晶闸管交流开关模块
1前言
自1957年发明晶闸管以来，由于它结构简单，使用方便和性能稳定可靠，因此，已大量用于国民经济各领域，为工业发展、技术进步和节约能源发挥了重大作用。目前，晶闸管的制造工艺和应用技术已相当成熟，正向着体积更小、重量更轻、结构更紧凑、可靠性更高、内部接线电路各异和功能不同的模块化方向发展，也出现了把移相触发系统、保护系统和晶闸管芯片混合集成在同一外壳内的，所谓的各种“晶闸管智能模块”。本文将简要介绍由常州瑞华电力电子器件有限公司开发成功的获国家专利、国家级重点新产品——带过零触发电路的晶闸管交流开关模块（以下简称交流开关模块）的结构工艺、应用场合、过流和过压保护以及散热选配等技术问题。
2结构工艺、应用领域及技术参数
交流开关模块是一种四端无触点的电子开关，它由二个反并联晶闸管芯片和一个过零触发电路组成，并混合集成在同一个绝缘树脂外壳内，如图1所示。形成输入、输出端与铜底板之间绝缘的绝缘型模块，其绝缘耐压≥2500VRMS。当输入端施加触发信号后，其主电路即呈导通状态，而无触发信号时，即呈阻断状态，但因触发电路是过零触发，所以输出器件的导通时刻将延迟到交流正弦波电压零点交越附近（一般为±10V左右），其工作波形如图2所示。由图2可见，当ωt=ωt1时加输入控制电流后，晶闸管未立即导通，直到电源电压零点交越附近（即±10V左右），晶闸管才导通，负载才流过电流。当ωt=ωt2时停止输入控制电流，晶闸管不立即关断，直至电源电压零点交越附近（即±10V左右），负载电流才停止，这样，负载电流为正弦波，减少了对电网的干扰。
图3是交流开关模块简略结构示意图。图中铜底板采用预弯技术，使其经热焊后仍能很好地与散热器接触，从而大大减少了模块的接触热阻。采用既绝缘又导热的DBC陶瓷板，一方面使模块热阻降低，提高了它的载流能力，另一方面使模块的主电极和控制电极与铜底板之间有≥2500VRMS的绝缘耐压，因此可以把几个交流开关模块同时安装在同一接地的散热器上，使用方便、安全，大大缩小了装置的体积。晶闸管芯片均采用进口的玻璃钝化方形芯片，使模块电参数一致性好，可靠性高。模块采用RTV硅橡胶、弹性硅凝胶和环氧树脂等多重密封保护，使模块的气密性和耐潮湿性能提高，从而使模块能长期稳定可靠地运行。
过零触发电路做在一块多层的PCB板上，并安置在功率器件的上面，电路板涂有RTV绝缘硅橡胶，以提高板上高低压之间的绝缘性能。过零触发电路采用先进的光耦合器件，内置集成的过零检测电路，光电隔离技术使模块静态dv/dt能力强，输入控制端与输出功率端之间的绝缘耐压高达7.5kV，克服了以往触发方式易受电网电压波动和电源波形畸变的影响，使输出波形为正弦，波形无畸变，电磁干扰小、无噪音。触发电路简单可靠，调整输入控制电路的输入电阻值，可以适应不同输入电压（5V、12V、24V）的要求，但输入控制电流必须控制在12mA左右，可使触发器件的寿命成倍提高。
交流开关模块与机械式开关相比，具有体积小、重量轻、开关速度快、灵敏度高、动作无噪音、防爆、无火花、寿命长、免维护、耐振动、抗冲击、可靠性高等优点。因此，它已被广泛用于计算机的外围接口和装置上，用于恒温控制、交流电机控制、调功、电磁阀控制、单相和三相交流无触点电力开关、数控机械、遥控和各种工业自动化装置以及晶闸管投切电容器型（TSC）静止无功补偿等场合，这对解决机电一体化、小型化、自动化、抗干扰、防爆等提供了可靠的器件物质基础。
交流开关模块的主要技术参数见
表
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1。
3过电流和过电压保护
晶闸管交流开关模块的过电压和过电流保护与分立晶闸管的保护方法一样。模块过流保护可以采用外接快速熔断器，传感器和快速过流继电器等方法，但一般常用方法是外接快速熔断器，图4是其接法。快熔的选用原则是其额定电压应略大于电路的正常工作电压，如380V电压选用500V的快熔；其额定电流应按它所保护模块实际通过的电流IR（RMS）来选配，而不是根据模块的标称额定电流值来选配快速熔断器。
模块过压保护一般采用阻容吸收和压敏电阻并用方式。对于持续时间较短，能量不大的过电压，一般采用在模块两端并联阻容吸收电路的方法，吸收电容把过电压的电磁能量变成静电能量存贮，吸收电阻除可防止电路振荡外，还可限制晶闸管导通时电容放电产生的开通损耗和di/dt值，其接线方式如图5所示。并联在交流开关模块的RC值可参考表2所列数值。对于持续时间较长，能量较大的过电压，如雷击引起的过电压，将采用压敏电阻保护。其接线方式如图6所示。在选取压敏电阻时，首先要确定它的标称电压（V1mA）值，这是指压敏电阻流过1mA电流时，它两端的电压。考虑到电网波动以及安全系数，一般380V电源采用1000V，220V电源采用630V的压敏电阻。而压敏电阻的通流容量应大于电路实际浪涌电流值，一般为3～15kA。
4散热器的选择
交流开关模块在运行过程中，晶闸管芯片的结温将升高，为了使结温维持在最高额定值125℃以下，必须用散热器。因此，散热条件的好坏，直接影响模块的安全、稳定和可靠运行。目前，散热方法有水冷、风冷（强迫和自然风冷）和热管冷却等。本文将简要介绍风冷散热器的选择方法。交流开关模块的主电路是由二个反并联晶闸管组成，如图7所示。
根据模块内单个晶闸管的通态平均电流IT（AV），通态峰值电压VTM，模块接触热阻RTHCH以及平均功率PT（AV）=0.85·VTM·IT（AV），即可计算出散热器的热阻:
式中：TC为壳温（即铜底板的温度）；Ta为环境温度。
若未知铜底板的最高温度TCmax则由
式中：Tjm为晶闸管的最高结温125℃；Rthjc为结到铜底板的热阻。
求出散热器热阻RTHHA后，选定相应的散热器的型号规格（常用有DXC—450、DXC—616、DXC—573等），其热阻应比计算出的热阻小，即
RTHHA（计算值）>RTHHA（所选散热器的实际值）（3）
若一个散热器上装有几个模块，则将∑PT（AV）=n·PT（AV）代入式（3）求出∑RTHHA后，选定散热器。在计算过程中，IT（AV）值可根据
·sinωtdωt,即IRMS≈2.22IT（AV）求出。
按可选散热器的热阻值（或散热器的热阻曲线）即可选得合适散热器的长度。必要时，可采用在模块铜底板长侧边几何中心打孔测温方法来核对所选散热器长度的正确性。
5结语
目前，晶闸管交流开关模块的应用范围已很广泛，使用技术亦很成熟。常州瑞华电力电子器件有限公司生产的带过零触发电路交流开关模块已在交流电机软起动器，各种工业加热、烘箱、烘房加热的自动功率调节系统，钢厂轧机传送带、起重机等驱动系统中大量使用，使整机的机械结构紧凑、简化、体积缩小、重量减轻、可靠性提高。特别是将交流开关模块用在TSC型静止无功补偿器以替代机械式接触器后，不但可以实现免维护，省去大量维修和更换工作量，而且可以在电源电压过零时投入补偿电容量，从而避免了冲击电流的产生和瞬间电网电压的波动，实现快速的无功功率补偿。现在晶闸管交流开关模块已成为机电一体化和工业自动化的基础元器件，必将获得更大的发展。
浙公网安备 33021202002483