晶闸管智能模块在电源中的应用

1　智能模块简介 晶闸管智能模块简称ITPM（Intelligent thyristor power module），它是把晶闸管主电路与移相触发系统以及过电流、过电压保护传感器共同封闭在一个塑料外壳内制成的。 　晶闸管是电流控制型电力半导体器件，要驱动晶闸管，需要较大的脉冲触发功率；另外一些辅助电路的元器件，如同步变压器、触发变压器等体积比较大，因此，如果要把移相触发系统与晶闸管主电路以及传感器等封装在同一外壳内，制成晶闸管智能模块，具有很大的难度。所以，国内外一直采用晶闸管器件与移相触发系统分立制作的传统形式。 　我们公司经多年的开发研究，首先解决了同步变压器、脉冲触发变压器微型化的问题，使移相触发系统的体积大幅度减小，能够集成在体积很小的塑料外壳内。然后又在提高信号幅度、抗干扰、高压隔离、同步信号输入等方面进行了大量研究实验，开发出了一系列专用移相触发系统集成电路，多路高速大功率集成电路。 　散热条件的好坏对晶闸管的应用有着很重要的影响，为了使智能模块具有比较高的散热性能、绝缘性能，采用了DBC （陶瓷覆铜板）材料。DBC作为一种电力电子器件的基础材料，具有其他材料无可比拟的导热性能和绝缘性能。同时，在模块内部，采用了其他一些特殊材料，比如，具有良好电绝缘和保护性能以及良好热传导作用的弹性硅凝胶等，这些材料对提高模块的整体性能，起到了非常重要的作用。 　图1中（a），（b）为晶闸管智能三相桥模块的内部接线图和其外形照片。 几年来，公司不断对智能模块进行技术改进。目前，已经用数字技术取代了模拟技术，使移相触发系统更为准确可靠；不断扩大智能模块的输出容量，现已研制出输出最大工作线电流1600A，额定工作电压为380V和660V的智能模块，在各种应用场合得到了广泛应用。 2　智能模块工作原理 　（1） 主工作电路　 　图1（a）是整流型智能模块的主电路。它是一个由六只晶闸管构成的三相全控整流桥，通过移相控制电路，控制六只晶闸管导通角，可直接从模块输出端获得0 -510V的直流电压。在移相控制电路中，使用公司自主开发的数字化专用集成电路JP-SSY01，具有很高的移相精度和工作稳定性。 　（2） 闭环控制系统工作原理图。 　智能模块在控制上可分为开环控制与闭环控制，在晶闸管组成的电源系统中，大部分是采用电流闭环控制和电压闭环控制。图2是闭环控制系统工作原理图，该原理图可大体分为三部分：移相调控部分，电压反馈部分，电流反馈部分。工作原理如下：首先，由用户根据实际情况，选择模块工作在恒流状态还是恒压状态，通过 “恒流恒压转换电路”，确定电压反馈部分工作或电流反馈部分工作。然后，用户调整“0-10V设定电压”，该电压通过“移相调控电路”，控制主电路晶闸管开通一定的角度，从而输出用户希望的电压或电流。该输出电压或电流经“霍尔传感器采样”、“整形放大”后，与“0-10V设定电压”进行比较，形成误差电压，该误差电压经处理后，控制“移相调控电路”，根据输出电压或电流的大小，随时快速调整晶闸管的导通角，达到稳定输出电压或电流的目的。 （3） 控制系统特点 　1. 采用线性霍尔传感器，实现电气隔离，提高了整机性能。霍尔效应式传感器是一种新型电流、电压采样器件，它的工作原理是利用霍尔元件在磁场中产生感应电压的霍尔效应，将电流、电压转换为电压信号。霍尔传感器的优点为转换系数高，有良好的电气隔离作用，响应速度快，线性度较好，对提高整机性能有很大好处。 　2. 反馈系统的应用，使“0-10V设定电压”与输出电压与电流成较好的线性对应关系，克服了晶闸管移相角度与输出电压非线性的缺点。 　3. 在电压反馈与电流反馈电路中，采用高精度的霍尔传感器和精密放大电路；同时，模块化的产品缩短了控制电路与移相电路、主电路的信号传输距离，从而使模块的控制精度较高，比其他同功能产品有更大的优越性。 　4. 多种保护功能，使用更加安全方便。 　5. “移相调控电路”采用专用数字电路JP-SSY01，使触发更为准确可靠。 　（4） 能模块的主要技术参数和功能 　1. 在晶闸管控制曲线上线性度较好的范围内（恒压在100V-350V，恒流约在35%-75%I（最大设定电流）），稳压精度在0.5%，稳流精度在1%之内，在线性度较差的范围内，稳压精度不大于1%，稳流精度不大于2%。 　2. 电网调整率：电网变化±20%，输出变化（调整范围内）不大于±1%。 　3. 高线性对应关系，0-10V设定与输出电流（压）成较好线性关系，非线性度不大于5%。 　另外，模块还具有如下功能： 　1. 过流、过热、缺相保护三种保护功能使模块应用更为安全。 　2. 霍尔传感器采样信号输出，可外接电流电压显示。 　3. 如果内部反馈系统效果达不到用户要求，用户可选择禁止使用，从外部另接反馈控制电路。 3　智能模块在电源中的基本应用 　现代化工业生产中，采用晶闸管的恒流恒压设备，因为具有大范围的恒压（0～几百伏）、恒流（0～几百安培）特点，应用空间很大。但是，目前大多数恒流恒压的晶闸管装置和产品受传感器和控制电路的制约，体积庞大，电路复杂，难于调试，控制精度低。并且由于采用了分流器和分压器进行取样，无隔离措施，控制电路的电磁干扰大，难以与计算机接口应用，使晶闸管恒流恒压设备的应用处于一种比较困难状态。智能模块很好的解决了这一应用与制造上的矛盾，目前，已在发电机励磁、直流屏（蓄电池充电）、激光电源、充磁设备、UPS电源等各种场合得到广泛应用。 　智能模块在实际电源系统中的应用可分为两类： 　一类是整流型模块，具体应用电路如图3。 模块输出直流电压经LC滤波后直接到负载。输出电压调整范围为0-510V。 　这种用法的特点是输出大电流、高电压。 　另一类是交流型模块。具体应用电路如图4。模块输出交流可调电压接到变压器初级，次级经双反星型整流后，得到所需直流电压。 这种用法适合于低电压、大电流的负载。 4　智能模块应用实例 　某项高能直线感应加速器需要近百台500A恒流源，研制单位是中国工程物理研究院流体物理研究所。要求有极高的可靠性，稳定度和低的纹波。负载在0.05～0.1Ω大的范围内变化，电流从200A至500A连续可调，电网电压交流340V～420V。 　研制生产近百台恒流源需要作到器材、器件一致，元器件充分降额使用，装配程序、装配工艺规范，结构简单，便于装配、操作、维修、运行，严格质量控制。 　恒流源在大电流工作下，冷却方式一般采用水冷，但在百台同时工作时建立水循环系统，很复杂很困难，有上千根水管及接头，很难保证不漏水。采用调压式控制管压降在8±2V内，成倍降低管耗，降低散热要求，可以去掉水冷。 　经比较论证，在调压单元这一关键部分，决定选用三相交流智能控制模块。恒流源工作原理见图5。 三相交流电经断路器、调压模块、变压器降压、三相桥式整流滤波后的直流电压Vo为恒流源供电。 　断路器起着过流保护作用，当恒流源失控或负载短路而过流时，自动切断电源。 　交流调压模块是本方案重要部件，只需外加12V直流供电，以手动或微机控制给定信号电压，即可改变6只晶闸管的导通角，从而改变交流输出电压，达到控制直流供电Vo的目的。 　从理论分析和实验结果数据可以证明采用调压式具有明显的效果：省工、省时、省空间、省费用，装配简便，工作可靠稳定，性能指标有提高。现已完成生产500A调压式恒流源近百台，调试方便，性能参数一致。 5　智能模块的谐波分析测量 　三相交流模块是通过改变晶闸管的导通角达到调压目的，因此会产生谐波污染电网，影响多大，已作了现场测量。 　实验条件为：按照图4所示电路形式，35台同时工作。 　根据国家标准《电能质量　公用电网谐波》（GB/T 14549-93），标称电压为0.38kV的电网，奇次谐波电压含有率允许值为4﹪，谐波电压总畸变率允许值为5﹪。实验中相电压为230V，因此奇次谐波电压允许值为9.2V，谐波电压允许值为11.5V。实际测量值为：5次谐波8.96V，5次谐波电压含有率3.89﹪，7次谐波3.5V，7次谐波电压含有率1.52﹪。忽略其他次谐波，谐波电压总畸变率为4.1﹪。 　结论：单台工作其电压谐波和电流谐波均较小，主要是5次和7次。且与工作状态有较大关系，即导通角小、谐波小。多只模块同时工作，总的电压谐波不是各台电压谐波相加，而是随着台数增加，总的电压谐波变化并不明显。所产生的谐波在国家标准允许的范围内，对电网的污染并不是太严重。