Удосконалення методик розрахунку нестаціонарних процесів у напівпровідникових електронних апаратів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ДИСЕРТАЦІЯ

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДИК РОЗРАХУНКУ НЕСТАЦІОНАРНИХ ПРОЦЕСІВ У НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ЕЛЕКТРОННИХ АПАРАТІВ

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українській інженерно-педагогічній академії Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент, Ягуп Валерій Григорович, Українська інженерно-педагогічна академія, м. Харків, професор кафедри автоматики та радіоелектроніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Яковлєв Олександр Іванович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, завідувач кафедри енергетики та електротехніки;

доктор технічних наук, професор, Ільїна Наталя Олександрівна, Харківська державна академія міського господарства, професор кафедри світлотехніки та джерел світла.

Провідна установа Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “ 19 ” квітня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Болюх В.Ф.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток силової електроніки, що відбувається в останні десятиліття, впровадження в схемотехніку інтегральних схем і мікропроцесорних пристроїв привели до широкого застосування елементів силової електроніки в низьковольтному апаратобудуванні. Останнім часом цей процес набув прискореного характеру у зв'язку з тим, що традиційні способи підвищення якості контактних апаратів (КА), особливо їх електричної й механічної зносостійкості все більше вичерпують себе.

У даний час чітко визначилися два основних шляхи розвитку електричних апаратів, пов'язані із зазначеним вище процесом: створення безконтактних електронних апаратів (ЕА) і створення гібридних ЕА.

Застосування в ЕА як основного силового елемента напівпровідникового ключа (НК), виконаного на базі силових напівпровідникових приладів (СНП), для бездугової комутації електричних кіл дозволяє не тільки істотно підвищити зносостійкість і швидкодію нових апаратів, але і здійснювати більш складні процеси керування електроустаткуванням, ніж операція “включено - виключено”, яку виконують КА. Це створює сприятливі умови в різних галузях промисловості для одержання значного економічного ефекту за рахунок оптимізації технологічних процесів.

З огляду на ту важливу роль, яку відіграє НК у складі ЕА, а також на високі вимоги до нього щодо надійності, виникає необхідність у більш ретельних дослідженнях нестаціонарних електрофізичних процесів, що відбуваються в НК при комутації електричних кіл з урахуванням специфіки їхньої роботи у складі як безконтактних, так і гібридних ЕА. Природно також виникає потреба у створенні удосконалених методик розрахунку цих процесів з урахуванням особливостей роботи СНП у цих ключах, що, як правило, не дозволяють використовувати традиційні методики розрахунку, застосовувані в силовій електроніці, без їх істотної доробки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Головним виконавцем розробки ЕА змінного і постійного струмів у рамках Державної комплексної програми “Електротехніка”, п. п. 3.2.2; 3.2.3; 3.2.6; 3.2.16 є ОКБ НВО “ХЕМЗ”. Результати досліджень, виконаних за участю автора у рамках договору № 1031/94 (ДР № 01940003347) на проведення науково-дослідної роботи за темою “Дослідження та розробка низьковольтних безконтактних комутаційних пристроїв із засобами управління та контролю для АРУ систем управління” (замовник ОКБ НВО “ХЕМЗ”), наведені в дисертації. Ці дослідження спрямовані на створення високонадійних і конкурентоспроможних ЕА і знайшли застосування при розробці ряду ЕА, що підтверджено актами впровадження результатів дисертаційної роботи в ОКБ НВО “ХЕМЗ” і АТ “ЕНАС” (колишній ВНДІЕлектроапарат).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка удосконалених методик розрахунку нестаціонарних електромагнітних і теплових процесів у НК, що дозволяють проектувати високонадійні ЕА з прийнятними габаритними розмірами й вартістю.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити такі задачі:

на основі аналізу сучасних напрямків розвитку ЕА показати роль НК при створенні ЕА, виконати класифікацію НК і показати специфіку роботи СНП у їхньому складі;

провести комплексні теоретичні й експериментальні дослідження динаміки електричних впливів у НК і на підставі цих досліджень, а також з урахуванням узагальнень і уточнень відомих досліджень розробити удосконалені методики, що дозволяють на сучасному технічному рівні проектувати всі типи НК при їх роботі у складі високонадійних ЕА;

виконати теоретичні й експериментальні дослідження нестаціонарного теплового режиму СНП при впливі специфічного навантаження імпульсом струму, що має місце в ЕА, і на основі цих досліджень розробити удосконалені методики розрахунку температури напівпровідникової структури СНП, що є найважливішим параметром, який визначає термін їхньої служби і перевантажувальну здатність НК;

дати рекомендації щодо застосування розроблених методик розрахунку.

Об'єкт дослідження - НК як головна складова частина безконтактних і гібридних ЕА.

Предмет дослідження - нестаціонарні електрофізичні процеси в НК при комутації електричних кіл з урахуванням їх типу й режимів роботи у складі ЕА й удосконалені методики розрахунку цих процесів.

Методи дослідження. Аналіз електромагнітних процесів, що відбуваються в НК, які становлять нелінійні електричні кола, проведено методом, заснованим на розбивці процесу на окремі інтервали комутації. При цьому СНП у схемах вважалися або ідеальними ключами, або їхні вольт-амперні характеристики апроксимувалися відомими аналітичними виразами. Нестаціонарне температурне поле СНП досліджували за допомогою інтегрування рівнянь температурного поля в частинних похідних. При вирішенні цих рівнянь використовували чисельні методи із застосуванням ЕОМ або інтегральне перетворення Лапласа. Дослідні дані отримані сучасними методами експериментального дослідження.

Наукова новизна одержаних результатів:

- установлено, що навантаження струмом на СНП гібридних НК має циклічний характер, причому тривалість імпульсу струму в процесі роботи безупинно змінюється, підпорядковується закону ймовірностей з рівномірною щільністю розподілу, не залежить від характеру навантаження, що відключається, а визначається схемою ключа й режимом його роботи;

- показано, що НК постійного струму зі схемою примусової комутації основного тиристора імпульсом струму перевершують інші схеми за рівнем використання заряду комутуючого конденсатора, приблизно на 20 %;

- виявлено за результатами досліджень нестаціонарного теплового режиму СНП, виконаних на основі запропонованої автором теплової моделі, яка адекватно відображає конструкцію СНП, що тепло за час короткочасного (до 10 мс) імпульсу струму не виходить за межі випрямного елемента СНП, що дозволило, використовуючи спрощену теплову модель, істотно спростити розрахунок теплового режиму СНП в умовах їхньої роботи у складі ЕА;

- розроблено обладнання й методи для експериментальних досліджень нестаціонарних теплових процесів у СНП при впливі на них короткочасних імпульсів струму, що дозволяють на відміну від відомих вимірювати перегрів напівпровідникової структури не тільки силових тиристорів, але і діодів у будь-який момент впливу імпульсу довільної форми при виключенні впливу комутуючих елементів устаткування на власні теплові процеси в СНП завдяки застосуванню в їхній якості швидкодіючих IGBT - транзисторів; електронний апарат тепловий

- показано, що розрахунок комутаційних перенапруг на НК ЕА необхідно обов'язково здійснювати з урахуванням попередньо включеної індуктивності мережі і динамічних параметрів СНП, що визначають як процеси їхнього включення, так і відключення.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано удосконалені методики розрахунку нестаціонарних процесів у НК, що дозволяють на високому науково-технічному рівні проектувати сучасні ЕА. Основні з них такі:

- розрахунок навантаження струмом на всі запропоновані типи НК з урахуванням їх режимів роботи в ЕА (у тому числі аварійних), характеру навантаження і динамічних характеристик СНП, що входять до складу НК;

- розрахунок перевищення температури напівпровідникової структури СНП в умовах їхньої роботи у складі ЕА на базі запропонованих і обґрунтованих автором теплових моделей і методів дослідження;

- розрахунок комутаційних перенапруг на НК і параметрів їхніх захисних ланцюгів для різних режимів роботи і схем включення ЕА (у тому числі реверсивних) з урахуванням зарядного рівняння СНП і його заряду зворотного відновлення, а також попередньо включеної індуктивності мережі.

Запропоновані методики використовувалися в ОКБ НВО “ХЕМЗ” і АТ“ЕНАС” м. Харкова при розробці ЕА змінного і постійного струмів на номінальні струми до 630 А і напруги до 660 В таких типів: гібридних і безконтактних електронних контакторів, безконтактних вимикачів і перемикачів для низьковольтних систем автоматичного введення резерву та ін.

Зазначені методики мають універсальний характер і можуть бути використані при розробці інших виробів, у тому числі пристроїв силової електроніки.

Особистий внесок здобувача. У роботах, виконаних у співавторстві: в [1, 2] здобувачем виконано аналітичні розрахунки, розроблено комп'ютерні програми; в [3, 8] - визначено напрямок досліджень, виконано аналітичні розрахунки, розроблено комп'ютерні програми; в [7] - розроблена іспитова установка і виконані експериментальні дослідження з обробкою результатів вимірів методами математичної статистики; в [9, 11] - проведено аналітичний огляд літературних джерел за тематикою робіт і визначено перспективні напрямки розробки ЕА; в [10] здобувачеві належить ідея структурної побудови дискретного регулятора і запропоновано методи розрахунку основних його елементів; в [12] здобувачеві належить ідея врахування попередньо включеної індуктивності мережі, вибір методу розрахунку і розробка комп'ютерних програм; в [13] - запропоновано метод розрахунку комутаційних перенапруг, виконані аналітичні розрахунки основних комутаційних процесів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися й обговорювалися на VII Міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я” MicroCAD-99 (м. Харків, 1999 р.); на міжнародному симпозіумі “Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія й практика” SIEMA '2000 (м. Харків, 2000 р.); на ХХХ науково-технічній конференції викладачів, аспірантів, співробітників ХДАМГ(м. Харків, 2000 р.), на І Всеукраїнській науково-технічній конференції аспірантів і студентів “Автоматизація технологічних об'єктів і процесів. Пошук молодих” (м. Донецьк, 2001 р.), а також на засіданнях кафедр “Теоретична і загальна електротехніка” Української інженерно-педагогічної академії і “Електричні апарати” Національного технічного університету “ХПІ”, на засіданнях науково-технічних рад ОКБ НВО “ХЕМЗ” і АТ “ ЕНАС”.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 14 наукових праць, з них 10 у фахових наукових виданнях, 2 - у тезах доповідей на конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку та двох додатків. Повний обсяг дисертаційної роботи складає 177 сторінок, 18 ілюстрацій по тексту та 35 ілюстрацій на 24 сторінках, 8 таблиць по тексту та 3 таблиці на 2 сторінках, 2 додатки на 7 сторінках, 96 найменувань використаних літературних джерел на 9 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами, сформульовано мету і задачі роботи, викладено наукову новизну, практичну значимість одержаних результатів.

У першому розділі проведено аналіз стану питання і сформульовано задачі досліджень.

Розглядаючи критично сучасні напрямки розвитку низьковольтних (до 1000 В) силових ЕА, автор показує, що створення ЕА є перспективним напрямком у розвитку апаратобудування, що дозволяє не тільки підвищити надійність нових апаратів, але й істотно розширити їхні функціональні можливості, роблячи ЕА конкурентоспроможними на світовому ринку, незважаючи на їхні підвищені габарити і вартість. У результаті аналізу достоїнств і недоліків ЕА порівняно з КА, а також потреби в них визначені області найбільш раціонального застосування безконтактних і гібридних ЕА і місце, яке вони займають серед різноманіття електричних апаратів. При цьому встановлено, що обсяг випуску ЕА складає 5...8 % від загального виробництва електричних апаратів і має тенденцію до безперервного зростання у зв'язку з широкою автоматизацією і комп'ютеризацією виробничих процесів і динамічним розвитком елементної бази силової електроніки.

Головною складовою частиною ЕА є безконтактні й гібридні НК, що не тільки забезпечують бездугову комутацію електричних кіл, але і дозволяють значно розширити функції ЕА завдяки можливості регулювання потужності в навантаженні за заданим законом, істотно підвищуючи тим самим якість їхніх сервісних характеристик. Автор пропонує класифікувати НК за такими ознаками: способом бездугової комутації, родом струму, способом керування, числом фаз і схемою з'єднання і показує, що така класифікація дозволяє досить повно охопити діапазон можливого використання НК у складі ЕА.

Автор також показує, що проектування НК, метою якого є вибір типу ключа й основних елементів, що входять до його складу, становить досить трудомістке завдання. Це обумовлено складністю електромагнітних і теплофізичних процесів, що відбуваються в НК при роботі ЕА. Наприклад, навіть у сталому режимі роботи регульованого ключа струм і напруга на СНП, що є основними елементами НК, мають квазістаціонарний характер. Крім того, за своїм призначенням НК ЕА повинні надійно відключати аварійні струми (у тому числі струми к.з.), що виникають у їхньому колі. Тобто на відміну, наприклад, від пристроїв силової електроніки, де СНП повинні тільки витримувати протікання аварійного струму, у НК ЕА ці прилади повинні ще забезпечити відключення кіл після проходження по них граничних струмів, так й при досить високих перенапругах, що супроводжують цей процес.

Далі автор на прикладі аналізу роботи гібридних електронних контакторів, що є найбільш масовими ЕА, показує, що характер навантаження струмом на СНП їх НК, нестаціонарні теплові процеси, що протікають при цьому в СНП, а також характер впливу на них комутаційних перенапруг істотно відрізняється від аналогічних процесів у СНП НК при використанні останніх у пристроях силової електроніки. показано також, що існуючі методи розрахунку НК, розроблені, як правило, для умов їхнього застосування у зазначених вище пристроях, не можна використати за прямим призначенням для розрахунку НК, які працюють у складі ЕА, оскільки вони не забезпечують необхідну точність. Тому для забезпечення високоякісного проектування головної складової частини ЕА - НК і створення на їхній основі високонадійних ЕА з прийнятними габаритами і вартістю виникає необхідність у проведенні додаткових досліджень нестаціонарних електрофізичних процесів у НК ЕА з метою створення удосконалених методик їхнього розрахунку. Основні задачі цих досліджень сформульовані в розділі “Загальна характеристика роботи”.

У другому розділі досліджено особливості впливу навантаження струмом на НК ЕА, запропоновано методи розрахунку цього навантаження і дано рекомендації щодо раціонального використання різних типів НК.

Проведені дослідження роботи регульованих НК змінного струму із застосуванням ЕОМ і урахуванням узагальнення відомих досліджень дозволили авторові розрахувати сімейства характеристик керування цих НК, які графічно зображують залежності від кута керування СНП () цих ключів і кута навантаження (_н) діючих значень струмів і напруг, що мають місце як у НК, так і в навантаженні, причому з виділенням діючих значень перших гармонік. Показано, що відмітною рисою їх є те, що вони дозволяють не тільки кваліфіковано і з малими витратами часу вибирати СНП для цих ключів з урахуванням їх типу і режиму роботи, але й використовувати їх для вибору раціонального режиму роботи споживача. Усі отримані характеристики придатні і для розрахунку керованих НК на стадії їхньої роботи в регулювальному режимі.

В результаті дослідження характеру навантаження струмом на СНП гібридних НК змінного струму в повторно-короткочасному режимі, що є основним для гібридних ЕА, і безконтактних НК змінного струму в умовах їхньої роботи в аварійних режимах, у тому числі і при симетричному к. з., отримано аналітичні вирази для розрахунку навантаження струмом на СНП у цих умовах і дано рекомендації щодо їх використання. У результаті аналізу кінцевих результатів дослідження встановлено:

- навантаження струмом на СНП гібридних НК має імпульсний циклічний характер, причому тривалість імпульсу струму в процесі роботи безупинно змінюється, підкоряючись закону ймовірностей з рівномірною щільністю розподілу, не залежить від характеру навантаження, що відключається, а визначається схемою ключа і режимом його роботи (одно - або трифазний), тобто істотно відрізняється від характеру навантаження на СНП при їхньому застосуванні в інших областях, наприклад, у силовій електроніці;

- для визначення граничної комутаційної здатності НК необхідно застосовувати вирази для струму через СНП при симетричному трифазному к.з., коли його величина є найбільшою і при обов'язковому виконанні умови, при якій досягається максимум миттєвого значення повного струму в колі к.з.

Далі на підставі дослідження нестаціонарних електричних впливів у НК постійного струму розроблено удосконалену інженерну методику розрахунку основних елементів схеми примусової комутації цих ключів, що враховує на відміну від відомих використання заряду комутуючого конденсатора і динамічні характеристики тиристорів. При цьому показано:

- схема НК з комутацією основного тиристора імпульсом струму має переваги в порівнянні з іншими схемами за рівнем використання заряду комутуючого конденсатора (в середньому краще на 20 %). Запропоновано додаткове введення активного опору (наприклад, потужного варистора) у ланцюг зворотного діода, що дозволяє усунути властиві цій схемі недоліки, пов'язані з ненадійним запиранням основного тиристора при малих зворотних напругах і не приводить до істотного збільшення втрат у контурі комутації через відносно невисоку частоту включення НК;

- застосування IGBT - транзисторів при створенні НК постійного струму недоцільне, оскільки за перевантажувальною здатністю вони істотно поступаються тиристорам, мають велике значення прямого падіння напруги у включеному стані (до 3 В), а їхні високі динамічні властивості в ЕА не затребувані;

- застосування двоопераційних тиристорів у НК постійного струму є перспективним. Однак у зв'язку з високою вартістю та гіршими порівняно з традиційними тиристорами динамічними властивостями їх доцільно застосовувати при створенні ЕА на невеликі (до 40 А) номінальні струми. При цьому необхідно забезпечувати їхній захист від перенапруг, обумовлених електромагнітною енергією, що запасена в попередньо включеній індуктивності мережі.

Третій розділ присвячений дослідженню теплового режиму СНП в умовах роботи в ЕА і розробці удосконалених методик його розрахунку.

Тепловий режим СНП є одним з найважливіших факторів, що визначають їхню надійну роботу. Він характеризується температурою напівпровідникової структури, що залежить від потужності, яка виділяється в СНП, і його конструкції. Розрахунок цієї температури в умовах роботи СНП у ЕА істотно ускладнюється через нестаціонарний характер теплових процесів, що протікають у СНП, обумовлених специфічною формою імпульсів навантаження.

У результаті аналізу існуючих методів розрахунку теплового режиму СНП показано, що найбільш прийнятними для розрахунку цього режиму СНП в умовах їхньої роботи в складі ЕА є традиційний графоаналітичний метод, що базується на використанні наведених у довідкових матеріалах на СНП часових залежностей для їхніх теплових опорів, і аналітичний метод, заснований на вирішенні (чисельно на ЕОМ чи безпосередньо) рівнянь теплопровідності для спрощеної теплової моделі. Перший з них рекомендується застосовувати при розрахунку теплового режиму СНП, які працюють у режимі тривалого навантаження (більше 0,1 с), а другий - у режимі короткочасного (порядку 10 мс) імпульсного навантаження. Застосування більш розповсюдженого першого методу для розрахунку температури СНП при короткочасному навантаженні не прийнятне через те, що, як показав автор на прикладі розрахунку адіабатичного нагріву кремнієвої пластини СНП (Т161-160) прямокутним імпульсом струму тривалістю до 10 мс, наведені для СНП у довідкових матеріалах величини перехідного теплового опору є істотно завищеними на цьому часовому інтервалі.

Вивчення конструкції потужного тиристора свідчить, що в першому, найбільш загальному наближенні, його теплофізична модель може бути подана у вигляді системи різнорідних пластин із внутрішнім джерелом тепла, розташованим у напівпровідниковій структурі. Нестаціонарні теплові процеси в таких системах описуються системою нелінійних рівнянь у частинних похідних з неоднорідними граничними і початковими умовами, розв'язання яких виконується чисельним методом за допомогою ЕОМ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Однак при розглянутих малих тривалостях імпульсів струму реальним є припущення, що тепло за час імпульсу не встигає поширитися досить далеко від свого джерела (напівпровідникового переходу) і тому для розрахунку теплового режиму тиристорів, які працюють в цих умовах, можна буде використовувати його спрощену теплову модель. щоб обґрунтувати таку модель, автор пропонує застосовувати на цьому етапі теплову модель тиристора (рис. 1), що, за винятком охолоджувачів, враховує практично всі елементи силового тиристора (Si - кремнієва пластина, W - вольфрамовий термокомпенсатор, Cu - мідна основа, Sn - шар припою). Оскільки модель симетрична, то на рис. 1 показана тільки її права частина. При цьому були прийняті такі допущення:

- градієнт температури в площині, перпендикулярній до осі приладу, дорівнює нулю;

- вся енергія втрат виділяється у площині, розташованій в центрі кремнієвої пластини;

- початкова температура всіх елементів моделі однакова;

- вольт-амперна характеристика тиристора в прямому напрямку апроксимується граничною напругою U₀ і лінійною залежністю від струму при u U₀ , обумовленою диференціальним опором R_d.

Тоді розподіл температури в розрахунковій моделі визначається такою системою рівнянь

(1)

де змінні і параметри з індексом 1 - для кремнієвої пластини, з індексами 2 і 4 - для припою, з індексом 3 - для вольфраму, з індексом 5 - для міді; - перевищення температури; - коефіцієнт температуропроводності; с() - питома теплоємність; - питома щільність; () - коефіцієнт теплопровідності.

Граничні і початкові умови для системи рівнянь (1) такі:

де - поверхнева щільність потужності, що розсіюється в р- п - переході ;

P(t)=i (t)[U₀ + i(t)R_d], i(t) - миттєве значення струму, що протікає через тиристор; S - переріз р - п - структури в центрі кремнієвої пластини.

2. Для кожної поверхні розподілу, розташованої на границі двох сусідніх шарів, у будь-який момент часу мають місце граничні умови четвертого роду:

і _k-1 = _k , де k =2...5.

3.На границях двох крайніх шарів моделі - граничні умови третього роду:

де _k5 - перевищення температури на кінці моделі; - коефіцієнт тепловіддачі.

Початкові умови:

t = 0, ₁ = ₂ = … = ₅ = 0 .

Вирішення системи рівнянь (1) виконується на ЕОМ методом скінчених різниць із застосуванням неявної схеми.

Залежності , с і R_d від при вирішенні вважалися лінійними.

У таблиці наведено результати розрахунку напівпровідникової структури (у її центрі) для тиристора Т 161-160 при впливі на нього одиночної напівхвилі синусоїдального струму, що має місце в однофазних і трифазних із нульовим проводом гібридних НК:

, (2)

де І_М - амплітуда струму; - циклічна частота; - початкова фаза.

Таблиця. Розрахункові й експериментальні значення р-п- структури

Метод визначення	ІМ,	Поточний час, мс
	А	2	5	6	7	8	9	10
Розрахунковий, на	1400	5,9	23,4	27,8	29,0	27,0	22,5	18,5
основі моделі (рис. 1)	2000	10,1	43,8	49,5	50,0	47,0	39,0	33,0
Розрахунковий, на основі	1400	5,77	23,2	26,4	26,8	24,7	21,1	17,1
спрощеної моделі (рис. 2)	2000	9,83	41,7	47,5	48,1	44,1	37,3	30,3
Експериментальний	1400	6,10	22,8	25,1	26,5	24,0	20,8	18,1
	2000	10,5	41,1	47,2	48,0	43,2	37,0	31,8

Аналіз наведених у таблиці значень для різних видів досліджень свідч

ить, що розрахункові й експериментальні значення на розглянутому відрізку часу не відрізняються більше ніж на 12 %, що цілком прийнятно для таких складних досліджень, і що запропонована і спрощена моделі досить точно відбивають температурний режим силових тиристорів при короткочасному навантаженні струмом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основними параметрами, що характеризують тепловий режим силових тиристорів в імпульсному режимі, є максимальна температура (Т_М) при проходженні імпульсу навантаження і температура (Т_К) наприкінці імпульсу.

Перший параметр визначає термін служби приладу в імпульсному режимі (циклостійкість), а другий - його перевантажувальну здатність. Розглянутий вище метод дозволяє визначити ці параметри, однак через свою складність він мало придатний для практичного застосування. Тому розробку зручної інженерної методики розрахунку температури напівпровідникової структури доцільно здійснювати на основі спрощеної теплофізичної моделі тиристора, що відбиває теплові процеси тільки в його випрямному елементі. Така модель показана на рис.2, де кремнієва пластина (Si) знаходиться в тісному тепловому контакті з вольфрамовим термокомпенсатором (W), що зображений у вигляді напівобмеженого тіла.

Розрахунок нагрівання напівпровідникової структури силового тиристора при впливі на нього короткочасних (до 10 мс) імпульсів навантаження довільної форми проводиться для різних типів теплового джерела (плоский і об'ємний) і при різних параметрах (електричних і геометричних), що охоплюють майже всю гаму силових тиристорів, що випускаються в СНД . Прийняті раніше допущення залишаються чинними.

Для випадку з об'ємним джерелом тепла, рівномірно розподіленим по об'єму кремнієвої пластини, розподіл температури в моделі тиристора визначається системою рівнянь

, (3)

де - питома потужність, що виділяється в кремнієвій пластині, - об'єм кремнієвої пластини.

Граничні й початкові умови для системи рівнянь (3) такі:

3. x , ₂ = 0. При t = 0 ₁ = ₂ = 0.

В результаті аналітичного вирішення системи (3), при якому використовується інтегральне перетворення Лапласа, одержано вираз для визначення перевищення температури в центрі кремнієвої пластини, тобто його максимального значення.

При 0 < t < t_і , (4)

де , , ,

t_і - тривалість імпульсу, i(t) - імпульс струму довільної форми, l - довжина ділянки першої моделі.

При впливі на тиристор імпульсу струму за виразом (2), формула (4) має вигляд

(5)

Аналогічно можна записати вираз (4) і при будь-якій іншій формі імпульсу. Для випадку з плоским джерелом тепла після вирішення рівнянь теплопровідності вираз, аналогічний (4), набуває такого вигляду

, (6)

де

Таким чином, отримані аналітичні вирази типу (4) і (6) дозволяють визначити перевищення температури силових тиристорів при будь-якій формі короткочасного імпульсу струму, а запропоновані автором програми розрахунку на ЕОМ також дозволяють при малих часових витратах встановили перевищення температури напівпровідникової структури практично для всіх силових тиристорів, які випускаються в СНД, при впливі на них імпульсів струму, що мають місце при їхній роботі у складі НК ЕА.

Порівняння отриманих значень для тиристора Т 161-160 на різних часових відрізках імпульсів струму синусоїдальної і прямокутної форми для випадку з плоским і об'ємним джерелами тепла показало, що значення напівпровідникової структури, розраховані за допомогою двошарової моделі, практично не відрізняються від значень, розрахованих на основі багатошарової моделі, та що при визначенні максимальної температури (Т_М) структури СНП рекомендується користуватися виразом, отриманим для випадку з плоским джерелом тепла, а для визначення температури структури (Т_К) наприкінці імпульсу - виразом, одержаним для випадку з об'ємним джерелом тепла.

Запропонована методика розрахунку придатна і для розрахунку температурного режиму силових діодів при короткочасному навантаженні.

Для експериментальної перевірки точності запропонованих вище методів розрахунку температури напівпровідникової структури автором було розроблено обладнання і методи, що на відміну від відомих дозволяють вимірювати перевищення температури напівпровідникової структури не тільки силового тиристора, але й діода, причому в будь-який момент впливу імпульсу довільної (у тому числі синусоїдальної) форми й амплітудою до 3 кА при виключенні впливу комутуючих елементів обладнання на власні теплові процеси в СНП завдяки застосуванню в їхній якості швидкодіючих JGBT - транзисторів.

Експериментально досліджено партію найбільш уживаних тиристорів типу Т 161-160 в кількості 98 шт. при впливі одиночних напівхвиль синусоїдальних імпульсів з амплітудою 1400 і 2000А. При цьому визначали: перевищення температури наприкінці імпульсу струму - _К ; максимальне перевищення температури - _М ; залежність перевищення температури від часу при впливі синусоїдального імпульсу струму.

Результати експериментальних досліджень підтвердили правильність розробленої методики розрахунку температури напівпровідникової структури СНП в імпульсному режимі. На підставі проведеного статистичного аналізу результатів експерименту отримані залежності для визначення основних параметрів закону розподілу перевищення температури структури, що дозволяє виконувати більш якісний аналіз теплового режиму тиристорів.

Проведено також аналіз теплового режиму СНП при тривалому впливі навантаження струмом у найбільш характерних режимах роботи НК у складі ЕА, в результаті якого отримано основні розрахункові співвідношення для визначення таких найважливіших параметрів ЕА, як номінальний струм, номінальний робочий струм, перевантажувальна характеристика і т.п., а також запропоновано технічні заходи для підвищення номінального струму ЕА. Виконані на ЕОМ програми їхнього розрахунку дозволяють використовувати прогресивні методи автоматизованого проектування при розробці ЕА.

Пропоновані автором методики використано при створенні різних типів ЕА, із забезпеченням при цьому високого технічного рівня розробки при істотному зниженні трудових витрат на їх проектування.

У четвертому розділі виконано комплексні дослідження комутаційних перенапруг на НК з урахуванням динамічних властивостей СНП і на їхній основі розроблено удосконалені методики розрахунку цих перенапруг, що дозволяють науково обґрунтовано вибирати як клас СНП по перенапрузі, так і параметри захисних ланцюгів.

У процесі роботи як безконтактних, так і гібридних ЕА до СНП у момент їхнього вимикання (або включення апаратів, що знаходяться поруч) прикладається комутаційна напруга. Для надійної роботи СНП у ЕА необхідно, щоб амплітуда цієї напруги і швидкість її наростання не перевищували відповідних гранично допустимих значень, заданих для цього типу приладу. Показано, що характер комутаційної напруги на СНП НК визначається параметрами кола, що відключається, режимом роботи ключа (однофазний або трифазний, реверсивна схема включення), схемою з'єднання СНП, параметрами прийнятої схеми захисту від перенапруг, а також динамічними характеристиками СНП.

В результаті проведених теоретичних і експериментальних досліджень комутаційних перенапруг на СНП НК з урахуванням вищевказаних факторів, а також узагальнення відомих досліджень розроблено такі удосконалені методики розрахунку:

- узагальнена методика розрахунку комутаційних перенапруг на СНП і параметрів захисних RC - ланцюгів, яка відзначається тим, що придатна для всіх типів НК змінного струму і розроблена з урахуванням режимів роботи НК (у тому числі аварійних), характеру навантаження і динамічних характеристик СНП (у тому числі зарядного рівняння СНП і його заряду зворотного відновлення);

- методика розрахунку перенапруг у НК постійного струму з урахуванням попередньо включеної індуктивності.

При цьому показано наступне:

- у трифазних мережах комутаційні перенапруги для НК із спрощеною силовою схемою приблизно на 20 % вище, ніж для НК, у кожному полюсі якого встановлено по два паралельно включених тиристори;

- для правильного вибору параметрів захисного RC - ланцюга необхідно U_ТМАКС розраховувати при номінальному струмі, а ( )_МАКС - при граничних значеннях струму, що відключається;

- найбільш несприятливі умови за впливом перенапруг на СНП мають місце при реверсивному включенні НК, тому цей режим є визначальним при проектуванні НК. При цьому використання зарядного рівняння тиристора при аналізі перенапруг на силові тиристори дає можливість на кількісно новому рівні оцінити вплив швидкості наростання напруги на тиристори. Останнє особливо важливо, тому що дозволяє застосовувати в НК недорогі тиристори з невисокими допустимими швидкостями наростання напруги;

- через наявність попередньо включеної індуктивності рівень перенапруг на комутуючому конденсаторі НК постійного струму може багаторазово перевищувати напругу мережі. У цьому випадку найбільш ефективним способом його обмеження є застосування лінійного обмежувача перенапруг;

- незначна розбіжність розрахункових і експериментальних значень досліджуваних величин (до 9 %) обумовлюється похибками вимірів, а також прийнятими допущеннями при теоретичних дослідженнях.

Перераховані вище розрахункові методики використовувалися при розробці ЕА в ОКБ НВО “ХЕМЗ” і в АТ“ЕНАС”.

Висновки

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в розробці й удосконаленні методик розрахунку нестаціонарних електрофізичних процесів у НК, які є головною частиною гібридних і безконтактних ЕА і визначають основні техніко-економічні показники останніх. Розв'язання зазначеної задачі забезпечує проектування НК на сучасному рівні і дозволяє створювати на їхній основі конкурентоспроможні апарати.

1. Проведений аналіз стану питання показав, що головною складовою частиною ЕА є безконтактні і гібридні НК, що не тільки забезпечують надійну комутацію електричних кіл, але і дозволяє значно розширити функції ЕА. При цьому було встановлено, що особливості роботи НК ЕА, обумовлені складністю нестаціонарних електромагнітних та теплових процесів, що протікають у них, і специфікою роботи СНП, що входять до їхнього складу, не дозволяють застосовувати за прямим призначенням існуючі методики розрахунку НК, розроблені в основному для умов роботи у складі пристроїв силової електроніки без їхнього удосконалення та подальшого розвитку.

2. Проведено аналіз особливостей навантаження струмом на СНП гібридних НК змінного струму в повторно-короткочасному режимі роботи і безконтактних НК змінного струму в умовах їхньої роботи в аварійних режимах, у результаті якого отримано аналітичні вирази для розрахунку навантаження на СНП з урахуванням специфіки токових імпульсів і дано рекомендації щодо їхнього використання. При цьому встановлено, що навантаження струмом на СПП гібридних НК має циклічний характер, причому тривалість імпульсу струму в процесі роботи безупинно змінюється і підпорядковується закону ймовірностей з рівномірною щільністю розподілу. Запропоновано також сімейства характеристик керування регульованих НК змінного струму, які визначаються тим, що дозволяють не тільки вибирати СНП для цих ключів з урахуванням їх типу і режиму роботи, але і використовувати їх (сімейства) для вибору раціонального режиму роботи споживача.

3. Розроблено удосконалену інженерну методику розрахунку основних елементів схеми примусової комутації НК постійного струму з урахуванням використання заряду комутуючого конденсатора і динамічних характеристик тиристорів. Показано, що схема примусової комутації із запиранням основного тиристора імпульсом струму перевершує інші схеми за рівнем використання заряду комутуючого конденсатора.

4. результатами досліджень нестаціонарного теплового режиму СНП, виконаних на основі запропонованої автором багатошарової теплової моделі, що адекватно відбиває конструкції СНП виявлено, що тепло за час короткочасного (порядку 10 мс) імпульсу навантаження не виходить за межі випрямного елемента СНП. Це дозволило, використовуючи спрощену теплову модель, створити інженерну методику розрахунку теплового режиму СНП в умовах їхньої специфічної роботи у складі ЕА. Коректність цієї методики підтверджена результатами експериментальних досліджень партії тиристорів типу Т161-160 в кількості 98 шт., оброблених за допомогою методів математичної статистики.

5. Розроблено обладнання і методи для експериментальних досліджень нестаціонарних теплових процесів СНП при впливі на них короткочасних імпульсів струму, які на відміну від відомих дозволяють вимірювати перевищення температури напівпровідникової структури не тільки силового тиристора, але й діода, причому в будь-який момент впливу імпульсу довільної форми й амплітудою до 3 кА при виключенні впливу комутуючих елементів обладнання на власні теплові процеси в СНП завдяки застосуванню в їхній якості швидкодіючих IGBT - транзисторів.

6. Отримано у результаті подальшого розвитку відомих досліджень основні розрахункові співвідношення для визначення таких найважливіших параметрів ЕА, як номінальний струм, номінальний робочий струм, перевантажувальна характеристика в найбільш характерних режимах їхньої роботи, а також запропоновано технічні заходи щодо підвищення номінального струму.

7. Проведено з урахуванням узагальнень відомих досліджень комплексні дослідження комутаційних перенапруг на СНП НК, в результаті яких розроблено такі удосконалені методики розрахунку: узагальнена методика розрахунку комутаційних перенапруг на СНП і параметрів захисних RC - ланцюгів для всіх типів НК змінного струму з урахуванням їх режиму роботи в ЕА (у тому числі аварійних), схеми включення (у тому числі реверсивної), характеру навантаження і динамічних характеристик СНП, що визначають процеси включення і відключення СНП; методика розрахунку перенапруг у НК постійного струму при наявності лінійного обмежувача перенапруг з урахуванням попередньо включеної індуктивності мережі.

Правильність запропонованих методик була підтверджена результатами експериментальних досліджень.

8. Результати роботи використані в ОКБ НВО “ХЕМЗ”, м. Харків і в АТ “ЕНАС”, м. Харків, що підтверджено актами впровадження результатів дисертаційної роботи.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Сосков А.Г., Елфимова Л.В., Соскова И.А., Савченко А.В., Юрченко С.М. Определение перенапряжений на тиристорах полупроводниковых аппаратов при отключении активно-индуктивной нагрузки // Низковольтные аппараты защиты и управления: Сб. науч. тр. - Харьков: АО ЭНАС. - 1993 - С. 65-76.

2. Гапоненко Г.Н., Сосков А.Г., Елфимова Л.В., Соскова И.А., Юрченко С.М. Выбор типа силового тиристора бесконтактного коммутационного устройства (БКУ) // Низковольтные аппараты защиты и управления: Сб. науч. тр.- Харьков: АО ЭНАС. - 1993. - С. 101-108.

3. Соскова И.А., Сосков С.А. Характеристики управления трехфазными электронными ключами // Коммунальное хозяйство городов: Науч.- техн. сб.- К.: Техніка. - 1997. - Вып.12. - С. 111-112.

4. Соскова И.А. Исследование нагрева полупроводниковой структуры силового тиристора в импульсном режиме на основе упрощенной модели // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: Сб. науч. тр. ХГПУ. - 1999. - Вып. 7. - Ч.3. - С. 160-165.

5. Соскова И.А. Исследование нагрева силовых тиристоров в полупроводниковых ключах электронных аппаратов // Вестник ХГПУ. - 1999. - Вып. 45. - С. 61-63.

6. Соскова И.А. Токовая нагрузка на силовые полупроводниковые приборы гибридных электронных ключей переменного тока в повторно-кратковременном режиме их работы // Вестник ХГПУ. - 1999. - Вып. 66. - С. 125-130.

7. Сосков А.Г., Соскова И.А. Экспериментальные исследование нагрева силовых тиристоров при воздействии одиночных синусоидальных импульсов тока // Вестник ХГПУ. - 2000. - Вып. 77. - С. 78-80.

8. Соскова И.А., Сосков С.А. Расчет перенапряжений на тиристорах полупроводниковых ключей при отключении нагрузки // Вестник ХГПУ. - 2000. - Вып. 79. - С. 71-73.

9. Сосков А.Г., Соскова И.А., Форкун Я.Б. Современные направления разработки низковольтных электронных контакторов постоянного тока // Вестник ХГПУ. - 2000. - Вып. 84. - С. 176-178.

10. Сосков А.Г., Соскова И.А., Лысойван Я.А. Тиристорный дискретный регулятор мощности для осветительных установок с регулируемым световым потоком // Вестник ХГПУ. - 2000. - Вып. 118. - С. 61-62.

11. Сосков А.Г., Соскова И.А., Форкун Я.Б., Ягуп В.Г. Основные направления развития низковольтных электронных аппаратов и их анализ // Вестник ХГПУ. - 2000. - Вып. 128. - С. 158-164.

12. Соскова И.А., Алаев П.Н. Расчет перенапряжений в полупроводниковых ключах электронных аппаратов постоянного тока с учетом предвключенной индуктивности сети // Вісник Національного технічного університету “ХПІ“. - 2001. - № 14. - С. 322 - 329.

13. Лысойван Я.А., Сосков А.Г., Соскова И.А. Анализ коммутационных процессов в быстродействующих устройствах автоматического включения резерва питания // Тезисы докладов ХХХ науч. - техн. конф. преподавателей, аспирантов и сотрудников ХГАГХ. - Ч.2. - Харьков. - 2000. - С. 31-32.

14. Соскова И.А. Нестационарные электрические процессы в электронных аппаратах постоянного тока // Праці I Всеукраїнської науково-технічної конференції аспірантів та студентів у м. Донецьку 15-16 травня 2001 р. “Автоматизація технологічних об'єктів і процесів. Пошук молодих” - Донецьк: ДонДТУ. - 2001. - С. 204-205.

Анотації

Соскова І.О. Удосконалення методик розрахунку нестаціонарних процесів у напівпровідникових ключах електронних апаратів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.09.01 - електричні машини і апарати. - Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2001.

Дисертація присвячена дослідженню нестаціонарних електромагнітних і теплових процесів, що протікають у напівпровідникових ключах (НК) силових електронних апаратів (ЕА) і розробці удосконалених методик їхнього розрахунку. У результаті проведених автором теоретичних і експериментальних досліджень розроблено удосконалені методики розрахунку нестаціонарних електрофізичних процесів у НК, які дозволяють на високому науково-технічному рівні проектувати сучасні ЕА. Розроблено також обладнання і методи для експериментальних досліджень нестаціонарних теплових процесів у СНП при впливі на них потужних короткочасних імпульсів струму та комутаційних перенапруг на НК в умовах їхньої роботи у складі ЕА. Результати цих досліджень підтвердили коректність запропонованих методик розрахунку.

Розроблені методики використані при створенні різних типів ЕА в ОКБ НВО “ХЕМЗ” і АТ “ЕНАС”, що підтверджено актами впровадження результатів дисертаційної роботи.

Соскова И.А. Усовершенствование методик расчета нестационарных процессов в полупроводниковых ключах электронных аппаратов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01- электрические машины и аппараты. - Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2001.

Диссертация посвящена исследованию нестационарных электромагнитных и тепловых процессов, протекающих в полупроводниковых ключах (ПК) силовых электронных аппаратов (ЭА) и разработке усовершенствованных методик их расчета.

Проведенный анализ состояния вопроса показал, что главной составной частью ЕА являются бесконтактные и гибридные ПК, которые не только обеспечивают надежную бездуговую коммутацию электрических цепей, но и позволяют значительно расширить функции ЭА, существенно повышая тем самым их конкурентоспособность на мировом рынке. При этом было установлено, что особенности работы ПК ЭА, обусловленные как сложностью переходных электромагнитных и тепловых процессов, протекающих при коммутации электрической цепи, так и спецификой режимов работы силовых полупроводниковых приборов (СПП), составляющих основу ПК, не позволяют применять по прямому назначению существующие методики расчета ПК, разработанные в основном для условий работы в составе устройств силовой электроники без их усовершенствования и развития.

В результате проведенных автором теоретических и экспериментальных исследований разработаны следующие усовершенствованные методики расчета нестационарных электрофизических процессов в ПК, позволяющие на высоком научно-техническом уровне проектировать современные ЭА:

- расчет токовой нагрузки на все типы ПК в соответствии с предложенной классификацией с учетом их режимов работы в ЭА (в т.ч. и аварийных), характера нагрузки и динамических характеристик СПП, входящих в состав;

- расчет превышения температуры полупроводниковой структуры СПП в условиях их работы в составе ЭА на базе предложенных и обоснованных автором тепловых моделей и методов исследования;

- расчет коммутационных перенапряжений на ПК и параметров их защитных цепей для различных режимов работы и схем включения ЭА (в т.ч. и реверсивных) с учетом зарядного уравнения СПП и его заряда обратного восстановления, а также предвключенной индуктивности сети.

При этом было установлено следующее:

- нагрузка на СПП гибридных ПК переменного тока носит импульсный циклический характер при незначительной средней мощности, причем длительность нагрузочного импульса тока в процессе работы непрерывно меняется, подчиняясь вероятностным законам, не зависит от характера отключаемой нагрузки, а определяется типом ключа и режимом его работы (однофазный или трехфазный);

- специфический характер нагрузки на СПП не позволяет при определении их перегрузочной способности по току воспользоваться традиционными методами расчета температуры полупроводниковой структуры СПП и поэтому возникает необходимость в дополнительных исследованиях нестационарного теплового режима СПП при импульсной нагрузке;

- ПК постоянного тока при использовании в них традиционных тиристоров необходимо строить на базе импульсной принудительной коммутации с запиранием основного тиристора импульсом тока, так как при этом имеет место наилучшее использование заряда коммутирующего конденсатора. Применение ПК, выполненных на базе современных двухоперационных тиристоров, пока целесообразно на небольшие (до 40 А) номинальные токи с обязательной защитой этих тиристоров от недопустимых перенапряжений, возникающих при отключении ПК и обусловленных запасенной электромагнитной энергией в предвключенной индуктивности сети;

- тепло за время кратковременного (порядка 10 мс) импульса нагрузки не выходит за пределы выпрямительного элемента СПП, что было выявлено в результате теоретических исследований нестационарного теплового режима СПП, выполненных путем численного решения на ЭВМ уравнений теплопроводности для предложенной автором многослойной тепловой модели, адекватно отражающей конструкцию СПП. Поэтому наиболее целесообразно использовать для расчета теплового режима СПП в схемах ПК, работающих в условиях специфической импульсной нагрузки, аналитический метод, основанный на непосредственном решении уравнений теплопроводности для упрощенной симметричной тепловой модели, отражающей только конструкцию выпрямительного элемента;

- наиболее неблагоприятные условия по воздействию перенапряжений на СПП имеют место при реверсивном включении ПК, поэтому этот режим является определяющим при проектировании ПК. При этом использование зарядного уравнения тиристора при анализе перенапряжений на силовых тиристорах дает возможность на количественно новом уровне оценить воздействие скорости нарастания восстанавливающегося напряжения на тиристоры;

- из-за наличия предвключенной индуктивности уровень перенапряжений на коммутирующем конденсаторе ПК постоянного тока может значительно превосходить напряжение сети. В этом случае наиболее эффективным способом его ограничения является применение линейного ограничителя перенапряжений.

Разработаны также оборудование и методы для экспериментальных исследований нестационарных тепловых процессов в СПП при воздействии на них мощных кратковременных токовых импульсов и коммутационных перенапряжений на ПК в условиях их работы в составе ЭА. Результаты этих исследований подтвердили корректность предложенных методик расчета.

Разработанные методики внедрены при создании различных типов ЭА в ОКБ НПО “ХЭМЗ” и АО “ЭНАС”, что подтверждено актами внедрения результатов диссертационной работы.

...