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用于简易变频器设计的新型扁平输入整流器

2012-08-02 10:41
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        用于变频器设计的新型的输入整流器为电力电子学带来了一个全新的理念,并且具有如下优点:降低了整体损耗、简化制冷设计、减小了模块的体积和重量。在IGBT和输入整流器之间可以实现直接的无线连接。

        SEMiX®输入整流器为功率模块的紧凑式布局奠定了基础,它也为电力电子系统的发展树立了一个新的标准。这种布局为简易变频器设计提供了分离的输入、输出端子。因为这种新型输入整流器的进步,在电流大于150A以上的应用中,二极管模块或晶闸管模块首次和IGBT模块可以具有相同的封装,这便使新型低成本变频器的设计成为可能。在IGBT和输入整流器之间的母排可以直接连接。这意味着在同样的安装高度下就可以安装所有的功率器件及其相关的驱动电路。如果IGBT驱动电路安装在IGBT模块的顶部,则整个模块的高度可以大大的降低(图1)。

   

        直流环节电容无须通过吸收电容而直接连接,低的直流环节电感能够减小系统的过电压。在现代系统中,电磁兼容保护措施是一个重要的提升成本的因素,最有效的方法就是使用智能化的变换器设计方法将电磁兼容问题消除在它产生的阶段。

        SEMiX®模块阐明了赛米控的奋斗目标:在现有应用的基础上来降低总的损耗并且降低系统的成本。由于现代设计技术的进步,模块级的系统损耗已经降到了最低。因此我们成功的关键在于降低器件的开关损耗和线路损耗。低功耗自身就意味着系统具有更高的效率、节省能量、简单的制冷系统、更紧凑的模块设计、更小的体积和更轻的重量,自然也意味着更低的成本。为了降低今后变频器的生产成本,必须在电力电子工程学中优化现代电力电子系统的设计以满足未来低成本的需求。


        螺孔端子位于模块顶部的标准输入模块已经存在大约30年了。从事电气传动变频器设计的工程师正日益面临这样一个问题:即以标准模块为基础来设计杂散电感很小的紧凑的低电感变频器系统。在IGBT模块领域,电流从100A到900A,端子高度为17mm的扁平化模块已经成为了新的产品标准。


        赛米控的新型整流器在如下几个方面满足了系统开发者的要求:
        用户友好的正/负端子;
        用户友好的交流端子;
        模块高度和最新一代IGBT的模块的高度相同。


        二极管和晶闸管模块的历史可追溯到上个世纪70年代,那时模块中的热流和电流是分离的。主端子和模块散热侧之间的电气绝缘允许不同的模块安装在同一个散热器上,并且不同的元器件可以封装在一个模块中。根据功率等级的不同,现在通常将整流桥或串联的两个晶闸管或二极管集成在一个模块里。这就是半桥——是所有桥式整流器和反并联连接的标准基础,也是世界范围内使用最广泛的变换器的连接方法之一。1975年赛米控首次推出了SEMiPACK 产品,这是世界上的第一个绝缘的功率模块,从此在功率模块的封装领域就确立了它的标准地位。


        SEMiX® 设计理念已经扩展到二极管和晶闸管模块
        新型的输入整流器模块使用和IGBT模块同样的安装和连接技术。由于赛米控创新型的解决方案,市场对端子高度为17mm的扁平输入整流器的需求现在得到了满足。事实上正是这种新产品的出现,电力电子业界现在才能够为电力电子系统提供有吸引力的整体解决方案。
        新型输入整流桥产品系列有6种封装尺寸即1,2,3,4,33和13。2和13可用于整流桥模块。

 

 

        模块的底部是3mm厚的铜底板。氧化铝陶瓷基板用作电气绝缘层。双极型芯片被焊接到DCB上。
        赛米控生产的晶闸管和二极管芯片表面经过玻璃钝化处理。赛米控在过去的三十多年来一直在开发和生产晶闸管和二极管芯片,她在这一领域积累了丰富的经验,芯片通过金属线连接。模块内部设计经过优化能够保证大的浪涌电流,这在晶闸管和二极管中是必须的。正如IGBT模块中的连接方式一样,用弹簧来实现阴极与门极的辅助连接,这种方法使得连接的路径很短。驱动板可以直接安装在整流器的顶部或用快速接头和金属线来连接。和IGBT模块相似,在此处使用的无焊连接工艺允许变频器的功率电路和驱动电路在生产过程的任何阶段进行装配,而且这种无焊连接如果出于测试和维修的目的也能够轻易地被拆开。对于中大功率变频器输入侧而言,电流达到400A的整流桥已经出现了一种新型连接模式。其额定功率等级的划分和SEMIPACK® 系列类似,属于业界认同的标准。
        SEMiX® 13是一个三相整流桥模块。这意味着不需要额外的外部电路,当然也节省了组装时所需要的材料,而且在一部分应用中,直流环节连接到正负端子的铜排也节省了。此外,如果在模块的顶部用一块板来实现功率部分的连接,则连接板的尺寸也可以减小。由于模块的紧凑化设计,模块的表面积减少了30%:和三对模块总安装面积为93mm*80mm(模块安装间距为10mm)相比,一个SEMiX® 13的安装面积仅为110mm*50mm。

        为连接功率器件及散热器所需的螺钉也大大减少了:SEMiX 13仅需要9个螺钉,而三个模块却需要15个螺钉。这便大大减少了安装模块所需要的工时。
这种类型的桥式整流器被用作变频器的输入整流桥。


        在如下的应用领域也可使用其他的桥式整流拓扑结构:
       ·电气设备的输入整流器,如电池充电器和电源
       ·直流电机驱动器的整流桥(为驱动或电枢电路供电)
        直流环节电容按照可控或不控的方式进行预充电。在可控预充电方式下,充电电流(输入浪涌电流)是受到限制。SEMiX®桥式整流器有B6HK和 B2HK两种拓扑结构。

        完整的功率电子系统


        新型输入桥式整流器的发展为功率变换电路带来了全新的理念,并具有如下的优点:整体能耗的降低、简化的散热系统、模块体积和重量的减小。这种通用的设计技术能够被用于输入电路和逆变器中。事实上功率电子系统现在有最好的基础来降低新一代变频器的生产成本。
 
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