УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК МОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ MOSFET И IGBT

УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫХ
ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК МОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
MOSFET И IGBT
Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва,
факультет электронной техники
Лысенков А. Е.
Актуальность работы
В настоящее время около 70% всей вырабатываемой электроэнергии
потребляется в преобразованном (по параметрам) виде. Основополагающим
принципом управления потоками электроэнергии в силовой электронике
является коммутация электрических цепей, которая осуществляется силовыми
полупроводниковыми приборами.
Значительное влияние на развитие силовой электроники оказало создание
технологии производства полупроводниковых приборов, управляемых структурой
«металл-оксид-полупроводник». Появление мощных МДП-транзисторов
(MOSFET), а затем и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGВТ)
открыло широкие возможности для создания технически более совершенных
преобразователей электрической энергии, применяемых в разнообразных
технологических процессах. Во всем диапазоне мощностей (до 10 МВт)
разработчики преобразовательного оборудования получили в свое распоряжение
практически «идеальные» ключи.
Однако при всех своих достоинствах MOSFET и IGВТ обладают
существенным недостатком. Как показывает статистика, мощные транзисторы —
одни из наименее надёжных приборов в силовой электронике, что негативно
сказывается на надёжности всего силового оборудования. Одним из решений данной
проблемы является создание эффективных методов комплексной оценки качества
мощных MOSFET и IGВТ по электротепловым параметрам и характеристикам, а
также разработка аппаратуры, с помощью которой возможна автоматизированная
отбраковка потенциально ненадёжных приборов.
Цели проекта
Главной целью проекта является разработка метода и аппаратуры для
контроля качества мощных MOSFET и IGВТ. Первым шагом к достижению
поставленной цели является разработка метода и технических средств
измерения электрических параметров вольт-амперных характеристик (ВАХ) и
тепловых параметров MOSFET и IGВТ, а также создание математической
модели электротепловых процессов, протекающих в мощных MOSFET и IGВТ
при эксплуатации.
Метод решения и научная новизна
Получение ВАХ полупроводниковых приборов — весьма сложная задача,
требующая учёта в процессе её решения таких факторов, как наличие паразитных
ёмкостей, что обуславливает появление переходных процессов при дискретных
изменениях напряжения, и нагрев прибора в ходе испытания, что приводит к
изменению электрических параметров прибора [1].
С учётом влияния данных факторов разработан макетный образец устройства,
представляющий собой программно-аппаратный комплекс, реализованный с
помощью средств, предлагаемых компанией National Instruments. Функциональная
схема комплекса представлена на рис. 1.
Управление устройством и сбор информации осуществляются персональным
компьютером (ПК). Программная часть выполнена в среде графического
программирования LabVIEW. Связь ПК с аппаратной частью осуществляется с
помощью универсальной платы сбора данных NI PCI-6251.
Разработанный макетный образец устройства обеспечивает:
 формирование импульса напряжения на затвор испытуемого прибора
амплитудой от 0 до 20 В с шагом 0,1 В;
 формирование задаваемого напряжения на стоке/коллекторе испытуемого
прибора в пределах от 0 до 50 В с шагом 0,5 В;
 измерение тока стока/коллектора испытуемого прибора в пределах от
0 до 50 А;
 нагрев испытуемого прибора до 125○С.
Рис. 1. Функциональная схема комплекса.
Определение ВАХ транзистора осуществляется следующим образом.
1. С цифро-аналогового преобразователя платы NI PCI-6251 (ЦАП1) на
затвор испытуемого прибора (VT) через управляющий драйвер (УД) подается
импульс напряжения заданной амплитуды UGS/UGE длительностью импульса 20
мкс, что препятствует нагреву прибора во время измерения.
2. Через интервал времени, необходимый для заряда паразитной ёмкости
затвора, на сток/коллектор VT подается напряжение с блока формирователя
импульса напряжения (ФИН). Амплитуда напряжения задается ЦАП2.1 платы
NI PCI-6251.
3. Информация о токе стока/коллектора снимается с шунта RS через
согласующий блок (СБ) и поступает на аналого-цифровой преобразователь
(АЦП1.1), расположенный на плате NI PCI-6251 ПК.
4. Через интервал времени, необходимый для охлаждения VT, процесс
повторяется с новым значением амплитуды напряжения стока/коллектора.
С помощью разработанного устройства были определены ВАХ партии
MOSFET транзисторов IRF830, выпускаемых компанией International Rectifier.
На рис. 2 представлены характерные ВАХ трёх транзисторов при UGS = 4,5 В, а
также изображена типовая ВАХ этих приборов, взятая из паспортной
документации [2].
Рис. 2. Стоковые характеристики транзисторов IRF830.
Из представленных данных видно, что ВАХ конкретных приборов одного
и того же типа существенно отличаются от паспортной ВАХ. При этом
наблюдается существенная вариативность ВАХ этих транзисторов, что связано с
нестабильностью технологического процесса производства приборов. Так, при
напряжении на затворе UGS = 4,5 В и напряжении сток-исток UDS = 4 В величина
тока стока ID по паспортным данным равна 1,8 А. Однако характеристики
исследуемых приборов показывают, что при тех же условиях величина тока ID
меняется от 0,9 до 1,6 А.
Данное различие между характеристиками свидетельствует о том, что
информация, содержащаяся в паспортных данных на мощные транзисторы, не
может быть использована для решения определённых задач, предъявляющих
высокие требования к надёжности схем и устройств. В частности, при
параллельном соединении приборов с различными параметрами существенно
снизится КПД и возрастёт риск выхода из строя прибора.
Однако измерения одних лишь электрических параметров и
характеристик не позволяют эффективно выявлять потенциально ненадёжные
приборы. Одним из основных факторов, определяющих надёжность
транзисторов при эксплуатации, является их тепловой режим. Известно, что с
повышением температуры СПП меняются их электрические параметры. Так,
рост температуры MOSFET приведет к увеличению сопротивления в открытом
состоянии rDS(on) (рис. 3) и, соответственно, к увеличению потерь проводимости
прибора. Обратный процесс происходит в IGBT. С ростом температуры
транзистора
снижается сопротивление токопроводящего канала и
увеличивается риск отказа прибора.
Разработанный программно-аппаратный комплекс позволяет определять
температурную зависимость сопротивления прибора в открытом состоянии.
Данный процесс осуществляется следующим образом.
1. С платы NI PCI-6251 на затвор испытуемого прибора через УД
подается постоянное напряжение максимальной амплитуды, чтобы транзистор
полностью открылся.
2. Через испытуемый прибор начинает протекать ток от формирователя
греющего тока (ФГТ) задаваемой амплитуды и формы.
3. Информация о температуре корпуса транзистора передаётся с датчика
температуры (ДТ) в ПК. Через определенные температурные интервалы
процесс прекращается на 20 мкс и измеряются электрические параметры
прибора описанным выше способом.
4. Полученная информация обрабатывается ПК.
Рис. 3. Зависимости сопротивлений rDS(on) транзисторов IRF830 от температуры.
Полученные зависимости, представленные на рис. 3, имеют линейный
характер. Температурные коэффициенты зависимости сопротивления rDS(on) равны:
 для IRF830 №1 — 3,5 мОм/○С;
 для IRF830 №2 — 4,0 мОм/○С;
 для IRF830 №3 — 4,2 мОм/○С.
Различие температурных коэффициентов исследуемых нами приборов
свидетельствует о разной температурной чувствительности приборов, что
значительно снижает эффективность использования групповых соединений
транзисторов. В частности, формирование параллельной группы транзисторов
для увеличения коммутируемого тока в нагрузке без подбора по параметрам
приведет к значительному усложнению схем управления и существенному
снижению КПД. Следовательно, для наиболее эффективной эксплуатации
MOSFET и IGBT необходимо предварительно измерять электротепловые
параметры и характеристики. Кроме того, данная информация при серийном
выпуске мощных транзисторов позволит осуществлять их сплошной контроль и
эффективно выявлять потенциально ненадёжные приборы. В этой связи
разработка современных методов контроля качества и методов подбора
MOSFET и IGBT по электротепловым параметрам и характеристикам и
соответствующей аппаратуры является актуальной задачей развития силовой
электроники.
Выводы
В современной силовой электронике MOSFET и IGBT играют важную роль.
Однако при проектировании преобразователей электрической энергии на их
основе ввиду практического отсутствия объективной информации о величинах
параметров и характеристик приборов закладываются такие технические решения,
которые изначально приводят к снижению эффективности их применения. При
производстве
приборов
наблюдается
значительная
технологическая
нестабильность процесса их производства, которая ведет к существенной
вариативности величин параметров и характеристик приборов. Отсутствие
информации об этом предопределяет необходимость ориентирования
производителей преобразователей устанавливать приборы без их контроля и
подбора, что обусловливает повышение вероятности выхода из строя при
эксплуатации.
Использование автоматизированного программно-аппаратного испытательноизмерительного комплекса для контроля качества MOSFET и IGBT позволит:
1) на стадии разработки и проектирования MOSFET и IGBT — уточнять
величины основных электротепловых параметров и характеристик разрабатываемых
приборов;
2) при серийном выпуске MOSFET и IGBT — осуществлять их сплошной
контроль и вести отбраковку потенциально ненадёжных приборов;
3) при изготовлении преобразователей и их эксплуатации — контролировать
и подбирать MOSFET и IGBT по электротепловым параметрам и характеристикам
и отбраковывать потенциально ненадёжные.
Получение расширенной информации о параметрах и характеристиках
MOSFET и IGBT на всех стадиях жизненного цикла приборов позволит
существенно повысить их качество и эффективность применения. Кроме того,
проведение сплошного контроля MOSFET и IGBT по электротепловым параметрам
с выявлением потенциально ненадёжных приборов, которые могут появиться в
результате нестабильности технологического процесса производства, позволит
существенно снизить интенсивность их отказов в преобразователях.
Все эти меры обеспечивают существенное снижение будущих затрат на
последующее обслуживание и ремонт преобразователей.
Коммерциализация
Первый год финансирования: доработка макетного образца и математических
моделей электротепловых процессов, протекающих в мощных MOSFET и IGBT,
исследования термочувствительных параметров партий приборов.
Второй год финансирования: создание промышленного образца испытательноизмерительного комплекса для контроля качества мощных MOSFET и IGBT с
необходимой технической и метрологической документацией.
Потенциальными потребителями подобной аппаратуры являются
изготовители мощных транзисторов с полевым управлением: ОАО
«Электровыпрямитель», группа предприятий «Ангстрем», ОАО «ОКБ
„Искра“», ЗАО «Группа-Кремний» и др., а также большое количество
предприятий, занимающихся разработкой и созданием электрических
преобразователей на основе MOSFET и IGBT.
Список использованной литературы
1. Бочаров, Л. Н. Полевые транзисторы. Издание 2-е, переработанное и
дополненное / Л. Н. Бочаров. – М. : Радио и связь, 1984. – с. 41–42.