Установка ударного тока нового поколения
В статье рассматривается уникальная установка ударного тока нового поколения на 120 ка. Подробно представлен принцип формирования тока большой амплитуды на полевых транзисторах, приводятся общее описание и ключевые особенности конструкции силовой части и зажимного устройства.
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 шнуровании прямого тока [1] падение напряжения на испытуемом образце резко возрастает и достигает 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 способами реализации установок ударного тока являются либо формирование импульсов ударного тока с помощью понижающего трансформатора [2–3], либо разряд 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. Однако получение формы импульса, близкой к правильной полусинусоиде требует высокой добротности колебательного контура, обеспечение которой является проблемой при больших потерях. Потери в колебательном контуре, обусловленные потерями в системе проводников 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 в десятки кА емкость накопительных конденсаторов должна составлять тысячи мкФ. 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 приводят к значительному увеличению массы и габаритов устройства.
Рисунок 1
Передаточная характеристика MOSFET
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 рисунке 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 упоминалось, в предпробойном состоянии СПП напряжение на нем может возрастать до 60 В. Одним из условий работы источника тока является то, что напряжение на нагрузке не должно превышать напряжения 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 оно является минимально достаточным для устойчивой работы источника тока. Кроме того, следует учесть, что выпускаемые промышленностью электролитические конденсаторы с рабочим напряжением 100 В используются в качестве накопителей энергии.
В линейной области передаточной характеристики на транзисторе выделяется определенное количество мощности. Ее уровень определяется областью безопасной работы транзистора (ОБР). График ОБР транзистора IRFPS3815 приведен на рисунке 2.
Из графика видно, что при напряжении сток–исток 100 В и прямоугольном импульсе тока длительностью 10 мс безопасная амплитуда тока составляет 10 А. Для полусинусоидальной формы тока (с учетом ее коэффициента) допустимую амплитуду можно увеличить до 16 А. Кроме того, частичный разряд накопительных конденсаторов за время формирования импульса тока приводит к снижению напряжения сток–исток на транзисторе и смещает режим работы транзистора дальше в безопасную область. С учетом запаса величина тока выбрана на уровне 13 А.
Рисунок 2
Рисунок 3
ОБР полевого транзистора
Параллельное включение источников тока
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 с ток–исток на транзисторе равно около 80 В. Поскольку ток имеет синусоидальную форму, площадь которой меньше в 0,63 раза площади прямоугольника, эффективное значение тока равно 8,2 А. Тогда импульсная мощность на транзисторе составит:
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 равна:
Определим температуру корпуса транзистора при максимально возможной температуре окружающей среды 35°C:
где TC – температура корпуса транзистора; TA – температура окружающей среды;
RCS – тепловое сопротивление «корпус – окружающая среда».
Следовательно, максимальная температура кристалла транзистора TJ равна:
Поскольку максимально допустимая рабочая температура кристалла равна 175°C, запас по температуре в максимально нагруженном режиме превышает 40°C. Это подтвердилось и на практике при определении максимально 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 применялись электролитические конденсаторы. Для расчета требуемой емкости накопительного конденсатора следует учитывать, что напряжение не должно опускаться ниже 60 В. При начальном уровне напряжения 100 В запас по напряжению составит 40 В. Емкость конденсатора составит:
Рисунок 4
Рисунок 5
Функциональная схема установки
Конструкция силовой платы
Из стандартного ряда конденсаторов был выбран конденсатор емкостью 3300 мкФ на 100 В.
Кроме высокой точности регулирования, преимуществом источника тока является практически неограниченная возможность его параллельного включения с такими же источниками, чтобы обеспечить заданную амплитуду тока, как показано на рисунке 3.
Функциональная схема установки ударного тока, разработанная на основе источников тока, представлена на рисунке 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 (ИПП) 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 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 контролируются блоком измерений 7. По окончании импульса ударного тока ключи 10 и 11 замыкаются командами от схемы синхронизации 13. замыкание первого ключа 10 образует 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.
Рисунок 6
Рисунок 6
Структурная схема силового блока
Структурная схема установки ударного тока 120 кА
Установка имеет блочную конструкцию. Каждый ее блок 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 установлены на шести силовых платах по 40 шт. на каждую. Конструкция силовой платы показана на рисунке 5.
Как упоминалось, плата содержит 40 простейших источников тока – на ней находятся 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 шесть таких плат. Структурная схема силового блока показана на рисунке 6.
Источник питания по команде от модуля управления формирует на своем выходе напряжение 100 В, которое 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 по сравнению с 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 заблаговременной подачи синхросигнала. Во-вторых, отсутствует возможность оперативной подстройки пропорционально-интегральных составляющих регулятора. В-третьих, в случае обрыва сигнала обратной связи по току имеется большой риск выхода из строя транзисторов на силовых платах. Кроме того, применение цифрового регулирования расширяет функционал 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 рисунке 7. Она содержит 39 идентичных блоков, 38 из которых формируют импульсы тока с фиксированной амплитудой, равной 3100 А. 39-й блок обеспечивает формирование импульса тока с амплитудой, регулируемой в диапазоне 100–3100 А.
Поблочная конструкция установки позволяет легко наращивать максимальную формируемую амплитуду тока. Ограничением такого наращивания является жесткость конструкции и возникающее падение напряжения на силовых шинах из-за наличия у них паразитного сопротивления и индуктивности.
Управление установкой осуществляется с блока ввода/вывода, оснащенного емкостным сенсорным экраном с диагональю 19 дюймов. На экране 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 ИПП. 12-бит АцП блока управления позволяет измерять ток и напряжения с точностью не хуже 1,5%, а оригинальный алгоритм распределения уставки по току между силовыми блоками обеспечивает точность задания не хуже 2% во всем диапазоне.
Рисунок 8
Рисунок 9
Падение напряжения на силовой шине при амплитуде тока 65 кА: ток (синим цветом), напряжение на шинопроводе (желтым), импульс синхронизации (розовым)
Падение напряжения на испытуемом приборе в момент разрушения полупроводниковой структуры
Рисунок 10
Рисунок 11
Конструкция силовой шины
Крепление силовых шин на корпусе установки
Для устойчивой работы регулятора тока силовая цепь установки должна иметь минимальную индуктивность. Для снижения паразитной индуктивности силовых шин во всей установке, начиная с силовых плат и заканчивая магистральной силовой шиной, применялась бифилярная конструкция. Экспериментально было определено, что такой подход позволяет минимизировать паразитную индуктивность всего шинопровода вместе с зажимным устройством порядка 1–2 мкГн. Осциллограмма падения напряжения на силовых шинах при протекании импульса тока 65 кА приведена на рисунке 8. Помимо устойчивости регулятора, бифилярная топология установки обеспечивает минимизацию уровня помех, наводимых на измерительную систему при протекании силового тока. На рисунке 9 показано падение напряжения на испытуемом приборе в момент разрушения полупроводниковой структуры.
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 (см. рис. 10). Для обеспечения жесткости шинопровода он закреплен через равные промежутки на корпусе силовых шкафов, как показано на рисунке 11.
Установка ударного тока состоит из трех силовых шкафов. В каждом из них удалось разместить 13 силовых блоков. В шкафу вертикально проходят силовые шины, к которым подключаются все блоки (см. рис. 12).
Установка оснащена автоматическим зажимным устройством для испытания приборов таблеточного типа. зажимное устройство развивает усилие зажатия до 100 кН и позволяет проводить испытание приборов при температуре до 200°C. Это 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 показано на рисунке 13.
Рисунок 12
Рисунок 13
Рисунок 14
Силовое подключение блоков к шинам
Зажимное устройство установки ударного тока
Внешний вид установки ударного тока на 120 кА
Таблица
Технические характеристики установки ударного тока
В таблице приведены технические характеристики установки ударного тока.
Описанная в статье установка ударного тока успешно реализована и находится в эксплуатации на производстве в АО «Протон-Электротекс» (см. рис. 14). за все время работы, начиная с 2017 г., она показала свою надежность, стабильность характеристик и удобство в эксплуатации. У установки – самый высокий показатель соотношения величины формирования ударного тока к собственным габаритам. Оригинальный подход к формированию тока и бифилярная конструкция силовых шин обеспечили идеальную полусинусоидальную форму импульса тока, которая сохраняется не только при изменении падения напряжения на испытуемом приборе в диапазоне 2–3 …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].