晶閘管智能控制模塊的應用

1 引言  
　　硅晶閘管自20世紀50年代問世以來，在功率半導體器件研究工作者的不懈努力下取得了令人矚目的成就。硅晶閘管由普通晶閘管（PCT）逐漸演變出門極可關斷晶閘管（GTO）、集成門極換向晶閘管（IGCT）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、MOS門控晶閘管（MCT、BRT、EST）。晶閘管以其高電壓、大電流的特性，在許多電力電子系統中大顯身手。 
　　隨著功率集成技術與新材料、新工藝的不斷進步與成熟，科技工作者又利用陶瓷覆銅（DCB）技術將晶閘管及其移相觸發電路、自動調節電路與SMT表面貼裝技術相結合，將其集成封裝于一體，使之具有電力調節、自動控制的功能，業內人士稱之為晶閘管智能控制模塊，其外形如圖1所示。 
    2 結構、參數、分類及應用領域 
　　晶閘管智能控制模塊按其用途一般分為通用模塊和專用模塊。通用模塊一般指整流模塊、交流模塊等；專用模塊有充、放電模塊、電機軟啟動模塊等。 
　　通用模塊由晶閘管主電路、移相觸發電路和保護電路組成，具有電力調控功能和過熱、過壓、過流保護功能，可靠性、穩定性、智能化程度都較高，但體積并不大。采用DCB工藝，將銅箔在高溫下直接鍵合到氧化鋁或氮化鋁陶瓷基片表面，利用先進的焊接工藝使模塊的絕緣電壓達到2.5kV以上，并保證模塊熱阻低、熱循環次數多、使用壽命長。 

圖1    晶閘管智能控制模塊的外形 
　　根據功能的不同，專用模塊內部集成了晶閘管主電路、移相觸發電路、反饋電路、保護電路、線性電壓或電流傳感器、轉速與電流雙閉環調速電路、功放電路、單片機等。采用DCB工藝，具有機械設計簡單、組裝容易、使用方便的特點，主要用于電動機、發電機的勵磁電源、前級調壓、蓄電池充/放電及交流電機軟啟動等領域。 
　　晶閘管智能控制模塊的主要參數有：工作頻率f;;輸入線電壓范圍VIN（RMS）；控制信號電壓VCON；控制信號電流ICON；輸出電壓不對稱度；輸出電壓溫度系數；模塊絕緣電壓VISO（RMS）；最大輸入電流IIN（RMS）；最大輸出電流IOUT（RMS）；觸發電源電流IE；工作殼溫TC。 
    3 模塊的使用、安裝與保護 
　　圖2和圖3分別示出晶閘管充、放電模塊的典型應用電路，圖4為限流軟啟動模塊的典型應用電路。  
 

　　無論是通用模塊還是專用模塊，為保證設備運轉正常，選取的模塊額定電流值應為負載電流的1.5倍～3倍，在整個運行過程中，負載電流不能超過模塊的額定電流。使用模塊時，還應注意散熱條件的好壞，它將直接影響模塊的性能發揮及安全可靠。散熱方式一般有3種：即水冷、強迫風冷和自然冷卻。水冷散熱效果好，有水冷條件的應首選水冷散熱形式。 
　　自然冷卻的結構最簡單，費用最低廉且維護最方便，但是時常滿足不了模塊工作時的效率及溫升要求。模塊常采用散熱器風冷方式，但會因此增加通風損耗。系統要求設計壽命超過7年時，傳統上不采用風扇，但隨著微電子技術的發展，可將風扇管理、監測電路集成在模塊內，現場維護和更換方便，風冷形式最常用。表1為各種冷卻方式下的典型功率密度。 
表1  各種冷卻方式的典型功率密度 

　　散熱器的熱傳導性能與其材料有相當大的關系，金屬材料的熱導性能好，鋁的熱傳導系數為銅的1/2，鋼約是銅的1/7。電力電子設備冷卻用的風扇分軸流風扇與離心風扇兩種。軸流風扇的工作原理是利用風扇葉片的揚力使空氣在軸向方向流動，其風扇葉片與電動機直接相連，體積小、重量輕，較為常用。散熱的基本計算公式為：溫差=熱阻×功耗。 
　　散熱器的選用可參考上述公式或依照廠家的產品說明書，但風扇風速應≥6m/s。即便如此，模塊對工作環境也有要求：干燥、通風、無塵、無腐蝕性氣體，環境溫度范圍應保持在－25℃～45℃。使用晶閘管智能控制模塊應注意以下幾種保護。 
    （1）過流保護 
　　最簡單的方法是外接快速熔斷器，如圖5所示，快速熔斷器的額定電壓應大于電路的正常工作電壓，如模塊電壓規格為AC450V，而快速熔斷器的額定電壓應選擇為AC500V，快速熔斷器的額定電流應按模塊規格電流的1/2來選擇。 
    （2）過壓保護 
　　采用阻容吸收與壓敏電阻器相結合的方式，阻容吸收電路能夠抑制晶閘管由導通到截止瞬間產生的過電壓，有效避免晶閘管被擊穿，壓敏電阻器可防止雷擊等原因產生的能量較大、持續時間較長的過電壓。壓敏電阻器的額定電壓值參考下式選擇： 
    710V≤V1mA≤1000V 
　　V1mA為壓敏電阻器的標稱電壓，圖5和圖6為阻容吸收電路與壓敏電阻器過壓保護接線圖。  
 

    4 結束語 
　　智能功率模塊逐步取代部分功率器件，廣泛用于UPS、工業加熱調速等領域。目前，進口品牌的模塊有日本的富士、三菱、三社，德國的西門子、西門康等公司的產品。