专利名称：大功率交流固态继电器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种继电器，更确切地说，涉及一种能够在工业环境中应用的大功率交流固态继电器。
继电器是自动控制系统和通讯设备中经常使用的一种电路开关器件，当某些参数(如电压、电流、温度、压力等)达到予定值时动作，使被控制的电路接通或断开，其应用很广，种类繁多。其中，固态继电器(简称SSRSolid state Relay)通常都是用作工业自动控制的驱动模块，其输入端通过光电耦合器U1与工业控制计算机相连，输出端则与用电器和交流电网AC相连(参见
图1)。现在，一般的固态继电器的内部安装结构如图2所示，通常是用塑封双向可控硅1作为该器件的功率输出级。这种采用成品级塑封双向可控硅的晶闸管，受其制造工艺和本身结构的限制，通态电流小(≯40A)正反向重复峰值电压小于1000伏，不重复浪涌电流小于400A，加上晶闸管1的管脚2的截面小(一般≯1平方毫米)和热阻大(≮0.3℃／W)，成为限制大电流通畅的瓶颈；此外，塑封晶闸管1与散热器底板6存在着的接触面积小和绝缘与导热间的矛盾，至今仍无比较理想的解决方法。所以，现在的固态继电器通常只能进行较小电流的控制。再者，其传统的方形外观，以及工作主电流是通过线路板3与接线柱4之间的焊锡5连接的结构而引出的，这种焊接结构存在着连接点多，连接材料(焊锡5)导电性不良等不利于引出大电流的缺陷(参见图1)。所以，现在的固态继电器只能应用于连续工作电流不大于50A，不重复浪涌电流小于400A的环境，即用于小电流，可靠性要求不高的民用场合。
本实用新型的目的是提供一种能够用于工业环境的大功率交流固态继电器。
本实用新型是这样实现的它包括有外壳、底板、由光电耦合器件构成的输入端、功率输出级和接线端、其特征在于该器件直接采用两个大硅片和两组内部电极及L型引出电极组成两个反向并联的可控硅结构构成其功率输出级，且采用无氧铜板冲压成型的电极、硅片和底板是采用铜一瓷直接键合技术而连成一体；其外壳呈长型结构；功率输出级的硅片通过L型引出电极直接与六角螺栓接线端相连。上述电极的截面面积应不小于20平方毫米。
本实用新型电路结构的最大优点是采用大硅片组成两个反向并联可控硅结构的晶闸管作为其功率级，使硅片的发热点分散到两处，便于散热；又用引出电极直接与接线端相连，可避免塑封晶闸管的引线截面小，热阻大的缺陷。再者，利用铜一瓷直接键合(DBC)的高新技术，使电极、硅片与底板直接健合。这种以往只用于军品和高可靠产品上的技术，具有很好的导热、绝缘和热疲劳性。本实用新型采用这种铜一瓷直接键合技术，可使硅片工作温度降低20℃以上，热疲劳次数显著提高，可从1000次提高到50000次以上。总之，本实用新型的控制电流大(可达180安培)，正反向重复峰值电压高(大于1600伏)，不重复浪涌电流大(可达1000安培以上)热疲劳性能优良(高于50000次)和耐冲击性能强(可耐1500安培以上)，完全可以在恶劣的工业环境下可靠运行，为工矿企业实现机电一体化提供了实用的智能电力提供器件。
图1是现在的固态继电器的电路结构原理图。
图2A是现在的固态继电器的结构剖视图。
图2B是现在的固态继电器的俯视图。
图3是本实用新型的电路结构原理图。
图4A是本实用新型结构剖视示意图。
图4B是本实用新型结构俯视图。
参见图1、图2，图中U1是光耦合器，作为该器件的输入端，T1是塑封双向可控硅(也是图2中的器件1)是其输出端，即功率级。现在的固态继电器的外壳8一般为方型结构(参见图2B)，4是其引出接线柱，通常采用一字形螺钉，通过焊锡5与线路板3可控硅器件的管脚2相连。7是充填的环氧树脂，其内焊装有电子元器件。
参阅图3，本实用新型的电路输入端仍采用光电耦合器，只是用两个器件U2、U3相串联，以提高其耐压性。功率输出级则采用两个硅片级可控硅T2、T3反向并联的结构，以增大该硅片的散热面积和条件，以利于增大通态电流；同时，也使得采用先进的铜一瓷直接键合技术成为可能。
图4A、图4B展示了本实用新型的独特外型、合理的硅片和电极形状及其连接结构。本实用新型的外壳17采用长型结构，使其体积明显减小。其功率输出级直接采用两个大硅片11和两组内部电级12与L型引出电极13组成两个反向并联可控硅的电路结构，且该硅片11通过L型引出电极13直接与六角螺栓输出接线端15相连。这样电极可以直接引出而不经其他焊接结构而连接，使得结构简洁，又克服了原来的锡焊的多种弊病，有利于通态电流的加大，另外，压接螺栓采用六角螺栓15可使连接更加可靠。上述两种电极12、13都是采用无氧铜板冲压成型，其最小截面面积应不小于20平方毫米。14是散热底板，其与硅片11、电极13均采用铜一瓷高温直接键合技术而连成一体，从而很好地解决了硅片和电极的大电流功耗散热和热疲劳问题。16是充填的环氧树脂，其中焊装有其他电子元器件。
本实用新型已经试制出样品，并进行性能验证性的实施试验，通过两个用户共6个本实用新型的样品在现场运行，证明了本装置基本实现了发明目的其中一个用户是南苑机场，使用了3只本实用新型样品，安装在露天场所，用于雷达跟踪电机的控制，至今运行已有四个多月，工作正常。由于电机频繁正反转运行，过去使用接触器和普通固态继电器效果都不理想。另一用户是雪花电器集团，也使用3只本实用新型样品，安装在热处理炉的温控装置上，工作正常。以往由于这种时间比例的控制方式，启停动作极为频繁，采用普通固态继电器和接触器都不能满足设备长期可靠工作的使用要求。
权利要求1.一种大功率交流固态继电器，它包括有外壳、底板、由光电耦合器件构成的输入端、功率输出级和接线端、其特征在于该器件直接采用两个大硅片和两组内部电极及L型引出电极组成两个反向并联的可控硅结构构成其功率输出级，且采用无氧铜板冲压成型的电极、硅片和底板是采用铜一瓷直接键合技术而连成一体；其外壳呈长型结构；功率输出级的硅片通过L型引出电极直接与六角螺栓接线端相连。
2.如权利要求1所述的大功率交流固态继电器，其特征在于上述电极的截面面积应不小于20平方毫米。
专利摘要一种大功率交流固态继电器，包括有长形外壳、底板、由光电耦合器构成的输入端和直接采用两个大硅片和两组内部电极和L形引出电极组成两个反向并联可控硅电路结构的功率输出极，其中由无氧铜板冲压成型的电极、硅片和底板采用铜-瓷直接键合技术连成一体，且电极直接引出与输出螺栓相连。该器件的控制电流大，正反向重复峰值电压高，热疲劳性能优良，可以在恶劣的工业环境下可靠运行，为机电一体化的实用智能电力模块器件。
文档编号H03K17/79GK2213401SQ9424850
公开日1995年11月22日 申请日期1994年12月30日 优先权日1994年12月30日
发明者梁燕生 申请人:梁燕生