СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ УДАРНОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники и может найти применение в устройствах для испытаний силовых полупроводниковых приборов.
Известны устройства для испытаний силовых полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока, описанные в стандарте IEC60747-2{ed. 2.0} Rectifier Diodes, 7.3.1, р. 89 и книге Бардин В.М., Моисеев Л.Г., Сурочан Ж.Г. «Аппаратура и методы контроля параметров силовых полупроводниковых вентилей», М., Энергия, 1971, с. 130, включающие автотрансформатор, нагрузочный трансформатор, тиристорный контактор, шунт (датчик тока), измеритель тока и испытуемый полупроводниковый, прибор. Основными недостатками известного устройства является искажение формы импульса тока, обусловленное искажениями сетевого напряжения при потреблении значительной мощности при формировании импульса тока и невозможность получения импульсов тока большой (десятки килоампер) амплитуды при значительном падении напряжения на испытуемом полупроводниковом приборе, обусловленная насыщением нагрузочного трансформатора.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому стенду для испытаний силовых полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока является устройство, описанное в книге Лаппе Р., Фишер Ф. «Измерения в энергетической электронике», Пер с нем. - М., Энергоатомиздат, 1986, с. 24, включающее трансформатор, выпрямитель (источник зарядного тока), накопительный конденсатор, катушку индуктивности, испытуемый полупроводниковый прибор, шунт (датчик тока), блок измерения тока и генератор импульсов управления.
В известном устройстве при подаче импульса управления на испытуемый полупроводниковый прибор через него протекает полусинусоидальный импульс тока, который формируется колебательным контуром, образованным накопительным конденсатором и катушкой индуктивности. Длительность импульса тока определяется значениями индуктивности катушки и емкости накопительного конденсатора, амплитуда импульса тока зависит от напряжения, до которого заряжен накопительный конденсатор перед включением испытуемого полупроводникового прибора, и волновым сопротивлением колебательного контура. Параметры импульса тока контролируются блоком измерения тока, подключенным к шунту (датчику тока).
Однако известное устройство не обеспечивает получение импульса тока полусинусоидальной формы, близкое к идеальной синусоиде, имеет низкую точность формирования импульса ударного тока с заданной амплитудой и неудовлетворительные массогабаритные характеристики.
Невозможность получения импульса тока, форма которого близка к идеальной полусинусоиде, обусловлена потерями в колебательном контуре. Во-первых, это падения напряжения на проводниках и контактах при протекании импульса тока значительной амплитуды, во-вторых, падение напряжения на испытуемом приборе, которое может составлять десятки вольт в режиме, близком к разрушению испытуемого полупроводникового прибора. Значительные потери приводят к появлению апериодической составляющей в форме импульса тока и ее искажению, недопустимому по условиям испытаний. Поскольку амплитуда импульса тока, протекающего через испытуемый полупроводниковый прибор, зависит от параметров колебательного контура и нагрузки, то она будет изменяться при их изменении, в первую очередь, при изменении емкости накопительного конденсатора вследствие измерения температуры окружающей среды, старения и т.д. При формировании импульсов тока с амплитудой десятки килоампер емкость накопительного конденсатора должна составлять тысячи микрофарад. Необходимость применения накопительного конденсатора значительной емкости со стабильными параметрами приводит к увеличению массы и габаритов устройства. Увеличение массы и габаритов обусловлено также необходимостью применения катушек индуктивности, выполненных из проводников большого сечения.
В основу полезной модели поставлена задача: усовершенствовать стенд для испытания силовых полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока путем введения новых конструктивных элементов, новых связей между конструктивными элементами, нового выполнения конструктивных элементов.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в том, что совокупность ее новых и известных существенных признаков обеспечит получение импульса ударного тока с формой, близкой к идеальной полусинусоиде, позволит точно задавать амплитуду импульса ударного тока и обеспечит значительное уменьшение массы и габаритов устройства.
Поставленная задача решается тем, что стенд для испытания силовых полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока, выполненный с возможностью подключения испытуемого полупроводникового прибора, включает выпрямитель, накопительный конденсатор, генератор импульсов управления, датчик тока и блок измерения тока. Выход выпрямителя подключен к накопительному конденсатору, блок измерения тока подключен к датчику тока, отрицательная обкладка накопительного конденсатора выполнена с возможностью подключения через датчик тока к катоду испытуемого полупроводникового прибора, а генератор импульсов управления выполнен с возможностью подключения к управляющим выводам испытуемого прибора. Согласно предлагаемому техническому решению, новым является то, что он дополнительно содержит N полевых транзисторов с резисторами в истоках, усилитель, формирователь эталонного сигнала, два ключа, ограничитель сигнала и схему синхронизации, при этом полевые транзисторы соединены параллельно, их стоки подключены к положительной обкладке накопительного конденсатора, истоки выполнены с возможностью соединения через резисторы с анодом испытуемого полупроводникового прибора, инвертирующий вход усилителя подключен к истоку первого полевого транзистора, неинвертирующий вход - к выходу формирователя эталонного сигнала, выход усилителя соединен с затворами включенных параллельно полевых транзисторов, первый ключ подключен между первым входом усилителя и его выходом, второй ключ и установленный параллельно ему ограничитель сигнала подключены между затворами полевых транзисторов и общей точкой резисторов, а выходы схемы синхронизации соединены с управляющими входами первого и второго ключей, входами формирователя эталонного сигнала и генератора управления.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков технического решения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
Введение новых конструктивных элементов и новых связей между конструктивными элементами, а также новое выполнение конструктивных элементов заявляемого стенда для испытаний силовых полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока, а именно то, что он:
дополнительно содержит N полевых транзисторов,
дополнительно содержит резисторы в истоках полевых транзисторов,
дополнительно содержит усилитель,
дополнительно содержит формирователь эталонного сигнала,
дополнительно содержит два ключа,
дополнительно содержит ограничитель сигнала,
дополнительно содержит схему синхронизации,
при этом полевые транзисторы соединены параллельно, их стоки подключены к положительной обкладке накопительного конденсатора, истоки выполнены с возможностью соединения через резисторы с анодом испытуемого полупроводникового прибора, инвертирующий вход усилителя подключен к истоку первого полевого транзистора, неинвертирующий вход - к выходу формирователя эталонного сигнала, выход усилителя соединен с затворами включенных параллельно полевых транзисторов, первый ключ подключен между первым входом усилителя и его выходом, второй ключ и установленный параллельно ему ограничитель сигнала подключены между затворами полевых транзисторов и общей точкой резисторов, а выходы схемы синхронизации соединены с управляющими входами первого и второго ключей, входами формирователя эталонного сигнала и генератора управления
в совокупности с известными признаками технического решения обеспечивает получение импульса ударного тока с формой, близкой к идеальной полусинусоиде, позволяет точно задавать амплитуду импульса ударного тока и обеспечивает значительное уменьшение массы и габаритов устройства.
Это объясняется тем, что, после заряда накопительного конденсатора от выпрямителя, схема синхронизации формирует сигналы управления ключами, которые переводят ключи в состояние низкой проводимости, затем схема синхронизации формирует импульсы управления генератором управления испытуемым полупроводниковым прибором и формирователем эталонного сигнала. Генератор импульсов управления переводит испытуемый полупроводниковый прибор в открытое состояние, а на выходе формирователя эталонного сигнала формируется импульс правильной полусинусоидальной формы, поступающий на неинвертирующий вход усилителя. На инвертирующий вход усилителя поступает сигнал обратной связи с резистора, включенного в цепь истока первого полевого транзистора.
По сигналам, поступающим на входы усилителя, формируется сигнал управления на затворах полевых транзисторов, обеспечивающий протекание через каждый из N транзисторов импульса тока, форма которого повторяет форму эталонного сигнала. Резисторы в цепях истоков обеспечивают равенство тока, протекающего через каждый из N транзисторов. Импульсы тока, протекающие через каждый транзистор, в сумме формируют импульс ударного тока правильной полусинусоидальной формы, который замыкается на отрицательную обкладку накопительного конденсатора через испытуемый полупроводниковый прибор и шунт (датчик тока). Стенд ударного тока предназначен для формирования импульсов тока большой мощности, поэтому существует опасность превышения допустимой импульсной мощности отдельными транзисторами. Для устранения такой возможности в схему стенда введен ограничитель сигнала в цепи затворов полевых транзисторов и второй ключ, который замыкает цепь затворов через 10 мс после начала формирования импульса тока, тем самым ограничивая длительность импульса тока через транзисторы. Первый ключ по окончании формирования импульса тока замыкается, вводя в усилитель местную обратную связь, устраняющую его насыщение в промежутках времени между импульсами ударного тока. При напряжении на накопительном конденсаторе около 100 В, максимальной амплитуде тока через один полевой транзистор порядка 12,0 А и их суммарном количестве 6700 штук, стенд ударного тока обеспечивает формирование испытательного импульса правильной полусинусоидальной формы с максимальной амплитудой 80 кА при амплитуде напряжения на испытуемом полупроводниковом приборе 60-70 В, которое развивается перед пробоем высоковольтного испытуемого прибора. Низкое напряжение на накопительных конденсаторах и отсутствие зависимости формы выходного импульса тока от параметров конденсаторов позволяют применить в стенде электролитические конденсаторы, обладающие большой удельной емкостью, что значительно уменьшает массу и габариты стенда по сравнению с известным устройством.
Таким образом, в заявляемом стенде для испытаний силовых полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока за счет всей совокупности признаков обеспечивается получение импульса тока правильной полусинусоидальной формы, а также возможность задавать амплитуду испытательного импульса тока с большой точностью и уменьшение веса и габаритов устройства.
Стенд для испытаний силовых полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока поясняется чертежом, на котором приведена функциональная схема заявляемого стенда (фиг. 1).
Стенд для испытаний силовых полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока (фиг. 1) содержит выпрямитель 1, который подключен к накопительному конденсатору 2. С положительной обкладкой накопительного конденсатора 2 соединены стоки N полевых транзисторов 3, включенных параллельно. Истоки полевых транзисторов 3 выполнены с возможностью соединения с анодом испытуемого полупроводникового прибора через резисторы 4. Отрицательная обкладка накопительного конденсатора 2 выполнена с возможностью соединения через шунт (датчик тока) 5 с катодом испытуемого полупроводникового прибора. Измерительные выводы шунта (датчика тока) 5 подключены к блоку измерений 6. Затворы полевых транзисторов 3 соединены между собой и подключены к выходу усилителя 7. Инвертирующий вход усилителя 7 соединен с истоком первого полевого транзистора 3, а неинвертирующий вход усилителя 7 подключен к выходу формирователя эталонного сигнала 8. Между инвертирующим входом усилителя 7 и его выходом установлен первый ключ 9 а второй ключ 10 и ограничитель напряжения 11 включены между затворами полевых транзисторов 3 и общей точкой резисторов 4. Управляющие входы первого и второго ключей 9 и 10 соединены с соответствующими выходами схемы синхронизации 12, третий выход которой подключен к входу формирователя эталонного сигнала 8, а четвертый - ко входу генератора управления 13. Генератор управления 13 выполнен с возможностью подключения к управляющим выводам испытуемого полупроводникового прибора.
Стенд для испытаний силовых полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока работает следующим образом.
Выпрямитель 1 обеспечивает заряд накопительного конденсатора 2 до напряжения около 100 В. Начало формирования импульса ударного тока определяется схемой синхронизации 12, которая подает команды на размыкание первого и второго ключей 9 и 10, команду генератору управления 13 на формирование сигнала управления испытуемым полупроводниковым прибором и импульс запуска для формирователя эталонного сигнала 8. Формирователь эталонного сигнала 8 генерирует на своем выходе одиночный импульс правильной полусинусоидальной формы длительностью 10 мс, поступающий на неинвертирующий вход усилителя 7. При этом на выходе усилителя 7 появляется сигнал, поступающий на затворы N полевых транзисторов 3. Для защиты транзисторов от пробоя по превышению допустимой импульсной мощности сигнал на из затворах ограничивается по уровню ограничителем напряжения 11 и ограничивается по длительности работой первого ключа 9. Сигнал обратной связи, пропорциональный току, протекающему через первый полевой транзистор, снимается с резистора 4, установленного в его истоке, и поступает на инвертирующий вход усилителя 7. Поскольку затворы транзисторов 3 объединены, а в истоках транзисторов 3 включены выравнивающие резисторы 4, импульсы тока через каждый из транзисторов 3 одинаковы и повторяют форму эталонного сигнала. В результате суммирования этих импульсов тока формируется полусинусоидальный импульс ударного тока, протекающий от положительной к отрицательной обкладке накопительного конденсатора 2 через выравнивающие резисторы 4, шунт (датчик тока) 5 и испытуемый полупроводниковый прибор. Амплитуда и форма импульса ударного тока контролируется блоком измерений 6. По окончании импульса ударного тока ключи 9 и 10 замыкаются командами от схемы синхронизации 12. Замыкание первого ключа 9 образовывает цепь местной обратной связи усилителя 7, предотвращая его насыщение в промежутках времени между импульсами ударного тока, а замыкание второго ключа 10 гарантированно закрывает транзисторы 3.
В устройстве, выбранном в качестве прототипа, при испытании высоковольтных полупроводниковых приборов искажается форма импульса ударного тока. Причиной искажения является увеличение потерь в колебательном контуре и уменьшение его добротности вследствие увеличения падения напряжения на испытуемом полупроводниковом приборе в предпробойном состоянии. Амплитуда напряжения на высоковольтном испытуемом тиристоре 44-65 класса перед его разрушением составляет порядка 50-60 В. С учетом падения напряжения на активном сопротивлении элементов колебательного контура суммарные потери могут составить до 100 В, что при амплитуде импульса ударного тока 30 кА соответствует сопротивлению потерь 3,3 мОм. Колебательный контур, обеспечивающий формирование импульса тока амплитудой 30 кА и длительностью 10 мс с напряжения 800 В должен иметь волновое сопротивление 27 мОм. Если волновое сопротивление только меньше, чем на порядок превышает сопротивление потерь, то форма импульса ударного тока будет отличаться от синусоидальной. Известно, что выходное сопротивление источника тока на одном полевом транзисторе определяется по соотношению
где для предложенной схемы
S=50 - крутизна полевого транзистора типа IRFPS3815;
ds
R=1 Ом - сопротивление сток-исток полевого транзистора типа IRFPS3815;
D
A>200 - коэффициент усиления усилителя;
И
R=0,22 Ом - сопротивление резистора в истоке транзистора.
В предложенном стенде ударного тока для формирования импульса тока амплитудой 30 кА используется 2500 полевых транзисторов, включенных параллельно. Следовательно, выходное сопротивление формирователя импульса ударного тока составляет 2200 Ом/2500=0,88 Ом, что в 40 раз больше, чем волновое сопротивление колебательного LC-контура, следовательно, форма импульса ударного тока сохраняет правильную полусинусоидальную форму при любых значениях потерь в проводниках и падения напряжения на испытуемом полупроводниковом приборе.
-6
-6
В устройстве, выбранном в качестве прототипа, точность задания амплитуды ударного тока определяется точностью установления напряжения, до которого заряжается накопительный конденсатор, и зависимостью значения емкости накопительного конденсатора от температуры окружающей среды. При заряде накопительных конденсаторов от сетевого напряжения, как показано в прототипе, погрешность установления заданного значения напряжения заряда составит около ±5%. Температурный коэффициент емкости конденсаторов с комбинированным диэлектриком составляет - (400…500)⋅10 1/°C, что для лабораторных условий эксплуатации испытательного стенда составит около 2% при колебаниях температуры окружающей среды 40°С. Температурный коэффициент индуктивности многослойных катушек также составляет около 500⋅10 1/°С, что также составляет около 2%/40°С. Следовательно, погрешность задания амплитуды ударного тока в устройстве, выбранном в качестве прототипа, составляет (8-9) %. В предложенном стенде для испытаний силовых полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока погрешность задания амплитуды тока не зависит от колебаний напряжения заряда накопительного конденсатора и изменений его емкости вследствие колебаний температуры, а определяется только температурным коэффициентом сопротивления резистора, включенного в исток первого полевого транзистора, и не превышает 0,5%.
Вес и габариты устройства, выбранного в качестве прототипа, определяются весогабаритными параметрами накопительного конденсатора и индуктивности LC-контура. Если в качестве накопительных конденсаторов используются, например, конденсаторы типа К75-40 с комбинированным диэлектриком емкостью 100 мкФ на напряжение 1000 В, то для получения импульса ударного тока амплитудой 30 кА и длительностью 10 мс при волновом сопротивлении LC-контура 30 мОм потребуется 1000 шт. конденсаторов, заряженных до напряжения 800 В. При габаритах одного конденсатора 86×76×140 мм и весе 1650 г суммарный объем накопительного конденсатора составит 0,91 куб. м. при суммарном весе 1 650 кг.Вес катушки с индуктивностью около 100 мкГн, изготовленной из медной шины сечением 100x5 мм, составляет не менее 200 кг, таким образом, вес LC-контура в известном устройстве составляет не менее 1800 кг. В предложенном стенде для испытаний силовых полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока для формирования импульса ударного тока с амплитудой 30 кА используется 2500 электролитических конденсаторов 2200,0 мкФх200 В типа В43630А2228М0 фирмы Epcos с габаритами ∅30×50 мм весом 46 г. Суммарный вес накопительного конденсатора составляет 115 кг, суммарный вес 2500 полевых транзисторов равен 15 кг, индуктивность отсутствует, следовательно вес предложенного стенда не менее чем в 10 раз меньше, чем устройства, выбранного за прототип.
Как видно из вышеизложенного, в заявляемом стенде для испытаний силовых полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока формируется импульс ударного тока с формой, близкой к идеальной полусинусоиде, обеспечивается высокая точность задания амплитуды импульса и стенд обладает меньшими габаритами и массой.
Заявляемый стенд для испытаний силовых полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока может быть реализован на известном оборудовании с помощью известных материалов и средств, что подтверждает его промышленную пригодность.