УСТРОЙСТВО УСКОРЕННОГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ТАБЛЕТОЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовым полупроводниковым преобразователям и конкретно к силовыми полупроводниковым приборам (СПП) - тиристорам и диодам таблеточной конструкции.
СПП, являющиеся основными функциональными элементами преобразователей, в основном определяют их надежность.
tjc
th
th
Известно устройство для измерения теплового сопротивления p-n переход-корпус полупроводниковых диодов (далее тепловое сопротивление, R), описанное в [1] (Патент RU 2087919, кл. G01R 31/26, формула изобретения), содержащее, в частности, источник греющего тока в виде источника импульсов, модулируемых по гармоническому закону с периодом, на порядок большим тепловой постоянной времени переход-корпус τ исследуемого диода. Однако величина т является произведением величин теплоемкости и R и до измерения R неизвестна. Поэтому в решении [1] принимается некоторое значение τ, характерное для данного типа диодов. Все приборы измеряются в одном режиме, в то время как значения τ могут варьироваться на порядок и более от прибора к прибору. Это приводит к погрешности измерения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели и выбранным в качестве прототипа является устройство для определения теплового сопротивления силовых полупроводниковых приборов, приведенное в [2] (ГОСТ 24461-80. Приборы полупроводниковые силовые. Методы измерения и испытаний. Срок введения установлен с 01.01.1982 г).
Схема устройства [2] включает: источник силового греющего постоянного тока; регулируемый источник измерительного стабилизированного постоянного тока; источник импульсов управления (для тиристоров), обеспечивающий импульсы тока с амплитудой и длительностью, достаточными для полного включения испытуемого тиристора; регулируемый источник стабилизированного постоянного напряжения для измерения компенсационным методом напряжения в открытом состоянии на испытуемом приборе (ИП), обусловленного измерительным током; термопару и потенциометр постоянного тока для измерения температуры корпуса прибора.
j
j
Термочувствительный параметр (ТЧП) для измерения температуры p-n перехода T - напряжение в открытом состоянии U, обусловленное током в открытом состоянии I. В случае тиристоров, содержащих 3 p-n перехода, из-за малой толщины полупроводниковой структуры можно считать температуру всех трех p-n переходов одинаковой, поэтому для тиристоров под T подразумевается температура полупроводниковой структуры.
Согласно [2] измерение теплового сопротивления приборов проводят следующим образом:
1) проводят градуировку испытуемого прибора, т.е. строится градуировочная кривая на основе измерений напряжения в открытом состоянии при выбранном значении измерительного тока как функции температуры перехода, которая изменяется под действием внешнего источника тепла (обычно прибор помещается в термостат). Приборы таблеточной конструкции должны градуироваться в сборе с охладителями или устройствами, обеспечивающими эквивалентные условия прижима;
2) включают испытуемый тиристор импульсом управления*;
3) устанавливают от источника измерительного стабилизированного постоянного тока измерительный ток через прибор, равный току, использованному при градуировке;
4) устанавливают условия охлаждения прибора в соответствии с требованиями технических условий (ТУ);
5) устанавливают от источника силового греющего постоянного тока постоянный греющий ток через прибор в соответствии с требованиями ТУ на приборы и нагревают прибор до установившегося теплового состояния (Установившееся тепловое состояние фиксируют по установлению температуры корпуса, измеряемой с помощью термопары и потенциометра постоянного тока;
6) измеряют ток I через прибор с помощью амперметра и напряжение U на приборе с помощью вольтметра;
c
сА
сК
7) измеряют температуру корпуса T (при одностороннем охлаждении) или Т и Т (при двухстороннем охлаждении соответственно со стороны анода и катода) с помощью термопары и потенциометра постоянного тока;
8) отключают греющий ток;
9) измеряют напряжение на приборе в открытом состоянии компенсационным методом с помощью источника стабилизированного постоянного напряжения, вольтметра и осциллоскопа;
10) переводят измеренное напряжение на приборе в температуру перехода с помощью градуировочной кривой;
tjc
11) рассчитывают R:
tA
tK
j
где R - тепловое сопротивление прибора со стороны анода; R - тепловое сопротивление прибора со стороны катода; T - температура p-n перехода.
Общее тепловое сопротивление переход-корпус прибора:
tjc
Считается, что прибор выдержал испытание, если тепловое сопротивление переход-корпус R не превышает установленной нормы.
Недостатками прототипа являются:
- значительные затраты времени, связанные с градуировкой испытуемого прибора по ТЧП, а также с доведением системы «ИП-охладитель» до установившегося теплового состояния как в период разогрева ее от источника силового греющего тока, так и при остывании.
- для тиристоров - возникновение дополнительной погрешности измерения температуры полупроводниковой структуры за счет наличия скачков на градуировочной зависимости, обусловленных нестабильностью включения полупроводниковой структуры как в период градуировки-нагрева от внешнего источника, так и при остывании тиристора после прекращения действия греющего тока.
Трудоемкость измерения теплового сопротивления по [2] (не менее 2-х часов на один прибор) не позволяет осуществлять сплошной контроль этого параметра в условиях производства, поэтому контроль теплового сопротивления производится выборочно при типовых испытаниях на 10 шт. приборов, что может привести к попаданию в эксплуатацию приборов с тепловым сопротивлением, не удовлетворяющим установленным в ТУ требованиям.
Технической задачей полезной модели является создание устройства для ускоренного и более точного контроля теплового сопротивления силовых полупроводниковых приборов (тиристоров, диодов) таблеточной конструкции.
Техническим результатом использования полезной модели является повышение точности результатов контроля силовых полупроводниковых приборов по параметру тепловое сопротивление и значительное сокращение времени контроля, что обеспечивает проведение сплошного контроля выпускаемой продукции и исключает попадание в эксплуатацию силовых полупроводниковых приборов с тепловым сопротивлением, несоответствующим техническим требованиям.
tA
tK
Технический результат достигается тем, что в устройстве ускоренного контроля теплового сопротивления силовых полупроводниковых приборов таблеточной конструкции, в котором имеются блок силового греющего тока и измерительный блок, согласно предлагаемому решению ИП помещается в прижимную сборку, в которой устанавливаются стопой последовательно охладитель с водяным охлаждением, ИП, первая силовая медная шина, диод таблеточной конструкции с известными параметрами (отградуированный по ТЧП), вторая силовая медная шина и термоизолятор, в сборке обеспечивается усилие сжатия в соответствии с требованиями ТУ на тип диода и ИП. Тепловое сопротивление ИП определяется по рассчитанной для данной сборки связи измеренного отклонения ТЧП с тепловыми параметрами прибора через коэффициент несимметрии, отражающий различие R и R испытуемого прибора.
Технических решений с указанными признаками не обнаружено
В предлагаемом устройстве силовой греющий ток и измерительный ток протекают только через диод, отградуированный по термочувствительному параметру. ИП находится в тепловом потоке между диодом и водяным охладителем. Тепловое сопротивление ИП определяет отклонение ТЧП диода и рассчитывается по предлагаемым формулам через коэффициент несимметрии.
tjc
Преимуществом предлагаемого решения является существенное сокращение времени контроля R, поскольку не производится градуирование ИП. Кроме того, измерение происходит в переходном тепловом режиме и, следовательно, исключается необходимость греть испытуемый прибор до установившегося теплового режима.
Имеется также преимущество в отсутствии источника управляющих импульсов как для диодов, так и для тиристоров.
Сущность предложенного технического решения поясняется на фигуре.
Обозначены:
ТП (тестовый прибор) - диод таблеточной конструкции, отградуированный по термочувствительному параметру;
ИП (испытуемый прибор) - прибор таблеточной конструкции, тепловое сопротивление которого подлежит контролю;
1 - термоизолятор;
2 - охладитель с водяным охлаждением;
3 - силовые медные шины;
4 - блок силового греющего тока;
5 - измерительный блок для измерения температуры полупроводниковой структуры ТП по ТЧП;
К1 и К2 - переключатели.
Последовательность работы:
1) включить силовой греющий ток от блока 4 на интервал времени, в течение которого тепловой поток от полупроводниковой структуры ТП достигает охладителя 2;
2) после отключения силового греющего тока через 150 мкс измерительным блоком 5 производится измерение ТЧП, по значению которого определяется температура полупроводниковой структуры ТП;
3) тепловое сопротивление сборки «1-ТП-ИП-2» рассчитывают аналогично тепловому сопротивлению структура-корпус в схеме прототипа;
tK
tA
ta
tjc
4) расчеты теплового сопротивления ИП со стороны анода и со стороны катода R и R производятся на основе теплового сопротивления сборки с учетом коэффициента несимметрии n=R/R:
где R - тепловое сопротивление ИП в сборке; n - коэффициент несимметрии, постоянный для приборов данной конструкции;
tjc
5) расчет теплового сопротивления ИП при двухстороннем охлаждении R производится по формуле
tjc
Прибор выдержал испытание, если тепловое сопротивление p-n переход-корпус R не превышает установленной в ТУ нормы.