专利名称：新型电力半导体集成组件的制作方法
技术领域：
新型电力半导体集成组件
技术领域：
本实用新型属于电力电子功率器件技术领域，涉及一种多功能集成的新型电力半 导体集成组件。
背景技术：
电力半导体功率器件(晶闸管SCR、三极管GTR、GT0、、IGBT等)广泛应用于整流、 变流、变频、调压、电子开关等等领域。功率器件的电路系统由数十个辅助的电气和机械部 件组成。现有的制造方法是把功率元件及其几十个周边元件用人工一一组装，然后作为整 机电路的一部分连接。用户必须自行配置设备和人力，动手进行繁杂的组件安装工作，其工 期长效率低。因为制作方式的局限，其制作的功率组件电路性能欠完备，可靠性不高。传统的电力半导体功率器件的制造使用方式是采用下述方式设备制作商需要用 到功率组件时，必须自行制作，这涉及到市场、机械和电器加工等等达二十个工作程序，制 造工期长。即使只需要几件功率器件，制造商也要面面俱到地配置机械、电器加工设备，配 备技术工人，使传统的功率组件的制造成本高，费时费力而质量效率低；现有的电力半导体 功率器件有数十个元件，其结构件复杂，需要19个安装工序，需配备专用设备和人员，其散 热方式与体积采用钢板焊接成一个大的通风室，体积庞大，但效率低，用户无专业检测的条 件，器件质量无保证，冷却风机不可控。风机全速、全压、长期运转，容易损坏而导致器件过 热损坏，电气保护电路采用熔断器等简单方式，没有通讯接口，过压吸收保护电路采用用户 非专业的自制，质量难保证，功率器件与周边电路有繁琐的导线连接，须用户自行加工连接 导线，由于工序繁多，需专用设备和专业人员，性价比差。
实用新型内容为了克服现有技术的上述缺点，本实用新型提供一种采用智能控制，将元件、散热 器和风机合为一体，具有安装简便、散热效果好、体积少重量轻、可靠性高、保护性能完善、 综合成本低和性价比好优点的新型电力半导体集成组件。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种新型电力半导体集成组 件，包括电力功率器件和具有一体化集成结构的冷却系统、过压吸收保护电路、智能风机和 微机监控系统，其中电力功率器件联接有输入电源和输出电路，所述微机监控系统的CPU 中央处理器通过保护执行电路和驱动信号门电路与电力功率器件相联接。所述微机监控系统的CPU中央处理器的输入端与温度、电流、电压信号预处理电 路相联，其输出端分别联接有本地数据显示及报警电路和控制冷却风机的温度_转速控制 电路，在其输出端配置有标准RS232/485接口电路的接口端子。所述冷却系统为散热系统、风道壳体、安装板和散热器四位一体的结构，其中风道 壳体就是散热器，功率元件直接安装于高导热率的铝风道壳体之上。所述温度-转速控制电路就是冷却风机控制单元电路，温度检测器依次通过单片 机控制电路及芯片驱动电路与冷却风机相联接。[0009]所述微机监控系统联接有微机监控保护单元电路，所设有的输入脉冲检测电路、 电压信号分压光耦电路、电流信号专用互感器电路和温度采样电路依次通过采样处理电路 和模数转换电路与单片机相联接，其中单片机配置有输入按键。所述过压吸收保护电路主要有容阻式保护电路、容阻与整流式保护电路以及容阻 加电涌保护器保护电路。本实用新型的有益效果是将各组件集成为一个元件，只需两个安装工序，元件、 散热器和风机合为一体，散热面积增加，体积重量减少，电力功率器件采用专业采购，仪器 检测，冷却风机采用智能控制，根据器件温度自动调速，可靠性高，采用自主式微机保护，配 置有短路、超温、过压、过流、缺相和失衡保护电路，设置有数字/模拟接口输出，过压吸收 保护电路采用专业设计制造，使得保护性能完善，组件内部电路已连接好，用户无需连接， 其综合成本低，性价比好。
图1是本实用新型的电路原理方框图；图2是本实用新型的所述风机控制单元电路原理方框图；图3是本实用新型的所述微机监控单元电路原理方框图；图4、图5是本实用新型的所述过压保护电路原理图；图6是本实用新型的所述三相全控晶闸管整流功率组件电路原理方框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明参见图1，一种新型电力半导体集成组件，包括电力功率器件和具有一体化集成结 构的冷却系统、过压吸收保护电路、智能风机和微机监控系统，其中电力功率器件联接有输 入电源和输出电路，所述微机监控系统的CPU中央处理器通过保护执行电路和驱动信号门 电路与电力功率器件相联接。其中组件产品配合技术市场的需要，有相应多种型号规格，其 电气原理是类同的，其中的电力功率器件可以是SCR、GTO、GTR、IGBT等等，只要把相应的电 路内容换上去即可。本实用新型的安装制作方式采用专业化的生产。用户安装使用工序从传统分散组 装的19个减为2个，即先订购功率经件，然后柜上装配，且无需调试。本实用新型的电力功率器件的选择半导体功率元件(大功率二极管、晶闸管、功 率三极管等)是产品的核心，由于本产品是专业化批量生产，选用的功率元件有条件采用 专业仪器，按GB和IEC标准进行检测、筛选、老化和标定。本实用新型的散热系统为散热 系统=风道壳体=安装板=散热器=1，即“四合一”的结构。本实用新型的风道壳体就是散热器，功率元件直接安装于高导热率的铝风道壳体 之上，接触面是高精度的紧密配合，热阻非常小。这种结构使集成组件的散热热容量增加， 散热表面积比传统方式增加1/3以上，体积、重量也大为减小。半导体元件均选用基板绝缘的功率模块，即电路与组件机体绝缘，耐压达2500V 以上。由此可以取消绝缘安装板，各功率元件直接安装在同一散热器上，热阻大为减低。由 于散热器与电路绝缘，甚至可以利用配电柜的金属壳体作为散热器的伸延，大大增加散热 器的表面积。风道设计采用流体力学原理，改善空气的流通性能，消除气流的紊流区。使风冷的效率提高。对于使用要求比较高的场合，本实用新型本实用新型采用热管的冷却方式。本实用新型的冷却风机控制单元电路如图2所示，本集成组件的冷却风机为智 能式，通过89S52单片机控制及L298芯片驱动以实现对风机的PWM(脉冲宽度调制)控制。 根据功率器件的温度自动调节转速。在供电电压升高是能自动限压，避免风机绕组过压运 行。在器件温度超标或风机故障时，会发出报警信号，在集成组件的本身面板上发出声光警 报，以及通过输出通讯接口，向上位计算机传输信号。此方法使风机的运行质量和寿命都提 高，器件运行的可靠性大为提高。本实用新型的计算机监控保护单元电路如图3所示，本集成组件具备自主的计 算机控制系统，能对各功能参数进行了有效的调控，极大地提高了组件自身乃至整个设备 系统的稳定性和可靠性。如图3所示，组件采用16位单片机作为核心的控制单元。配备专用的电流互感器 和温度传感器，通过采样单元检测功率器件的温度、电流、电压参数，再通过单片机对信号 进行分析，从而实现对触发脉冲检测、过电流、过电压、缺相、三相电流不平衡、输出短路、开 路等状态的保护和报警信号输出，可以连接DCS系统对功率组件进行相应的监控。功率组件具备显示和控制界面，实现温度、电气的工作/故障信号的数字显示，同 时具备输入按键，有控制数据的设定输入功能。本实用新型的输入电路组件内的设置继电器矩阵，前级控制脉冲信号从组件的 输入口通过继电器进入功率器件的控制极。在系统发生致命故障时，通过内部或外部的监 控指令使继电器动作，切断输入脉冲及关闭功率器件，停止系统的工作和灭磁。本组件使用 硬件(继电器矩阵)保护，其性能非常可靠，是通常软件控制的手段所达不到的。本实用新型的输出接口 配备标准RS232/485接口电路，可以与远地PC、PLC通讯， 从而实现对功率半导体集成组件的远程监控。外部PC或PLC能实时读取器件的运行状况 和各种报警信号等数据，实现DCS控制。本实用新型的功率元件的过压吸收保护单元电路，如图4和图5所示，正确选用过 电压吸收保护单元的电路和参数，对半导体功率元件的可靠运行具有重大的作用。用传统 方式构造的功率电路，其过压保护单元是分立元件型式安装的，与主电路分离，结构和接线 都相对繁杂。由于受条件的限制(电路设计和元件采购的非专业性等等)，其保护性能和效 果难以做到最好。本实用新型把过压保护电路集成其中，与功率元件结合一体，使产品的外结构非 常简单可靠。内部选择多重保护功能电路，进行专业的参数设计，使对过压的缓冲吸收性能 有大幅的提高。本实用新型的过压吸收保护单元电路如图4和图5所示，主要有RC(容阻式)保 护形式、DRC(容阻与整流式)保护方式，以及RC+SPD(容阻+电涌保护器)方式。采取比 较完善的多重保护网络电路，根据功率电路的不同的电压、电流、频率和谐波参数，进行专 门的设计和计算，以获得最准确的元件参数。其中图5是以三相全控晶闸管励磁整流电路 为例，RC和DRC的电路结构。本实用新型产品由专业生产工厂制造，从选购元件、设计、制作、测试各方面都具 有了专业的优势。同时被赋予先进的微机监控技术及通讯功能，故本发明产品在性能、价 格、易用性、互换性、先进性、可靠性各方面都全面超过现有技术的产品。其中一是电力功率器件一体化的集成结构内中包括冷却系统、过压吸收保护电路、智能风机、微机监控功能； 二是对冷却系统的改进使得“散热系统=风道壳体=安装板=散热器”，为四位一体的结 构；三是自备的微机监控触发脉冲检测、过电流、过电压、缺相、三相电流不平衡、输出短 路、开路等状态的保护和报警信号输出，具备通信接口，输入继电器保护；四是采用智能风 机单片机控制，根据功率器件的温度变化自动调节风机转速。在电源过电压时自动限压。
权利要求一种新型电力半导体集成组件，其特征是包括电力功率器件和具有一体化集成结构的冷却系统、过压吸收保护电路、智能风机和微机监控系统，其中电力功率器件联接有输入电源和输出电路，所述微机监控系统的CPU中央处理器通过保护执行电路和驱动信号门电路与电力功率器件相联接。
2.如权利要求1所述的新型电力半导体集成组件，其特征是所述微机监控系统的 CPU中央处理器的输入端与温度、电流、电压信号预处理电路相联，其输出端分别联接有本 地数据显示及报警电路和控制冷却风机的温度-转速控制电路，在其输出端配置有标准 RS232/485接口电路的接口端子。
3.如权利要求1所述的新型电力半导体集成组件，其特征是所述冷却系统为散热系 统、风道壳体、安装板和散热器四位一体的结构，其中风道壳体就是散热器，功率元件直接 安装于高导热率的铝风道壳体之上。
4.如权利要求2所述的新型电力半导体集成组件，其特征是所述温度_转速控制电 路就是冷却风机控制单元电路，温度检测器依次通过单片机控制电路及芯片驱动电路与冷 却风机相联接。
5.如权利要求1所述的新型电力半导体集成组件，其特征是所述微机监控系统联接 有微机监控保护单元电路，所设有的输入脉冲检测电路、电压信号分压光耦电路、电流信号 专用互感器电路和温度采样电路依次通过采样处理电路和模数转换电路与单片机相联接， 其中单片机配置有输入按键。
6.如权利要求1所述的新型电力半导体集成组件，其特征是所述过压吸收保护电路 主要有容阻式保护电路、容阻与整流式保护电路以及容阻加电涌保护器保护电路。
专利摘要本实用新型涉及一种新型电力半导体集成组件，包括电力功率器件和具有一体化集成结构的冷却系统、过压吸收保护电路、智能风机和微机监控系统，其中电力功率器件联接有输入电源和输出电路，所述微机监控系统的CPU中央处理器通过保护执行电路和驱动信号门电路与电力功率器件相联接。将各组件集成为一个元件，安装简便，散热面积增加，体积重量减少，冷却风机采用智能控制，根据器件温度自动调速，可靠性高，采用自主式微机保护，配置有短路、超温、过压、过流、缺相和失衡保护电路，设置有数字/模拟接口输出，过压吸收保护电路采用专业设计制造，使得保护性能完善，组件内部电路已连接好，用户无需连接，其综合成本低，性价比好。
文档编号H02M1/32GK201742286SQ20092023797
公开日2011年2月9日 申请日期2009年10月28日 优先权日2009年10月28日
发明者林敦, 苏涛 申请人:林敦