CC BY
9
ЭЛЕКТРОНИКА, ФОТОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И СВЯЗЬ
УДК 621.317.7 Г. Н. АНИСИМОВ1
DOI: 10.25206/1813-8225-2023-185-99-102
К. К. КИМ1 А. А. ТКАЧУК1 А. Ю. КУЗЬМЕНКО2
1 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, г. Санкт-Петербург 2Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИЗМЕРЕНИЯ УДАРНОГО ТОКА СИЛОВЫХ ТИРИСТОРОВ
В статье предложен новый метод неразрушающего измерения одного из важнейших предельно допустимых параметров силовых тиристоров ударного тока. Метод основан на непрерывном контроле в каждый момент времени динамической емкости, изменение характера временной зависимости которой прогнозирует разрушение полупроводниковой структуры.
Ключевые слова: силовой тиристор, динамическая емкость, ударный ток, не-разрушающее измерение.
Введение. Важнейшим параметром, характеризующим надежность работы статических преобразователей при аварийных режимах, является ударный ток силовых тиристоров.
На железнодорожном транспорте тиристор-ные преобразователи нашли широкое применение в устройствах электроснабжения и управления в силовых цепях электровозов. Неправильная настройка тиристорных преобразователей или неисправности отдельных элементов могут привести к потерям электрической энергии или к выходу из строя дорогостоящего силового оборудования [1,
2]. Вопросы постоянного мониторинга тиристорных полупроводниковых преобразователей способно снизить энергетические и финансовые потери при эксплуатации железнодорожного транспорта [3].
Вопросы диагностирования силовых тиристоров во время эксплуатации морских энергетических установок рассмотрены в работе [4]. Авторами изучены и разработаны два метода онлайн-обнаруже-ния в режиме реального времени короткого замыкания или обрыва тиристора в источнике питания с управляемым выпрямителем. Представлены структура двух устройств, диагностические процедуры
и использование ключевых технологии, а также приведены результаты испытании.
Особенности работы тиристорных преобразователей в аварийных режимах рассмотрены в работе [5]. Обоснована целесообразность использования высоковольтного тиристорного ключа на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах для практической реализации технологии безопасного проведения электродинамических испытаний силовых трансформаторов. Рассмотрена схема защиты от перенапряжений испытуемого силового трансформатора и высоковольтного тиристорного ключа при аварийном отключении тока короткого замыкания.
В статье [6] анализируются токовые характеристики короткого замыкания и обрыва цепи одиночного тиристора, а также токовые характеристики обрыва цепи линии переменного тока и предлагается новый метод оперативной диагностики неисправности выпрямительного устройства. Приведенные результаты моделирования показывают, что время идентификации неисправности составляет от 1 до 10 мс в случаях короткого замыкания тиристора, обрыва цепи тиристора и обрыва цепи сети переменного тока соответственно, а время локализации неисправностей составляют от 20 до 30 мс соответственно.
В обзорной работе [7] рассматриваются различные виды отказов, связанные с силовой электроникой в преобразователях, а также уровни устройств и новейшие методы мониторинга состояния для обнаружения этих отказов на самой ранней стадии. Силовые полупроводниковые устройства считаются наиболее чувствительной частью силовых электронных систем, и основные причины нагрузок на эти устройства могут быть вызваны атмосферными условиями, а также кратковременными большими нагрузками, которые следует учитывать при проектировании силовых электронных систем.
В большинстве существующих методов нераз-рушающего измерения ударного тока используются корреляционные зависимости, например [8—10], либо они не имеют достаточно строгого теоретического обоснования [11].
Теория. Разработанный новый метод неразру-шающего измерения ударного тока предназначен для определения ударного тока полупроводникового прибора с достаточно высокой точностью и при полной автоматизации процесса измерения. Сущность метода заключается в особенности поведения некоторого параметра, который условно назван ди-
намической емкостью (Сд) и определяется следующим образом:
С. =
д -р/м
(1)
где I — ток, протекающий через структуру, du/df — скорость изменения напряж ения на то лу-проводниковой структуре.
При подаче синусоидального импульса тока на испытуемый прибор длительностью 10 м с с амплитудой, заведомо п=евышающей амплитуду, соответствующей началу разрушения лоеупрово-дниковой структуры, в зависимости Сд(Ц на восходящей ветви изохронной прямой вольт-амперной характеристики наблюдается резко выраженный экстремум. Как показали многочислу нные экспе ви-ментальные исследования, проведен ные автора ми на тиристорах типа Т-25, Т-50, ТЧ-50, ТЛ-160, Т15-160, Т-200, мгновенное значение тока, при котором проявляется данный экстремум во временной функции динамической емкости, с достаточной точностью (погрешность измерения не превышает 15 %) можно принять за ударный ток тир исто ра.
Постановка задачи. Для выяснения физической сущности критерия неразрушающего измерения ударного тока была сформулирована и решена электротепловая задета, причем учитывались резкое снижение коэффициентов инжекции эмиттер-ных переходов с ростом тока, электронно-дырочное рассеяние, рассеяние на фоленах, ректмбинация Шокли — Рида и оже-реком бироция, а также на грев структуры протекающим током. Была построена одномерная симметричная модель с линейными электрофизическими параметрами эмиттерных областей с учетом выполнения условия квазинейтр альности во всех слоях полупроводниковой структиры, при низком уровне инжекц ии = эмиттерах и высоком — в базе, принималась во внимание нелиое йбость те-плофизических параметров кремния и равномерность тепловыделения в базовой области тиростора.
В результате совместного решения уравнений непрерывности, перен=са и тепловой диффузии с применением преобразований Лапласа и Кирхгофа были получены выраже=ия для темеературно-го поля в полупроводниковой структуре 9(х, V) (2), средней по толщине базы концентрации инжектированных носителей зар=да рл (М), п-ммого падения напряжения на тиристоре и (4) и динамической емкости Сд(^ (5):
(
л(м, г р = — аю
р
а в
раХРи
Ло-А,
л г
г — в м г d о м епр—¡= о впс —-¡=
л^х, л^.
\\
а
о- — 8
( (1-Х (1 + х^
(й в мРюйр—¡= о о мР1вйр—¡=
и
-е
р I л
о d— —(С(с,рs1nй( - ЯеcofPрosсо,р —
ри\ йХ
лл/Хй
(С(лс,р рosЛй2 о .<cеЛйíPs1n лсо?)
(2)
//
Рср =
4т| ц2
Л2в
-а2»с[
1
^ 2
С2п(Ъ3 +1)2 кец
1т
(3)
о
1
+
тт 2й .
и = ио с — г
ЧР
— у(ф) =
че 2Ф
сИд (еИ)
А.
3 га3»ср
^ ч"3®« с А г - аАр
\Р ср
1 с
л Л
аи
А,
а2 Рср 8ш(еИ)ф,Ср, 1 (Ар . - а
аз--ф^ а4Р 4
Рср Ф,ср
+ А4ч- аАр
(4)
(5)
Ро =
где Аи а 1, А2, а , Аф г3, Аь, а4 — пс>2тоянные экспоненциальные аппроссимаций коэффициента те -плопроводности, коэ ф фи(ие нта диффуз ии т в ели-чины обратной результирую щей п одвижности [ 12 ], 1т, Пт = яд/(, и — пгрогтвое напряженфе, — динамическое сопрнтирление приАтра, П] — амплитуда имуфльсатока, ю — угловая частота тока, Х2 — время жизни норитагей в базе, оСуслсшФен-ное рекомбинацией (Докти —Ридн, ' — консрфтта оже-рекомбинации, Ъ3 — отношение подвижностей электпоноя и дырок, % — кпэффициент теплопроводности, ейс у — дополнительная функция ошибок, сей) и = сеК)у ГФГ , С(г), И(г) — интегфалы Френеля, 9ср — средний по толщине перегрев полупроводниковой структуры, йср = — С -Э(в, И) Фв , h —
показатель рекомбинации эмиттерных областей, 2й — толщина полупроводниковой пластины.
Эксперимент. Исследование процессов, протекающих в полупроводниковом приборе [13], проводится по схеме, представленной на рис. 1. Схема включает в свой состав следующие узлы и элементы: 1 — генератор силовых импульсов тока, 2 — измерительный шунт, 3 — клеммы, 4 — высокочастотный шунт, 6 — блок выделения огибающих амплитуд высокочастотного напряжения, 7 — блок памяти, 8 — схема сравнения, 9 — блок защиты, 10 — блок индикации.
Предлагаемый способ оценки величины ударного тока прибора заключается в следующем: импульс тока с выхода генератора 1 подают на полупроводниковый прибор 3, на который также подается напряжение высокой частоты с генератора 5. Если плотность упомянутого тока большая, дифференциальное сопротивление полупроводникового прибора 3 имеет емкостной характер, а на высокочастотном шунте 4 будет напряжение, величина которого пропорциональна дифференциальной емкости прибора 3. Чтобы получить напряжение, пропорциональное огибающей амплитуд, из высокочастотного напряжения, используют блок 6. Это напряжение приходит на блок памяти 7 и схему сравнения 8, на которую также подается напряжение, генерируемое самим блоком памяти 7. После того как напряжение, поступающее с выхода блока 7 превысит напряжение с выхода блока 6, на блок защиты 9 поступает сигнал с выхода схемы сравнения 8. Этот сигнал приводит к отключению генератора силовых импульсов тока 1. Блок индикации 10 осуществляет регистрацию величины силового тока в момент его отключения, соответствующей величине ударного тока.
Обсуждение результатов эксперимента. Полученные аналитические зависимости удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. На рис. 2 показаны зависимости, построенные для тиристора типа Т-25.
Рис. 1. Блок-схема устройства для измерения величины ударного тока силовых полупроводниковых приборов
I,
кА
2,0
1,6
2 у V ✓ / / /
/ / / / / /
3,0
4,5 а)
6,0 и, В
СЯ,Ф
1,5
1,0
1 — ^ -
' s ' 2 \ \ «ы
3,0
4,0 б)
5,0 I мс
Рис. 2. Вольт-амперные характеристики (а) и зависимости динамической емкости от времени (б) для тиристора Т-25 при высоких плотностях тока, где 1 — расчетные кривые, 2 — экспериментальные кривые
т
Детальный анализ выражения для динамической емкости (5) показал, что развитие физических процессов в полупроводниковых структурах при высоких плотностях тока во многом определяется различными нелинейными эффектами и прежде всего разогревом полупроводниковой структуры протекающим током. Экстремум на временной зависимости динамической емкости прогнозирует неустойчивость в режиме работы полупроводникового прибора. При этом наблюдается интенсивный разогрев структуры.
По данным расчета, концентрация термически генерированных носителей заряда в наименее про-модулированной части базы становится сравнимой с концентрацией инжектированных носителей, что способствует формированию шнура тока и разрушению полупроводниковой структуры [14].
Полученные количественные соотношения, согласование их с результатами эксперимента, а также возникновение неустойчивости в структуре полупроводникового прибора при появлении экстремума динамической емкости достаточно убедительно аргументируют объективность разработанного метода неразрушающего измерения ударного тока.
Описанный способ измерений позволяет выявить ненадежные полупроводниковые приборы с предельно низким значением ударного тока.
Библиографический список
1. Салита Е. Ю., Ковалева Т. В., Никонов А. В. Диагностирование силовых вентилей преобразователей тяговых подстанций // Известия Транссиба. 2015. № 3 (23). С. 79 — 85.
2. Черемисин В. Т., Никонов А. В. Анализ потерь мощности в основном оборудовании статических тиристорных компенсаторов с учетом несинусоидальности напряжения и пути их снижения // Известия Транссиба. 2019. № 1 (37). С. 54 — 63.
3. Салита Е. Ю., Самолинов С. С., Налетов А. К. Использование средств постоянного технического диагностирования полупроводниковых преобразователей тяговых подстанций // Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте: материалы V Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. Омск, 2022. С. 47-55.
4. Liu H. -d., Han J. -y., Shen N. -j., Lan H. Rectifier Power Thyristor Failure in Real-Time Detection Methods // 2012 Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference. 2012. P. 1-4. DOI: 10.1109/APPEEC.2012.6307672.
5. Kuvshinov A. A., Khrennikov A. Y., Vakhnina V. V., Chernenko A. N. A High-Voltage Thyristor Switch for the Power Transformer Testing for a Sustainability for Short-Circuit Currents // 2018 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). 2018. P. 47-52. DOI: 10.1109/ APEDE.2018.8542313.
6. Song G., Wang X., Tang J., Liu P. An on-line fault diagnosis method for power rectifier device based on fault current characteristic // 2016 China International Conference on Electricity Distribution (CICED). 2016. P. 1-6. DOI: 10.1109/ CICED.2016.7576260.
7. Manohar S. S., Sahoo A., Subramaniam A., Panda S. K. Condition monitoring of power electronic converters in power plants — A review // 20th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). 2017. P. 1-5. DOI: 10.1109/ ICEMS.2017.8056371.
8. Бардин В., Пьянзин Д., Брагин А. К вопросу о методологии оценки надежности силовых полупроводниковых приборов // Силовая электроника. 2018. Т. 6, № 75. С. 46 — 48.
9. Воронин К. Д., Евсеев Ю. А., Локтаев Ю. М. [и др.]. Силовые высоковольтные полупроводниковые приборы: состояние и перспективы // Электротехника. 1984. № 13. С. 19 — 21.
10. Ким К. К., Паленик В. И. Генератор испытательных импульсов анодного тока силовых полупроводниковых приборов // Электро. 2002. № 1. С. 40-41.
11. Ким К. К., Анисимов Г. Н., Барбарович В. Ю., Литвинов Б. Я. Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника. Санкт-Петербург: ПИТЕР, 2006. 367 с.
12. Григоренко В. П., Дерменжи П. Г., Кузьмин В. А., Мна-цаканов Т. Т. Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов. Москва: Энерго-атомиздат, 1988. 279 с.
13. Грехов И. В. Силовая полупроводниковая электроника и импульсная техника // Вестник Российской академии наук. 2008. Т. 78, № 2. С. 106-115.
14. Матюхин С. И., Ставцев А. В. Описание температурной зависимости вольтамперной характеристики силовых полупроводниковых приборов // Известия ОрелГТУ. Сер. Естественные науки. 2003. № 3-4. С. 93-99.
АНИСИМОВ Геннадий Николаевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электротехника и теплоэнергетика» ПГУПС, г. Санкт-Петербург. БРНЧ-код: 3296-0510 ЛиШогГО: 685147
Адрес для переписки: genn-anisimov@yandex.ru КИМ Константин Константинович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Электротехника и теплоэнергетика» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I (ПГУПС), г. Санкт-Петербург. БРНЧ-код: 3278-4938 АиШогГО: 690443
Адрес для переписки: kimkk@inbox.ru ТКАЧУК Антон Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника и теплоэнергетика» ПГУПС, г. Санкт-Петербург. БРНЧ-код: 7335-2340 АиШогГО: 726854
Адрес для переписки: a.a.tkachuk@mail.ru КУЗЬМЕНКО Антон Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения, г. Омск. БРНЧ-код: 3897-7011 Л^^гГО: 1013551
Адрес для переписки: KuZo17@yandex.ru
Для цитирования
Анисимов Г. Н., Ким К. К., Ткачук А. А., Кузьменко А. Ю. Способ неразрушающего измерения ударного тока силовых тиристоров // Омский научный вестник. 2023. № 1 (185). С. 99-102. БОН 10.25206/1813-8225-2023-185-99-102.
Статья поступила в редакцию 20.12.2022 г. © Г. Н. Анисимов, К. К. Ким, А. А. Ткачук, А. Ю. Кузьменко
