本發(fā)明涉及中子輻照晶閘管效應(yīng)試驗(yàn)，特別是涉及一種晶閘管失效試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前，我國直流輸電技術(shù)發(fā)展迅猛，處于國際領(lǐng)先地位。隨著“藏電外送”的提出，我國高海拔地區(qū)的換流站將會越來越多。換流站的海拔越高，大氣中子通量越高，換流閥的核心器件晶閘管面臨的失效風(fēng)險(xiǎn)越高，失效率越高，可能威脅到高壓直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2、對晶閘管而言，工況下受輻照失效的主要原因是單粒子燒毀，即高能中子入射在晶閘管內(nèi)部產(chǎn)生空間電荷，在外加電壓的作用下，在器件內(nèi)局部區(qū)域產(chǎn)生大量載流子，溫度升高，器件內(nèi)部發(fā)生熱擊穿燒毀的現(xiàn)象。因此晶閘管受大氣中子輻照失效的原因可能有兩種：一是大氣中子輻照直接作用于晶閘管引起單粒子效應(yīng)，特別是單粒子燒毀事件導(dǎo)致器件故障；二是由大氣中子引發(fā)高壓直流輸電系統(tǒng)控制部分故障，從而間接引發(fā)晶閘管故障。

3、壽命參數(shù)是可靠性參數(shù)一個(gè)非常重要的組成部分，在新研裝備及在役裝備中大量存在著壽命評估需求。對于大氣中子輻照晶閘管失效的威脅，可以通過基于人工中子源的方法進(jìn)行加速壽命的失效試驗(yàn)，進(jìn)而獲取晶閘管的失效率。

4、現(xiàn)有的失效試驗(yàn)主要包括美軍標(biāo)mil-std-750中1080.1的實(shí)驗(yàn)、國標(biāo)gb/t4937.17-2018中半導(dǎo)體器件機(jī)械試驗(yàn)和國軍標(biāo)gjb?762.1-89中半導(dǎo)體器件輻射加固試驗(yàn)。

5、美軍標(biāo)mil-std-750中1080.1的實(shí)驗(yàn)對平板垂直功率mosfet在重離子照射下的單粒子燒毀(seb)和單粒子門極破裂(segr)的輻照實(shí)驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行了簡要表述。然而，晶閘管不具備mosfet型器件的氧化層結(jié)構(gòu)，受中子輻照后僅會產(chǎn)生seb事件，故該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的實(shí)驗(yàn)方法不能直接應(yīng)用于晶閘管。

6、國軍標(biāo)gjb?762.1-89對半導(dǎo)體器件的輻射加固的試驗(yàn)進(jìn)行了規(guī)范。然而，該方法主要針對的是mosfet型器件提出，其方法中的一些設(shè)置(如引腳短路)不適用于晶閘管的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用的輻照源為快中子反應(yīng)堆、triga式反應(yīng)堆、穩(wěn)態(tài)反應(yīng)堆或14mev中子發(fā)生器，不適用人工中子源環(huán)境下的加速壽命試驗(yàn)。該標(biāo)準(zhǔn)的待測器件在輻照期間是非偏壓狀態(tài)，主要研究的內(nèi)容是輻照單一應(yīng)力對器件的壽命的影響，難以反映實(shí)際工況下受電壓偏置時(shí)晶閘管輻照損壞的情況。該標(biāo)準(zhǔn)要求同批次的實(shí)驗(yàn)器件不少于10個(gè)，對于高電壓大電流分立器件晶閘管而言成本難以接受。

7、國標(biāo)gb/t?4937.17-2018主要針對的是mosfet型器件提出，不適用于晶閘管的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。該標(biāo)準(zhǔn)中對于判斷器件退化的關(guān)鍵參數(shù)缺乏定義。該標(biāo)準(zhǔn)中定義的輻射源為脈沖反應(yīng)堆，最終評估手段是對1mev的等效注量，其能譜和大氣中子相差太大，不太符合面向大氣中子輻照的加速等效性研究的應(yīng)用場景。

8、綜上，現(xiàn)有的失效試驗(yàn)主要集中于金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管mosfet，待測器件的數(shù)量要求較多導(dǎo)致成本過高，且待測器件在輻照期間是非偏壓狀態(tài)，難以反映實(shí)際工況下受電壓偏置時(shí)晶閘管輻照失效的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種晶閘管失效試驗(yàn)裝置，解決了現(xiàn)有的失效試驗(yàn)中待測器件的數(shù)量要求較多導(dǎo)致成本過高，且待測器件在輻照期間是非偏壓狀態(tài)，難以反映實(shí)際工況下受電壓偏置時(shí)晶閘管輻照損壞的情況的問題。

2、本發(fā)明提供一種晶閘管失效試驗(yàn)裝置，包括：

3、電源，用于給樣品晶閘管提供不同大小以及不同極性的直流偏置電壓；

4、人工中子源，用于產(chǎn)生不同輻照劑量率的中子束流，并通過中子束流對樣品晶閘管進(jìn)行輻照，使樣品晶閘管內(nèi)部發(fā)生隨機(jī)性的單粒子燒毀事件；

5、保護(hù)電阻，其一端與電源的輸出端連接，另一端與樣品晶閘管的一端連接，當(dāng)樣品晶閘管出現(xiàn)單粒子燒毀事件時(shí)，樣品晶閘管內(nèi)部形成導(dǎo)電通道，導(dǎo)致主回路電流上升，此時(shí)保護(hù)電阻用于限制主回路電流；

6、數(shù)據(jù)采集設(shè)備，與樣品晶閘管電連接，用于對樣品晶閘管上的偏置電壓信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；

7、處理模塊，用于在不同大小以及不同極性的直流偏置電壓下，當(dāng)樣品晶閘管出現(xiàn)單粒子燒毀事件時(shí)，根據(jù)此時(shí)樣品晶閘管上的偏置電壓信號對單粒子燒毀事件的發(fā)生時(shí)間進(jìn)行記錄，并對單粒子燒毀事件的多個(gè)發(fā)生時(shí)間以及對應(yīng)的偏置電壓信號進(jìn)行擬合處理，得到晶閘管失效率。

8、優(yōu)選的，所述樣品晶閘管設(shè)置在人工中子源的中子束流通道中。

9、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括電壓探頭和示波器。

10、優(yōu)選的，所述樣品晶閘管外側(cè)設(shè)有熱電偶，所述熱電偶用于測量樣品晶閘管的溫度。

11、優(yōu)選的，所述樣品晶閘管為封裝晶閘管。

12、優(yōu)選的，所述樣品晶閘管的另一端與測量電阻連接，所述測量電阻另一端接地；所述數(shù)據(jù)采集設(shè)備還用于采集測量電阻的電壓信號，所述處理模塊通過測量電阻的電壓信號獲取得到主回路中的電流信號，并根據(jù)該電流信號對單粒子燒毀事件的發(fā)生時(shí)間進(jìn)行記錄。

13、優(yōu)選的，還包括夾具，通過所述夾具對所述樣品晶閘管進(jìn)行固定，所述夾具包括兩個(gè)鋁合金板、第一尼龍板和兩個(gè)第二尼龍板；一個(gè)所述鋁合金板的一側(cè)與第一尼龍板的一側(cè)固定連接，第一尼龍板另一側(cè)的兩端均垂直固定設(shè)有第二尼龍板，樣品晶閘管固定設(shè)置在兩個(gè)鋁合金板之間。

14、優(yōu)選的，其中一個(gè)所述第二尼龍板外側(cè)固定設(shè)有軸流風(fēng)機(jī)。

15、優(yōu)選的，所述對單粒子燒毀事件的發(fā)生時(shí)間以及對應(yīng)的偏置電壓信號進(jìn)行

16、擬合處理，得到晶閘管失效率，具體如下所示：

17、

18、式中，λ為失效率，vdc為偏置電壓，參數(shù)a和b為常數(shù)，mtbf為平均無故障時(shí)間，ti為第i次單粒子燒毀事件發(fā)生的時(shí)間，ti-1為第i-1次單粒子燒毀事件發(fā)生的時(shí)間。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

20、本發(fā)明提出了一種晶閘管失效試驗(yàn)裝置，針對現(xiàn)有待測器件在輻照期間是非偏壓狀態(tài)不符合實(shí)際的要求，本發(fā)明中在主回路中設(shè)置電源，用于給樣品晶閘管提供不同大小以及不同極性的直流偏置電壓，滿足樣品晶閘管的實(shí)際工況。同時(shí)針對現(xiàn)有待測器件的數(shù)量要求較多導(dǎo)致成本過高的問題，本發(fā)明在主回路中設(shè)置保護(hù)電阻，當(dāng)樣品晶閘管出現(xiàn)單粒子燒毀事件導(dǎo)致主回路電流快速上升時(shí)，限制主回路的電流?？梢詫?shí)現(xiàn)樣品晶閘管的多次復(fù)用，在保護(hù)待測器件的同時(shí)能夠很好的測量器件seb事件發(fā)生的頻度，大大減少了待測器件的數(shù)量，降低了試驗(yàn)成本。最后通過處理模塊對不同大小以及不同極性的直流偏置電壓下的單粒子燒毀事件的發(fā)生時(shí)間以及對應(yīng)的偏置電壓信號進(jìn)行擬合處理，得到晶閘管失效率，真實(shí)反映實(shí)際工況下受電壓偏置時(shí)晶閘管輻照失效的情況。

技術(shù)特征：

1.一種晶閘管失效試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的一種晶閘管失效試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述樣品晶閘管(3)設(shè)置在人工中子源(4)的中子束流通道中。

3.如權(quán)利要求1所述的一種晶閘管失效試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集設(shè)備(6)包括電壓探頭和示波器。

4.如權(quán)利要求1所述的一種晶閘管失效試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述樣品晶閘管(3)外側(cè)設(shè)有熱電偶(7)，所述熱電偶(7)用于測量樣品晶閘管(3)的溫度。

5.如權(quán)利要求1所述的一種晶閘管失效試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述樣品晶閘管(3)為封裝晶閘管。

6.如權(quán)利要求1所述的一種晶閘管失效試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述樣品晶閘管(3)的另一端與測量電阻(5)連接，所述測量電阻(5)另一端接地；所述數(shù)據(jù)采集設(shè)備(6)還用于采集測量電阻(5)的電壓信號，所述處理模塊通過測量電阻(5)的電壓信號獲取得到主回路中的電流信號，并根據(jù)該電流信號對單粒子燒毀事件的發(fā)生時(shí)間進(jìn)行記錄。

7.如權(quán)利要求1所述的一種晶閘管失效試驗(yàn)裝置，其特征在于，還包括夾具，通過所述夾具對所述樣品晶閘管(3)進(jìn)行固定，所述夾具包括兩個(gè)鋁合金板(8)、第一尼龍板(10)和兩個(gè)第二尼龍板(11)；一個(gè)所述鋁合金板(8)的一側(cè)與第一尼龍板(10)的一側(cè)固定連接，第一尼龍板(10)另一側(cè)的兩端均垂直固定設(shè)有第二尼龍板(11)，樣品晶閘管(3)固定設(shè)置在兩個(gè)鋁合金板(8)之間。

8.如權(quán)利要求7所述的一種晶閘管失效試驗(yàn)裝置，其特征在于，其中一個(gè)所述第二尼龍板(11)外側(cè)固定設(shè)有軸流風(fēng)機(jī)(12)。

9.如權(quán)利要求1所述的一種晶閘管失效試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述對單粒子燒毀事件的發(fā)生時(shí)間以及對應(yīng)的偏置電壓信號進(jìn)行擬合處理，得到晶閘管失效率，具體如下所示：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種晶閘管失效試驗(yàn)裝置，涉及晶閘管壽命試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，包括電源、保護(hù)電阻、人工中子源、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和處理模塊，電源用于給樣品晶閘管提供不同大小以及不同極性的直流偏置電壓；人工中子源用于使樣品晶閘管內(nèi)部發(fā)生隨機(jī)性的單粒子燒毀事件；保護(hù)電阻用于限制主回路電流；數(shù)據(jù)采集設(shè)備用于對樣品晶閘管上的偏置電壓信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；處理模塊用于當(dāng)樣品晶閘管出現(xiàn)單粒子燒毀事件時(shí)，根據(jù)此時(shí)樣品晶閘管上的偏置電壓信號對單粒子燒毀事件的發(fā)生時(shí)間進(jìn)行記錄，并對單粒子燒毀事件的多個(gè)發(fā)生時(shí)間以及對應(yīng)的偏置電壓信號進(jìn)行擬合處理，得到晶閘管失效率。本發(fā)明可以真實(shí)反映實(shí)際工況下受電壓偏置時(shí)晶閘管輻照失效的情況。

技術(shù)研發(fā)人員：陳忠,路敬宇,殷子強(qiáng),祝琳,楊為,朱太云,趙明敏,胡志良,丁衛(wèi)東
受保護(hù)的技術(shù)使用者：國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30