Читайте также:
|
При перегрузках, ограниченных по току, полупроводниковые аппараты и нагрузку можно защитить путем прекращения подачи управляющих импульсов на тиристоры.
В аппаратах переменного тока с естественной коммутацией тиристоров длительность протекания аварийного тока через СПП при таком способе защиты не превышает длительности одного полупериода (с учетом апериодической составляющей). Поэтому блокирование управляющих сигналов как средство защиты приборов от повреждения становится неэффективным.
В таких режимах прерывание аварийных токов можно осуществлять с помощью устройств принудительной емкостной коммутации.
Важно, что эти устройства применимы для аппаратов постоянного и переменного тока.
Еще один простой принцип защиты сильноточных полупроводниковых аппаратов при высокой скорости нарастания аварийных токов иллюстрируется рис.2.
Сущность его заключается в том, что аварийный ток или часть его отводится от защищаемой схемы на время, пока не вступят в действие обычные плавкие предохранители или автоматические выключатели. Тиристорный короткозамыкатель, выполненный на тиристорах VS1 и VS2, включен параллельно нагрузке Zн и полупроводниковому аппарату (ПА). Последовательно с нагрузкой и ПА включен трансформатор тока ТА, со вторичной обмотки которого напряжение подается в систему управления (СУ) короткозамыкателя.
При нормальном режиме работы цепи по току напряжение на трансформаторе недостаточно для запуска формирователя управляющих сигналов СУ и тиристоры VS1 и VS2 находятся в выключенном состоянии.
При возникновении аварийной ситуации увеличение тока до значения тока уставки приводит к срабатыванию порогового органа, например электронного реле максимального тока, и соответственно к включению тиристоров короткозамыкателя.
В результате поврежденный участок: 1)либо обесточивается полностью, если замыкание произошло в аппарате, 2)либо ток в нем значительно уменьшается при повреждении в нагрузке
Отключение аварийного тока осуществляется другими защитными аппаратами – плавкими предохранителями или автоматическими выключателями.
Для приведения в действие тиристорного короткозамыкателя требуется время несколько микросекунд. Защита нагрузки (аппарата) обеспечивается и в том случае, если тиристоры короткозамыкателя VS1 и VS2 не способны выдерживать аварийный ток и выходят из строя.
Цепь короткозамыкателя остается замкнутой, так как повреждение (пробой) тиристоров связано чаще всего с закорачиванием PN-перехода, а не с разрывом внутренней цепи.
Перед повторным включением питания вышедший из строя короткозамыкатель должен быть отключен или заменен новым.
51. Причины отказов силовых полупроводниковых приборов: расплавление припоев, повреждение кремниевой структуры, шнурование прямого и обратного токов изменение параметров приборов.
Расплавление и разрушение припоев. При сборке СПП применяются олово и припои для соединения кремниевого диска с термокомпенсаторами и вентильного элемента с медными основаниями. Наиболее часто встречающимся дефектом в паяных соединениях является несплошность соединения.
В зависимости от условий пайки и применяемой технологии площадь пустот в соединении может достигать 50% от номинальной площади контактной поверхности. Очевидно, что это приводит, прежде всего, к снижению прочности спая.
При циклической нагрузке приборов током, сопровождающейся попеременными нагревом и охлаждением элементов конструкции в широком интервале температур, припои испытывают значительные механические нагрузки. Поэтому снижение прочности спая вызывает пластические деформации припоя на участках с бездефектным соединением элементов и прогрессирующее ухудшение электрического и теплового контакта вплоть до выхода прибора из строя. Развитию этого механизма отказа способствует также возникновение локальных областей с повышенной температурой, обусловленное искажением линий токов из-за наличия дефектов в спае и значительным увеличением плотности тока на отдельных участках.
В режимах импульсной токовой нагрузки приборов местное повышение температуры может приводить к частичному расплавлению припоя, рекристаллизации и, следовательно, постепенному старению его.
В процессе термоциклирования из-за неидентичности коэффициентов линейного расширения соединяемых элементов (кремний-вольфрам, вольфрам-медь) припой подвергается периодически меняющимся механическим нагрузкам и в осевом и в радиальном направлении.
Положение осложняется еще и тем, что соединяемые элементы неодинаково нагреваются. Поэтому при коротких импульсах тока критическим фактором является не абсолютная температура нагрева, а разность между температурами спаянных элементов конструкции.
Таким образом, число циклов нагрева и охлаждения, которое выдерживает паяное соединение до разрушения, зависит от многих факторов: 1)качества спая, определяющего собственную его механическую прочность, 2)распределения дефектов, 3)физических характеристик материалов, из которых изготовлены соединяемые элементы, 4)режима нагрузки прибора током и др. Усталостное повреждение кремниевой структуры. Трещины Кремний является очень хрупким материалом, и для него характерно малое сопротивление к сдвиговым или растягивающим усилиям.
Поэтому даже ослабленные термокомпенсатором механические напряжения, возникающие из-за неодинакового теплового расширения медного основания и кремния, приводят к постепенному разрушению последнего.
Вероятность повреждения кремния по этой причине увеличивается с увеличением диаметра прибора, так как при этом возрастают напряжения на периферии кремниевого диска.
Разрушение кремния, проявляющееся в виде трещин или расслоений, может происходить и при воздействии разовой перегрузки прибора током.
Особенно важным является предупреждение возможности возникновения такого рода повреждений, когда по условиям работы СПП находится до протекания тока нагрузки при низкой температуре и элементы его конструкции уже подвержены воздействию значительных механических напряжений.
Шнурование прямого тока Этот вид повреждения СПП возникает из-за чрезмерного разогрева кремниевой структуры, в результате чего создаются условия для локализации тока в небольшой области.
Этот процесс завершается локальным проплавлением кремния.
Амплитуда и длительность допустимого тока перегрузки, при которых исключается процесс шнурования тока, определяются не разностью температур, а максимальной температурой кремния при протекании импульса тока.
Особенно опасным в отношении возможности появления шнурования тока является повышение допустимых значений (di/dt)crit при включении приборов.
Шнурование обратного тока Проявление этого повреждения связано с приложением обратного напряжения к прибору непосредственно после прохождения импульса тока перегрузки.
Если к моменту перехода тока через нуль температура полупроводниковой структуры превышает критическое значение, то к наиболее нагретой зоне стягивается обратный ток со всей структуры, что может привести к локальному раплавлению кремниевого диска. Критическая температура начала шнурования обратного тока зависит от многих факторов. Существенными из них являются:1)интенсивность охлаждения, 2)удельное сопротивление исходного кремния, 3)параметры (du/dt, U max) прикладываемого в обратном направлении напряжения. Изменение параметров приборов
Под отказами этого вида следует понимать ухудшение характеристик СПП, приводящее к возникновению ненормальных режимов работы устройств, созданных на их основе.
Наиболее важные параметры СПП, которые являются исходными данными при проектировании любого полупроводникового аппарата являются:1) напряжение переключения U (BO) 2)напряжение загиба характеристики U (BR),3)время выключения t q, 4)обратный ток I R, 5)ток утечки I D, 6)критическая скорость нарастания прямого напряжения (dU/dt)crit,
7)неотпирающие ток I GD, 8)напряжение U GD управления.
Суммируя все отмеченное о причинах отказов СПП и механизмах их развития, можно сделать следующие выводы:
1)Все отказы СПП, за исключением тех, которые являются следствием дефектов производства, связаны с температурой нагрева элементов конструкции прибора. Причем в большинстве случаев определяющее значение имеет нагрев кремниевой структуры.
2)Наиболее опасным в отношении возникновения причин, приводящих к отказам, является режим импульсной нагрузки приборов током. Именно в этом режиме проявляется сразу несколько критических факторов, определяющих повреждение СПП.1)Различным механизмам отказов соответствует не только определенное значение критической температуры нагрева, но и длительность процесса нагрева, определяющая перепад температуры в элементах конструкции или в пределах одного элемента.2)Превышение предельной температуры может привести либо к временному ухудшению параметров СПП и соответственно к временному неработоспособному состоянию аппарата, либо к необратимому повреждению приборов, вплоть до механического их разрушения.
52. Режимы работы силовых полупроводниковых приборов: длительный режим, импульсный режим, повторно-кратковременный режим, режим ударных токов.
Длительный режим
Главным признаком всех длительных режимов - установившаяся температура элементов конструкции прибора. Критерием допустимого тока нагрузки является максимально допустимая температура кремниевой структуры T jm.
Импульсный режим
Этот режим характеризуется многими параметрами:
§ частотой повторения импульсов,
§ длительностью импульса и паузы между импульсами тока,
§ параметрами импульсов тока (форма, амплитуда, фронт).
Основным признаком импульсных режимов является то, что к моменту начала воздействия следующего импульса температура кремниевой структуры, обусловленная протеканием предыдущего импульса тока, снижается до температуры окружающей среды.
Различают короткие и длинные импульсытока. Короткими считают такие импульсы, длительность которых меньше времени установления стационарных процессов в СПП. Промежуточное положение занимают импульсы средней длительности.
Повторно-кратковременный режим
Отличие этого режима от периодического импульсного состоит в том, что через определенные интервалы времени приборы нагружаются серией (пачкой) импульсов тока.
За время воздействия серии импульсов температура кремниевой структуры и других элементов прибора не достигает установившегося значения.
В течение паузы между сериями импульсов прибор не успевает охладиться до исходной температуры
Если число воздействующих серий импульсов достаточно большое, через некоторое время наступает так называемый квази стационарный режим, когда максимальное и минимальное превышение температуры соседних циклов становятся одинаковыми.
Режим ударных токов
Этот режим характеризуется воздействием одиночных импульсов или серии импульсов тока с амплитудой и длительностью, опасными в отношении развития всех рассмотренных выше механизмов повреждения СПП.
Как правило, режим ударных токов носит случайный характер повторения и связан с возникновением аварийных ситуаций.
Напряжение к прибору после протекания ударного тока не прикладывается и температура прибора снижается до температуры охлаждающей среды или до установившейся температуры, определяемой током длительной нагрузки.
Дата добавления: 2015-07-11; просмотров: 241 | Нарушение авторских прав