新型電力半導體集成組件的製作方法
2023-05-03 14:07:16 2
專利名稱：新型電力半導體集成組件的製作方法
技術領域：
新型電力半導體集成組件
技術領域：
本實用新型屬於電力電子功率器件技術領域，涉及一種多功能集成的新型電力半 導體集成組件。
背景技術：
電力半導體功率器件(晶閘管SCR、三極體GTR、GT0、、IGBT等)廣泛應用於整流、 變流、變頻、調壓、電子開關等等領域。功率器件的電路系統由數十個輔助的電氣和機械部 件組成。現有的製造方法是把功率元件及其幾十個周邊元件用人工一一組裝，然後作為整 機電路的一部分連接。用戶必須自行配置設備和人力，動手進行繁雜的組件安裝工作，其工 期長效率低。因為製作方式的局限，其製作的功率組件電路性能欠完備，可靠性不高。傳統的電力半導體功率器件的製造使用方式是採用下述方式設備製作商需要用 到功率組件時，必須自行製作，這涉及到市場、機械和電器加工等等達二十個工作程序，制 造工期長。即使只需要幾件功率器件，製造商也要面面俱到地配置機械、電器加工設備，配 備技術工人，使傳統的功率組件的製造成本高，費時費力而質量效率低；現有的電力半導體 功率器件有數十個元件，其結構件複雜，需要19個安裝工序，需配備專用設備和人員，其散 熱方式與體積採用鋼板焊接成一個大的通風室，體積龐大，但效率低，用戶無專業檢測的條 件，器件質量無保證，冷卻風機不可控。風機全速、全壓、長期運轉，容易損壞而導致器件過 熱損壞，電氣保護電路採用熔斷器等簡單方式，沒有通訊接口，過壓吸收保護電路採用用戶 非專業的自製，質量難保證，功率器件與周邊電路有繁瑣的導線連接，須用戶自行加工連接 導線，由於工序繁多，需專用設備和專業人員，性價比差。
實用新型內容為了克服現有技術的上述缺點，本實用新型提供一種採用智能控制，將元件、散熱 器和風機合為一體，具有安裝簡便、散熱效果好、體積少重量輕、可靠性高、保護性能完善、 綜合成本低和性價比好優點的新型電力半導體集成組件。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是一種新型電力半導體集成組 件，包括電力功率器件和具有一體化集成結構的冷卻系統、過壓吸收保護電路、智能風機和 微機監控系統，其中電力功率器件聯接有輸入電源和輸出電路，所述微機監控系統的CPU 中央處理器通過保護執行電路和驅動信號門電路與電力功率器件相聯接。所述微機監控系統的CPU中央處理器的輸入端與溫度、電流、電壓信號預處理電 路相聯，其輸出端分別聯接有本地數據顯示及報警電路和控制冷卻風機的溫度_轉速控制 電路，在其輸出端配置有標準RS232/485接口電路的接口端子。所述冷卻系統為散熱系統、風道殼體、安裝板和散熱器四位一體的結構，其中風道 殼體就是散熱器，功率元件直接安裝於高導熱率的鋁風道殼體之上。所述溫度-轉速控制電路就是冷卻風機控制單元電路，溫度檢測器依次通過單片 機控制電路及晶片驅動電路與冷卻風機相聯接。[0009]所述微機監控系統聯接有微機監控保護單元電路，所設有的輸入脈衝檢測電路、 電壓信號分壓光耦電路、電流信號專用互感器電路和溫度採樣電路依次通過採樣處理電路 和模數轉換電路與單片機相聯接，其中單片機配置有輸入按鍵。所述過壓吸收保護電路主要有容阻式保護電路、容阻與整流式保護電路以及容阻 加電湧保護器保護電路。本實用新型的有益效果是將各組件集成為一個元件，只需兩個安裝工序，元件、 散熱器和風機合為一體，散熱面積增加，體積重量減少，電力功率器件採用專業採購，儀器 檢測，冷卻風機採用智能控制，根據器件溫度自動調速，可靠性高，採用自主式微機保護，配 置有短路、超溫、過壓、過流、缺相和失衡保護電路，設置有數字/模擬接口輸出，過壓吸收 保護電路採用專業設計製造，使得保護性能完善，組件內部電路已連接好，用戶無需連接， 其綜合成本低，性價比好。
圖1是本實用新型的電路原理方框圖；圖2是本實用新型的所述風機控制單元電路原理方框圖；圖3是本實用新型的所述微機監控單元電路原理方框圖；圖4、圖5是本實用新型的所述過壓保護電路原理圖；圖6是本實用新型的所述三相全控晶閘管整流功率組件電路原理方框圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明參見圖1，一種新型電力半導體集成組件，包括電力功率器件和具有一體化集成結 構的冷卻系統、過壓吸收保護電路、智能風機和微機監控系統，其中電力功率器件聯接有輸 入電源和輸出電路，所述微機監控系統的CPU中央處理器通過保護執行電路和驅動信號門 電路與電力功率器件相聯接。其中組件產品配合技術市場的需要，有相應多種型號規格，其 電氣原理是類同的，其中的電力功率器件可以是SCR、GTO、GTR、IGBT等等，只要把相應的電 路內容換上去即可。本實用新型的安裝製作方式採用專業化的生產。用戶安裝使用工序從傳統分散組 裝的19個減為2個，即先訂購功率經件，然後柜上裝配，且無需調試。本實用新型的電力功率器件的選擇半導體功率元件(大功率二極體、晶閘管、功 率三極體等)是產品的核心，由於本產品是專業化批量生產，選用的功率元件有條件採用 專業儀器，按GB和IEC標準進行檢測、篩選、老化和標定。本實用新型的散熱系統為散熱 系統=風道殼體=安裝板=散熱器=1，即「四合一」的結構。本實用新型的風道殼體就是散熱器，功率元件直接安裝於高導熱率的鋁風道殼體 之上，接觸面是高精度的緊密配合，熱阻非常小。這種結構使集成組件的散熱熱容量增加， 散熱表面積比傳統方式增加1/3以上，體積、重量也大為減小。半導體元件均選用基板絕緣的功率模塊，即電路與組件機體絕緣，耐壓達2500V 以上。由此可以取消絕緣安裝板，各功率元件直接安裝在同一散熱器上，熱阻大為減低。由 於散熱器與電路絕緣，甚至可以利用配電櫃的金屬殼體作為散熱器的伸延，大大增加散熱 器的表面積。風道設計採用流體力學原理，改善空氣的流通性能，消除氣流的紊流區。使風冷的效率提高。對於使用要求比較高的場合，本實用新型本實用新型採用熱管的冷卻方式。本實用新型的冷卻風機控制單元電路如圖2所示，本集成組件的冷卻風機為智 能式，通過89S52單片機控制及L298晶片驅動以實現對風機的PWM(脈衝寬度調製)控制。 根據功率器件的溫度自動調節轉速。在供電電壓升高是能自動限壓，避免風機繞組過壓運 行。在器件溫度超標或風機故障時，會發出報警信號，在集成組件的本身面板上發出聲光警 報，以及通過輸出通訊接口，向上位計算機傳輸信號。此方法使風機的運行質量和壽命都提 高，器件運行的可靠性大為提高。本實用新型的計算機監控保護單元電路如圖3所示，本集成組件具備自主的計 算機控制系統，能對各功能參數進行了有效的調控，極大地提高了組件自身乃至整個設備 系統的穩定性和可靠性。如圖3所示，組件採用16位單片機作為核心的控制單元。配備專用的電流互感器 和溫度傳感器，通過採樣單元檢測功率器件的溫度、電流、電壓參數，再通過單片機對信號 進行分析，從而實現對觸發脈衝檢測、過電流、過電壓、缺相、三相電流不平衡、輸出短路、開 路等狀態的保護和報警信號輸出，可以連接DCS系統對功率組件進行相應的監控。功率組件具備顯示和控制界面，實現溫度、電氣的工作/故障信號的數字顯示，同 時具備輸入按鍵，有控制數據的設定輸入功能。本實用新型的輸入電路組件內的設置繼電器矩陣，前級控制脈衝信號從組件的 輸入口通過繼電器進入功率器件的控制極。在系統發生致命故障時，通過內部或外部的監 控指令使繼電器動作，切斷輸入脈衝及關閉功率器件，停止系統的工作和滅磁。本組件使用 硬體(繼電器矩陣)保護，其性能非常可靠，是通常軟體控制的手段所達不到的。本實用新型的輸出接口 配備標準RS232/485接口電路，可以與遠地PC、PLC通訊， 從而實現對功率半導體集成組件的遠程監控。外部PC或PLC能實時讀取器件的運行狀況 和各種報警信號等數據，實現DCS控制。本實用新型的功率元件的過壓吸收保護單元電路，如圖4和圖5所示，正確選用過 電壓吸收保護單元的電路和參數，對半導體功率元件的可靠運行具有重大的作用。用傳統 方式構造的功率電路，其過壓保護單元是分立元件型式安裝的，與主電路分離，結構和接線 都相對繁雜。由於受條件的限制(電路設計和元件採購的非專業性等等)，其保護性能和效 果難以做到最好。本實用新型把過壓保護電路集成其中，與功率元件結合一體，使產品的外結構非 常簡單可靠。內部選擇多重保護功能電路，進行專業的參數設計，使對過壓的緩衝吸收性能 有大幅的提高。本實用新型的過壓吸收保護單元電路如圖4和圖5所示，主要有RC(容阻式)保 護形式、DRC(容阻與整流式)保護方式，以及RC+SPD(容阻+電湧保護器)方式。採取比 較完善的多重保護網絡電路，根據功率電路的不同的電壓、電流、頻率和諧波參數，進行專 門的設計和計算，以獲得最準確的元件參數。其中圖5是以三相全控晶閘管勵磁整流電路 為例，RC和DRC的電路結構。本實用新型產品由專業生產工廠製造，從選購元件、設計、製作、測試各方面都具 有了專業的優勢。同時被賦予先進的微機監控技術及通訊功能，故本發明產品在性能、價 格、易用性、互換性、先進性、可靠性各方面都全面超過現有技術的產品。其中一是電力功率器件一體化的集成結構內中包括冷卻系統、過壓吸收保護電路、智能風機、微機監控功能； 二是對冷卻系統的改進使得「散熱系統=風道殼體=安裝板=散熱器」，為四位一體的結 構；三是自備的微機監控觸發脈衝檢測、過電流、過電壓、缺相、三相電流不平衡、輸出短 路、開路等狀態的保護和報警信號輸出，具備通信接口，輸入繼電器保護；四是採用智能風 機單片機控制，根據功率器件的溫度變化自動調節風機轉速。在電源過電壓時自動限壓。
權利要求一種新型電力半導體集成組件，其特徵是包括電力功率器件和具有一體化集成結構的冷卻系統、過壓吸收保護電路、智能風機和微機監控系統，其中電力功率器件聯接有輸入電源和輸出電路，所述微機監控系統的CPU中央處理器通過保護執行電路和驅動信號門電路與電力功率器件相聯接。
2.如權利要求1所述的新型電力半導體集成組件，其特徵是所述微機監控系統的 CPU中央處理器的輸入端與溫度、電流、電壓信號預處理電路相聯，其輸出端分別聯接有本 地數據顯示及報警電路和控制冷卻風機的溫度-轉速控制電路，在其輸出端配置有標準 RS232/485接口電路的接口端子。
3.如權利要求1所述的新型電力半導體集成組件，其特徵是所述冷卻系統為散熱系 統、風道殼體、安裝板和散熱器四位一體的結構，其中風道殼體就是散熱器，功率元件直接 安裝於高導熱率的鋁風道殼體之上。
4.如權利要求2所述的新型電力半導體集成組件，其特徵是所述溫度_轉速控制電 路就是冷卻風機控制單元電路，溫度檢測器依次通過單片機控制電路及晶片驅動電路與冷 卻風機相聯接。
5.如權利要求1所述的新型電力半導體集成組件，其特徵是所述微機監控系統聯接 有微機監控保護單元電路，所設有的輸入脈衝檢測電路、電壓信號分壓光耦電路、電流信號 專用互感器電路和溫度採樣電路依次通過採樣處理電路和模數轉換電路與單片機相聯接， 其中單片機配置有輸入按鍵。
6.如權利要求1所述的新型電力半導體集成組件，其特徵是所述過壓吸收保護電路 主要有容阻式保護電路、容阻與整流式保護電路以及容阻加電湧保護器保護電路。
專利摘要本實用新型涉及一種新型電力半導體集成組件，包括電力功率器件和具有一體化集成結構的冷卻系統、過壓吸收保護電路、智能風機和微機監控系統，其中電力功率器件聯接有輸入電源和輸出電路，所述微機監控系統的CPU中央處理器通過保護執行電路和驅動信號門電路與電力功率器件相聯接。將各組件集成為一個元件，安裝簡便，散熱面積增加，體積重量減少，冷卻風機採用智能控制，根據器件溫度自動調速，可靠性高，採用自主式微機保護，配置有短路、超溫、過壓、過流、缺相和失衡保護電路，設置有數字/模擬接口輸出，過壓吸收保護電路採用專業設計製造，使得保護性能完善，組件內部電路已連接好，用戶無需連接，其綜合成本低，性價比好。
文檔編號H02M1/32GK201742286SQ20092023797
公開日2011年2月9日 申請日期2009年10月28日 優先權日2009年10月28日
發明者林敦, 蘇濤 申請人:林敦