Разработка методики подбора силовых полупроводниковых приборов по комплексу параметров для формирования групповых последовательных цепей устройств силовой электроники Капитонов, Сергей Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования и степень её разработанности. При

эксплуатации силовых полупроводниковых приборов, в качестве которых широко применяются силовые диоды и тиристоры, их надёжность обусловливается исходным качеством и режимами эксплуатации. Для повышения надёжности силовых полупроводниковых приборов (СПП) и устройств силовой электроники в целом требуется обеспечить близкие к номинальным электрический и тепловой режимы их эксплуатации. Для решения этой задачи нужно иметь информацию о значениях параметров каждого отдельного прибора. Это должно обеспечиваться путём ведения сплошного контроля значений параметров и характеристик силовых полупроводниковых приборов и отбраковки потенциально ненадёжных приборов на стадиях их производства и эксплуатации. Основными параметрами силовых полупроводниковых приборов являются параметры вольт-амперной характеристики (ВАХ) в состоянии высокой проводимости (СВП) и состоянии низкой проводимости (СНП), а также тепловые и электротепловые параметры.

Значения параметров серийных силовых полупроводниковых приборов имеют существенный разброс, обусловленный естественной нестабильностью технологического процесса производства. Отсутствие у производителей и потребителей приборов эффективных методик и высокопроизводительных аппаратно-программных технических средств определения их характеристик и значений параметров не позволяет устанавливать значения этих параметров для каждого конкретного прибора.

Разработчики устройств силовой электроники на основе группового последовательного соединения силовых полупроводниковых приборов не имеют информации о значениях параметров отдельных приборов. Для определения предельных режимов эксплуатации подобных устройств они вынуждены ориентироваться на паспортные данные, которые обычно устанавливают только предельные значения параметров и не несут достоверную информацию о каждом конкретном приборе.

Требуемые показатели надёжности устройств силовой электроники обеспечиваются за счёт снижения значений предельных параметров силовых полупроводниковых приборов и применения дополнительных снабберных цепей, обеспечивающих защиту приборов от различного рода перенапряжений при их групповом последовательном соединении. Подобный подход к проектированию устройств силовой электроники приводит к недоиспользованию силовых полупроводниковых приборов, увеличению значений параметров защитных и выравнивающих цепей, дополнительным потерям энергии и, соответственно, повышению массы, габаритов и стоимости изделий.

Вследствие отсутствия эффективных методик и технических средств для отбраковки потенциально ненадёжных приборов, их подбора для последовательного группового соединения и методик определения значений параметров защитных цепей значения ёмкости снабберных конденсаторов на этапе проектирования устройств силовой электроники определяются с существенным запасом. Однако для снижения потерь в полупроводниковой структуре (ПС) силовых тиристоров при их переключении в состояние высокой проводимости значение ёмкости снабберных конденсаторов необходимо выбирать минимально возможным, поскольку площадь первоначального включения приборов составляет несколько мм², и именно в ней выделяется энергия, запасённая в снабберном конденсаторе. Кроме того, минимизация значений ёмкости снабберного конденсатора позволяет значительно уменьшить массогабаритные показатели вентильных блоков.

Среди учёных, внёсших вклад в развитие этого научного направления, следует отметить М. И. Абрамовича, О. Г. Чебовского, Л. Р. Неймана, А. А. Рабинерсона, Г. А. Ашкинази, Ю. А. Чеснокова, В. А. Кузьмина, П. Г. Дерменжи, Ю. А. Евсеева, В. М. Бардина, Н. Н. Беспалова, М. В. Ильина, Е. Г. Гейфмана, М. Е. Гольдштейна.

Целью работы является улучшение технико-экономических и эксплуатационных характеристик устройств силовой электроники, основанных на схемах группового последовательного соединения силовых полупроводниковых приборов, и снижение значений ёмкости снабберных конденсаторов, обеспечивающих их защиту от различных перенапряжений, за счёт осуществления предварительной отбраковки потенциально ненадёжных приборов и их подбора по комплексу значений электрических, тепловых и электротепловых параметров.

В соответствии с целью в работе поставлены следующие задачи исследований:

1. разработка теоретических и экспериментальных моделей силовых преобразователей электрической энергии на основе группового последовательного соединения силовых полупроводниковых приборов, исследование электротепловых процессов, протекающих в последовательных цепях приборов;

2. разработка аппаратно-программных технических средств для определения значений электрических, тепловых и электротепловых параметров силовых полупроводниковых приборов в состоянии высокой проводимости, используемых в устройствах силовой электроники;

3. создание методик отбраковки потенциально ненадёжных силовых полупроводниковых приборов и их подбора для группового последовательного соединения по комплексу значений электрических, тепловых и электротепловых параметров, позволяющих формировать последовательные цепи приборов для устройств силовой электроники;

4. создание методики расчёта минимальных значений ёмкости снабберных конденсаторов, обеспечивающих защиту силовых полупроводниковых приборов от различных перенапряжений при их последовательном групповом соединении в устройствах силовой электроники.

Научная новизна работы:

1) впервые разработана электротепловая модель (ЭТМ) силового диода, в которой учитывается зависимость его вольт-амперных характеристик в состояниях высокой и низкой проводимости от значений следующих параметров: тепловое сопротивление переход-корпус в установившемся режиме Rthjc, диаметр полупроводниковой структуры D, время жизни

электронов в р-области Tp, время жизни электронов в n-области т_п, толщина n- базы W_n, концентрация собственных носителей полупроводника щ;

4. 1. разработаны методики и автоматизированные технические средства для определения комплекса значений электрических, тепловых и электротепловых параметров силовых полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров) в состоянии высокой проводимости за 3-5 минут, позволяющие формировать последовательные цепи приборов для устройств силовой электроники;

   2. впервые разработана модель силового преобразователя электрической энергии на основе последовательного группового соединения силовых диодов с реальными значениями их электрических, тепловых и электротепловых параметров, с помощью которой установлено, что подбор приборов для последовательных цепей следует вести на основе комплекса значений параметров;

   3. разработана методика определения значений ёмкости снабберных конденсаторов, отличающаяся от существующих методик тем, что она основана на информации о реальных значениях параметров отдельных силовых полупроводниковых приборов;

   4. установлено, что в результате использования разработанных методик и технических средств при формировании последовательных цепей силовых полупроводниковых приборов для устройств силовой электроники возможно добиться снижения ёмкости снабберных конденсаторов в 10 раз.

   Теоретическая и практическая значимость диссертации

   Разработанные методики и технические средства позволяют:

   4. 4. 1. на этапе разработки силовых полупроводниковых приборов измерять и определять значения их основных электрических, тепловых и электротепловых параметров в состоянии высокой проводимости для расчёта предельных режимов работы приборов;

         2. на этапе серийного выпуска силовых полупроводниковых приборов осуществлять измерение, определение и оценку значений их электрических, тепловых и электротепловых параметров в состоянии высокой проводимости, далее по полученным данным проводить сплошной контроль и отбраковку потенциально ненадёжных приборов;

         3. на этапе изготовления устройств силовой электроники контролировать и подбирать приборы для группового последовательного соединения по значениям их параметров, вести дополнительно отбраковку потенциально ненадёжных приборов и определять значения параметров защитных цепей, что позволит на порядок снизить интенсивность отказов силовых полупроводниковых приборов на начальном этапе эксплуатации;

         4. на этапе эксплуатации силовых полупроводниковых приборов в составе устройств силовой электроники осуществлять периодическую диагностику их состояния по комплексу значений параметров и отбраковку потенциально ненадёжных приборов, что позволит повысить надёжность данных устройств в целом.

         Объектом исследования являются теоретические и экспериментальные электротепловые модели силовых полупроводниковых приборов, модели группового последовательного соединения силовых полупроводниковых приборов без использования и с использованием снабберных цепей.

         Предметом исследования являются электротепловые процессы, протекающие в силовых полупроводниковых приборах при их последовательном групповом соединении.

         Методология и методы исследования. Теоретические исследования основывались на использовании основополагающих разделов математического анализа, теории электрических цепей, физики твёрдого тела, преобразовательной техники, статистических методов обработки результатов экспериментов. Расчёты проводились с помощью вычислительной техники с применением лицензированных пакетов программ Multisim и LabVIEW. Научно-физической базой являлись положения теоретических основ электротехники, физики твёрдого тела и теории дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования выполнены с использованием разработанного и изготовленного макетного образца аппаратно-программного информационно- измерительного комплекса (АПИИК) аппаратуры, реализованного на базе программных и аппаратных средств National Instruments.

         Реализация и внедрение результатов работы

         Разработанные методики положены в основу автоматизированного аппаратно-программного информационно-измерительного комплекса «АДИП-6», разработанного ООО «Научно-инженерный Центр «РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА - МГУ» (г. Саранск) совместно с Национальным исследовательским университетом «МИЭТ» при поддержке Правительства России по государственному контракту № 16.516.11.6031. Методики отбраковки и подбора приборов для группового последовательного соединения по значениям их электрических, тепловых и электротепловых параметров, а также методика расчёта минимальных значений ёмкости защитных снабберных конденсаторов внедрены в ООО ПКП «Атомспецснаб» (г. Воронеж), где используются на входном контроле силовых полупроводниковых приборов при формировании заказов для атомных станций и металлургических комбинатов. Разработанный аппаратно-программный информационно-измерительный комплекс «АДИП-6» внедрен в учебный процесс кафедры «Микроэлектроника» Национального исследовательского университета «МИЭТ». Теоретические положения и практические результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Автоматика» Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва при обучении студентов специальности 210106 - «Промышленная электроника» по дисциплинам «Основы преобразовательной техники» и «Проектирование информационно-измерительных систем».

         Результаты внедрения подтверждены соответствующими документами.

         Положения, выносимые на защиту:

         1) с помощью разработанной электротепловой модели силового диода установлено, что для повышения надёжности устройств силовой электроники на основе группового последовательного соединения силовых полупроводниковых приборов и минимизации значений ёмкости снабберных конденсаторов требуется обеспечить выравнивание тепловых режимов работы приборов группы;

         4. 4. 4. 1. выравнивание тепловых режимов работы силовых полупроводниковых приборов при их последовательном групповом соединении обеспечивается за счёт отбраковки потенциально ненадёжных приборов и подбора по комплексу значений электрических, тепловых и электротепловых параметров;

                  2. разработанные методики и технические средства для отбраковки потенциально ненадёжных приборов и их подбора по комплексу значений электрических, тепловых и электротепловых параметров позволяют на порядок снизить значения ёмкости снабберных конденсаторов.

                  Достоверность научных результатов обеспечивается использованием аппарата математического анализа, теории электрических цепей, основ физики твёрдого тела, преобразовательной техники, теории статистических методов обработки результатов экспериментов, профессиональных пакетов прикладных программ Multisim и LabVIEW и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и экспериментальных исследований.

                  Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: ежегодной научно-технической конференции «Огарёвские чтения» Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва в 20102012 гг.; Конференции молодых учёных» Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва в 2010-2012 гг.; V Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 19-21 ноября 2009 г.); XVI Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 12-16 апреля 2010 г.); Международной конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (Москва, 2009-2012); XVII Международной научно-технической конференции «Силовая электроника и энергоэффективность» (Алушта, 19-23 сентября 2011 г.); К Всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (Чебоксары, 6-8 октября 2011 г.); ХYРЭЛ ТОГООТ-2011 (Улан-Батор, 2011); XI Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2-4 октября 2012 г.).

                  Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.

                  Структура и объем диссертации. Работа включает введение, четыре главы основного материала, заключение и список использованной литературы. Объем работы составляет 200 страниц, включая приложение на 3 страницах, 92 иллюстрации, 6 таблиц. Список литературы содержит 101 наименование.

                  Похожие диссертации на Разработка методики подбора силовых полупроводниковых приборов по комплексу параметров для формирования групповых последовательных цепей устройств силовой электроники

                  Разработка методики автоматизированного проектирования многофазных импульсных преобразователей постоянного напряженияАртамонова, Ольга Михайловна

                  

                  Разработка процесса получения ВТСП пленок для устройств функциональной электроники Рыжов Максим Вадимович

                  

                  Разработка и исследование электротехнического комплекса оценки качества электрической энергии в системах с устройствами силовой электроникиГнатенко Максим Алексеевич

                  

                  Исследование печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и разработка микрополосковых СВЧ устройств на их основеЗакирова Эльмира Алексеевна

                  Исследование и разработка систем автоматизированного обучения : (на примере технического проектирования периферийных устройств ЭВС)Вдовин, Аркадий Викторович

                  

                  Исследование и разработка СВЧ устройств лучевого типа для термообработки материаловНефедов, Михаил Владимирович

                  

                  Исследование и разработка СВЧ устройств термообработки материалов в режиме бегущей волныЛоик Дмитрий Андреевич

                  

                  Разработка методов обеспечения функционирования устройств спутниковых телекоммуникаций в условиях длительного воздействия излучений космического пространстваАнашин Василий Сергеевич

                  Разработка и исследование устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием и минимальным дестабилизирующим воздействием на вакуумную среду оборудования высоких технологийКузнецов, Павел Сергеевич

                  Разработка структур и методик расчета цифровых элементов памяти на высокотемпературных сверхпроводникахПетров, Андрей Борисович