CC BY
75
УДК 621.311.6
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИМИТАТОРА СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ ИБС-300/25
Ю.А. Кремзуков
НИИ автоматики и электромеханики при ТУСУР, г. Томск Томский политехнический университет E-mail: Kremzukov@niiaem.tomsk.ru
Рассмотрен вариант построения имитатора солнечной батареи. Приведены структурная схема и вольтамперная характеристика имитатора. Произведено сравнение расчетной и экспериментальной зависимости полного выходного сопротивления (модуля комплексного сопротивления) от частотыы.
Система электропитания (СЭП) является одной из важнейших систем космического аппарата (КА). В состав современной СЭП КА, как правило, входят солнечная и аккумуляторная батареи, комплекс автоматики и стабилизации в составе зарядно-разрядного модуля, стабилизатора напряжения, устройства контроля и автоматики. Для повышения надежности работы СЭП КА на орбите необходимо проводить наземные испытания, имитируя всевозможные режимы работы. Очевидно, что подключение реальных устройств - солнечных, аккумуляторных батарей, различной нагрузки при проведении испытаний СЭП - невозможно. Данная проблема решается выполнением специализированных, под конкретную СЭП КА, имитаторов солнечных и аккумуляторных батарей, а также нагрузочных устройств. Подключение реальной солнечной батареи (СБ) в наземных условиях невозможно из-за расхождения характеристик СБ, работающих в космосе и на земле. При наземных испытаниях используют так называемые имитаторы батарей солнечных (ИБС) [1-3].
ИБС предназначены для отработки на всех стадиях создания и испытания СЭП, в состав которых входят СБ, в том числе СЭП КА. Они должны удовлетворять ряду требований, часть которых зависит от варианта выполнения силовой схемы стабилизатора напряжения на шинах нагрузки КА.
В случае, если стабилизатор напряжения нагрузки выполнен на базе повышающего преобразователя, таким специфическим требованием является соответствие выходного импеданса ИБС импедансу реальной СБ, т. е. статическая и динамическая характеристики этих элементов должны максимально соответствовать друг другу [4, 5].
Принцип действия ИБС-300/25 основан на преобразовании электроэнергии переменного тока питающей сети с помощью промежуточных звеньев повышенной частоты в энергию постоянного тока на выходе ИБС и параметрическом формировании его ВАХ с улучшенными динамическими характеристиками в зоне участка максимального отбора мощности.
ИБС обеспечивает формирование двух типов ВАХ, рис. 1:
Рис. 1. Типыы ВАХ ИБС-300/25
• линейной, образованной в координатах (Ц^, IВых) ломаной линией из токового участка и участка напряжения;
• нелинейной, с нелинейным сопряжением участков тока и напряжения.
Основные технические характеристики ИБС-300/25 приведены в таблице. Структурная схема ИБС представлена на рис. 2.
Питающая сеть через защитный автомат и фильтр радиопомех устройства ввода (УВ) поступает на входной выпрямитель (ВВх), выпрямленным напряжением 500 В которого запитаны три модуля конвертора (МК), представляющих собой трехфазный сдвоенный высокочастотный преобразователь, регулирование и стабилизация выходного напряжения которого осуществляется с помощью магнитного усилителя. Эквивалентная частота пульсаций на выходном блоке фильтра конвертора (БФК) равна 312,5 кГц.
С выхода БФК стабилизированное напряжение ик, равное ик=и^+20 В, с ограничениями 255 В< ик<320 В питает три модуля стабилизатора тока (МСТ) 1КЗ, образующих широтно-модулированный трехфазный сдвоенный преобразователь понижающего типа. Эквивалентная частота пульсации тока,
Рис. 2. Структурная схема ИБС-300/25
как продукт работы модулей МСТ, в шине 1КЗ составляет 156,25 кГц. С целью увеличения фильтрации тока на выходе МСТ включены два силовых дросселя, расположенные в блоках дросселей (БДр1) и (БДр2).
Таблица. Основные технические характеристики ИБС-300/25
Параметр Значение
Диапазон регулирования напряжения холостого хода, иж 20...300 В
Дискретность регулирования напряжения холостого хода, ихх 1 В
Диапазон регулирования тока короткого замыкания, Кз 0...25 А
Дискретность регулирования тока короткого замыкания, 1З 0,01 А
Диапазон регулирования наклона ВАХ на участке напряжения (Rfj=dU/c^l) 0...12,7 В/А
Дискретность регулирования наклона ВАХ на участке напряжения 0,1 В/А
Диапазон регулирования наклона ВАХ на участке тока (1/ЯШ=с|/Уи) 0...0,031 А/В
Дискретность регулирования наклона ВАХ на участке тока 0,001 А/В
Выходная мощность в нелинейном режиме в точке максимального отбора мощности не менее 2600 Вт
Выход МСТ через устройство коммутации конденсаторов (УКК), развязывающий диод блока диодного (БД) и устройство коммутации (УК), подключен к нагрузке ИБС. Кроме этого к выходу МСТ через блок резисторов (БР) и блок фильтра (БФ) подключен блок нелинейного элемента (БЭН).
Независимо от сопротивления нагрузки ЯН, которое может изменяться от нуля до бесконечности, выходной ток МСТ равен току 1КЗ, предустановленному из блока управления (Бу). Изменение тока нагрузки приводит только к параметрическому перераспределению токов между БЭН, шунтирующим резистором ЯШ и собственно нагрузкой.
С целью снижения рассеиваемой мощности при формировании ВАХ ИБС и обеспечения возможности плавного регулирования напряжения холостого хода, последовательно с диодами БЭН включены конденсаторы фильтра БФ большой емкости. Стабилизацию и регулирование напряжения Ц0 на них осуществляют зарядный (МЗЦ,) и разрядный (МРи0) модули, реализующие адекватное реагирование при набросе и сбросе тока нагрузки соответственно. Величина этого напряжения адаптивно меняется в функции от текущих уставок ИБС.
(
и о =
Л
^инэ ^кз
Я -
Ш у
где АиНЭ - заданное падение напряжения на нелинейном элементе БЭН; ит - падение напряжения на отсекающем диоде VD1 БД, включенном последовательно с ЯП («0,9 В).
С целью исключения ошибки формирования ВАХ
на интервале токов от 0 до ' г гг 1
Яп
па-
раллельно последовательному соединению БЭН и БФ через отсекающий диод включен блок фильтра нелинейного элемента (БФНЭ) большой емкости, стабилизацию и регулирование напряжения и0НЭ которого осуществляют зарядный (МЗи0НЭ) и разрядный (МРи0НЭ) модули, отрабатывающие наброс и сброс нагрузки ИБС соответственно. Кроме того, данная цепь обеспечивает безопасный режим работы диодов БЭН. Величина напряжения Цт«0,9 В учитывает падение напряжения на отсекающем БФНЭ диоде.
и о
= и0 + ^инэ иУБ 2 •
Конфигурация нелинейного сопротивления участков тока и напряжения ВАХ ИБС задается соответствующим последовательно-параллельным соединением диодов БЭН. При необходимости
ИБС-300/25 -т- Синусоидальная
1 нагрузка V
"Выход" Кн "Вход" "ЗГ"
"Увых" "!вых"
ч/
Задающий
генератор
ГЗ-112/1
Осциллограф С1-96
Рис. 3. Схема для экспериментального измерения полного сопротивления ИБС-300/25
формирования ВАХ в виде ломаной линии диоды БЭН закорачиваются.
Таким образом, чем ближе сопротивление нагрузки ИБС к бесконечности, тем ближе сумма токов БЭН и ЯШ к 1КЗ, и тем большая часть энергии возвращается в БФК с помощью МРи0НЭ и МРЦ,.
Для устойчивой работы МР&0 и МРи0НЭ требуется задание начального тока подмагничивания соответствующих магнитных усилителей, что естественно приводит к протеканию соответствующих начальных рабочих токов разряда. С целью компенсации этих токов между БФК и БФ (БФНЭ) введены соответственно зарядные модули МЗЦ, и МЗи0НЭ, токи которых выбраны с небольшим превышением по отношению к соответствующим начальным разрядным токам.
Для снятия экспериментальной зависимости полного выходного сопротивления от частоты использован метод вольтметра - амперметра. Этот метод является косвенным, т. к. сводится к измерению тока и напряжения в цепи с измеряемым объектом и последующим расчетом его параметров по закону Ома. На рис. 3 приведена схема для экспериментального измерения полного сопротивления ИБС-300/25.
В зависимости от выбранной рабочей точки в статическом режиме ИБС работает на одном из трех участков ВАХ (тока, напряжения, нелинейного переходного). Каждый участок описывается своей статической характеристикой и имеет эквивалентную схему для переменного тока.
Статическая характеристика ИБС участка тока описывается уравнением
иН1 = ЯШ (1КЗ — 1Н ) — и<УВВых — 1'н Ццуввых ,
где иН1 - напряжение на нагрузке ИБС на участке тока; 1Н - ток нагрузки ИБС; итВых - падение напряжения на выходном диоде; ЯДгпВых - дифференциальное сопротивление выходного диода, определяемое по касательной к ВАХ диода в точке с координатой 1Н.
На рис. 4 представлена эквивалентная схема участка тока для переменного тока.
Рис. 4. Эквивалентная схема участка тока для переменного тока
Комплексное сопротивление Z¡ выхода ИБС на участке тока равно
г,. = Я
'ДУЛВых
Я У
Ш ^ СВых
ЯШ + УСВых
где
ХС
емкостное сопротивление
СВых на круговой частоте ю=2Ппеременной составляющей тока нагрузки ИБС; СВых - емкость выходного фильтра ИБС, выбранная в диапазоне от 0,39 до 3,47 мкФ.
Модуль комплексного сопротивления равен
■Щ=-=фЯГ+Х1 ■
На рис. 5 приведены зависимости полного выходного сопротивления (модуля комплексного сопротивления) 1Вых ИБС на участке тока при Ци=50 В; 1КЗ=5 А; ДиНЭ=10 В; Д1НЭ=2,1 А; ЯП=5 Ом; 1/ЛШ=0,025 А/В; СВых=0,39 мкФ.
Статическая характеристика ИБС участка нелинейного элемента описывается выражением
ин
(1 КЗ 1Н ) ЯП + и 0 + инэ + Цур 1
1+Яп-Я,,,
1
где и0 - расчетная величина напряжения конденсатора фильтра С0; иНЭ=¥(1НЭ) - координата ВАХ заданного нелинейного элемента, соответствующая координатам расчетной точки ВАХ ИБС.
Рис. 6. Эквивалентная схема нелинейного участка для переменного тока
Комплексное сопротивление ZH3 выхода ИБС на нелинейном участке определяется выражением 111 1
Щ нэ ЯШ ХСвых ЯД¥ВВых + ЯП + ЯДНЭ
где ЯДНЭ - дифференциальное сопротивление нелинейного элемента.
На рис. 7 представлены зависимости полного выходного сопротивления 1Вых ИБС на нелинейном участке при Цн=50 В; 1КЗ=5 А; Д иНЭ=26 В; Д1НЭ=4,2 А; ЯП=1 Ом; 1/ЛШ=0,017 А/В; СВых=0,39 мкФ.
Статическая характеристика участка напряжения описывается выражением
КЗ _ 'Н )ЯП + ио +Дин
UHU =
' НЭ зад + UVD1
1 +
R,„
где ДиНЭзад - заданное значение падения напряжения на нелинейном элементе.
На рис. 8 представлена эквивалентная схема участка напряжения ВАХ ИБС для переменного тока.
10 10 Р.Гц
Рис. 7. Зависимости полного выходного сопротивления ИБС-300/25 на нелинейном участке: 1) расчетная; 2) экспериментальная
/=,Гц
Рис. 5. Зависимости полного выходного сопротивления ИБС-300/25 на токовом участке: 1) расчетная; 2) экспериментальная
Эквивалентная схема нелинейного участка ВАХ ИБС для переменного тока показана на рис. 6.
УБВых
менного тока
Комплексное сопротивление ZU выхода ИБС на участке напряжения можно найти из уравнения
1 = _1_ _ 1 +______________1_________
Щи ЯШ ХСвых ЯД¥В 1 + ЯП + ЯД¥В 2
На рис. 9 представлены зависимости полного выходного сопротивления 1Вых ИБС на участке напряжения при и^х=50 В; 1КЗ=3 А; ДиНЭ=6 В; Д1НЭ=2,1 А; 1/ЛШ=0,025 А/В; Лд=12,7 Ом, СВых=0,39 мкФ.
г
О
Р.Гц
Рис. 9. Зависимости полного выходного сопротивления ИБС-300/25 на участке напряжения: 1) расчетная; 2) экспериментальная
Несовпадение экспериментальных и теоретических результатов в области высоких частот вызвано паразитными параметрами силового монтажа.
Исследования, проведенные НПО ПМ (г. Железногорск) совместно с НИИ АЭМ (г. Томск), показали, что для обеспечения наземных электрических испытаний необходим широкополосный ИБС нового поколения - на параметрическом принципе, что позволяет обеспечить формирование статических и динамических характеристик ИБС, близких к реальным характеристикам СБ.
Структурная схема силовой части ИБС практически полностью совпадает с эквивалентной схемой реальной СБ, чем обеспечивается тождественность испытаний с помощью ИБС СЭП КА реальным условиям работы СЭП от СБ в составе КА.
ИБС-300/25 позволяет с помощью ПЭВМ, используя специализированное программное обеспе-
чение, задавать программу испытаний с непрерывным ведением протокола результатов испытания.
ИБС, реализованный с использованием источников напряжения с безынерционным ограничением тока, имеет следующие преимущества:
• идеальная частотная характеристика, т. е. совпадение статической и динамической ВАХ ИБС и СБ;
• простота регулирования характеристик ВАХ ИБС с запасом, перекрывающим область реального изменения ВАХ СБ вследствие технологического разброса, деградации батарей на орбите, выхода из строя их отдельных модулей;
• возможность проведения полных наземных испытаний СЭП КА как в штатных, так и в аварийных ситуациях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соустин Б.П., Иванчура В.И., Чернышев А.И., Исляев Ш.Н. Системы электропитания космических аппаратов. - Новосибирск: Наука, 1994. - 318 с.
2. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 327 с.
3. Гордеев К.Г., Шиняков Ю.А., Чернышев А.И., Эльман В.О. Критерии выбора схемы стабилизации напряжения солнечных батарей для системы электроснабжения космического аппарата // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. тр. под ред. В.Н. Гладущенко. - Новосибирск: Наука, 2007. - С. 43-48.
4. Поляков С.А. Выбор режима работы солнечных батарей // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. тр. под ред. В.Н. Гладущенко. - Новосибирск: Наука, 2007. - С. 49-58.
5. Амельченко А.Н. Устройство для исследования статических и динамических характеристик солнечных батарей // Сб. тез. докл. Всеросс. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов СибГАУ. - Красноярск, 2006. -С. 122-123.
Поступила 25.03.2008 г.
УДК 621.396.6+621.792
ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА В УСЛОВИЯХ ТЕРМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ ТОКОВЕДУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Г.В. Кузнецов*, Г.Я. Мамонтов, А.В. Титов
*Томский политехнический университет Томский государственный архитектурно-строительный университет E-mail: avtitov@sibmail.com
Проведено численное моделирование нестационарного двумерного температурного поля токоведущей дорожки полупроводникового прибора для двух случаев работы типичного силового транзистора: в условиях окисления проводника кислородом воздуха, и без протекания процесса окисления металла. Сопоставлены интенсивности отказов транзистора для этих двух случаев. Показано, что изменение интенсивности отказов в условиях окисления составляет не менее 50 %. Установлено, что при оценке показателей надежности приборов необходимо проводить анализ с учетом процесса окисления металла.
Введение
Обрыв металлизации является одним из основных источников сбоев в работе интегральных схем и транзисторов и составляет более 50 % всех отказов [1]. Причиной обрыва является электрохимическая коррозия проводника. Наиболее часто выходят из строя полупроводниковые приборы (ППП) изготовленные в металлопластиковом корпусе, т. к. фактически пластмассовые корпуса не защищают приборы от проникновения влаги и воздуха при длительной эксплуатации [1].
Типичные полимерные материалы типа полиэтилена, использующиеся для изоляции ППП, при длительной эксплуатации в условиях циклических и механических нагрузок растрескиваются [2].
В результате длительного воздействия температурных и электрических нагрузок процессы коррозии металлизации в ППП, как и любые деградаци-онные процессы ускоряются.
Силовые элементы являются самыми уязвимыми по показателям долговечности любого устрой-
