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模块触发电路板/电力半导体模块应用
来源: | 作者:sifangdz | 发布时间: 2016-11-03 | 632 次浏览 | 分享到:
模块触发电路板
      该触发板采用专用集成电路,为可控硅进行移相调压,提供触发控制信号。可应用于交、直流电机调速、单相220VAC、380VAC变压器初级原边调压对调光、焊机、电镀等功率调节模块进行触发控制。














单相集成移相触发板

      三相集成移相触发板,为可控硅移相调压提供触发控制信号。该板采用单片机设计,三相对称性好(≤5%)。触发电流大,适用于任何可控硅触发,对任意负载实现无级调节。可用于对交、直流电机、软启动及调速,对变压器的原边调压、焊机、控温、励磁、电镀水处理等功率调节模块进行触发控制。












三相集成移相触发板

电力半导体模块的电流参数
  • 除非有特别说明,电力半导体模块数据表中的参数指的都是一个管芯的参数。
  • 晶闸管、整流管的通态或正向平均电流值:ITAV IFAV是指通态或正向电流在一个周期内的平均值,如图一所示。
图一 正弦半波电流波形

图二 两只独立封装
        晶闸管反并联

图三 MTC外联形成MTX

  • 从图一中可以计算出额定通态电流平均值ITAV和正弦半波电流峰值ITM之间数学表达式为:
  • 单只晶闸管额定通态电流方均根值(即有效值)ITRMS
  • 两只独立封装的晶闸管反并联组件的通态电流方均根值(即有效值)ITRMS
  如图二,两只独立封装的晶闸管反并联组件类似双向晶闸管器件,因双向晶闸管额定电流不能用平均值标称(电流波形为交流,平均值为零),所以只能用通态电流方均根值(即有效值)ITRMS标称。
  由公式(1),每个晶闸管通过的半波峰值电流均为ITM=πITAV,正负两个半波刚好组成一个完整的正弦波,该正弦波峰值为πITAV,所以流过反并联晶闸管的通态电流方均根值(即有效值):
  • MTX型号模块交流电流有效值ITRMS
      如图三,MTC型模块从外部将电极1和2连接在一起后就是MTX型模块,类似双向晶闸管器件,也只能用通态电流方均根值(即有效值)ITRMS标称。公式(3)同样适用。

晶闸管模块的触发及其要求
  • 触发应达到足够的功率
       晶闸管是电流控制型功率器件,导通的条件之一就是必须从门极注入足够的电流才能使晶闸管导通。由于晶闸管门极特性的分散性以及触发电流随温度变化而变化的特点,为使晶闸管在各种条件下均能可靠触发,必须采用强触发方式,即触发电路提供的触发电流是晶闸管触发电流IGT的2-3倍,但触发脉冲不得超过规定的门极最大峰值电压(一般为10V)和最大峰值电流(一般为2A)。产品合格证上标称的门极参数是在阳极、阴极之间施加一定正向电压的情况下,能触发晶闸管导通的最小触发电压和触发电流。因此IGT并不是越小越好或越大越好,太小容易造成晶闸管误触发,太大则需要有更大触发功率的电流输出。
  采用万用表测量门极电阻可以定性地判断门极情况,但不能定量地测量门极触发特性值,也不能以此作为模块门极参数离散性的判断依据。
  • 对触发信号波形的要求
      触发脉冲应有一定的宽度,以保证在脉冲存在期间晶闸管阳极电流能达到并超过维持导通所需的擎住电流(IL)。四方电子一般只给出晶闸管的维持电流(IH)。触发脉冲的前沿要求尽可能陡。目前大都使用由许多高频脉冲调制组成的脉冲列来触发。尤其对于电感性负载和三相全控桥应用场合,要求脉冲宽度大于60°或3.3毫秒(使用在工频时)。
  擎住电流和维持电流这两个参数是有区别的。擎住电流描述的是晶闸管刚从阻断(高阻)状态转变到导通(低阻)状态并移去触发信号之后,能维持通态所需的最小电流(IL)维持电流描述的是晶闸管从导通(低阻) 状态转变到阻断(高阻)状态时使晶闸管维持通态所必须的最小电流(IH)。一般IL=(2~4)IH。由于模块中各晶闸管参数的差异(离散),可能导致轻载工作时三相不平衡,如电动机空转抖动、电焊机空载时维弧不稳、电流表或电压表指针抖动。
因此,需在负载输出端并联一负载电阻(续流电阻),以保持晶闸管在最小输出电压(即最大控制角α时)能提供维持晶闸管工作的最小电流。而重载( 即大电流输出时) 三相不平衡主要是由于晶闸管三相移相角度或三相电压不一致引起的。如果采用强触发,三相不平衡与晶闸管参数关系不大。所以设计时,应尽可能采用强触发方式,以兼容更宽范围内的门极触发特性。
  • 触发脉冲的隔离
      由于晶闸管使用在大电流高电压的强电领域,而门极脉冲形成电路是由控制板产生,属弱电部分,因此强电与弱电必须隔离且必须保证足够的绝缘隔离电压,一般不小于2500V或更高(交流有效值)。目前大都采用脉冲变压器和光耦器件(俗称借阳极电压触发方式)隔离。光耦器件有光电耦合三极管(OC 输出方式即集电极开路)和光电耦合双向晶闸管两种。单只光耦器件功率不足以强触发晶闸管时,可采用固态开关(SSS)或固态继电器(SSR)以扩展门极触发功率。光耦器件触发方式中,仍推荐使用强触发电路。
  • 触发脉冲的同步及移相范围
  为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角α触发导通,触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步,并与电源波形保持固定的相位关系。同时为使电路在给定范围内调压(或调功),应保证脉冲在一定范围内进行移相,具体情况如下:
※三相半波整流电路移相范围:
  阻性负载时为0~150°;大电感负载电流连续工作在整流状态时为0~90°;既整流又逆变时为0~180°。
※三相全控整流电路移相范围:
  阻性负载时为0~120°;既整流又逆变时为0~ 180°。为保证逆变工作安全可靠,最小逆变角也应加以限制。
  • 防止干扰和误触发
  晶闸管的误导通往往是由于干扰信号进入门极电路而引起。因此,需要对触发电路采取屏蔽、隔离等抗干扰措施。
  触发信号线尽可能短且双线绞绕在一起。G 、K 之间应并联一个无极性小电容(如0.01uF)和一只反并的二极管
(如1N4007 )。
  • 触发脉冲的形式
       产生触发脉冲的方法很多,各种不同类型专用电路也很多,从早期使用的分立器件组成的锯齿波脉冲电路、单结晶体管、单结程控晶体管(PUT)、KC04系列、KJ09系列;到现已广泛使用的模拟集成电路TC785、TC787 以及光电耦合器件如MOC3081、MOC3083 等等。目前,更有利用单片机程序控制来产生的脉冲触发。无论采用哪种方式都必须满足上述对触发脉冲的要求。
       警告:不得借用晶闸管模块的辅助阴极(K)和门极(G)导线连接阻容吸收等其他元件;晶闸管的门极触发信号只能而且必须接到晶闸管模块的门极和辅助阴极端子上,而不允许连接到模块主端电极上,以免产生干扰。
晶闸管模块的保护
  • 过电压保护
  由于晶闸管的击穿电压接近工作电压;线路中产生的过电压容易造成器件电压击穿;正常工作时凡发生超过晶闸管能承受的最高峰值电压的尖脉冲等统称为过电压。产生过电压的外部原因主要是雷击、电网电压激烈波动或干扰,内部原因主要是电路状态发生变化时积累的电磁能量不能及时消散。过电压极易造成模块损坏,因此必须采取必要的限压保护措施,把晶闸管承受的过电压限制在正反向不重复峰值电压VRSM、VDSM值以内。常用的保护措施如下:
※晶闸管关断过电压(换流过电压)保护
  当晶闸管关断、正向电流下降到零时,管芯内部会残留许多载流子,在反向电压的作用下会瞬间出现反向电流,使残存的载流子迅速消失,形成极大的di/dt。即使线路中串联的电感很小,由于反向电势V=-Ldi/dt,所以也能产生很高的电压尖峰(或毛刺),如果这个尖峰电压超过晶闸管允许的最大峰值电压,就会损坏器件。对于这种尖峰电压一般常用的方法是在器件两端并联阻容吸收回路,利用电容两端电压不能突变的特性吸收尖峰电压。阻容吸收回路要尽可能靠近晶闸管A、K端子,引线要尽可能短,最好采用无感电阻,千万不能借用门极回路的辅助阴极导线(因辅助阴极导线的线径很细,回路中过大的电流会将该线烧断)。阻容元件的参数可按以下的经验值和公式选取:

表一 晶闸管模块阻容吸收元件经验数据
表一中电阻的功率由下式确定:
※交流侧过电压及其保护
  交流侧电路在接通、断开时会产生过电压。对于这类过电压保护,目前主要采用压敏电阻和瞬态电压抑制器(Transient Voltage Supperessor简称TVS)。
  压敏电阻是一种非线性元件,它是以氧化锌为基体的金属氧化物,有两个电极,极间充填有氧化铋等晶粒。正常电压时晶粒呈高阻,漏电流仅有100uA左右,但过电压时发生的电子雪崩使其呈低阻,电流迅速增大从而吸收了过电压。其接法与阻容吸收电路相同,在交、直流侧完全可以取代阻容吸收,但不能用来作为限制dv/dt的保护,故不宜连接在晶闸管的两端。

      TVS类器件当其两端受到瞬时高压时,能在极短的时间内(10-12S)从高阻变为低阻,吸收高达数千瓦的浪涌能量。TVS的部分型号性能参数如表二:
  • 过电流保护
当变流装置内部元件损坏、控制或触发系统发生故障、可逆传动环流过大或逆变失败、交流电压过高、过低或缺相、负载过载等,均会引起装置中电力电子器件的电流超过正常工作电流。由于晶闸管的过流能力比一般电气设备低得多,因此,必须对晶闸管采取过电流保护措施。
 晶闸管装置中可能采用的几种过电流保护措施如图四,分别是:
图四

※交流进线串接漏抗大的整流变压器(图四A):
  利用电抗限制短路电流,但此种方法在交流电流较大时存在交流压降。
※电检测和过流继电器(图四C)
  电流检测是用取样电流与设定值进行比较,当取样电流超过设定值时,比较器输出信号使移相角增大或拉逆变以减少电流。有时须停机。
※直流快速开关(图四G)
  对于变流装置功率大且短路可能性较多的场合,可采用动作时间只有2ms的直流快速开关,它能够先于快速熔断器断开而保护了晶闸管,但价格昂贵使用不多。
※快速熔断器(图四B、D、E)
与普通熔断器比较,快速熔断器是专门用来保护电力半导体功率器件过电流的元件,它具有快速熔断的特性,在流过6倍额定电流时其熔断时间小于工频的一个周期(20ms)。
  快速熔断器可接在交流侧(B)、直流侧(E)或与晶闸管桥臂串联(D),后者直接效果最好。一般说来快速熔断器额定电流值(有效值IRD)应小于被保护晶闸管的额定方均根通态电流(即有效值)ITRMS即1.57ITAV,同时要大于流过晶闸管的实际通态方均根电流(即有效值)IRMS。
即:
  • 电压及电流上升率的保护
※电压上升率(dv/dt)
      晶闸管阻断时,其阴阳极之间相当于存在一个PN结电容,当突加正向阳极电压时会产生充电电容电流,此电流可能导致晶闸管误导通。因此,对晶闸管施加的最大正向电压上升率必须加以限制。常用方法是在晶闸管两端并联阻容吸收元件。
※电流上升率(di/dt)
      晶闸管开通时,电流是从靠近门极区的阴极开始导通然后逐渐扩展到整个阴极区直到全部导通,这个过程需要一定的时间。如果电流上升太快,使电流来不及扩展到整个管芯的有效PN结面,造成门极附近的阴极区局部电流密度过大,发热过于集中,PN结的温度迅速上升形成热点,使其在很短的时间内超过额定结温(Tjm)导致晶闸管工作失效甚至烧毁,所以必须限定晶闸管通态电流上升率(di/dt)。一般是在桥臂中串入电感或铁淦氧磁环。
  • 温度保护
      电力半导体模块与其它功率器件一样,工作时由于自身功耗而发热。如果不采取适当措施将这种热量散发出去,就会引起模块管芯PN结温度急剧上升。致使器件特性恶化,直至完全损坏。晶闸管的功耗主要由导通损耗、开关损耗、门极损耗三部分组成。在工频或400Hz以下频率的应用中最主要的是导通损耗。
      为了确保器件长期可靠地工作,设计时散热器及其冷却方式的选择与电力半导体模块的电流电压的额定值选择同等重要,千万不可大意!
      散热器的常用散热方式有:自然风冷、强迫风冷、热管冷却、水冷、油冷等。考虑散热问题的总原则是:控制模块中管芯的结温Tj不超过产品数据表给定的额定结温(Tjm)。
     实际上,元件的结温不容易直接测量,因此不能用它作为是否超温的判据。通过控制模块底板的温度(即壳温Tc)来控制结温是一种有效的方法。由于PN结的结温Tj和壳温Tc存在着一定的温度梯度,知道了壳温也就知道了结温,而最高壳温Tc是限定的,由产品数据表给出。借助温控开关可以很容易地测量到与散热器接触处的模块底板温度(温度传感元件应置于模块底板温度最高的位置)。从温控天关测量到的壳温可以判断模块的工作是否正常。若在线路中增加一个或两个温度控制电路,分别控制风机的开启或主回路的通断(停机),就可以有效地保证晶闸管模块在额定结温下正常工作。
      需要指出的是,温控开关测量到的温度是模块底板表面的温度,易受环境、空气对流的影响,与模块和散热器的接触面上的温度Tc,还有一定的差别(大约低几度到十几度),因此其实际控制温度应低于规定的Tc值。用户可以根据实际情况和经验决定控制的温度。

散热器的设计和选择
    安装在散热器上的N个晶闸管模块,其等效热阻示意图和图中各符号的含义如图五:
图五  多个晶闸管模块共用散热器热阻等效图

  • 根据模块的通态(正向)平均电流ITAV(或IFAV)、最高工作结温Tjm、内热阻(结壳热阻Rjc、壳散热阻Rcs之和)以及使用时的冷却条件(环境温度Ta冷却方式等),用户即可自行选择散热器。散热器的热阻Rsa,按下式计算:
式中:
(n为散热器上的模块只数,且假设每个晶闸管的Rjc相同Rcs也相同)
※晶闸管通态耗散平均功率的计算:
晶闸管通过正弦半波电流、导通角为180°时,每只晶闸管的通态耗散平均功率为:
式中:
       ※Rcs与散热器的填隙介质、模块与散热器接触面的粗糙度、平面度以及安装力矩密切相关。介质的导热性能越好,或者接触越紧密,则Rcs越小。在适当的安装条件下,Rcs应波动不大,视模块底板几何尺寸的不同,大约在0.01~0.03℃/W之间。
       ※由上述各公式可以计算出Rsa,查散热器产品标准(或说明书)的标称热阻或有关曲线,选择热阻小于而又最接近计算值(Rsa)的散热器,再结合使用时的冷却介质(空气或水)的流速和流量加以修正,即可确定合适的散热器。

电力半导体模块的应用领域
       电力半导体模块由于其优越的封装形式,具有体积小、装配简单、美观、维修方便等优点,在各种电力电子变换应用场合大量使用。一般说来,单相功率在25KW以下,三相功率在120KW以下的电力电子装置,大部分都可以使用晶闸管或整流管模块。
       应用方式可以分为交流调压、直流(整流)调压、无触点电子开关三种,使用行业非常广泛。主要有交流电机软启动或节能装置、焊接电源、交-直-交变频、交-交变频、静止无功功率补偿装置、工业加热、中频电源、直流电机调速、励磁、充电、交流无触点开关、路灯控制以及智能交流稳压电源设备等等。
各种应用的主回路形式,详见表四:

焊机专用晶闸管模块及其应用

  • 焊机专用MTG(AA)/MTG模块特点简介:
※MTG(AA)型模块是由三只共阳极晶闸管管芯封装在一起的模块化结构组件。模块内管芯参数针对焊机特点专门设计,额定结温高、通态电压低、通流和过载能力强、动态性能一致性好、耐疲劳性强,免除螺栓晶闸管装机前参数挑选和配对的麻烦,提高工效。
※焊机目前正朝着模块化方向发展。由于模块具有装配、调试、维修简单,整机装置美观大方等优点,因此在焊机中使用模块越来越被人们所接受,可以明显地提升焊机品位。
※目前四方已推出从MTG(AA)60/400V到MTG(AA)200A/400V六种型号规格,此类模块可典型应用于双反星型并联带平衡电抗器作为主回路设计的各种焊机中,如ZX5系列普通焊机;WSM系列直流氩弧焊机;NBK系列CO2气体保护焊机。
  • 双反星并联带平衡电抗器焊机的线路特点
※双反星并联带平衡电抗器主回路如图六所示,该线路相当于正极性和反极性两组三相半波整流电路并联。每只晶闸管的最大导通角为120°,负载电流Id同时由两个晶闸管和两个变压器绕组供给,每只晶闸管承担1/6的Id,任何瞬时,正、负极性组均有一支电路导通工作。
※该线路提高了变压器利用率,磁路平衡,不存在磁化的问题。要求主变压器和平衡电抗器对称性好。
※整流输出电压:Ud=1.17U2cosα。当负载电流小于额定值(Id)的2~5%时,流过平衡电抗器的电流太小,达不到激磁所需的临界电流,平衡电抗器失去作用,其上的三角波形电压也就没有了,此时该线路的输出电压与三相半波电路一样,Ud=1.35U2cosα。该电压即为电焊机空载电压。
※电阻R的作用是为电焊机在空载电压输出时,提供维持晶闸管导通的擎住电流,称为续流电阻或维弧电阻。维弧电阻R的大小与晶闸管模块的擎住电流有关。
  • 双反星并联带平衡电抗器焊机用器件选择的计算实例
已知条件:空载电压:100V,额定输出电流:630A;暂载率:60%
※晶闸管耐压的选择(VDRMVRRM):
       对于双反星型并联电路,其对晶闸管耐压要求均为U2,U2为变压器副边相电压。
此即器件承受的电压,考虑两倍余量(362V),并从数据表中查得相近的模块规格,选择耐压为400V的MTG
(AA)型模块。
※晶闸管额定电流的选择(ITAV):
先计算变压器副边流过的相电流(Ie):
(适用双反星型并联电路,因两极性组并联,所以公式中需乘以1/2)。对于630A输出电流,Id=630A
折算为流过晶闸管的通态平均电流:
显然,通过以上的计算对于采用双反星型并联电路的ZX5-630、NBK-630及WSM-630焊机应选择MTG 200- 300A/800V或MTG(AA)130-200A/400V的模块。最好选MTG250-300A/800V或MTG(AA)160-200A/400V的模块,当然,焊机长期地可靠正常工作除了与模块正确选型有关外,还与焊机暂载率及模块散热条件有关。
以上计算都是在模块散热条件足够的假设下进行的。如果散热条件发生变化,对模块的耐压和电流的选择可适当增大或减小。
※焊机额定输出电流对模块的选择(推荐):
  • 其它线路焊机对模块的选型:
      对于使用在三相半控全桥整流线路中的模块MTY、MDG,如图七,对器件通流能力要求更高。在同等输出电流的情况下,该线路中的器件通过的电流是双反星并联线路中的两倍;但对耐压的要求则降低一半。
  • 三相半控全桥整流焊机用器件选择的计算实例
     已知条件:Id=630A;空载电压:100V
※器件耐压(VDRMVRRM)的计算:
可以计算出变压器副边相电压:
此即器件承受的电压,考虑两倍余量(210V),并从数据表中查得相近的模块规格,选择耐压为200~300V的MTY型和MDG型模块。
※器件额定电流ITAV的计算:
       由于该线路相当于两组三组半波整流电路的串联,
可以计算出变压器副边相电流:Ie=0.577×Id=0.577×630A=364A(此值为交流有效值)
      显然,目前没有如此大电流的模块,建议客户采用400--500A的平板式晶闸管为宜。
       以上两种线路对器件耐压和通流能力的要求是不一样的。后一种线路对器件耐压要求比前一种线路低一半,但通流能力要求大两倍。

电力半导体模块安装使用注意事项
  • 电力半导体模块属于温度敏感性器件,使用时必须安装在散热器上。安装前首先用酒精将模块底板和散热器表面擦拭干净,待自然干燥后,在模块底板上均匀涂上导热硅脂,导热硅脂刚好能够覆盖整个底板。安装之后可从散热器上取下模块,检查模块底板是否完全沾润。
  • 模块的额定通态平均电流[ITAV、IFAV]是在规定散热器、强迫风冷(风速6m/s)、额定壳温Tc和纯阻性负载下得出的。若使用条件发生变化(如感性负载),额定电流就需下降。
  • 散热器与模块接触面应平整,散热器的平面度≤0.03mm,将模块紧压于散热器上,以确保良好的热传导。否则接触热阻变大,影响热量从管芯向散热器传递。电极与铜排连接时,也必须拧紧螺丝。
  • 采用自然冷却散热时,散热器应垂直放置,以利空气对流,散发热量。对模块额定电流和散热器长度的选择,相对于强制风冷的情况,模块额定电流和散热器长度都以增加一倍为宜。
  • 为确保使用时模块的壳温不超过额定壳温(Tc),建议采用温度保护措施。
警告:当模块壳温超过额定壳温(Tc)时,必须降额使用,否则可能会导致模块不可恢复的热击穿。
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