Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение надежности, экономичности. энергетической эффекгавкости, долговечности при одновременном снижении себестоимости, массо-габаритных показателей и затрат на эксплуатацию любых видов электронной аппаратуры является оЗн^м требованием современного рынка научно-технлческой продукции. Применительно к преобразовательной технике это шракпетоя преимущественно в росто КПД и меткости ссзд&ваегшх устройств за счет повышения уровня преобразуемого напряжения и увеличеігал частоти преобразования. Наиболее ярко такие тенденции гтрояпляются, тп-ример, при проектировании сєтєечх источников электропитания на основе преобразователей постояішого напряжения (ППН) - одного из наиболее распространенных классов устройств преобразования электромагнитной энерпгл.
Решение этлу. практических задач в значительной степени опирается на использование силовых транзисторных ключей (СТК) в качестве коммутирующей' элементной базы ППН. Сочвташїе тага.х характеристик СТК, как толная управляемость, тсокое быстродействие, малые статические и динамические потери, технологичность в серий ном производстве, возшізюсти параллельного соединения божтго числа едииггаах элементов определяет шестую ЭФФЕКТИВНОСТЬ СТК на основе биполярных и полевых транзисторов (БТ и ПТ).
Переход к повышенным рабочим непряжениям надвигает на первый план вопросы обеспечения высокой надекности работы СТК. В данном случае проявляется один из основных недостатков СТК -критичность биполярных транзисторов к перегрузкам. Вс многих случаях это является существенным препятствием к повышению мощности преобразовательных устройств. Действующая в настоящее ^ре-мя система предельно допустимых параметров транзисторов принята еще в 1958-1959 гг. и ориентирована преимущественно на линейный режим работы БТ. В существующем виде применение ее к ключевому режиму неэффективно. Согласно статистике отказов, одна из наиболее распространенных и трудноустранимых причин выхода ключевых элементов из строя заключается в развитии так ьапызаемого вторичного пробоя (ВП). Известен ряд методов определения границы ВП
на статической и импульсной областях безопасной -работы (ОБР). Вопросы определения динамической ОБР и исследования электрофизических механизмов ВП во взаимосвязи с реальными режимами работы силовых каскадов изучены в значительно меньшей степени. Отсутствуют также детальные рекомендации по вибору безопасных режимов эксплуатации'к физически обоснованные методики определения предельно догустичіх параметров БТ для режимов коммутации активно-индуктивной нагрузки. Исследования в этой области позволяют полнее использовать максимальные возможности БТ во всем диапазоне рабочих токов и напряжений. Информация по ОБР для режимов переключения мох:ет служить уточняющим фактором при расчете цепей формирования траектор;іи рабочей точки либо при выборе иного способа защиты СТК.
Исследования по диссертационной работе проводились в Институте электродинамики ЛН Украины в рамках координационного плана научно-исследовательских работ "Научные, основы электроэнергетики" по проблеме "Преобразование параметров электрической энер-гга'", Постановлениям Президиума Л1{ Украины от 17.11.82 г. N 487, от 24.12.87 г. N 402 по темам "Транзистор" (1982-1987), "Тран-зпстор-2" (1988-1991), включенным в число важнейших работ АН Украины .
Црлыо диссертационной работы является повышение нэде.шос; транзисторных преобразователей постслшюго напряжения нут< исследования физических механизмов пробоя полупроводниковых эл« ментов и разработки системы предельно допустимых параметр переключающих транзисторов.
Исходя из указанной цели в работе решались следующие задачи:
анализ электромагнитных процессов в ПШ, приводящих к воз:шкновению предельных режимов и выход' из строя СТК;
исследование взаимодействия электрических и тешговых процессов в структуре высоковольтных транзисторов, работающих в ре-хзале переключений;
анализ тепловой устойчивости дискретных и непрерывных моделей электропроводящих элементов;
исследование различных механизмов вторичного пробоя БТ, как одного из наиболее распространенных видов отказов СТК;
обоснование новых принципов построения динамической ОБР;
разработка экспериментальной установки для контроля об-
іатішх параметров високовольтних транзисторов с учетом реалышх емімов ГОШ;
- разработка статистических методов определения 0LP парал
ельно соединенных единичных транзисторов, образующих силову:')
ранзиг-торную матриці'
Методы исследования. При еі.чюлкйн.іЛ теоретических і'ССЛЄдО-існий использованы основные положения теории электрических IK-юй, отдельные элемента и методи т,.знки полупроводников ч полуп-юродникобчх приборов, теории теплових цепе It, теории 'врмодинамики неравновесных процессов, анализа уравнений в частих производных и моделирования физических процессов ш- ЭЕ'и с ^пользованием программ BIPOLE, MEXTRAM, WATAND. Достоверность ізучішх положении, выводов и рекомендаций подтверждена экспори-іентальїшм.і исследованиями на опытной установке с использованием ювремешшх внсокоточішх измерителышх приборов - измерительных сциллографнчоских комплексов, миісротгрометричосі:их приборов.
Автор защищает:
усовершенствованную систему предельно допустимых парамет-юв, ориентированную на ключевой режим работы БТ;
методику выбора оптимального типа транзистора и ого безо-асного режима для ПШІ;
принцип построения динамической БР для режима перекльче-ий с учетом параметров сигнала управления и характера нагрузки;
физическую модель явления вторичного пробоя высоковоль-нпх транзисторэв;
способ экспериментального контроля предельно допустимых арамотров БТ;
методику статистического определения ОБР силовых транзис-орных матриц на основе параллельного соодине^шя одиночных тсзн-исторов.
Научная новизна. На основании анализа существукцей системы редельно допустимых параметров високовольтних БТ установлена их граігиченная применимость для выбора безопасного режима работп ТК в ППН. Развит новый подход к принципам построения динсмичес-их ОБР в режимах прямых и обратшх смещений. Он основал, р от-ичие от традиционного, на рассмотрении временных параметров роцесга тепловой неустойчивости и вероятностных характеристик торичпого пробоя. В развитие этого подхода детально исследованы
некоторые критические режимы работы ППН, при которых СТК находятся в условиях, близких к предельным, и их рабочая точка выходит за грашщы ОБР.
Впарвае описаны специфические формы потери тепловой устойчивости дискретных и непрерывных моделей алектропроводящих элементов, исследование которых показало необходимость рассмотрения взаіиодеистния олектрических и топловых процессов при моделировании полупроводниковых структур. Получены аналитические выражения дль расчета величины критического тока развития ВП.
Предложен новый опособ косвенного измерения температуры коллекторного порехода транзистора, позволяющий регистрировать щковыо температуры локальных областей.
На основании проведенных исследований физических механизмов прсбоя разработана уточненная методика выбора оптимального типа транзисторов и их безопасного режим?, работы для ППН.
Практическая црш.ооть. Использование ношх научных положений, обоснованных t дисоортецлониой работе, послукило основой разработки даьых методов иеразрушающих испытаний БТ на устойчивость к вторичному пробою и экспериментального контроля параметров ОБР для режима прямого и обратного смещения. Проведенные исследования позволяют выбирать оптимальный тип транзистора для СТК ППН и обеспечивать безопасный режим его коммутации.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диооертациоішой работы попользованы при создании опытных образцов сиотем вторичного электропитании с повышенными выходными напряжениями и улучшенной влектро-магнитной совместимостью (ПО "Реле и автоматики"), а также в отделе транзисторных преобразователей при создании устройств "Матрица", "РИШ" и др.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, ее отдельные разделы докладывались на Ш-V Всосоюзішл конференциях "Проблемы преобразовательной техники" (г.Киев, 1983; г.Чернигов, 1987; г.Чернигов, 1991 гг.), на семинаре "Источники электропитания F3A и устройств связи" при НТО РЭО им. А, С.Попова (КПИ), Всесоюзных семинарах: "Высокоэффективный источники и системы вторичного электропитания ?ЭАН (Москез, 1989 г.): "Опыт разработки, внедрения в аппаратуру и освоения в серийж» производстве унифицированных источников вторичного электролита-
ния импульсного типа" (Севастополь, 1987 г.); "1!кпульс:,ые ИВЭП. Состояние и перспективы развития". (Севастополь, 1989 г.); Республиканском научно-техническом семинаре "Транзисторные преобразователи систем электропитания" при ИЭД Ш (Кпез, 1991 г.).
Публикации. Основные научные результаты отражены в 9 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключатся, списка литературы из 177 наименований и 4 приложений. Общий обьем диссертации составляет 217 страниц, в том числе 148 страниц основного' текста, иллюстрированного 5Y рисунками и 5 таблицами.
