用于軟起動(dòng)器的晶閘管模塊SEMiSTART

0 引言

現(xiàn)在，軟起動(dòng)器已廣泛用于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。而在軟起動(dòng)裝置中，半導(dǎo)體必須極其堅(jiān)固以應(yīng)對(duì)較大的芯片溫度變化，同時(shí)必須表現(xiàn)出非常好的負(fù)載循環(huán)能力。如果這些要求都滿足，那么軟起動(dòng)裝置就會(huì)有很長(zhǎng)的使用壽命。

SEMiSTART 是一款專為軟起動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的反并聯(lián)晶閘管模塊。得益于其所采用的雙面晶閘管芯片冷卻技術(shù)，SEMiSTART 的內(nèi)部熱阻只有模塊化設(shè)計(jì)中傳統(tǒng)器件的一半。此外，該緊湊型模塊還使用了被證明有效的壓接技術(shù)?？偠灾琒EMiSTART 模塊為解決感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的大起動(dòng)電流問(wèn)題，提供了一個(gè)最佳的且可靠性高的解決方案.

在驅(qū)動(dòng)工程領(lǐng)域，所采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要是三相感應(yīng)電機(jī)。這類電機(jī)通常具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

1)堅(jiān)固的設(shè)計(jì);

2)維護(hù)費(fèi)用低;

3)性價(jià)比高。

1 電機(jī)起動(dòng)控制的三種方式

在實(shí)際中，有三種不同的電機(jī)起動(dòng)控制方式。

1.1 直接在線起動(dòng)

對(duì)于三相感應(yīng)電機(jī)(異步電機(jī))，直接在線起動(dòng)產(chǎn)生非常高的電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流。高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)導(dǎo)致機(jī)械損壞，比如由三相感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳送帶可能會(huì)被撕裂，大起動(dòng)電流能夠?qū)е码娋W(wǎng)中產(chǎn)生尖峰電壓。驅(qū)動(dòng)電機(jī)越大，所產(chǎn)生的影響越嚴(yán)重。

為了應(yīng)對(duì)這些不良的影響，起動(dòng)階段施加到感應(yīng)電機(jī)上的電壓要被控，這意味著起動(dòng)電流和相應(yīng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)受到限制。不同的起動(dòng)方式對(duì)電機(jī)起動(dòng)電流的影響如圖1所示。

1.2 Y-Δ起動(dòng)器

一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案是星形—三角形起動(dòng)器(也稱為Y-Δ起動(dòng)器)。這種方案中，電機(jī)的定子繞組在起動(dòng)加速階段按照Y型連接，一旦電機(jī)接近額定轉(zhuǎn)速，繞組變?yōu)?Delta;型連接。以Y型連接方式起動(dòng)的效果在于，電機(jī)在達(dá)到正常轉(zhuǎn)速之前，其每個(gè)定子繞組上的電壓只有正常時(shí)的1/姨3 。通常使用機(jī)械接觸器完成繞組從Y型到Δ 型連接的轉(zhuǎn)換。然而，由于只有2 個(gè)轉(zhuǎn)換連接(Y 和Δ)，因此把“控制”這個(gè)術(shù)語(yǔ)用在這里并不是特別合適。

此外，這種類型的起動(dòng)器“控制”維護(hù)費(fèi)用并不低，因?yàn)榇嬖陔娀?，?dǎo)致機(jī)械接觸器容易磨損而需要被更換。

1.3 軟起動(dòng)器

為了控制起動(dòng)階段施加在感應(yīng)電機(jī)上的電壓，需要一個(gè)軟起動(dòng)裝置(軟起動(dòng)器)。在軟起動(dòng)器中，半導(dǎo)體(晶閘管)被用于電壓的控制。其工作原理如圖2所示。

兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管以串聯(lián)的方式連接在電機(jī)繞組和電網(wǎng)之間。在加速到正常轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，通過(guò)相控的方式使得電機(jī)繞組電壓受控。根據(jù)晶閘管什么時(shí)候被觸發(fā)(觸發(fā)延遲角α)，電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流可被設(shè)置在期望值上。采用軟起動(dòng)控制的另一個(gè)好處在于起動(dòng)時(shí)間也可以被控制。

流經(jīng)晶閘管的電流在晶閘管內(nèi)部產(chǎn)生功耗。該功耗會(huì)使晶閘管的溫度升高，因此必須對(duì)其進(jìn)行冷卻。為了避免起動(dòng)加速過(guò)程結(jié)束后晶閘管依舊消耗功率，采用一個(gè)機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)(機(jī)械接觸器)將晶閘管旁路。由于不用切換大負(fù)載，所以旁路開(kāi)關(guān)可以相對(duì)較小，且不會(huì)被燒毀。由于系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了正常轉(zhuǎn)速，因此沒(méi)有大的壓降產(chǎn)生，這些壓降通常由旁路開(kāi)關(guān)的接觸器來(lái)切換。唯一的壓降來(lái)源于機(jī)械設(shè)計(jì)和已觸發(fā)的晶閘管上的壓降，這意味著不需要切換大負(fù)載，這就是為什么軟起動(dòng)器的維護(hù)費(fèi)用低。

2 軟起動(dòng)器對(duì)晶閘管的要求

為確保軟起動(dòng)器既結(jié)構(gòu)緊湊，性價(jià)比高又不降低可靠性，軟起動(dòng)器中所使用的晶閘管必須滿足一些重要的要求，即使軟起動(dòng)器用在起動(dòng)電流只幾倍于(3～5倍高)額定電流的系統(tǒng)中。在大規(guī)模系統(tǒng)中，起動(dòng)電流的峰值常達(dá)幾kA，因此，在起動(dòng)階段，晶閘管必須能夠承受這么高的起動(dòng)電流。然而，與此同時(shí)，軟起動(dòng)器必須優(yōu)化成本且結(jié)構(gòu)盡可能的緊湊，所以，所使用的晶閘管(包括散熱器)的體積必須盡可能的小。

出于成本的考慮，實(shí)際使用的晶閘管的額定電流遠(yuǎn)小于大系統(tǒng)的起動(dòng)電流。這就是為什么晶閘管芯片會(huì)在起動(dòng)階段，這樣一個(gè)短時(shí)間內(nèi)，會(huì)大幅升溫，如從TStart=40℃到TRamp-up=130℃，導(dǎo)致芯片產(chǎn)生90℃的溫差。如果一個(gè)系統(tǒng)每小時(shí)切換3 次，一年365天，每天8小時(shí)，那么10 年后總的負(fù)載變化次數(shù)將達(dá)到87 600次。

這些晶閘管必須能夠反復(fù)承受起動(dòng)階段的過(guò)載電流十年。

基于以上要求，直到現(xiàn)在，軟起動(dòng)器的制造商很難在市場(chǎng)上為他們的裝置找到最佳的半導(dǎo)體器件。

而這正是SEMIKRON 的反并聯(lián)晶閘管模塊SEMiSTART所涉足的領(lǐng)域，因?yàn)檫@款模塊是專為用于軟起動(dòng)器而開(kāi)發(fā)的。

3 晶閘管模塊中使用的裝配和連接技術(shù)

將一個(gè)硅片裝配和連接到一個(gè)器件上有不同的方法。在許多模塊中，硅片被焊在兩側(cè)(陽(yáng)極和陰極側(cè))，并且是單面冷卻。常用的焊接模塊的原理如圖3所示。

模塊中產(chǎn)生的熱量通過(guò)底板(單面冷卻)擴(kuò)散到散熱器中。這里有一個(gè)特殊的問(wèn)題，那就是晶閘管模塊中使用的各個(gè)器件的熱膨脹系數(shù)不同。在采用焊接方式連接的模塊中，硅(可控硅芯片)，焊料和銅(主端子)擁有不同的膨脹系數(shù)，一段時(shí)間后，由于負(fù)載循環(huán)操作，不同的系數(shù)導(dǎo)致連接芯片和銅端子的焊料產(chǎn)生疲勞。結(jié)果，焊層出現(xiàn)分層，即焊層出現(xiàn)細(xì)小的裂紋。焊層疲勞開(kāi)裂導(dǎo)致熱阻的增加，這反過(guò)來(lái)導(dǎo)致芯片溫度的升高并最終使芯片損壞。事實(shí)上，在焊接模塊中，芯片損壞并不少見(jiàn)。

相比之下，基于壓接技術(shù)的模塊中的芯片是通過(guò)接觸壓力連接在主端子之間的。這些模塊中，芯片不是焊在兩個(gè)主端子之間，相反，施加了非常高的接觸壓力(幾kN)以使芯片“留”在主端子之間。實(shí)踐已經(jīng)證明，即使在大功率負(fù)載(額定電流>200 A)應(yīng)用中，采用壓接技術(shù)的器件的負(fù)載循環(huán)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于采用焊接的器件。

這就是為什么SEMIKRON 建議在大額定電流軟起動(dòng)裝置中使用壓接器件的原因，而SEMiSTART中所使用的正是這種壓接技術(shù)。

SEMIKRON的SEMiSTART 模塊系列壓接技術(shù)原理如圖4所示。

SEMiSTART模塊中，用于芯片的連接技術(shù)基于壓接技術(shù)，兩個(gè)晶閘管芯片反并聯(lián)連接并被壓在兩個(gè)散熱器之間。

這種類型的裝配和連接不包含焊層，這就是為什么SEMiSTART模塊擁有非常好的負(fù)載周期能力，因此使用壽命更長(zhǎng)。

SEMiSTART模塊的散熱器根據(jù)芯片尺寸和為用于軟起動(dòng)裝置而進(jìn)行了尺寸優(yōu)化，因而模塊的結(jié)構(gòu)非常緊湊。晶閘管芯片和散熱器之間的總熱阻遠(yuǎn)小于其他常規(guī)器件的總熱阻。由于芯片被直接壓在兩個(gè)散熱器之間，并且雙面冷卻，因此熱阻的確非常小。由于這個(gè)原因，與同類電流密度的模塊相比，其總體尺寸才有可能更小。

SEMiSTART 模塊的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它安裝便利，不需要安裝諸如平板可控硅所需的特殊夾具，也不需要模塊裝配中所需的導(dǎo)熱硅脂。

當(dāng)然，SEMiSTART模塊也可用于其他用途，如保護(hù)電路。

4 SEMiSTAT模塊的技術(shù)指標(biāo)

SEMiSTART模塊有三種不同的尺寸和總共五種不同的電流等級(jí)。

電流范圍在500～3000A，能夠承受最大電流長(zhǎng)達(dá)20s(加速時(shí)間)，晶閘管的最大關(guān)斷電壓為1800V。具體參數(shù)如表1所列。

SEMiSTART模塊相對(duì)于傳統(tǒng)方案有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間;

2)由于熱阻小，半導(dǎo)體芯片和散熱器之間擁有更佳的熱阻;

3)采用壓接技術(shù)(無(wú)焊層)，從而可靠性非常高;

4)不需要選散熱器;

5)安裝簡(jiǎn)便，不需要特殊的夾具。

由于這些器件相對(duì)于傳統(tǒng)方案的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，因此在未來(lái)幾年，此系列模塊用于軟起動(dòng)器的市場(chǎng)將繼續(xù)增長(zhǎng)。