Результат интеллектуальной деятельности: Способ оценки тепловой постоянной силового полупроводникового прибора

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов силовой электроники и может быть использовано для экспресс-оценки тепловой инерционности прибора, его теплового сопротивления и контроля качества.

Силовые полупроводниковые приборы (СПП) в настоящее время широко применяются при создании преобразователей электрической энергии в электроэнергетике, электроприводе железнодорожного транспорта, в различных технологических установках и других областях техники. Причем мощность таких преобразователей может достигать сотен киловатт и более.

Обеспечение надежной работы СПП в таких преобразователях является одним из главных требований. Показатели надежности СПП определяются, в основном, значением температуры полупроводниковой структуры СПП, а она зависит от многих факторов, как внешних по отношению к СПП, так и от его электрических и тепловых параметров. В частности, от величины рабочего тока, параметров прямой вольтамперной характеристики прибора (ПВАХ), его теплового сопротивления, условий охлаждения.

Поскольку непосредственное измерение температуры полупроводниковой структуры не представляется возможным, прибегают к различным косвенным методам. Один из них основан на измерении величины теплового сопротивления прибора и его взаимосвязи с температурой структуры. Эта взаимосвязь описывается выражением [1]:

где T_С – температура структуры, T_К – температура корпуса, P – выделяемая в приборе мощность потерь, R_th – тепловое сопротивление.

Одним из параметров, характеризующих тепловое состояние СПП, является тепловое сопротивление прибора. Различают переходное тепловое сопротивление r_th и установившееся тепловое сопротивление R_th. Процесс изменения теплового состояния СПП во времени при нагреве прибора за счет выделяемой в нем мощности потерь принято характеризовать кривой переходного теплового сопротивления r_th(t), форма которой близка к экспоненте [1]. Из сути теплового процесса следует, что через некоторое время t₁ величина переходного теплового сопротивления станет равной величине установившегося теплового сопротивления R_th. Чем хуже контактные соединения в приборе и больше величина R_th, тем больше будет время t₁. То есть разница ф = t₁ – t₀, где t₀ – момент времени начала измерений, характеризует тепловую инерционность прибора и по её величине можно судить о величине R_th [1]. Измерение R_th в настоящее время на предприятиях России возможно только в лабораторных условиях и весьма трудоемко по времени. Отечественное серийное оборудование для таких измерений пока отсутствует. Поэтому предлагается ввести тепловой параметр, который характеризует инерционность тепловых процессов в СПП и коррелирует с величиной его теплового сопротивления. Этот параметр назван «тепловой постоянной СПП». Для оценки её величины СПП нагревают протекающим через него током произвольной формы до установившегося теплового состояния. В момент времени t₁ (чертеж) выключают греющий ток и с этого момента измеряют величину термочувствительного параметра (ТЧП) до момента времени t₂. Термочувствительным параметром называется любой физический параметр, зависящий от температуры. Величина ф = t₂ – t₁ прибора названа «тепловой постоянной» СПП. Сравнительный анализ величин тепловых постоянных ф для приборов одной партии позволяет выявить потенциально ненадежные экземпляры, например, с плохим качеством внутренних контактных соединений, а также осуществлять подбор приборов по тепловому режиму для использования их при групповой работе. По величине ф можно судить о величине теплового сопротивления R_th, поскольку между ними существует однозначная зависимость.

Известны способы измерения величины теплового сопротивления [1-3], основанные на оценке величины какого-либо измеряемого параметра (ТЧП) СПП, однозначно связанного с температурой полупроводниковой структуры. Способы основаны на использовании предварительно построенной для СПП температурной зависимости, например, падения напряжения ДU_и на приборе от протекающего через него постоянного тока малой величины (измерительный ток), то есть в данном случае ДU_и является измеряемым ТЧП. Процесс измерения R_th сводится к нагреванию СПП силовым током, измерению мощности потерь на приборе, измерению температуры корпуса T_К. Сразу после прерывания силового тока измеряется величина ДU_и и по ранее построенной градуировочной зависимости определяется величина T_C. Далее на основании выражения (1) вычисляется величина R_th.

Недостатком известных способов является большая длительность процесса построения градуировочной зависимости для каждого СПП.

Известен метод «двух режимов» [4], основанный на проведении двух экспериментов, позволяющих при двух разных режимах охлаждения СПП найти два значения мощности потерь (при разных значениях греющего тока) и два значения температуры корпуса T_К при условии равенства величин ТЧП, то есть при одной температуре структуры. Таким образом на основании двух экспериментов будут получены два уравнения вида (1), из которых путем исключения T_С можно определить R_th по формуле

. (2)

Недостатком известного способа является сложность технической реализации, так как требуется специальная система регулируемого охлаждения корпуса испытуемого прибора.

Известны способы экспресс-измерения величины R_th, которые условно можно назвать «методом двух экспонент» [5-6]. Методы основаны на измерении температуры корпуса на этапах нагрева и охлаждения прибора. Реализация способа заключается в следующем. Через испытуемый прибор (ИП) пропускается греющий ток небольшой величины (несколько ампер). В процессе нагрева прибора измеряется значение ТЧП и температуры корпуса T_К1. Измерения производят в момент достижения величины ТЧП определенного значения. После выключения греющего тока начинается процесс остывания ИП. На этом этапе непрерывно измеряется ТЧП прибора и температура корпуса. При достижении ТЧП на этапе охлаждения такого же заданного значения ТЧП, как и на этапе нагрева, измеряется температура корпуса Tк₂. По формуле определяют искомую величину

. (3)

К основному недостатку известных способов можно отнести необходимость непрерывного измерения температуры корпуса СПП и ТЧП на всем интервале измерений. В режиме охлаждения измерение ТЧП производят в момент достижения термодинамического равновесия, когда температура корпуса и температура структуры становятся равными. Эти особенности способов приводят к усложнению системы синхронизации измерений и увеличению погрешности вычисляемого теплового сопротивления переход-корпус СПП.

Разновидностью указанных способов является способ определения теплового сопротивления переход-корпус транзисторов с полевым управлением [7]. Испытуемый прибор нагревают путем пропускания через него периодических импульсов греющего тока произвольной формы. В процессе нагрева через прибор пропускают измерительный ток, измеряют и запоминают значения ТЧП и температуры корпуса. Вычисляют среднюю мощность потерь в приборе. При достижении температурой корпуса прибора заданного максимума выключают греющий ток и продолжают измерять значения ТЧП. В режиме естественного охлаждения в момент времени, когда достигается термодинамическое равновесие (температура структуры становится равной температуре корпуса), измеряют и запоминают значение ТЧП и температуру корпуса. Затем по специальной формуле вычисляют величину теплового сопротивления.

Недостатком известного решения является то, что способ сложен в реализации, так как требует непрерывного измерения величины ТЧП и температуры корпуса, их запоминания и последующих вычислений. Кроме того, сложно обеспечить точное измерение момента достижения термодинамического равновесия из-за малой крутизны тепловых экспонент на последних этапах охлаждения прибора.

Технический результат предлагаемого решения заключается в сокращении времени оценки теплового параметра СПП – тепловой постоянной ф и связанного с ней теплового сопротивления, а также путем сравнения величин ф в партии СПП выявлять потенциально ненадежные образцы.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе оценки тепловой постоянной СПП осуществляют нагрев СПП протекающим через него током произвольной формы до установившегося теплового состояния. Затем выключают ток и на этапе охлаждения СПП непрерывно измеряют величину ТЧП. Измерение ТЧП производят от момента времени выключения греющего тока до момента, когда ТЧП достигает заранее заданного значения, и по величине тепловой постоянной судят о тепловой инерционности и величине теплового сопротивления СПП.

На чертеже представлены временная диаграмма мощности, необходимой для нагрева прибора, изменение динамического теплового сопротивления в зависимости от времени нагрева СПП и временные зависимости изменения ТЧП.

Способ оценки тепловой постоянной СПП основан на использовании ТЧП как показателя инерционности теплового процесса в приборе.

Учитывая, что тепловая постоянная ф прибора как физическая величина, характеризующая тепловые свойства прибора, одинакова как для этапа нагрева прибора, так и для этапа его охлаждения, то измерения ф осуществляют не на этапе нагрева, а на этапе охлаждения. Поэтому измерения ф сводится к нагреву прибора в течение некоторого времени до установившегося теплового состояния, оценке мощности потерь, измерению величины ТЧП1 в момент отключения греющего тока и дальнейшему измерению величины ТЧП до достижения им некоторого заданного значения ТЧП2 (например, 0,5 от его величины в момент выключения греющего тока). По времени от момента отключения греющего тока до момента достижения величиной ТЧП заданного значения (ТЧП2) судят о величине тепловой постоянной прибора ф = t₂ – t₁.

По сравнению с известным техническим решением предлагаемое позволяет сократить время оценки тепловых параметров СПП, а также упростить техническую реализацию измерительного устройства.

Источники информации

1. Бардин В.М. Аппаратура и методы контроля параметров силовых полупроводниковых вентилей / В.М. Бардин, Л.Г. Моисеев, Ж.Г. Сурочная, О.Г. Чебовский. – М.: «Энергия», 1971. – 184 с.

2. Чебовский О.Г. Испытания силовых полупроводниковых приборов / О.Г. Чебовский, Л.Г. Моисеев. – М.: «Энергоиздат», 1981. – 200 с.

3. RU 2178893, МПК G01R31/26, опубл. 27.01.2002.

4. Рабинерсон А.А. Режимы нагрузки силовых полупроводниковых приборов / А.А. Рабинерсон, Г.А. Ашкинази. – М.: «Энергия», 1976. – 293 с.

5. RU 2240573, МПК G01R31/26, опубл. 20.11.2004.

6. RU 2300115, МПК G01R31/26, опубл. 27.05.2007.

7. RU 2516609, МПК G01R31/26, опубл. 20.05.2014.