. (7)
Здесь - количество измеренных дискретных значений напряжения uhc, где - период дискретизации измерения напряжения uhc; t0i - момент на интервале времени t0 - t1.
1.1.2. В момент t1 величина протекающего тока уменьшается до величины It2, не влияющей на тепловое равновесие испытуемого прибора, который является вторым тестовым током. При этом измеряется и запоминается напряжение uhc(t1, It2). Величина этого напряжения используется в дальнейшем для вычисления ТКН(It2).
1.2. Этап нагрева импульсным током.
На этом этапе, который начинается с момента t1, осуществляется нагрев испытуемого прибора импульсами тока c предварительно установленными амплитудой и углом регулирования греющего тока. Нагрев продолжается до момента t2, когда температура корпуса испытуемого прибора достигает заранее установленного максимального значения TCmax. В процессе нагрева в моменты времени j-го интервала измерения запоминаются значения и , и вычисляются дискретные j-е значения средней мощности потерь за период греющего тока по формуле:
, (8)
где - количество измеренных точек информативных параметров за один период греющего тока, где - период дискретизации измерения информативных параметров; - момент на интервале времени j-го импульса греющего тока.
2. Этап остывания.
2.1. На стадии остывания, на интервале t2 - t3, продолжается измерение TC(t2i), uhc(t2i) и измеряется продолжительность данного интервала. По полученным данным вычисляются предварительные дискретные значения ТКН(t2i) для тока It2:
(9)
и дискретные значения производной ТКН(t2(i+1)) по времени:
. (10)
Момент t3 - момент достижения термодинамического равновесия участка конструкции ИП переход-корпус. Достижение этого момента определяется условием .
2.2. Протекание тестового тока It2 длительное время приводит к погрешности определения температуры Tj по температуре TC. В момент t3 температура кристалла Tj определяется как:
. (11)
Для выравнивания температур Tj и TC источник тестового тока It2 отключается на интервал времени t3 - t4, равный t2 - t3. При испытании тиристоров и симисторов интервал t3 - t4 пропускается.
2.3. В момент t4 через испытуемый прибор вновь пропускается ток величиной It1, измеряются и запоминаются значения TC(t4), uhc(t4, It1). В момент t5 тестовый ток уменьшается до величины It2 и производятся измерения и запоминание TC(t5), uhc(t5, It2). В момент t6 источник тестового тока отключается.
3. Расчетный этап. На этом этапе вычисляются следующие величины:
1) ТКН при протекании тока It1:
; (12)
2) температура кристалла Tj в момент t1:
; (13)
3) значение ТКН при протекании тока It2:
; (14)
4) переходное тепловое сопротивление переход-корпус на промежутке t0 - t1:
; (15)
5) средняя мощность потерь в процессе нагрева:
, (16)
где m - количество импульсов греющего тока;
6) средняя мощность потерь на интервале t0 - t2:
. (17)
Далее по полученной информации в процессе испытания рассчитываются дискретные значения характеристики Zthjc после каждого j-го импульса греющего тока на интервале времени t1 - t2:
. (18)
В массиве дискретных значений находится максимальное значение , которое в установившемся режиме равно величине Rthjc:
. (19)
Характеристика на интервале времени t1 - t2:
, (20)
где m - количество греющих импульсов.
На основе моделирования характеристики Zthjc на электротепловой модели диода Д151-200 было проведено сравнение методической погрешности гS определения теплового сопротивления Rthjc стандартным методом и разработанным методом. Результаты расчётов представлены на рис. 6.
Результаты исследования показали существенное увеличение погрешности определения Rthjc от величины Rthca стандартным методом и независимость её от теплоёмкости охладителя Ch. Разработанный метод показал независимость погрешности определения Rthjc от Rthca и существенное её снижение при увеличении Ch.
На основе предложенного способа разработан испытательно-измерительный комплекс аппаратуры, базирующийся на применении ПЭВМ и аппаратных средств и программы LabView компании National Instruments.
В четвёртой главе проведены экспериментальные исследования вариации величин тепловых и электрических параметров и характеристик серийных СПП, разработаны электротепловые модели реальных СПП при групповом соединении. Осуществлено моделирование и исследование электротепловых процессов в реальных СПП с различными величинами параметров электротепловых характеристик при параллельном групповом соединении во времени. С целью выявления потенциально ненадёжных приборов предложен метод отбраковки СПП по величине предельного тока IF(Т)AVm. Предложен метод подбора СПП для групповых соединений.
а)
б)
Рис. 6. Зависимость погрешности определения Rthjc стандартным методом от величины Rthca (а) и зависимость погрешности определения Rthjc разработанным методом от теплоёмкости охладителя Ch (б)
Экспериментальные исследования показывают значительную вариацию величин тепловых и электрических параметров и характеристик серийных диодов, что свидетельствует о нестабильности процесса производства исследуемых приборов. При этом по величине предельного прямого тока IFAVm только 30% приборов соответствуют объявленной типовой паспортной величине. Это свидетельствует также об относительно низком качестве контроля приборов при производстве и о невозможности надёжной эксплуатации этих приборов без проведения процесса тщательной отбраковки и подбора.
Разработана обобщенная электротепловая модель реальных СПП. Информационной основой модели является измерительная информация, получаемая с помощью разработанного испытательно-измерительного комплекса аппаратуры. При этом входной информацией для электрической модели являются следующие характеристики реальных СПП:
1) ВАХ СПП при начальной температуре полупроводниковой температуры Tj0;
2) зависимости ТКН от тока в состоянии высокой проводимости ТКН(Ihc).
На основе этих двух характеристик восстанавливается ВАХ для любой температуры полупроводниковой структуры, напряжение на которой в состоянии высокой проводимости определяется по формуле:
. (21)
Для тепловой модели входной информацией является величина теплового сопротивления Rthjc конкретного прибора. Разработанная обобщенная тепловая модель СПП описывается системой дифференциальных уравнений на основе законов Кирхгофа:
Решением этой системы уравнений относительно uCn(t) является временная зависимость Tj(t).
Исследованы электротепловые процессы в силовых диодах при основных видах групповых соединений. Исследования показали, что для обеспечения надёжного функционирования СПП при групповых соединениях необходимо осуществлять подбор приборов в группы с обязательным учётом взаимосвязи электрических и тепловых параметров СПП. (22)
Предложен новый метод отбраковки и подбора СПП для групповых соединений. Метод основывается на реализации четырёх этапов.
Первый этап. На этом этапе осуществляются испытание выборки приборов, предназначенных для группового соединения, измерение и определение величин электрических и тепловых параметров и характеристик каждого прибора, а также характеристик их взаимосвязи.
Второй этап. На данном этапе первоначально отбраковываются приборы с заниженными значениями IF(T)AVm, затем осуществляется сортировка приборов по группам, в которых группируются приборы с заданным диапазоном значений определенных параметров, таких как U(TO) и Rthjc.
Третий этап. На этом этапе, на базе обобщенной электротепловой модели реальных СПП, сформированных в группу, производится моделирование электротепловых процессов в них во времени.
Четвёртый этап. На данном этапе на основе полученной информации принимается решение о возможности надёжного функционирования исследуемой группы приборов. Условием принятия решения является отсутствие в группе приборов, максимальная температура полупроводниковых структур которых превышает предельно допустимую величину Tjm. В случае невыполнения для данного группового соединения этого условия осуществляется переход к операциям второго этапа.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Разработаны новые электротепловые модели дискретных силовых диодов и тиристоров различных конструкций, реализованные на основе метода электротепловой аналогии. При этом в моделях учтены параметры систем охлаждения и взаимосвязи электрических и тепловых параметров и характеристик СПП.
2. На базе разработанных электротепловых моделей дискретных СПП предложены модели их групповых соединений.
3. Разработан комплекс методов для определения величин электрических параметров и характеристик СПП в состоянии высокой проводимости и тепловых параметров и характеристик.
4. Разработаны технические средства, позволяющие в ходе одного цикла испытаний определять величины основных электрических параметров ВАХ СПП в состоянии высокой проводимости и их тепловых параметров и характеристик.
5. Разработана обобщённая электротепловая модель реальных СПП на основе их измеренных электротепловых характеристик для исследования групповых соединений приборов.
6. Предложен новый метод отбраковки и подбора СПП для групповых соединений на основе испытаний приборов с помощью разработанных технических средств и моделирования электротепловых процессов в группе СПП во времени.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПЕЧАТНЫХ РАБОТАХ
В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:
1. Ильин, М. В. Метод определения тепловых характеристик силовых полупроводниковых приборов // Н. Н. Беспалов, Ю. М. Голембиовский, М. В. Ильин // Вестник Саратовского государственного технического университета, 2007, № 2 (24). Вып. 1. - С.88 - 94.
Свидетельства и патенты
2. Патент 2300115 РФ, МПК7 G 01 R 31/26. Способ определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении / Н. Н. Беспалов (RU), М. В. Ильин (RU). - № 200610336; заявлено 02.02.2006; опубл. 27.05.2007. Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели». № 15. - с. 642.
3. Свидетельство № 2007614237. Определение тепловых и электрических характеристик полупроводниковых приборов / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 05.10. 2007 г.
В других изданиях:
4. Ильин, М. В. Применение программы MULTISIM для определения температуры перегрева силовых полупроводниковых приборов / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Технические и естественные науки: проблемы, теория, эксперимент: межвуз. сб. науч. тр. - Вып. V. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005. - С. 12-15.
5. Ильин, М. В. Исследование термочувствительного параметра полупроводниковых диодов / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Технические и естественные науки: проблемы, теория, эксперимент: межвуз. сб. науч. тр. - Вып. V. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005. - С. 29-30.
6. Ильин, М. В. Разработка источника тока для нагрева полупроводниковых приборов / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // XXXIV Огаревские чтения: материалы науч. конф.: в 2 ч. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. Ч.2. - С. 228.
7. Ильин, М. В. Исследование температурной зависимости параметров диодов в прямом направлении / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, С. А. Зинин // XXXIV Огаревские чтения: материалы науч. конф.: в 2 ч. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. Ч.2. - С. 239.
8. Ильин, М. В. Моделирование тепловых процессов в силовых тиристорах, используемых на высоких частотах / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Актуальные проблемы электронного приборостроения 2006: материалы VIII Междунар. конф.: в 9 т. Новосибирск: НГТУ 2006. - Т. 7. - С. 101-103.
9. Ильин, М. В. Тепловое сопротивление переход-корпус силовых полупроводниковых приборов и способы его оценки / Н. Н. Беспалов, В. М. Бардин, М. В. Ильин // Естественно-технические исследования: теория, методы, практика: межвуз. сб. науч. тр. - Вып. VI. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. - С. 15-17.
10. Ильин, М. В. Автоматизация исследования температурной зависимости прямого напряжения диода с помощью LABVIEW / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Естественно-технические исследования: теория, методы, практика: межвуз. сб. науч. тр. - Вып. VI. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. - С. 39-41.
11. Ильин, М. В. Применение лабораторного комплекса National Instruments для исследования температурной зависимости параметров диодов / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, С. А. Зинин // Наука и инновации в Республике Мордовия: материалы V науч.-практ. конф. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. - С. 544-545.
12. Ильин, М. В. Выбор типоразмера сердечника импульсного трансформатора для систем управления тиристорами / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, М. Н. Байбиков // Электротехнические комплексы и силовая электроника, анализ, синтез и управление: межвуз. науч. сб. тр. Саратов: СГТУ, 2004. - С. 74-77.
13. Ильин, М. В. Исследование драйвера управления силовых тиристоров на основе управляемого источника тока / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, М. Н. Байбиков // Технические и естественные науки: проблемы, теория, эксперимент: межвуз. сб. науч. тр. - Вып. VI. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. - С. 28-29.
14. Ильин, М. В. Метод определения теплового сопротивления силовых полупроводниковых приборов / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: труды II Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием: в 2 ч. Тольятти: ТГУ, 2007. Ч. 1. - С. 288-291.
15. Ильин М. В. О выборе величины тестового тока при определении теплового сопротивления тиристоров / М. В. Ильин // Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов: сб. статей V Всерос. науч.-техн. конф. Пенза: АНОО «Приволжский Дом знаний», 2007. - С. 156-158.