Силовые полупроводниковые приборы (СПП) обладают большим количеством параметров и характеристик, которые необходимо контролировать с помощью специального оборудования. При проектировании такого оборудования нужно учитывать множество факторов, таких как надежность, многофункциональность, эргономичность, а так же уделить внимание общему эстетическому исполнению. Статья знакомит с этапами развития и исследованиями, проведенными в процесс проектирования зажимного устройства для СПП в таблеточном исполнении. Описываются трудности, с которыми пришлось столкнуться и методы их решения. Для повышения эргономичности принят ряд технических решений, эффективность которых подтверждена результатами эксплуатации.
В настоящее время во многих сферах промышленности силовые полупроводниковые приборы являются основными элементами конструкции различного оборудования. Силовая электроника непрерывно развивается и совершенствуется, поэтому повышаются требования к точности измерения основных характеристик приборов. Лаборатория автоматизации научно-технического центра АО «Протон-Электротекс» разработала линейку измерительного оборудования, предназначенного для измерения параметров СПП. Оборудование отвечает требованиям по точности, надежности и эргономике.
Ниже представлены измеряемые параметры для биполярных СПП:
- Параметры и характеристики в проводящем состоянии: UTM, UFM, ITSM, IFSM, IL.
- Блокирующие параметры и характеристики: URRM, UDRM, UDSM, URSM, IDRM, IRRM, (dUD/dt)crit.
- Характеристики управления: UGT, IGT.
- Тепловые характеристики: Rth, Zth.
- Динамические характеристики: QRR, tq,tgd.
Измерительное оборудование (рис. 1) представляет собой комплекс, состоящий из зажимного устройства и отдельных измерительных блоков, которые установлены в 19″ стойку. Каждый блок выполняет определенную функцию. Управление осуществляется с помощью интерфейсного блока, оснащенного емкостным сенсорным дисплеем с диагональю 17«. Программное обеспечение позволяет производить серию последовательных измерений в автоматическом режиме. Комплекс обслуживается одним оператором. В его обязанности входит выбор измеряемого профиля, установка прибора в зажимное устройство и запуск испытаний кнопкой «Старт».
Ранее при производстве СПП использовалось измерительное оборудование, эксплуатация которого приносила ряд неудобств. Чтобы провести серию измерений, нужно было переходить от одного измерительного поста к другому, в результате чего производительность была значительно ниже. Каждый пост занимал производственные площади, возрастало количество операторов. Перед каждым измерением оператор производил ручную настройку оборудования под требуемые условия испытаний. Зажимное устройство было оснащено пневматическим приводом и имело ряд недостатков: развитие недостаточного усилия, для зажатия приборов большого диаметра; отсутствие возможности динамического изменения скорости и усилия зажатия.
Для устранения основных недостатков, лабораторией автоматизации было разработано современное зажимное устройство. Измерительный комплекс представляет собой две стандартные девятнадцати дюймовые стойки, с установленными в них измерительными блоками и зажимным устройством. Такое модульное исполнение позволило подстраивать оборудование под конкретную задачу, выбирая необходимые блоки в измерительный комплекс. Так же стоит отметить, что обслуживание и ремонт оборудования стали значительно удобней, а время простоя существенно сократилось. Необходимо просто отсоединить вышедший из строя блок и установить новый из резерва, после чего можно продолжать эксплуатацию комплекса. Автоматизация измерительного процесса значительно уменьшила влияние человеческого фактора на качество и достоверность измерений, при этом работа оператора стала менее ответственной.
Также были проработаны вопросы эргономики и эстетического исполнения. Изначально предполагалось использовать зажимное устройство как отдельный механизм, подключаемый к комплексу, но при такой конфигурации оставалось неиспользованное пространство в стойке над ЗУ. Некоторые блоки необходимо подключать максимально короткими проводниками (кабелями и шинами), для обеспечения высокой точности измерения, поэтому было принято решение включить ЗУ в состав комплекса и расположить измерительные блоки в свободном пространстве над ним.
Рабочее место оператора представляет собой сенсорный дисплей, зажимное устройство и столик для временного размещения приборов. Для удобства сенсорный дисплей вынесен из измерительного комплекса на подвесном кронштейне, что позволяет настроить его положение так, как это удобно оператору. На производстве был проведен опрос операторов, после чего был внесен ряд доработок, который дал возможность повысить эргономические свойства. На месте оператора, в корпусе измерительного комплекса сделана выемка для удобного расположения ног. Было выявлено, что зажимное устройство оборудовано недостаточным освещением, необходимое для контроля оператором процесса зажатия прибора и отслеживания износа контактной поверхности. Был проведен анализ требуемого освещения внутри ЗУ, подобраны источники света и установлены как внутри, так и снаружи ЗУ.
Измерительные и вспомогательные блоки (рис. 2) представляют собой корпуса, разной высоты, рассчитанные на установку в стандартную 19″ стойку. На лицевой панели расположены световые индикаторы, информирующие о корректной работе, а разъемы и выводные шины для подключения установлены на задней части. Для повышения точности измерений применяется бифилярное расположение шин, как внутри, так и снаружи блока.
Зажимное устройство в составе измерительного комплекса (рис. 1) предназначено для зажатия диодов, тиристоров в таблеточном исполнении и отдельных структур. Устройство обеспечивает равномерное распределение давления по всей площади контактных поверхностей прибора. Оно представляет собой отдельное устройство, состоящее из рамы, привода, системы компенсации перекосов и блока управления. Максимальное развиваемое усилие 150 кН, этого достаточно для зажатия приборов большого диаметра, до 150 мм.
Прибор большого диаметра имеет вес чуть меньше 3-х кг. Оператору сложно физически манипулировать таким прибором, ему необходимо задействовать обе руки, таким образом, повышается вероятность повреждения поверхности прибора при установке и позиционировании. При измерении прибора в горячем состоянии, предварительно нагретый прибор необходимо устанавливать в ЗУ между двумя нагретыми до 190 °С контактными поверхностями. В случае с приборами большого диаметра задача становится крайне сложно выполнимой и травмоопасной. Для решения описанной ситуации, было принято решение оснастить ЗУ выкатной системой загрузки. После измерений нижняя контактная поверхность автоматически выдвигается (рис. 3), это позволяет без особых сложностей установить прибор большого диаметра или прибор в горячем состоянии. Система оснащена датчиком, который следит за положением контактной поверхности. Если она не находится в задвинутом состоянии, то сработает система безопасности и на дисплее появится ошибка. Для приборов малых диаметров или структур, вес которых колеблется от 70 до 1000 г, намного проще и быстрее оператору одной рукой или пинцетом устанавливать их в ЗУ, при этом выкатная система будет излишней и занимать дополнительное время. При необходимости выкатную систему можно отключить с помощью сенсорного дисплея.
Для выкатывания нижнего столика и для перемещения средней плиты ЗУ необходимо размыкать бифилярную силовую линию, для этой цели была разработана и испытана конструкция пневматического контактора. Он обеспечивает надежное протекание тока без подгорания и залипания его контактных поверхностей.
Некачественная контактная поверхность ЗУ (рис. 4) может нарушить внешний вид прибора и тогда прибор может уйти в брак. Поэтому верхняя и нижняя контактные поверхности — сменные пластины, имеют высокий допуск по плоскостности и шероховатость Ra 0,8. Для удобства, поверхность сделана быстросъёмной, чтобы в случае повреждения или износа, замена сменных пластин происходила без длительного простаивания оборудования. Изношенная сменная пластина отправляется на шлифовку, после чего она может снова использоваться в зажимном устройстве.
Для протекания импульсов тока большой амплитуды критически важно распределение усилия по контактной поверхности прибора. Так как области концентрации усилия обладают минимальным сопротивлением, а ток течет по пути наименьшего сопротивления, то при больших импульсах тока возможен локальный перегрев и выход прибора из строя. Для решения этой проблемы была создана система, компенсирующая не параллельность контактных плоскостей, тем самым увеличивая равномерность распределения усилия, а соответственно тока по контактной поверхности прибора. Верхняя и нижняя контактные поверхности установлены на подпружиненном шарнире. Если поверхности перед зажатием не параллельны, то во время зажатия прибора поверхности выравниваются за счет подпружиненных шарниров. Для компенсации плоскопараллельного движения, которое возникает во время выравнивания поверхностей, нижняя контактная поверхность установлена на упорном подшипнике. Таким образом, улучшается распределение усилия и уменьшается вероятность повреждения прибора. Подключение контактной части к силовой шине осуществляется через гибкую связь, которая сделана из сплетенного особо гибкого провода (6 класс гибкости). Использование такой гибкой связи обеспечивает свободное перемещение системы компенсации.
Изначально в конструкции был предусмотрен один шарнир, на нижней контактной поверхности, но в ходе большого количества тестов и опытной эксплуатации, распределение усилия было неоптимальным, и сохранялась вероятность повреждения приборов малого диаметра, поэтому было принято решение также установить его и на верхней контактной поверхности. На рисунке 5.1 изображено распределение усилия между прибором и контактной поверхностью ЗУ с одним шарниром, а на рисунке 5.2 с двумя шарнирами. Распределение усилия между контактной поверхностью ЗУ и прибором.
Устройство оснащено сервоприводом, что позволяет контролировать скорость зажатия и положение нижней контактной плоскости. Для увеличения производительности зажатие производится ступенчато, сначала привод развивает максимальную скорость, а перед моментом зажатия скорость снижается, чтобы исключить удар и не повредить прибор. Привод оснащен электромагнитным тормозом, что позволяет продолжительное время удерживать максимальное усилие с высокой точностью и не нагружать привод, тем самым давая возможность проводить длительные измерения и значительно увеличивать ресурс привода. В качестве приводного механизма применяется шарико-винтовая передача (ШВП), которая способна передавать большие усилия с высокой точностью позиционирования прибора в вертикальном положении
Устройство оснащено системой нагрева, что позволяет проводить измерения в горячем состоянии. При проектировании, для нагрева выбран кольцевой нагреватель, который располагается вокруг контактной поверхности, такое расположение не влияет на распределение усилия. Для патронных или спиральных нагревателей необходимо делать в основании контактной поверхности установочные отверстия, из-за которых распределение усилия нарушается. Использование плоских нагревателей было исключено, так как они не рассчитаны на большую нагрузку. Система нарева способна нагревать и поддерживать заданную температуру контактной поверхности до +200 градусов по Цельсию. Для поддержания и контроля заданной температуры установлены терморегулятор и термосопротивления в зоне измерения.
Зажимное устройство оснащено потенциальными контактами, предназначенными для измерения величины статических потерь. Они расположены в центре контактных поверхностей. В первой итерации были изготовлены подпружиненные контакты, использование которых не дало положительных результатов. Контакт работает при повышенных температурах, при этом он испытывает нагрузки при установке прибора. Изготовленный контакт часто выходил из строя, происходило его залипание, подгорание, повреждение. Было принято решение повысить надежность и использовать готовые пружинные контакты. Для этого было подобрано несколько аналогов, и проведена серия испытаний. Контакты подбирались исходя из геометрических и температурных параметров, а так же по упругости пружины. Верхний порог рабочей температуры составлял не меньше +200 градусов по Цельсию. Упругость пружины выбиралась исходя из веса самого маленького прибора, чтобы упругость пружины не превышала его вес, поэтому был выбран контакт, пружина которого развивает усилие не больше 0,8 Н. После продолжительной эксплуатации подобранных контактов нескольких производителей, сравнивая их надежность, было принято решение использовать пружинные контакты производителя INGUN.
Для безопасности оператора, установлена оптическая шторка безопасности, предотвращающая доступ в рабочую область зажимного устройства при проведении испытаний. Принцип ее работы основывается на создании световой завесы из ИК-лучей, который образуется между излучателем и приемником расположенные на одной оси. В случае пересечения луча во время зажатия и измерения прибора, сигнал от нее поступает на коммутационный блок, который аппаратно отключает измерительные блоки и подключает испытуемый прибор к защитному заземлению, чтобы накопленные заряды не смогли причинить вреда здоровью оператора, затем сигнал поступает на блок управления зажимным устройством и процесс зажатия приостанавливается. Весь процесс остановки измерений и отключения зажимного устройства происходит за доли секунды. По такому же принципу работает кнопка экстренной остановки, которая располагается перед рабочим местом оператора в самом легкодоступном месте, на случай экстренной необходимости.
При проектировании учитывалось влияние петли электромагнитного поля на измерения, которое образуется при протекании тока через силовые шины и контактные части зажимного устройства. Для минимизации влияния на измерения, было выбрано бифилярное расположение силовых шин, а так же использован материал с низким показателем магнитной проницаемости. Изначально в качестве материала контактной поверхности применялся материал сталь 40Х13, вследствие чего стал проявляться эффект трансформации или эффект наведения ЭДС на линии съёма потенциала. Чтобы понять как возникает этот эффект рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора. В основе его работы лежит явление электромагнитной индукции. Это явление предполагает наличие переменного магнитного поля, для его создания служит магнитная цепь, которая состоит из магнитопровода с электрическими обмотками. Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной, с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки, эта обмотка называется вторичной. Если на первичную обмотку подать переменное напряжение, то по виткам обмотки потечет переменный ток, который вокруг нее и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле. Оно образует магнитный поток, который проходя по магнитопроводу, пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует в них переменные ЭДС.
В зажимном устройстве есть контур силового тока, который проходит через прибор и образует первичную обмотку паразитного трансформатора (рис. 6). При протекании силового тока необходимо измерять падение напряжения, возникающее на силовом полупроводниковом приборе. Для этого служат потенциальные пружинные контакты, расположенные в центре верхней и нижней контактной поверхностей, которые вместе с проводами образуют вторичную обмотку паразитного трансформатора. Сердечник паразитного трансформатора образуется контактными поверхностями.
Создание дополнительной ЭДС на потенциальных линиях возникает следующим образом. Силовой ток идет через прибор по силовому контуру и возникает переменное магнитное поле, линии которого направлены по правилу буравчика. Соответственно, концентрация магнитного поля в пространстве между шинами выше, так как магнитное поле, создаваемое силовыми проводниками, суммируется. В точке пространства, где расположены потенциальные провода, магнитное поле гораздо слабее, т. к. более удалено от силовых шин. При использовании в качестве материала контактного узла стали 40Х13, которая относится к мартенситному классу и имеет высокий показатель магнитной проницаемости, эффект трансформации усиливается. Поэтому было принято решение использовать в качестве основного материала контактного узла алюминиевый сплав Д16Т, а сменную пластину сделать из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, относящейся к аустенитному классу.
Эти материалы имеют низкий показатель магнитной проницаемости. Сталь 12Х18Н10Т является достаточно твердой для использования ее в качестве контактной поверхности. Алюминиевый сплав Д16Т не подходит для контактной поверхности, так как является мягким материалом. При его использовании после нескольких зажатий на контактной поверхности остаются следы, вследствие чего нарушается поверхность прибора.
Можно сделать вывод, что разработанное и произведенное лабораторией автоматизации «Протон-Электротекс» измерительное оборудование удовлетворяет требованиям широкого круга потребителей. Модульное исполнение позволяет подобрать необходимые параметры измерительного комплекса. Применение комплектующих известных ведущих производителей повысило надежность оборудования. При каждом приобретенном негативном опыте во время эксплуатации, проводился глубокий анализ (FMEA — failure mode and effects analysis — анализ отказов и возможных причин). Такой подход позволил получить качественное, эргономичное оборудование.
Литература
- Яблонский А. А., Никифорова В. М. «Курс теоретической механики». 16-е изд. — М.: «КноРус», 2011. — 608 с.
- Гулиа Н. В., Клоков В. Г., Юрков С. А. «Детали машин». — М.: Издательский центр «Академия», 2004. — С. 416.
- Аполлонский, С. М. «Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле» / С.М. Аполлонский. — М.: «Лань», 2012. — 592 c.
