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2013
05-27

晶閘管系列模塊產品現場使用技術解答

　　(一)交流模塊的調壓功能與變壓器有何不同? 　　變壓器可使負載與電網隔離，按設定好的變壓比進行等功率傳送;交流模塊不與電網隔離，只對電網電壓進行調壓，其傳送功率受電流限制，隨電壓的降低而減少。 　　(二)模塊抗干擾能力如何? 　　該模塊適應于電網波形的大幅畸變，在主電路大電流工作時也能正常工作，且移相觸發控制系統不干擾與之相連的計算機或其他控制儀表，抗干擾能力強。 　　(三)模塊有何質量保證? 　　產品嚴格按企業技術標準，質量等級進行生產，如屬供方產品本身質量問題，供方在售出一年內包換。 　　(四)模塊在工作時會不會產生諧波? 　　模塊在工作時產生的諧波與傳統的晶閘管電路相同，會對電網造成影響，但目前據用戶的使用反饋情況來看，對電網造成的影響較小。可以這樣舉例來說明這個問題：模塊所控制的輸出功率與電網電源變壓器的功率比值是一個界定影響大小的依據，電網電源變壓器容量比較大，可以供給較大的電流，而模塊的輸出功率相對變壓器的功率來說比較小，其影響就可以忽略不計;反之，模塊控制的輸出功率相對于變壓器功率來說比較大，則影響就比較大。影響大的時候可以用電力電容器吸收，必要時可采用LC吸收。 　　(五)模塊在手動控制時，對所用電位器有何要求? 　　電位器的功率≥0.5W，阻值范圍從5.1—100K均可。 　　(六)模塊的散熱應注意些什么? 　　模塊芯片結溫不能超過125度，當模塊工作穩定時，散熱器溫度勿超過80度(即模塊的殼溫)，否則燒壞模塊。 　　(七)當用戶測試模塊輸出不正常時，自行考慮哪幾方面? 　　1)模塊是否帶負載測試。 　　2)12V電源是否符合模塊工作要求。 　　3)如果是微機或儀表控制，看控制端是否有放電回路，因2、3腳有一電容可能存貯電荷，使未加信號時導通，需在2、3腳間接一個500K電阻。 　　4)若用戶測試不平衡，首先看其負載是否平衡，測試時數字表紅、黑表筆是否應AB、BC、CA相。 　　5)接線是否正確，尤其單相交流模塊，兩邊對應要加零線。 　　6)若用戶帶感性、容性負載或負載不確定的情況下，模塊工作不正常，建議用戶在純阻性負載下測試。 　　7)對于控制信號不確定的情況下，選用電位器調節來檢查模塊是否正常。
2013
05-27

智能晶閘管模塊在電氣控制中的應用

　　一、前言 　　晶閘管自1957年問世以來,隨看半導體技術和應用技術不斷發展，它在電氣控制領域中發揮越來越大的作用。過去，人們在使用晶閘管各種電氣控制中只能用分立器件做成裝置，由于電路復雜、體積大，安裝調試麻煩，可靠性也較差，應用受到很大限制。淄博市臨淄銀河高技術開發有限公司開發生產的晶閘管智能模塊ITPM(Intelli9ent Thyristor PowerModule)，根本上解決了上述困難，使晶閘管的應用得以迅速擴大。 　　所謂ITPM就是將晶閘管主電路與移相觸發電路以及具有控制功能的電路封裝在同一外殼內的新型模塊。最新ITPM的移相觸發電路為全數字電路，功能電路由單片機完成，并且內置有多路電流、電壓、溫度傳感器，通過模塊上的接插件可將各種控制線引到鍵盤，進行各種功能和電氣參數設定，開可進行LED或LCD顯示。模塊的每支芯片的電流已達1000A/電壓1600V～2200V，該模塊實際上已是一個準電力電子裝置，不論在體積、容量、功能、智能化程度以及可靠性等方面與傳統裝置卻有很大優勢，安裝、使用特別方便。毫無疑問，有了這種裝置模塊化的技術和產品，今后將會使配電系統內的各種電氣控制發生重大變化。 　　二、ITPM的應用范圍 　　較為完整的ITPM一般由電力晶閘管、移相觸發器、軟件控制的單片機、電流、電壓、溫度傳感器以及操作鍵盤、LED或LCD顯示等部分組成。如圖1所示: 圖 1 圖 2由單個ITPM組成的傳速、電流雙閉環調速系統 　　可以看出，除去因受電力晶閘管容量的限制外，這樣的ITPM已不是一般傳統晶閘管裝置所能比擬的。它有相當高的智能水平和適應性。因此，它在配電系統內的電氣控制中有著廣泛應用。 　　柔性交流輸電FaCTS(F1esible ac Transmission System)在配電系統用ITPM取代分立半導體輸電開關、半導體限流器、半導體斷路器、靜止無功補償器、動態電壓復位器、靜止補償器以及有源濾波器，更能方便和滿足用戶規定等級的電力。 　　在交、直流電機調速方面，單塊ITPM可以成為一臺不可逆雙閉環直流調速器，兩個ITPM可以組成可逆四相限運行的調速器。如圖2所示： 　　ITPM用在交流異步串級調速、降壓調速。用六個ITPM非常方便地組成的交流變頻系統，如圖3-1、 圖3-2所示： 圖 3-1雙閉環控制的串級調速系統 圖 3-2雙閉環控制的串級調速系統可獲得較大功率低頻變頻電源。 　　在電源和控制方面有廣泛應用，如加速器穩壓電源，如圖4所示： 圖 4 加速器穩壓電源 圖 5 節能運行控制器 　　軟啟動器、節能運行控制器應用如圖5所示： 　　固態接觸器、繼電器、工業電熱控溫、各種半各體專用設備精密控溫、中、高頻熱處理電源、電焊設備(整流焊機、二次整流焊機、逆變焊機)激光電源、勵磁電源、電鍍、電解電源、機械電子設備電源、城市無軌、電動牽引、港口輪船起貨機、風機、水泵、軌機、龍門刨、大吊車驅動、超低頻鋼水、攪拌電源、造紙、紡織。城市供水、污水處理等，可以說在配電系統內的電氣控制ITPM都有作為。 　　三、ITPM的應用意義 　　ITPM是電力電子產品數字化、智能化、模塊化的集中體現，高度展示了現代電力電子技術在電氣控制中的作用。ITPM不僅可以用在較為復雜的控制場合，更多的用在一般開關控制場合是它的一大優勢，由于其高開關速度和無弧關斷等優良特點，這將會使控制的質量和性能大為改善。廣泛和大量的應用ITPM令節省很多的金屬材料，并使其控制系統的體積大大減少，還可使非常復雜的多個電氣控制系統變的非常簡單。用計算機集中控制，實現信息化管理，且運行維護費用很低。ITPM節能效果非常明顯，這對環保很有意義。 　　四、結束語 　　臨淄銀河高技術開發有限公司開發生產的系列ITPM，以其優越的性能故大量采用，已且示出明顯的社會效果和經濟效益，是傳統晶閘裝置的替代產品。有著廣泛的應用和廣闊的市場，是十分理想的新一代電氣控制產品。隨著ITPM低成本和大規模進入市場，將會使傳統的電氣控制產品和技術發生巨大變化，進入新的電力電子的電氣控制時代。
2013
05-27

智能電機控制模塊的功能及其應用

　　一、 概述 　　眾所周知，三相交流異步電動機以其低成本，高可靠性和易維護等優點在各行業中廣泛應用。但是,它在直接起動時，存在著很大的缺點：首先，它的起動電流高達額定電流的5-7倍，這需要電網有很大的裕量，而且降低了電器控制設備的使用壽命，増加維護成本，甚至影響了其它電氣設備的正常運行;其次，起動轉矩可達正常轉矩的2倍，這會對負載產生沖擊，增加傳動部件的磨擦和額外維護。因為以上原因，出現了三相異步電動機降壓起動設備。 　　傳統的降壓起動有以下幾種方法: 　　1、在電動機定子回路中串入電抗器，使一部分電壓降在電抗器上; 　　2、星形-三角形轉換降壓起動(Y -△)。 電機起動時接成星形，起動結束后，通過一個轉換器變成三角形接法; 　　3、起動補償器起動(自藕變壓器起動)。 　　傳統的起動設備體積龐大，成本高，結構復雜，與負載匹配的電機轉距很難控制，也就是說很難得到合適的起動電流和起動轉距;而且在切換瞬間會產生很高的電流尖峰，由此產生的機械振動會損害電機轉子，軸連接器，中間齒輪，以及負載。 　　因此，就需要有一種能克服傳統起動缺點的起動裝置。“智能電機控制模塊”，采用數碼管顯示，按鍵控制，整個起動過程全部由單片機控制自動完成。用戶通過按鍵調整參數設置，可以按需要選擇不同的起動方式，能夠很方便地控制起動電流，得到與負載相匹配的電機轉矩。 　　二、系統構成 　　如圖1，整個系統由主電路，移相調控，同步檢測，電壓電流反饋，單片機控制，顯示與按鍵六部分組成。其中，顯示與按鍵為一部分，組成一塊控制板。其它五部分全部集成在模塊內部。通過一條15芯的并行線與控制板連結起來。 圖1 圖2 　　三、各主要功能介紹 　　電機軟起動控制模塊主要能夠完成以下功能： 　　1、電壓斜坡起動 　　2、限流起動 　　3、軟停車 　　4、節能運行 　　5、過流、過熱、缺相保護 　　現在分別介紹一下 　　1、電壓斜坡起動 　　如圖2，系統首先加一個電壓Us到電機上，用于克服靜摩擦轉矩之后，電壓線性上升，從Us增 加到最大電壓Umax。此時，加到電動機端子上的電壓等于電網輸入電壓。 Us由用戶設定，可供用戶選 擇的電壓為80V-300V。Ts由用戶設定，可以在1-90秒中選擇。 　　這種起動方式的特點是起動平穩，可減少起動電流對電網的沖擊，同時大大減輕起動力矩對負載帶來的機械振動。 　　2、限流起動 　　如圖3，這種起動方式是由用戶設定一電流值Ik，在整個起動過程中，實際電流不超過設定值Ik。Ik由用戶根據實際負載大小自己設定。 　　限流起動可以使大慣性負載以最小電流被起動加速，可以用來設置電流上限，滿足電網容量在有限場合的使用。這種起動方式特別適合于恒轉矩負載。 　　3、軟停車 　　如圖4，與直接停車相比，就是加到電機上的電壓不是立即降下來的，而是由最高電壓逐漸下降，經時一段時間Tp，最后降為0V。其中，下降時間Tp用戶設定，范圍是0-90秒。 　　這種軟停車可以大大減少管道設備中液體的沖擊。 　　4、節能運行 　　對于大磨擦負載，由于所需起動電流大，需要功率較大的電動機，而正常負載所需運行負載力矩比電動機額定轉矩小的多，這就造成電動機輕載運行。對于間隙性負載，維持大電流的工作時間占整個周期很小一部分，造成輕載有功損耗浪費，使運行功率因數大大降低。智能電機控制模塊自動調節輸出電壓，使電機工作在最佳效率工作區，達到節能目的。 　　5、保護功能 　　共有三種保護功能：過流保護，過熱保護，缺相保護。 　　在起動或者運行過程中如果出現上述三種故障之一，模塊會自動切斷電機，控制板上的數碼管會閃爍顯示故障原因，待排除故障以后，按復位鍵即可恢復正常。 圖3 圖4 　　四、實驗情況及實際應用介紹 　　我們對一只正在使用中的智能電機控制模塊進行了實際測量并作了記錄。 　　所用負載為18.5KW風機，電壓實際測量值為390V左右。 　　為了作一個比較，首先拆掉模塊進行直接起動。 　　合上空氣開關以后，電壓立即上升到390V，電流快速上升到150A,持續一段時間，逐漸下降，最后穩定在30A左右。同時，可清楚地聽到由于大電流沖擊，風機產生強烈的機械振動所發出的聲音。 　　然后接上電機軟起動控制模塊，設置為限流方式起動，限流值為90A，打開節能運行。 　　按下“起動”鍵，可觀測到電流上升速度明顯變慢，逐漸上升到90A，保持2~3秒后，逐漸下降為30A。電壓由0V緩慢上升到390V。起動時間為6秒。在整個起動過程中，電機起動平穩，聽不到機械沖擊的聲音。 　　15秒后，電壓逐漸下降為355V，電流不變，開始穩定運行。 　　智能電機控制模塊可廣泛應用于各工業領域，其功能適用領域如下： 　　1、降低電動機起動電流(一般交流電動機直接起動時，沖擊電流是額定電流的5-7倍); 　　2、避免電動機起動時供電線路產生瞬間電壓跌落，造成設備、儀表誤動作; 　　3、防止起動時產生力矩沖擊，而使機械斷軸或產生廢品; 　　4、可以較頻繁地起動電動機(軟起動裝置一般允許10次/小時，而使電動機不致過熱); 　　5、對泵類負載可以防止水錘效應，防止管道破裂; 　　6、對某些工藝應用(如染紗機械)，可防止由于起動過快而產生染色不勻造成質量問題; 　　7、對某些易碎的容器灌漿生產線，可防止容器破損; 　　8、需要控制起動電流，減少對機械的沖擊，同時也可適應較低容量供電變壓器的場合(如注塑機); 　　9、可以降低電網適配容量，節省增容費開支; 　　10、需要方便地調節起動特性的場合。
2013
05-27

晶閘管恒流恒壓模塊模塊的特點及應用

　　1. 前言 　　現代化工業生產中，晶閘管以其成熟的技術、大電流高電壓等特點獲得了廣泛的應用。在晶閘管組成的自動控制系統中，有許多是采用電流閉環控制的恒流和電壓閉環控制的恒壓應用。但是，目前大多數恒流恒壓的晶閘管裝置和產品受傳感器和控制電路的制約，體積龐大，電路復雜，難于調試，控制精度低。并且由于采用了分流器和分壓器進行取樣，無隔離措施，控制電路的電磁干擾大，難以與計算機接口應用。使晶閘管恒流恒壓設備的應用處于較困難狀態。而采用晶閘管的恒流恒壓設備又因其大范圍的恒壓(0~幾百伏)、恒流(0~幾百安培)的特點有很大的應用空間。我公司生產的恒流恒壓智能模塊很好的解決了這一應用與制造上的矛盾。 　　與傳統的恒流恒壓設備相比，恒流恒壓智能模塊由于采用了線性霍爾傳感器、高精度的控制電路及模塊化的生產技術，具有控制電路與強電完全隔離、控制精度高、體積小及使用方便等特點，必將獲得大量的應用。 　　2. 工作原理 　　(1)主工作電路 　　恒流恒壓智能模塊(整流)的主電路見圖1，它是一個由六只晶閘管構成的三相全控整流橋，通過控制電路改變其導通角可獲得0-50V的直流電壓。 圖1 圖2 　　控制系統工作原理圖如圖2 　　(1) 霍爾傳感器的采用 　　霍爾效應式傳感器是一種新型電流、電壓采樣器件，它的工作原理是利用霍爾元件在磁場中產生感應電壓的霍爾效應，將電流、電壓轉換為電壓信號。霍爾傳感器的優點為轉換系數高，有電氣隔離作用，響應速度快，線性度較好，對提高整機性能有很大好處。 　　2.控制系統特點 　　(1)采用線性霍爾傳感器，實現電氣隔離，提高了整機性能，使設定電壓(0-10V)與輸出電壓與電流成較好的線性對應關系，克服了晶閘管移相角度與輸出電壓非線性的缺點。 　　(2)電壓反饋與電流反饋采用兩套獨立電路，互不影響，并且可通過外加電平實現自動轉換。 　　(3)多種保護功能，使用更加安全方便。 　　(4)采用數字移相控制電路使觸發更為準確可靠。 　　3. 恒流恒壓智能模塊的主要技術參數和功能 　　由于采用高精度的霍爾傳感器和精密放大電路，模塊化的產品縮短了控制電路與移相電路、主電路的信號傳輸距離，干擾小等特點，從而使恒流恒壓模塊的控制精度較高，比其他同功能產品有更大的優越性。 　　(1)較高控制精度在晶閘管控制曲線上線性度較好的范圍內(恒壓在100V-350V，恒流約在35%-75%I(最大設定電流))，穩壓精度在0.5%，穩流精度在1%之內，在線性度較差的范圍內，穩壓精度不大于1%，穩流精度不大于2%。 　　(2)電網調整率：電網變化±20%，輸出變化(調整范圍內)不大于±1%。 　　(3)高線性對應關系，0-10V設定與輸出電流(壓)成較好線性關系，非線性度不大于5%。 　　除恒流恒壓功能外，模塊還具有如下功能： 　　多種保護功能，過流、過熱、缺相保護三種保護功能使模塊應用更為安全。 　　采樣信號輸出，霍爾傳感器采樣信號輸出，可外接電流電壓顯示。 　　禁止恒流恒壓功能，如果對內部恒流恒壓效果不滿意，可外接控制電路，直接采用傳感器采樣信號。 　　4 .恒流恒壓模塊的應用場合 　　恒流恒壓智能模塊以其控制電路精度高，平衡性好，工作電壓范圍寬，抗電流沖擊性能好，安裝使用簡單，可靠性高，體積小，免維護，有利于電源小型化等特點，可廣泛應用于電動機、發電機勵磁、直流屏(蓄電池充電)、激光電源、充磁設備、UPS電源等各種場合，在現代國外應用較多的“懸浮迭加”式線性電源的應用中更能體現該模塊的特點。 　　(1) 基本應用原理圖(圖 3) 圖3 圖4 圖5 　　(2)交流恒流恒壓在電鍍電解中的應用原理圖(圖 4) 　　(3)懸浮迭加式線性電源中的應用(圖 5) 　　此裝置用于高精度大功率線性穩壓電源，極大的降低了GTR的功耗，使效率和可靠性有很大提高，并可采用較小功率GTR，降低了成本。采用恒流恒壓模塊不僅提高了精度，并且使電源體積得以大幅縮小。
2013
05-27

晶閘管恒流恒壓控制模塊的使用技術解答

　　恒流恒壓控制模塊 　　(1)模塊初次使用常見問題 　　模塊使用前可先進行簡單功能測試，可以測試恒流功能，也可測試恒壓功能，但選用恒壓功能測試比較方便。以下幾點是初次使用常見問題，對您或許有指導意義。 　　①調整給定信號時模塊沒有電流或電壓輸出，但給定信號和外加±12V電源正常。 　　處理：你需要對模塊進行復位。 　　②恒壓應用時，用電壓表測輸出電壓不準確或不連續。 　　原因：你的負載太小，換大于100w的負載。 　　③恒流應用時，給定信號很小，模塊即全電壓輸出。 　　處理：你需要工作在較大電流下，比如20A。 　　④模塊的恒流精度或恒壓精度達不到規定指標。 　　原因：電源指標達不到要求或給定信號不穩定。 　　⑤恒流恒壓功能能否同時使用? 　　答案：不能，只能單獨工作在恒流或者恒壓某一方式，或按順序進行切換。 　　⑥模塊能否在任何輸出電壓下都能達到最大標稱電流值? 　　答案：不能，模塊的標稱電流為全電壓輸出時最大輸出電流，具體能輸出多大電流還取決于輸出電壓的高低和穩定精度等指標。 　　⑦模塊最佳工作區間如何選取? 　　答案：模塊應用在20%-60%標稱值最佳;小于20%或大于70%時效果較差。 　　⑧電池充電應用時，如何對電池放電? 　　方法1：把模塊正負輸出極性調整成與充電時相反。 　　方法2：模塊輸出正極接一電感，模塊極性同充電時一樣，先把模塊電壓調到高于電池組，然后緩慢把模塊輸出電壓降至電池放電電壓值，用逆變方法完成電池的放電。該方法適于專業用戶使用。 　　⑨模塊用于電感負載時指標下降。 　　原因：模塊的電壓、電流傳感器處理電路對感應的信號電壓處理方式同普通儀表可能不同。晶閘管在換向時會產生反問尖脈沖，模塊處理電路會把尖脈沖抑制掉;而普通儀表則對該尖峰照常處理，所以它屬于正常現象，而非指標下降。 　　⑩如何尋找散熱器溫度測試點? 　　方法：測試點選擇靠近模塊中心點、緊貼模塊外殼的散熱器表面處。 　　(2) 電流選取規則 　　①模塊電流的選取 　　模塊的標稱電流為模塊正常工作允許流過的最大電流，考慮到晶閘管抗電流沖擊能力餃差，選取模塊時建議您應留出裕量。 　　阻性負載：模塊標稱電流應為負載額定電流的2倍。感性負載：模塊標稱電流應為負載額定電流的3倍： 　　②導通角要求： 　　在非正弦波狀態下用普通儀表測出的電流值不是有效值，儀表顯示較小的電流值就有可能超過模塊額定值的幾倍，因此，要求模塊盡量工作在較大導通角下(100度以上)。模塊在較小導通角(即模塊高輸入電壓、低輸出電壓)下輸出較大電流，這樣會使模塊嚴重發熱而燒毀。
2013
05-27

電力電子模塊用關鍵絕緣材料

　　在電力半導體模塊的發展中，隨著集成度的提高，體積減小，使得單位散熱面積上的功耗增加，散熱成為模塊制造中的一個關鍵問題，而傳統的模塊結構(焊接式和壓接式)已無法成功地解決散熱問題。因此對處于散熱底板和芯片之間的導熱絕緣材料提出了新要求。目前，國內外電力電子行業所用此種材料一般是陶瓷-金屬復合板結構，簡稱DBC板(Dircet Bonding Copper)。 　　所謂DBC技術，是指將銅在高溫下直接鍵合到陶瓷材料上的技術。DBC板主要是采用Al2O3、AIN、BeO等導熱絕緣陶瓷基片。由于BeO含有毒性，工業上少有利用。AIN雖然導熱性能良好，且熱膨脹系數與硅相近，但價格太高，因此目前Al2O3已被廣泛用作DBC板的導熱絕緣基片，而AIN也處于發展之中。 　　目前國外DBC基板已投入工業化生產，并廣泛用于電力半導體模塊、微波傳送和密封等領域。在相同功率的電力半導體中，DBC板的焊接式模塊，與普通焊接式模塊相比，不僅體積小，重量輕，省部件，并且具有更好的熱疲勞穩定性和更高的集成度。國內這方面的研究剛剛起步，尚未形成工業化生產。西安交通大學電氣絕緣研究所結合GTR模塊封裝結構的"八五"攻關任務，采用DBC技術研制出Al2O3-Cu復合板，并提供給西安電力電子技術研究所，北京電力電子新技術研究開發中心等單位試用。目前已形成實驗室小批量生產。市場前景可觀。 　　DBC基板在功率模塊中所起的作用如下： 　　1)作為硅芯片的承載體，并且二者之間無其它任何材料和連接線。電路布線基板，功能近似于PCB板。 　　2)絕緣性能好，把導電部件和散熱部件隔離開。 　　3)散熱性能好，把硅芯片產生的熱量通過導熱機油傳輸到散熱裝置。 　　因此說DBC基板是導熱性能和絕緣性能都很優良的基板。 　　Al2O3-Cu基板具有如下的優良特性： 　　1)熱阻抗小，且熱膨脹系數同Al2O3，與硅相近(7.4×10-5K-1),使用中不要過渡層，硅芯片可直接焊接在DBC基板上; 　　2)具有良好的機械性能，附著力>5000N/cm2，抗剝力>90N/cm; 　　3)耐腐蝕、不形變，可在-55℃～+860℃溫度范圍內使用; 　　4)極好的電絕緣性能，瓷板耐壓>2.5KV; 　　5)良好的導熱性，熱導率為24～28W/m·K; 　　6)焊接性良好，達到95%以上。 　　DBC板將是未來電子線路中結構和連接技術的基礎材料。在傳統有機覆銅P.C.板不能滿足元件熱沖擊性能的時候，DBC板將用于具有高耗散功率電子組件的基本材料。在使用中，由于較厚的銅層(0.3mm)能承受更高的電流負載，在相同截面下，僅需通常P.C.板12%的導體寬度;良好的熱電率，使功率芯片的密集安裝成為可能。在單位體積內能傳輸更大的功率，提高系統和設備的可靠性。在電力電子如下相關領域可得廣泛應用： 　　(1)功率半導體器件，如IGBT、GTR、SIT等; 　　(2)功率控制線路; 　　(3)混合功率線路及新式功率結構單元; 　　(4)固態繼電器及高頻開關模塊電源; 　　(5)電子加熱器件的溫度控制單元; 　　(6)變頻器、電機調速、交流無觸點開關; 　　(7)電子陶瓷器件，經我所研究表明，采用DBC技術制作BaTiO3的燒銅電極，與普通的燒銀電極以及鍍銅電極相比，接觸電阻小，性能優越; 　　(8)汽車電子、航空航天軍事技術等方面的結構單元。 DBC技術是未來"芯-板"技術的基礎，代表著今后封裝技術的發展趨勢，隨著DBC板的應用，就向未來的"芯-板"技術邁進了一步，同時也形成了創造性產品思想和具有高集成度設備設計的基礎。 　　目前，隨著GTR、IGBT、SIT等新型器件的發展，對導熱更好的DBC板又提出了要求，日本已研制出了AIN覆銅板，并用于IGBT的封裝中。我國已研制出AIN陶瓷基片，我所已開展了AIN覆銅板的研制工作，并正在進行鍵合機理及工藝過程的研究，預計在"九五"期間，將會在國內電力半導體行業中得到應用。
2013
05-27

電力半導體模塊發展新趨勢

　　一種新型器件的誕生往往使整個裝置系統面貌發生巨大改觀，促進電力電子技術向前發展。自1957年第一個晶閘管問世以來，經過40多年的開發和研究，已推出可關斷晶閘管(GTO)，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等40多種電力半導體器件，目前正沿著高頻化、大功率化、智能化和模塊化的方向發展，本文將簡要介紹模塊化發展趨勢。 　　所謂模塊，最初定義是把兩個或兩個以上的電力半導體芯片按一定電路聯成，用RTV、彈性硅凝膠、環氧樹脂等保護材料，密封在一個絕緣的外殼內，并與導熱底板絕緣而成。自上世紀70年代Semikron Nurmbeg把模塊原理(當時僅限于晶閘管和整流二極管)引入電力電子技術領域以來，因此模塊化就受到世界各國電力半導體公司的重視，開發和生產出各種內部電聯接形式的電力半導體模塊，如晶閘管、整流二極管、雙向晶閘管、逆導晶閘管、光控晶閘管、可關斷晶閘管、電力晶體管(GTR)、MOS可控晶閘管(MCT)、電力MOSFET以及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等模塊，使模塊技術得到蓬勃發展，在器件中所占比例越來越大。 　　據美國在上世紀90年代初統計，在過去十幾年內，300A以下的分立晶閘管、整流二極管以及20A以上達林頓晶體管市場占有量已由90%降到20%，而上述器件的模塊卻由10%上升到80%，可見模塊發展之快。 　　隨著MOS結構為基礎的現代半導體器件研發的成功，亦即用電壓控制、驅動功率小、控制簡單的IGBT、電力MOSFET、MOS控制晶閘管(MCT)和MOC控制整流管(MCD)的出現，開發出把器件芯片與控制電路、驅動電路、過壓、過流、過熱和欠壓保護電路以及自診斷電路組合，并密封在同一絕緣外殼內的智能化電力半導體模塊，即IPM。 　　為了更進一步提高系統的可靠性，適應電力電子技術向高頻化、小型化、模塊化發展方向，有些制造商在IPM的基礎上，增加一些逆變器的功能，將逆變器電路(IC)的所有器件都以芯片形式封裝在一個模塊內，成為用戶專用電力模塊(ASPM)，使之不再有傳統引線相連，而內部連線采用超聲焊、熱壓焊或壓接方式相連，使寄生電感降到最小，有利于裝置高頻化。一臺7.5KW的電機變頻裝置，其中ASPM只有600×400×250(mm)那么大，而可喜的是，這種用戶專用電力模塊可按應用電路的不同而進行二次設計，有很大的應用靈活性。但在技術上要把邏輯電平為幾伏、幾毫安的集成電路IC與幾百安、幾千伏的電力半導體器件集成在同一芯片上是非常困難的。雖然目前已有1.5KW以下的ASPM出售，但要做大功率的ASPM，還需要解決一系列的問題，因此迫使人們采用混合封裝形式來制造適用于各種場合的集成電力電子模塊(IPEM)，IPEM為新世紀電力電子技術的發展開了新途徑。 　　智能晶閘管模塊 　　晶閘管和整流二極管模塊主要指各種電聯接的橋臂模塊和單相整流橋模塊，晶閘管模塊經過近30年的開發和生產，目前制造這種系列模塊的技術已相當成熟，生產成品率也相當高，使用亦很普遍和成熟，已成為電力調控的重要器件，因此這里不再介紹。 　　晶閘管智能模塊就是ITPM(Intelligent thyristor power module)把晶閘管主電路與移相觸發系統以及過電流、過電壓保護傳感器共同封閉在一個塑料外殼內制成。由于晶閘管是電流控制型電力半導體器件，所以需要較大的脈沖觸發功率才能驅動晶閘管，又加其它一些輔助電路的元器件，如同步電流的同步變壓器等體積龐大，很難使移相觸發系統與晶閘管主電路以及傳感器等封裝在同一外殼內制成晶閘管智能模塊。因此，世界上一直沒有擺脫將晶閘管器件與門極觸發系統分立制作的傳統形式。 　　山東淄博臨淄銀河高技術開發有限公司，經多年的開發研究，解決了同步元器件微型化問題，使之適合集成應用之后，繼而解決了提高信號幅度、抗干擾、高壓隔離和同步信號輸入等問題，并研制開發出高密度的功率脈沖變壓器和多路高速大電流IC，以及兩種適合集成模塊專用IC。在采用了導熱、絕緣性能良好的DCB板、鉬銅板，具有良好電絕緣和保護性能和良好熱傳導作用的彈性硅凝膠等特殊材料后，開發出多種具有各種功能的晶閘管智能模塊，如三相、單相集成移相調控晶閘管智能交流開關模塊，帶過零觸發電路的三相、單相交流開關模塊等。 　　圖1為晶閘管智能三相橋模塊的內部接線圖(a)及其它外形照片(b)，還有晶閘管智能電機控制模塊，解決了一直未能實現的晶閘管主電路與移相觸發系統以及保護取樣傳感器共同封裝在一個塑料外殼內的難題。臨淄銀河公司研制出模塊最大工作線電流為1600A(RMS)，額定工作電壓為380V和600V，已用于交流變頻、交直流電氣傳動以及三相交流固態開關和恒壓、恒流電源等領域。 圖1 　　IGBT智能模塊 　　上世紀80年代初，IGBT器件的研制成功以及隨后其額定參數的不斷提高和改進，為高頻、較大功率應用范圍的發展起到了重要作用，由于IGBT模塊具有電壓型驅動，驅動功率小，開關速度高，飽和壓降低和可耐高電壓和大電流等一系列應用上的優點，表現出很好的綜合性能，已成為當前在工業領域應用最廣泛的電力半導體器件。其硬開關頻率達25KHz，軟開關頻率可達100KHz。而新研制成的霹靂型(Thunderbolt)型IGBT，其硬開關頻率可達150KHz，諧振逆變軟開關電路中可達300KHz。 　　目前，IGBT封裝形式主要有塑料單管和底板與各主電路相互絕緣的模塊形式，大功率IGBT模塊亦有平板壓接形式。由于模塊封閉形式對設計散熱器極為方便，因此，各大器件公司廣泛采用。另一方面，IGBT模塊生產工藝復雜，制造過程中要做十幾次精細的光刻套刻，并經相應次數的高溫加工，因此要制造大面積即大電流的IGBT單片，其成品率將大大降低。可是，IGBT的MOS特性，使其更易并聯，所以模塊封裝形式更適合于制造大電流IGBT。起初由于IGBT要用高阻外延片技術，電壓很難突破，因為要制造這樣高壓的IGBT，外延厚度就要超過微米，這在技術上很難，且幾乎不能實用化。 　　1996年日本多家公司采用<110>晶面的高阻硅單晶制造IGBT器件，硅片厚度超過300微米，使單片機IGBT的耐壓超過2.5KV，因此，同年東芝公司推出的1000A/2500V平板壓接式IGBT器件就是由24個80A/2500V的芯并聯組成。 　　1998年ABB公司采用在陽極側透明(Transparent)P+發射層和N-層緩沖層結構，使IGBT模塊的耐壓高達4.5KV，而該公司同年研發成的1200A/3300V的IGBT模塊就是由20個IGBT芯片和12個FWD芯片并聯制成。此后，非穿通(NPT)和軟穿通(SPT)結構IGBT的試制成功，使IGBT器件具有正電阻溫度系數，更易于并聯，這為高電壓、大電流IGBT模塊的制造只需并聯無需串聯創造了技術基礎。目前，已能批量生產一單元、二單元、四單元、六單元和七單元的IGBT標準型模塊，其最高水平已達1800A/4500V。圖2為300A/1700V IGBT模塊的電路圖，它是由4個160A/1700V IGBT芯片和8個100A/1700V快恢復二極管組成。 圖2 圖3 　　但是隨著模塊頻率的提高和功率的增大，內部寄生電感較大的一般IGBT模塊結構，已不能適應應用的需要。為了降低模塊內部的裝配寄生電感，使器件在開關時產生的過電壓最小，以適應調頻大功率IGBT模塊封裝的需要，ABB公司開發出一種如圖3所示的平面式低電感模塊(ELIP)的新結構，該結構與一般傳統結構的主要區別在于：(1)它采用很多寬而簿的銅片重疊形成發射極端子和集電極端子，安裝時與模塊銅底板平行，并采用等長平行導線直接從IGBT發射極連到發射極端子上，而集電極端子則連到DBC板空間位置上，從而消除了互感，限制了鄰近效應，降低了內部寄生電感量;(2)許多并聯的IGBT和FWD芯片都焊在無圖形的DBC板上，且IGBT的發射極和FWD的陽極上焊有鉬緩沖片，IGBT的柵極與柵極均流電阻鋁絲鍵合相連，這樣使芯片間的電流分布和整流電壓條件一致，有利于模塊芯片能在相同溫度下工作，大大提高了模塊出力和可靠性;(3)模塊采用堆積式設計，把上下絕緣層、上下電極端子以及印制電路板相互疊放，并用粘合膠粘合在一起(粘合時要避免氣泡)，能很好地隨溫度循環，無需考慮所謂焊應應力，即所謂的電極“S”形設計。 　　由于MOS結構的IGBT是電壓驅動的，因此驅動功率小，并可用IC來實現驅動和控制，進而發展到把IGBT芯片、快速二極管芯片、控制和驅動電路、過壓、過流、過熱和欠壓保護電路、箝位電路以及自診斷電路等封裝在同一絕緣外殼內的智能化IGBT模塊(IPM)，它為電力電子逆變器的高頻化、小型化、高可靠性和高性能創造了器件基礎，亦使整機設計更簡化，整機的設計、開發和制造成本降低，縮短整機產品的上市時間。由于IPM均采用標準化的具有邏輯電平的柵控接口，使IPM能很方便與控制電路板連接。IPM在故障情況下的自保護能力，降低了器件在開發和使用的損壞，大大提高了整機的可靠性。
2013
05-27

雙閉環直流調速模塊的原理及應用

　　一、前言： 　　晶閘管直流傳動70年代前后在我國得到大力的推廣和應用，經過30多年的發展歷史，還停留在分立器件的基礎上，體積大，接線復雜，使用極不方便而且價格昂貴。我公司開發的雙閉環直流調速模塊，本著集成和使用方便的原則將直流調速系統模塊化。先進的工藝流程和高性能的電路設計大大提高了模塊的使用壽命和可靠性，而且性價比很高，為直流調速領域增添了新的活力。 　　二、模塊內部的電路構成 　　本模塊內含功率晶閘管、移相控制電路、轉速電流雙閉環調速電路、積分電路、電流反饋電路、以及缺相和過流保護電路，其方框圖見圖1。 圖1 圖2 　　(一)功率晶閘管完成變流及功率調整，采用進口方形芯片、高級芯片支撐板，經特殊燒結工藝，保證焊接層無空洞，使用DCB板及其它高級導熱絕緣材料，導熱性能好，基板不帶電，使用安全可靠。熱循環次數超過國家標準近10倍，具有很長的使用壽命。 　　(二)積分環節可實現直流電機軟起動，并且起動時間可調，設計時給用戶預留兩個端口，其連接如圖6，調節兩個電位器，可改變積分時間長短，從而達到改變電機起動時間的目的。積分環節適用于起動過渡過程平穩的場合，如高爐卷揚機、礦井提升機、冷熱連軋機等。當輸入為階躍信號時，通過給定積分器變換成有一定斜率的線性漸變輸出信號，作為速度調節器的給定輸入，給定積分器的穩定輸出即為電機的速度給定，給定積分器輸出的變化斜率即為電機的加速度，其啟動電流波形圖見圖2。如果用戶要求在負載一定的條件下，電機以最大的等加速度起動，可把積分環節去掉，模塊留出兩個端口作為電流環和速度環的輸出限幅(如圖6)，調節電流環的輸出限幅，改變電機的最大起動電流，獲得理想的過渡過程。其起動電流波形圖見圖3。 　　(三)轉速電流雙閉環電路 速度調節及抗負載和電網擾動，采用雙PI調節器，可獲得良好的動靜態效果。設計過程采用“二階最佳”參數設計法設計，結合系統動靜態效果選擇最佳參數。從抑制超調的觀點出發，電流環校正成典型I型系統。為使系統在階躍擾動時無穩態誤差，并具有較好的抗擾性能，速度環設計成典型II型系統。 　　內外環對數幅頻特性的比較，圖4畫出了電流環和轉速環的開環對數幅頻特性： 圖3 圖4 　　從上圖可以看出，圖中轉折頻率和截止頻率點一個比一個小，這是一個必然的規律。這樣設計的雙環系統，外環總比內環慢。一般來說，調整過程一般是先外環后內環，電流環要想提高系統的動態效果，可增大電流環阻容端的電阻，但要減小電容，其關系是C1*0.03/R1。速度環要想提高動態效果，從典型II型系統的各項指標中得出，它的動態效果是一個中間的參數，需要反復調試，增大電阻R2可提高系統的穩態精度，相應的減小電阻可獲得良好的動態效果，具體情況可根據用戶的系統參數要求調節，其關系是C2 0..87/R2(電流超調量<=5)，模塊設計過程留出四個端口(其聯接如圖6)，作為速度環和電流環的阻容端，用戶可根據實際情況調節。 　　(四) 電流反饋 采用國外進口霍爾傳感器，并置于模塊內部。主要完成電流信號的取樣，具有極高的線性度，簡化了系統的外圍器件。 　　(五)保護電路 模塊內部設置過流和缺相保護電路，保證了電機的安全運行，而且留出一個端口作為過流保護給定信號輸入(其聯接如圖6)，用戶可以根據自己設備的過載能力調節，更加突出了本模塊的使用靈活性。 　　三、模塊的應用 　　電流轉速雙閉環調速電路，因其具有極高的調速范圍、很好的動靜態性能及抗擾性能，在調速領域得到廣泛的應用。 　　本模塊以應用到造紙、擠塑、印染及其他直流調速領域，效果很好。 　　實驗條件：模塊為MSZ—ZLTS—400，直流電動機：Ued=220V，Ied=41A，Ned=1500r/min，允許過載倍數為1.5。 　　實驗結果：速度超調量Vp<5%，電流超調量Ip<0.5%，調整時間Ts<0.5S，振蕩次數H<=2，轉速穩定度Vb<=0.02，轉速穩定度Vs<0.5%(如圖5) 圖5 圖6 　　四、結束語 本系統設計成模塊的形式：集成度高，體積小，接線方便，調節簡單，運行安全可靠，并且具有通用性，即同一種模塊參數相同，使用非常方便。