Pomiary dynamicznej wytrzymałości napięciowej

Celem pomiarów było wyznaczenie czasów opóźnienia włączenia (t1) i czasu przewodze-nia (t2) tranzystora IGBT współpracującego z bezpiecznikiem z rys. 5.23. W eksperymencie uŜyto topika miedzianego średnicy 0,1 mm i długości l = 1 mm. Kondensator (z rys. 5.22) był naładowany do napięcia (U) 100 V, amplituda prądu probierczego wynosiła 2 kA. W trakcie pomiarów zmieniano wartości czasów t1 i t2. Dobór czasu t1 zaleŜał od szybkości wytapiania się topika, a więc od szybkości powstawania przerwy izolacyjnej. Czas t2 jest zaleŜny od prędkości dejonizacji plazmy powstałej z topika. Na rys. 5.24. określono czasy t1 i t2.

Rys. 5.24. Przykład ograniczenia prądu z zaznaczonymi czasami t1 (palenia się łuku wytapiającego topik) i t2 (włączenia tranzystora przez okres dejonizacji plazmy), I – prąd probierczy BKT, U – na-pięcie BKT

t1 t2

I U

20 1

40

a) Pionowa elektroda zaciskowa b) Topik

Pozioma elektroda zaciskowa

20

W czasie prób, między stykami bezpiecznika występowało napięcie probiercze 1 kV po-wstające przez ograniczenie przepięcia na indukcyjności obwodu przez równoległy warystor.

Przepięcie to powstawało z chwilą wyłączania tranzystora IGBT, a więc po upływie czasu t2 i jeŜeli czas ten był zbyt krótki, to ponownie następował zapłon łuku pod wpływem spadku napięcia na warystorze. Ponowny zapłon następował wtedy, gdy czas wytapiania topika t1 był zbyt krótki i łuk nie zdąŜył wytopić pełnej przerwy wytrzymującej napięcie powrotne gene-rowane przez warystor.

Na rys. 5.24 widać poprawne ograniczenie prądu zwarciowego dla przypadku poprawnie dobranych czasów: t1, który był wystarczający do wytopienia przerwy i t2, który „czekał” na ostygnięcie plazmy. W przypadku gdy t1 lub t2 były za krótkie następowało przebicie prze-rwy i brak ograniczenia prądu rys. 5.25.

Rys. 5.25. Ponowny zapłon łuku przy zbyt krótkich czasach wytapiania t1 lub dejonizacji t2

Czas t2 jest specyficzny dla danego rozwiązania konstrukcyjnego bezpiecznika i jest tym krótszy im łatwiej uda się odprowadzić pary metali tak, aby ilość nośników w przestrzeni była niewystarczająca do jonizacji. Wydaje się, Ŝe czas ten moŜe być znacznie skrócony w komorach próŜniowych ze względu na brak przeciwciśnienia hamującego rozprzestrzenianie się plazmy. Inną metodą przyspieszenia dejonizacji moŜe być wychwytywanie nośników przez ośrodek gazowy w komorze. Czas t2 jest zaleŜny od czasu wytapiania topika czyli ilo-ści doprowadzonej energii cieplnej do komory, a więc od iloilo-ści odparowanego materiału i im jest krótszy tym szybciej CHCL ograniczy prąd zwarciowy.

t1 t2

Jak moŜna się spodziewać istnieje optimum czasów, dla którego cały proces ograni-czania prądu jest moŜliwie najkrótszy. Z jednej strony musi być zachowany odpowiedni czas potrzebny do wytopienia topika, ale powoduje to wzrost temperatury par metali i powstanie nośników ładunku. Z drugiej strony czas dejonizacji, który powinien być wystarczający dla ochłodzenia się plazmy. Czas t2 moŜe być ustawiony jako długi, ale wtedy cały prąd zwar-ciowy płynie przez tranzystor. Nie obserwuje się więc efektu ograniczenia. Dlatego naleŜy dąŜyć do skrócenia t2, ale tak aby nie spowodować ponownego zapłonu łuku. PoniŜej na rys.

5.26. przedstawiono przykładową zaleŜność czasu t2 od t1. ZaleŜność ta obrazuje optimum doboru czasów t1 i t2 i ze względu na kształt proponuje się ją nazwać krzywą V.

Rys. 5.26. Odbudowa wytrzymałości powrotnej w funkcji czasu łukowego. Linią przerywaną zazna-czono optymalną współzaleŜność czasów t1 i t2 dającą najkrótszy czas ograniczania prądu. Prąd pro-bierczy 2 kA, napięcie probiercze 1 kV, średnica topika 0,1 mm, długość topika 1 mm.

Krzywa V ma charakter pasmowy. Jej powierzchnia reprezentuje obszar działania przy-padkowego, gdy moŜe nastąpić ponowne przebicie przerwy połukowej. Od „góry” obszar ten jest ograniczony krzywą pewnego zadziałania, a od „dołu” zawsze następuje ponowne przebi-cie i brak ograniczenia prądu. Pomierzona szerokość pasma wynosiła ok. 10 µs dla całego przedziału czasu t1. Zakres pracy CHCL naleŜy tak dobrać, aby uzyskać najszybsze ograni-czenie prądu co jest spełnione dla punktu pracy, który leŜy w minimum krzywej ograniczają-cej z „góry” pasmo niepewnego działania. W przedstawionym przypadku łączny czas ograni-czenia był najkrótszy dla danego rozwiązania BKT i wynosił 15 + 90 µs. Wzorując się na

podstawie wyŜej przedstawionych wyników pomiarów inni autorzy [35] wykonali podobne próby dla dodatkowych topików (np. d = 0,13 mm i l = 1 mm) uzyskując podobne wyniki, teŜ z silnie zaznaczonym optimum dla czasów t1 i t2.

Na podstawie powyŜszych obserwacji moŜna stwierdzić, Ŝe czas wytapiania (opóźnienia włączenia tranzystora) t1 powinien być tylko taki jaki jest potrzebny do stopienia i odparowa-nia topika (obliczeodparowa-nia cieplne). Czas dejonizacji t2 moŜna określić ze zjawiska chłodzeodparowa-nia się plazmy [36] poniŜej 3000 K (obliczenia cieplne). Temperaturę 3000 K przyjmuje się jako graniczną poniŜej której plazma staje się nieprzewodząca (rezystywność jej jest duŜa, rys.

5.27).

Na przebieg charakterystyki z rys. 5.25. nakładają się róŜne zjawiska: dla czasów krót-szych od 1 µs wytopienie jest niewystarczające i przebicie następuje pomiędzy pozostało-ściami topika niezaleŜnie od czasu dejonizacji (do opisu tej części krzywej V prawdopodob-nie naleŜy uŜyć modelu silprawdopodob-nie prawdopodob-niejednorodnego pola elektrycznego). Dla czasów do 10 µs występuje duŜa gęstość plazmy i stosunkowo mała prędkość jej rozchodzenia stąd teŜ

“dogrzanie” powoduje zwiększenie prędkości rozchodzenia i powstanie minimum. Dalsze zwiększanie czasu wytapiania powyŜej 100 µs powoduje nadmierne wytapianie topika łącznie z okuciami i powstanie zbyt duŜej ilości par metali, co skutkuje długim okresem dejonizacji i tym samym potrzebą włączenia tranzystora aby ochłodzić przerwę w topiku.