专利名称：晶闸管变频模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及半导体器件领域，尤其涉及其中主电路由晶闸管组成的具有变频功能的电力半导体模块。
在过去的几年，对功率电子器件的研究目标是提高其工作频率和功率处理能力。实质性的进展集中于改进功率MOSFET、IGBT、MCT等新型器件的结构和功能。尽管这些器件可以使用它的控制极方便地导通、关断电路，具有使用方便的优点，但是它们的寿命和可靠性较差，在使用中容易损坏而导致整个电路失效。
对于晶闸管来说，其突出的优点是可靠性高，功率大。但晶闸管是一种只能自己导通，不能自己关断的器件，要让它实现某种功能，需要解决庞大的触发系统，并需要一定的辅助电路来使其关断。
1992年出版、南京航空学院丁道宏主编的“电力电子技术”的第四章描述了已有技术的晶闸管触发电路，参见
图1。这种晶闸管触发电路可分为脉冲形成及放大、锯齿波形成及脉冲移相、同步、双脉冲形成及强触发等环节，并经变压器(磁罐)耦合到晶闸管。其中，晶体管Q1,Q2,Q3组成锯齿波形成及脉冲移相电路，晶体管Q4,Q5组成脉冲形成环节，晶体管Q7,Q8组成复合功率放大器，触发脉冲经变压器T的次级输出。触发电路的同步环节由同步变压器BT和同步开关Q2所组成，同步变压器接到主电路电源上，次级电压控制Q2的通断。双脉冲触发用于晶闸管的桥式全控电路，强触发可以缩短晶闸管的导通时间。在这一过程中，锯齿波形成、脉冲移相、脉冲形成及同步属于信号处理，可以运用微电子技术对其进行集成，达到小型化。但是强触发功率放大、变压器磁罐耦合部分，则由于采用的晶体管功率较大，难以做成集成电路来减少体积，只能用分立的体积较大的功率晶体管来完成。另一方面，该电路采用的触发频率约在5-10千赫，需要选用较大体积的磁罐进行电磁耦合。每个磁罐的体积为20mm(高度)×30mm(直径)。对一个三相变频调速模块来说约需要12个这样体积的磁罐，所以这样的技术方案不仅线路组成较复杂，而且体积也较庞大。难以将晶体管变频系统浓缩为一个较小体积的模块。
由于晶闸管的控制极只能控制晶闸管导通，不能使其关断。所以晶闸管的关断需要辅助晶闸管和LC网络组成的辅助电路来完成。另外，触发电路、晶闸管主线路以及散热部分组成的整个线路是一个复杂的系统，通常只能做成体积较大的柜子，由有经验的技术人员现场安装和调试，所以这种变频调速方式一直末能得到有效推广应用。
因此，虽然能用晶闸管组合形成很多功能电路，但难以将其集成为一个具有一定功能的模块，例如晶闸管变频模块。市场上已有的晶闸管模块，基本上是晶闸管元件的简单堆积。
因此，本实用新型的目的是将主电路由晶闸管组成的三相或单相变频电路与其触发电路、散热部分、控制部分集成在一个模块内，使之成为一个具有变频功能、使用简单方便、体积大幅缩小的功率电子模块。
为实现上述目的，本实用新型晶闸管变频模块包括晶闸管主电路部分；陶瓷覆铜板做的基板，在其上进行各种电路的连接；触发电路以及封装材料。
本实用新型晶闸管变频模块的特征在于通过选择触发电路的元件参数将触发电路的触发频率提高到80KHz以上，并采用小型罐型触发隔离变压器，罐型触发隔离变压器的耦合性好，漏磁小，完全可以满足触发能力的要求，这样既实现主电路与控制线路的隔离，具有抗干扰能力，又实现了小型化。本实用新型晶闸管变频模块的特征还在于触发电路的功率放大部分是一个可高频工作的集成电路，其方波输出的陡直度要好。
本实用新型晶闸管变频模块的特征还在于触发电路的控制部分具有输入端以根据特定的应用调节触发脉冲的形状、序列和定时，进行脉冲分配，使模块完成需要的功能。
本实用新型晶闸管变频模块的晶闸管主电路可按需要以各种电路形式组成，例如形成变频电路、整流电路、逆变电路等，与已有技术相同。
本实用新型晶闸管变频模块的特征还在于采用陶瓷覆铜板做晶闸管芯片的支撑板，以解决散热及可靠性问题，在板上面连接各晶闸管以及其他电路元件组成功能电路。
因此本实用新型的晶闸管变频模块具有使用方便，成本低、可靠性高的效果，用户不需进行调试。
下面参照附图详细描述本实用新型实施方案。
图1是已有技术的晶闸管触发电路；图2表示晶闸管三相变频调速线路的晶闸管部分；图3A表示本实用新型晶闸管变频模块触发电路的功率放大部分；图3B是本实用新型晶闸管变频模块触发电路的功率放大部分与晶闸管实际连接的线路图；图4A、4B和4C是三种本实用新型晶闸管变频模块的原理方框图；图5A是本实用新型晶闸管变频模块的剖面图；图5B是本实用新型晶闸管变频模块的布局示意图；图6是51系列单片机与三相SPWM产生电路SLE4520的线路结构；图7是晶闸管变频模块的脉冲分配及功放部分；图8是晶闸管变频模块的主电路部分；图9和图10是两种本实用新型所用磁罐的分解示意图；图11是本实用新型晶闸管变频模块的一个实施例的外形图。
图2是本实用新型采用的晶闸管三相变频调速线路的晶闸管主电路部分的一个实例，可以采用Y型或Δ型连接。它构成晶闸管变频模块的主电路部分，在导通时输送高功率。这部分电路包括主晶闸管和辅助(换流)晶闸管，以及换流电容和电感。辅助晶闸管、换流电容和电感用于控制主晶闸管的关断。图8是三相晶闸管主电路部分更具体的实施例，其中示出了与图7电路的连接方法。M表示载荷，例如电动机。本实用新型也可以用于单相功率电路的控制。
本实用新型的主要目的在于将晶闸管及其触发电路、散热系统集成在一个模块内。这需要解决两个问题一是将晶闸管主电路小型化；二是对触发系统进行改造，使之体积减小。
第一个问题可以通过采用陶瓷覆铜板(DCB)来解决，将晶闸管芯片和其他电路元件直接焊在上面，然后进行电路互联。陶瓷覆铜板具有机械支撑、绝缘散热等作用。
其次是对触发系统进行改造，使之既能缩小体积，又能满足触发功率的需要。首先对触发电路的功率放大部分进行集成化，申请人采用了附图3A的具体线路。该部分的输入是模块输入信号经过脉宽调制和脉冲分配以后的信号，它的输出级使用推挽输出。由此其具有较强输出能力，又能满足集成电路生产工艺，同时具有较好的频率特性，可以在较高的频率下使用。应注意在使功率放大部分组成为集成电路时，集成电路的方波输出要有陡的上升沿或下降沿。方波的陡直度好，才能满足晶闸管的触发要求。另外，实验发现附图3A电路中的电阻(R1、R4)不能用恒流源代替。图3B示意了触发电路与晶闸管的实际连接图。放大后的触发脉冲经变压器耦合以及全波整流后输入到晶闸管的门极，控制晶闸管的导通时间。图中只示出了一个晶闸管的情况，对于多个晶闸管，原理是一样的。
然后是对触发用的脉冲变压器的体积进行缩小。缩小体积的一个重要方法是提高工作频率。现有技术采用5-10KHz的触发频率，需要选用较大体积的(磁罐)变压器。如果选择合适的电路参数形成高频振荡电路，将触发脉冲的频率提高到80KHz以上，磁罐的体积可以成倍地大幅度缩小，体积由原来的20mm×30mm，缩小到9mm×11mm或6mm×9mm，由此显著缩小了脉冲变压器部分的体积，这对缩小整个系统的体积有很大的贡献。可以选择任何合适的高频振荡电路形成触发电路的前级，只要它与前述的功率放大集成电路匹配。
图9和图10是两种本实用新型所用磁罐G11和G9的分解示意图。图中示意了线圈骨架、磁罐和磁罐组件的装配图。G9磁罐变压器用于小型变频模块，适用于晶闸管电流小于100A的情况；G11磁罐变压器用于大型变频模块，适用于晶闸管电流大于100A的情况。两种磁罐变压器的用法与普通铁芯式的小变压器的用法一样。具有初级和次级。图中1是磁罐，2是线圈骨架，3、4是绕组。图中还以机械制图方式给出了具体尺寸。这种磁罐变压器的优点是结构紧凑，磁路封闭性好，耦合效率高，抗干扰能力强。
因此，晶闸管触发电路的改进在于，将脉冲分配、时间分配后各路电路波形调制成为80KHz以上的方波，然后送入功率放大集成电路，功率放大集成电路不仅频率特性好，而且要保证方波的陡直度，然后放大的信号通过输出电容耦合给脉冲触发变压器、经过二极管整流后，送入晶闸管的控制极。这样触发系统的体积大幅缩小，可以与晶闸管主电路封装在一个模块内。
图4A、4B和4C是本实用新型晶闸管变频模块的不同实施方式的原理方框图，其中晶闸管主电路部分给出了具体的元件连接结构。它们的差别在于触发电路中用于对控制信号进行处理的部分不同，以便完成不同的模块功能。图4A是单相变频或变频调速晶闸管模块的原理方框图，图4B是三相变频调速晶闸管模块的原理方框图，图4C是半桥变频和斩波晶闸管模块的原理方框图。触发电路中对控制信号进行处理的方法对于本领域技术人员是已知的，这里不再赘述。
图5A和5B分别是本实用新型晶闸管变频模块的纵剖图和平面布局图。模块内的电路采用多层布线技术分为两层。下面是晶闸管芯片及布线区，该部分在导通时流过大电流，需要解决好散热及热平衡分布。上面是控制线路及元器件区，包括触发系统和对模块的输入信号进行调制处理的电路，基本属于微电子电路。两层之间是绝缘材料，例如环氧树脂。两层之间通过电引线进行电连接。图5A和5B中标号1表示铜基板，标号2表示芯片布局区，标号3表示L、C塑料外壳，标号4表示元件区，标号5表示模块外壳，标号6为电极固定上盖，7为陶瓷覆铜板，8为固定螺栓，9是接插件，10是引出电极。
图6是51系列单片机与三相SPWM产生电路SLE4520的线路结构。目前三相变频控制的方式很多，例如将51系列单片机与三相SPWM电路配合，或者单片机与三相SPWM电路合二为一。
图7是晶闸管变频模块的脉冲分配及功放部分。图中T1-T12为磁罐变压器；B1-B12为二极管整流桥。图中分别示出了与图6电路和图8电路的连接方式。
图11是本实用新型晶闸管变频模块的外形图，分别为主视图、俯视图和左视图。图中的1是外接电极螺钉，表示与外部的接口。2是模块塑料外壳，3是接插件，4是模块铜底板。图中也以机械制图方式给出了具体尺寸。
本实用新型实现了将晶闸管这一最基本的电力电子器件与其触发系统集成在一个模块内做成一个使用方便、调试简单的功率电子模块，具有成本底廉、稳定性好的优点。本实用新型并不限于所公开的具体实施方式
，其范围由随后的权利要求书限定。
权利要求1．一种晶闸管变频模块，包括基板、触发电路部分、主电路部分以及外壳，其中主电路部分由晶闸管和辅助电路组成，所述主电路部分的输出连接到变频模块的输出，所述触发电路输出的触发信号送到主电路中晶闸管的门极以控制晶闸管的导通角，所述基板用于支撑形成各功能部分的各个元件和散热，所述外壳中含有多个端子用于连接到外部电路和将变频模块的输出送到负载，特征在于选用高频振荡电路形成触发电路，使所述触发电路的触发频率大于或等于80HKz。
2．根据权利要求1的晶闸管变频模块，其特征在于所述基板是陶瓷覆铜板，所述晶闸管组成的主电路部分直接焊在陶瓷覆铜板上。
3．根据权利要求1或2的晶闸管变频模块，其特征在于所述触发电路还包括功率放大部分和变压器输出部分，所述变压器输出部分采用磁罐变压器形式，磁罐的体积为9mm(高度)×11mm(直径)或6mm×9mm或更小。
4．根据权利要求3的晶闸管变频模块，其特征在于所述触发系统的功率放大部分为可高频工作的一个集成电路，其方波输出的陡直度好。
5．根据权利要求4的晶闸管变频模块，其特征在于所述触发系统的功率放大部分的输出级使用推挽输出，其形成振荡的部分不包含恒流源。
6．根据权利要求1或3的晶闸管变频模块，其特征在于所述触发部分包括控制部分，用于根据所需的模块功能控制形成所需的触发信号。
7．根据权利要求2的晶闸管变频模块，其特征在于所述触发电路形成在另一块基板上，两决基板之间通过电引线连接形成完整的电路。
8．根据权利要求1或3的晶闸管变频模块，其特征在于所述触发部分包括51系列单片机的三相SPWM产生电路，用于根据所需的用途形成所需的触发信号。
9．根据权利要求1或3的晶闸管变频模块，其特征在于所述辅助电路由LC网络组成，用于使导通的晶闸管转变到关断状态。
专利摘要一种晶闸管变频模块,包括基板、触发电路部分、主电路部分以及外壳,其中主电路部分由晶闸管和辅助电路组成,所述主电路部分的输出连接到变频模块的输出,所述触发电路输出的触发信号送到主电路中晶闸管的门极以控制晶闸管的导通角,所述基板用于支撑形成各功能部分的各个元件和散热,选用高频振荡电路形成触发电路,使所述触发电路的触发频率大于或等于80HKz。本实用新型的晶闸管变频模块体积小,成本低,使用方便,且可靠性高。
文档编号H02M5/27GK2446715SQ0020505
公开日2001年9月5日 申请日期2000年3月10日 优先权日2000年3月10日
发明者曹恒 申请人:曹恒