WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ИЛЬИН Михаил Владимирович

МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК

СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

ДЛЯ ГРУППОВОГО СОЕДИНЕНИЯ

Специальность: 05.09.12 – Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Мордовский государственный

университет имени Н.П. Огарева»

Научный руководитель:

кандидат технических наук

Беспалов Николай Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Сивяков Борис Константинович

кандидат технических наук

Семёнов Владимир Константинович

Ведущая организация:

ОАО «Электровыпрямитель»,

г. Саранск

Защита состоится « 13 » ноября 2008 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан « 8 » октября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Томашевский Ю. Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Тенденция развития современной энергетики промышленных объектов направлена на увеличение потребления электрической энергии. В металлургической, химической промышленности, электротранспорте и в других отраслях используются преобразователи электрической энергии на основе групповых соединений силовых полупроводниковых приборов (СПП).

Надёжность эксплуатации СПП, в качестве которых широко применяются силовые диоды и тиристоры, определяется их исходным качеством и режимами эксплуатации. Особое значение имеет тепловой режим эксплуатации, который в основном определяется величинами параметров вольт-амперной характеристики (ВАХ) в состоянии высокой проводимости и тепловыми параметрами и характеристиками.

Величины параметров и характеристик серийных СПП имеют значительный разброс, вызванный естественной нестабильностью технологии производства. Отсутствие у производителей и потребителей СПП эффективных методик и высокопроизводительных технических средств определения величин параметров и характеристик СПП не позволяет определять эти величины для каждого конкретного прибора.

Это вынуждает разработчиков преобразователей для определения предельных режимов эксплуатации преобразователей ориентироваться на типовые данные. При этом требуемую надёжность обеспечивают за счёт снижения величины предельных параметров режимов эксплуатации и применения дополнительных выравнивающих цепей для групповых соединений. Применение этих мер приводит к недоиспользованию СПП, а также увеличению массы и габаритов преобразователей, дополнительным потерям энергии и повышению стоимости преобразователей.

При изготовлении преобразователей также осуществляется подбор приборов по их параметрам. Однако, по тем же причинам, решение этой задачи осуществляется только в основном по величинам параметров ВАХ, а именно по величинам импульсного напряжения UF(T)M. Температура полупроводниковой структуры СПП при эксплуатации также зависит от их тепловых параметров: теплового сопротивления переход-корпус в состоянии теплового равновесия Rthjc и переходного Zthjc. Дополнительно отсутствие учёта взаимосвязи электрических и тепловых параметров и характеристик СПП, влияющих на режим эксплуатации, приводит к неэффективности подбора приборов и к повышению вероятности отказа отдельных приборов.

Практика эксплуатации преобразователей на основе групповых соединений СПП показала, что, несмотря на принимаемые меры, наблюдаются характерные отказы СПП, вызванные перегревом отдельных приборов. Таким образом, все вышеописанные меры не являются достаточными для обеспечения их высокоэффективной и надёжной эксплуатации.

Таким образом, в связи с вышеизложенными проблемами, возникающими в практике проектирования, изготовления и эксплуатации преобразователей на основе групповых соединений СПП, теоретическое и экспериментальное исследование электротепловых процессов в СПП, разработка высокопроизводительных методов комплексного определения величин электрических параметров в состоянии высокой проводимости, их температурных зависимостей и величин тепловых параметров и характеристик СПП, высокопроизводительных технических средств, с помощью которых возможна реализация этих методов и методов подбора СПП для групповых соединений, являются актуальными задачами.

Среди ученых, работающих в этом направлении, следует отметить Л. Р. Неймана, М. И. Абрамовича, А. А. Рабинерсона, Г. А. Ашкинази, Ю. А. Чеснокова, Ю. А. Евсеева, В. М. Бардина, М. Е. Гольдштейна, Н. А. Шипулину.

Целью работы является исследование электротепловых режимов СПП при групповых соединениях с учетом взаимосвязи их электрических и тепловых параметров и характеристик, разработка комплекса методов и технических средств для определения этих параметров и характеристик и разработка метода подбора и отбраковки СПП для групповых соединений.

Эта цель достигается решением в работе следующих задач:

1) разработка электротепловых моделей СПП различных конструкций корпусов, моделей их группового соединения и исследование электротепловых процессов в них;

2) разработка метода определения величин тепловых параметров и характеристик и электрических параметров и характеристик СПП в состоянии высокой проводимости;

3) разработка технических средств для определения электрических и тепловых параметров и характеристик СПП;

4) создание метода подбора и отбраковки СПП для групповых соединений на основе измеренных и определённых величин их электрических и тепловых параметров и характеристик.

Объектом исследования являются электротепловые модели СПП, электротепловые модели группового соединения СПП.

Предметом исследования являются тепловые и электрические процессы, протекающие в СПП при их различных групповых соединениях.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования базировались на применении основных разделов математического анализа, теории электрических цепей, численных методов решения задач и статистических методов обработки результатов экспериментов. Расчёты проводились с помощью вычислительной техники с применением лицензированных пакетов программ Multisim и LabView. Научно-физическими основами являлись положения теории электротепловой аналогии, теоретических основ электротехники и теории дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования проводились с использованием макетного образца испытательно-измерительного комплекса аппаратуры, реализованного на базе программных и аппаратных средств National Instruments.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1) электротепловые модели широко применяемых силовых диодов и тиристоров штыревых и таблеточной конструкций с учётом параметров систем охлаждения и их групповых соединений и результаты моделирования и исследования электротепловых процессов в СПП в различных режимах;

2) методы и аппаратно-программные технические средства комплексного определения величин тепловых параметров и характеристик и электрических параметров и характеристик СПП в состоянии высокой проводимости;

3) результаты моделирования и исследования тепловых и электрических процессов в реальных СПП во времени при их групповом соединении;

4) метод отбраковки и подбора СПП для групповых соединений с учетом величин их тепловых и электрических параметров.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием аппарата математического анализа, теории электрических цепей, теории статистических методов обработки результатов экспериментов и профессиональных пакетов прикладных программ Multisim и LabView и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы:

1) разработаны модели одиночных и соединённых в группы СПП штыревых и таблеточной конструкций, которые учитывают взаимовлияние электрических и тепловых процессов в них и на основе измерительной информации о величинах тепловых и электрических параметров и характеристик, полученной при их испытании, позволяют исследовать электротепловые процессы в них во времени;

2) разработан комплексный метод, позволяющий экспериментально за один испытательно-измерительный цикл определять величины электрических параметров и характеристик СПП в состоянии высокой проводимости и их зависимостей от температуры, теплового сопротивления в установившемся тепловом режиме Rthjc и переходного теплового сопротивления Zthjc;

3) разработан метод отбраковки и подбора СПП для групповых соединений на основе информации о величинах их тепловых и электрических параметров и характеристик, получаемой при испытании приборов, и моделирования функционирования группового соединения во времени.

Практическая ценность диссертации.

Разработанные методы и технические средства позволяют:

1) при производстве СПП определять величины электрических и тепловых параметров и характеристик конкретного прибора для отбраковки потенциально ненадёжных приборов, оценки качества и стабильности технологического процесса производства, а также для расширения паспортной информации о величинах этих параметров;

2) при разработке электрических преобразователей, выполняемых на основе схем, предусматривающих групповое соединение СПП, путем моделирования определять безопасные условия работы приборов;

3) при изготовлении преобразователей на основе групповых соединений СПП, их комплектации и настройке, а также при их эксплуатации в ходе ремонтных и профилактических работ подбирать СПП с идентичными параметрами и отбраковывать потенциально ненадёжные приборы.

Реализация и внедрение результатов работы.

Разработанные методы положены в основу автоматизированного программно-аппаратного комплекса «АДИП-6», разработанного Научно-производственным предприятием «Электронная техника – МГУ», г. Саранск.

Метод подбора и отбраковки СПП по электрическим параметрам ВАХ в состоянии высокой проводимости внедрён в ООО ПКП «Атомспецснаб», г. Воронеж, где используется на входном контроле СПП при формировании заказов для атомных станций и металлургических комбинатов.

Теоретические положения и практические результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры автоматики Мордовского государственного университета при обучении студентов специальности 210106 – «Промышленная электроника» по дисциплине «Проектирование информационно-измерительных систем».

Результаты внедрения подтверждены соответствующими документами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: ежегодных научно-технических конференциях «Огарёвские чтения» Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва в 2005 – 2007 гг.; V и VI научно-практических конференциях «Наука и инновации в Республике Мордовия» 2006 г. и 2007 г., VIII и IX международных конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» г. Новосибирск 2006 и 2008 гг.; V Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов», г. Пенза 29 – 30 мая 2007 г.; II Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», г. Тольятти 16–18 мая 2007 г.; IX Симпозиуме «Перспективные технологии электроэнергетики. Электротехника 2030», г. Москва 28 мая – 1 июня 2007 г.; IV Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами: МСУТП – 2007», г. Саранск 24 – 26 октября 2007 г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 печатные работы, из них: 1 патент на изобретение, 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, 21 статья, в том числе 1 статья в издании, рекомендуемом ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Работа включает в себя введение, четыре главы основного материала, заключение и список использованной литературы. Объем работы составляет 205 страниц, включая приложение на 5 страницах, 107 иллюстраций, 17 таблиц. Список использованной литературы содержит 106 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены актуальность работы, объект и предмет исследований, структура и содержание диссертационной работы.

В первой главе дан обзор основных схем групповых соединений СПП в преобразователях и методов выравнивания электрических и тепловых нагрузок СПП. Рассмотрены существующие методы расчета и моделирования электрических процессов в преобразователях и электротепловых процессов в СПП. Рассмотрены основные тепловые и электрические параметры и характеристики СПП, определяющие тепловые режимы эксплуатации, существующие методы и технические средства для определения величин основных тепловых и электрических параметров и характеристик СПП, используемых при проектировании и изготовлении преобразователей на основе групповых соединений СПП.

Проведённый анализ показал, что групповые соединения СПП являются основой схемотехнических решений современных мощных преобразователей электрической энергии. Для обеспечения надёжного функционирования СПП при групповых соединениях особые требования предъявляются к идентичности величин их параметров и характеристик. При технологическом процессе производства СПП из-за его нестабильности наблюдаются разбросы величин их параметров и характеристик. В паспортных данных приборов приводятся только типовые предельные значения основных параметров и характеристик. В них отсутствует информация о величинах параметров и характеристик для каждого прибора и их разбросов.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»