Устройство для измерения приведенного теплового сопротивления силовых полупроводниковых приборов Советский патент 1979 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к устройствам для испытания полупроводниковых преобразователей, применяемых преимущественно в устройствах энергоснабжения и электрической тяги электрофицированных железных дорог, где к надежности силовых полупроводниковых прибороЁ предъявляются повышенHbte требования. Устройство также может быть использовано для оценки нагрузочной способности полупроводниковой преобразовательной техники и определения интегрального показателя для оценки старения силовых полупроводниковых приборов в эксплуатации.

Известно устройство для контроля теплового состояния силовых полупроводниковых приборов, содержащее источники измерительного тока, мостовые измерители падения напряжения на р-п-переходе, датчики тока силовой цепи, контакты в измерительных цепях и катушки управления ими и используемых для испытания преобразователей устройств энергоснабжения и электрической тяги электрофицированных железных дорог 1.

Из известных устройств измерения тепловых характеристик силовых полупроводниковых приборов наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее источник измерительного тока, подключенный к мостовому измерителю падения напряжения на р-п-переходе, датчик тока силовой цепи, контакты, установленные в измерительных цепях, и катущку управления ими, соединенную с датчиком тока, измерительные приборы логометрического типа 2.

Основной недостаток устройства заключается в невозможности прямой интегральной оценки приведенного теплового сопротивления силовой полупроводниковый прибор - устройство охлаждения - окружающая среда в условиях их прбмыщленной эксплуатации под нагрузкой рабочим током, без проведения дополнительных измерений мощности тепловых потерь и последующих расчетов.

Цель предлагаемого изобретения - повыщение точности измерения приведенного теплового сопротивления полупроводниковых силовых приборов в условиях их промыщленной эксплуатации под нагрузкой рабочим током.

Для этого в устройство введены холловский преобразователь мощности, делитель напряжения и сглаживающие фильтры, Причем холловский преобразователь мощности через нормально разомкнутые контакты соединен с клеммами для подключения испытуемого прибора, а датчик тока - с обмоткой электромагнита преобразователя мощности, выход которого через сглаживающий фильтр и делитель напряжения соединен с одной рамкой логометра, другая рамка которого через второй сглаживающий фильтр соединена с измерителем падения напряжения. На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство содержит мостовой измеритель 1 падения напряжения на р-п-переходе, источник 2 измерительного тока, холловский преобразователь 3 мощности, датчи к 4 тока, катущку 5 управления, контакты 6,7 и 8, сглаживающие фильтры 9 и 10 делители И, 12 и 13 напряжения, измерительный прибор 14 логометрического типа и клеммы 15 для подключения испытуемого силового полупроводникового прибора,полупроводникового преобразователя 16, регулируемые резисторы 17, 18 и 19, измерительный прибор 20, аккумуляторную батарею 21 (или сетевой источник питания с разделительным трансформатором), миллиамперметр 22, регулируемый резистор 23, магнитную цепь 24, электромагнит 25, гальваническую цепь 26, датчик 27 Холла, резисторы 28, 29 и 30, резистор 31 регулировки силы тока в гальванической цепи и магнитной цепи,индуктивность 32, емкости 33, 34, 35, 36, индуктивность 37, рамки 38 и 39 логометра, испытуемый полупроводниковый прибор 40, полупроводниковый прибор 41, силовую цепь 42.

Блок мостового измерителя 1 падения напряжения на р-п-переходе выполнен, например, в виде четырехплечевого моста, одно из плеч которого экранированными проводами соединено с клеммами 15 для подключения испытуемого силового полупроводникового прибора (диода или транзистора 40), а в других плечах которого находятся регулируемые резисторы 17, 18 и 19, и милливольтметра 20 контроля начальной баланси{5овки моста: - .-,.-..... .-. .:

PeryjJHpyeMbra источник 2 измерительного тока содержит, например, аккумуляторную батарею 21 или сетевой источник питания с разделительным трансформатором, миллиамперметр 22 контроля измерительного тока, регулируемый резистор 23. Блок холловского преобразователя 3 мощности состоит, например, из гальванической цепи 26, соединенной с клеммами 15, для подключения испытуемого силового полупроводникового прибора 16, с датчиком 27 Холла, резисторами 28, 29 и 30 узла начальной балансировки ЭДС Холла, резистора 31 регулировки силы тока в гальванической ,:ba « tftrd46ap j w;af tv-. И магнитной цепи 24, содержащей электромагнит 25, обмотка которого постоянно соединена через делитель 11 напряжения с датчиком 4 тока силовой цепи 42 испытуемого прибора 40 преобразователя 16.

В качестве датчика 4 могут быть применены трансформатор тока или вместо него щунт, или силовой полупроводниковый прибор. Датчик 4 тока может быть совмещен с электромагнитом 25, при размещении датчика Холла в витке, образованном кабелем силовой цепи 42, испытуемого полупроводникового прибора 40. С датчиком тока связана также катущка 5 управления, помещенная в защитный электромагнитный экран, внутри которойразмещены, например, магнитоуправляемые контакты 6, 7 и 8 типа «Геркон : нормально замкнутые 7 и 8 в цепях мостового измерителя 1 падения напряжения на р-п-переходе и нормально разомкнутый 6 в гальванической цепи 26 холловского преобразователя 3 мощности. Катущка 5 управления также может быть совмещена с датчиком 4 тока силовой цепи 42, если магнитоуправляемые контакты 6, 7. и 8 типа «Геркон поместить в виток, образованный кабелем силовой цепи 42. Выходы блоков 1 и 3 через сглаживающие, например, Т или П-образные R-С фильтры 9 и 10, с индуктивностями 32 и 37, емкостями 33, 34, 35 и 36, делители 12 и 13 напряжения для преобразования выходных сигналов схем 1 и 3 соединены с рамками 38 и 39 логометра 14, который является выходом устройства.

Устройство может быть использовано для преобразователей с -последовательно соеди-. ненными силовыми приборами. Напряжение

В непроводящий период снимается, например, обратным полупроводниковым прибором 41. При протекании силового тока в цепи 42 испытуемого полупроводникового прибора 40 в любом направлении получает питание катущка 5 управле11ия, нормально разомкнутый контакт 6 зам.ыкается, подключая гальваническую цепь 26 холловского преобразователя 3 мощности, а нормально замкнутые контакт 7 и 8 размыкаются-; ; Отключая на время прохождения силового

тока блок мостового измерителя 1 падения напряжения на р п-переходе. Мостовой измеритель 1 падения напряжения на р-п переходе балансируется при температуре р-п-структуры испытуемого полупроводникового прибора 40, равной темЛературе окружающей среды, что обеспечивает падение напряжения, пропорциональное разнице температур р-п-структуры испытуемого полупроводникового прибора 40 и окружающей среды. /

Напряжёние на выходах схемы блоков 1 и 3, измеренные при разных периодах питающего силовой полупроводниковый прибор 40 напряжения, пропорциональные мощности потерь в испытуемом полупроводникоBOM приборе 40 и разнице температур структуры выпрямляющего элемента испытуемого полупроводникового прибора и окружающей среды, после осреднения в R-С фильтг pax 9 и 10, умножаются на постоянную датчика Холла, задаваемую регулируемым делителем 12 напряжения, температурный коэффициент напряжения, задаваемый постоянным для данного типа полупроводниковых приборов регулируемым делителем 13 напряжения и поступает на рамки логометра 14, который является выходом устройства. Использование элементов холловского преобразователя мощности, делителей, сглаживающих фильтров, показывающего прибора логометрического типа, схемы управления, измерение разницы температур и мощности Потерь в условиях эксплуатации под рабочим током, позволяет снизить погрещность ;1змерения с одновременным повышением достоверности данных измерения, определяемой зависимостью величины потерь от формы рабочего тока и параметров вольтамперной характеристики и зависимостью температуры структуры от уровня тепловых потерь и характера их распределения во времени. Причем измеряемая величина приведенного теплового сопротивления может служить для оценки допустимой нагрузочной способности преобразователя по наиболее греющемуся, лимитируемому полупроводниковому прибору. V 11 UV-DVJAnn r WDWlVl у 11 IjrUJVJIJ у .Величина приведенного теплового сопротивления, например, для системы воздушного охлаждения, „ р Р fp , . & -УН, ч If- вр-я Л.Го + Ти Р где f)wp Кил) -тепловая характеристика системы вентиль-охладитель, °С/Вт; ё - число рядов ох.ладите лей последовательно охлаждаемых; WP -средняя скорость охлаж дающего рабочего тела, м/сек; У и Ср- плотность и средняя теплоемкость охлаждающего рабочего тела кг/м и Дж/кгтрад; Ki, Ku/ - коэффициент неравно мерности распределения тока по параллельным ветвям и неравномерности распределения поля скоростей воздуха по параллельно обдуваемым охладителям: fo - живое сечение охладителя, 0р-п-разница температур р-п-структур испытуемого полупроводникового прибора и окружающей среды, °С; р -мощность потерь в испытуемом полупроводниковом приборе, Вт.

661435 Как видно из выражения, наличие лимитирующего вентиля определяется совместным влиянием це.лёвого ряда факторов: распределением тока и охлаждающего рабочего тела по силовым полупроводниковым приборам к их радиаторам, компон.овкой радиаторов и конструктивными особенностями системы охлаждения, потерями в силовых полупроводниковых приборах; состоянием тепловых контактов в системе структура выпрямляющего элемента - охлаждающее рабочее тело - окружающая средаГобусловленных., старением припоев, ослаблением давления сжатия в блоках СПП - охладитель; качеством обработки контактирующих поверхностей; отложениями пыли на поверхностях теплообмена. Формула изобретения Устройство для измерения приведенного теплового сопротивления силовых полупроводниковых приборов, содержащее источник измерительного тока, подключенный к мостовому измерителю падения напряжения на р-п-переходе, датчик тока силовой цепи, контакты, установленные в измерительных цепях и катущку управления ими, соединенную с датчиком тока, измерительные приборы логометрического типа, отличающееся тем, что, с целью повышения точности изме ,з введены холловскии преобразователь мощности, делитель напряжения И сглаживающие фильтры, причем холловский преобразователь мощности через нормально разомкнутые контакты соединен с клеммами для подключения испытуемого прибора, а датчик тока - с обмоткой электромагнита преобразователя мощности, выход которого через сглаживающий фильтр и делитель напряжения соединен с одной рамкой логометра, другая рамка которого через второй сглаживающий фильтр соединена с измерителем падения напряжения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Беляков В. А., Голубев П. Н. - «Электрическая и теплозная тяга, 1973, № 8, 2.Хазен М. М. Методика осциллографирования температурных характеристик р-п-структур полупроводниковых вентиле.й. Труды ЦНИИ МПС, вып. 522, М., «Транспорт, 1974, с. 84. . I