автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод и средство экспресс-контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей

На правах рукописи

/4

Вернжнпков Сергей Владимирович

МЕТОД И СРЕДСТВО ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МОДУЛЕЙ

05 11 13-Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ооз1бет15

Орел - 2008

003166715

Работа выполнена в ГОУ ВПО Орловский государственный технический университет

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук, доцент Корнеев Евгений Федорович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Иванов Борис Рудольфович

кандидат технических наук, Горбунов Роман Анатольевич

Ведущая организация

орловский филиал Института Проблем Информатики РАН (ИЛИ РАН)

Защита состоится ч19 » «.уьр-САЯ. 2008 г в 1у часов на заседании диссертационного совета Д212 182 01 при ГОУ ВПО Орловский государственный технический университет по адресу 302020, Россия, г Орел, Наугорское шоссе, 29

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Орловский государственный технический университет

Автореферат разослан » хАи&ируло^ 2008 г

Ученый секретарь

диссертационного совета

Суздальцев А И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Современный уровень развития силовой электроники характеризуется широким распространением силовых полупроводниковых модулей (СПМ), включающих в себя дискретные полупроводниковые элементы и схемы управления Основные тенденции их развития - увеличение рассеиваемой мощности и миниатюризация Вследствие этого даже незначительные дефекты в конструкции СПМ могут вызвать недопустимое увеличение теплового сопротивления и выход модуля из строя Таким образом, необходимым становится стопроцентный контроль тепловых сопротивлений силовых модулей при их производстве

Контроль тепловых сопротивлений СПМ классическими методами [ГОСТ 24461-80, ГОСТ 19656 15-84] занимает много времени и может стать ограничивающим фактором в технологическом процессе их производства Решение данной проблемы путем увеличения количества контрольно-измерительного оборудования неэффективно по причине его энергозатратности и сложности Это приводит к необходимости использования экспресс-методов при контроле тепловых сопротивлений СПМ

Вопросам экспресс-контроля тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов (1111) посвящено достаточно большое число работ [Рабинер-сон А А , Ашкинази Г А, 1976, Лаппе Р , Фишер Ф , 1986, Сергеев В А, 2000 и др ] Большинство разработанных методов требуют предварительного сбора статистической информации о характеристиках температурочувствительного параметра (ТЧП) силовых элементов ПП и достижения теплового равновесия между корпусом прибора и полупроводниковым кристаллом Сбор статистической информации о характеристиках ТЧП прибора требует большого числа измерений, которые, в настоящее время, производятся с использованием термостатов, занимают много времени и с трудом поддаются автоматизации Данная проблема усугубляется еще и тем, что большинством предприятий выпускается широкая номенклатура СПМ с различными типами силовых элементов

Необходимость установления теплового равновесия кристалл-корпус применительно к СПМ приведет к длительному времени контроля, так как большинство модулей, в настоящее время, обладают высокой теплоемкостью за счет использования в качестве основания массивной базовой платы Этого недостатка лишен метод «эталонной тепловой модели» [Гарбейн В М и соавт, 2000], заключающийся в разделении теплоэлектрической модели (ТЭМ) полупроводникового прибора на две составляющие - модели внутренних слоев, на которые приходится основное тепловое сопротивление, и модели основания, имеющего небольшое и достаточно стабильное тепловое сопротивление Зная параметры модели основания, можно измерить полное тепловое сопротивление прибора за относительно небольшое время, необходимое для установления теплового равновесия внутренних слоев прибора Данный метод включает определение параметров ТЭМ ПП - задача, которая требует разработки эффективного численного метода решения Кроме того, для повышения точности контроля по

данному методу желательно также собрать статистическую информацию о параметрах тепловой модели lili

Таким образом, возникает необходимость в ускорении и автоматизации сбора статистической информации о характеристиках температурочувствитель-ных параметров силовых элементов СПМ и параметрах теплоэлектрической модели СПМ

Одной из тенденций развития силовых полупроводниковых модулей является их миниатюризация, что увеличивает взаимное тепловое влияние отдельных силовых элементов в модуле друг на друга Это может вызвать погрешности при измерении тепловых сопротивлений многоэлементных СПМ на постоянном токе

В настоящее время все большее распространение получают компьютеризированные измерительные комплексы, позволяющие в значительной степени автоматизировать процессы измерения и контроля на производстве, накапливать информацию о результатах измерений и производить ее статистический анализ Такие комплексы не только упрощают работу оператора, но и позволяют оценивать качество и стабильность технологического процесса

В связи с этим является актуальным создание автоматизированного комплекса для экспресс-контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей на базе ПЭВМ

Объект исследования - тепловые сопротивления силовых полупроводниковых модулей

Предмет исследования — методы и средства измерения и контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей

Цель исследования - повышение скорости и достоверности контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей

Основные задачи исследования

— анализ существующих методов и средств контроля тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов,

— исследование особенностей измерения тепловых сопротивлений многоэлементных силовых полупроводниковых модулей,

— разработка способа экспресс-измерения характеристик температур о-чувствительных параметров силовых элементов СПМ,

— разработка метода определения параметров теплоэлектрической модели СПМ,

— разработка средства экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ,

— экспериментальное исследование работы средства экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ и проверка адекватности разработанных теоретических положений

Методы исследования

Для решения поставленных задач в работе использовались методы математического и теплоэлектрического моделирования, математического анализа, математической статистики, цифровой обработки сигналов и численные методы Математическое моделирование и обработка данных проводились в про-

граммныч пакетах MathCad 2000, Excel, а также с использованием оригинальных программ, разработанных в среде C++Bllllder 6

Экспериментальные исследования проведены на разработанном программно-аппаратном комплексе контроля тепловых сопротивлений СПМ

Научная новнзна работы заключается в следующем-

1 Разработан новый способ измерения температурных коэффициентов температурочувствительных параметров полупроводниковых приборов, основанный на саморазогреве прибора, позволяющий сократить время измерения

2 На основе теплоэлектрического моделирования предложена методика компенсации погрешности измерения тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов на синусоидальном токе, вызванной колебаниями температуры полупроводникового кристалла

3 Разработан метод определения параметров теплоэлектрической модели полупроводниковых приборов, основанный на численной аппроксимации переходного теплового сопротивления прибора по методу наименьших квадратов, отличающийся усовершенствованным методом оптимизации

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью применения методов теплоэлектрического моделирования, теории вероятности, математической статистики, качественным и количественным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований, внедрением результатов работы в производство, патентной экспертизой

Практическая ценность работы заключается в том, что использование разработанного метода и теоретических положений в автоматизированном программно-аппаратном комплексе экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ позволило сократить время контроля и повысить качество выпускаемой продукции

Реализация и внедрение результатов исследовании.

Основные теоретические и практические результаты работы были реализованы в программно-аппаратном комплексе экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ - стенде измерения и контроля тепловых сопротивлений (ИКТС) твердотельных реле, внедренного в производство на предприятии ЗАО «Протон-импульс», г Орел Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами

Апробация и публикации результатов работы.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на 3-х международных конференциях

— международной научно-технической конференции «ПРИБОРОСТРОЕНИЕ 2005», Украина, Винница-Ялта, 14-17 сентября 2005 г

— XXVII Российской школе по проблемам науки и технологий, Россия, г Миасс, 26 - 28 июня 2007 г

— V Международной научно-практической интернет-конференции "ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ - XXI ВЕК", Россия, г Орел, 1 апреля -30 июня 2007 г

По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации ре-

зультатов научных исследований Подана заявка на изобретение «Способ измерения температурных коэффициентов температурочувствительных параметров силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении» (заявка №2006145698, приоритет от 21 12 06) Получено решение о выдаче патента

На защиту выносятся следующие основные положения

1 Способ измерения температурных коэффициентов температурочувствительных параметров полупроводниковых приборов

2 Методика компенсации погрешности измерения тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов на синусоидальном токе

3 Метод определения параметров теплоэлектрической модели полупроводниковых приборов

4 Структура средства экспресс-контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей, с автоматизацией процесса измерения

Структура и объём диссертации

Диссертация изложена на 116 страницах машинописного текста, из них 114 страниц основного текста и 2 страницы приложений, содержит 52 рисунка и 12 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников, включающего 53 наименования работ отечественных и зарубежных авторов, и приложения

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследования, указана научная новизна и практическая ценность работы, основные положения, выносимые на защиту, а также информация об обсуждении результатов работы

В первой главе дан обзор тепловых параметров и тепловых моделей 1111, описаны особенности конструкции силовых полупроводниковых модулей, проведен анализ существующих методов и средств контроля тепловых параметров полупроводниковых приборов, рассмотрены их достоинства и недостатки, сформулированы основные задачи исследования

Важнейшими тепловыми параметрами 1111, ограничивающими предельные мощности рассеяния приборов, являются статическое и переходное Z^th)t тепловые сопротивления По определению есть отношение разности эффективной температуры р-П-перехода Т] и температуры в контрольной точке Тх (корпус - Тс, окружающая среда - 7~а) к рассеиваемой мощности Р полупроводникового прибора в установившемся режиме

(1)

Статическое тепловое сопротивление показывает, на сколько градусов изменится перепад температур между кристаллом и контрольной точкой при изменении греющей мощности на один ватт и измеряется в градусах на ватт ([К/Вт], [°С/Вт]) Требования к погрешности измерения тепловых сопротивлений устанавливаются в ТУ и ГОСТ на конкретные ПГ1 Например, согласно

ГОСТ 19656 15-84, погрешность измерения полупроводниковых СВЧ-

диодов не должна превышать 25 %

Соответственно определяется как отношение разности изменения температуры перехода и температуры в контрольной точке в конце заданного интервала времени, к скачкообразному изменению рассеиваемой мощности Р в начале этого интервала

А ТМ)-АТМ)

р (2)

Переходное тепловое сопротивление определяет температуру кристалла в импульсных режимах

Наибольшее распространение при изучении тепловых процессов в ПП получила теплоэлектрическая модель, представляющая собой ряд последовательно включенных ЯС-звеньев — рисунок 1

Рп

Г-С

Тх

Сп

чн

Рисунок 1 - Теплоэлектрическая модель на основе функциональной аппроксимации ¿^¡(О

При этом электрическое сопротивление эквивалентно тепловому сопротивлению К//, соответствующего слоя, электрическая емкость С - теплоемкости слоя С№, электрическое напряжение - температуре (Ту, Тх) Источник тепла (мощности) Р представляется источником тока

Переходное тепловое сопротивление этой модели на этапе нагрева описывается формулой

2(Й),(0 = ХК( (1-ехрИ/т,)),

(3)

где х, = С, - тепловая постоянная времени 1-го слоя, характеризующая инерционность тепловых процессов в слое

Проведенный анализ существующих методов измерения и контроля тепловых сопротивлений 1III, а также особенностей конструкции силовых полупроводниковых модулей позволил заключить, что для осуществления экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ необходимо

1 Априорное знание зависимости температурочувствительного параметра силовых элементов модуля от температуры

2 Осуществлять прогрев лишь внутренних слоев модуля при контроле

Кроме того, существуют особенности конструкции СПМ, которые необходимо учесть при разработке метода контроля тепловых сопротивлений, а именно

1 Возможность взаимного теплового влияния силовых элементов в многоэлементных СПМ

2 Ограничение на выбор ТЧП, связанное с тем, что в большинстве конструкций СПМ наружу выводятся лишь силовые выводы полупроводниковых элементов

Во второй главе разработаны теоретические основы экспресс-метода измерения тепловых сопротивлений СПМ на переменном токе, предложена методика компенсации возникающих при этом погрешностей Разработан способ измерения температурных коэффициентов ТЧП полупроводниковых приборов при саморазогреве прибора Разработан численный метод определения параметров теплоэлектрической модели 1111 по переходному тепловому сопротивлению

В основе предложенного экспресс-метода лежит разделение ТЭМ силового модуля на две составляющие — модели внутренних слоев и модели основания В простейшем случае такое разделение можно произвести посредством двухзвенной теплоэлектрической модели - рисунок 2

В этой модели параметры /?■), С1 отражают тепловые свойства внутренних слоев конструкции модуля, й2, — основания

Переходное тепловое сопротивление Тцкцс^) данной ТЭМ описывается выражением

¿тЛЪ = /?1(1 - ехрКтО) + Н2^-ех<р{-их2))=2твщМ)+гтос,и), (4) где х-) = ^ Сь %2 = Я2 С2,

2щвщт({) - внутреннее переходное тепловое сопротивление модуля,

_ переходное сопротивление основания После накопления статистической информации о параметрах И2, будет возможно производить измерение за время порядка Зц < ¿„ << х2

Ян* = ~ я2(1 - ехрК,/т2)) + 2т&) + Я2 ехрН,/т2)) (5)

Величина Я2( 1 - ехр(-/'„/х2)) служит для учета теплового влияния основания

В случае, если ¿и << хг, > Я2, то вхрМАг) » 1 и выражение можно упростить

= + (6)

Таким образом, алгоритм предложенного экспресс-метода контроля тепловых сопротивлений СПМ должен включать в себя следующие этапы

1 Сбор статистической информации о характеристиках температурочув-ствительного параметра силовых элементов СПМ

2 Сбор статистической информации о параметрах теплоэлектрической модели основания модуля

3 Измерение переходного теплового сопротивления до момента установления теплового равновесия во внутренних слоях модуля с использованием собранной информации о характеристиках ТЧП силовых элементов СПМ

4 Вычисление полного теплового сопротивления на основе измеренного переходного теплового сопротивления и статистической информации о параметрах теплоэлектрической модели основания СПМ

Для осуществления экспресс-метода измерения тепловых сопротивлений необходимо собрать статистическую информацию о характеристиках темпера-турочувствительного параметра силовых элементов СПМ

Наибольшее применение нашли ТЧП, имеющие линейную зависимость от температуры и характеризуемые температурными коэффициентами (ТК)

Кг = (Ог-О,)/^-ТО, (7)

где Кт~ температурный коэффициент ТЧП,

О^, ©2 — значения температурочувствительного параметра полупроводникового прибора, измеренные при температурах кристалла Т-\ и 7*2 соответственно

Анализ переходных тепловых процессов в структуре ПП на базе одномерной ТЭМ показал, что разность температур между корпусом прибора и полупроводниковым кристаллом можно описать выражением

ТУ«)-ТС(() = Р^Г1, (1-ехр(-//т,)) (8)

При этом разность температур между корпусом и полупроводниковым кристаллом достигнет установившегося значения через время порядка Зттах, где ттах - максимальная тепловая постоянная времени между кристаллом и корпусом

На рисунке 3 показана характерная зависимость температуры кристалла 7} и корпуса Тс полупроводникового прибора от времени при его нагружении постоянной мощностью в начальный момент времени

В начальный момент времени температура корпуса прибора и полупроводникового кристалла равны температуре окружающей среды Га В момент времени t■\ > Зттах разность между температурами корпуса и перехода практически достигает установившегося значения, однако рост температур продолжается за счет нагрева окружающей среды

Л-7 =

(9)

Рисунок 3 - Зависимость температуры перехода и корпуса полупроводникового

прибора от времени

Тот факт, что при t > ^ приращение температуры корпуса становиться равным приращению температуры кристалла, позволяет записать формулу (7) в виде:

иы-ии'

где О(^), ГС(У - соответственно значения температурочувст-

вительного параметра и температуры корпуса прибора, измеренные в моменты времени 51 > Зхтах.

Разработанный способ позволяет в несколько раз сократить время измерения температурных коэффициентов ТЧП (в экспериментальных исследованиях время было сокращено с 30 до 10 минут), автоматизировать данный процесс и производить его непосредственно на оборудовании, предназначенном для измерения тепловых сопротивлений.

На данный способ подана заявка на изобретение и получено решение о выдаче патента.

Большинство методов измерения тепловых сопротивлений, рассмотренных в первой главе, используют постоянный ток. Однако применение подобных методов к многоэлементным силовым модулям, предназначенным для коммутации переменного тока (в особенности к имеющим антипараллельное включение силовых элементов), может привести к значительным погрешностям. Причина этого - изменение распределения тепловых потоков в модуле при измерении и реальной работе вследствие взаимного теплового влияния силовых элементов. Экспериментальная оценка показала, что данная погрешность достигает 6,5 % для ряда ТТР производства ЗАО «Протон-импульс», г. Орел.

Решением указанной проблемы является создание при измерении тепловых сопротивлений модуля равной нагрузки на все силовые элементы модуля (как при реальном режиме работы). Очевидно, что в этом случае наиболее рационально использовать синусоидальный ток промышленной частота 50 Гц.

Однако при этом возникает другая проблема: переходное и статическое тепловые сопротивления определены только для постоянной мощности и их измерение на переменном токе может привести к погрешности, связанной с колебаниями температуры полупроводникового кристалла.

Па рисунке 4 приведены графики перегрева кристалла ПП при рассеивании синусоидальной мощности (полукосинусоидальной для одного элемента) амплитудой Ртах = 100 Вт с периодом Т = 0,02 С и эквивалентной постоянной средней мощности 31,9 Вт, полученные путем теплоэлектрического моделирования. На рисунке 4, а показан начальный этап нагрева, на рисунке 4, б - установившийся режим.

Из рисунков видно, что температура кристалла совершает колебания, что может привести к погрешности измерения теплового сопротивления.

ДГУ

у А> /и

\ 1 / >"\ I

у у \ I

А Г,

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

23

К 122,6 У 22,4 ' 22,2 22

21,8 180

1 у 2 \/ н

\ 3 I

180,02 180,04

I

¡0

б)

1 — перегрев кристалла при синусоидальном токе нагрузки;

2 - перегрев кристалла при постоянной средней мощности;

3 — мощность.

Рисунок 4 - Перегрев кристалла при различных характерах нагрузки

Проведенный аналитический анализ показал, что при использовании ко-синусоидальной формы тока нагрузки (т.е. при включении тока в максимуме) зависимость перегрева кристалла ПП от времени описывается выражением:

'2п С

~Т

ДТ\(0 = -— я|1-ехр(-- ||+-

-вш

дгч.со+ДТ-^со, (10)

п V 1)) Г(1+(2лт/7~)2)

где АТс/, - перегрев кристалла при постоянной средней мощности, АТпе], — переменная составляющая перегрева кристалла. Из выражения видно, что форма колебаний температуры кристалла не зависит от тепловых параметров прибора.

Таким образом, для минимизации погрешностей, возникающих при измерении тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов на синусоидальном токе необходимо предпринять следующие шаги:

1 Использовать косинусоидальную форму тока, т.е. включать греющий ток в максимуме,

2 Измерять температуру кристалла в точках фазы греющего тока, где АТпер - 0, либо компенсировать колебания по знаку.

Измеряя температуру кристалл симметрично при подъеме и спаде мощ- I ности (тока), можно компенсировать также влияние индуктивности конструкции ПП. |

Для определения параметров ТЭМ СИМ был разработан численный ме- г тод, основанный на аппроксимации экспериментально измеренного переходного теплового сопротивления прибора функцией, определяющей переходное сопротивление модели (формула (3)) по методу наименьших квадратов. В основе метода лежит минимизация функции

.....Кл,т,....."О = ¿(4-

где — экспериментальные значения переходного теплового сопротивления в моменты времени

/?/, т,-- параметры ТЭМ.

Количество аргументов функции 5 удалось сократить вдвое, вычисляя значения при заданных хл..лп, как коэффициенты регрессии общего вида

(что сводится к решению системы линейных уравнений):

т ^ п

..........*=п)-(1-ехр(-^/х,))

/-1 V

Исследование характера поведения данной функции вблизи точки минимума позволило улучшить метод сопряженных направлений для ее оптимизации, за счет уменьшения количества одномерных поисков.

Усовершенствованный метод оптимизации сравнивался по эффективности с методом наискорейшего спуска (метод Коши) и прототипом — методом сопряженных направлений Пауэлла в ходе численного эксперимента. В качестве критерия эффективности методов было выбрано количество одномерных поисков, необходимых методу для достижения точки минимума с заданной точностью. Результаты эксперимента представлены на рисунке 5.

'I I I' I I 7

... . . :_ Л«

| 9,2

>

I . I !

1 23456789 10 число одномерных поисков

1 - разработанный метод; 2 - метод наискорейшего спуска (метод Коши); 3 — метод сопряженных направлений Пауэлла.

Рисунок 5 - Сравнение эффективности методов оптимизации

¿Я„-(1-ехрИ,/т,))| , (11)

)

(12)

Полученные данные показывают, что эффективность разработанного метода оптимизации превышает эффективность прототипа более чем на 30 %.

Третья глава посвящена разработке автоматизированного средства экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ - стенда измерения и контроля тепловых сопротивлений (ИКТС) твердотельных тиристорпых реле, произведена оценка метрологических характеристик метода и средства контроля.

Стенд ИКТС внедрен в производство на предприятии ЗАО «Протон-импульс» (г. Орел) и предназначен для контроля широкой номенклатуры ТТР, различающихся такими параметрами, как: количество фаз (1 или 3), тип и расположение силовых элементов, сигналы управления, номинальные токи и т.д.

Стенд основан на использовании универсальной плате сбора информации PCI-1202L, устанавливаемой в компьютер типа IBM-PC.

На рисунке 6 представлена структурная схема разработанного стенда.

Рисунок 6 - Структурная схема стенда ИКТС

В качестве ТЧП, используемого при измерениях тепловых сопротивлений ТТР, было выбрано прямое напряжение, т.к. данный ТЧП показал высокую линейность и наименьший разброс между однотипными приборами.

Для выбора порядка теплоэлектрической модели ТТР были произведены пробные измерения переходных тепловых сопротивлений нескольких ТТР типа 5П19.10ТМ1-60-12. Результаты измерения показаны на рисунке 7.

На рисунке показаны также график функции = (1 —ехр(-?/х-|)) +

+ Я2С —©Хр(-?/х2)), аппроксимирующей переходное тепловое сопротивление и | отдельные ее составляющие. При этом параметры и х1 определяют тепловые свойства внутренних слоев конструкции ТТР, а Яг и "Сг ~ основания. Получены следующие средние значения параметров ТЭМ: Я11 = 0,64 К/Вт; Т1 = 0,18 с; Н2 = 0,079 К/Вт; х2 = 55 с.

Полученные данные позволили заключить, что двухзвенная теплоэлек-трическая модель достаточно точно аппроксимирует переходные тепловые сопротивления ТТР и может быть использована при реализации экспресс-метода.

0 50 100 150 200 250 с 350

1 — переходное тепловое сопротивление ТТР;

2 - аппроксимация выражением ^О-ехр^/тн)) + Я2(1-ехр(-(/т2)),'

3 — составляющая ^(1 — ехр(-?/т-|)) аппроксимирующего выражения;

4 - составляющая Яг(1-ехр(-?/х2)) аппроксимирующего выражения.

Рисунок 7 - Переходное тепловое сопротивление ТТР и его отдельные

составляющие

Программное обеспечение (ПО) стенда было разработано в среде С++ВиИс1ег 6 с использованием объектно-ориентированной методологии разработки.

На рисунке 8 представлена структурная схема программного обеспечения стенда ИКТС.

Рисунок 8 - Структура программного обеспечения стенда ИКТС Главное окно программы стснда 1ГКТС представлено на рисунке 9.

Измерения

ПИс метаем ЛТП

тздггя

П АрМ-Юр» КСГ-ЩТ.» Г: 4; Прочее

ОУ*Ю«СЬ <П Открыть. багж дам<ь& К КП

Поееркз

'.''н-рернация о типе I (Р Но» шнайьнм» ил». А I 1'оиг-^тнйяп<'

Рисунок 9 - Главное окно программы стенда ИКТС

Назначение модулей ПО

— «основная программа» осуществляет координацию работы других модулей и сохранение результатов измерений в базе данных

— «модуль диалога с оператором» предназначен для выбора типа ТТР, метода измерения, отображения текущей информации о ходе измерения и выдачи сообщений о неисправностях, ошибках оператора и необходимых действиях со стороны оператора,

— в «базе данных» заложена информация о параметрах ТТР, необходимых для проведения измерений, а также сохраняются результаты измерений,

— «метод измерения» осуществляет все действия по измерению тепловых параметров ТТР в соответствии с определенным алгоритмом,

— «модуль управления стендом» предоставляет функции, необходимые для проведения измерений тепловых параметров измерение мощности, В АХ, температуры корпуса, включение/выключение реле и вентилятора итд,

— «драйвер платы сбора информации» осуществляет управление стендом посредствам платы сбора информации PCI-1202L, установленной в ПЭВМ типа IBM-PC

При оценке метрологических характеристик метода и средства контроля были учтены следующие составляющие

— погрешность измерения рассеиваемой мощности,

— погрешность измерения прямого напряжения тиристора ТТР на измерительном токе,

— погрешность измерения температуры корпуса ТТР,

— оценки значений температурного коэффициента напряжения и параметров тепловой модели основания по собранным статистическим данным,

— погрешность, обусловленная зависимостью теплопроводности материалов ТТР от температуры

Оценка погрешности измерений тепловых сопротивлений ТТР производится автоматически программным обеспечением стенда

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования теоретических положений диссертации и работы средства экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ

Экспериментальное исследование способа измерения температурных коэффициентов ТЧП было осуществлено при измерении ТКН тиристоров, используемых в твердотельных реле типа 5П19 10ТМ1-60-12-В2 (тиристоры 3-6) и 5П19 10ТМ1-60-12-В2к (тиристоры 1,2) производства ЗАО «Протон-импульс» В качестве силовых элементов в данных реле используются соответственно тиристоры 40TPS и 370SG12 (кристалл) производства International Rectifier (WWW irf com) Для оценки точности способа предварительно были измерены действительные температурные коэффициенты напряжения силовых элементов с использованием термостата TDB-120 с точностью ±0,02 мВ/К Далее для каждого тиристора были произведены 4 измерения ТКН разработанным

способом на стенде ИКТС Результаты данных измерений приведены в таблице 1

Таблица 1 — Оценка точности измерений ТКН тиристоров разработанным способом

№ тиристора Действительный 1КН, мВ/К Измеренные ТКН, мВ/К СКО, мВ/К Максима чьиое отклонение от действитетыюго, %

1 -1,64 + 0,02 -1,642 -1,663 -1,657 -1,654 0,0088 1,4

2 -1 66+0,02 -1,657 -1,677 -1,664 -1,672 0,0088 1,0

3 -1,21+0,02 -1,220 -1,213 -1,221 -1,208 0,0061 0,91

4 -1,17 + 0,02 -1,173 -1,169 -1,176 -1,164 0,0052 0,51

5 -1,21 + 0,02 -1,209 -1,211 -1,201 -1,222 0,0087 0,99

6 -1,19 + 0,02 -1,204 -1,202 -1,205 -1,206 0 0017 1,3

Полученные результаты свидетельствует о том, что точность данного способа не будет ограничивающим фактором при реализации экспресс-метода измерения тепловых сопротивлений, т к разброс ТКН тиристоров, используемых в ТТР (а также большинства других ТЧП), между однотипными приборами превышает 7 %

При сборе статистической информации о ТКН тиристоров 40ТРЭ было произведено 20 измерений ТКН на стенде ИКТС Наименьший разброс имеют температурные коэффициенты, измеренные на токе 9 А, который и был использован в качестве измерительного тока при проведении экспресс-измерений тепловых сопротивлений

При сборе статистической информации о параметрах ТЭМ реле было произведено 20 измерений переходных тепловых сопротивлений тиристоров ТТР типа 5П19 10ТМ1-60-12-В2, по которым была произведена оценка параметров ТЭМ Краткие результаты оценки представлены в таблице 2

Таблица 2 - Результаты оценки параметров теплоэлектрической модели ТТР типа 5П19 10ТМ1-60-12-В2

т, с ЯьК/Вт т2, с «2, К/Вт

Среднее 0,165 0,641 58,81 0,0726

СКО 0,021 0,0213 8,42 0,0131

При этом параметры х-), характеризуют тепловые свойства внутренних слоев конструкции ТТР, а Яг - параметры основания

Собранная статистическая информация о ТКН тиристоров и тепловых параметрах основания ТТР позволила производить экспресс-измерения тепловых сопротивлений ТТР нескольких типов в течение 5 секунд

При исследовании экспресс-метода измерения тепловых сопротивлений ТТР ставилась задача определить адекватность оценки точности измерений по данному методу Для этой цели предварительно было измерено тепловое со-

противление семи ТТР типа 5П19 10ТМ1-60-12-В2 (два тиристора на реле) с точностью ±0,02 К/Вт, после чего производились экспресс-измерения тепловых сопротивлений данных ТТР на стенде ИКТС Полученные результаты представлены в таблице 3

Таблица 3 - Результаты измерений тепловых сопротивлений ТТР экспресс-методом

№ тиристора Действительное значение Rthjc, К/Вт Значение Rthjc> измеренное экспресс-методом, К/Вт Абсолютная погрешность измерения Rthjc экспрессс-методом, К/Вт Оценка абсолютной погрешности измерения Rthjc экспрессс-методом, К/Вт

1 0,74 ±0,02 0,724 -0,016 ±0,074

2 0,75 ± 0,02 0,732 -0,018 ±0,074

3 0,72 ± 0,02 0,751 0,031 ±0,073

4 0,70 ± 0,02 0,654 -0,046 ±0,073

5 0,73 ± 0,02 0,754 0,024 ±0,073

6 0,70 ± 0,02 0,716 0,016 ±0,072

7 0,74 ± 0,02 0,721 -0,019 ±0,072

8 0,70 ±0,02 0,739 0,039 ±0,075

9 0,72 ± 0,02 0,688 -0,032 ±0,072

10 0,75 ±0,02 0,709 -0,041 ±0,074

11 0,69 ± 0,02 0,720 0,030 ±0,073

12 0,71 ± 0,02 0,674 -0,036 ±0,074

13 0,71 ± 0,02 0,691 -0,019 ±0,072

14 0,73 ± 0,02 0,718 -0,012 ±0,074

Полученные данные свидетельствуют об адекватности разработанного экспресс-метода и средства контроля, т к реальные погрешности измерения тепловых сопротивлений данным методом не превышают расчетных

В заключении сформулированы основные результаты работы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Проведен анализ существующих методов и средств контроля тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов, показавший, что основными препятствиями их эффективного использования для контроля тепловых сопротивлений СПМ является необходимость предварительной калибровки ТЧП и достижения теплового равновесия между силовым элементом и корпусом прибора Для устранения указанных недостатков предложена схема экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ на основе автоматизированного сбора статистической информации о характеристиках температурочувствительного параметра силовых элементов и параметрах теплоэлектрической модели СПМ

2 Исследование особенностей протекания тепловых процессов в многоэлементных СПМ показало, что использование постоянного тока для измерения тепловых сопротивлений данных модулей приводит к погрешности, связанной с различным режимом нагрузки силовых элементов модуля при измерении и

реальной работе Экспериментальная оценка показала, что данная погрешность достигает 6,5 % для ряда ТТР Это приводит к необходимости измерения тепловых сопротивлений данных модулей на переменном токе

3 Разработан способ измерения температурных коэффициентов темпера-турочувствительных параметров полупроводниковых приборов без термоста-тирования при саморазофеве прибора, позволяющий в несколько раз сократить время измерения Так в ходе экспериментальных исследований время измерения ТКН тиристоров TIP было сокращено с 30 до 10 минут На данный метод подана заявка на изобретение и получено решение о выдаче патента

4 На основе теплоэлектрического моделирования предложена методика компенсации погрешностей измерения тепловых сопротивлений lili на синусоидальном токе, связанных с колебаниями температуры кристалла

5 Разработан численный метод определения параметров теплоэлектриче-ской модели 1111, основанный на аппроксимации по методу наименьших квадратов переходного теплового сопротивления прибора, позволивший сократить вычислительные затраты метода за счет использования усовершенствованного метода оптимизации

6 Разработано средство автоматизированного контроля тепловых сопротивлений СПМ — программно-аппаратный комплекс контроля тепловых сопротивлений твердотельных реле, реализующий предложенный экспресс-метод и основные теоретические положения диссертационной работы, внедренный в производство на предприягии ЗАО «Протон-импульс», г Орел Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами

7 Проведено экспериментальное исследование способа измерения температурных коэффициентов ТЧП 1111 при измерении ТКН тиристоров, показавшее достаточно высокую точность метода В ходе эксперимента погрешность способа не превысила 1,5 %, toi да как разброс ТКН тиристоров ТТР (как и большинства других ТЧП ПП) между однотипными приборами превышает 7 % Это позволяет заключить, что точность способа не будет ограничивать точность экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ

8 Проведено экспериментальное исследование разработанного средства контроля — стенда ИКТС, подтвердившее адекватность и работоспособность предложенных методов и теоретических положений Стенд позволяет производить измерение и контроль тепловых сопротивлений ТТР в течение 5 секунд В ходе экспериментов погрешность измерений не превысила 11 %, что является хорошим показателем для подобных измерений

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1 Корнеев Е Ф, Верижников С В Использование кубической сплайн-аппроксимации для расчета мощности, рассеиваемой на силовом полупроводниковом модуле при синусоидальном токе нагрузки // Сб трудов международной научно-технической конференции «Приборостроение 2005», Винница-Ялта, 14-17 сентября 2005 г - С 157-162 (участие 60 %)

2 Корнеев Е Ф , Верижников С В Анализ параметров, определяющих по-, грешность измерения теплового сопротивления силовых полупроводниковых модулей при постоянной температуре перехода // Известия ОрелГТУ Серия «Машиностроение Приборостроение» - 2005 - №1 - С 13-15 (участие 60 %)

3 Корнеев Е Ф , Верижников С В Метод оценки рассеиваемой мощности на силовом полупроводниковом модуле при синусоидальном токе нагрузки // Контроль Диагностика 2006 — №7 -М Машиностроение - С 15-17 (из перечня издании, рекомендованных ВАК, участие 70 %)

4 Корнеев Е Ф , Верижников С В Метод определения параметров тепло-электрической модели полупроводниковых приборов // Телекоммуникации 2006 — № 12 — М Машиностроение — С 42-45 (из перечня изданий, рекомендованных ВАК, участие 60 %)

5 Верижников С В , Абрамов Н Г Расчет параметров охладителей твердотельных реле переменного тока // Силовая электроника - 2006 — №3 — С 100103 (участие 80%)

6 Корнеев Е Ф , Верижников С В Измерение температурного коэффициента напряжения полупроводниковых приборов методом саморазогрева // Проектирование и технология электронных средств 2007 - № 1 - С 62-64 (из перечня изданий, рекомендованных ВАК, участие 60 %)

7 Корнеев Е Ф , Верижников С В Особенности измерения тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей переменного тока // Наука и технологии Секция 2 Аэрогидродинамика и тепломассообмен Краткие сообщения XXVII Российской школы, посвященной 150-летию К Э Циолковского, 100-летию СП Королева и 60-летию Государственного ракетного центра "КБ им академика В П Макеева" - Екатеринбург УрО РАН, 2007 - 106 с -С 91-92 (участие 70%)

8 Верижников С В Установка экспресс-контроля тепловых сопротивлений твердотельных реле // Энерго- и ресурсосбережение — XXI век Сборник трудов V-ой международной научно-практической интернет-конференции / Под редакцией д т н , проф В А Голенкова, д т н, проф А Н Качанова, д т н , проф Ю С Степанова - Орел ООО «Издательский дом «ОРЛИК» и К», 2007 -270 с - ISBN 978-5-93932-139-6 - С 208-210

9 Верижников С В Способ измерения температурных коэффициентов температурочувствительных параметров силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении // Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2006145698 от 21 декабря 2006 г МПК G01R 31/26

Лицензия ИД № 00670 от 05 01 2000 Подписано в печать££ 2008 Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Уел печ л 1 Тираж 100 экз Заказ № 300/14 Отпечатано с готового оригинал-макета на полиграфической базе ОрелГТУ 302030, г Орел, ул Московская, 65

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Тепловые параметры и тепловые модели полупроводниковых приборов'(ПП).

1.2 Особенности конструкции силовых полупроводниковых модулей (СПМ).

1.3 Методы измерения температуры корпуса ПП.

1.3.1 Контактные методы.

1.3.2 Бесконтактные методы.

1.4 Методы измерения температуры /?-и-перехода.

1.4.1 Прямые методы.

1.4.2 Косвенные методы.

1.5 Методы измерения и контроля тепловых сопротивлений ПП.

1.6 Средства контроля тепловых параметров ПП, выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью.

1.7 Постановка задач исследования.

1.8 Выводы.

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ СПМ.

2.1 Алгоритм разрабатываемого метода.

2.2 Особенности тепловых процессов в многоэлементных СПМ.

2.3 Особенности измерения тепловых сопротивлений СПМ на синусоидальном токе.

2.4 Метод определения параметров теплоэлектрической модели СПМ.

2.5 Способ измерения температурных коэффициентов температурочувствительных параметров силовых элементов СПМ.

2.6 Выводы.

3 РАЗРАБОТКА СРЕДСТВА ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ СПМ.

3.1 Стенд измерения и контроля тепловых сопротивлений ТТР.

3.2 Выбор температурочувствительного параметра.

3.3 Методика измерения переходного теплового сопротивления.

3.4 Выбор теплоэлектрической модели ТТР.

3.5 Программное обеспечение стенда.

3.5.1 Основная программа.

3.5.2 База данных.

3.6 Метрологические характеристики экспресс-метода и средства контроля.

3.6.1 Погрешность измерения рассеиваемой мощности.

3.6.2 Погрешность измерения напряжения на переходе на измерительном токе.

3.6.3 Погрешность измерения температуры корпуса ТТР.

3.6.4 Оценка доверительных интервалов для ТКН тиристоров и теплового сопротивления основания.

3.6.5 Погрешность, обусловленная зависимостью теплопроводности материалов ТТР от температуры.

3.7 Выводы.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1 Исследование способа измерения температурных коэффициентов ТЧП.

4.2 Исследование метода определения параметров теплоэлектрической модели СПМ.

4.3 Исследование экспресс-метода измерения тепловых сопротивлений ТТР.

4.4 Выводы.

Современный уровень развития силовой электроники характеризуется широким распространением силовых полупроводниковых модулей (СПМ), включающих в себя дискретные полупроводниковые элементы и схемы управления. Основные тенденции их развития — увеличение рассеиваемой мощности и миниатюризация. Вследствие этого даже незначительные дефекты в конструкции СПМ могут вызвать недопустимое увеличение теплового сопротивления и выход модуля из строя. Таким образом, необходимым становится стопроцентный контроль тепловых сопротивлений силовых модулей при их производстве.

Контроль тепловых сопротивлений СПМ классическими методами [15, 16] занимает много времени и может стать ограничивающим фактором в технологическом процессе их производства. Решение данной проблемы путем увеличения количества контрольно-измерительного оборудования неэффективно по причине его энергозатратности и сложности. Это приводит к необходимости использования экспресс-методов при контроле тепловых сопротивлений СПМ.

Вопросам экспресс-контроля тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов (ПП) посвящено достаточно большое число работ [9, 10, 20, 21]. Большинство разработанных методов требуют предварительного сбора статистической информации о характеристиках температурочувствительного параметра (ТЧП) силовых элементов 1111 и достижения теплового равновесия между корпусом прибора и полупроводниковым кристаллом. Сбор статистической информации о характеристиках ТЧП прибора требует большого числа измерений, которые, в настоящее время, производятся с использованием термостатов, занимают много времени и с трудом поддаются автоматизации. Данная проблема усугубляется еще и тем, что большинством предприятий выпускается широкая номенклатура СПМ с различными типами силовых элементов.

Необходимость достижения теплового равновесия кристалл-корпус применительно к СПМ приведет к длительному времени контроля, так как большинство модулей, в настоящее время, обладают высокой теплоемкостью за счет использования в качестве основания массивной базовой платы. Этого недостатка лишен метод «эталонной тепловой модели» [21], заключающийся в разделении теплоэлектрической модели (ТЭМ) полупроводникового прибора на две составляющие - модели внутренних слоев, на которые приходится основное тепловое сопротивление, и модели основания, имеющего небольшое и достаточно стабильное тепловое сопротивление. Зная параметры модели основания, можно измерить полное тепловое сопротивление прибора за относительно небольшое время, необходимое для установления теплового равновесия внутренних слоев прибора. Данный метод включает определение параметров ТЭМ ПП - задача, которая требует разработки эффективного численного метода решения. Кроме того, для повышения точности контроля по данному методу желательно также собрать статистическую информацию о параметрах тепловой модели ПП.

Таким образом, возникает необходимость в ускорении и автоматизации сбора статистической информации о характеристиках температурочувстви-тельных параметров силовых элементов СПМ и параметрах теплоэлектрической модели СПМ.

Одной из тенденций развития силовых полупроводниковых модулей является их миниатюризация, что увеличивает взаимное тепловое влияние отдельных силовых элементов в модуле друг на друга. Это может вызвать погрешности при измерении тепловых сопротивлений многоэлементных СПМ на постоянном токе.

В настоящее время все большее распространение получают компьютеризированные измерительные комплексы, позволяющие в значительной степени автоматизировать процессы измерения и контроля на производстве, накапливать информацию о результатах измерений и производить ее статистический анализ. Такие комплексы не только упрощают работу оператора, но и позволяют оценивать качество и стабильность технологического процесса.

В связи с этим является актуальным создание автоматизированного комплекса для экспресс-контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей на базе ПЭВМ.

Объект исследования — тепловые сопротивления силовых полупроводниковых модулей.

Предмет исследования - методы и средства измерения и контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей.

Цель диссертационной работы - повышение скорости и достоверности контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей.

Основные задачи исследования:

- анализ существующих методов и средств контроля тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов;

- исследование особенностей измерения тепловых сопротивлений многоэлементных силовых полупроводниковых модулей;

- разработка способа экспресс-измерения характеристик температуро-чувствительных параметров силовых элементов СПМ;

- разработка метода определения параметров теплоэлектрической модели СПМ;

- разработка средства экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ;

- экспериментальное исследование работы средства экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ и проверка адекватности разработанных теоретических положений.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач в работе использовались методы математического и теплоэлектрического моделирования, математического анализа, математической статистики, цифровой обработки сигналов и численные методы. Математическое моделирование и обработка данных проводились в программных пакетах MathCad 2000, Excel, а также с использованием оригинальных программ, разработанных в среде C++Builder 6.

Экспериментальные исследования проведены на разработанном программно-аппаратном комплексе контроля тепловых сопротивлений СПМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Разработан новый способ измерения температурных коэффициентов температурочувствительных параметров полупроводниковых приборов, основанный на саморазогреве прибора, позволяющий сократить время измерения.

2 На основе теплоэлектрического моделирования предложена методика компенсации погрешности измерения тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов на синусоидальном токе, вызванной колебаниями температуры полупроводникового кристалла.

3 Разработан метод определения параметров теплоэлектрической модели полупроводниковых приборов, основанный на численной аппроксимации переходного теплового сопротивления прибора по методу наименьших квадратов, отличающийся усовершенствованным методом оптимизации.

Практическая ценность работы заключается в том, что использование разработанного метода и теоретических положений в автоматизированном программно-аппаратном комплексе экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ позволило сократить время контроля и повысить качество выпускаемой продукции.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Основные теоретические и практические результаты работы были реализованы в программно-аппаратном комплексе экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ - стенде измерения и контроля тепловых сопротивлений (ИКТС) твердотельных реле, внедренном в производство на предприятии ЗАО «Протон-импульс», г. Орел. Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на 3-х международных конференциях:

- международной научно-технической конференции «ПРИБОРОСТРОЕНИЕ 2005», Украина, Винница-Ялта, 14-17 сентября 2005 г.

- XXVII Российской школе по проблемам науки и технологий, Россия, г. Миасс, 26 - 28 июня 2007 г.

- V Международной научно-практической интернет-конференции "ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ - XXI ВЕК", Россия, г. Орел, 1 апреля - 30 июня 2007 г.

По материалам диссертационной.работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов научных исследований. Подана заявка на изобретение «Способ измерения температурных коэффициентов температурочувствительных параметров силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении» (заявка №2006145698, приоритет от 21.12.06). Получено решение о выдаче патента.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1 Способ измерения температурных коэффициентов температурочувствительных параметров полупроводниковых приборов.

2 Методика компенсации погрешности измерения тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов на синусоидальном токе.

3 Метод определения параметров теплоэлектрической модели полупроводниковых приборов.

4 Структура средства экспресс-контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей, с автоматизацией процесса измерения.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.

Основные результаты диссертационной работы:

1 Проведен анализ существующих методов и средств контроля тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов, показавший, что основными препятствиями их эффективного использования для контроля тепловых сопротивлений СПМ является необходимость предварительной калибровки ТЧП и достижения теплового равновесия между силовым элементом и корпусом прибора. Для устранения указанных недостатков предложена схема экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ на основе автоматизированного сбора статистической информации о характеристиках температурочувствительного параметра силовых элементов и параметрах теплоэлектри-ческой модели СПМ.

2 Исследование особенностей протекания тепловых процессов в многоэлементных СПМ показало, что использование постоянного тока для измерения тепловых сопротивлений данных модулей приводит к погрешности, связанной с различным режимом нагрузки силовых элементов модуля при измерении и реальной работе. Экспериментальная оценка показала, что данная погрешность достигает 6,5 % для ряда ТТР. Это приводит к необходимости измерения тепловых сопротивлений данных модулей на переменном токе.

3 Разработан способ измерения температурных коэффициентов темпе-ратурочувствительных параметров полупроводниковых приборов без термо-статирования на основе саморазогрева прибора, позволяющий в несколько раз сократить время измерения. Так в ходе экспериментальных исследований время измерения ТКН тиристоров ТТР было сокращено с 30 до 10 минут. На данный способ подана заявка на изобретение и получено решение о выдаче патента.

4 На основе теплоэлектрического моделирования предложена методика компенсации погрешностей измерения тепловых сопротивлений ПП на синусоидальном токе, связанных с колебаниями температуры кристалла.

5 Разработан численный метод определения параметров теплоэлектрической модели ПП, основанный на аппроксимации по методу наименьших квадратов переходного теплового сопротивления прибора, позволивший сократить вычислительные затраты метода за счет использования усовершенствованного метода оптимизации.

6 Разработано средство автоматизированного контроля тепловых сопротивлений СПМ - программно-аппаратный комплекс контроля тепловых сопротивлений твердотельных реле, реализующий предложенный экспресс-метод и основные теоретические положения диссертационной работы, внедренный в производство на предприятии ЗАО «Протон-импульс», г. Орел. Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

7 Проведено экспериментальное исследование способа измерения температурных коэффициентов ТЧП ПП при измерении ТКН тиристоров, показавшее достаточно высокую его точность. В ходе эксперимента погрешность измерений не превысила 1,5 %, тогда.как разброс ТКН тиристоров ТТР (как и большинства других ТЧП ПП) между однотипными приборами превышает 7 %. Это позволяет заключить, что точность способа не будет ограничивать точность экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ.

8 Проведено экспериментальное исследование разработанного средства контроля — стенда ИКТС, подтвердившее адекватность и работоспособность предложенного метода и теоретических положений. Стенд позволяет производить измерение и контроль тепловых сопротивлений ТТР в течение 5 секунд. В ходе экспериментов погрешность измерений не превысила 11 %, что является хорошим показателем для подобных измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. ГОСТ 16022-83. Реле электрические. Термины и определения. — М.: Изд-во стандартов, 1985.

2. Малащенко А. Реле — определение и классификация // Электронные компоненты. 2004. - № 9. - С. 1-7.

3. Производители и поставщики реле на российском рынке // Электронные компоненты. 2003. - № 7. - С. 50-56.

4. Абрамов Н.Г. Основные параметры и особенности применения твердотельных реле ЗАО «Протон-импульс» // Компоненты и технологии — 2005. — № 6 — С. 16-24.

5. Андрей Г. Реле механическое или твердотельное: как сделать правильный выбор? // Электронные компоненты. 2004. - № 9. - С. 44-46.

6. ГОСТ 25529-82. Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров. -М.: Изд-во стандартов, 1987.

7. ГОСТ 20332-84. Тиристоры. Термины, определения и буквенные обозначения параметров. — М.: Изд-во стандартов, 1987.

8. ГОСТ 30617-98. Модули полупроводниковые силовые. Общие технические условия. -М.: Изд-во стандартов, 1998.

9. Рабинерсон А.А., Ашкинази Г.А. Режимы нагрузки силовых полупроводниковых приборов. — М.: «Энергия», 1976. — 296 с. — ил.

10. Сергеев В.А. Контроль качества мощных транзисторов по теплофи-зическим параметрам / Ульян, гос. техн. ун-т. Ульяновск: УлГТУ, 2000. -253 с.

11. Обеспечение тепловых режимов изделий электронной техники / А.А Чернышев, В.И. Иванов, А.И. Аксенов, Д.Н. Глушкова. М.: Энергия, 1980. -216 с.

12. Измерения электрических и неэлектрических величин: Учеб. Пособие для вузов / Н.Н. Евтихиев, Я.Л. Купершмидт, В.Ф. Папуловский, В.Н. Скугоров; Под общ. ред. Н.П. Евстихиева. М.: Энергоатомиздат, 1990. -352 с.

13. Анохин M.H. Исследование и разработка аппаратно-программных средств для систем управления микроклиматом : Дис. . канд. техн. наук. — Орел,-2003.- 188 с.

14. Геращенко О.А., Гордов А.Н., Jlax В.И., Стадпык Б.И., Ярышев Н. А. Температурные измерения / Справочник, Акадения Наук Украинской ССР. Киев: «Наукова думка», 1984. - 495 с.

15. ГОСТ 19656.15-84. Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления. -М.: Изд-во стандартов, 1987.

16. ГОСТ 24461-80. Приборы полупроводниковые силовые. Методы измерений и испытаний. — М.: Изд-во стандартов, 1982.

17. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. — М.: Сов.радио, 1969.-560 с.

18. Фогельсон И.Б. Транзисторные термодатчики. М.: Сов.радио, 1972.- 129 с.

19. Гордов А.Н., Жагулло О.М., Иванова А.Г. Основы температурных измерений. — М.: Энергоатомиздат, 1992. 304 с.

20. Лаппе Р., Фишер Ф. Измерения в энергетической электронике: Пер. с нем. — М.: Энергоатомиздат, 1986. 232 е.: ил.

21. Перельман Б.Л., Сидоров В.Г Методы испытаний и оборудование для контроля качества полупроводниковых приборов. — М.: Высшая школа, 1979.-215 с.

22. Reich В. Continuous thermal resistance measurements. — «Semicond. Products», 1962, XI, p. 192-194.

23. Аппаратура и методы контроля параметров силовых полупроводниковых вентилей / В.М. Бардин, А.Г. Моисеев, Ж.Г. Сурочан, О.Г. Чебовский. -М.: Энергия, 1971.- 184 с.

24. Belzer H.J., Kubitzki G. Verfaren zur Bestimmung und zur Schnellerk-ennung des thermischen Innenwiderstandes bei jeweils typengleichen Halbleiter-bauelementen. BRD-Patent Nr. 2044225.

25. Кудрявцев JI.Д. Курс математического анализа. — М.: Дрофа, 2006.351 с.

26. Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники // Материалы восьмой международной научно-технической конференции. Часть 1. Дивноморское, Россия, 14 19 сентября 2002 г.

27. Безикович Я.С. Приближенные вычисления. М.: Гостехиздат, 1949.-463 с.

28. Лямец Л.Л. Аппроксимация нелинейных характеристик экспоненциальными полиномами // Вторая военно-научная конференция В А ПВО СВ РФ. Ч. 2. Смоленск: СВА ПВО СВ РФ, 1995. - С. 146-150.

29. Васильев Ф.П. Методы оптимизации. — М.: Факториал Пресс, 2002. 823 с.

30. ГОСТ 18986.17-73 Стабилитроны полупроводниковые. Метод измерения температурного коэффициента напряжения стабилизации. -М.: Изд-во стандартов, 1973.

31. Попов В.П. Основы теории цепей. М.: Высшая школа, 1985.496 с.

32. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры: пер. с англ. М.: Сов. радио, 1980.-224 е.: ил.

33. Гольденберг Л.М. Цифровая обработка сигналов: учеб. пособие для вузов. 2-е изд. / Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. - М.: Радио и связь, 1990. - 256 е.: ил.

34. Архангельский А .Я. Программирование в C++Builder 6. М.: «Издательство БИНОМ», 2003. - 1152 е.: ил.

35. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование: с примерами приложений на С++. М.: Бином, 1998. - 560 е., ил.

36. Пол А. Объектно-ориентированное программирование на С++/ Пер.с англ.-2-е изд. М.: БИНОМ, 1999. - 461 е.: ил.

37. Хоменко А.Д., Ададуров С.Е. Работа с базами данных в C++Builder.- СПб.: БХВ-Петербург, 2006. 496 е.: ил.

38. Кулаков М. В., Макаров Б. И. Измерение температуры поверхности твердых тел. М.: «Энергия». - 1970. - 148 с.

39. Олейник Б.М. Приборы и методы температурных измерений: Учеб. пос. -М.: Издательство стандартов, 1987. 296 с.

40. Юревич И.Е. Теория автоматического управления: учебник, изд. 2. — JL: Энергия, 1969. 376 с.

41. Шишкин И.Ф. Метрология, стандартизация и управление качеством.- М.: Изд-во стандартов, 1991. 492 с.

42. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. М.: Высшая школа, 1989. - 389 с.

43. Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов. М.: Физмат-гиз, 1956.-356 с.

44. Чиркин B.C. Теплопроводность промышленных материалов. М.: Машгиз, 1962.-248 с.

45. Определение тепловых режимов изделий электронной техники / А.А. Чернышев, В.И. Иванов, А.И. Аксенов, Д.Н. Глушкова . М.: Энергия, 1980.-216 е.: ил.