Установка ударного тока нового поколения. Общее описание, принципы и ключевые особенности

В статье пойдет речь об уникальной установке ударного тока нового поколения на 120 кА. Подробно описан новейший принцип формирования тока на полевых транзисторах, приводится общее описание и ключевые особенности конструкции силовой части и зажимного устройства в отдельности.

Наиболее важным параметром силовых полупроводниковых приборов (СПП), характеризующим их перегрузочную способность, является ударный ток — максимально допустимая амплитуда тока полусинусоидальной формы длительностью 10 мс. Увеличение единичной мощности СПП, разработка приборов с диаметром выпрямительного элемента 100 мм и более требуют создания испытательной установки ударного тока, обеспечивающей формирование импульсов тока с амплитудой до 100 кА.

При решении этой задачи необходимо учитывать ряд требований:

• Во-первых, в предпробойном состоянии при так называемом «шнуровании» прямого тока [1], падение напряжения на испытуемом образце резко возрастает и может достигать у высоковольтных СПП значений порядка 60 В.
• Во-вторых, установка должна обладать высокой точностью задания амплитуды тока, т. к. при формировании импульса тока с амплитудой порядка 100 кА абсолютное отклонение от заданного значения не должно превышать 2-3 кА.
• В-третьих, необходимо обеспечить жесткость конструкции, учитывая огромные динамические усилия, развиваемые при протекании импульса тока.

Основными путями реализации установок ударного тока являются либо формирование импульсов ударного тока с помощью понижающего трансформатора [2,3] либо путем разряда накопительного конденсатора в схеме колебательного контура [3]. Применение понижающих трансформаторов для формирования импульсов тока большой амплитуды имеет целый ряд недостатков, основными из которых является недопустимое влияние на питающую сеть при несимметричной токовой нагрузке, низкая точность задания и невозможность плавной регулировки амплитуды тока, влияние колебаний сетевого напряжения на заданное значение амплитуды, неудовлетворительные массогабаритные характеристики.

Наиболее распространено на сегодняшний день формирование импульсов ударного тока с помощью колебательного контура. Но получение формы импульса, близкой к правильной полусинусоиде, требует высокой добротности колебательного контура, обеспечение которой является проблемой при больших потерях. Потери в колебательном контуре, обусловленные как потерями в системе проводников, так и значительным падением напряжения на испытуемом образце, приводят к появлению апериодической составляющей в форме импульса тока, что недопустимо по условиям испытаний. Кроме того, при формировании импульсов тока с амплитудой десятки килоампер, емкость накопительных конденсаторов должна составлять тысячи микрофарад.

И наконец, стабильность формируемого импульса тока в колебательном контуре определяется стабильностью параметров конденсаторов. Необходимость применения накопительных конденсаторов значительной емкости со стабильными параметрами и увеличение сечения токопроводящих шин установки для снижения потерь приводит к значительному увеличению массы и габаритов устройства.

В [4] предложена реализация испытательного оборудования на базе активных формирователей — источников тока на мощных MOSFET. Принцип использования транзистора в качестве источника тока заключен в его работе на линейном участке передаточной характеристики. Типовая характеристика MOSFET показана на рис. 1.

Из нее видно, что изменение напряжения «затвор-исток» транзистора в пределах 5-6 В приводит к изменению тока стока примерно на 40 А. Как было сказано выше, во время предпробойного состояния СПП напряжение на нем может возрастать до 60 В. Одним из условий работы источника тока является то, что напряжение на нагрузке не должно превышать напряжение питания источника тока, иными словами, регулятор тока должен иметь запас по напряжению. Оптимальное для поставленной задачи напряжение питания источника тока составляет 100 В.

Такое значение напряжения выбрано, исходя из того, что это минимально достаточное значение для устойчивой работы источника тока, а также, исходя из того, что промышленностью выпускают электролитические конденсаторы с рабочим напряжением 100 В, которые используются в качестве накопителей энергии.

Находясь в линейной области передаточной характеристики, на транзисторе выделяется определенное количество мощности. Уровень этой мощности определяется областью безопасной работы транзистора (ОБР). График ОБР транзистора IRFPS3815 приведен на рис. 2.

Из графика видно, что при напряжении «сток-исток» 100 В и прямоугольном импульсе тока длительностью 10 мс безопасная амплитуда тока составит 10 А. Для полусинусоидальной формы тока, с учетом коэффициента формы, допустимая амплитуда может быть увеличена до 16 А. Кроме того, частичный разряд накопительных конденсаторов за время формирования импульса тока будет приводить к снижению напряжения «сток-исток» на транзисторе и смещать режим работы транзистора дальше в безопасную область. С учетом запаса величина тока выбрана на уровне 13 А.

При расчете теплового режима работы транзистора принимаем, что, при формировании импульса тока длительностью 10 мс, напряжение на конденсаторах падает со 100 до 60 В. При этом среднее значение напряжения «сток-исток» на транзисторе равно около 80 В. Т. к. ток имеет синусоидальную форму, площадь которой меньше в 0.63 раза площади прямоугольника, то эффективное значение тока будет равно 8,2 А.

Тогда импульсная мощность на транзисторе составит:

Для того, чтобы между импульсами тока структура транзисторов успела остыть, а накопительные конденсаторы зарядиться, необходимо обеспечить паузу между формированием импульсов тока длительностью не менее 60 с. С учетом этого средняя мощность на транзисторе будет равна:

Определим температуру корпуса транзистора при максимально возможной температуре окружающей среды 35 °С:

где:

• T_c — температура корпуса транзистора;
• T_α — температура окружающей среды;
• R_cs — тепловое сопротивление корпус-окружающая среда.

Тогда максимальная температура кристалла транзистора будет равна:

Максимально допустимая рабочая температура кристалла равна 175 °С, следовательно, запас по температуре в максимально нагруженном режиме составляет более 40 °С. Это подтвердилось и на практике при определении предельно допустимой амплитуды тока транзистора, которая составила 20 А.

Для формирования импульса тока необходим источник напряжения с низким внутренним сопротивлением. Как упоминалось, в качестве такого источника были применены электролитические конденсаторы. Для расчета требуемой емкости накопительного конденсатора надо учитывать, что напряжение не должно опускаться ниже 60 В. При начальном уровне напряжения 100 В запас по напряжению составит 40 В.

Емкость конденсатора составит:

Из стандартного ряда конденсаторов выбран конденсатор емкостью 3300 мкФ на 100 В. Кроме высокой точности регулирования, преимуществом источника тока является практически неограниченная возможность их параллельного включения с такими же источниками, для достижения заданного значения амплитуды тока, как показано на рис. 3.

Функциональная схема установки ударного тока, разработанной на основе источников тока, представлена на рис. 4.

Функциональная схема содержит:

• Источник напряжения 1, который подключен к накопительному конденсатору 2.
• С положительной обкладкой накопительного конденсатора 2 соединены стоки N полевых транзисторов 3, включенных параллельно.
• В истоке каждого полевого транзистора установлен резистор 4.
• Общая точка резисторов 4 соединена с анодом испытуемого полупроводникового прибора 5, катод которого через шунт (датчик тока) 6 соединен с отрицательной обкладкой накопительного конденсатора 2.
• Измерительные выводы шунта (датчика тока) 6 подключены к блоку измерений 7.
• Затворы полевых транзисторов 3 соединены между собой и подключены к выходу усилителя 7.
• Инвертирующий вход усилителя 8 соединен с истоком первого полевого транзистора 3, а неинвертирующий вход усилителя 8 подключен к выходу формирователя эталонного сигнала 9.
• Между инвертирующим входом усилителя 8 и его выходом установлен первый ключ 10, а второй ключ 11 и ограничитель напряжения 12 включены между затворами полевых транзисторов 3 и общей точкой резисторов 4.
• Управляющие входы первого и второго ключей 10 и 11 соединены с соответствующими выходами схемы синхронизации 13, третий вход которой подключен ко входу формирователя эталонного сигнала 9, а четвертый — ко входу генератора управления 14.
• Выход генератора управления 14 подключен к управляющим выводам испытуемого полупроводникового прибора 5.

Установка испытания полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока работает следующим образом:

• Источник напряжения 1 обеспечивает заряд накопительного конденсатора 2 до напряжения около 100 В. Начало формирования импульса ударного тока определяется схемой синхронизации 13, которая подает команды на размыкание первого и второго ключей 10 и 11, команду генератору управления 14 на формирование сигнала управления испытуемым полупроводниковым прибором 5 и импульс запуска для формирователя эталонного сигнала 9.
• Формирователь эталонного сигнала 9 генерирует на своем выходе одиночный импульс правильной полусинусоидальной формы длительностью 10 мс, поступающий на неинвертирующий вход усилителя 8. При этом на выходе усилителя 8 появляется сигнал, поступающий на затворы N полевых транзисторов 3.
• Для защиты транзисторов от пробоя по превышению допустимой импульсной мощности сигнал на затворах ограничивается по уровню ограничителем напряжения 12 и ограничивается по длительности работой первого ключа 10. Сигнал обратной связи, пропорциональный току, протекающему через первый полевой транзистор, снимается с резистора 4, установленного в его истоке, и поступает на инвертирующий вход усилителя 8.
• Поскольку затворы транзисторов 3 объединены, а в истоках транзисторов 3 включены выравнивающие резисторы 4, импульсы тока через каждый из транзисторов 3 примерно одинаковы и повторяют форму эталонного сигнала. В результате суммирования этих импульсов тока формируется полусинусоидальный импульс ударного тока, протекающий через выравнивающие резисторы 4, испытуемый полупроводниковый прибор 5 и шунт (датчик тока) 6 от положительной к отрицательной обкладке накопительного конденсатора 2.
• Амплитуда и форма импульса ударного тока контролируется блоком измерений 7. По окончании импульса ударного тока ключи 10 и 11 замыкаются командами от схемы синхронизации 13.
• Замыкание первого ключа 10 образовывает цепь местной обратной связи усилителя 8, предотвращая его насыщение в промежутках времени между импульсами ударного тока, а замыкание второго ключа 11 гарантированно закрывает транзисторы 3.

Установка имеет блочную конструкцию. Каждый блок установки формирует ток амплитудой до 3,1 кА. Для формирования тока 3,1 кА потребуется 240 простейших источников тока, которые были описаны выше. Все 240 источников тока размещены на 6-ти силовых платах, по 40 шт. на каждой. Конструкция силовой платы показана на рис. 5.

Как было сказано выше, плата содержит 40 простейших источников тока, т. е. на плате расположено по 40 полевых транзисторов, истоковых резисторов и электролитических конденсаторов, а также элементы разряда конденсаторов при отключении установки от сети 220 В.

Силовые блоки установки содержат по 6 таких плат. Структурная схема силового блока изображена на рис. 6.

Источник питания по команде от модуля управления формирует на своем выходе напряжение 100 В. Это напряжение подается на накопительные конденсаторы в силовых платах источников тока и на модуль управления для последующего измерения. Модуль управления формирует управляющий сигнал для источников тока и принимает от одного из них сигнал обратной связи по току.

Силовые выходы источников тока включены параллельно для суммирования тока, протекающего через испытуемый прибор. Регулятор тока, реализованный в модуле управления, представляет собой цифровой ПИ-регулятор. В установке было опробовано два типа регуляторов — аналоговый на операционном усилителе и цифровой. Применение алгоритма цифрового ПИ-регулирования имеет ряд существенных преимуществ перед аналоговым регулятором на основе операционного усилителя.

• Во-первых, для аналогового регулятора необходимо время выхода управляющего напряжения до границы начала отпирания транзисторов перед каждым импульсом, что требует подачи синхросигнала заранее.
• Во-вторых, отсутствует возможность оперативной подстройки пропорционально-интегральных составляющих регулятора.
• В-третьих, в случае обрыва сигнала обратной связи по току есть большой риск выхода из строя транзисторов на силовых платах.

Кроме того, применение цифрового регулирования расширяет функциональные возможности установки возможностью формирования импульсов тока различной формы, например, трапецеидальной для оценки времени распространения включенного состояния испытуемых тиристоров. Для взаимодействия с внешней средой блок оснащен интерфейсом CAN и входом синхронизации для запуска формирователя тока.

Структурная схема установки ударного тока на 120 кА приведена на рис. 7. Установка содержит 39 идентичных блоков, 38 из которых формируют импульсы тока с фиксированной амплитудой, равной 3100 А. Тридцать девятый блок обеспечивает формирование импульса тока с амплитудой, регулируемой от 100 до 3100 А.

Поблочная конструкция установки позволяет легко наращивать максимальную формируемую амплитуду тока. Ограничением такого наращивания является жесткость конструкции и возникающее падение напряжения на силовых шинах, вследствие наличия у них паразитного сопротивления и индуктивности.

Управление установкой осуществляется с блока ввода/вывода, оснащенного емкостным сенсорным 19-дюймовым экраном. На дисплее имеются поля ввода и вывода данных, а также область построения графиков тока и напряжения. Все введенные оператором значения передаются по общей для всех блоков CAN-сети в головной блок управления и измерений. Блок управления конфигурирует все 39 силовых блоков — источников тока, формирует сигнал отпирания для испытуемого тиристора и выдает импульс синхронизации для силовых блоков, по которому начинается формирование импульса тока.

Суммарный импульс тока протекает через блок измерения тока и испытуемый полупроводниковый прибор. Блок измерения тока представляет собой набор шунтов и трехдиапазонный усилитель. Блок управления во время испытаний измеряет ток и падение напряжения на испытуемом приборе. 12-битный АЦП блока управления позволяет измерять ток и напряжения с точностью не хуже 1.5 %, а оригинальный алгоритм распределения уставки по току между силовыми блоками позволяет достичь точности задания не хуже 2 % во всем диапазоне.

Для обеспечения устойчивой работы регулятора тока силовая цепь установки должна иметь минимальную индуктивность. Для снижения паразитной индуктивности силовых шин во всей установке, от силовых плат до магистральной силовой шины, применялась бифилярная конструкция. Экспериментально было определено, что такой подход позволяет добиться минимизации паразитной индуктивности всего шинопровода вместе с зажимным устройством порядка 1-2 мкГн. Осциллограмма падения напряжения на силовых шинах при протекании импульса тока 65 кА приведена на рис. 8. Кроме обеспечения устойчивости регулятора, бифилярная топология установки обеспечивает минимизацию уровня помех, наводимых на измерительную систему при протекании силового тока.

Во время протекания тока по бифилярным силовым шинам силовые линии магнитного поля между шинами складываются, что приводит к взаимному отталкиванию шин. Для предотвращения этого по всей длине через каждые 20 см установлены специальные металлические стяжки (рис. 10). Для обеспечения жесткости шинопровода он закреплен через равные промежутки на корпус силовых шкафов, как показано на рис. 11.

Установка ударного тока состоит из 3х силовых шкафов. В каждом шкафе удалось разместить 13 силовых блоков. В шкафу проходят вертикально силовые шины, к которым подключаются все блоки. Данное подключение изображено на рис. 12.

Установка оснащена автоматическим зажимным устройством для испытания приборов таблеточного типа. Зажимное устройство развивает усилие зажатия до 100кН и позволяет проводить испытание приборов при температуре до 200 °С. Данное зажимное устройство является самостоятельным узлом, которое управляется по CAN-интерфейсу. Оно оснащено электроприводом и шарико-винтовой передачей для перемещения рабочей части пресса, на которой расположен испытуемый прибор по вертикальной оси.

Датчик усилия, находящийся в зажимном устройстве позволяет контролировать усилие зажатия. Процесс зажатия не требует каких либо действий со стороны оператора, все происходит автоматически. Зажимное устройство изображено на рис. 13.

В таблице 1 приведены технические характеристики установки ударного тока.

Таблица 1. Параметры установки ударного тока

Установка ударного тока, описанная в статье, успешно реализована и находится в эксплуатации на производстве в АО «Протон-Электротекс» (рис. 14). За все время работы, начиная с 2017 года, показала свою надежность, стабильность характеристик и удобство в эксплуатации.

Установка демонстрирует самый высокий показатель соотношения величины формирования ударного тока к собственным габаритам. Оригинальный подход к формированию тока и бифилярная конструкция силовых шин позволили добиться идеальной полусинусоидальной формы импульса тока, которая сохраняется не только при изменении падения напряжения на испытуемом приборе от 2-3 до 50-55 В, но и в момент его разрушения.

Установка многофункциональна и позволяет проводить испытания СПП на стойкость к воздействию ударного тока, измерять прямое падение напряжения в открытом состоянии при полусинусоидальной и трапецеидальной форме тока, а также позволяет наблюдать процесс распространения включенного состояния. Техническое решение, по которому реализована установка, защищено патентом на полезную модель [4].

Авторы: Верёвкин В., Иванов Д., Костусяк В., Сытый А., Семёнов П., Алымов Д.

Литература

• Бурцев Э. Ф., Грехов И. В., Крюкова Н. Н. «Локализация тока в кремниевых диодах при большой плотности тока». — ФТП, 1970, № 10, с. 1955-1962.
• В. М. Бардин, Л. Г. Моисеев, Ж. Г. Сурочан, О.Г. Чебовский. «Аппаратура и методы контроля параметров силовых полупроводниковых вентилей». М.: «Энергия». 1971 г.
• Р. Лаппе, Ф. Фишер «Измерения в энергетической электронике». М.: «Энергоатомизат». 1986 г.
• Патент на полезную модель № 185719 «Стенд для испытаний силовых полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию ударного тока».