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晶閘管
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...
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。
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