Zagrożenia zwarciowe i przetężeniowe półprzewodnikowych przyrządów energoelektronicznych

• Autorzy: Zymmer K.

Warianty tytułu

EN

Short - circuit and overcurrent hazards of semiconductor power devices

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Praca niniejsza obejmuje zagadnienia dotyczące: - wytrzymałości zwarciowej przyrządów energoelektronicznych; - wytrzymałości eksplozyjnej obudów tych przyrządów; - doboru przyrządów półprzewodnikowych do warunków zwarciowych występujących w przekształtnikach energoelektronicznych dużej mocy. W rozdziale drugim omówiono zagadnienia związane z wyznaczaniem ustalonej rezystancji cieplnej i przejściowej impedancji cieplnej przyrządów energoelektronicznych w sposób obliczeniowy i eksperymentalny. Przedstawiono przykład określania tych parametrów dla konkretnego przyrządu energoelektronicznego. W oparciu o opracowany program komputerowy przeprowadzono obliczenia temperatury struktury krzemowej przyrządu energoelektronicznego przy obciążeniu impulsami prądowymi o róż-nym czasie trwania i zmiennej amplitudzie. Wyniki obliczeń zweryfikowane zostały eksperymentalnie. W rozdziale trzecim przeprowadzono obliczenia prądu zwarcia symetrycznego w układzie trójfazowym mostkowym. Obliczenia wykazały, iż impulsy prądu zwarcia w gałęzi mostka z przyrządem półprzewodnikowym mogą zmieniać wartości szczytowe i czas trwania w czasie jednego cyklu zwarciowego. Stwarza to trudności przy doborze diod i tyrystorów do tych warunków gdyż odpowiednie dane deklarowane przez wytwórców dotyczą półsinusoidalnych impulsów prądowych o stałej wartości szczytowej i czasie trwania 10 milisekund. W rozdziale czwartym omówiono mechanizmy uszkodzeń diod i tyrystorów powodowane nadmiernym prądem zwarcia. Przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych, które wykazały, że występują różne mechanizmy uszkodzeń tych przyrządów charakterystyczne dla warunków przed wystąpieniem zwarcia określonych napięciem wstecznym i temperaturą. Wprowadzono do obliczeń zwarciowych przekształtników temperaturę struktury krzemowej jako kryterium doboru diod i tyrystorów do tych warunków występujących w przekształtnikach. Zaproponowano eksperymentalny sposób wyznaczania deklarowanej przeciążalności prądowej (metoda prób niszczących) jako najbardziej wiarygodny. Uwzględnia on bowiem czynniki technologiczne, materiałowe i wykonawcze trudne do ujęcia w metodach obliczeniowych. Rozdział piąty obejmuje wyniki badań eksperymentalnych wytrzymałości eksplozyjnej diod i tyrystorów o obudowie tradycyjnej (pastylkowej i wkręcanej) oraz tranzystorów o obudowie modułowej z tworzywa sztucznego. Badania wykazały, że eksplozja obudowy wywołana nadmiernym prądem zwarcia występuje przy kilkakrotnie mniejszym prądzie w przyrządzie o obudowie modułowej niż w odpowiednim przyrządzie o obudowie tradycyjnej. Podane zostały wyznaczone doświadczalnie wartości prądu, energii i całki i2t powodujące eksplozję obudowy. Oceniono iż najbardziej miarodajnym czynnikiem określającym wytrzymałość eksplozyjną przyrządów energoelektronicznych jest energia wydzielana w przyrządzie w wyniku prądu zwarcia. Ponieważ energia ta nie daje się obliczyć na podstawie parametrów obwodu zwarcia w danym przekształtniku, do oceny zagrożeń eksplozyjnych przyrządów w układach energoelektronicznych wykorzystana została całka i2t. Przeprowadzone zostały obliczenia tej wartości dla przypadków zwarć w prostowniku dużej mocy i falowniku napięcia. W rozdziale szóstym, na podstawie opracowanych w poprzednich rozdziałach sposobów obliczeń, dokonano weryfikacji doboru diod prostownika dużej mocy, do warunków zwarciowych. Prostownik ten opracowany i wykonany w Instytucie Elektrotechniki wprowadzony został do eksploatacji na podstacji zasilającej sieć trakcyjną linii szybkiego ruchu.

EN

The present paper is related to problems concerning - Short-circuit strength; - Explosion strength of cases; - Matching of semiconductor devices to short-circuit conditions occurring power electronic converters of high power. The second chapter discusses problems related to determining the steady state thermal resistance and transient thermal impedance of power electronic devices, by computational and experimental methods. An example of determining these parameters for a real power electronic device is presented. Basing on the worked out computer program, temperature calculations are carried through for the silicone structure of power electronic devices loaded by current impulses of varying duration time and amplitude. The calculation results have been experimentally verified. In the third chapters calculations of currents in a 3-phase bridge system are carried out for a symmetrical short-circuit. The calculations have shown that short-circuit current pulses in the bridge arm containing a power electronic device can change their peak values and time duration during one short-circuit cycle. This creates difficulties when diods and thyristors are being selected for those conditions because the corresponding data declared by manufacturers concern half sinusoidal current pulses of constant peak value and a duration time often milliseconds. The fourth chapter discusses the defect mechanisms of diods and thyristors caused by excessive short-circuit currents. Results of experimental work are shown, which indicate to the fact that there are different causes of defects of those devices, being characteristic for the conditions prevailing before short-circuit occurrence, determined by inverse voltage and temperature. The silicon structure temperature has been introduced into short-circuit calculations of converters as a criterion of selecting diods and thyristors to conditions occurring in converters. An experimental current overload capacity (destructive testing method) is suggested as being the most reliable one, because it accounts for technological, material and production factors which are difficult to be accounted for by computational methods. The fifth chapter presents results of experimental tests of explosion strength of diods and thyristors in traditional cases (pellets and the screwed in ones as well as of transistors in module type cases made of plastics. Investigations showed that cases explosions, caused by excessive short-circuit current flow, occur in devices in module type cases at current values being several times lower than in corresponding devices in traditional cases. Experimentally determined values of current, energy and the i2t integral causing the cases to explode are given. It has been established that the most reliable factor determining the explosion strength of power electronic devices is the energy emitted in the device as a result of short-circuit current As this energy can not be calculated basing on parameters of the short-circuit in a given converter, the integral i2t is used to estimate the cases explosion hazards in power electronic systems. This value is calculated for short-circuit cases in a high power rectifier and a voltage inverter. Basing on the computational methods worked out according to the foregoing chapters, a verification is carried out in the sixth chapter, of the selection of diodes for a high power rectifier with the short circuit condition taken into account. This rectifier was developed and carried out at of the Electrotechnical Institute and it was introduced into operation at a substation supplying with power the traction network of a rapid traffic line.

Słowa kluczowe

PL

przyrządy energoelektroniczne; przyrządy półprzewodnikowe; zwarcia; zabezpieczenia przyrządów energoelektronicznych; ochrona przeciwprzepięciowa; ochrona przeciwzwarciowa

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Elektrotechniki
• Czasopismo: Prace Instytutu Elektrotechniki
• Rocznik: 2004
• Tom: Z. 219
• Strony: 1--115
• Opis fizyczny: Bibliogr. 72 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Zymmer K.

• Zakład Przekształtników Mocy, Instytut Elektrotechniki

Bibliografia

• 1. Bolkowski S.: Elektrotechnika teoretyczna. PWN, Warszawa, 1988.
• 2. Dulniew G.N.: Wymiana ciepła w urządzeniach elektronicznych i ich elementach. WNT, Warszawa 1967.
• 3. Janke W.: Zjawiska termiczne w elementach i układach półprzewodnikowych. WNT, Warszawa, 1992.
• 4. Januszewski S., Świątek H.: Miernictwo półprzewodnikowych przyrządów mocy. WKiŁ, Warszawa, 1996.
• 5. Januszewski S., Świątek H., Zymmer K.: Półprzewodnikowe przyrządy mocy. Właściwości i zastosowania. WKiŁ, Warszawa, 1999.
• 6. Kahl T.: Sieci elektroenergetyczne. WNT, Warszawa, 1981.
• 7. Kurzawa S: Liniowe obwody elektryczne. PWN, Warszawa, 1974.
• 8. Mohan N., Underland T.M., Robbins N.P.: Power electronics converters application and design (2 end ed.) New York, J.Wiley 1995.
• 9. Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika. WNT, Warszawa 1998.
• 10. Pelc T., Borczyński J.: Odprowadzanie ciepła z przyrządów półprzewodnikowych. WKiŁ, Warszawa, 1986.
• 11. Tunia H., Barlik R.: Teoria przekształtników. Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1992 r.
• 12. Tunia H., Winiarski B.: Podstawy energoelektroniki. Wyd. 3 WNT, Warszawa 1987.
• 13. Tunia H., Winiarski B.: Energoelektronika. WNT, Warszawa 1994.
• 14. Żyborski J., Lipski T., Czucha J.: Zabezpieczenia diod i tyrystorów. Wyd. 2 WNT, Warszawa 1985.
• 15. Praca zbiorowa: Poradnik fizykochemiczny, WNT Warszawa 1974.
• 16. Praca zbiorowa: Encyklopedia techniczna. Materiałoznawstwo, Wyd. 2, WNT Warszawa 1975.
• 17. Aloisi P.A.: Thermomechanical degradation and thermal fatigue. Proc. of International Conference ESREF`93, s. 253-257, Bordeaux, październik 1993.
• 18. Arai K. et al.: Development of new concept packaging third generation IGBT modules U series. Proc. of the International Conference Power Conversion – PCIM`96, s. 11-16, Nürnberg, maj 1996.
• 19. Bagieński J., Januszewski S., Zymmer K.: Próby określenia granicznej prądowej wytrzymałości przeciążeniowej energoelektronicznych diod krzemowych. Nowoczesne materiały i przyrządy półprzewodnikowe. PWN, s. 671 ÷ 677, Warszawa, 1972.
• 20. Blackburn D.: Failure mechanisms and nondestructive testing of bipolar and MOS gated transistors. Proc. of the International Conference European Power Electronics and Applications EPE-MADEP Firenze, s. 252 … 257, 1991.
• 21. Böhm T.: Short-circuit current computation for power transmission networks using analytical methods. Proc. of the 8th International Symposium on Short-Circuit Currents in Power Systems, Bruxelles , październik 1998.
• 22. Borras R. et al.: Avalanche capability of today`s power semiconductors. Proc. of the International Conference European Power Electronics and Applications EPE`93, vol. 2, Materials and Devices, s. 167-172, Brighton 1993.
• 23. Brunner H. et al.: 3300 V IGBT module for traction application. Proc. of the International Conference European Power Electronics and Applications EPE`95 vol. 1, pp. 56-59, Sevilla, wrzesień 1995.
• 24. Coquery G. et al.: Reliability of the 400 A IGBT modules for traction converters-contribution on the power fatigue influence on life expectancy. Proc. of the International Conference European Power Electronics and Applications EPE`95 vol. 1, s. 60-65, Sevilla, wrzesień 1995.
• 25. Eckel H.G., Sack L.: Optymalization of the short circuit behaviour of NPT - IGBT by the gate drive. Proc. of the International Conference European Power Electronics and Applications EPE`95, Sevilla, wrzesień 1995.
• 26. Gekenidis S. et al.: Explosion tests on IGBT high voltage modules. Proc. of International Conference ISPSD`99, Toronto, maj 1999.
• 27. Gawecka H., Januszewski S.: Problemy konstrukcyjne przekształtników z modułami tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką IGBT dużej mocy. Wiadomości Elektrotechniczne nr 9, 1999.
• 28. Hagino H. at al.: En experimental and numerical study on the forward biased SOA of IGBT`s. IEEE Trans. on Electron Devices nr 3, 1996.
• 29. Hayasaki Y. et al.: 3,3 kV and 2,5 kV Press pack IGBT switching performance and mechanical reliability. Proc. of the International Conference Power Conversion PCIM`97, s. 205-215, Nürnberg, czerwiec 1997.
• 30. Januszewski S., Stańczak W., Świątek H., Zymmer K.: Influence of short-circuits current on the operation of very high power converter equipments. Prace Instytutu Elektrotechniki nr 172, s. 97-110, 1992.
• 31. Januszewski S., Stańczak W., Świątek H., Zymmer K.: Investigation of explosion consequences of semiconductor device enclosure in very high power converters. Proc. Of the 5th International Symposium on Short-Circuit Currents in Power Systems. Warszawa, wrzesień 1992.
• 32. Januszewski S., Stańczak W., Świątek H., Zymmer K.: The peak case nonrupture current of high power semiconductor devices. Proc. of the International Conference Power Electronics and Motion Control EPE-PEMC`94, Warszawa, wrzesień 1994.
• 33. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Stypułkowska E., Świątek H., Świątek G.: New generation semiconductor devices failures in power electronic equipments. Proc. of the International Conference Power Electronics and Motion Control EPE-PEMC`94, Warszawa, wrzesień 1994.
• 34. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Stypułkowska E., Świątek H., Świątek G.: Investigation of destroyed parts of surface of high power semiconductor devices in service conditions. Proc. of the 6th European Symposium Reliability of Electron Devices, Failure Physics and Analysis ESREF`95, Bordeux, październik 1995.
• 35. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Świątek H., Świątek G.: Causes and mechanisms of semiconductor device failures in power converter service conditions. Proc. of the 6th International Conference European Power Electronics and Applications EPE`95, vol. 1, s. 625-630, Sevilla, wrzesień 1995.
• 36. Januszewski S., Świątek H., Zymmer K.: Wytrzymałość eksplozyjna przyrządów półprzewodnikowych dużej mocy jako kryterium oceny ich przydatności do zastosowań w przekształtnikach energetycznych. VI Sympozjum Podstawowe Problemy Energoelektroniki i Elektromechaniki PPEE, Gliwice-Ustroń, marzec 1995.
• 37. Januszewski S., Stańczak W., Świątek H., Zymmer K.: Internal short-circuits in high power converters with IGBT transistors. Proc. of the 7th International Symposium on Short-Circuit Currents in Power Systems. Warszawa, wrzesień 1996.
• 38. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Świątek H., Zymmer K.: IGBT transistor failures in high power converters. Proc. of the 3th International Seminary Power Semiconductor ISPS`96, Prague, wrzesień, 1996.
• 39. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Świątek H.: Uszkodzenia półprzewodnikowych przyrządów mocy w warunkach eksploatacyjnych. Konferencja nt. Energoelektronika w Zastosowaniach Przemysłowych EZP`96, Instytut Elektrotechniki, Warszawa, 1996.
• 40. Januszewski S., Stańczak W., Świątek H., Zymmer K.: Badania eksplozyjnej wytrzymałości półprzewodnikowych przyrządów mocy w warunkach zwarciowych. Konferencja Energoelektronika w Zastosowaniach Przemysłowych EZP`96, Warszawa, 1996.
• 41. Januszewski S., Świątek H., Zymmer K.: Consequences of internal short-circuits in very high power converters, Proc. of the International Symposium on Industrial Electronics - ISIE`96, vol. 1, s. 519-524, Warszawa, czerwiec 1996.
• 42. Januszewski S., Świątek H., Zymmer K.: Some experiences concerning of starting and service of high power IGBT converters. Proc. of the European Conference on Power Electronics and Applications EPE`97, Trondheim, wrzesień 1997.
• 43. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Świątek H.: Skutki uszkodzeń tranzystorów IGBT dużej mocy w warunkach eksploatacyjnych. Konferencja: Bezpieczne Urządzenia Energoelektroniczne SPES`98, Warszawa-Międzylesie, 24-27 listopad 1998.
• 44. Januszewski S., Świątek H., Zymmer K.: Zagrożenia eksplozją przyrządów energoelektronicznych podczas zwarć przekształtników dużej mocy. Konferencja: Bezpieczne Urządzenia Energoelektroniczne SPES`98, Warszawa-Międzylesie, 24-27 listopad 1998.
• 45. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Świątek H.: Some observation dealing with the failures of IGBT transistors in high power converters. Microelectronics Reliability, vol 38, s. 1325-1330, 1998.
• 46. Januszewski S., Zymmer K.: Problemy eksploatacji układów energoelektronicznych z tyrystorami wyłączalnymi GTO. Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 198, 1998.
• 47. Januszewski S., Zymmer K.: Stany awaryjne w eksploatacji przekształtników dużej mocy. VI Konferencja Racjonalizacja Użytkowania Energii i Środowiska. Gdańsk, październik 1998.
• 48. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Pytlak A., Świątek H., Zymmer K.: Wpływ uszkodzeń półprzewodnikowych przyrządów mocy na bezpieczeństwo urządzeń energoelektronicznych. Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 203, 1999.
• 49. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Świątek H.: Uszkodzenia tranzystorów dużej mocy w warunkach eksploatacyjnych. Wiadomości Elektrotechniczne nr 1, 1999.
• 50. Januszewski S., Świątek H., Zymmer K.: Zapobieganie zagrożeniom eksplozją przyrządów energoelektronicznych przy zwarciach w przekształtnikach dużej mocy. Wiadomości Elektrotechniczne nr 3, 1999.
• 51. Januszewski S., Zymmer K.: Overcurrent protection coordination in converters with IGBT transistors. Proc. of the International Conference European Power Electronics and Applications EPE`99, Lausanne, wrzesień 1999.
• 52. Januszewski S.: Obudowy pastylkowe z dociskiem zewnętrznym tranzystorów IGBT umożliwiające chłodzenie obustronne. Wiadomości Elektrotechniczne nr 12, 1999.
• 53. Januszewski S., Gawecka H.: Zwarcia w układach przekształtnikowych. Wiadomości Elektrotechniczne nr 8, 2000.
• 54. Januszewski S., Świątek H., Zymmer K.: Zapobieganie zagrożeniom eksplozją przyrządów energoelektronicznych przy zwarciach w przekształtnikach dużej mocy. Wiadomości Elektrotechniczne nr 3, s. 120-124, 1999.
• 55. Januszewski S., Zymmer K., Sakowicz S.: Influence of semiconductor device explosion strength on safe design of high power converters. Proc. of the 14th International Conference on Electrical Drives and Power Electronics EDPE, the High Tatras, 3-5 październik 2001.
• 56. Januszewski S., Zymmer K.: Uszkodzenia dyskretnych przyrządów energoelektronicznych dużej mocy w warunkach eksploatacyjnych. Elektronizacja nr 11, 2002.
• 57. Pytlak A., Świątek H., Zakrzewski Z., Zymmer K.: Analiza zwarć występujących w przekształtnikach częstotliwości i metody ich ochrony. Prace Instytutu Elektrotechniki zeszyt 203, 1999.
• 58. Ramminger S. et. al.: Crack mechanism in wire bonding joints. Microelectronics Reliability vol. 38, s. 1301-1305, 1998. Zagrożenia zwarciowe i przetężeniowe półprzewodnikowych ... 113
• 59. Shen Z.J. i in.: Current sensing characteristics of IGBT`s under short circuit conditions. Proc. of International Conference European Power Electronics and Applications EPE`95, Sevilla, wrzesień 1995.
• 60. Samos I.L. et. al.: Power semiconductors empirical diagrams expressing life as a function of temperature excursion. IEEE Trans. on Magnet. nr 1, vol. 29, 1993.
• 61. Świątek H., Zymmer K.: Próby zdolności przeciążeniowej diod krzemowych produkcji krajowej typu BY200 i BY200R. Biuletyn Informacyjny Elektrotechnika 1/71.
• 62. Świątek H. Zymmer K.: Badania granicznej przeciążalności prądowej diod krzemowych. Przegląd Kolejowy Elektrotechniczny 7/72.
• 63. Wheeler P.W.: The control and optimalisation of IGBT turn-off characteristics under short circuit conditions. Proc. of the International Conference European Power Electronics and Motion Control EPE-PEMC`98. Prague, wrzesień 1998.
• 64. Zymmer K., Sakowicz S.: Analiza stanów zwarciowych w półprzewodnikowych przyrządach mocy. Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 204, s. 13-44, 2000.
• 65. Zymmer K., Sakowicz S.: Badania wytrzymałości eksplozyjnej obudów przyrządów energoelektronicznych i zagrożenia występujące w układach przekształtnikowych. Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 209, 2001.
• 66. Zymmer K., Sakowicz S., Januszewski S.: High power semiconductor device thermal stresses during short-circuit states. Proc. of the European Conference on Power Electronic and Motion Control, EPE-PEMC, Koszyce, wrzesień 2000.
• 67. Zymmer K., Sakowicz S., Januszewski S.: Short-circuits In high power supply systems sof 3 kV DC traction lines. Proc. of the 10th International Symposium on Short Circuits in Power Systems, Łódź, październik 2002.
• 68. Zymmer K., Sakowicz S.: Projektowanie przekształtników dużej mocy w aspekcie doboru przyrządów energoelektronicznych do warunków zwarciowych. Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 210, s. 29-64, 2002.
• 69. Zymmer K. i wykonawcy: Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego KBN pt.: Zjawiska zwarciowe w przekształtnikach dużej mocy w aspekcie koordynacji zabezpieczeń przeciążeniowych przyrządów energoelektronicznych, nr 8T 10A 029 17, Warszawa, listopad 2001.
• 70. Materiały firmowe producentów przyrządów energoelektronicznych: Lamina, Siemens, Eupec, Semikron, ABB, International Rectifier, Westcode, Toshiba, Hitachi, Mitsubishi, Fuji.
• 71. PN-IEC 60747-2 Przyrządy półprzewodnikowe. Przyrządy dyskretne i układy scalone. Diody prostownicze.
• 72. PN-IEC 60747-6 Przyrządy półprzewodnikowe. Przyrządy dyskretne i układy scalone. Tyrystory.