用于軟起動器的晶閘管模塊SEMiSTART

0 引言

現(xiàn)在，軟起動器已廣泛用于電動機的起動。而在軟起動裝置中，半導體必須極其堅固以應對較大的芯片溫度變化，同時必須表現(xiàn)出非常好的負載循環(huán)能力。如果這些要求都滿足，那么軟起動裝置就會有很長的使用壽命。

SEMiSTART 是一款專為軟起動裝置設計的反并聯(lián)晶閘管模塊。得益于其所采用的雙面晶閘管芯片冷卻技術，SEMiSTART 的內(nèi)部熱阻只有模塊化設計中傳統(tǒng)器件的一半。此外，該緊湊型模塊還使用了被證明有效的壓接技術?？偠灾琒EMiSTART 模塊為解決感應電機起動時所產(chǎn)生的大起動電流問題，提供了一個最佳的且可靠性高的解決方案.

在驅(qū)動工程領域，所采用的驅(qū)動電機主要是三相感應電機。這類電機通常具有如下的優(yōu)點：

1)堅固的設計;

2)維護費用低;

3)性價比高。

1 電機起動控制的三種方式

在實際中，有三種不同的電機起動控制方式。

1.1 直接在線起動

對于三相感應電機(異步電機)，直接在線起動產(chǎn)生非常高的電機起動轉(zhuǎn)矩和起動電流。高起動轉(zhuǎn)矩會導致機械損壞，比如由三相感應電機驅(qū)動的傳送帶可能會被撕裂，大起動電流能夠?qū)е码娋W(wǎng)中產(chǎn)生尖峰電壓。驅(qū)動電機越大，所產(chǎn)生的影響越嚴重。

為了應對這些不良的影響，起動階段施加到感應電機上的電壓要被控，這意味著起動電流和相應的起動轉(zhuǎn)矩會受到限制。不同的起動方式對電機起動電流的影響如圖1所示。

1.2 Y-Δ起動器

一個簡單的解決方案是星形—三角形起動器(也稱為Y-Δ起動器)。這種方案中，電機的定子繞組在起動加速階段按照Y型連接，一旦電機接近額定轉(zhuǎn)速，繞組變?yōu)?Delta;型連接。以Y型連接方式起動的效果在于，電機在達到正常轉(zhuǎn)速之前，其每個定子繞組上的電壓只有正常時的1/姨3 。通常使用機械接觸器完成繞組從Y型到Δ 型連接的轉(zhuǎn)換。然而，由于只有2 個轉(zhuǎn)換連接(Y 和Δ)，因此把“控制”這個術語用在這里并不是特別合適。

此外，這種類型的起動器“控制”維護費用并不低，因為存在電弧，導致機械接觸器容易磨損而需要被更換。

1.3 軟起動器

為了控制起動階段施加在感應電機上的電壓，需要一個軟起動裝置(軟起動器)。在軟起動器中，半導體(晶閘管)被用于電壓的控制。其工作原理如圖2所示。

兩個反并聯(lián)晶閘管以串聯(lián)的方式連接在電機繞組和電網(wǎng)之間。在加速到正常轉(zhuǎn)速的過程中，通過相控的方式使得電機繞組電壓受控。根據(jù)晶閘管什么時候被觸發(fā)(觸發(fā)延遲角α)，電機的起動轉(zhuǎn)矩和起動電流可被設置在期望值上。采用軟起動控制的另一個好處在于起動時間也可以被控制。

流經(jīng)晶閘管的電流在晶閘管內(nèi)部產(chǎn)生功耗。該功耗會使晶閘管的溫度升高，因此必須對其進行冷卻。為了避免起動加速過程結(jié)束后晶閘管依舊消耗功率，采用一個機械旁路開關(機械接觸器)將晶閘管旁路。由于不用切換大負載，所以旁路開關可以相對較小，且不會被燒毀。由于系統(tǒng)已經(jīng)達到了正常轉(zhuǎn)速，因此沒有大的壓降產(chǎn)生，這些壓降通常由旁路開關的接觸器來切換。唯一的壓降來源于機械設計和已觸發(fā)的晶閘管上的壓降，這意味著不需要切換大負載，這就是為什么軟起動器的維護費用低。

2 軟起動器對晶閘管的要求

為確保軟起動器既結(jié)構緊湊，性價比高又不降低可靠性，軟起動器中所使用的晶閘管必須滿足一些重要的要求，即使軟起動器用在起動電流只幾倍于(3～5倍高)額定電流的系統(tǒng)中。在大規(guī)模系統(tǒng)中，起動電流的峰值常達幾kA，因此，在起動階段，晶閘管必須能夠承受這么高的起動電流。然而，與此同時，軟起動器必須優(yōu)化成本且結(jié)構盡可能的緊湊，所以，所使用的晶閘管(包括散熱器)的體積必須盡可能的小。

出于成本的考慮，實際使用的晶閘管的額定電流遠小于大系統(tǒng)的起動電流。這就是為什么晶閘管芯片會在起動階段，這樣一個短時間內(nèi)，會大幅升溫，如從TStart=40℃到TRamp-up=130℃，導致芯片產(chǎn)生90℃的溫差。如果一個系統(tǒng)每小時切換3 次，一年365天，每天8小時，那么10 年后總的負載變化次數(shù)將達到87 600次。

這些晶閘管必須能夠反復承受起動階段的過載電流十年。

基于以上要求，直到現(xiàn)在，軟起動器的制造商很難在市場上為他們的裝置找到最佳的半導體器件。

而這正是SEMIKRON 的反并聯(lián)晶閘管模塊SEMiSTART所涉足的領域，因為這款模塊是專為用于軟起動器而開發(fā)的。

3 晶閘管模塊中使用的裝配和連接技術

將一個硅片裝配和連接到一個器件上有不同的方法。在許多模塊中，硅片被焊在兩側(cè)(陽極和陰極側(cè))，并且是單面冷卻。常用的焊接模塊的原理如圖3所示。

模塊中產(chǎn)生的熱量通過底板(單面冷卻)擴散到散熱器中。這里有一個特殊的問題，那就是晶閘管模塊中使用的各個器件的熱膨脹系數(shù)不同。在采用焊接方式連接的模塊中，硅(可控硅芯片)，焊料和銅(主端子)擁有不同的膨脹系數(shù)，一段時間后，由于負載循環(huán)操作，不同的系數(shù)導致連接芯片和銅端子的焊料產(chǎn)生疲勞。結(jié)果，焊層出現(xiàn)分層，即焊層出現(xiàn)細小的裂紋。焊層疲勞開裂導致熱阻的增加，這反過來導致芯片溫度的升高并最終使芯片損壞。事實上，在焊接模塊中，芯片損壞并不少見。

相比之下，基于壓接技術的模塊中的芯片是通過接觸壓力連接在主端子之間的。這些模塊中，芯片不是焊在兩個主端子之間，相反，施加了非常高的接觸壓力(幾kN)以使芯片“留”在主端子之間。實踐已經(jīng)證明，即使在大功率負載(額定電流>200 A)應用中，采用壓接技術的器件的負載循環(huán)能力遠遠優(yōu)于采用焊接的器件。

這就是為什么SEMIKRON 建議在大額定電流軟起動裝置中使用壓接器件的原因，而SEMiSTART中所使用的正是這種壓接技術。

SEMIKRON的SEMiSTART 模塊系列壓接技術原理如圖4所示。

SEMiSTART模塊中，用于芯片的連接技術基于壓接技術，兩個晶閘管芯片反并聯(lián)連接并被壓在兩個散熱器之間。

這種類型的裝配和連接不包含焊層，這就是為什么SEMiSTART模塊擁有非常好的負載周期能力，因此使用壽命更長。

SEMiSTART模塊的散熱器根據(jù)芯片尺寸和為用于軟起動裝置而進行了尺寸優(yōu)化，因而模塊的結(jié)構非常緊湊。晶閘管芯片和散熱器之間的總熱阻遠小于其他常規(guī)器件的總熱阻。由于芯片被直接壓在兩個散熱器之間，并且雙面冷卻，因此熱阻的確非常小。由于這個原因，與同類電流密度的模塊相比，其總體尺寸才有可能更小。

SEMiSTART 模塊的另一個優(yōu)點在于它安裝便利，不需要安裝諸如平板可控硅所需的特殊夾具，也不需要模塊裝配中所需的導熱硅脂。

當然，SEMiSTART模塊也可用于其他用途，如保護電路。

4 SEMiSTAT模塊的技術指標

SEMiSTART模塊有三種不同的尺寸和總共五種不同的電流等級。

電流范圍在500～3000A，能夠承受最大電流長達20s(加速時間)，晶閘管的最大關斷電壓為1800V。具體參數(shù)如表1所列。

SEMiSTART模塊相對于傳統(tǒng)方案有如下優(yōu)點：

1)結(jié)構緊湊，節(jié)省空間;

2)由于熱阻小，半導體芯片和散熱器之間擁有更佳的熱阻;

3)采用壓接技術(無焊層)，從而可靠性非常高;

4)不需要選散熱器;

5)安裝簡便，不需要特殊的夾具。

由于這些器件相對于傳統(tǒng)方案的優(yōu)勢越來越明顯，因此在未來幾年，此系列模塊用于軟起動器的市場將繼續(xù)增長。