25 В, замкнут первый ключевой элемент 3, вход которого подключен к началу обмотки автотрансформатора, и напряжение на выходе ключевых элементов 3 равно нулю. Если амплитуда эталонного сигнала станет равной, например, 0,3 В, то по команде от блока управления ключевыми элементами 12 будет открыт второй ключевой элемент 3, и на его выходе появится напряжение, с амплитудой 18 - 21 В, повторяющее по форме сетевое напряжение. При амплитуде эталонного сигнала равной 0,55 В будет открыт третий ключевой элемент 3, и на его выходе появится напряжение, с амплитудой 36 - 42 В, и так далее. Напряжение с выхода ключевых элементов 3 поступает на один из входов дифференциального усилителя 14 через делитель 1: 60, а на второй вход дифференциального усилителя 14 приходит эталонный синусоидальный сигнал. На выходе дифференциального усилителя 14 будет сформирован сигнал, который является разностью между напряжением на выходе ключевых элементов 3 (в масштабе 1:60) и сигналом правильной синусоидальной формы с заданной амплитудой. Эта разность усиливается усилителем мощности 15, выход которого подключен к первичной обмотке трансформатора вольтодобавки 16. В итоге на первичной обмотке повышающего трансформатора 4 действует напряжение, которое является суммой напряжения на вторичной обмотке трансформатора вольтодобавки 16 и напряжения на выходе ключевых элементов 3. Это напряжение имеет правильную синусоидальную форму и его амплитуда может плавно регулироваться от нуля до 300 В. Следовательно, напряжение на вторичной обмотке повышающего трансформатора 4 также имеет правильную синусоидальную форму с амплитудой, регулируемой в диапазоне от нуля до 8500 В. В зависимости от заданных условий испытаний открыт один из ключей переключения полярности 6, и к испытуемому прибору, подключенному к контактам 11.1 и 11.2, прикладывается либо положительная, либо отрицательная полуволна напряжения, амплитуда которой во время испытаний плавно увеличивается от нуля до заданного значения. На измерительном выходе делителя напряжения 10 формируется сигнал, пропорциональный приложенному к испытуемому прибору напряжению, а на измерительном выходе датчика тока 9 - сигнал, пропорциональный току утечки через испытуемый полупроводниковый прибор. Эти сигналы подаются на входы блока измерений 8, который обеспечивает связь с оператором и генерирует на индикации установки амплитудные значения напряжения на испытуемом приборе и тока через него, рассчитанное по результатам измерений значение класса, и выводит на экран графическое изображение вольтамперной характеристики испытуемого прибора.
В установке для определения класса силовых полупроводниковых приборов, выбранной в качестве прототипа, источником испытательного сигнала является напряжение питающей сети, и амплитуда этого сигнала регулируется ступенями с минимальной величиной ступени 1,4 В, что соответствует минимальной ступени напряжения на испытуемом приборе примерно 45 В. При определении класса измеряют значение тока утечки порядка 20 - 100 мА в начале лавинного участка вольтамперной характеристики испытуемого прибора. Учитывая, что дифференциальное сопротивление диодов и тиристоров на этом участке вольтамперной характеристики может составлять 50 - 100 Ом, увеличение значений тока утечки при увеличении напряжения ступенями по 45 В составит не менее 100 мА. Следовательно, ошибка в измерении значения тока утечки на этом участке вольтамперной характеристики будет составлять не менее чем два раза. А при измерении низковольтных силовых полупроводниковых приборов, например, сварочных диодов с напряжением класса 400 - 600 В, ошибка в задании амплитуды испытательного напряжения, регулируемого ступенями по 45 В, будет составлять более 10%, что приводит к недопустимо большой погрешности в определении класса. Кроме того, напряжение питающей сети характеризуется значительными нелинейными искажениями. В соответствии с требованиями стандарта, нормально допустимое значение коэффициента для пятой гармоники составляет 6%, для седьмой гармоники - 5% и т.д. Величина барьерной емкости p-n-переходов большой площади составляет не менее 10 нФ. Если к испытуемому полупроводниковому прибору прикладывается напряжение 6000 В, то при таких значениях коэффициентов гармоник их суммарный вклад в значения тока утечки с амплитудой 20 мА составит около 2-3 мА, то есть 10 - 15%. Это приведет к существенному искажению формы вольтамперной характеристики, по которой оператор оценивает качество испытуемого полупроводникового прибора. Итак, погрешность определения класса полупроводникового прибора, обусловленная ступенчатым характером регулировки испытательного напряжения и его нелинейными искажениями, составит более 10%. Другими словами, ошибка в определении допустимого рабочего напряжения для тиристора 60 класса составит не менее ±600 В, что недопустимо много.
В заявляемой установке коэффициент нелинейных искажений испытательного напряжения определяется коэффициентом нелинейных искажений усилителя мощности, который составляет менее 0,5%, а регулирование амплитуды испытательного напряжения осуществляется плавно, без ступеней, с точностью задания порядка 1% любого значения в диапазоне от нуля до 8500 В. Высокая точность задания определенного значения амплитуды напряжения на испытуемом полупроводниковом приборе обуславливает и высокую точность определения значения тока утечки, соответствующего этому значению напряжения.
Как видно из вышеизложенного, в заявляемой установке для определения класса силовых полупроводниковых приборов обеспечивается формирование испытательного высокого напряжения правильной синусоидальной формы с плавным регулированием амплитуды, что обеспечивает высокую точность определения класса.
Заявляемая установка для определения класса силовых полупроводниковых приборов может быть реализована на известном оборудовании с помощью известных материалов и средств, что подтверждает ее промышленную пригодность.