1　智能模塊簡介 晶閘管智能模塊簡稱ITPM（Intelligent thyristor power module），它是把晶閘管主電路與移相觸發(fā)系統(tǒng)以及過電流、過電壓保護(hù)傳感器共同封閉在一個塑料外殼內(nèi)制成的。 　晶閘管是電流控制型電力半導(dǎo)體器件，要驅(qū)動晶閘管，需要較大的脈沖觸發(fā)功率；另外一些輔助電路的元器件，如同步變壓器、觸發(fā)變壓器等體積比較大，因此，如果要把移相觸發(fā)系統(tǒng)與晶閘管主電路以及傳感器等封裝在同一外殼內(nèi)，制成晶閘管智能模塊，具有很大的難度。所以，國內(nèi)外一直采用晶閘管器件與移相觸發(fā)系統(tǒng)分立制作的傳統(tǒng)形式。 　我們公司經(jīng)多年的開發(fā)研究，首先解決了同步變壓器、脈沖觸發(fā)變壓器微型化的問題，使移相觸發(fā)系統(tǒng)的體積大幅度減小，能夠集成在體積很小的塑料外殼內(nèi)。然后又在提高信號幅度、抗干擾、高壓隔離、同步信號輸入等方面進(jìn)行了大量研究實(shí)驗，開發(fā)出了一系列專用移相觸發(fā)系統(tǒng)集成電路，多路高速大功率集成電路。 　散熱條件的好壞對晶閘管的應(yīng)用有著很重要的影響，為了使智能模塊具有比較高的散熱性能、絕緣性能，采用了DBC （陶瓷覆銅板）材料。DBC作為一種電力電子器件的基礎(chǔ)材料，具有其他材料無可比擬的導(dǎo)熱性能和絕緣性能。同時，在模塊內(nèi)部，采用了其他一些特殊材料，比如，具有良好電絕緣和保護(hù)性能以及良好熱傳導(dǎo)作用的彈性硅凝膠等，這些材料對提高模塊的整體性能，起到了非常重要的作用。 　圖1中（a），（b）為晶閘管智能三相橋模塊的內(nèi)部接線圖和其外形照片。 幾年來，公司不斷對智能模塊進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。目前，已經(jīng)用數(shù)字技術(shù)取代了模擬技術(shù)，使移相觸發(fā)系統(tǒng)更為準(zhǔn)確可靠；不斷擴(kuò)大智能模塊的輸出容量，現(xiàn)已研制出輸出最大工作線電流1600A，額定工作電壓為380V和660V的智能模塊，在各種應(yīng)用場合得到了廣泛應(yīng)用。 2　智能模塊工作原理 　（1） 主工作電路　 　圖1（a）是整流型智能模塊的主電路。它是一個由六只晶閘管構(gòu)成的三相全控整流橋，通過移相控制電路，控制六只晶閘管導(dǎo)通角，可直接從模塊輸出端獲得0 -510V的直流電壓。在移相控制電路中，使用公司自主開發(fā)的數(shù)字化專用集成電路JP-SSY01，具有很高的移相精度和工作穩(wěn)定性。 　（2） 閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理圖。 　智能模塊在控制上可分為開環(huán)控制與閉環(huán)控制，在晶閘管組成的電源系統(tǒng)中，大部分是采用電流閉環(huán)控制和電壓閉環(huán)控制。圖2是閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理圖，該原理圖可大體分為三部分：移相調(diào)控部分，電壓反饋部分，電流反饋部分。工作原理如下：首先，由用戶根據(jù)實(shí)際情況，選擇模塊工作在恒流狀態(tài)還是恒壓狀態(tài)，通過 “恒流恒壓轉(zhuǎn)換電路”，確定電壓反饋部分工作或電流反饋部分工作。然后，用戶調(diào)整“0-10V設(shè)定電壓”，該電壓通過“移相調(diào)控電路”，控制主電路晶閘管開通一定的角度，從而輸出用戶希望的電壓或電流。該輸出電壓或電流經(jīng)“霍爾傳感器采樣”、“整形放大”后，與“0-10V設(shè)定電壓”進(jìn)行比較，形成誤差電壓，該誤差電壓經(jīng)處理后，控制“移相調(diào)控電路”，根據(jù)輸出電壓或電流的大小，隨時快速調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓或電流的目的。 （3） 控制系統(tǒng)特點(diǎn) 　1. 采用線性霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，提高了整機(jī)性能?；魻栃?yīng)式傳感器是一種新型電流、電壓采樣器件，它的工作原理是利用霍爾元件在磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電壓的霍爾效應(yīng)，將電流、電壓轉(zhuǎn)換為電壓信號。霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)為轉(zhuǎn)換系數(shù)高，有良好的電氣隔離作用，響應(yīng)速度快，線性度較好，對提高整機(jī)性能有很大好處。 　2. 反饋系統(tǒng)的應(yīng)用，使“0-10V設(shè)定電壓”與輸出電壓與電流成較好的線性對應(yīng)關(guān)系，克服了晶閘管移相角度與輸出電壓非線性的缺點(diǎn)。 　3. 在電壓反饋與電流反饋電路中，采用高精度的霍爾傳感器和精密放大電路；同時，模塊化的產(chǎn)品縮短了控制電路與移相電路、主電路的信號傳輸距離，從而使模塊的控制精度較高，比其他同功能產(chǎn)品有更大的優(yōu)越性。 　4. 多種保護(hù)功能，使用更加安全方便。 　5. “移相調(diào)控電路”采用專用數(shù)字電路JP-SSY01，使觸發(fā)更為準(zhǔn)確可靠。 ?。?） 能模塊的主要技術(shù)參數(shù)和功能 　1. 在晶閘管控制曲線上線性度較好的范圍內(nèi)（恒壓在100V-350V，恒流約在35%-75%I（最大設(shè)定電流）），穩(wěn)壓精度在0.5%，穩(wěn)流精度在1%之內(nèi)，在線性度較差的范圍內(nèi)，穩(wěn)壓精度不大于1%，穩(wěn)流精度不大于2%。 　2. 電網(wǎng)調(diào)整率：電網(wǎng)變化±20%，輸出變化（調(diào)整范圍內(nèi)）不大于±1%。 　3. 高線性對應(yīng)關(guān)系，0-10V設(shè)定與輸出電流（壓）成較好線性關(guān)系，非線性度不大于5%。 　另外，模塊還具有如下功能： 　1. 過流、過熱、缺相保護(hù)三種保護(hù)功能使模塊應(yīng)用更為安全。 　2. 霍爾傳感器采樣信號輸出，可外接電流電壓顯示。 　3. 如果內(nèi)部反饋系統(tǒng)效果達(dá)不到用戶要求，用戶可選擇禁止使用，從外部另接反饋控制電路。 3　智能模塊在電源中的基本應(yīng)用 　現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，采用晶閘管的恒流恒壓設(shè)備，因為具有大范圍的恒壓（0～幾百伏）、恒流（0～幾百安培）特點(diǎn)，應(yīng)用空間很大。但是，目前大多數(shù)恒流恒壓的晶閘管裝置和產(chǎn)品受傳感器和控制電路的制約，體積龐大，電路復(fù)雜，難于調(diào)試，控制精度低。并且由于采用了分流器和分壓器進(jìn)行取樣，無隔離措施，控制電路的電磁干擾大，難以與計算機(jī)接口應(yīng)用，使晶閘管恒流恒壓設(shè)備的應(yīng)用處于一種比較困難狀態(tài)。智能模塊很好的解決了這一應(yīng)用與制造上的矛盾，目前，已在發(fā)電機(jī)勵磁、直流屏（蓄電池充電）、激光電源、充磁設(shè)備、UPS電源等各種場合得到廣泛應(yīng)用。 　智能模塊在實(shí)際電源系統(tǒng)中的應(yīng)用可分為兩類： 　一類是整流型模塊，具體應(yīng)用電路如圖3。 模塊輸出直流電壓經(jīng)LC濾波后直接到負(fù)載。輸出電壓調(diào)整范圍為0-510V。 　這種用法的特點(diǎn)是輸出大電流、高電壓。 　另一類是交流型模塊。具體應(yīng)用電路如圖4。 模塊輸出交流可調(diào)電壓接到變壓器初級，次級經(jīng)雙反星型整流后，得到所需直流電壓。 這種用法適合于低電壓、大電流的負(fù)載。 4　智能模塊應(yīng)用實(shí)例 　某項高能直線感應(yīng)加速器需要近百臺500A恒流源，研制單位是中國工程物理研究院流體物理研究所。要求有極高的可靠性，穩(wěn)定度和低的紋波。負(fù)載在0.05～0.1Ω大的范圍內(nèi)變化，電流從200A至500A連續(xù)可調(diào)，電網(wǎng)電壓交流340V～420V。 　研制生產(chǎn)近百臺恒流源需要作到器材、器件一致，元器件充分降額使用，裝配程序、裝配工藝規(guī)范，結(jié)構(gòu)簡單，便于裝配、操作、維修、運(yùn)行，嚴(yán)格質(zhì)量控制。 　恒流源在大電流工作下，冷卻方式一般采用水冷，但在百臺同時工作時建立水循環(huán)系統(tǒng)，很復(fù)雜很困難，有上千根水管及接頭，很難保證不漏水。采用調(diào)壓式控制管壓降在8±2V內(nèi)，成倍降低管耗，降低散熱要求，可以去掉水冷。 　經(jīng)比較論證，在調(diào)壓單元這一關(guān)鍵部分，決定選用三相交流智能控制模塊。恒流源工作原理見圖5。 三相交流電經(jīng)斷路器、調(diào)壓模塊、變壓器降壓、三相橋式整流濾波后的直流電壓Vo為恒流源供電。 　斷路器起著過流保護(hù)作用，當(dāng)恒流源失控或負(fù)載短路而過流時，自動切斷電源。 　交流調(diào)壓模塊是本方案重要部件，只需外加12V直流供電，以手動或微機(jī)控制給定信號電壓，即可改變6只晶閘管的導(dǎo)通角，從而改變交流輸出電壓，達(dá)到控制直流供電Vo的目的。 　從理論分析和實(shí)驗結(jié)果數(shù)據(jù)可以證明采用調(diào)壓式具有明顯的效果：省工、省時、省空間、省費(fèi)用，裝配簡便，工作可靠穩(wěn)定，性能指標(biāo)有提高?，F(xiàn)已完成生產(chǎn)500A調(diào)壓式恒流源近百臺，調(diào)試方便，性能參數(shù)一致。 5　智能模塊的諧波分析測量 　三相交流模塊是通過改變晶閘管的導(dǎo)通角達(dá)到調(diào)壓目的，因此會產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng)，影響多大，已作了現(xiàn)場測量。 　實(shí)驗條件為：按照圖4所示電路形式，35臺同時工作。 　根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量　公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549-93），標(biāo)稱電壓為0.38kV的電網(wǎng)，奇次諧波電壓含有率允許值為4﹪，諧波電壓總畸變率允許值為5﹪。實(shí)驗中相電壓為230V，因此奇次諧波電壓允許值為9.2V，諧波電壓允許值為11.5V。實(shí)際測量值為：5次諧波8.96V，5次諧波電壓含有率3.89﹪，7次諧波3.5V，7次諧波電壓含有率1.52﹪。忽略其他次諧波，諧波電壓總畸變率為4.1﹪。 　結(jié)論：單臺工作其電壓諧波和電流諧波均較小，主要是5次和7次。且與工作狀態(tài)有較大關(guān)系，即導(dǎo)通角小、諧波小。多只模塊同時工作，總的電壓諧波不是各臺電壓諧波相加，而是隨著臺數(shù)增加，總的電壓諧波變化并不明顯。所產(chǎn)生的諧波在國家標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，對電網(wǎng)的污染并不是太嚴(yán)重。