Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА ПЕРВАЯ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА .В ОБЛАСТИ РАСЧЕТА И
ЭКСПЕРИЗУШТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ
ТИРИСТОРОВ ПОЛШРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ
УСТРОЙСТВ 14
Анализ существующих методов расчета тепловых режимов тиристоров полупроводниковых преобразовательных устройств 14
Авализ существущих методов и средств экспериментального исследования тепловых режимов тиристоров полупроводниковых преобразовательных устройств 28
Исходные данные для проведения исследования тепловых режимов тиристоров полупроводниковых преобразовательных устройств 35
ВЫВОДЫ 38
ГЛАВА ВТОРАЯ. МЕТОДЫ И СРЕДОТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЕЙМОВ ТИРИСТОРОВ П0ЛШР0-
ВОДНИШВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ 40
Установка для экспериментального исследования тепловых режимов тиристоров полупроводниковых преобразовательных устройств 40
Методы и средства измерений температуры элементов тиристора 48
Технология изготовления специальных термопреобразователей 48
Градуировка специальных термопреобразова-
Стр.
телей 50
2.2.3. Установка специальных термопреобразовате
лей на тиристор 58
2.3. Исследование метрологических характеристик
методов и средств испытаний 62
Исследование погрешности измерительно-вычислительного комплекса при измерении параметров тепловых режимов тиристоров полупроводниковых преобразовательных устройств 62
Исследование погрешности измерения температуры окружакщей среды, корпуса и вывода тиристора 75
Исследование погрешности измерения температуры полупроводниковой структуры тиристора .. 79
Исследование погрешности измерения электрических величин 82
Экспериментальная оценка погрешности
средств измерений 84
ВЫВОДЫ 85
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ
РЕЖИМОВ ТИРИСТОРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗО
ВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ 87
Объект и режимы испытаний 87
Алгоритм получения и обработки измерительной информации 88
Исследование мощности тепловых потерь в тиристоре полупроводникового преобразовательного устройства 93
Результаты исследования 99
Стр.
ВЫВОДЫ 105
ГЛАВА ЧЕТВЁРТАЯ. РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ТИРИСТОРОВ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ... 117
Основные предпосылки и допущения 117
Метод расчета тепловых режимов тиристоров полупроводниковых преобразовательных . устройств 118
Пример расчета тепловых режимов тиристорного преобразователя 125
Данные расчёта и его экспериментальной проверки 130
ВЫВОДЫ 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136
ЛИТЕРАТУРА 139
ПРИЛОЖЕНИЯ 153
I. Общий вид испытательного стенда для экспери
ментального исследования тепловых режимов ти
ристоров полупроводниковых преобразователь
ных устройств 154
П. Общий вид измерительно-вычислительного комп
лекса 155
Ш. Принципиальная электрическая схема установки
для экспериментального исследования тепловых
режимов тиристоров полупроводниковых преоб
разовательных устройств 156
ІУ.Наименование элементов принципиальной элек
трической схемы установки 157
У. Общий вид тиристора с установленными термо
преобразователями 159
УІ.Программа функционирования измерительно-
вычислительного комплекса при экспериментальном
исследовании тепловых режимов тиристоров полу
проводниковых преобразовательных устройств 160
УХЕ. Таблицы данных экспериментального исследования
тепловых режимов тиристоров типов Т50, ТІ00,
TI60, ТБ200 при различных условиях охлаждения,
установившихся, кратковременных и повторно-крат
ковременных режимах работы в полупроводниковых
преобразовательных устройствах 165
УШ. Таблицы данных расчетов и экспериментов при ис
следовании тепловых режимов тиристоров типов
Т50, ТІ00, TI60 при различных условиях работы
в полупроводниковых преобразовательных устройст
вах 187
И. Технико-экономический эффект от использования
результатов выполненной работы 196
X. Акты внедрения результатов выполненной работы .... 197
Введение к работе
За последние 15-20 лет широкое применение, практически во всех отраслях промышленности, нашли тиристорные полупроводниковые преобразовательные устройства. По сравнению с другими преобразователями они имеют существенные технико-экономические преимущества: компактность, отсутствие подвижных контактов и вращающихся масс, широкий температурный диапазон работы, отсутствие таких токсичных материалов, как ртуть, высокий к.п.д., постоянная готовность к работе и удобство в эксплуатации.
Утвержденные ХХУІ съездом КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" ставят перед разработчиками полупроводниковых преобразователей требования по созданию изделий с улучшенными эксплуатационными характеристиками и, в первую очередь, повышение эффективности и надёжности их работы.
Надёжность работы и основные эксплуатационные характеристики тиристорних преобразовательных устройств в значительной степени зависят от тепловых режимов тиристоров (ТРТ) [б, 7, 23, 25, 26, 27, 29, 50, 54, 55, 57, 68, 75, 77, 80, 84, 87, 94, 96, 97, 102, 106, ИЗ, 118].
Широкий диапазон требований, предъявляемых к тиристорним преобразователям, а также режимов и условий их работы требуют правильного выбора типа тиристора и создание условий максимального использования его свойств, в значительной степени зависящих от ТРТ. Поэтому одной из важнейших задач, стоящих перед разработчиками тиристорних преобразователей и электрооборудования, в котором они применяются, является исследование ТРТ в различных условиях работы с целью получения достоверных данных, позволяющих улучшить эффективность и надёжность работы тиристорних преобразо-
вателей. Актуальность проблемы определяется и необходимостью всестороннего изучения и анализа тепловых процессов в тиристорних преобразователях при различных условиях их работы в схемах сложяого энергетического оборудования.
Тепловые режимы полупроводниковых приборов, в том числе и тиристоров, изучались многими отечественными и зарубежными специалистами [II, 12, 28, 29, 30, 43, 45, 47, 50, 51, 64, 67, 68, 73, 74, 75, 76, 88, 90, 101, 102, 104, 107, 108, 117].
Однако считать задачу решенной пока не представляется возможным, так как применяемые в настоящее время методы расчета ТРТ, такие как аналитические, графоаналитические, электротепловой аналогии, численный метод решения на ЭВМ и другие, весьма трудоёмки, имеют низкую точность и мало пригодны для инженерных расчётов.
Поэтому, несмотря на развитие вычислительной техники, продолжаются поиски наиболее простых методов расчета ТРТ в целях надёжной работы как самих тиристоров, так и полупроводниковых преобразовательных устройств (ППУ), выполненных с применением тиристоров. Практически все опубликованные работы предназначены , для разработчиков полупроводниковых приборов (ІШ), что определило характер рассматриваемых вопросов и методику изложения материала [73]. Необходимо отметить, что в ряде случаев отсутствует экспериментальная проверка предложенных методов расчета ТРТ, что является недопустимым, учитывая приближённый метод анализа температурного поля тиристора.
Экспериментальное исследование ТРТ имеет и самостоятельное значение, так как сведения по этому вопросу для отечественных тиристоров явно недостаточны [73].
Особое значение имеют исследования ТРТ при их работе без охладителя (радиатора) в условиях охлаждения естественной конвек-
цией окружащего воздуха. Такие ТРТ встречаются при их работе в электрооборудовании, для которого на первый план ставятся требования по массо-габаритным показателям [17]. Объём данных по исследованию указанного ТРТ в настоящее время весьма ограничен. Основным параметром ТРТ, определяющим работу тиристорного преобразователя, является температура его полупроводниковой структуры (Трп) [16, 45, 51, 68, 70, 84, 88, 96, 102, 115], зависящая в основном от мощности тепловых потерь в тиристоре, его конструкции и условий охлаждения, а также режима работы тиристорного преобразователя.
Для определения Трп в настоящее время в основном применяются косвенные методы измерения, основывающиеся на использовании температурной зависимости какого-либо электрического параметра тиристора[8, 10, 14, 32, 42, 48, 72, 81, 86, 89, 98, 105]. Известные косвенные методы измерения Трп обладают общим существенным недостатком, заключающимся в методике определения градуи-ровочных характеристик. Как правило, градуировочная характеристика определяется, когда все элементы конструкции тиристора прогреты до одинаковой температуры. Однако в рабочем режиме существует градиент температур по его элементам [9, 13, 52J, что приводит к появлению неизвестной методической погрешности измерений Трп при использовании указанных градуировочных характеристик. Эта методическая погрешность определения градуировочных характеристик косвенных методов измерения Трп затрудняет метрологическую оценку результатов измерения и в значительной степени снижает достоверность самих измерений, вследствии чего в [39] не установлена погрешность измерения теплового сопротивления силового полупроводникового прибора. Кроме того, отсутствие возможности определения Трп косвенными методами непосредственно во время прохождения греющего тока, а также определения Трп в какой-либо
точке полупроводниковой структуры приводит к тому, что косвенные методы не являются абсолютными и позволяют определять степень приближения к истинной величине Трп. Получаемая при измерениях косвенными методами величина Трп названа "эффективной" ^5, 34, 76, 93, 114, 115].
Весьма важное значение при экспериментальном исследовании ТРТ полупроводниковых преобразовательных устройств (ТРТ ППУ) имеют достоверность определения мощности тепловых потерь в тиристоре и автоматизация получения, хранения, обработки и выдачи измерительной информации. Создание измерительно-вычислительных комплексов и информационно-измерительных систем, применение математических методов кибернетики и средств вычислительной техники ряд авторов рассматривает как один из способов повышения точности измерений как стационарных, так и нестационарных величин [49, 60, 109]. Естественно, что аналогичный подход к измерению параметров ТРТ ППУ позволит повысить точность измерения, в реальном масштабе времени исследовать динамику параметров тепловых режимов применительно к конкретным условиям, а также выполнить необходимые расчеты на ЭВМ этой информационно-измерительной системы.
Из вышеизложенного следует, что особую важность и актуальность в настоящее время имеет задача разработки методов и средств испытаний для исследования ТРТ ППУ, позволяющих повысить точность определения параметров ТРТ ППУ.
Основной целью настоящей диссертационной работы является
исследование тепловых режимов тиристоров при различных условиях
работы в полупроводниковых преобразовательных устройствах, поз- 1
волякщее получить достоверные данные для улучшения эффективности I
и надёжности работы, а также массо-габаритных характеристик тирис|
торных преобразователей. J
Основными научными задачами при этом являются:
Разработка методов и средств испытаний, обеспечивающих повышение достоверности определения параметров ТРТ ПШГ.
Теоретическое и экспериментальное исследование метрологических характеристик разработанных методов и средств испытаний.
Экспериментальное исследование ТРТ при различных условиях работы в ППУ.
Разработка метода расчета установившихся ТРТ при различных условиях работы в ЇЇПУ.
Экспериментальная проверка разработанного метода расчета.
При решении поставленных задач применялись следующие методы исследований:
аналитико-экспериментальный метод, основанный на получении численных значений коэффициентов исходных дифференциальных уравнений (тепловых параметров эквивалентных схем) экспериментальными способами, основанными на исследовании реакции тиристора на типовые возмущения (нагрев и остывание) в зависимости от мощности тепловых потерь в тиристоре и условий его работы в ППУ;
сравнительный анализ принципа построения и приемов повышения точности измерений, проводимый в процессе разработки методов и средств испытаний;
методы теории вероятности и математической статистики, а также способ двойной градуировки (на базе физических констант) при исследовании метрологических характеристик методов и средств испытаний;
сбор и обработка измерительной информации на ЭВМ;
экспериментальная проверка результатов расчетов.
При выполнении диссертационной работы были получены следующие новые научные результаты: I. Проведено исследование и получены новые данные о ТРТ при их
- II -
работе в ППУ при установившихся, кратковременных и ловторно--кратковременных режимах, в условиях принудительного и естественного охлаждения, позволяющие улучшить массо-габаритные характеристики, эффективность и надёжность работы тиристорних преобразователей.
Разработаны новые методы и средства испытаний, позволившие повысить достоверность определения параметров ТРТ ППУ.
Проведена оценка достоверности получаемой измерительной информации. Дано теоретическое и экспериментальное исследование метрологических характеристик разработанных методов и средств испытаний для исследования ТРТ ППУ. Найдены, теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены рекомендации по уменьшению погрешности определения параметров ТРТ ППУ.
Впервые рассмотрен способ измерения температуры полупроводниковой структуры тиристора (основного параметра теплового режима тиристорного преобразователя), позволивший повысить точность её определения (авторское свидетельство № 812009
М).
5. Предложена новая схема измерительно-вычислительного комплек
са, выполненного на базе ЭБМ(авторское свидетельство В 452001
[2]), обеспечивающая привязку измеренных значений параметров к текущему времени исследуемого процесса, разработаны алгоритм и программа функционирования комплекса для исследования ТРТ ППУ.
6. Исследована мощность тепловых потерь в тиристоре ППУ, даны
рекомендации по повышению достоверности определения её при
не синусоидальной кривой тока нагрузки, определены величины
мощности потерь, отводимых через силовой гибкий вывод и кор
пус тиристора при различных условиях его охлаждения в ППУ.
Разработан метод расчета ТРТ ІШУ, позволяющий определять температуру полупроводниковой структуры, силового гибкого вывода и корпуса тиристора при его принудительном охлаждении и при охлаждении в условиях естественной конвекции окружающей среды, тиристоров с охладителями (радиаторами) и без них.
Проведена экспериментальная проверка разработанного метода расчета ТРТ ІШУ.
Основные результаты работы нашли практическое применение в разработках, выполняющихся по Постановлениям ЦК КПСС и СМ СССР. Разработанные метод расчета, методы и средства испытаний внедрены в ОКБ, КФ ВНИИФТРИ и на Горьковском Машиностроительном заводе при разработке и эксплуатации установок, а также для исследования теплофизических параметров изделий. Экономический эффект составил 129 тысяч рублей в год (приложения IX и X).
В настоящей диссертационной работе автор защищает:
Результаты исследования ТРТ при их работе в ПП7 при установившихся, кратковременных и повторно-кратковременных режимах, в условиях принудительного и естественного охлаждения, позволявшие улучшить масса-габаритные характеристики, эффективность и надёжность работы тиристорних преобразователей.
Разработанные методы и средства испытаний, позволившие повысить достоверность определения параметров ТРТ ПНУ.
Выполненные исследования метрологических характеристик разработанных методов и средств испытаний.
Новый способ измерения температуры полупроводниковой структуры тиристора (основного параметра теплового режима тиристорного преобразователя), позволивший повысить точность её определения (авторское свидетельство № 812009 [4]).
Новую схему измерительно-вычислительного комплекса, выполненного на базе ЭВМ (авторское свидетельство № 452001 [2]),
- ІЗ -
алгоритм и программу функционирования комплекса для исследования ТРТ ІШЗГ.
Выполненные исследования по определению мощности потерь в тиристоре, при несинусоидальной форме кривой тока нагрузки и различных условиях его охлаждения в НТО*.
Разработанный метод расчета ТРТ ППУ, позволяющий определять температуру полупроводниковой структуры, силового гибкого вывода и корпуса тиристора при его принудительном охлаждении и при охлаждении в условиях естественной конвекции окружающей среды, тиристоров с охладителями (радиаторами) и без них.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на:
Всесоюзной научно-технической конференции по измерительно-информационным системам "ИИС-73", г.Ивано-Франковск, 1973 г.;
Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания автоматизированных систем управления процессами разработки и эксплуатации нефтяных месторождений", г.Казань, 1974 г.;
Научно-технической конференции "Повышение эффективности преобразовательной техники и систем электроэнергетики" г.Горький, 1978 г.;
Всесоюзном научно-техническом семинаре "Разработка систем сбора и обработки технологических данных в силовом полупроводниковом приборостроении", г.Таллин, 1980 г.;
Всесоюзном научно-техническом семинаре "Повышение параметров силовых полупроводниковых приборов на основе новых конструктивных решений и методов изготовления", г.Запорожье, 1981 г.
Публикации. По результатам выполненного исследования опубликовано 7 печатных работ [61, 62, 119, 120, 121, 122, 12б], 2 работы находятся в печати [123,124] и получено 3 авторских свидетельства [2, 3, 4J.
