УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ВЫКЛЮЧЕНИЯ ТИРИСТОРОВ

Полезная модель относится к области электротехники и может найти применение в устройствах для испытаний силовых полупроводниковых приборов.
Известно устройство для определения времени выключения тиристоров, включающее источник прямого напряжения с формирователем прямого тока, источник обратного напряжения и источник повторного прямого напряжения, коммутирующий тиристор, шунт и клеммы для подключения испытуемого тиристора [Бардин В.М., Моисеев Л.Г., Сурочан Ж.Г. «Аппаратура и методы контроля параметров силовых полупроводниковых вентилей», М., Энергия, 1971, с. 113, рис. 2-42]. Основным недостатком известного устройства является необходимость подбора коммутирующего тиристора по значению времени восстановления, которое должно быть больше, чем у испытуемого тиристора. Но в то же время значение времени выключения коммутирующего тиристора должно быть меньше, чем у испытуемого тиристора. В итоге практически для каждого испытуемого тиристора приходится подбирать соответствующий коммутирующий тиристор.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемой установке для определения времени выключения тиристоров является промышленная установка LEM 4030, блок-схема которой приведена на фиг. 1, включающая источник прямого напряжения и формирователь прямого тока, источник обратного напряжения и формирователь обратного тока, источник ограничения обратного напряжения и диод ограничения обратного напряжения, высоковольтный ключ, клеммы для подключения испытуемого тиристора, шунт и формирователь повторного прямого напряжения [Лаппе Р., Фишер Ф. «Измерения в энергетической электронике», Пер с нем. - М., Энергоатомиздат, 1986, с. 91]. В известном устройстве отрицательный полюс формирователя повторного прямого напряжения подключен к точке соединения отрицательного полюса источника прямого напряжения с положительным полюсом источника обратного напряжения, а положительный полюс формирователя повторного прямого напряжения соединен непосредственно с клеммой для подключения анода испытуемого тиристора.
В известном устройстве при включении испытуемого тиристора через него вначале протекает импульс прямого тока трапецеидальной формы с линейно спадающим задним фронтом. Спад прямого тока формируется одновременной работой формирователя прямого тока и формирователя обратного тока. В момент времени, соответствующий переходу импульса прямого тока через ноль, формируется линейно нарастающий передний фронт импульса обратного тока, имеющий отрицательную полярность и ту же скорость нарастания. Высоковольтный ключ в это время замкнут. Обратный ток через испытуемый тиристор нарастает до момента восстановления тиристором запирающих свойств. При запирании испытуемого тиристора к нему прикладывается напряжение от источника обратного напряжения, амплитуда которого ограничивается диодом и источником ограничения обратного напряжения. Затем через определенное время высоковольтный ключ размыкается, и от формирователя повторного прямого напряжения к испытуемому тиристору прикладывается импульс прямого напряжения трапецеидальной формы с линейно нарастающим передним фронтом. В соответствии с требованиями стандартов, например, IEC60747-6 и ГОСТ 24461-80, время выключения определяется, как минимальный интервал времени между моментом перехода через ноль прямого тока и моментом приложения повторного напряжения, при котором испытуемый тиристор может выдержать, не переключаясь, прикладываемое повторное прямое напряжение.
Однако известное устройство имеет низкую точность определения времени выключения тиристоров, так как не обеспечивает линейность переднего фронта повторного прямого напряжения при испытании тиристоров с большим накопленным зарядом неосновных носителей.
Невозможность получения идеально линейного переднего фронта повторного прямого напряжения обусловлена, во-первых, тем, что высоковольтный формирователь повторного прямого напряжения имеет ограниченную выходную мощность. Это приводит к искажению линейности переднего фронта повторного напряжения при переходе его через ноль из-за влияния накопленного заряда неосновных носителей в базовых областях испытуемого тиристора, не успевших рекомбинировать к моменту приложения повторного напряжения. Изменение знака приложенного напряжения приводит к выводу этих носителей через прямосмещенный переход, что вызывает протекание тока в прямом направлении. Если величина этого тока больше выходного тока формирователя прямого повторного напряжения, то скорость нарастания повторного напряжения резко уменьшается на время выведения накопленного заряда. Уменьшение скорости нарастания («ступенька» на переднем фронте импульса повторного напряжения) продолжительностью от единиц до десятков микросекунд приводит к тому, что испытуемый тиристор включится при меньшей длительности интервала времени между моментом перехода через ноль прямого тока и моментом приложения повторного напряжения, то есть определенное в таких условиях время выключения образца будет меньше истинного значения.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствовать установку для определения времени выключения тиристоров путем введения новых конструктивных элементов, новых связей между конструктивными элементами, нового выполнения конструктивных элементов.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании заявляемой полезной модели, является формирование импульса повторного прямого напряжения с практически линейным передним фронтом, не зависящим от процесса выведения накопленного заряда неосновных носителей при приложении повторного напряжения.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении точности определения времени выключения испытуемых тиристоров.
Технический результат достигается тем, что установка для определения времени выключения тиристоров, включающая источник прямого напряжения и формирователь прямого тока, источник обратного напряжения и формирователь обратного тока, источник ограничения обратного напряжения и диод ограничения обратного напряжения, высоковольтный ключ, клеммы для подключения испытуемого тиристора, шунт и формирователь повторного прямого напряжения, причем к клемме для подключения катода испытуемого тиристора через шунт подключены отрицательный полюс источника прямого напряжения, положительный полюс источника обратного напряжения и положительный полюс источника ограничения обратного напряжения, а положительный полюс источника прямого напряжения и отрицательный полюс источника обратного напряжения через соответствующие формирователи тока подключены к одному из выводов высоковольтного ключа, второй вывод которого соединен с клеммой для подключения анода испытуемого тиристора и катодом диода ограничения обратного напряжения, анод которого соединен с отрицательным полюсом источника ограничения обратного напряжения, согласно полезной модели дополнительно содержит форсирующий формирователь повторного прямого напряжения и два развязывающих диода, при этом положительные полюсы формирователя повторного прямого напряжения и форсирующего формирователя повторного прямого напряжения через развязывающие диоды соединены с клеммой для подключения анода испытуемого тиристора, а их отрицательные полюсы подключены к отрицательному полюсу источника обратного напряжения.
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 заявляемой установки для определения времени включения тиристоров, а именно то, что она:
- дополнительно содержит форсирующий формирователь повторного прямого напряжения,
- дополнительно содержит два развязывающих диода,
при этом положительные полюсы формирователя повторного прямого напряжения и форсирующего формирователя повторного прямого напряжения через развязывающие диоды соединены с клеммой для подключения анода испытуемого тиристора, а их отрицательные полюсы подключены к отрицательному полюсу источника обратного напряжения
в совокупности с известными признаками технического решения обеспечивает формирование импульса повторного прямого напряжения с практически линейным передним фронтом, не зависящим от процесса выведения накопленного заряда неосновных носителей при приложении повторного напряжения, и, следовательно, повышает точность определения времени выключения испытуемых тиристоров.
Это объясняется тем, что при подаче управляющего сигнала на испытуемый тиристор и его включении формирователи прямого и обратного тока формируют импульс тока трапецеидальной формы с линейно спадающим задним фронтом, который протекает через замкнутый высоковольтный ключ, шунт и испытуемый тиристор. Протекание обратного тока через испытуемый тиристор приводит к восстановлению его запирающих свойств, он закрывается, и к нему прикладывается обратное напряжение. Величина обратного напряжения задается стандартом и составляет, как правило, минус 100 В. Амплитуда выброса обратного напряжения на испытуемом тиристоре, обусловленного влиянием паразитной индуктивности конструкции, ограничивается цепью из соединенных последовательно диода и источника ограничения обратного напряжения. Через определенный интервал времени после перехода тока через ноль размыкается высоковольтный ключ, и включаются формирователь повторного прямого напряжения и форсирующий формирователь повторного прямого напряжения. В результате к испытуемому тиристору прикладывается импульс напряжения трапецеидальной формы с линейно нарастающим передним фронтом. Так как в заявляемом устройстве источник обратного напряжения и формирователи повторного прямого напряжения соединены последовательно, то они не оказывают влияния друг на друга, а к испытуемому тиристору прикладывается алгебраическая сумма значений выходного напряжения источников. В результате напряжение на тиристоре линейно и без искажений нарастает с заданной скоростью от значения минус 100 В, которое, как правило, задается стандартом, до амплитуды импульса повторного прямого напряжения. В базовых областях полупроводниковой структуры испытуемого тиристора после окончания процесса восстановления остается часть неосновных носителей заряда, концентрация которых экспоненциально убывает вследствие процесса рекомбинации. В момент перехода повторного напряжения через ноль коллекторный р-n-переход испытуемого тиристора смещается в прямом направлении, и носители заряда выводятся через него, обуславливая выброс тока в цепи. Если формирователь повторного прямого напряжения имеет выходной ток, меньший, чем амплитуда выброса тока, то скорость нарастания повторного напряжения снижается, и на его переднем фронте появляется «ступенька», длительность которой определяется временем вывода избыточного заряда из базовых областей испытуемого тиристора. «Ступенька» на переднем фронте импульса повторного напряжения может иметь длительность несколько микросекунд. Ее появление приводит к тому, что испытуемый тиристор включится при меньшей длительности интервала времени между моментом перехода через ноль прямого тока и моментом приложения повторного напряжения, то есть определенное в таких условиях время выключения образца будет меньше истинного значения. Для уменьшения ошибки измерений требуется значительно увеличивать выходной ток формирователя повторного напряжения, но в установке с одним высоковольтным формирователем повторного прямого напряжения при увеличении его выходного тока увеличивается вероятность деградации испытуемого тиристора вследствие воздействия значительной коммутационной мощности при включении испытуемого тиристора при приложении большого повторного напряжения. Для того, чтобы разрешить противоречие между требованиями большого выходного тока формирователя повторного выходного напряжения и ограничением коммутационной мощности при переключении испытуемого тиристора под воздействием повторного прямого напряжения, заявляемая установка дополнительно содержит форсирующий формирователь повторного прямого напряжения, обеспечивающим выходной ток до 1000 А, но имеющим выходное напряжение холостого хода всего 150-200 В, что снижает коммутационную мощность и исключает деградацию испытуемого тиристора при его переключении в проводящее состояние. Для исключения взаимного влияния формирователь повторного прямого напряжения и форсирующий формирователь прямого повторного напряжения подсоединены к испытуемому тиристору через развязывающие диоды. Совместная работа формирователей обеспечивает приложение к испытуемому тиристору приложение повторного прямого напряжения с неискаженным линейно нарастающим фронтом при любом уровне выброса тока, обусловленного выведением накопленных носителей заряда.
Таким образом, в заявляемой установке для определения времени выключения тиристоров за счет всей совокупности признаков обеспечивается приложение к испытуемому тиристору импульса повторного напряжения с неискаженным линейно нарастающим передним фронтом и, следовательно, повышение точности определения времени выключения у испытуемого тиристора.
Установка для определения времени выключения тиристоров поясняется чертежом, на котором приведена функциональная схема заявляемой установки (фиг. 1).
Установка для определения времени выключения тиристоров (фиг. 1) содержит источник прямого напряжения 1 и формирователь прямого тока 2, источник обратного напряжения 3 и формирователь обратного тока 4. Положительный полюс источника прямого напряжения 1 через формирователь прямого тока 2 соединен с одним из выводов высоковольтного ключа 5, к которому также подключен отрицательный полюс источника обратного напряжения 3 через формирователь обратного тока 4. Отрицательный полюс источника прямого напряжения 1 и положительный полюс источника обратного напряжения 2 соединены между собой и подключены через шунт 6 к клемме 7.1 для подключения катода испытуемого тиристора. Второй вывод высоковольтного ключа 5 соединен с клеммой 7.2 для подключения анода испытуемого тиристора, к которой подсоединены также катод диода ограничения обратного напряжения 8 и катоды развязывающих диодов 9 и 10. Клемма 7.3 служит для подключения управляющего вывода испытуемого тиристора. Анод диода ограничения обратного напряжения 8 соединен с отрицательным полюсом источника ограничения обратного напряжения 11, положительный полюс которого подключен к точке соединения источников прямого и обратного напряжения 1 и 2 с шунтом 6. Аноды развязывающих диодов 9 и 10 подключены к положительным полюсам формирователя повторного прямого напряжения 12 и форсирующего формирователя повторного прямого напряжения 13, соответственно. Отрицательные полюсы формирователя повторного прямого напряжения 12 и форсирующего формирователя повторного прямого напряжения 13 соединены между собой и подключены к отрицательному полюсу источника обратного напряжения 3.
Установка для определения времени выключения тиристоров работает следующим образом.
К клемме 7.3 для подключения управляющего вывода испытуемого тиристора прикладывается управляющий сигнал, и испытуемый тиристор включается. При его включении формирователь прямого тока 2 формирует импульс прямого тока, который протекает через замкнутый высоковольтный ключ 5, шунт 6 и испытуемый тиристор, подключенный к клеммам 7.1 и 7.2. В момент начала спада прямого тока включается формирователь обратного тока 4, и формирователи прямого и обратного тока 2 и 4 формируют линейный спад импульса тока трапецеидальной формы с линейно спадающим задним фронтом. Протекание обратного тока через испытуемый тиристор приводит к восстановлению его запирающих свойств, он закрывается, и к нему прикладывается обратное напряжение от источника обратного напряжения 3. Величина обратного напряжения задается стандартом и составляет, как правило, минус 100 В. Амплитуда выброса обратного напряжения на испытуемом тиристоре, обусловленного влиянием паразитной индуктивности конструкции, ограничивается цепью из соединенных последовательно диода ограничения обратного напряжения 8 и источника ограничения обратного напряжения 11. Через определенный интервал времени после перехода тока через ноль размыкается высоковольтный ключ 5, отключающий низковольтные формирователи прямого и обратного тока 2 и 4 от воздействия высокого повторного прямого напряжения. Одновременно с размыканием высоковольтного ключа 5 включаются формирователь повторного прямого напряжения 12 и форсирующий формирователь повторного прямого напряжения 13, формирующие импульс напряжения трапецеидальной формы с линейно нарастающим передним фронтом, который прикладывается к испытуемому тиристору. Для исключения взаимного влияния формирователей повторного напряжения 12 и 13 они подключены к клемме 7.2 для подключения анода испытуемого тиристора через развязывающие диоды 9 и 10, соответственно. Отрицательный полюс формирователя прямого повторного напряжения 12 и отрицательный полюс форсирующего формирователя прямого повторного напряжения 13 подключены к отрицательному полюсу источника обратного напряжения 3, что обеспечивает последовательное соединения разнополярных источников напряжения и, следовательно, исключает их влияние друг на друга. В результате к испытуемому тиристору прикладывается алгебраическая сумма значений выходного напряжения источника 3 и формирователей повторного прямого напряжения 12 и 13.Формирователь форсирующего повторного прямого напряжения 13 выполнен с выходным напряжением холостого хода 150-250 В и выходным током до 1000 А. Формирователь повторного прямого напряжения 12 выполнен с выходным током порядка 10 А и обеспечивает формирование импульсов напряжения с регулируемой амплитудой, равной 0,67 от значения импульсного повторяющегося напряжения испытуемого тиристора. В результате напряжение на тиристоре линейно и без искажений нарастает с заданной скоростью от значения минус 100 В, которое, как правило, задается стандартом, до амплитуды импульса повторного прямого напряжения.
В установке, выбранной в качестве прототипа, при испытании тиристоров с большим остаточным зарядом неосновных носителей и значениями времени выключения, сопоставимыми с временем рассасывания остаточного заряда, значение времени выключения определяется с ошибкой в большую сторону. Это обусловлено снижением скорости нарастания переднего фронта импульса повторного прямого напряжения во время выведения накопленного заряда неосновных носителей. В наибольшей степени этот эффект проявляется у образцов высоковольтных тиристоров с характерной для быстродействующих тиристоров топологией, но значительным накопленным зарядом. Искажение переднего фронта импульса повторного прямого напряжения приводит к тому, что испытуемый тиристор будет переключаться в проводящее состояние при меньшей длительности интервала времени между моментом перехода через ноль прямого тока и моментом приложения повторного напряжения. Следовательно, определенное в таких условиях время выключения образца будет меньше истинного значения.
Как видно из вышеизложенного, в заявляемой установке для определения времени выключения тиристоров обеспечивается практически линейный, неискаженный, фронт нарастания повторного прямого напряжения и, следовательно, высокая точность определения значения времени выключения.
Заявляемая установка для определения времени выключения тиристоров может быть реализована на известном оборудовании с помощью известных материалов и средств, что подтверждает ее промышленную пригодность.