Устройство для измерения тепловых потерь в вентильных полупроводниковых приборах

 

Изобретение относится к тепловым измерениям и может быть использовано при измерениях мощности тепловых потерь, а также для определения зависимости тепловых потерь в приборах от параметров протекающего тока. Устройство содержит датчик 1 разности температур, эталонный и испытуемый приборы 2, 3, помещенные в термостат 4, усилитель 5, измеритель 6 интервалов времени, реле 7, источник 8 питания , ключи 9,16. Введение измерителей 10, 15 тока, генератора 11 сигналов, блока 12 модуляции-демодуляции, датчиков 13.14 тока и напряжения обеспечивает измерение полной мощности тепловых потерь (с учетом потерь, обусловленных протеканием обратного тока) при различных параметрах протекающего через прибор 3 тока, что повышает точность измерений. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1775677 А1 (я)ю G 01 R 22/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4744405/21 (22) 02.10.89 (46) 15.11.92. Бюл. М 42 (71) Институт проблем энергосбережения

АН УССР (72) А,В.Новосельцев, А.А.Верлань и А.П.3аболотный (56) Авторское свидетельство СССР

М 798513, кл. 6 01 К 17/08, 1981.

Авторское свидетельство СССР

М 1129539, кл. G 01 R 21/02, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ TEllЛОВЫХ ПОТЕРЬ В ВЕНТИЛЬНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ (57) Изобретение относится к тепловым измерениям и может быть использовано при

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тепловым измерениям, и может быть использовано при измерении мощности тепловых потерь в вентил ьн ых полупроводниковых приборах, а также для определения зависимости тепловых потерь в вентильных приборах от формы и частоты протекающего тока.

Известно устройство для измерения количества тепла, содержащее калориметрическую камеру с эталонным компонентом, калориметрическую камеру с испытуемым компонентом, дифференциальную термобатарею, усилитель, релейный элемент, источник переменного тока, источник постоянного тока, Испытуемый и эталонный компоненты нагревают до одинаковой температуры поочередно, измеряется время, в течение которого подведенное тепло рассеивается в эталонном и испытуемом компоизмерениях мощности тепловых потерь, а также для определения зависимости тепловых потерь в приборах от параметров протекающего тока. Устройство содержит датчик 1 разности температур, эталонный и испытуемый приборы 2, 3, помещенные в термостат 4, усилитель 5,. измеритель 6 интервалов времени, реле 7, источник 8 питания, ключи 9, 16. Введение измерителей 10, 15 тока, генератора 11 сигналов, блока 12 модуляции-демодуляции, датчиков 13, 14 тока и напряжения обеспечивает измерение полной мощности тепловых потерь(с учетом потерь, обусловленных протеканием обрат- ного тока) при различных параметрах протекающего через прибор 3 тока. что повышает; точность измерений. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. ментах, а затем определяется искомое количество тепла как произведение величины тепла, рассеянного в эталонном компоненте, на отношение измеренных отрезков времени. Достоинством устройства является отсутствие температурной погрешности за счет того, что компоненты нагреваются до одинаковой температуры, а также уменьшеwe продолжительности измерения по срав- 0 . нению с ранее известными решениями. V

Недостатками устройства являются ограниченные функциональные возможности в выборе формы тока е нспыткемом компоненте, 1» и низкая точность измерений вследствие невозможности учета потерь тепла, вызванных протеканием обратного тока через полупроводниковый вентильный элемент..

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство, содержащее

1775677

40

50

55 термостат, в который помещены испытуемый и эталонный компоненты, источник питания, аттенюатор, блок измерения скважности импульсов и дифференциальный термокомпаратор, состоящий из последовательно соединенных датчика, усилителя и реле. Данное устройство позволяет быстро (в течение нескольких минут) определить мощность тепловых потерь и тепловое сопротивление радиоэлектронных компонентов путем измерения в установившемся тепловом режиме интервалов ..времени нагрева компонентов с подстановкой их в соответствующие расчетные формулы.

Недостатком устройства является низкая точность измерений в виду того, что устройство не предусматривает измерение тепловых потерь, обусловленных обратным током прибора.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет учета тепловых потерь. обусловленных обратным током прибора.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения тепловых потерь в вентильных полупроводниковых приборах, содержащее источник питания, термостат, в котором размещены испытуемый и эталонный приборы, находящиеся в тепловом контакте с датчиком разности температур, выход которого соединен со входом усилителя, первую клемму для под. ключения испытуемого прибора, соединенную с общей шиной, измеритель интервалов времени, реле, управляющий вход которого соединен с выходом усилителя,.а первый и второй выходы соединены соответственно с управляющими входами первого и второго ключей, первый вывод первого ключа соединен с первым выводом эталонного прибора, второй вывод которого соединен с общей шиной, дополнительно введены блок модуляции — демодуляции, генератор сигналов, первый и второй измерители тока, датчик тока, датчик напряжения, выходы датчиков тока и напряжения подключены соответственно к первому и второму управляющим входам блока модуляции — демодуляции, выход которого подключен к первому входу датчика тока, первый вход датчика напряжения соединен с общей шиной, вторые входы датчиков тока и напряжения объединены и подключены через первый измеритель тока ко второму выводу второго ключа, первый вывод которого соединен со второй клеммой для подключения испытуемого прибора, второй вывод первого ключа через второй измеритель тока подключен к выходу источника питания, входы блока модуляции — демодуляции и измерителя интервалов времени соединены соответственно с выходами генератора сигналов и усилителя.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — возможный вариант исполнения блока модуляции — демодуляции.

Предлагаемое устройство содержит датчик 1 разности температур, эталонный 2 и испытуемый 3 приборы, помещенные в термостат 4 и находящиеся в тепловом контакте с датчиком 1, усилитель 5, вход которого соединен с выходом датчика 1, измеритель 6 интервалов времени, вход которого подключен к первому выходу усилителя 5, реле 7, управляющий вход которого пЬдключен ко второму выходу усилителя 5, источник 8 питания, выход которого подключен ко второму выводу ключа 9 через измеритель 10 тока, а первый вывод ключа

9 соединен с первым выводом эталонного прибора 2, второй вывод которого соединен с общей шиной, генератор 11 сигналов, блок

12 модуляции — демодуляции, вход которого подключен к выходу генератора 11 сигналов, датчик 13 тока, датчик 14 напряжения, выходы которых подключены соответственно к первому и второму управляющим входам блока 12 модуляции — демодуляции, выход которого подключен к первому входу датчика.13 тока, первый вход датчика 14 напряжения соединен с общей шиной, вторые входы датчиков тока 13 и напряжения

14 объединены и подключены через измеритель 15 тока ко второму выводу ключа 16, первый вывод которого соединен со второй клеммой испытуемого прибора 3, первая клемма которого соединена с общей шиной, первый и второй выходы реле 7 соединены соответственно с управляющими входами ключа 9 и ключа 16.

Блок 12 модуляции — демодуляции (фиг.

2) содержит усилитель 17 сигнала датчика тока, усилитель 18 сигнала датчика напряжения, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам мультиплексора 19 сигналов обратной связи, схему 20 вычитания, первый вход которой подключен к выходу мультиплексора 19 сигналов обратной связи, а второй — к выходу генератора 11 сигналов, компаратор 21, вход которого подключен к выходу схемы 20 вычитания, а выход — ко входу иннертора 22 и к первому входу мультиплексора 23 сигналов управления демодуляторами, второй вход которого подключен к выходу ин вертора 22, блок 24 определения полярности, вход которого подключен к выходу генератора 11, а выход — к управляющим входам мультиплексора 19 сигналов обратной свя1775677

Ря= Рэ

1з ти зи и мультиплексора 23 сигналов управления демодуляторами, два демодулятора положительной 25 и отрицательной 26 полярности, входы которых объединены и подключены к выходу мультиплексора 23 сигналов управления, а объединенные выходы образуют выход блока модуляции— демодуляции.

Устройство работает следующим образом, Датчик 1 разности температур представляет собой термоэлектрический преобразователь, сконструированный по типу вспомогательной стенки, В начальный момент времени to цепь, содержащая один из приборов, например эталонный, является замкнутой. Источник 8 постоянного тока через замкнутые контакты ключа 9 подключается к эталонному прибору 2. Испытуемый прибор 3 отключен от генератора 11 сигналов и блока 12 модуляции — демодуляции.

Температура эталон но ro и ри бора начинает повышаться вследствие протекания в нем тока от источника 8. При дости>кении разностью температур корпусов эталонного 2 и испытуемого 3 приборов определенной величины ЬТ (момент tf) датчик 1 вырабатывает термо-ЭДС, которая с помощью усилителя 5 обуславливает срабатывание реле 7. При этом контакты ключа 9 размыкаются, а ключа 16 — замыкаются, тем самым замыкается цепь, генератор 11 сигналов— блок 12 модуляции — демодуляции — испытуемый прибор 3". Таким образом, начиная с момента ц и до момента tz, соответствующего дости>кению разностью температур обоих приборов той >ке величины ЛТ, испытуемый прибор 3 нагревается вследствие протекания тока заданной генератором 11 формы и усиленного до определенной величины блоком 12, а эталонный прибор 2 — остывает. В момент времени tz снова срабатывает усилитель 5, контакты ключа 16 — размыкаются, а ключа

9 — замыкаются. Теперь до момента тз испытуемый прибор 3 остывает, а эталонный

2 нагревается и т.д.

Последовательно соединенные датчик

1, усилитель 5 и реле 7 с двумя ключами 9 и

16 образуют автоматический дифференциальный калориметр, поддерживающий примерно одинаковыми температуры корпусов эталонного и испытуемого приборов, что позволяет устранить температурную погрешность измерений.

Измеритель 6 интервалов времени фиксирует промежутки времени t> нагревания эталонного прибора и промежутки времени ти нагревания исп ытуемого прибора.

Мощность тепловых потерь в испытуемом приборе 3 при заданной форме протекающего тока определ яется по формуле: где Ри — мощность тепловых потерь в испытуемом приборе, Рэ — расчетное значение мощности тепловых потерь в эталонном приборе, t„— интервал времени нагревания испытуемого прибора, Ь вЂ” интервал времени нагревания эталонного прибора.

Блок 12 модуляции — демодуляции (фиг.

2), построенный по принципу усилителя с широтно-импульсной модуляцией, служит для усиления по мощности и воспроизведения по форме сигнала блока 11, моделирующего реальный режим работы испытуемого прибора.

Блок 12, включающий в себя два функционально самостоятельных узла-модулятор и усилитель-демодулятор, работает следующим образом.

Модулятор, состоящий из блоков 17—

24, осуществляет преобразование аналогового сигнала, сформированного генератором 11, в последовательность прямоугольных импульсов, модулированных по длительности в зависимости от мгновенного значения сигнала блока 11 в отсчетной точке и скорости его изменения в окрестностях этой точки. Эти импульсы, управляющие демодуляторами 25 и 26, формируются ключевым элементом (компаратором 21), который в свою очередь, управляется сигналом рассогласования с выхода схемы 20 вычитания, величина которого пропорциональна разности между выходным сигналом обратной связи (сигнал с выхода датчика 13 тока, усиленный в блоке 18 или сигнал с выхода датчика 14 напряжения, усиленный в блоке 17) и задающим сигналом с выхода генератора 11, Выбор отслеживания сигнала по току или по напряжению в зависимости от полярности сигнала с выхода блока 11 осуществляетт мультиплексор 19, управляемый блоком определения полярности 24.

Демодулятор, состоящий из блоков 25 и 26, осуществляет усиление по мощности сформированной модулятором последовательности импульсов и преобразование последней в аналоговый сигнал. по форме повторяющий сигнал с выхода генера1ора

11. Непрерывное и плавное изменение модулируемого сигнала (тока или напряже1775677 ния) обеспечивает сглаживающий фильтр, содержащий энергоемкие элементы (L и С).

Ввиду необходимости моделировать на зажимах испытуемого вентильного прибора реальное обратное напряжение обработка положительной и отрицательной полуволны переменного сигнала с выхода генератора

11 осуществляется раздельно. Для этого выходной каскад блока 12 выполнен по двухтактной схеме в виде двух демодуляторов, каждый из которых независимо друг от друга усиливает и демодулирует сигналы соответствующей поля рности — положительной (блок 25) и отрицательной (блок 26), В течение положительной полуволны работает канал обратной связи по току

17 — 19-20-21 — 22-23-25, в результате чего через испытуемый прибор протекает прямой ток заданной генератором 11 формы и усиленный до определенного уровня выходным каскадом 25 с источником питания положительной полярности. В течение отрицательной палуволны работает канал обратной связи по напряжению 18-19-2021-22 — 23-25, в результате чего на выводах испытуемого прибора моделируется обратное напряжение заданной генератором 11 формы и усиленное до определенного уровня выходным каскадом 26 с источником питания отрицательной полярности, что обусловливает протекание через прибор обратного тока.

Последовательное во времени функционирование демодуляторов 25 и 26 обеспечивает мультиплексор 23.

Таким образом, устройство позволяет моделировать реальные прямой ток и обратное напряжение в испытуемом приборе, в результате чего измеряются полные потери с учетом составляющей потерь от обратного тока.

При проведении сравнительного анализа различных режимов работы вентильных полупроводниковых приборов по критерию мощности тепловых потерь действующие значения токов в эталонном и испытуемом приборах устанавливаются равными, и сопоставление производится по измеренной величине тэ/t„.

Использование изобретения позволяет точнее производить измерение мощности тепловых потерь в вентильных полупроводниковых приборах, моделировать в широком диапазоне реальные режимы работы приборов с возможностью задания произвольных flo форме и достаточных по уровню мощности сигналов в испытуемом приборе, производить сравнительный анализ этих режимов по величине мощности тепловых потерь.

Для количественной оценки повышения точности измерений в заявляемом устройстве по сравнению с прототипам. в котором измеряются потери только от прямого то5 ка, необходимо определить процентное соотношение потерь DT прямого и обратного токов в величине суммарной мощности потерь

10 Р Рт+ PR.

Для этого возьмем реальный силовой вентильный прибор — тиристор запираемый таблеточного типа ТЗ 123 — 200.

15 Средняя мощность потерь в открытом состоянии при угле проводимости P = 1.20 эл. для токов прямоугольной формы f = 50 Гц и постоянного тока

20 Рт = 150 Вт (при!т = 60 А).

Средняя мощность потерь. обусловленная током в обратном непроводящем состоянии при среднем обратном напря25 жении UR- 500 В и среднем обратном токе

IR= 15 еА.

Ря=7,5 Вт.

30 Суммарная мощность потерь

Р . = 150+ 7,5 = 157,5 Вт прот .Ф+ PR Рт + PR дт

100

45 6,5

= 150 — + 7,5 = 17, 5 Бт .

100

Отсюда относительная погрешность

50 прот

100 =

Р, 17,25 — 100 =11

157,5

33 счет того, что измерительные части в прототипе и предлагаемом устройстве подобны,относительная погрешность измереОпределим относительную погреш35 ность измерений суммарной мощности потерь с помощью устройства-прототипа, Так как устройство-прототип не учитывает составляющую обратных потерь, абсолютную погрешность можно вычислить

40 как

1775677

D< =шпрот = 6,5 ний суммарной мощности потерь предлагаемым устройством

Следовательно, вследствие учета составляющей обратных потерь предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерений суммарных потерь за счет уменьшения погрешности на величину(11 -65) =45 j

Формула изобретения

1. Устройство для измерения тепловых потерь в вентильных полупроводниковых приборах, содержащее источник питания, термостат, в котором размещены испытуемый и эталонный приборы, находящиеся в тепловом контакте с датчиком разности температур, выход которого соединен с входом усилителя, первую клемму для подключения испытуемого прибора, соединенную с общей шиной, измеритель интервалов времени, реле, управляющий вход которого соединен с выходом усилителя, а первый и второй выходы соединены с управляющими входами соответственно первого и второго ключей, первый вывод первого ключа соединен с первым выводом эталонного прибора, второй вывод которого соединен с общей шиной, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений за счет учета тепловых потерь, обусловленных обратным током прибора, в устройство введены блок модуляции-демодуляции, генератор сигналов, первый и второй измерители тока, датчик тока, датчик напряжения, выходы датчиков тока и напряжения подключены соответственно к первому и второму управляющим входам блока модуляции-демодуляции, выход которого подключен к первому

ЭО

40 входу датчика тока, первый вход датчика напряжения соединен с общей шиной. обьединенные, вторые входы датчиков тока и напряжения подключены через первый измеритель тока к второму выводу второго ключа, первый вывод которого соединен с второй клеммой для подключения испытуемого прибора, второй вывод первого ключа через второй измеритель тока подключен к выходу источника питания, входы блока модуляции-демодуляции и измерителя интервалов времени соединены с выходами соответственно генератора сигналов и усилителя ;

2.Устройство пои, 1, отл и ча ю ще е- с я тем, что блок модуляции-демодуляции содержит первый и второй усилители, схему определения полярности, первый и второй мультиплексоры, схему вычитания, компаратор, ин вертор, первый и второй демодуляторы, обьединенные выходы которых образуют выход блока модуляции-демодуляции, объединенные входы демодуляторов соединены с выходом второго мультиплексора, управляющие входы первого и второго мультиплексоров соединены с выходом схемы определения полярности, вход которой объединен с первым входом схемы вычитания и является входом блока модуляции-демодуляции, входы первого и второго усилителей являются соответственно первым и вторым управляющими входами блока модуляции- демодуляции, выходы первого и второго усилителей соединены соответственно с первым и вторым входами первого мультиплексора, выход которого соединен с вторым входом схемы вычитания, вход и выход компаратора соединены соответственно с выходом схемы вычитания и вторым входом второго мультиплексора, первый вход которого через инвертор соединен с выходом компаратора.

1775677

Составитель А.Верлань

Техред M.Моргентал Корректор Э.Лончакова

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4032 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб„4/5