Устройство контроля теплового режима полупроводниковых вентилей Советский патент 1980 года по МПК G01R31/27 G01R31/26 

Изобретение касается контроля теплового режима полупроводниковых вентилей и может быть использовано для защиты от перегрева кремниевых вентилей с односторонним теплоотводом, например, шты ревых вентилей преобразовательных агрегатов тяговых подстанций электрических железных дорог. Известны устройства для контроля температуры полупроводниковых вентилей и их защиты от перегрева Щ. Это устройство измеряет температуру р-п структуры вентилей косвенным методом по изменению прямого падения на прягжения на ней от измерительного т-ока, поэтому электрическая схема устройства довольно сложна и содержит много элементов: синхронизатор, фазосдвигаюший блок, генератор прямоугольных импульсов формирователь импульсов (источник ио мерительного тока), блок сравнения, выходной блок. Вследствие этого, а также больших габаритов, что особенно важно в условиях работы внутри шкафа вснти-. ле{ высоковольтной преобразовательной установки, ШvIeющeй ограниченное пространство для размещения аппаратуры, данное устройство не нашло применения на тяговых подстанциях. Наиболее простым и надежным является прямой контроль температурь вентилей с помощью термочувствительных электрических датчиков, например терморезист-эров. Блткайш1а1 техттачоским решением к изобретению является устройство контроля теплового режима полупроводниковых вентилей, содержащее контролируемый вентиль с односторонним теплоотводом и гибким силовым выводом, датчик температуры с термочувствительным элементом, усилитечь, блок сравнения и исполнительный орган 2 . Это устройство с помощью датчика, находящегося в тепловом контакте с корпусом вентиля, контрошфует его температуру QY, и посредством электрического моделированияна R - аналоге процесса нагрева р-п структуры вентилейопределяется Beraf4HHa перепада температуры гЬ- др .

Однако в условиях теплового старе шя вентилей значение внутреннего теплового сопротивления г b возрастает и может отличаться в большую сторону от нормировадаого в 4-5 раз. Это обстоятельство не позволяет с достаточной достоверностью вхэнтролировать температуру р-п структуры по истечении некоторого времени работы преобразовательной ус.тановки и требует постоянной корректировки параметров Rc - цепей теплового аналога, что снижает функциональную надежность и затрудняет эксплуатацию

данного устройства. Кроме того, наличие датчика тока и связанного с ним теплового аналога на RC -элементах усложняет схему устройства.

Целью изобретения является упровде1{йе устройсчтза и повышение качества контроля температуры нолупроводииковой структуры.

Это достигается тем, что термочувствительный элемент датчика температуры установлен в основании гибкого силового вывода контролируемого вентиля и находится с ним в тепловом контакте.

Это обеспечивает контроль теглпературы р-п структуры без датчика тока и RC - аналога в условиях изменяющегося теплового сопротивления векггиля.

При неизменном значении внутреннего теплового сопротивления вентиля температура гибкого силового вывода QT

также, как и температура корпуса 9j, является линейной функцией нагрузки диода. В этом случае предлагаемое устройство способно выполнять ф;ушсции описанных устройств, контролирующих

температуру р-п структуры по температуре корпуса.

Повышение внутреннего тепло1юго сопротивления диода связано с ухудщеTtii.eN теплового контакта между вольфрамовой гермокомпенсирующей пластиной и медным осшэванием вентиля. У качественного вентиля доля тепла, отходя:1)дего в сторону гибкого силового вывода, невелика и составляет (5-lCf/o) выдавленного в р-п структуре. По мере ухудшения тепотвода . в сторону охладителя доля тепла, отходящего в сторону гибкого вывода, увеличивается.-Если температура корпус вентиля с увеличением его внутреннего трегаювого сопротивления при неизменной нагрузке практически остается постоянно то температура гибкого силовогс вьшода

представляет собой возрастающую ф нкцию. Таким образом, термочувствительный датчик, находящийся в тепловом контакте с гибким силовым выводом, следит за изменением температуры р-п структуры, обусловленным как изменением нагрузки диода, так и изменением его внутреннего теплового согфотивленкя.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства при контроле теплового режима вентиля штыревой конструкции с гиб1О1м силовым выводом; на фиг. 2 зависимости температуры 6 элементов вентиля от его внутреннего теплового сопротивления R, , построетшые по экспериментальным данным полученньт на диоде штьфевой конструкции при номинальном токе агрегата.

Термочувствительный элемент 1 датчика температуры 2 присоединен, например, посредством впаивания в основание гибкого силового вывода 3 контролируемого вентиля 4. Датчик температуры соединен с усилителем 5, выход которого подключен ко входу блока сравнения 6., .Выход блока сравнения соеш-шен с исполнительньпу органом 7, обрабатывающи при нагреве основания гибкого вывода вентиля до температуры -становки 8 у и воздействующим на сигнализацию или ограничение нагрузки преобразователя.

Прямая 8 (см, фиг. 2) соответствует температуре р-п структуры, кривая 9 температуре гибкого силового вывода, кривая 10 - температуре корпуса. Линия 11 обозначает максимально допустимую температуру р-п структуры 9p-vi 140 С, а штриховая линия 12 - соответствующую ей максималь ю допустимую .температуру гибкого силового вывода, офеделяющую велич1тау уставки Qy .

Из графика видно, что перепад температуры между р-п структурой и точкой в основании гибкого силового вывода практичеаси постоянный во всем возможном в эксплуатации интервале изменения внутреннего теплового сопротивления (ОД-О,7) °с/Вт, что позволяет прост и надежно контролзфовать тепловой режим работы диода. Ухудшение теплоотвода в сторону корпуса и охладителя вследствие уменьшения площади контакта стареющего диода снижает температуру корпуса (кривая 10), поэтому контроль температуры р-п структуры по корпусу ветгаля не дает возможности осуществлять нормальное функционирование устройства в условиях теплового старения вентилей, когда их внутреннее тепловое сопротивление возрастает.

Работает устройство следующим образом.

Во время нагрева вентиля вследствие протекания по нему тока температура его кремниевой пластины повышается и при определенных значениях тока и внутреннего теплового сопротивления вентиля может достигнуть предельно допустимого значения вр-п - Температура гибкого силового вывода при этом также будет повышаться в зависимости от величины тока и внутреннего теплового сопротивления вентиля. Когда температур хвостовика достигнет велич1«п 1 уставки 9 v , соответствующей максимально допустимой температуре р-п структуры вр-п срабатывает исполнительный орган 7 и воздействует на сигнализашпо, уменьшение или полное снятие тока нагрузки.

Изменение тока нагрузки через вентиль приводит к пропорпиональному измененню перепада температур между гибким СИ1ЮВЫМ выводом и р-п структурой таким образом, что устройство срабатывает практически при одной и той же тетлпературе р-п структуры.

Применение устройства позволит значительно упростить схему за счет исключения необходимости непосредственного контроля температуры р-п структуры вентилей или применения ее тепловых

аналогов и повысит качестгео контроля ..температуры полупроводниковой структуры при старении вентилей, сопровождающегося увеличением их внутреннего .теплового сопрот1тления.

Применение устройства наиболее целесообразно в преобразовательных установках с большими переработками электроэнергии, где процесс старения вентилей развивается наиболее интенсивно, и использование устройства позволит существенно повысить надежность работы преобразователей.

Формула изобретения

Устройство контроля теплового режим полуп|юводшпсовых вентилей, содержащее контролифуемый вентиль с односторонним теплоотвопом и гибким силовым выводом датчик тек{перат ры с термочувствительным элементом, усилитель, блок сравне1ШЯ и исполнительный орган, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства и повьпнения качества контроля температуры -полупроводниковой структуры, термочувствительный элемент датчика температуры установлен восновашш гибкого силового вывода контроЛ1фуемого вентиля, и находится с ним в тепловом кантакте.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1, Соколов С. Д. и др. Методы заЩ1еты кремниевых вентилей преобразовательных устройств от токов перегрузки. Труды ЦНИИ МПС, вып. 379, М.,

Транспорт, 1966, с. 35-41.

i 2, Авторское свидетельство СССР № 299000, кп, Н О2 М 1/18, 19691.

/ //////. yxxx/x/x/x.

//// /////.

/УУ/ХЛ /У/ /XX/

УХ/XX/Xy Z

WO

50

o,f

Й2

0.50,6R

а

Фи.2