晶闸管智能控制模块的应用

1 引言  
　　硅晶闸管自20世纪50年代问世以来，在功率半导体器件研究工作者的不懈努力下取得了令人瞩目的成就。硅晶闸管由普通晶闸管（PCT）逐渐演变出门极可关断晶闸管（GTO）、集成门极换向晶闸管（IGCT）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、MOS门控晶闸管（MCT、BRT、EST）。晶闸管以其高电压、大电流的特性，在许多电力电子系统中大显身手。 
　　随着功率集成技术与新材料、新工艺的不断进步与成熟，科技工作者又利用陶瓷覆铜（DCB）技术将晶闸管及其移相触发电路、自动调节电路与SMT表面贴装技术相结合，将其集成封装于一体，使之具有电力调节、自动控制的功能，业内人士称之为晶闸管智能控制模块，其外形如图1所示。 
    2 结构、参数、分类及应用领域 
　　晶闸管智能控制模块按其用途一般分为通用模块和专用模块。通用模块一般指整流模块、交流模块等；专用模块有充、放电模块、电机软启动模块等。 
　　通用模块由晶闸管主电路、移相触发电路和保护电路组成，具有电力调控功能和过热、过压、过流保护功能，可靠性、稳定性、智能化程度都较高，但体积并不大。采用DCB工艺，将铜箔在高温下直接键合到氧化铝或氮化铝陶瓷基片表面，利用先进的焊接工艺使模块的绝缘电压达到2.5kV以上，并保证模块热阻低、热循环次数多、使用寿命长。 

图1    晶闸管智能控制模块的外形 
　　根据功能的不同，专用模块内部集成了晶闸管主电路、移相触发电路、反馈电路、保护电路、线性电压或电流传感器、转速与电流双闭环调速电路、功放电路、单片机等。采用DCB工艺，具有机械设计简单、组装容易、使用方便的特点，主要用于电动机、发电机的励磁电源、前级调压、蓄电池充/放电及交流电机软启动等领域。 
　　晶闸管智能控制模块的主要参数有：工作频率f;;输入线电压范围VIN（RMS）；控制信号电压VCON；控制信号电流ICON；输出电压不对称度；输出电压温度系数；模块绝缘电压VISO（RMS）；最大输入电流IIN（RMS）；最大输出电流IOUT（RMS）；触发电源电流IE；工作壳温TC。 
    3 模块的使用、安装与保护 
　　图2和图3分别示出晶闸管充、放电模块的典型应用电路，图4为限流软启动模块的典型应用电路。  
 

　　无论是通用模块还是专用模块，为保证设备运转正常，选取的模块额定电流值应为负载电流的1.5倍～3倍，在整个运行过程中，负载电流不能超过模块的额定电流。使用模块时，还应注意散热条件的好坏，它将直接影响模块的性能发挥及安全可靠。散热方式一般有3种：即水冷、强迫风冷和自然冷却。水冷散热效果好，有水冷条件的应首选水冷散热形式。 
　　自然冷却的结构最简单，费用最低廉且维护最方便，但是时常满足不了模块工作时的效率及温升要求。模块常采用散热器风冷方式，但会因此增加通风损耗。系统要求设计寿命超过7年时，传统上不采用风扇，但随着微电子技术的发展，可将风扇管理、监测电路集成在模块内，现场维护和更换方便，风冷形式最常用。表1为各种冷却方式下的典型功率密度。 
表1  各种冷却方式的典型功率密度 

　　散热器的热传导性能与其材料有相当大的关系，金属材料的热导性能好，铝的热传导系数为铜的1/2，钢约是铜的1/7。电力电子设备冷却用的风扇分轴流风扇与离心风扇两种。轴流风扇的工作原理是利用风扇叶片的扬力使空气在轴向方向流动，其风扇叶片与电动机直接相连，体积小、重量轻，较为常用。散热的基本计算公式为：温差=热阻×功耗。 
　　散热器的选用可参考上述公式或依照厂家的产品说明书，但风扇风速应≥6m/s。即便如此，模块对工作环境也有要求：干燥、通风、无尘、无腐蚀性气体，环境温度范围应保持在－25℃～45℃。使用晶闸管智能控制模块应注意以下几种保护。 
    （1）过流保护 
　　最简单的方法是外接快速熔断器，如图5所示，快速熔断器的额定电压应大于电路的正常工作电压，如模块电压规格为AC450V，而快速熔断器的额定电压应选择为AC500V，快速熔断器的额定电流应按模块规格电流的1/2来选择。 
    （2）过压保护 
　　采用阻容吸收与压敏电阻器相结合的方式，阻容吸收电路能够抑制晶闸管由导通到截止瞬间产生的过电压，有效避免晶闸管被击穿，压敏电阻器可防止雷击等原因产生的能量较大、持续时间较长的过电压。压敏电阻器的额定电压值参考下式选择： 
    710V≤V1mA≤1000V 
　　V1mA为压敏电阻器的标称电压，图5和图6为阻容吸收电路与压敏电阻器过压保护接线图。  
 

    4 结束语 
　　智能功率模块逐步取代部分功率器件，广泛用于UPS、工业加热调速等领域。目前，进口品牌的模块有日本的富士、三菱、三社，德国的西门子、西门康等公司的产品。