Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка высокочастотного (10-20 кГц) силового кремниевого диода для роботизированной резистивной сварки

Номер контракта: 14.584.21.0016

Руководитель: Лагов Петр Борисович

Должность: доцент

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
резистивная сварка, контактная сварка, силовой, высокочастотный, выпрямительный диод, кремний, силовые полупроводники, автомобильная промышленность, промышленные роботы, сварочная машина

Цель проекта:
Резистивная сварка используется главным образом для соединения листов металла. В сравнении с другими методами сварки, резистивная сварка является очень эффективной, поскольку практически не привносит загрязнений, а деформация заготовок (образцов) носит весьма ограниченный характер. Данный вид сварки является высокопроизводительным, легко может быть автоматизирован и не требует присадочных материалов. Он широко используется в автомобильной промышленности, так как большинство автомобилей имеют несколько тысяч точечных сварных соединений, выполняемых промышленными роботами. Каждому сварочному циклу соответствует цикл нагрузки на диодах, ресурс которых, как правило, превышает более 10 миллионов циклов. Это означает, что способность диода выдерживать циклическую нагрузку является основной при выборе конкретного компонента, и эта способность определяется колебанием температуры, которое диод испытывает в течение цикла. Для обеспечения минимального колебания температуры в ходе цикла, конструкция диода должна обеспечивать минимально возможные потери электрической мощности и тепловое сопротивление. В автомобильной промышленности трансформатор, выпрямитель и сварочные клещи, как правило, размещают на роботизированной руке. Следовательно, их размер и вес имеют огромное значение. Кроме того, увеличение частоты позволяет уменьшить размер трансформатора при одинаковой мощности. Основной задачей проекта является разработка комплекса конструктивно-технологических решений, направленных на создание кремниевого силового высокочастотного (10-20 кГц) сварочного диода, предназначенного для применения в роботизированных аппаратах резистивной сварки. Заявляемые технические характеристики являются рекордными и задача их достижения может быть решена взаимодополняющими путями, а именно 1) Анализ, моделирование, оптимизация и изготовление базовой структуры (выпрямительного элемента) сварочного диода. 2) Моделирование и оптимизация режимов технологических процессов формирования профиля рекомбинационных центров в базовой структуре сварочного диода.

Основные планируемые результаты проекта:
Планируемые результаты проекта заключаются в установлении взаимосвязей технологических режимов и условий формирования профиля рекомбинационных центров в полупроводниковой структуре кремниевого силового диода для резистивной сварки с основными электрическими параметрами диода. Установление указанных взаимосвязей позволит выбрать оптимальные режимы формирования исходной полупроводниковой структуры (уровни легирования и профили распределения примесей в различных активных областях) и оптимальные режимы формирования рекомбинационных центров, обеспечивающих достижение заявленных значений комплекса электрических характеристик (Средний прямой ток - 7100 А; Повторяющееся импульсное обратное напряжение - 400 В; Ударный прямой ток - 55 кА; Импульсное прямое напряжение (при среднем прямом токе 5000 А) - не более 1.15 В; Время жизни дырок в базе - 2.5 мкс (не более); Показатель мягкости выключения - 0.8 (не менее)).

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разрабатываемый диод предназначен для автоматизированной или роботизированной резистивной (контактной) сварки. Масштабы применения данного вида сварки огромны, поскольку ее применение носит межотраслевой характер. Контактная электросварка - высокопроизводительный, легко автоматизируемый процесс соединения металлов, эффективный в массовом и крупносерийном производстве. Так резистивная сварка используется для сварки стальных конструкций из листов толщиной до 20 мм в автомобиле-, самолёто- и судостроении, в сельскохозяйственном машиностроении и других отраслях промышленности. Разрабатываемый сварочный диод (серия) будет иметь принципиально новое сочетание комплекса электрических параметров (прямое падение напряжения, время восстановления обратного сопротивления и др.), которое в лучшую сторону будет отличаться от известных мировых аналогов. Это позволит уменьшить размер трансформатора, который располагается на роботизированной руке или в портативной сварочной машине, а следовательно уменьшить массу и снизить энергопотребление. Кроме того, сварочный диод будет характеризоваться меньшими паразитными потерями мощности при переключении, испытывать меньшую тепловую и механическую нагрузку при колебании температуры в процессе работы.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Применение разрабатываемого диода позволит сократить длительность сварочного цикла, повысить надежность роботизированной сварочной системы, устойчивость к перегрузкам и срок службы. Для роботизированных систем набор указанных параметров и характеристик очень важен, поскольку выход диода из строя приведет к остановке автоматизированной производственной линии. Таким образом, создание нового диода позволит повысить уровень автоматизации производства, в котором он используется. Не менее важным преимуществом создаваемого сварочного диода является перспективность его применения для сварки трудно свариваемых металлов и сплавов, в том числе за счет повышения плотности тока сварки и частоты при одинаковых размерах с аналогами.
Впоследствии полученные совместные результаты предполагается использовать для создания новых типов защитных диодов, работающих в высокочастотных схемах на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Такие схемы используются в новых сварочных машинах для получения не точечного, а сплошного соединения, которое, в частности, имеет место при сварке труб большого диаметра, применяемых в нефтяной и газовой промышленности. При этом производство IGBT транзисторов уже хорошо освоено, и они доступны для производителей сварочных машин, в то время как быстродействующий защитный диод с необходимыми характеристиками освоен недавно, требует дальнейшей оптимизации характеристик быстродействия и его стоимость примерно равна стоимости IGBT транзистора. Рынок таких диодов представляется весьма перспективным и будет только развиваться.

Текущие результаты проекта:
При выполнении первого этапа проекта получены следующие результаты:
- выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы в том числе: теоретический анализ работы сварочного диода; анализ вариантов конструкций и технологий; анализ оборудования для формирования рекомбинационных центров;
- получены результаты расчетов электрофизических характеристик и математических (программных) моделей явлений в структуре сварочного диода в процессе функционирования на различных частотах;
- получены результаты расчета профилей распределения центров рекомбинации при различных технологических режимах их формирования
- проведены патентные исследования;
- разработана программа экспериментальных исследований, направленных на повышение частотных характеристик сварочного диода;
Иностранным партнером получены результаты:
- изготовлены тестовые выпрямительные элементы диодов (полупроводниковые структуры);
- получены результаты измерений параметров тестовых выпрямительных элементов;
- проведена модернизация технологического и измерительного оборудования;
- проведен теоретический анализ электрических схем включения сварочных диодов;
- проанализированы параметров сварочных машин.