CC BY
203
УДК 621.382.2I.3-971
Н.Н. Беспалов, Ю.М. Голембиовский, М.В. Ильин
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Рассмотрен один из методов определения тепловых характеристик силовых полупроводниковых приборов.
N.N. Bespalov, J.M. Golembiovsky, M.V. Il’yin POWER SEMI-CONDUCTOR DEVICES THERMAL CHARACTERISTICS DEFINITION METHOD
One of methods of definition of the thermal characteristics of power semi-conductor devices is considered in this article.
Увеличение мощности современных электрических преобразователей на основе силовых полупроводниковых приборов (СПП) требует обеспечения таких температурных режимов при эксплуатации, при которых реализуется их потенциально высокая надежность.
При разработке преобразователей одними из важных характеристик при расчёте тепловых режимов СПП являются переходное тепловое сопротивление переход-корпус Zthjc и его величина в установившемся тепловом режиме Rthjc [1]. Объективное определение теплового сопротивления переход-корпус является сложной технической задачей, однако ее решение позволяет объективно установить паспортное значение Rthjc для определенного типа СПП, оценить качество изготовления, перегрузочную способность СПП и оптимально выбрать параметры системы охлаждения.
Существуют различные методики для определения этой характеристики [2, 3], однако они имеют ряд существенных недостатков, к которым, прежде всего, необходимо отнести повышенную сложность и низкую точность определения. Это объясняется сложностью математического описания процессов, происходящих при распространении тепловой энергии сквозь элементы конструкции СПП. Примером может служить метод, реализованный в устройстве для определения Rthjc фирмы Lorlin Test Systems. Метод основывается на нагреве СПП импульсом тока с постоянной, стабилизированной амплитудой с точностью поддержания её ±0,5%, косвенном определении температуры кристалла Tj по разности значений термочувствительного параметра - напряжения в состоянии высокой проводимости и измерении мощности электрических потерь PF = UF ■ IF, выделяемой в приборе при нагреве. При этом значение Rthjc, например, для диодов, вычисляется по формуле:
где ЛЦ- = (Ці - Црг) - разность значений прямого напряжения на диоде в исходном не нагретом состоянии Цч и прямого напряжения Црт. в нагретом состоянии; ТКН -температурный коэффициент напряжения принимается постоянным для всех типов
R
диодов равным
-2 мВ/°С; 1р - амплитуда прямого тока, ир - прямое напряжение на диоде.
Однако значения ТКН различны для каждого прибора и типа СПП и зависят от величины тестового тока [3, 4], а величина ир изменяется в ходе нагрева СПП, что вызывает неопределенность в выборе ее значения. Это обусловливает существенную погрешность определения Я^с. Для тиристоров рекомендуется предварительно измерять ТКН тем либо иным способом, что предопределяет возникновение дополнительных технических и экономических сложностей.
Разработанный метод, по сравнению с известными, позволяет существенно снизить погрешность определения Яй/с. Это обусловлено, прежде всего, тем, что величина ТКН определяется для каждого испытуемого прибора. Дополнительно метод позволяет снять требование стабилизации греющего тока. Сущность разработанного метода заключается в следующем.
Определение Я^с производят в три этапа испытания и измерения информативных параметров и этапа определения и Яс (рис. 1). На всех этапах испытания через СПП пропускается постоянный измерительный ток 1Ш(. Величина выбирается таким образом, чтобы его протекание несущественно влияло на термодинамическое равновесие испытуемого прибора. В качестве термочувствительного параметра используются напряжения на полупроводниковом приборе щс в состоянии высокой проводимости.
На первом этапе прибор находится в начальном состоянии термодинамического равновесия и Т = Тс. В момент времени ^ измеряется и запоминается значение напряжения иис(*о) при протекании /,ел, и температура корпуса Тс((о).
Рис. 1. Временные зависимости тока через СПП, напряжения на нем и температуры структуры и корпуса при испытании
На втором этапе с момента времени ti до момента t2 СПП нагревается импульсами тока iheat(t) полусинусоидальной формы с фазовой регулировкой длительности. Нагрев начинают с постепенного увеличения величины греющего тока. В интервалах между очередным увеличением тока рассчитывается значение средней мощности потерь полупроводникового прибора Pi”-1. После достижения греющей мощности
установленного максимального значения, которое определяется из соотношения:
р = (0,3 - 0,6) • (Tjmax - Тй (У0)) (2)
max т\ з
Rthjc ОО
где ЯЛ]СТУ - значение теплового сопротивления, определяемое по техническим условиям
или паспортным данным СПП и 7}тах - максимальная допустимая температура полупроводниковой структуры, дальнейшее увеличение мощности прекращается. Далее нагрев производится током с полученными параметрами греющего тока.
В процессе нагрева в моменты времени ^ ^п) п-го интервала измерения
запоминаются значения икс(^ (п)) и 1кеа((^ ^п)), и вычисляется средняя мощность потерь
по формуле:
кеа№ )
рп, = -—-— I <> с<*. (3)
Ьеог^ Ъеа/п) ^еа/п>
В процессе нагрева, приняв ТКН = -2,5 мВ/°С, рассчитывается оценочная величина теплового сопротивления переход-корпус в динамике как:
иЬо (кеаі ' иЬо (^0 ' + Т (+ ) _ Т (+(п) ) 1 Л_з "І"-/СЧ<0/ С\пеаі)
2,5 • 10
^Оца аеі() = 2 „ , (4)
где икс (7^) и Тс (^^) - значения термочувствительного параметра и температуры
корпуса СПП в конце п-го периода измерения в процессе нагревания.
После достижения момента времени 1Я тах, когда Я^ дкн(0 имеет максимальное значение, процесс нагревания продолжается ещё некоторое время для дополнительного нагрева корпуса СПП на 5-10°С. Затем в момент Х2 греющий ток отключают.
В режиме естественного охлаждения после достижения термодинамического равновесия в момент времени Ь измеряют величины Мйс(^3) и Тс(^).
По измерениям инс и Тс в моменты времени термодинамических равновесий ^ и ^3, вычисляют значение ТКН как:
ТКН = иЬс (^3) иЬс (^0) (5)
' Тс (У - Тс (О’
а величина теплового сопротивления переход-корпус Ящс определяется как:
иИс(^Я тах) иИс (^0 ) + т (^ ) Т (/ )
+ Тс ('0) — Тс ('Ятах)
Я,„, =-----------ТК1—,---------------------. (6)
Ау р (п)
/-11 ШЛУ
п п
По измеренной характеристике щс(р) определяется переходное тепловое сопротивление переход - среда У^а:
у = иьс() - иы (Р (7)
ТК ■ р,„АГ у ’
При разработке нового метода определения тепловых характеристик СПП для оценки электрических и тепловых режимов испытания потребовались моделирование и расчёт электрических и тепловых процессов, происходящих в СПП и их конструкциях. Для этого был использован метод электротепловой аналогии (ЭТА) [5], на основании которого была составлена электротепловая модель СПП в программе МиШв1т 8.0, которая для варианта исследования силовых диодов (СД) представлена на рис. 2.
Рис. 2. Модель электротепловых процессов в СПП
Модель состоит из двух частей. В первой части моделируются электрические процессы в СД. Режим исследуемого диода ¥08 задаётся источником греющего тока (ИГТ) и источником тестового тока (ИТТ) 12. ИГТ состоит из фазового регулятора переменного напряжения, понижающего трансформатора Т¥1 и выпрямителя (¥06, ¥07). ИТТ представляет собой источник постоянного тока заданной величины и предназначен для задания режима измерения термочувствительного параметра напряжения в состоянии высокой проводимости щс.
Источник напряжения ¥4 генерирует напряжение, пропорциональное мощности потерь, выделяющейся в полупроводниковой структуре. Расчёт мощности производится на основе информации о прямом напряжении и токе (¥3), температуры структуры и ТКН (¥4), которая поступает на входы источника ¥5. Управляемый источник тока 13 преобразует полученное напряжение в ток /й, который подается в модель тепловых процессов СД.
В соответствии с методом ЭТА теплоёмкость элемента конструкции заменяется пропорциональной ей электрической ёмкостью, а тепловое сопротивление -электрическим сопротивлением. Аналогией мощности, выделяющейся от протекания электрического тока через полупроводниковый элемент, в методе ЭТА принят электрический ток. Потенциалы узлов схемы соответствуют температуре перегрева соответствующего элемента конструкции.
Каждому элементу конструкции прибора в модели, изображенной на рис. 2, соответствует Т-образная Яс-цепь. Ёмкость конденсатора Сг- соответствует теплоёмкости /-го элемента конструкции. Сопротивление 2Яг- соответствует тепловому сопротивлению этого же элемента. Ток /й пропорционален мощности, выделяющейся в полупроводниковой структуре.
Режим нагрева СПП при испытании имеет ограничение по величине выделяющейся средней мощности потерь РоА¥, которая определяет температуру перегрева кристалла А^.
Данная модель позволяет определять требуемые режимы испытания СПП. На рис. 3 в качестве примера приведены зависимости АТ в установившемся тепловом режиме от РгоА¥ для штыревой конструкции СД с полупроводниковой структурой (ПС) диаметром 24
мм и таблеточной конструкции с ПС диаметром 42 мм. Процесс нагрева моделировался для СД без охладителя и в режиме естественного воздушного охлаждения. По этим зависимостям определяются требуемая мощность ИГТ и оптимальные электрические и тепловые режимы испытания для различных типов и конструкций СПП.
Описанная методика применительно к испытаниям силовых тиристоров (СТ) имеет несколько особенностей.
Первая из них - это выбор величины тестового тока Для СД величина тока 1^ определяется из условия его наименьшего влияния на тепловое состояние полупроводникового прибора и составляет значения до 100 мА. Иная ситуация складывается при испытании СТ. Для этих приборов величина 1^ в процессе испытания должна быть не меньше тока удержания. Первое включение СТ должно происходить с величиной тока не менее тока включения СТ, уровень которого превышает ток удержания.
Вторая особенность связана с наличием у СТ процесса распространения включённого состояния по площади ПС. Длительность процесса распространения включённого состояния определяет момент измерения начальных условий ^. Для правильного измерения величины ин(0) необходимо распространить включенное состояние по всей площади ПС. Время распространения включённого состояния во многом зависит от величины анодного тока и площади ПС.
Для оценки зависимости времени включения СТ от величины анодного тока использовалась программа ПАРУЭСТ. Расчёт производился для наихудшего варианта конструкции ПС с круглым управляющим электродом (УЭ). Диаметры структур для расчёта использовались от 18 до 101 мм. Площадь УЭ составляла 4% от площади структуры. Величины анодного тока взяты в диапазоне 1-10 А.
Как видно из рис. 4, процесс распространения включенного состояния в значительной степени зависит от геометрических размеров полупроводниковой структуры и тока и имеет разброс от 0,7 до 12,4 мс. Поэтому для СТ определение момента измерения начальных условий ^ требует знания времени распространения включённого состояния при протекании Ъет- Мерой окончания процесса распространения открытого состояния является равенство скорости изменения напряжения в открытом состоянии ёиТ1& нулю при постоянстве I\est- При этом ПС считается включенной по всей площади. После достижения этого условия производится измерение начальных условий и дальнейшее испытание.
120
100
60
40
20
АТр*С
I -в—Штыревая конструкция
1 Т аблеточна конструкци я я
/
/
/ Xх
У
1*101 11 ■ Вт
50
100
150
Рис. 3. Зависимости температуры перегрева кристалла ДТУ в установившемся тепловом режиме от рассеиваемой мощности Роау для штыревой и таблеточной конструкций СД
Рис. 4. Зависимость времени включения СТ от тестового тока для полупроводниковых структур различного диаметра
Рис. 5. Процесс измерения температуры ПС
в момент термодинамического равновесия в процессе охлаждения
Применение таких величин тока в качестве тестового вносит погрешность в определение температуры кристалла Tj по температуре корпуса Тс и вносит ошибку при определении ТКН на третьей стадии испытания в процессе охлаждения прибора. После достижения теплового равновесия температура кристалла определится как:
Tj = Тс + uT Itest Zj, (8)
где иТ - прямое напряжение в момент измерения; Zthja - тепловое сопротивление переход-охлаждающая среда в момент измерения.
Для того чтобы уменьшить ошибку в определении температуры кристалла Tj(t3), измерение производят в три этапа (рис. 5). На первом этапе находится точка
термодинамического равновесия t3 и вычисляется время достижения теплового равновесия At = t3-t2. Затем прибор выключается на время At. За это время прибор достигает следующего термодинамического равновесия, в котором температуры кристалла и корпуса выравниваются. Далее в момент t3 = t3 + At осуществляется повторное включение СТ и производится измерение иТ (t3) и Тс (t3).
По полученным данным рассчитывается ТКН:
TKH = Uhc (t3) Uhc (t0) (9)
' Тс (t;) - Тс (t0) v;
и рассчитываются тепловые сопротивления по формулам (6) и (7).
Разработанный метод реализован в испытательно-измерительной аппаратуре, выполненной на базе оборудования и программного продукта LabVIEW компании National Instruments.
Сбор информации и управление установкой осуществляются универсальной платой расширения для персонального компьютера NI PCI-6251. Информация о состоянии СПП собирается АЦП с четырёх датчиков: тока, напряжения, температуры корпуса со стороны анода и катода. Измеренная информация передаётся в виртуальный прибор (ВП), созданный в среде программирования LabVIEW, в котором она обрабатывается, и рассчитываются определяемые величины. На основе предварительной информации ВП рассчитывает параметры испытания. Измеренная и обработанная информация сохраняется в файле на жестком диске компьютера и может быть использована для дальнейшего исследования.
Разработанные метод и аппаратура позволяют определять значения переходного теплового сопротивления переход-корпус 2^0 и его величину в установившемся тепловом режиме Я^с, переходного сопротивления переход-охлаждающая среда Ища, ТКН в заданном режиме испытания СПП. Измерение ТКН каждого СПП в процессе испытания существенно снижает погрешность определения этих величин. Данный метод также позволяет осуществлять нагрев испытуемого прибора периодическим током произвольной формы, что упрощает схемотехническое исполнение источника греющего тока.
ЛИТЕРАТУРА
1. Богодерова В. Приближенный расчет тока рабочей перегрузки триаков / В. Богодерова, В. Веревкин // Силовая электроника. 2006. № 4. С. 1-11.
2. ГОСТ 24461-80 (СТ СЭВ 1656-79). Приборы полупроводниковые силовые. Методы измерений и испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1981. 56 с.
3. Рабинерсон А.А. Режимы нагрузки силовых полупроводниковых приборов / А. А. Рабинерсон, Г. А. Ашкинази. М.: Энергия, 1976. 296 с.
4. Беспалов Н.Н. Исследование термочувствительного параметра
полупроводниковых диодов / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин // Технические и естественные науки: проблемы, теория, эксперимент. Вып. V. Саранск: Ковылк. тип., 2005. С. 29-31.
5. Чесноков Ю.А. Определение температуры перегрева структуры тиристоров в импульсных режимах методом электротепловой аналогии (ЭТА) / Ю.А. Чесноков, А.А. Рабинерсон, В.Е. Челноков // Некоторые вопросы производства и применения средств малой силовой преобразовательной техники в народном хозяйстве. М.: Информэлектро, 1970. Ч. 2. № 14. С. 78-91.
Беспалов Николай Николаевич -
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Автоматика»
Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева, г. Саранск
Голембиовский Юрий Мичиславович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Системотехника»
Саратовского государственного технического университета
Ильин Михаил Владимирович -
аспирант, преподаватель кафедры «Автоматика»
Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева, г. Саранск Статья поступила в редакцию 18.10.06, принята к опубликованию 21.11.06
