Стабилизированные формирователи высоковольтных импульсов для аппаратуры измерения параметров силовых полупроводниковых приборов

В последнее десятилетие российской силовой электронике стала доступной новая элементная база, изменившая схемотехнику преобразовательных устройств. Мощные полевые транзисторы вида MOSFET, биполярные с изолированным затвором IGBT постепенно вытесняют обычные силовые полупроводниковые приборы (СПП) — тиристоры и диоды из традиционных областей их применения. Это объясняется многими факторами, главными из которых являются [1−5]: полная управляемость транзисторов, малая мощность управления, возможность параллельного соединения (униполярные с р-n переходом, MOSFET), малое падение напряжения в открытом состоянии (IGBT) и др. Тем не менее, остаются обширные ниши преобразовательной техники, где позиции обычных СПП достаточно устойчивы. В первую очередь это касается применений, где требуются высоконадежные, способные к многократным перегрузкам по току силовые ключи, какими и являются СПП. К таким областям промышленности могут быть отнесены передача и преобразование энергии, преобразователи для подвижного состава (трамваи, троллейбусы, метро, магистральные электровозы), индукционный нагрев металлов, дуговые печи постоянного тока для плавки металлов, гальванотехника, электролиз металлов (цинк, марганец, никель, медь, алюминий, магний, галлий) [6].

В настоящее время кроме завода «ЭЛЕКТРОВЫПРЯМИТЕЛЬ», являющегося российским флагманом по производству СПП, появились новые, динамично развивающиеся предприятия подобного профиля с широкой номенклатурой элементов силовой электроники, в том числе силовых тиристоров и диодов. Это заводы «ПРОТОН ЭЛЕКТРОТЕКС» и «ЭЛЕКТРУМ АБ» г. Орел [712]. На указанных предприятиях постоянно ведутся разработки новых СПП, и в настоящее время их ряд расширился по току до 5000 А и напряжению до 6000 В. Основная цель указанных предприятий — обеспечить отечественных производителей и разработчиков устройств силовой электроники недорогими полупроводниковыми компонентами высокого качества с параметрами, соответствующими или превосходящими мировые образцы.

Немаловажную роль для решения данной задачи играет факт наличия на производстве испытательной аппаратуры для измерения параметров СПП. Подобную аппаратуру должны иметь и потребители продукции этих заводов. Несмотря на то, что количество паспортных параметров СПП может превышать 15 [13−15], существует несколько статических параметров, по результатам измерения которых можно однозначно оценить пригодность СПП к эксплуатации. В [16,17] такие параметры называют параметрами-критериями годности которыми в случае силовых тиристоров являются:

— повторяющийся импульсный обратный ток Irjm и повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии.

— отпирающий ток управляющего электрода Iqt.

— импульсное напряжение в открытом состоянии Utm.

Среди указанных выше параметров токи и IDRM являются наиболее важными, определяющими качество СПП, который в состоянии низкой проводимости (закрытом состоянии) представляет собой активно-емкостную нагрузку. Измерение токов IRRM и IDRM, характеризующих активную составляющую общего тока СПП, позволяет осуществить проверку класса СПП, выявить его тенденцию к снижению в процессе эксплуатации и своевременно заменить потенциально ненадежный СПП. Измерение обратных токов и токов в закрытом состоянии СПП в широком диапазоне испытательных напряжений также дает возможность определить форму статической вольтамперной характеристики (ВАХ) СПП при различной температуре, что особенно важно при разработке новых типов силовых приборов.

Возможность измерения токов утечки с заданной погрешностью затрудняется наличием емкостной составляющей в общем токе СПП, величина которой зависит от барьерной емкости СПП и скорости изменения испытательного напряжения в момент измерения. Проблема усугубляется для СПП таблеточной конструкции корпуса с большой площадью перехода, для которых начальное значение барьерной емкости достигает десятки нФ. В этом случае емкостная составляющая тока СПП может существенно превышать малые уровни токов Irrm и Idrm (десятки мкА), измерение которых с заданной точностью становится сложной научно-технической проблемой. Для ее решения требуется измерительная аппаратура, метрологические и технические характеристики которой определяются главным узлом — универсальным формирователем (генератором) высоковольтных испытательных импульсов напряжения специальной формы. В понятие «универсального формирователя» вкладывается следующий смысл:

— с целью предотвращения перегрева полупроводниковой структуры СПП [18,19] и обеспечения безопасности обслуживающего персонала генератор должен обеспечивать формирование однократного однополярного или двухпо-лярного импульса напряжения;

— в генераторе должна быть предусмотрена регулировка амплитуды импульса в широком диапазоне напряжений, порядка (0,2 — 6) кВ;

— структура генератора для большей надежности должна быть реализована с использованием высоковольтного трансформатора;

— форма испытательного импульса напряжения должна быть такой, чтобы обеспечить возможность измерения токов утечки через СПП в диапазоне от единиц микроампер до десятков миллиампер [19,20]. Практически это требование заключается в необходимости формирования с высокой точностью пологой вершины испытательного импульса, «полки», во время действия которой осуществляется измерение активной составляющей тока через СПП, а емкостная составляющая подавлена.

В настоящее время универсального формирователя и методики его проектирования не существует, что и определило предмет настоящего исследования.

Состояние проблемы. Схемотехническая реализация аппаратуры для измерения токов утечки отличается большим разнообразием. Ее достоверность результата измерения токов Irrm и Idrm определяется в основном тем, в какой степени решена задача устранения емкостной составляющей. Это в конечном итоге зависит от формы испытательных импульсов генератора. Первые образцы формирователей появились еще в 70-х годах. В их разработке принимали участие: научный коллектив Всесоюзного электротехнического института (ВЭИ) им. В. И. Ленина, коллектив кафедры электропривода и автоматизации промустановок Челябинского политехнического института им. Ленинского комсомола [21], инженеры завода «ЭЛЕКТРОВЫПРЯМИТЕЛЬ», сотрудники кафедры автоматики Мордовского госуниверситета им. Н. П. Огарева. Такие предприятия, как НИИ ТЭЗ им. М. И. Калинина, ЛИИЖТ и ряд других организаций, также принимали участие в разработке генераторов испытательных сигналов. Уровень технологии производства СПП в то время в основном был ориентирован на приборы штыревой конструкции с малой площадью кремниевого кристалла, для которых емкость обратно смещенного P-N перехода СПП (барьерная емкость) [20,22−26] невелика. Поэтому задача подавления емкостной составляющей тока стояла не так остро. В качестве испытательного напряжения применялась последовательность высоковольтных однополупериодных сетевых импульсов. Аппаратура получалась стационарной, и в целях безопасности для ее обслуживания требовался подготовленный персонал.

Среди зарубежных производителей измерительной аппаратуры следует отметить швейцарскую фирму LEM, французскую 3C-ELECTRONIX и американскую LORLIN. Приборы этих фирм отличаются высоким качеством изготовления и приемлемыми метрологическими характеристиками, но их цены делают эту аппаратуру недоступной для отечественного потребителя. Указанные фирмы в основном производят лабораторное стационарное оборудование, которое имеет ограниченное применение.

Российские заводы-изготовители СПП производят измерительную аппаратуру для собственных нужд (работа в цеховых условиях) и, в редких случаях, для сторонних организаций. Отечественным предприятием, специализирующимся на выпуске переносной диагностической аппаратуры для СПП, является НПЦ АЛЬФА РИТМ [27−29]. Аппаратура, производимая фирмой, отличается умеренными ценами и позволяет потребителю решать множество задач, связанных с входным контролем параметров СПП, их подбором для группового соединения. Однако порог чувствительности аппаратуры для измерения токов утечки ограничен на уровне (250 — 400) мкА, что обусловлено наличием емкостной составляющей тока СПП.

Таким образом, проблема измерения малых токов утечки при напряжениях до 6000 В с заданной точностью до сегодняшнего дня окончательно не решена, так как не существует современных схемотехнических решений генераторов, способных значительно подавить емкостную составляющую тока СПП, а также нет методик проектирования таких генераторов. Кардинально решить эту проблему можно только разработкой и применением формирователей, пологая вершина импульсов которых с высокой точностью стабилизирована цепью обратной связи во всем диапазоне амплитуд испытательных импульсов.

Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование и разработка стабилизированных формирователей высоковольтных испытательных импульсов напряжения с пологой вершиной для аппаратуры измерения токов утечки СПП. Эта цель достигается решением следующих задач:

1. Сравнительный анализ существующих формирователей по результатам моделирования и значениям погрешностей измерения токов утечки СППклассификация формирователей.

2. Разработка новых структур стабилизированных генераторов импульсов с пологой частью для аппаратуры, обеспечивающей высокую точность измерения тока утечки.

3. Оценка устойчивости стабилизированных генераторов импульсов.

4. Определение критериев выбора корректирующих цепей замкнутой системы, обеспечивающих точность стабилизации «полки», необходимую погрешность измерения тока, устойчивость и требуемое качество переходных процессов в стабилизированном формирователе.

5. Разработка рациональных способов включения корректирующих звеньев различного типа и инженерных методик их расчета с использованием логарифмических частотных характеристик разомкнутой системы стабилизации.

6. Оценка предельного диапазона изменения параметров звеньев системы для различных типов корректирующих цепей с целью получения допустимой погрешности измерения токов утечки СПП и наилучшего качества переходных процессов.

7. Подтверждение полученных выводов результатами схемотехнического моделирования динамических процессов и экспериментальным исследованием макетных образцов разработанных стабилизированных формирователей.

Методы исследования. При решении поставленных задач используются положения и методы теории электрических цепей и классической теории автоматического регулирования. Для моделирования динамических процессов в замкнутой системе применяются лицензированные пакеты прикладных программ MATLAB и Simulink. Система Multisim 8 позволила подтвердить полученные результаты и разработанные методики расчета корректирующих звеньев на схемотехнических аналогах стабилизированных формирователей.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Выполнен сравнительный анализ по результатам моделирования временных процессов и по величине инструментальной погрешности измерений токов утечки нестабилизированных формирователей испытательных импульсов напряжения с пологой вершиной.

2. Предложена новая структура нестабилизированного формирователя с симметричным ограничением двухполярного сетевого импульса.

3. Разработаны новые структуры стабилизированных формирователей испытательных импульсов с пологой вершиной.

4. Предложена методика обеспечения устойчивости стабилизированных формирователей с помощью низкочастотного корректирующего звена.

5. Разработана методика обеспечения устойчивости и качества переходных процессов стабилизированных формирователей за счет совместного использования низкочастотного и высокочастотного корректирующих звеньев. Применение таких формирователей в измерительной аппаратуре позволяет существенно снизить статические и динамические погрешности при измерении токов утечки СПП.

6. В результате схемотехнического моделирования и экспериментальных исследований макетов стабилизированных формирователей получены практические рекомендации по выбору параметров элементов формирователей с целью повышения быстродействия и точности измерения токов утечки СПП.

Структура и краткое содержание диссертации. Настоящая диссертационная работа состоит из 4-х глав основного текста, заключения и приложения. В первой главе представлен обзор существующих формирователей однократных высоковольтных импульсов. По результатам моделирования динамических процессов и величине погрешности измерения тока утечки СПП проведена их сравнительная оценка. Предлагаются новые структуры стабилизированных формирователей. Вторая глава посвящена вопросам построения замкнутых структур стабилизированных формирователей, аналитическому описанию элементов, составляющих эти структуры, оценке устойчивости. В третьей главе описываются способы частотной коррекции стабилизированных формирователей и разрабатываются методики расчета корректирующих цепей для обеспечения устойчивости и качества переходных процессов. Проводится анализ инструментальных погрешностей измерения тока утечки при использовании стабилизированных формирователей. В четвертой главе проведено схемотехническое моделирование динамических процессов и экспериментальные исследования макетных образцов разработанных стабилизированных формирователей, сопоставление теоретических и практических результатов. Описан разработанный прибор ТЕСТ-1, предназначенный для измерения токов утечки СПП. В основу прибора положена одна из новых структур стабилизированного формирователя. В заключении изложены основные результаты и выводы. В приложении представлены документы о внедрении и использовании результатов диссертационной работы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты моделирования временных процессов и расчета инструментальных погрешностей нестабилизированных формирователей испытательных импульсов напряжения с пологой вершиной при работе на активно емкостную нагрузку, позволяющие оценить порог чувствительности по току утечки диагностической аппаратуры для измерения параметров СПП .

2. Новые разработанные структуры стабилизированных формирователей высоковольтных импульсов с пологой вершиной, применение которых обеспечивает высокую точность измерения токов утечки СПП за счет эффективного подавления емкостных составляющих тока.

3. Методики расчета и способы включения низкочастотных и высокочастотных корректирующих цепей, обеспечивающих устойчивость, качество переходных процессов и малую инструментальную погрешность стабилизированных формирователей.

4. Результаты экспериментальных исследований макетов стабилизированных формирователей высоковольтных импульсов с плоской вершиной и практические рекомендации по их использованию в аппаратуре измерения параметров СПП.

Реализация результатов работы.

Модификация разработанного стабилизированного формирователя положена в основу измерительного прибора ТЕСТ-1, внедренного на ОАО ПЕЛ «Атомспецснаб» г. Воронеж и используемого для измерения токов утечки на входном контроле СПП при формировании заказов для атомных станций и металлургических комбинатов.

Теоретические положения и практические результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Автоматики» Мордовского государственного университета при обучении студентов специальности 210 106 — «Промышленная электроника» по дисциплине «Электрорадиоизмерения».

Результаты работы положены в основу разработанного и изготовленного прибора ТЕСТ-1, внедренного на ОАО ПКП «Атомспецснаб» г. Воронежа, и используемого для входного контроля СПП в холодном состоянии при формировании заказов для атомных станций и металлургических комбинатов.

Принципы построения стабилизированных формирователей, методики измерения параметров СПП используются в учебном процессе на кафедре Автоматики Мордовского госуниверситета, что подтверждено актами о внедрении.

Заключение

.