Устройство для измерения приведенного теплового сопротивления силовых полупроводниковых приборов

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Реслублик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 25.10.76 (21) 2414706I18-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

Ъ . Кл

G 01 R 31126

Государственный кемктет

СССР не делан нзобретеннй н открытей

УДК 621.382. (088.8) Опубликовано 05.05.79. Бюллетень №17

Дата опубликования описания 15.05.79

М. М. Хазен (72) Автор изобретения

Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научноисследовательский институт железнодорожного транспорта (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРИВЕДЕННОГО

ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СИЛОВЫХ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Изобретение относится к устройствам для испытания полупроводниковых преобразователей, применяемых преимущественно в устройствах энергоснабжения и электрической тяги электрофицированных железных дорог, где к надежности силовых полупровод- 5 никовых приборов предъявляются повышеннь1е требования. Уст) ойство 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 — n-переходе, датчики тока силовой цепи, контакты в измерительных цепях и катушки управления ими и ис- пользуемых для испытания преобразователей устройств энергоснабжения и электри- 20 ческой 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 катушку 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 прдмышленной эксплуатации под нагрузкой рабочим током, без проведения дополнительных измерений мощности тепловых потерь и последующих расчетов.

Цель предлагаемого изобретения — повышение точности измерения приведенного теплового сопротивления полупроводниковых силовых приборов в условиях их промышленной эксплуатации под нагрузкой рабочим током.

661435

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, датчик 4 тока, катушку 5 управления, контакты 6, 7 и 8, сглаживающие фильтры 9 и 10 делители 11, 12 и 13 напряжения, изме5

20 рительный прибор 14 логометрического типа и клеммы 15 для подключения испытуемого силового полупроводникового прибора, полупроводникового преобразователя 6, регулируемые резисторы 17, 18 и 19, измерительный прибор 20, аккумуляторную бата25 рею 21 (или сетевой источник питания с разделительным трансформатором), миллиамперметр 22, регулируемый резистор 23, магнитную цепь 24, электромагнит 25, гальваническую цель 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 — и-переходе выполнен, например, в виде четырехплечевого моста, одно из плеч которого экранированными про40 водами 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 45 балансировки моста.

Регулируемый источник 2 измерительного тока содержит, например, аккумуляторную батарею 21 или сетевой источник питания с разделительным трансформатором, миллиамперметр 22 контроля измеритель50 ного 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 цепи и магнитной цепи 24, содержащей электро магнит 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 шунт, 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 катушка 5 управления, помещенная в защитный электромагнитный экран, внутри которой размещены, например, магнитоуправляемые контакты 6, 7 и 8 типа

«Геркон»: нормально замкнутые 7 и 8 в цепях мостового измерителя 1 падения напряжения на р — n-переходе и нормально разомкнутый 6 в гальванической цепи 26 холловского преобразователя 3 мощности. Катушка 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 катушка 5 управле*ия, нормально разомкнутый контакт 6 замыкается, подключая гальваническую цепь 26 холловского преобразователя 3 мощности, а нормально замкнутые контакть1 7 и 8 размыкаются;=--.отключая на время прохождения силового тока блок мостового измерителя 1 падения напряжения на р — и-переходе. Мостовой измеритель 1 падения напряжения на р — ив переходе балансируется при температуре р — n-структуры испытуемого полупроводникового прибора 40, равной температуре окружающей среды, что обеспечивает падение напряжения, пропорциональное разнице температур р — п-структуры испытуемого полупроводникового прибора 40 и окружающей среды.

Напряжение на выходах схемы блоков

1 и 3, измеренные при разных периодах питающего силовой полупроводниковый прибор 40 напряжения, пропорциональные мощности потерь в испытуемом полупроводникои:

661435 вом приборе 40 и разнице температур структуры выпрямляющего элемента испытуемого полупроводникового прибора и окружающей среды, после осреднения в R — С фильт-, рах 9 и 10, умножаются на постоянную дат- 5 чика 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 погрешность измерения 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 на грузочной способности преобразователя по наиболее греющемуся, л имитируемому полупроводниковому прибору.

Величина приведенного теплового сопро- З0 тивления, например, для системы воздушного охлаждения где R „= f)wp К ) — тепловая характеристика системы вентиль-охладитель, С/Вт;

6 — число рядов охладителей последовательно охлаждаемых:

wp — средняя скорость охлаждающего рабочего тела, м/сек;

11 и С1 — плотность и средняя теплоемкость охлаждающего рабочего тела 40 кг/мз и Дж/кг град;

К, Кы — коэффициент неравномерности распределения тока по параллельным ветвям и неравномерности распределения поля скоростей воздуха по параллельно. обдуваемым охладителям:

1, — живое сечение охладителя, м ;

Ор-n — разница температур р — и-структур испытуемого полупроводникового прибора и окружающей среды, С; р — мощность потерь в ис- 50 пытуемом полупроводниковом приборе, Вт.

Как видно из выражения, наличие лимитирующего вентиля определяется совместным влиянием целевого ряда факторов: распределением тока и охлаждающего рабочего тела по силовым полупроводниковым приборам к их радиаторам, компоновкой радиаторов и конструктивными особенностями системы охлаждения, потерями в силовых полупроводниковых приборах; состоянием тепловых контактов в системе структура выпрямляющего элемента — охлаждающее рабочее тело — окружающая среда, обусловленных, старением припоев, ослаблением давления сжатия в блоках СПП вЂ”. 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 — n-переходе, датчик тока силовой цепи, контакты, установленные в измерительных цепях и катушку управления ими, соединенную с датчиком тока, измерительные приборы логометрического типа, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него 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.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. еляков В. А., Голубев П. Н. — «Электрическая и теплозная тяга», 1973, № 8, с. 42.

2. Хазен М. М. Методика осциллографирования температурных характеристик р — n-структур полупроводниковых вентилей.

Труды ЦНИИ МПС, вып. 522, M., «Транспорт», 1974, с. 84.

1Б г !

Составитель В. Немцов

Редактор Б. Павлов Техред О. Луговая Корректор Е. Лукач

Заказ 2454 45 Тираж 1089 Подписное

ЦН И И П И Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4