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模塊觸發(fā)電路板

該觸發(fā)板采用專用集成電路，為可控硅進行移相調壓，提供觸發(fā)控制信號�？蓱�用于交、直流電機調速、單相220VAC、380VAC變壓器初級原邊調壓對調光、焊機、電鍍等功率調節(jié)模塊進行觸發(fā)控制。

單相集成移相觸發(fā)板

三相集成移相觸發(fā)板，為可控硅移相調壓提供觸發(fā)控制信號。該板采用單片機設計，三相對稱性好（≤5％）。觸發(fā)電流大，適用于任何可控硅觸發(fā)，對任意負載實現(xiàn)無級調節(jié)。可用于對交、直流電機、軟啟動及調速，對變壓器的原邊調壓、焊機、控溫、勵磁、電鍍水處理等功率調節(jié)模塊進行觸發(fā)控制。

三相集成移相觸發(fā)板

電力半導體模塊的電流參數(shù)

除非有特別說明，電力半導體模塊數(shù)據(jù)表中的參數(shù)指的都是一個管芯的參數(shù)。

晶閘管、整流管的通態(tài)或正向平均電流值：ITAV　IFAV是指通態(tài)或正向電流在一個周期內(nèi)的平均值，如圖一所示。

圖一 正弦半波電流波形

圖二 兩只獨立封裝  晶閘管反并聯(lián)

圖三 MTC外聯(lián)形成MTX

從圖一中可以計算出額定通態(tài)電流平均值ITAV和正弦半波電流峰值ITM之間數(shù)學表達式為：

單只晶閘管額定通態(tài)電流方均根值（即有效值）ITRMS

兩只獨立封裝的晶閘管反并聯(lián)組件的通態(tài)電流方均根值（即有效值）ITRMS

如圖二，兩只獨立封裝的晶閘管反并聯(lián)組件類似雙向晶閘管器件，因雙向晶閘管額定電流不能用平均值標稱（電流波形為交流，平均值為零），所以只能用通態(tài)電流方均根值（即有效值）
ITRMS標稱。

由公式（1），每個晶閘管通過的半波峰值電流均為ITM＝πITAV，正負兩個半波剛好組成一個完整的正弦波，該正弦波峰值為πITAV，所以流過反并聯(lián)晶閘管的通態(tài)電流方均根值（即有效值）：

MTX型號模塊交流電流有效值ITRMS

如圖三，MTC型模塊從外部將電極1和2連接在一起后就是MTX型模塊，類似雙向晶閘管器件，也只能用通態(tài)電流方均根值（即有效值）ITRMS標稱。公式（3）同樣適用。

晶閘管模塊的觸發(fā)及其要求

觸發(fā)應達到足夠的功率

晶閘管是電流控制型功率器件，導通的條件之一就是必須從門極注入足夠的電流才能使晶閘管導通。由于晶閘管門極特性的分散性以及觸發(fā)電流隨溫度變化而變化的特點，為使晶閘管在各種條件下均能可靠觸發(fā)，必須采用強觸發(fā)方式，即觸發(fā)電路提供的觸發(fā)電流是晶閘管觸發(fā)電流IGT的2－3倍，但觸發(fā)脈沖不得超過規(guī)定的門極最大峰值電壓（一般為10V）和最大峰值電流（一般為2A）。產(chǎn)品合格證上標稱的門極參數(shù)是在陽極、陰極之間施加一定正向電壓的情況下，能觸發(fā)晶閘管導通的最小觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流。因此IGT并不是越小越好或越大越好，太小容易造成晶閘管誤觸發(fā)，太大則需要有更大觸發(fā)功率的電流輸出。

采用萬用表測量門極電阻可以定性地判斷門極情況，但不能定量地測量門極觸發(fā)特性值，也不能以此作為模塊門極參數(shù)離散性的判斷依據(jù)。

對觸發(fā)信號波形的要求

觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，以保證在脈沖存在期間晶閘管陽極電流能達到并超過維持導通所需的擎住電流（IL）。四方電子一般只給出晶閘管的維持電流（IH）。觸發(fā)脈沖的前沿要求盡可能陡。目前大都使用由許多高頻脈沖調制組成的脈沖列來觸發(fā)。尤其對于電感性負載和三相全控橋應用場合，要求脈沖寬度大于60°或3.3毫秒（使用在工頻時）。

擎住電流和維持電流這兩個參數(shù)是有區(qū)別的。擎住電流描述的是晶閘管剛從阻斷（高阻）狀態(tài)轉變到導通（低阻）狀態(tài)并移去觸發(fā)信號之后，能維持通態(tài)所需的最小電流（IL）維持電流描述的是晶閘管從導通（低阻） 狀態(tài)轉變到阻斷（高阻）狀態(tài)時使晶閘管維持通態(tài)所必須的最小電流（IH）。一般IL＝（2～4）IH。由于模塊中各晶閘管參數(shù)的差異（離散），可能導致輕載工作時三相不平衡，如電動機空轉抖動、電焊機空載時維弧不穩(wěn)、電流表或電壓表指針抖動。

因此，需在負載輸出端并聯(lián)一負載電阻（續(xù)流電阻），以保持晶閘管在最小輸出電壓(即最大控制角α時）能提供維持晶閘管工作的最小電流。而重載（ 即大電流輸出時） 三相不平衡主要是由于晶閘管三相移相角度或三相電壓不一致引起的。如果采用強觸發(fā)，三相不平衡與晶閘管參數(shù)關系不大。所以設計時，應盡可能采用強觸發(fā)方式，以兼容更寬范圍內(nèi)的門極觸發(fā)特性。

觸發(fā)脈沖的隔離

由于晶閘管使用在大電流高電壓的強電領域，而門極脈沖形成電路是由控制板產(chǎn)生，屬弱電部分，因此強電與弱電必須隔離且必須保證足夠的絕緣隔離電壓，一般不小于2500V或更高（交流有效值）。目前大都采用脈沖變壓器和光耦器件（俗稱借陽極電壓觸發(fā)方式）隔離。光耦器件有光電耦合三極管（OC 輸出方式即集電極開路）和光電耦合雙向晶閘管兩種。單只光耦器件功率不足以強觸發(fā)晶閘管時，可采用固態(tài)開關（SSS）或固態(tài)繼電器（SSR）以擴展門極觸發(fā)功率。光耦器件觸發(fā)方式中，仍推薦使用強觸發(fā)電路。

觸發(fā)脈沖的同步及移相范圍

為使晶閘管在每個周期都在相同的控制角α觸發(fā)導通，觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，并與電源波形保持固定的相位關系。同時為使電路在給定范圍內(nèi)調壓（或調功），應保證脈沖在一定范圍內(nèi)進行移相，具體情況如下：

三相半波整流電路移相范圍：

阻性負載時為0～150°；大電感負載電流連續(xù)工作在整流狀態(tài)時為0～90°；既整流又逆變時為0～180°。

三相全控整流電路移相范圍：

阻性負載時為0～120°；既整流又逆變時為0～ 180°。為保證逆變工作安全可靠，最小逆變角也應加以限制。

防止干擾和誤觸發(fā)

晶閘管的誤導通往往是由于干擾信號進入門極電路而引起。因此，需要對觸發(fā)電路采取屏蔽、隔離等抗干擾措施。

觸發(fā)信號線盡可能短且雙線絞繞在一起。G 、K 之間應并聯(lián)一個無極性小電容（如0.01uF）和一只反并的二極管（如1N4007 ）。

觸發(fā)脈沖的形式

產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的方法很多，各種不同類型專用電路也很多，從早期使用的分立器件組成的鋸齒波脈沖電路、單結晶體管、單結程控晶體管（PUT）、KC04系列、KJ09系列；到現(xiàn)已廣泛使用的模擬集成電路TC785、TC787 以及光電耦合器件如MOC3081、MOC3083 等等。目前，更有利用單片機程序控制來產(chǎn)生的脈沖觸發(fā)。無論采用哪種方式都必須滿足上述對觸發(fā)脈沖的要求。

警告：不得借用晶閘管模塊的輔助陰極（K）和門極（G）導線連接阻容吸收等其他元件；晶閘管的門極觸發(fā)信號只能而且必須接到晶閘管模塊的門極和輔助陰極端子上，而不允許連接到模塊主端電極上，以免產(chǎn)生干擾。

晶閘管模塊的保護

過電壓保護

由于晶閘管的擊穿電壓接近工作電壓；線路中產(chǎn)生的過電壓容易造成器件電壓擊穿；正常工作時凡發(fā)生超過晶閘管能承受的最高峰值電壓的尖脈沖等統(tǒng)稱為過電壓。產(chǎn)生過電壓的外部原因主要是雷擊、電網(wǎng)電壓激烈波動或干擾，內(nèi)部原因主要是電路狀態(tài)發(fā)生變化時積累的電磁能量不能及時消散。過電壓極易造成模塊損壞，因此必須采取必要的限壓保護措施，把晶閘管承受的過電壓限制在正反向不重復峰值電壓VRSM、VDSM值以內(nèi)。常用的保護措施如下：

晶閘管關斷過電壓（換流過電壓）保護

當晶閘管關斷、正向電流下降到零時，管芯內(nèi)部會殘留許多載流子，在反向電壓的作用下會瞬間出現(xiàn)反向電流，使殘存的載流子迅速消失，形成極大的di/dt。即使線路中串聯(lián)的電感很小，由于反向電勢V＝-Ldi/dt，所以也能產(chǎn)生很高的電壓尖峰（或毛刺），如果這個尖峰電壓超過晶閘管允許的最大峰值電壓，就會損壞器件。對于這種尖峰電壓一般常用的方法是在器件兩端并聯(lián)阻容吸收回路，利用電容兩端電壓不能突變的特性吸收尖峰電壓。阻容吸收回路要盡可能靠近晶閘管A、K端子，引線要盡可能短，最好采用無感電阻，千萬不能借用門極回路的輔助陰極導線（因輔助陰極導線的線徑很細，回路中過大的電流會將該線燒斷）。阻容元件的參數(shù)可按以下的經(jīng)驗值和公式選�。�

表一 晶閘管模塊阻容吸收元件經(jīng)驗數(shù)據(jù)

表一中電阻的功率由下式確定：

交流側過電壓及其保護

交流側電路在接通、斷開時會產(chǎn)生過電壓。對于這類過電壓保護，目前主要采用壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制器（Transient Voltage Supperessor簡稱TVS）。

壓敏電阻是一種非線性元件，它是以氧化鋅為基體的金屬氧化物，有兩個電極，極間充填有氧化鉍等晶粒。正常電壓時晶粒呈高阻，漏電流僅有100uA左右，但過電壓時發(fā)生的電子雪崩使其呈低阻，電流迅速增大從而吸收了過電壓。其接法與阻容吸收電路相同，在交、直流側完全可以取代阻容吸收，但不能用來作為限制dv/dt的保護，故不宜連接在晶閘管的兩端。

TVS類器件當其兩端受到瞬時高壓時，能在極短的時間內(nèi)（10-12S）從高阻變?yōu)榈妥�，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌能量。TVS的部分型號性能參數(shù)如表二：

過電流保護

當變流裝置內(nèi)部元件損壞、控制或觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)生故障、可逆?zhèn)鲃迎h(huán)流過大或逆變失敗、交流電壓過高、過低或缺相、負載過載等，均會引起裝置中電力電子器件的電流超過正常工作電流。由于晶閘管的過流能力比一般電氣設備低得多，因此，必須對晶閘管采取過電流保護措施。

晶閘管裝置中可能采用的幾種過電流保護措施如圖四，分別是：

圖四

交流進線串接漏抗大的整流變壓器（圖四A）：

利用電抗限制短路電流，但此種方法在交流電流較大時存在交流壓降。

電檢測和過流繼電器（圖四C）

電流檢測是用取樣電流與設定值進行比較，當取樣電流超過設定值時，比較器輸出信號使移相角增大或拉逆變以減少電流。有時須停機。

直流快速開關（圖四G）

對于變流裝置功率大且短路可能性較多的場合，可采用動作時間只有2ms的直流快速開關，它能夠先于快速熔斷器斷開而保護了晶閘管，但價格昂貴使用不多。

快速熔斷器（圖四B、D、E）

與普通熔斷器比較，快速熔斷器是專門用來保護電力半導體功率器件過電流的元件，它具有快速熔斷的特性，在流過6倍額定電流時其熔斷時間小于工頻的一個周期（20ms）。

快速熔斷器可接在交流側（B）、直流側（E）或與晶閘管橋臂串聯(lián)（D），后者直接效果最好。一般說來快速熔斷器額定電流值（有效值IRD）應小于被保護晶閘管的額定方均根通態(tài)電流（即有效值）ITRMS即1.57ITAV，同時要大于流過晶閘管的實際通態(tài)方均根電流（即有效值）IRMS。

即：

電壓及電流上升率的保護

電壓上升率（dv/dt）

晶閘管阻斷時，其陰陽極之間相當于存在一個PN結電容，當突加正向陽極電壓時會產(chǎn)生充電電容電流，此電流可能導致晶閘管誤導通。因此，對晶閘管施加的最大正向電壓上升率必須加以限制。常用方法是在晶閘管兩端并聯(lián)阻容吸收元件。

電流上升率（di/dt）

晶閘管開通時，電流是從靠近門極區(qū)的陰極開始導通然后逐漸擴展到整個陰極區(qū)直到全部導通，這個過程需要一定的時間。如果電流上升太快，使電流來不及擴展到整個管芯的有效PN結面，造成門極附近的陰極區(qū)局部電流密度過大，發(fā)熱過于集中，PN結的溫度迅速上升形成熱點，使其在很短的時間內(nèi)超過額定結溫（Tjm）導致晶閘管工作失效甚至燒毀，所以必須限定晶閘管通態(tài)電流上升率（di/dt）。一般是在橋臂中串入電感或鐵淦氧磁環(huán)。

溫度保護

電力半導體模塊與其它功率器件一樣，工作時由于自身功耗而發(fā)熱。如果不采取適當措施將這種熱量散發(fā)出去，就會引起模塊管芯PN結溫度急劇上升。致使器件特性惡化，直至完全損壞。晶閘管的功耗主要由導通損耗、開關損耗、門極損耗三部分組成。在工頻或400Hz以下頻率的應用中最主要的是導通損耗。

為了確保器件長期可靠地工作，設計時散熱器及其冷卻方式的選擇與電力半導體模塊的電流電壓的額定值選擇同等重要，千萬不可大意！

散熱器的常用散熱方式有：自然風冷、強迫風冷、熱管冷卻、水冷、油冷等�？紤]散熱問題的總原則是：控制模塊中管芯的結溫Tj不超過產(chǎn)品數(shù)據(jù)表給定的額定結溫（Tjm）。

實際上，元件的結溫不容易直接測量，因此不能用它作為是否超溫的判據(jù)。通過控制模塊底板的溫度（即殼溫Tc）來控制結溫是一種有效的方法。由于PN結的結溫Tj和殼溫Tc存在著一定的溫度梯度，知道了殼溫也就知道了結溫，而最高殼溫Tc是限定的，由產(chǎn)品數(shù)據(jù)表給出。借助溫控開關可以很容易地測量到與散熱器接觸處的模塊底板溫度（溫度傳感元件應置于模塊底板溫度最高的位置）。從溫控天關測量到的殼溫可以判斷模塊的工作是否正常。若在線路中增加一個或兩個溫度控制電路，分別控制風機的開啟或主回路的通斷（停機），就可以有效地保證晶閘管模塊在額定結溫下正常工作。

需要指出的是，溫控開關測量到的溫度是模塊底板表面的溫度，易受環(huán)境、空氣對流的影響，與模塊和散熱器的接觸面上的溫度Tc，還有一定的差別（大約低幾度到十幾度），因此其實際控制溫度應低于規(guī)定的Tc值。用戶可以根據(jù)實際情況和經(jīng)驗決定控制的溫度。

散熱器的設計和選擇

安裝在散熱器上的N個晶閘管模塊，其等效熱阻示意圖和圖中各符號的含義如圖五：

圖五  多個晶閘管模塊共用散熱器熱阻等效圖

根據(jù)模塊的通態(tài)（正向）平均電流ITAV（或IFAV）、最高工作結溫Tjm、內(nèi)熱阻（結殼熱阻Rjc、殼散熱阻Rcs之和）以及使用時的冷卻條件（環(huán)境溫度Ta冷卻方式等），用戶即可自行選擇散熱器。散熱器的熱阻Rsa，按下式計算：

式中：（n為散熱器上的模塊只數(shù)，且假設每個晶閘管的Rjc相同Rcs也相同）

晶閘管通態(tài)耗散平均功率的計算：

晶閘管通過正弦半波電流、導通角為180°時，每只晶閘管的通態(tài)耗散平均功率為：

或式中：

Rcs與散熱器的填隙介質、模塊與散熱器接觸面的粗糙度、平面度以及安裝力矩密切相關。介質的導熱性能越好，或者接觸越緊密，則Rcs越小。在適當?shù)陌惭b條件下，Rcs應波動不大，視模塊底板幾何尺寸的不同，大約在0.01～0.03℃/W之間。

由上述各公式可以計算出Rsa，查散熱器產(chǎn)品標準（或說明書）的標稱熱阻或有關曲線，選擇熱阻小于而又最接近計算值（Rsa）的散熱器，再結合使用時的冷卻介質（空氣或水）的流速和流量加以修正，即可確定合適的散熱器。

電力半導體模塊的應用領域

電力半導體模塊由于其優(yōu)越的封裝形式，具有體積小、裝配簡單、美觀、維修方便等優(yōu)點，在各種電力電子變換應用場合大量使用。一般說來，單相功率在25KW以下，三相功率在120KW以下的電力電子裝置，大部分都可以使用晶閘管或整流管模塊。

應用方式可以分為交流調壓、直流（整流）調壓、無觸點電子開關三種，使用行業(yè)非常廣泛。主要有交流電機軟啟動或節(jié)能裝置、焊接電源、交－直－交變頻、交－交變頻、靜止無功功率補償裝置、工業(yè)加熱、中頻電源、直流電機調速、勵磁、充電、交流無觸點開關、路燈控制以及智能交流穩(wěn)壓電源設備等等。

各種應用的主回路形式，詳見表四：

焊機專用晶閘管模塊及其應用

焊機專用MTG（AA）/MTG模塊特點簡介：

MTG（AA）型模塊是由三只共陽極晶閘管管芯封裝在一起的模塊化結構組件。模塊內(nèi)管芯參數(shù)針對焊機特點專門設計，額定結溫高、通態(tài)電壓低、通流和過載能力強、動態(tài)性能一致性好、耐疲勞性強，免除螺栓晶閘管裝機前參數(shù)挑選和配對的麻煩，提高工效。

焊機目前正朝著模塊化方向發(fā)展。由于模塊具有裝配、調試、維修簡單，整機裝置美觀大方等優(yōu)點，因此在焊機中使用模塊越來越被人們所接受，可以明顯地提升焊機品位。

目前四方已推出從MTG（AA）60/400V到MTG（AA）200A/400V六種型號規(guī)格，此類模塊可典型應用于雙反星型并聯(lián)帶平衡電抗器作為主回路設計的各種焊機中，如ZX5系列普通焊機；WSM系列直流氬弧焊機；NBK系列CO2氣體保護焊機。

雙反星并聯(lián)帶平衡電抗器焊機的線路特點

雙反星并聯(lián)帶平衡電抗器主回路如圖六所示，該線路相當于正極性和反極性兩組三相半波整流電路并聯(lián)。每只晶閘管的最大導通角為120°，負載電流Id同時由兩個晶閘管和兩個變壓器繞組供給，每只晶閘管承擔1/6的Id，任何瞬時，正、負極性組均有一支電路導通工作。

該線路提高了變壓器利用率，磁路平衡，不存在磁化的問題。要求主變壓器和平衡電抗器對稱性好。

整流輸出電壓：Ud=1.17U2cosα。當負載電流小于額定值（Id）的2～5%時，流過平衡電抗器的電流太小，達不到激磁所需的臨界電流，平衡電抗器失去作用，其上的三角波形電壓也就沒有了，此時該線路的輸出電壓與三相半波電路一樣，Ud＝1.35U2cosα。該電壓即為電焊機空載電壓。

電阻R的作用是為電焊機在空載電壓輸出時，提供維持晶閘管導通的擎住電流，稱為續(xù)流電阻或維弧電阻。維弧電阻R的大小與晶閘管模塊的擎住電流有關。

雙反星并聯(lián)帶平衡電抗器焊機用器件選擇的計算實例

已知條件：空載電壓：100V，額定輸出電流：630A；暫載率：60%

晶閘管耐壓的選擇（VDRMVRRM）：

對于雙反星型并聯(lián)電路，其對晶閘管耐壓要求均為U2，U2為變壓器副邊相電壓。

此即器件承受的電壓，考慮兩倍余量（362V），并從數(shù)據(jù)表中查得相近的模塊規(guī)格，選擇耐壓為400V的MTG

（AA）型模塊。

晶閘管額定電流的選擇（ITAV）：

先計算變壓器副邊流過的相電流（Ie）：

（適用雙反星型并聯(lián)電路，因兩極性組并聯(lián)，所以公式中需乘以1/2）。對于630A輸出電流，Id＝630A

 折算為流過晶閘管的通態(tài)平均電流：

顯然，通過以上的計算對于采用雙反星型并聯(lián)電路的ZX5－630、NBK－630及WSM－630焊機應選擇MTG 200－ 300A/800V或MTG（AA）130－200A/400V的模塊。最好選MTG250－300A/800V或MTG（AA）160－200A/400V的模塊，當然，焊機長期地可靠正常工作除了與模塊正確選型有關外，還與焊機暫載率及模塊散熱條件有關。

以上計算都是在模塊散熱條件足夠的假設下進行的。如果散熱條件發(fā)生變化，對模塊的耐壓和電流的選擇可適當增大或減小。

焊機額定輸出電流對模塊的選擇（推薦）：

其它線路焊機對模塊的選型：

對于使用在三相半控全橋整流線路中的模塊MTY、MDG，如圖七，對器件通流能力要求更高。在同等輸出電流的情況下，該線路中的器件通過的電流是雙反星并聯(lián)線路中的兩倍；但對耐壓的要求則降低一半。

三相半控全橋整流焊機用器件選擇的計算實例

已知條件：Id=630A；空載電壓：100V

器件耐壓（VDRMVRRM）的計算：

可以計算出變壓器副邊相電壓：

此即器件承受的電壓，考慮兩倍余量（210V），并從數(shù)據(jù)表中查得相近的模塊規(guī)格，選擇耐壓為200～300V的MTY型和MDG型模塊。

器件額定電流ITAV的計算：

由于該線路相當于兩組三組半波整流電路的串聯(lián)，

可以計算出變壓器副邊相電流：Ie=0.577×Id=0.577×630A=364A(此值為交流有效值）

顯然，目前沒有如此大電流的模塊，建議客戶采用400－－500A的平板式晶閘管為宜。

以上兩種線路對器件耐壓和通流能力的要求是不一樣的。后一種線路對器件耐壓要求比前一種線路低一半，但通流能力要求大兩倍。

電力半導體模塊安裝使用注意事項

電力半導體模塊屬于溫度敏感性器件，使用時必須安裝在散熱器上。安裝前首先用酒精將模塊底板和散熱器表面擦拭干凈，待自然干燥后，在模塊底板上均勻涂上導熱硅脂，導熱硅脂剛好能夠覆蓋整個底板。安裝之后可從散熱器上取下模塊，檢查模塊底板是否完全沾潤。

模塊的額定通態(tài)平均電流［ITAV、IFAV］是在規(guī)定散熱器、強迫風冷（風速6m/s）、額定殼溫Tc和純阻性負載下得出的。若使用條件發(fā)生變化（如感性負載），額定電流就需下降。

散熱器與模塊接觸面應平整，散熱器的平面度≤0.03mm，將模塊緊壓于散熱器上，以確保良好的熱傳導。否則接觸熱阻變大，影響熱量從管芯向散熱器傳遞。電極與銅排連接時，也必須擰緊螺絲。

采用自然冷卻散熱時，散熱器應垂直放置，以利空氣對流，散發(fā)熱量。對模塊額定電流和散熱器長度的選擇，相對于強制風冷的情況，模塊額定電流和散熱器長度都以增加一倍為宜。

為確保使用時模塊的殼溫不超過額定殼溫（Tc），建議采用溫度保護措施。

警告：當模塊殼溫超過額定殼溫（Tc）時，必須降額使用，否則可能會導致模塊不可恢復的熱擊穿。