2836.Труды IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизирова

Рассматривается устройство для терморегулирования полупроводниковых приборов, применяемое при определении их термочувствительных параметров. Для регулирования и стабилизации температуры полупроводниковых приборов в устройстве применяются элементы Пельтье. С помощью комплекса определены значения температурного коэффициента напряжения биполярного транзистора с изолированным затвором при различных величинах коллекторного тока в состоянии высокой проводимости.

The device for thermal control of semiconductor devices, used in determination of their temperature-sensitive parameters, considered in the article. Peltier elements are used in device for regulating and stabilizing of semiconductor devices temperature. Temperature coefficient of voltage of IGBT for various values of the collector current in high conductivity state determined by the complex.

Ключевые слова: термоэлектрический модуль, элемент Пельтье, терморегулирование, термочувствительные параметры, полупроводниковые приборы, температурный коэффициент напряжения.

Keywords: thermoelectric module, Peltier element, temperature control, temperature-sensitive parameters, semiconductor devices, temperature coefficient of voltage.

ВВЕДЕНИЕ

IGBT-транзисторы широко применяются во многих областях силовой электроники [1, 2]. IGBT используются

восновном в качестве мощных электронных ключей

всиловых преобразователях, в частности в инверторах, импульсных регуляторах постоянного тока, частотнорегулируемых приводах переменного тока и источниках бесперебойного питания [3–5].

Надежность преобразователей на основе IGBT-тран- зисторов при эксплуатации в основном определяется их качеством и режимами эксплуатации. Особенное значение имеет тепловой режим эксплуатации [6, 7]. Тепловой режим IGBT в основном определяется электрическими потерями в открытом состоянии и способностью конструкции прибора отводить тепловую энергию от полупроводниковой структуры (ПС). В свою очередь, электрическая мощность потерь определяется величинами параметров вольт-амперных характеристик (ВАХ), а способность отводить тепловую энергию характеризуется тепловыми параметрами [8, 9]. Некоторые величины этих параметров

и характеристик разработчиками приборов приводятся впаспортных данных. Однако величины электрических итепловых характеристик и параметров серийных приборов имеют значительный разброс, вызванный естественной нестабильностью технологического процесса произ-

водства[10–12].

Испытание силовых транзисторов в различных тепловых режимах является важнейшим этапом оценки их качества. Наиболее эффективным способом определения величин тепловых и термочувствительных параметров силовых транзисторов является применение при испытаниях специальных термокамер. Вместе с тем применение таких камер обусловливает высокие энергетические затраты и требует относительно длительного времени процесса испытания, что существенно снижает эффективность применения подобных систем при испытаниях единичных образцов силовых транзисторов, которые обычно осуществляются на исследовательском этапе. Решением данной проблемы является применение компактной системы термостатирования испытываемых транзисторов, обеспечивающей высокие точность и скорость стабилизации температуры ПС испытываемого силового транзистора в ходе испытания.

Этот подход рассматривается на примере определения основных тепловых параметров, таких как тепловое сопротивление, температура ПС и температурного коэффициента напряжения.

I. ОПИСАНИЕ РЕШЕНИЯ

Повысить надежность преобразователей на основе IGBT возможно, если на стадии входного контроля определять тепловые параметры каждого транзистора, в частности установившееся тепловое сопротивление переход-корпус в состоянии теплового равновесия Rthjc с дальнейшим подбором приборов с близкими по значениям величин этого параметра [13, 14].

Тепловое сопротивление Rthjc определяется следующим образом:

где Tj – температура кристалла транзистора; Tc – температура корпуса; PtotAV – мощность электрических потерь в кристалле транзистора в состоянии высокой проводимости. Таким образом, для определения Rthjc согласно

(1) требуется измерение и определение трех основных информативных параметров.

Точное определение значения Tj является сложной технической задачей. Это связано с тем, что ПС находится внутри корпуса транзистора и непосредственно измерить этот параметр не представляется возможным [15, 16]. Определение величины Tj полностью изготовленного прибора осуществляется всегда косвенными методами. Наиболее простым является способ определения значения Tj по одному из параметров статической ВАХ, имеющему линейную зависимость от температуры [17]. Таковым термочувствительным параметром является напряжение на переходе коллектор-эмиттер транзистора в состоянии высокой проводимости UCE при протекании постоянного тестового тока.

Величина Tj определяется как сумма величины температуры в начальном ненагретом состоянии Tj0 и величины перегрева Tj:

Учитывая то, что напряжение UCE имеет линейную зависимость от температуры, величина температуры

ний на переходе коллектор-эмиттер в состоянии высокой проводимости в нагретом состоянии UCE и UCE0, которое определяется при начальной температуре Tj0 и ТКН – температурный коэффициент напряжения.

Подставляя (3) в (2), получим выражение для определения температуры кристалла Tj в нагретом состоянии в виде

Для объективного определения величины Tj важным является точное определение ТКН конкретного транзистора.

Были проведены исследования температурных зависимостей напряжения на переходе коллектор-эмит- тер IGBT BUP213. Транзистор нагревали с помощью компактной системы температурного контроля. Из существующих подходов реализации такой задачи перспективным является применение термоэлектрических модулей (ТЭМ) на основе элементов Пельтье. Применение ТЭМ отличается возможностью плавного и точного регулирования температурного режима испытуемого силового транзистора, малой инерционностью. Ввиду малых габаритов и массы ТЭМ создание компактных систем термостатирования на них не вызывает особых затруднений, что дает возможность применять подобные системы не только для силовых транзисторов, но и для других видов силовых полупроводниковых приборов.

На рис. 1 представлена функциональная схема разработанного устройства.

Данное устройство предназначено для осуществления двухстороннего терморегулирования испытываемого полупроводникового прибора, что существенно повышает эффективность испытаний. Использование согласующих теплопроводных пластин с встроенными датчиками температуры позволяет снизить температурные потери при передаче или осуществлении отвода тепла от испытываемого прибора. Подобная система предоставляет возможность точно измерять и регулировать температуру корпуса силового транзистора. Установленная теплоизоляция между камерой и окружающей средой препятствует переносу тепла между объектом и окружающей средой.

Рис. 1. Функциональная схема термостатирующего устройства на основе ТЭМ Пельтье: 1 – радиатор; 2 – термоэлектрический модуль (элемент Пельтье); 3 – теплопровод; 4 – согласующая теплопроводная пластина с термодатчиком; 5 – испытуемый полупроводниковый прибор; 6 – выводы испытуемого полупроводникового прибора

с термодатчиком; 7 – теплоизоляционный кожух

Управление устройством осуществляется с использованием компьютерных технологий компании National Instruments. Для управлениябылпримененперсональный компьютер (ПК), связь ПК с аппаратной частью осуществляется с помощью системы NI CompactDAQ посредством шины USB и подключенных к нему модулей циф- ро-аналогового и аналого-цифрового преобразования (ЦАП и АЦП). Структурная схема устройства управления представлена на рис. 2.

Работа устройства осуществляется под управлением программы, написанной в среде программирования LabVIEW. На панели программы задается величина необходимой температуры корпуса испытываемого прибора. С помощью датчиков температуры (ДТ) проводится измерение температуры на плоских поверхностях корпуса (ДТ1, ДТ3) и на коллекторном выводе (ДТ2) испытываемого прибора.

После получения данных программа с помощью пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, реализованного программными средствами, рассчитывает компенсирующее воздействие, а также отображает действующую температуру на графике, представляемом на панели программы. Компенсирующее воздействие осуществляется с помощью управляемых источников тока (УИТ1, УИТ2). УИТ питают ТЭМ Пельтье (ТЭМ1, ТЭМ2), которые нагревают испытываемый прибор.

В качестве датчиков температуры применены резистивные датчики температуры в диапазоне от минус 40 °С до плюс 260 °С, которые наиболее точны среди всех других датчиков температуры.

II. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Были проведены исследования температурных зависимостей напряжения на переходе коллектор-эмиттер IGBT BUP213. При этом в установившемся тепловом режиме температура кристалла Tj определялась как температура корпуса прибора Tc. Изменение температуры транзистора осуществлялось ступенчато с шагом 10 °С. При этом на каждом этапе испытания прибор выдерживался при устанавливаемой температуре необходимое время для достижения теплового равновесия.

Диапазон изменения температуры Tj составил от плюс 30 °С до плюс 100 °С. Температура поддерживалась с погрешностью ±0,5 °С от устанавливаемого значения. Импульсное тестовое напряжение UCE изменялось в пределах от 0 до 6 В с шагом 4 мВ, длительностью 2 мкс и паузой в 1 с формировался от источника напряжения. Напряжение на затворе испытываемого транзистора составляло 10 В.

В результате эксперимента были получены температурные зависимости напряжения UCE испытываемого транзистора. Управление всеми процессами нагрева и измерения осуществлялось с помощью компьютерных технологий компании National Instruments.

На рис. 3 представлены типичные зависимости прямого напряжения UCE от температуры Tj, снятые при различных значениях тока коллектора Ic.

Рис. 2. Структурная схема термостатирующего устройства: ПК – персональный компьютер; cDAQ – NI CompactDAQ; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ЦАП – цифроаналоговый преобразователь; УИТ – управляемый источник тока; ДТ – датчик температуры; ТЭМ – термоэлектрический

модуль; TT – тестируемый транзистор

Рис. 3. Зависимости прямого напряжения UCE от температуры Tj, снятые при различных значениях коллекторного тока Ic

Рис. 4. Зависимость ТКН от тока коллектора Ic

Из рис. 3 видно, что при всех значениях тока Ic наблюдается линейное снижение напряжения UCE от температуры Tj, причем с увеличением величины тока Ic наклон этих зависимостей уменьшается.

По результатам испытаний были определены ТКН при различных значениях тестового тока, которые определялись следующим образом:

где Tj0 – начальная температура кристалла; Tji – температура i-й точки измерения напряжения UCE.

На рис. 4 представлены рассчитанные зависимости ТКН испытываемого транзистора от величины постоянного коллекторного тока IC.

График на рис. 4 показывает, что ТКН IGBT-транзис- тора имеет нелинейную зависимость от величины тока коллектора IC. Для испытываемого транзистора значение ТКН изменялось в диапазоне от минус 1,15 мВ/°С до минус 2,53 мВ/°С при изменении величины тестового тока от 10 до 2500 мА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработано устройство контроля температуры с использованием ТМ на основе эффекта Пельтье. ТЭМ имеет ряд наиболее существенных преимуществ:

1)малые габариты и вес;

2)отсутствие движущихся, изнашиваемых деталей, отсутствие вибрации и шума;

3)высокая надежность;

4)возможность плавного и высокоточного контроля теплового режима испытания;

5)малая инерционность;

6)произвольная ориентация в пространстве;

7)устойчивость к динамической и статической перегрузкам;

8)экологическая чистота.

В результате проведенного исследования установлено, что величина ТКН IGBT-транзисторов изменяется в широких пределах и зависит от величины постоянного тока коллектора IC. Определение величин Tj и Rthjc по методикам, в которых применяются усредненные по типу приборов значения ТКН, осуществляется с большой погрешностью. Для того чтобы существенно снизить эту погрешность при определении Tj и, соответственно, величины Rthjc, необходимо определять ТКН каждого испытываемого транзистора при заданной величине тока коллектора IC.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 15-19-20057)

Библиографический список

1.Research of operating modes of thyristor converters in DC electric drive with variation of back-EMF in load / N.N. Bespalov, S.S. Kapitonov, M.V. Ilyin, A.V. Evishev, A.V. Zorkin, A.G. Volkov // Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (2016 ElConRusNW). St. Petersburg: IEEE, 2016. P. 539–541.

2.Research of operating modes of thyristor converters in DC electric drive with variation of load inductance / N.N. Bespalov, S.S. Kapitonov, M.V. Ilyin, A.V. Evishev, A.V. Zorkin, A.G. Volkov // Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (2016 ElConRusNW). St. Petersburg: IEEE, 2016. P. 542–544.

3.Bespalov N.N., Ilyin M.V., Kapitonov S.S. Current generator for testing power semiconductor devices in high conduction state // 11TH International conference on actual problems of electronic instrument engineering, APEIE 2012. Novosibirsk: IEEE, 2012. No. 1. P. 143–147.

4.Разработка и исследование электротепловых моделей силовых полупроводниковых приборов основных типовых конструкций / Н.Н. Беспалов, М.В. Ильин, С.С. Капитонов, С.В. Лебедев // Естественные и технические науки. М.: Спутник+, 2011. Вып.

№ 6. С. 405–412.

5.Беспалов Н.Н., Ильин М.В., Капитонов С.С. Аппаратно-програм- мный комплекс для испытания и диагностики силовых полупроводниковых приборов // Тр. VIII Междунар. (XIX Всероссийской) конф. по автоматизированному электроприводу АЭП-2014: в 2 т. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2014. Т. 1. С. 362–364.

6.Беспалов Н.Н., Ильин М.В., Капитонов С.С., Капитонова А.В. Методика подбора силовых полупроводниковых приборов для групповых последовательных цепей устройств силовой электроники // Научно-технический вестник Поволжья. Казань, 2014.

Вып. № 1. С. 65–68.

7.Bespalov N.N., Ilyin M.V., Kapitonov S.S., Lysenkov A.E. Program for modeling transient off of power semiconductor devices // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 21–23, 2015. IEEE Catalog Number: CFP13794-CDR.

8.Bespalov N.N., Ilyin M.V., Kapitonov S.S., Lysenkov A.E. MOSFETs selection software to form parallel and series connections // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 21–23, 2015. IEEE Catalog Number: CFP13794-CDR.

9.Bespalov N.N., Ilyin M.V., Kapitonov S.S. Equipment for testing and diagnostics of power semiconductor devices // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 21–23, 2015. IEEE Catalog Number: CFP13794-CDR.

10.Определение минимальных величин емкостей снабберных цепей для ограничения коммутационных перенапряжений на силовых полупроводниковых приборах при их выключении / Н.Н. Беспалов, М.В. Ильин, С.С. Капитонов, С.В. Лебедев // Естественные и

технические науки. М.: Спутник+, 2011. Вып. № 6. С. 396–404. 11. Исследование режимов работы тиристорного преобразователя в электроприводе постоянного тока при вариации значений

В статье решена задача выбора компенсационных преобразователей для снижения потерь энергии от перетоков неактивных составляющих потребляемой мощности в узле нагрузки напряжением 0,4 кВ. Охарактеризованы группы преобразователей, обеспечивающих функции электромагнитной совместимости электроприемников с питающей сетью. Сформулированы ограничения по применению отдельных модификаций компенсационных преобразователей. Предложены методы решения дискретной задачи оптимизации выбора оборудования при проектировании и модернизации узла нагрузки.

The article solves the task of choosing compensatory transducers to lower the energy loses between the flows of idle components of the consumed power in the load node having the voltage of 0.4 kW. There have been characterized a group of transducers, providing the electrical receivers electromagnetic compatibility functions with the supply network. There have been also formulated the limitations of the certain compensatory models application. There are methods to solve a discrete problem the choice of the equipment optimization task when designing and modernizing the load angle.

Ключевые слова: компенсация реактивной мощности, задача оптимизации, электромагнитная совместимость.

Keywords: electromagnetic compatibility, optimization task, reactive power compensation.

ВВЕДЕНИЕ

Основными проблемами качества при эксплуатации электроэнергии являются наличие [1]:

1)реактивной мощности, возникающей при работе оборудования и увеличивающей потребление электроэнергии без увеличения полезного действия;

2)гармоник тока, возникающих при работе оборудования с нелинейными характеристиками, что ведет

кповышению нагрузки на элементы оборудования и их ускоренный износ.

С целью решения этих проблем рассмотрим схему замещения узла нагрузки с регулируемой установкой компенсации (рис. 1), где электроприемник или группа электроприемников представлены в виде эквивалентной схемы замещения параллельно включенных активного сопротивления Rэ и индуктивности Lэ, потребляющие активную P2 и реактивную Q2 мощности [2].

На рис. 1 показано, что от источника U1(p) по кабельной линии протекает электрический ток I1(p), приводящий к падению напряжения U(p), величина которого определяется активным сопротивлением Rл и индуктивностью Lл линии. В результате в узле потребления мощности имеется напряжение U2(p), которое подается на нагрузку с эквивалентным активным сопротивлением Rэ и индуктивностью Lэ, через которые протекает соответственно активный Ip(p) и реактивный Iq(p) токи. Для компенсации реактивной мощности используется управляемый активный компенсатор, представляющий собой источник тока Iку(p). Текущие значения напряжения на нагрузке U2(p) и общего потребляемого тока I1(p) подаются на систему управления компенсирующей установкой.

Записав для данной схемы замещения уравнения Кирхгофа в операторном виде, получим следующую

Схема замещения узла нагрузки с устройством компенсации

систему соотношений, описывающую динамические процессы в узле нагрузки с эквивалентным электроприемником и компенсирующим устройством, подключенным к неидеальному источнику питания:

где k1 = 1/Rл, T1 = Lл/Rл, k2 = Lэ, T2 = Lэ/Rэ – коэффициенты и постоянные времени передаточных функций ис-

точника и приемника.

Из (1) видно, что ток компенсирующей установки Iку позволяет производить регулирование напряжения U2, уменьшая влияние изменения коэффициентов k2 и T2 эквивалентной схемы замещения электроприемника.

I. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ

Для компенсации данных факторов применяется различный спектр оборудования. Рассмотрим следующие типы.

1. Батареи косинусных конденсаторов (БКК) Данный тип устройств может применяться для ин-

дивидуальной, групповой или центральной компенсации реактивной мощности в сетях. Отличается высокой надежностью, отсутствием шума, простотой монтажа, небольшой ценой покупки и малыми затратами при эксплуатации.

Из недостатков следует отметить пассивный способ компенсации без использования дополнительных кон- трольно-управляющих устройств и высокую вероятность выхода из строя при наличии гармоник в сети.

Стоит уточнить, что обычно индивидуальная, групповая компенсация является нерегулируемой, так как в этом случае ББК монтируются непосредственно у электроприемников и включаются вместе с ними единым рубильником. Центральная компенсация применяется для узлов нагрузки с широким диапазоном изменения потребления реактивной мощности. Для этого полная компенсационная мощность (равная реактивной мощности установленных конденсаторов) разделена на отдельно коммутируемые автоматизированные ступени. Данный тип подключения производит компенсацию реактивной мощности в соответствии с ее фактическим потреблением.

В табл. 1 представлены зарубежные и отечественные ББК, доступные на рынке, и их параметры и цена [3, 4].

2. Статические компенсаторы реактивной мощности (СТАТКОМы)

Данные устройства применяются для компенсации реактивной мощности в сетях. Отличаются высокой надежностью и могут осуществлять работу без дополнительных активных фильтров гармонических токов нагрузки.

Из недостатков следует отметить большие размеры и высокую стоимость покупки и эксплуатации по сравнению с БКК.

Особенностью отечественных изделий является наличие зарубежных комплектующих в связи с отсутствием отечественных аналогов контрольно-управляющих устройств.

СТАТКОМ представляет собой управляемый источник напряжения (УИН) с внутренним сопротивлением, практически равным нулю. А в упрощенном виде принцип работы СТАТКОМ идентичен принципу работы агрегатов бесперебойного питания: из напряжения источника постоянного тока за счет широтно-импульсной модуляции и использования фильтра гармоник формируется синусоидальное напряжение частотой 50 Гц±3 Гц.

Втабл. 2 представлены СТАТКОМы, доступные на рынке и их параметры и цена.

3. Активные фильтры гармоник (АФГ)

Внизковольтном оборудовании пассивные фильтры становятся все менее применимы по следующим причинам:

– низковольтное оборудование очень динамично и ведетк перегрузке пассивногофильтра;

– современные нагрузки (например, частотно-регули- руемый привод, современные системы освещения) уже имеют очень хороший cos φ (возможно даже емкостной), что приводит к перекомпенсации, когда установлен пассивный фильтр;

– пассивные фильтры, применяемые в низковольтном оборудовании, обычно устраняют гармоники низкого порядка, но в настоящее время проблемой являются гармоники высокой частоты;

– эффективность фильтрации пассивного фильтра определяется отношением импеданса пассивного фильтра

кимпедансусетиипоэтомунеможетбытьгарантирована.

По этим причинам существует общемировая тенденция отхода от пассивных фильтров в пользу активных фильтров в установках низкого и среднего напряжений.

АФГ представляют собой электронные устройства, подсоединяемые параллельно к нагрузке, и предназначены для компенсации гармоник тока. Активный фильтр снабжен накопителем энергии и системой управления, которые позволяют добавлять необходимый ток в систему. В тех случаях, когда подключение произведено к нелинейной нагрузке, ее гармонические токи компенсируются и сеть становится загруженной только «чистым» основным током. АФГ реагирует на изменения в электросети и поддерживает заданный уровень подавления гармоник, даже несмотря на изменения амплитудных значений спектра гармонических искажений. Благодаря технологии быстрого преобразования Фурье АФГ способен подавлять гармоники до 50-го порядка выборочно либо одновременно – на усмотрение пользователя. Активные фильтры – это единственные устройства повышения качества электроэнергии, которые способны автоматически менять свои собственные характеристики при изменении параметров сети.

Из недостатков следует отметить высокую стоимость по сравнению с фильтро-компенсирующими установками, связанную со сложностью применяемого оборудования, обусловленную возможностью подавления всего спектра возникающих гармоник

В табл. 3 и 4 представлены характеристики зарубежных АФГ.

Информация об уровнях потребляемой активной и неактивной мощности и гармоническом составе собирается с помощью датчиков в узле распределения нагрузки и приводит к изменению задания на компенсацию с задержкой. В статическом режиме имеется возможность стабильной компенсации неактивной мощности в зависимости от возможностей установок.

Работа этих установок направлена на снижение потоков неактивной мощности от источника питания. Показано, что целевой функцией управления устройствами компенсации реактивной мощности должна быть [5, 6]

где tgφсети – угол сдвига между током и напряжением сети; Qсети – реактивная мощность по первой гармонике, потребляемая от источника питания; Qку – генерируемая реактивная мощность; Pсети – суммарная активная мощность, потребляемая всеми нагрузками; {u} – множество сигналов управления, специфичных для разных видов компенсирующих устройств.

Существующие устройства компенсации неактивных составляющих потребляемой электрической мощности реализуют отдельные функции компенсации реактивной мощности, симметрирования напряжений сети, активной фильтрации высших гармоник и интергармоник для обеспечения электромагнитной совместимости электроприемников с питающей сетью.

Таким образом, для обеспечения электромагнитной совместимости электроприемников с питающей сетью необходимо спроектировать дополнительно к электроприемникам, обеспечивающим необходимые технологические процессы, электрооборудование для компенсации потоков неактивных составляющих потребляемой из сети электрической мощности.

Это оборудование будем выбирать из 3 групп:

–батареи «косинусных» конденсаторов;

–полупроводниковые статические компенсаторы;

–активные фильтры гармоник.

Они устанавливаются в «проблемных» местах производства, где установлено оборудование, потребляющее реактивную мощность Q (БКК и СТАТКОМЫ), и оборудование, генерирующее мощность искажения T (АФГ). Компенсирующие устройства подключаются в непосредственной близости от зажимов, соответствующих электроприемников.

Таким образом, число компенсирующих устройств определяется количеством узлов нагрузки с «проблемными» электроприемниками, а их мощность – генерируемой указанными электроприемниками реактивной