晶閘管智能控制模塊的應(yīng)用

硅晶閘管自20世紀(jì)5O年代問世以來，在功率半導(dǎo)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(guān)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(tǒng)中大顯身手。隨著功率集成技術(shù)與新材料、新工藝的不斷進(jìn)步與成熟，科技工作者又利用陶瓷覆銅(DCB)技術(shù)將晶閘管及其移相觸發(fā)電路、自動(dòng)調(diào)節(jié)電路與SMT表面貼裝技術(shù)相結(jié)合，集成封裝于一體，使之具有電力調(diào)節(jié)、自動(dòng)控制的功能，業(yè)內(nèi)人士稱之為晶閘管智能控制模塊。

一、結(jié)構(gòu)、參數(shù)、分類及應(yīng)用領(lǐng)域

晶閘管智能控制模塊按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(jī)軟啟動(dòng)模塊等。

通用模塊由晶閘管主電路、移相觸發(fā)電路和保護(hù)電路組成，具有電力調(diào)控功能和過熱、過壓、過流保護(hù)功能，可靠性、穩(wěn)定性、智能化程度都較高，但體積不大。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(jìn)的焊接工藝使模塊的絕緣電壓達(dá)到2.5kV以上，并保證模塊熱阻低、熱循環(huán)次數(shù)多、使用壽命長(zhǎng)。

根據(jù)功能的不同，專用模塊內(nèi)部集成了晶閘管主電路、移相觸發(fā)電路、反饋電路、保護(hù)電路、線性電壓或電流傳感器、轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)調(diào)速電路、功放電路、單片機(jī)等。采用DCB工藝，具有機(jī)械設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、組裝容易、使用方便等特點(diǎn)，主要用于電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源、前級(jí)調(diào)壓、蓄電池充/放電及交流電機(jī)軟啟動(dòng)等領(lǐng)域。

晶閘管智能控制模塊的主要參數(shù)有:工作頻率f;晶閘管智能控制模塊的應(yīng)用輸入線電壓范圍;控制信號(hào)電壓，控制信號(hào)電流;輸出電壓不對(duì)稱度;輸出電壓溫度系數(shù);模塊絕緣電壓;最大輸入電流;最大輸出電流;觸發(fā)電源電流;工作殼溫。

二、模塊的使用、安裝與保護(hù)

無論是通用模塊還是專用模塊，為保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，選取的額定電流值應(yīng)為負(fù)載電流的1.5～3倍，在整個(gè)運(yùn)行過程中，負(fù)載電流不能超過模塊的額定電流。使用模塊時(shí)，還應(yīng)注意散熱條件的好壞，它將直接影響模塊的性能發(fā)揮及安全可靠。散熱方式一般有三種，即水冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷和自然冷卻。水冷散熱效果好，有水冷條件的應(yīng)首選水冷散熱形式。

自然冷卻的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，費(fèi)用最低廉且維護(hù)最方便，但是滿足不了模塊工作時(shí)的效率及溫升要求。模塊常采用散熱器風(fēng)冷方式，但會(huì)增加通風(fēng)損耗。系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)壽命超過七年時(shí)，傳統(tǒng)上不采用風(fēng)扇，但隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，可將風(fēng)扇管理、監(jiān)測(cè)電路集成在模塊內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和更換方便。因此，目前風(fēng)冷形式最常用。

散熱器的熱傳導(dǎo)性能與其材料有很大的關(guān)系。金屬材料的熱導(dǎo)性能好，鋁的熱傳導(dǎo)系數(shù)為銅的1/2，鋼約是銅的1/7。電力電子設(shè)備冷卻用的風(fēng)扇有分軸流風(fēng)扇與離心風(fēng)扇兩種。軸流風(fēng)扇的工作原理是利用風(fēng)扇葉片的揚(yáng)力使空氣在軸向方向流動(dòng)，風(fēng)扇葉片與電動(dòng)機(jī)直接相連，體積小、重量輕，較為常用。散熱的基本計(jì)算公式為溫差=熱阻×功耗，散熱器的選用可參考這個(gè)公式或依照廠家的產(chǎn)品說明書，但風(fēng)扇風(fēng)速應(yīng)>6m/s。即便如此，模塊要求工作環(huán)境干燥、通風(fēng)、無塵、無腐蝕性氣體，環(huán)境溫度范圍應(yīng)保持在25OC～45OC。使用品閘管智能控制模塊應(yīng)注意以下兩種保護(hù):

1.過流保護(hù)

最簡(jiǎn)單的方法是外接快速熔斷器，快速熔斷器的額定電壓應(yīng)大于電路的正常工作電壓。如模塊電壓規(guī)格為AC450V，而快速熔斷器的額定電壓應(yīng)選擇為AC500V，快速熔斷器的額定電流應(yīng)按模塊規(guī)格電流的1/2來選擇。

2.過壓保護(hù)

采用阻容吸收與壓敏電阻器相結(jié)合的方式，阻容吸收電路能夠抑制晶閘管由導(dǎo)通到截止瞬間產(chǎn)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(chǎn)生的能量較大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的過電壓。壓敏電阻器的額定電壓值參考下式選擇:710V

智能功率模塊逐步取代部分功率器件，廣泛用于UPS、工業(yè)加熱調(diào)速等領(lǐng)域。目前，進(jìn)口品牌的模塊有日本的富士、三菱、三社，德國(guó)的西門子、西門康等公司的產(chǎn)品。

(作者單位:河南省新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院)