CN101777827A - 一种基于可控硅的专用混合智能功率模块 - Google Patents

一种基于可控硅的专用混合智能功率模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于可控硅的专用混合智能功率模块，外壳内设电路板，电路板上的可控硅分别通过其隔离驱动电路、保护电路和触点电压监测电路连接单片机，单片机分别外接触点电压监测电路，故障及运行指示电路、外接投切信号监测电路；外壳的外侧面上固定两个主接线柱且一侧设有投切信号输入接口，磁保持继电器通过继电器驱动电路连接单片机，可控硅中反并联的单向可控的阴阳极与磁保持继电器的两个触点并联后与分别与两个主接线柱相连接，构成模块的两个开关主触点。本发明将控制电路、驱动电路、保护电路、可控硅管芯和大功率磁保持继电器封装成一个整体，使容性或感性负载过零点通断，具有开关瞬间无涌流、导通期抗电冲击能力大的优点。

Description

一种基于可控硅的专用混合智能功率模块
技术领域
本发明属于输配电及电力电子技术领域，特别涉及用于无功补偿等场合的低功耗的专用混合智能功率模块。
背景技术
目前，在静态无功补偿场合电力电容器的投切开关常用的有普通接触器、带预投电阻的专用接触器、纯可控硅的过零型固态继电器、复合开关等几种方式。动态无功补偿绝大多数采用可控硅控制投切电容器的补偿方式。接触器投切方式因其涌流大、寿命短、噪音大等缺点正在逐步被淘汰；纯可控硅投切的过零型固态继电器方式具有响应快、无涌流、无噪音等优点，但存在价格高、自身功耗大等问题，使用时需要加装很大体积的散热器；复合开关虽然能大幅度降低功耗、有效抑制涌流，但体积偏大、可靠性不高。
随着电力电子技术的发展，将功率芯片和控制电路、驱动电路、保护电路封装在绝缘塑封体内的智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)得到快速发展，主要是向小型化、专用化、高性能的方向发展。智能功率模块采用的功率电子器件一般为晶体管，以适应易控制、快速开关的要求，但该模块同样存在功耗较大的缺陷，工作时需要外加较大的散热器。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，同时，根据静态无功补偿投切电容等应用场合的谐波大、瞬间涌流大、开关动作不频繁的特点：提出了一种可靠性高、功耗低和寿命长的基于可控硅的专用混合智能功率模块。
本发明采用的技术方案是：外壳内设电路板，电路板上的可控硅分别通过其隔离驱动电路、保护电路和触点电压监测电路连接单片机，单片机分别外接触点电压监测电路，故障及运行指示电路、外接投切信号监测电路；外壳的外侧面上固定两个主接线柱且一侧设有投切信号输入接口，投切信号输入接口连接投切信号监测电路；磁保持继电器通过继电器驱动电路连接单片机，可控硅中反并联的单向可控的阴阳极与磁保持继电器的两个触点并联后与分别与两个主接线柱相连接，构成模块的两个开关主触点。
保护电路为电阻R1和电容C0组成的RC缓冲保护电路；触点电压监测电路由电阻R2、R3、二极管D1和光电耦合器IC3组成；继电器驱动电路由三极管Q1、电阻R4、电阻R5和三极管Q2组成；隔离驱动电路由脉冲变压器T1、电阻R7和R8构成。
本发明的有益效果是：
1、本发明借鉴IPM的集成技术以提高模块可靠性，将优化的控制电路、驱动电路、保护电路、可控硅管芯和大功率磁保持继电器封装成一个整体，模块化的设计提高了可靠性，克服了现有技术中复合开关以及传统智能功率模块的各自缺点，结合了两者优点。
2、本发明可使容性或感性负载过零点通断，使用时具有开关瞬间无涌流、导通期抗电冲击能力大的优点，机械和电子混合触点协调工作，触点功耗低，无需加装散热器，体积较小，延长了使用寿命。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的电路结构图；
图2是图1的主电路及其驱动、监测电路图；
图中：1.单片机；2.保护监测电路；3.触点电压监测电路；4.故障及运行指示电路；5.投切信号监测电路；6.继电器驱动电路；7.磁保持继电器；8.保护电路；9.隔离驱动电路；10.可控硅；11.投切信号输入接口；12.主接线柱；13.外壳。
具体实施方式
图1所示，主触点的两个主接线柱12固定安装在外壳13的外侧面上，在外壳13的一侧设有投切信号输入接口11。在外壳13内固定一电路板，该电路板上焊接有Atmega8L单片机1、保护监测电路2、触点电压监测电路3、投切信号监测电路5、保护电路8、故障及运行指示电路4、继电器驱动电路6和隔离驱动电路9。
投切信号输入接口11将其输入信号通过导线与投切信号监测电路5连接，投切信号监测电路5、故障及运行指示电路4、触点电压监测电路3、保护监测电路2分别与单片机1的相关引脚连接。保护监测电路2包括欠压监测电路、掉电监测电路和过热监测电路。单片机1监测各路状态，其中，故障及运行指示电路4由电路板焊接发光二极管通过引脚置于电路板顶部，使用时可直接观察到。可控硅10分别通过其隔离驱动电路9、保护电路8和触点电压监测电路3连接单片机1，隔离驱动电路9信号通过导线分别与可控硅10的两个门极和阴极连接，保护电路8与可控硅10的两个主电极相连。磁保持继电器7通过继电器驱动电路6连接单片机1，继电器驱动电路6信号通过导线与磁保持继电器7的线圈的外侧两个引脚连接。
如图2，主电路主要有可控硅10和磁保持继电器7构成，可控硅10和磁保持继电器7并联的两电极分别通过电刷线与两个主接线柱12相连接，具体是由图1中的继电器驱动电路6、磁保持继电器7、可控硅10、隔离驱动电路9、保护电路8、触点电压监测电路3和主接线柱12连接构成。
可控硅10中反并联的单向可控硅SCR的阴阳极分别与磁保持继电器7的两个触点S1相连，并通过电刷线延伸到主接线柱12的L端和N端，使机械触点和电力电子器件并联的两种混合触点构成整个模块的两个开关主触点。电阻R1和电容C0组成保护可控硅10的RC缓冲保护电路8。由电阻R2、R3、二极管D1和光电耦合器IC3构成触点电压监测电路3，触点电压监测电路3由其CPU-7端连接到单片机1进行监测，当开关主触点的触电电压L端高于N端时，CPU-7为低电平，当触电电压L端低于N端时，CPU-7为高电平，因此，CPU-7电平转换瞬间即为触点L端和N端的电压过零。
由电阻R6、二级管D2和电容C1组成电源，为磁保持继电器7的线圈RELAY提供电源，保证磁保持继电器7工作时不影响电源。由三极管Q1、电阻R4和三极管Q2、电阻R5组成继电器驱动电路6，电阻R4的CPU-1端和电阻R5的CPU-2端连接单片机1的输入引脚。
由脉冲变压器T1、电阻R7和R8构成可控硅SCR的隔离驱动电路9。
本发明的驱动信号在电路板上通过导线分别与可控硅10的门极、磁保持继电器7的线圈连接，反并联的单向可控硅的阴阳极分别与磁保持继电器7的两个触点相连，将上述的电路板安装于外壳13中，内部以有机硅灌封胶填充，表面以环氧树脂硬化保护，外壳13外只有两个主接线柱12和投切信号输入接口11，使用时只要将主接线柱12接入电流回路，投切信号输入接口11与投切信号监测电路5的输出端相连即可实现无涌流投切。

Claims (3)

1.一种基于可控硅的专用混合智能功率模块，外壳(13)内设电路板，电路板上的可控硅(10)分别通过其隔离驱动电路(9)、保护电路(8)和触点电压监测电路(3)连接单片机(1)，其特征是：单片机(1)分别外接触点电压监测电路(3)，故障及运行指示电路(4)、外接投切信号监测电路(5)；外壳(13)的外侧面上固定两个主接线柱(12)且一侧设有投切信号输入接口(11)，投切信号输入接口(11)连接投切信号监测电路(5)；磁保持继电器(7)通过继电器驱动电路(6)连接单片机(1)，可控硅(10)中反并联的单向可控的阴阳极与磁保持继电器(7)的两个触点并联后与分别与两个主接线柱(12)相连接，构成模块的两个开关主触点。
2.根据权利要求1所述的一种基于可控硅的专用混合智能功率模块，其特征是：保护电路(8)为电阻(R1)和电容(C0)组成的RC缓冲保护电路；触点电压监测电路(3)由电阻(R2、R3)、二极管(D1)和光电耦合器(IC3)组成；继电器驱动电路(6)由三极管(Q1)、电阻(R4)、电阻(R5)和三极管(Q2)组成；隔离驱动电路(9)由脉冲变压器(T1)、电阻(R7)和(R8)构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于可控硅的专用混合智能功率模块，其特征是：触点电压监测电路(3)由其CPU-7端连接到单片机(1)，所述模块的两个开关主触点的触电电压L端高于N端时，CPU-7为低电平，触电电压L端低于N端时，CPU-7为高电平。
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