中心論題：
- 電機起動(dòng)控制的三種方式
- 軟起動(dòng)器對晶閘管的要求
- 晶閘管模塊中使用的裝配和連接技術(shù)
- SEMiSTAT模塊的技術(shù)指標
解決方案：
- SEMiSTART模塊中兩個(gè)晶閘管芯片反并聯(lián)連接
- EMiSTART模塊中兩個(gè)晶閘管芯片被壓在兩個(gè)散熱器之間
現在，軟起動(dòng)器已廣泛用于電動(dòng)機的起動(dòng)。而在軟起動(dòng)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(shí)必須表現出非常好的負載循環(huán)能力。如果這些要求都滿(mǎn)足，那么軟起動(dòng)裝置就會(huì )有很長(cháng)的使用壽命。
SEMiSTART 是一款專(zhuān)為軟起動(dòng)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(shù)，SEMiSTART 的內部熱阻只有模塊化設計中傳統器件的一半。此外，該緊湊型模塊還使用了被證明有效的壓接技術(shù)?？偠灾?，SEMiSTART 模塊為解決感應電機起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的大起動(dòng)電流問(wèn)題，提供了一個(gè)最佳的且可靠性高的解決方案.
在驅動(dòng)工程領(lǐng)域，所采用的驅動(dòng)電機主要是三相感應電機。這類(lèi)電機通常具有如下的優(yōu)點(diǎn)：堅固的設計；維護費用低；性?xún)r(jià)比高。
電機起動(dòng)控制的三種方式
在實(shí)際中，有三種不同的電機起動(dòng)控制方式。
a.直接在線(xiàn)起動(dòng)
對于三相感應電機（異步電機），直接在線(xiàn)起動(dòng)產(chǎn)生非常高的電機起動(dòng)轉矩和起動(dòng)電流。高起動(dòng)轉矩會(huì )導致機械損壞，比如由三相感應電機驅動(dòng)的傳送帶可能會(huì )被撕裂，大起動(dòng)電流能夠導致電網(wǎng)中產(chǎn)生尖峰電壓。驅動(dòng)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(dòng)階段施加到感應電機上的電壓要被控，這意味著(zhù)起動(dòng)電流和相應的起動(dòng)轉矩會(huì )受到限制。不同的起動(dòng)方式對電機起動(dòng)電流的影響如圖1所示。
b.Y-Δ起動(dòng)器
一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案是星形—三角形起動(dòng)器（也稱(chēng)為Y-Δ起動(dòng)器）。這種方案中，電機的定子繞組在起動(dòng)加速階段按照Y型連接，一旦電機接近額定轉速，繞組變?yōu)?Delta;型連接。以Y型連接方式起動(dòng)的效果在于，電機在達到正常轉速之前，其每個(gè)定子繞組上的電壓只有正常時(shí)的1/姨3 。通常使用機械接觸器完成繞組從Y型到Δ 型連接的轉換。然而，由于只有2 個(gè)轉換連接（Y 和Δ），因此把“控制”這個(gè)術(shù)語(yǔ)用在這里并不是特別合適。
此外，這種類(lèi)型的起動(dòng)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。
c.軟起動(dòng)器
為了控制起動(dòng)階段施加在感應電機上的電壓，需要一個(gè)軟起動(dòng)裝置（軟起動(dòng)器）。在軟起動(dòng)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(gè)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。在加速到正常轉速的過(guò)程中，通過(guò)相控的方式使得電機繞組電壓受控。根據晶閘管什么時(shí)候被觸發(fā)（觸發(fā)延遲角α），電機的起動(dòng)轉矩和起動(dòng)電流可被設置在期望值上。采用軟起動(dòng)控制的另一個(gè)好處在于起動(dòng)時(shí)間也可以被控制。
流經(jīng)晶閘管的電流在晶閘管內部產(chǎn)生功耗。該功耗會(huì )使晶閘管的溫度升高，因此必須對其進(jìn)行冷卻。為了避免起動(dòng)加速過(guò)程結束后晶閘管依舊消耗功率，采用一個(gè)機械旁路開(kāi)關(guān)（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(kāi)關(guān)可以相對較小，且不會(huì )被燒毀。由于系統已經(jīng)達到了正常轉速，因此沒(méi)有大的壓降產(chǎn)生，這些壓降通常由旁路開(kāi)關(guān)的接觸器來(lái)切換。唯一的壓降來(lái)源于機械設計和已觸發(fā)的晶閘管上的壓降，這意味著(zhù)不需要切換大負載，這就是為什么軟起動(dòng)器的維護費用低。
軟起動(dòng)器對晶閘管的要求
為確保軟起動(dòng)器既結構緊湊，性?xún)r(jià)比高又不降低可靠性，軟起動(dòng)器中所使用的晶閘管必須滿(mǎn)足一些重要的要求，即使軟起動(dòng)器用在起動(dòng)電流只幾倍于（3～5倍高）額定電流的系統中。在大規模系統中，起動(dòng)電流的峰值常達幾kA，因此，在起動(dòng)階段，晶閘管必須能夠承受這么高的起動(dòng)電流。然而，與此同時(shí)，軟起動(dòng)器必須優(yōu)化成本且結構盡可能的緊湊，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(shí)際使用的晶閘管的額定電流遠小于大系統的起動(dòng)電流。這就是為什么晶閘管芯片會(huì )在起動(dòng)階段，這樣一個(gè)短時(shí)間內，會(huì )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(gè)系統每小時(shí)切換3 次，一年365天，每天8小時(shí)，那么10 年后總的負載變化次數將達到87 600次。
這些晶閘管必須能夠反復承受起動(dòng)階段的過(guò)載電流十年。
基于以上要求，直到現在，軟起動(dòng)器的制造商很難在市場(chǎng)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(lǐng)域，因為這款模塊是專(zhuān)為用于軟起動(dòng)器而開(kāi)發(fā)的。
晶閘管模塊中使用的裝配和連接技術(shù)
將一個(gè)硅片裝配和連接到一個(gè)器件上有不同的方法。在許多模塊中，硅片被焊在兩側（陽(yáng)極和陰極側），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(guò)底板（單面冷卻）擴散到散熱器中。這里有一個(gè)特殊的問(wèn)題，那就是晶閘管模塊中使用的各個(gè)器件的熱膨脹系數不同。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，一段時(shí)間后，由于負載循環(huán)操作，不同的系數導致連接芯片和銅端子的焊料產(chǎn)生疲勞。結果，焊層出現分層，即焊層出現細小的裂紋。焊層疲勞開(kāi)裂導致熱阻的增加，這反過(guò)來(lái)導致芯片溫度的升高并最終使芯片損壞。事實(shí)上，在焊接模塊中，芯片損壞并不少見(jiàn)。
相比之下，基于壓接技術(shù)的模塊中的芯片是通過(guò)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(gè)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(shí)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(shù)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(dòng)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(shù)。
SEMIKRON的SEMiSTART 模塊系列壓接技術(shù)原理如圖4所示。
SEMiSTART模塊中，用于芯片的連接技術(shù)基于壓接技術(shù)，兩個(gè)晶閘管芯片反并聯(lián)連接并被壓在兩個(gè)散熱器之間。
這種類(lèi)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(cháng)。
SEMiSTART模塊的散熱器根據芯片尺寸和為用于軟起動(dòng)裝置而進(jìn)行了尺寸優(yōu)化，因而模塊的結構非常緊湊。晶閘管芯片和散熱器之間的總熱阻遠小于其他常規器件的總熱阻。由于芯片被直接壓在兩個(gè)散熱器之間，并且雙面冷卻，因此熱阻的確非常小。由于這個(gè)原因，與同類(lèi)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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。
SEMiSTAT模塊的技術(shù)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(cháng)達20s（加速時(shí)間），晶閘管的最大關(guān)斷電壓為1800V。具體參數如表1所列。
SEMiSTART模塊相對于傳統方案有如下優(yōu)點(diǎn)：結構緊湊，節省空間；由于熱阻小，半導體芯片和散熱器之間擁有更佳的熱阻；采用壓接技術(shù)（無(wú)焊層），從而可靠性非常高；不需要選散熱器；安裝簡(jiǎn)便，不需要特殊的夾具。
由于這些器件相對于傳統方案的優(yōu)勢越來(lái)越明顯，因此在未來(lái)幾年，此系列模塊用于軟起動(dòng)器的市場(chǎng)將繼續增長(cháng)。
