大功率电子器件（共10篇）
大功率电子器件 篇1
1 引言
微电网是一个接有分布式电源的配电子系统。它犹如一个预先设计好的孤岛, 可在主网脱离后孤立正常运行, 并维持所有或部分重要用电设备的供电。开发和延伸微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入, 实现对负荷多种能源形式的高可靠供给, 是实现主动式配电网的一种有效方式。
随着整个电力系统逐步向智能电网的方向发展, 实现微电网与大电网的快速、有效分断的切换与保护开关正越来越受到关注。通常, 可采用接触器配合断路器或者功率半导体器件 (如晶闸管SCR) 配合断路来实现。接触器或SCR实现切换控制的功能, 断路器实现短路分断的功能。由于接触器和断路器都属于机械式开关, 因此动作速度较慢, 且拉弧易造成触头的损伤, 影响机械式开关的使用寿命。基于功率半导体器件的切换开关 (通常称为固态开关) 能够实现快速分断, 但其通态压降高导致通态损耗大。为了解决这个问题, 对大功率器件的散热设计提出了较高要求。而良好的散热无疑是保证大功率电子器件可靠工作的前提。
由于整个切换及保护开关将置于电气柜内, 因此其在空间尺寸上有较高的要求。而强迫对流风冷比液冷可减小空气冷却系统的尺寸, 且在可靠性、易于维修保养以及成本上都占据绝对优势, 所以这里采用强迫风冷的冷却方式。
2 强迫风冷的散热设计
2.1 选择散热器
首先, 确定热功耗。要综合考虑设备结构、体积、重量、成本、加工工艺等因素, 初步确定散热器结构。散热器按照材料可分为铸铁散热器、钢制散热器、铜制散热器、铝制散热器。铝型材的散热器散热性能、耐氧化腐蚀性以及成本比起其他几类散热器均较出色, 故这里选用铝制散热器, 尺寸如图1所示。
根据IGBT的尺寸设计初步布局, 如图2、图3所示。明显地, 安装风扇有利于冷却气流散热的流向。纵向排布后会导致带着热量的热气流流动路程过长, 导致热量积聚, 不利于散热, 故采用了图2中的横向排布。
2.2 确定热功耗, 选择风机
第二步, 结合发热量, 根据热平衡方程, 初步确定风机。
在此套切换和保护开关中, 使用到6只IGBT, 每只IGBT的热功耗。所有, 总发热功耗为1.17k W。
根据热平衡方程
式中:L为冷却空气流量 (m3/s) ;Q为设备发热量 (k W) ;ñ为空气的密度 (kg/m3) ;Cp为空气的比热 (k J/ (kg℃) ;t0为冷却空气出口温度 (℃) ;ti为冷却空气入口温度 (℃) 。
该IGBT模块发热量Q为0.195k W, 空气的密度ñ取1.13kg/m3, 空气的比热Cp取1.005k J/ (kg℃) , 冷却空气出口温度t0取55℃, 冷却空气入口温度 (环境温度) ti为70℃。依次将上述参数值代入热平衡方程, 得
由于轴流风扇普遍风量大, 风压小, 对结构设计要求较低, 价格便宜, 故这里选择轴流风扇, 具体的参数情况见表1。因为存在风阻, 故风机不可能工作在最大风量处。所以, 风机的工作点风量小于风机的最大风量。根据实验及产品的使用情况, 一般按照1.5~2倍的裕量选择风扇的最大风量。根据2L值8.244m3/min, 初步确定风机的型号, 其特性曲线如图4所示。
2.3 确定散热器、风扇的安装位置
用风扇冷却电子设备时, 冷却气流的方向可能相当重要。风扇用于把空气抽出或送进机箱。送风系统通过升高机箱内部的气压, 把带有灰尘和杂质的气体排出密封不良的机箱。这种改变机箱内的热传递特点, 也会造成一些轻微的问题。在采用轴流式风扇的进气系统中, 由于空气受迫通过热的风扇马达, 从而产生电子机箱入口热空气。
抽风系统将空气抽出机箱, 从而降低机箱内部的气压。如果未经密封的机箱放置在灰尘和杂质较多的地方, 且机箱不密封, 那么灰尘和杂质会通过各式各样的小气隙被抽进机箱。在抽风系统中, 冷却空气通过轴流式风扇带走机箱的空气。因此, 进入机箱的冷却空气更冷, 且能得到较好的气流分布。故这里选择抽风的冷却方式, 将风扇置于散热器的上方, 并不紧贴散热器。
2.4 通过热仿真优化散热设计
这里选用的是FLOTHERM热仿真软件。它由英国FLOMERICS软件公司开发并广为大量电子系统结构设计工程师和电子电路设计工程师使用。通过仿真软件进行热设计优化, 既能显著降低成本, 又能避免由于器件过热而可能发生的危险。FLOTHERM热仿真软件被广泛应用于电子系统散热仿真分析, 采用成熟的CFD (Computational Fluid Dynamic, 计算流体动力学) 和数值传热学仿真技术, 并成功结合FLOMERICS公司在电子设备传热方面的大量独特经验和数据库开发而成。
仿真的对象是主要的散热系统, 包括散热器、风道、风扇以及发热元件。在初始环境设置时, 将环境最恶劣的、最高环境温度设置为55℃, 流体与固体对流换热的传热系数设置为5W/ (m2·K) , 此系数是模拟空气环境的情况。在热仿真软件中, 初始环境设置如图5所示。
由于IGBT模块的集成技术、内部布局复杂, 所以很难准确得到模块内各部分的准确热耗。但是, 由于模块集成度较高, 且热源在模块内分布较均匀, 所以在此仿真中可运用均匀体积热源等效实际热源, 并设置其发热量以及底部铜面的热传导率。另外, 可按照实际情况对散热器、风道以及风扇进行建模, 如图6所示。
从图7可以看出, 温度最高处是在IGBT表面, 且最高温度达到113℃。
从图8可以看出, 出风口空气温度约为60℃, 且由功率器件产生的热功耗从散热器逐渐传递开, 并通过环境中的冷空气向上吹散带走。可见, 整个散热设计的仿真结果满足了“出风口空气温度在70℃以内”的条件。
如图9中所示, 外壳的最高温度约为55℃。
图10中所示, 散热器表面最高温度约为80℃, 温度最高处约升高了25℃。散热器上的IGBT模块热量由下方传至上方, 并且横向上IGBT模块热量向四周传递, 散热器中间位置聚集了自身的发热量以及位于两侧的模块的热量, 故温度最高点位于中上方。
3 结论
通过FLOTHERM仿真软件, 可以对产品实际运行中的温度、流速、风机工作情况进行评估, 避免了热风险且缩短开发周期, 降低开发过程中的成本, 优化热设计的方案, 从而确定合理的散热设计方案。此外, 它还能够大大减小设计人员的工作量, 提高热设计效果和工作效率, 是一种良好的热设计手段。
参考文献
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大功率电子器件 篇2
5月25日，由公司负责具体实施的中国南车大功率半导体器件绝缘栅双极晶体管（简称“IGBT”）产业化基地在田心工业园奠基，我国首条8英寸IGBT芯片生产线项目随之启动。从芯片设计、到模块封装，再到系统应用，公司成为国内唯一掌握IGBT成套技术，形成完整产业链的企业。业内评价指出，“该基地的奠基，我国IGBT关键技术长期受制于人的局面由此改变”。
国家发改委产业协调司机械装备处处长李刚，铁道部运输局装备部副主任申瑞源，国家工业和信息化部装备工业司机械处处长王建宇，及铁道部、工信部、中国交通运输协会城市轨道交通专业委员会、湖南省经委、科技厅相关领导，中国南车董事长赵小刚、总工程师张新宁，株洲市市长王群、副市长肖文伟，公司决策委员会成员、部分中高层干部及员工代表参加了奠基仪式。
IGBT是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品，广泛应用于轨道交通、航空航天、智能电网、新能源汽车等战略性产业领域，是节能技术和低碳经济的主要支撑，被业界誉为功率变流装置的“CPU”、绿色经济的“核芯”。目前国内IGBT的主要供应商为外国厂商，为支持我国企业技术突围，IGBT成为国家产业政策重点支持和扶植的重大科技项目。相关研究机构指出，“在IGBT这个以技术为门槛的行业中，谁掌握了技术，谁就掌握了市场”。
据悉，轨道交通、新能源、电动汽车等绿色经济产业在未来十年甚至更长的时间里将保持每年20-30%的高速增长，发展绿色经济成为全球各个主要经济体的共识。作为绿色经济的功率“核芯”，IGBT市场发展前景光明。
中国南车总工程师张新宁致欢迎辞。对参加此次奠基仪式的领导及嘉宾表示欢迎。张新宁指出，作为电力电子技术的关键核心，IGBT已经逐步成为衡量一个企业、行业乃至国家电力电子技术水平的重要标志。
通过多年努力，中国南车此方面处于国内领先地位，在IGBT产业化上做了充足的准备。他表示，中国南车将以此次项目奠基为契机，全面拉动并加快推进中国南车大功率半导体IGBT产业化进程，真正提升国内行业的整体竞争能力。
公司执行董事兼总经理丁荣军就大功率半导体IGBT产业化项目情况和意义进行了全面的介绍。大功率IGBT产业化基地建设项目占地160亩，预计2013年正式投产。该基地包括一条年产12万片8英寸IGBT芯片和9条年产百万只大功率IGBT模块的生产线，产品电压等级从600伏到6500伏，年产值超过20亿元，完全打通芯片—模块—系统应用的完整产业链，满足和支撑轨道交通等产业领域对大功率IGBT强大市场需求。整个产业规模和技术实力均超过国内已有水平，达到国际领先水平（目前世界主流IGBT芯片生产线为6英寸）。届时，中国南车将完全自主实现电力电子器件技术及产业跨越式发展，跻身世界大功率IGBT器件技术及产业化一流梯队。
据了解，由于IGBT生产对制造环境要求非常苛刻，该产业化基地配置了5000平方米的高标准净化厂房,配套设施如空气净化系统、湿温度控制系统、纯水处理系统都将采用世界一流的技术装备。基地引进国际一流的生产工艺，配套IGBT芯片制造、封装测试、可靠性试验全套设备，形成集IGBT产品设计、芯片制造、模块封装测试、可靠性试验、系统应用等成套技术的研究、开发及产品制造于一体，自动化、专业化和规模化程度领先的大功率IGBT产业化基地。
工业和信息化部装备工业司机械处处长王建宇，国家发改委产业协调司机械装备处处长李刚，铁道部运输局装备部副主任申瑞源在奠基仪式上先后发表讲话。他们纷纷对中国南车大功率半导体IGBT产业化基地奠基表示祝贺，认为IGBT项目是“国家的宝贝、南车的骄傲”。他们表示将全力支持该项目发展，他们希望以基地奠基为契机，进一步发挥自身优势，加大自主创新力度，加大大功率半导体IGBT核心技术攻关，加快实现电力电子核心技术高端图片和产业升级，为国家、为铁路事业发展做出更大贡献。
株洲市市长王群表示，大功率IGBT产业化项目奠基，是株洲市工业发展史上一件盛大喜事，也将助力国家IGBT产业迈上自主华道路的新起点。株洲市委市政府将义不容辞地、全力以赴给予大功率IGBT产业以大力的关注和支持。
奠基仪式上，在热烈的掌声中，中国南车董事长赵小刚郑重宣布中国南车大功率半导体IGBT产业化基地正式开工。随后赵小刚、张新宁、丁荣军与国家、省委领导为大功率半导体IGBT产业化基地举行了培
土仪式。
大功率电子器件 篇3
为了有效实现对微波功率器件的热特性分析，在瞬态红外设备基础上开发了一套用于获取微波功率器件降温曲线的测量系统。分析了瞬态红外设备的原理，并根据降温曲线测量的需要对设备进行改造，开发了数据采集和处理系统，扩展了原有设备的功能，重新设计了测温流程、数据处理算法和相应的软件系统，实现了对GaN HEMT器件不同工作条件下降温曲线的测量。测量的降温曲线满足现有国际标准JESD51系列的要求，在器件热特性分析方面具有较好的应用前景。
关键词：
红外测温技术； 降温曲线； 电学法
中图分类号： TN 219文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.02.002
Abstract：
A set of cooling curve measurement system for microwave power devices was developed based on a transient infrared tester in order to analyze the thermal characteristics of power devices.Working principles of the transient infrared tester were analyzed.A set of data acquisition and process system was developed to replace the corresponding part of the transient infrared tester.The working procedure and data processing software were designed to meet the demands of cooling curve measurement.Cooling curve of GaN HEMT device was obtained under varied working conditions.The obtained cooling curve fulfilled the requirements of JESD51 standard series.
Keywords：
infrared thermal measurement technique； cooling curve； electrical method
引言
微波功率器件正向着大功率、高频的方向发展，器件的工作温度或者结温越来越高，器件热特性（热阻、结温、接触热阻及器件各层的热阻和热容）分析的重要性也日益凸显。为了有效地检测和分析微波功率器件的热特性，国际固态物理委员会（JEDEC）制订了JESD51系列的国际标准，用以指导对微波功率器件的温度、热阻及结构特性的检测和分析[12]。
电学法是器件热分析的传统方法，利用器件电参数的温度特性测量器件温度，用于热阻[3]等特性分析。在国际标准中，为了实现对热阻等参数的测量，规定需要获取器件的降温曲线，并采用基于热阻抗原理的结构函数方法对曲线进行分析以获得器件相关的热特性参数。现有的电学法热阻测试仪，如T3ster和Phase11等都采用了降温曲线的方法，该方法也被美国等多个国家的标准所采纳[46]。但是，由于电学法热阻测试仪的测量电路与器件的工作电路相连接，会影响器件的真实工作条件，导致测量结果的偏差。并且电学法热阻测试仪在GaN HEMT等新兴器件的检测方面还不够成熟，无法满足这些器件的检测需要，因此电学法的应用受到了一定限制。
显微红外热像仪将红外测温技术应用于微波功率器件温度检测，能够在不影响器件工作状态的条件下测量器件温度，逐渐在微波功率器件热分析领域推广普及[79]。但是，目前在半导体行业应用的显微红外热像仪不具备降温曲线的测量能力，无法满足JEDEC标准的要求，无法有效获得器件各层材料的热容、热阻及总体热阻等关键热特性参数的信息。因此，本文在现有具备高速测量能力的瞬态红外设备基础上，开发了一套数据采集及处理系统，以获取器件的降温曲线，为微波功率器件尤其是新兴GaN类器件的热特性检测和可靠性分析提供参考。
1系统方案设计及实现
现有的瞬态红外设备提供高速测温功能，但其只适用于脉冲工作条件下器件瞬态温度特性的测量，与测量降温曲线的需求差异较大，无法直接应用于器件降温曲线的测量。表1列举了两种应用对设备要求的主要差异。
瞬态红外设备的基本构成如图1所示，控温平台根据红外测温需要调整被测器件的基础温度，伺服系统承载显微红外光学系统完成位置调整和对焦，光学系统将捕捉到的红外辐射传输至高速红外探测器，后者将红外信号转换为电信号，经前置放大后由工控机的数据采集卡采集，并进行后续的数据处理、分析、显示和储存。此外，工控机还负责控制伺服系统和控温平台完成用户要求的动作。
1.1方案设计
通过前面的比较可以看出，测量降温曲线的需求差异主要体现在数据处理部分，因此我们在现有瞬态红外设备的硬件基础上进行改造，用自行开发的数据采集和处理系统取代设备原有的配套工控机的数据采集和数据处理部分，设计新的数据处理算法和测温流程以适应降温曲线测量的需要。
我们采用了高性能的数据采集卡采集高速红外探测器输出并经过放大后的电信号，将其转换为数字信号后交由软件处理。测温流程如图2所示，首先通过测量或者用户直接输入发射率，然后进行背景辐射测量获得背景辐射数据用于修正，接下来测量目标红外辐射强度获得电平数据，并利用之前获得的背景辐射数据进行修正，修正后的数据根据目标发射率和预先得到的电平温度关系数据进行换算，即可得到温度数据，最后对温度数据进行处理。
根据斯蒂芬玻尔兹曼公式，物体在一定温度T下，单位面积、单位时间内所发射的全部波长的总辐出度为
M=σ εT4（1）
式中：M为辐射单元的全波长总辐出度，单位为W/m2；ε为辐射单元表面发射率，无量纲；σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，其值为5.67×10-8 W·m-2·K-4；T为辐射单元表面温度，单位为K。在确定ε的前提下，可以根据辐射强度确定被测物体的温度。
发射率ε定义为物体辐出度M与同温度下黑体辐出度M0之比，即
ε=MM0
（2）
由于仪器的响应电信号与被测物体的辐出度成正比，因此可以在参考温度下测量目标红外辐射得到电平值V，并在相同温度下测量黑体红外辐射得到电平值V0，两者之比即为目标发射率，因此式（2）可以表示为
ε=MM0=VV0
（3）
电平温度关系数据是将修正后的电平数据换算为温度的依据，该数据可以通过在一系列标准温度下测量黑体得到。为提高效率，电平温度关系数据预先获得并存储在文件中，软件在启动后读取该文件，并利用其中数据通过拟合算法生成电平温度函数，测温过程中直接利用函数关系计算出对应温度值。
1.2系统的实现
数据处理部分主要包括数字滤波、块平均和下采样，其中块平均的数据块大小以及下采样的采样率可以根据需要逐段调整。由于数据采集卡在改变采样率时需要重新初始化，在一个record的采样过程中不能更改，而初始化过程的时间不能严格确定，因而我们令数据采集卡运行在固定的高采样率下，通过块平均和下采样来控制输出的数据量。在一次降温过程（对应于一个record）中，初始阶段曲线比较陡峭，需要高采样率分辨曲线的细节，此时我们只进行块平均来抑制噪声，而不进行下采样；随着时间推进，曲线会逐渐趋于平缓，同时我们会引入下采样并逐渐降低采样率，从而在保持足够时间分辨率的前提下有效降低数据量。
软件部分利用LabVIEW开发，包括数据采集卡的控制和数据读取、数据处理和储存以及用户界面，软件主要模块功能关系如图3所示，用户界面如图4所示。
2结果分析
2.1系统准确度验证
在系统开发调试完成后，对标准面源黑体的温度进行测量，以验证系统测温的准确性。实验结果如图5所示，实验数据点以十字表示，实线是实测温度等于设定温度的参考线，实测温度与设定温度的最大偏差为0.7 ℃（出现在95 ℃和105 ℃处）。
我们还与瞬态红外设备的测量结果进行了对比，来进一步验证所开发的系统的有效性。由于瞬态红外设备只能测量稳定的周期信号，我们在自行开发的系统中也增加了周期测量模式，以方便对比。
实验装置如图6所示，被测目标依然为面源黑体，在面源黑体与物镜之间插入光学斩波器，通过调制红外信号模拟辐射温度的变化，从而验证自行开发系统在测量变化信号时的性能。
光学斩波器调制频率设定为1 kHz，保持实验条件不变，先后使用瞬态红外设备原有系统和自行开发的系统测量，实验结果如图7所示，图7（a）为瞬态红外设备测量的结果，图7（b）为自行开发系统的测量结果，其中方波为驱动光学斩波器的同步信号。可以看到，两者均能够正常测量周期变化的信号，周期为1 ms，与斩波器设定吻合。
选用RFMD公司的一款GaN HEMT器件（型号为RF3928）作为被测件进行降温曲线测量实验。我们通过调整栅压控制器件的功率，得到若干不同初始状态下的降温曲线，具体实验条件如表2所示。
设定系统采样率为10 MS/s，平均块为1 000个样值，此时能够分辨的最小时间间隔为100 μs。我们给被测器件施加表2所示实验条件，待器件状态稳定后，撤掉漏压并捕捉器件的降温曲线，测量时间为120 s，实验结果如图8所示。
图8横轴为对数形式的时间轴，纵轴为温度，从上到下4条曲线依次对应表2中4种实验条件。可以看出，不同耗散功率下器件的初始温度不同，但是曲线形状基本相同，都存在一段比较迅速的降温过程，然后降温速度变缓并最终趋于同一个最终温度。
3结论
本文实现了基于红外测温技术的器件降温曲线的测量，测量的降温曲线能够满足国际标准对器件热特性分析的要求。根据降温曲线测量的需要，利用瞬态红外设备的硬件基础，通过自行开发的数据采集系统和数据处理软件实现了降温曲线测量功能。通过实验验证了系统的有效性和准确性，并成功获取了GaN HEMT的降温曲线。由于红外测温技术不会受器件的种类、电路连接及工作条件的影响，本系统可以适用于任意器件降温曲线的测量。根据JESD51系列国际标准，获得的降温曲线可以采用与传统电学法相同的技术进行分析，得到反映器件纵向热特性的结构函数。该技术适用于任何种类的微波功率器件的降温曲线测量，应用前景广泛。
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大功率电子器件 篇4
纯水冷却是大功率电力电子换流阀内部晶闸管、吸收电阻、电抗器等元件的主要冷却方式, 对保障直流输电变电站的安全可靠工作具有重要意义。纯水冷却系统工作机理是利用循环的去离子水将大功率电力电子换流阀工作时产生的热量及时带走[1~3], 使换流阀能在符合运行工况要求的条件下工作, 确保大电流产生的高热量不致烧坏电力电子换流阀内部的元器件。为保证换流阀安全稳定可靠工作, 循环冷却水要经过并联的离子交换罐以置换出不锈钢管道析出的离子[4], 确保管路内的循环冷却水电导率保持稳定。
离子交换回路一般有两个离子交换罐, 离子交换罐内部为离子交换树脂, 为了避免树脂进入到系统中, 离子交换罐进出口处均装有机械过滤器[5,6]。但是目前配置的离子交换罐机械过滤器结构设计存在明显不足, 树脂在使用过程中存在泄漏的风险。树脂泄漏的情况曾不只一次在电站使用现场出现。
本文针对标准配置的离子交换罐设计的不足, 以某个电站纯水冷却系统为例, 分析了树脂泄漏问题产生的原因, 提出了改进建议。
1 缺陷现状
某直流输电变电站有两套大功率电力电子换流阀设备, 配置两套纯水冷却系统, 每套系统各自独立, 分别为两套电力电子换流阀设备提供持续的冷却循环水[7]。
这两套大功率电力电子换流阀设备自2011年11月投运以来, 运行稳定, 未发生过事故。但在2012年7月该电站停电检修, 清洗冷却循环水系统管路过滤器 (图1中 (2) ) 时, 意外发现有少量的树脂附着在机械过滤器滤芯外侧。而按照冷却循环水系统工作原理, 这种情况几乎不会发生。因为在纯水冷却系统中, 离子交换回路设计为旁路装置, 独立于冷却系统管路;离子交换罐出口设有机械过滤器, 且整个旁路过滤系统设有二级精密过滤器 (图1中 (1) ) , 除非罐体出口的机械过滤器滤芯破损或滤芯密封失效, 且二级精密过滤器滤芯同时失效, 树脂才会随同交换后的离子冷却水进入冷却循环水系统管路中。
为了证实离子交换罐出口的二级精密过滤器失去作用, 将二级精密过滤器打开, 在过滤器内同样发现了大量的树脂。这足以说明离子交换罐出水口机械过滤器已无法阻止树脂流出, 树脂进入到二级精密过滤器, 而二级精密过滤器也出现了同样的问题, 造成树脂随同去离子冷却水进到冷却水循环系统管路中。
2 问题原因分析
在发现冷却循环水管路过滤器内部存在大量树脂后, 立即检查了离子交换罐出口过滤器滤网的完整性。将离子交换罐内的冷却水及树脂排空后, 拆卸过滤器并进行检查, 未发现滤网有破损开裂现象, 滤网完整, 密封层未受到破坏, 4个长螺杆的螺母紧固。从检查结果来看, 树脂不可能透过滤网层进入二级过滤器。滤网结构如图2所示。
为弄清树脂大量进入二级精密过滤器内的原因, 重新反复检查并拆散了滤网。检查滤网内部时没有发现树脂, 这说明树脂不是通过滤网进到管道内的。但是, 过滤器用于固定滤芯的4根螺杆和钢隔板孔的夹缝中有少量树脂, 如图3所示。
于是对此处的机械结构进行了分析。离子交换罐中的树脂过滤器滤芯是通过螺杆固定在圆环形钢隔板上的, 然后过滤器整体通过树脂端罐底部盖夹紧的方式固定在离子交换罐底部。在离子交换罐内, 钢隔板和滤网将树脂和管路隔开, 交换后的离子冷却水只能通过滤网流出罐体进入管路, 而树脂却被滤网挡在罐体内部。在滤网没有破损的情况下, 滤网外部可以附着树脂, 而滤网内部是不会有树脂的, 事实上滤网内部没有发现树脂, 故滤网没有破损。
螺杆穿过的钢隔板孔可以连通离子交换罐与管路, 但钢隔板孔是被垫片、弹垫、螺母压紧的, 因此树脂一般无法从此处流出。由此怀疑, 钢隔板孔在使用过程中产生了足够让树脂通过的较大间隙, 这种间隙造成水从此处渗漏的同时将树脂一同带入到管路里。但是, 检查此处时发现螺杆螺母固定牢固, 钢隔板孔也没有缝隙, 于是尝试着向滤芯的上部施加压力, 如图4所示。
对滤芯施加压力后, 滤芯明显被压缩, 螺杆从钢隔板下部伸出, 钢隔板孔间隙逐步扩大到足以通过大颗粒的树脂。至此, 明确了离子交换罐树脂泄漏的原因:主管路水泵出口压力为0.9MPa, 冷却水流至离子交换罐顶部时压力仍有0.85MPa左右;强大的压力作用于罐体内部树脂上, 树脂又将压力传递至离子交换罐底部滤芯表面, 因去离子水穿透滤芯造成滤芯进出两侧压差有0.6MPa左右, 因此滤芯受到不均衡的压力后被压缩;加之固定螺杆的螺母是单侧固定的, 螺杆向下侧移动后垫片离开钢隔板表面形成很大的间隙, 交换后的离子冷却水从此处流出时带走树脂。
但是, 设置的二级精密过滤器也没有起到阻隔树脂的作用。为此, 再次对二级精密过滤器进行了检查分析, 发现二级精密过滤器滤芯采用的是纤维棉高精密滤芯, 其具有柔软的特点, 在装入过滤器罐体后极易变形, 且没有结构性固定支架, 两端有间隙, 致使树脂同冷却水一道从间隙中流入冷却水循环系统管路中。
3 处理问题
鉴于该电站离子交换罐树脂泄漏问题的原因, 采取了以下改进措施。
(1) 离子交换罐底部滤芯采用新型滤帽形式的滤网。新型过滤器结构如图5所示。
这个过滤器滤帽与原设计的滤网相比具有以下优点。
(1) 承载强度更强。新型过滤器采用的是垂直安装的滤帽结构, 滤帽安装在滤帽固定钢隔板上, 滤网分布于滤帽的立面四周, 因滤帽的内部钢结构骨架粗厚, 强度大幅增强, 消除了原设计引起的滤网变形现象。
(2) 有效地阻挡树脂。新型过滤器的滤帽和钢隔板之间采用螺纹连接, 接口密封性能增强, 再出现渗漏的可能性为零, 去离子水只能通过滤网流出, 树脂被有效阻挡在离子交换罐体内部。
(3) 水阻无任何影响。新型过滤器采用滤帽的形式, 设计时特别增加了安装凸台, 可让破碎的粉末状树脂堆积于滤帽的安装钢隔板表面上, 树脂粉末在滤网以下, 如图6所示。这样, 滤帽上的网孔接触的是大颗粒树脂, 通水量阻力小, 流量畅通, 粉末状的树脂不易经过滤网进入到管道中, 且在检修时可以清除。
(2) 将二级精密过滤器纤维棉的滤芯换成不锈钢机械滤芯, 滤芯和过滤器之间的连接采用螺纹安装, 避免了因滤芯变形而使树脂从间隙中流失。
经离子交换罐技术改进后的纯水冷却系统, 在长达两年的运行观察中, 设备运行稳定, 未再次发生树脂渗漏的情况, 且通过离子交换罐的冷却水流量稳定。实践证明, 离子交换罐过滤器的结构设计改进方案值得在直流输电变电站用纯水冷却系统中推广。
4 结束语
直流输电变电站常用大功率电力电子器件装备了纯水冷却系统, 其中去离子回路离子交换罐常出现树脂泄漏问题。经研究证实, 该问题是由离子交换罐过滤器结构设计不合理导致的, 通过采用改进后的过滤器, 可得到完美解决。
摘要：大功率电力电子器件的纯水冷却系统中, 要利用离子交换罐置换出循环冷却水中不锈钢管道析出的离子, 通常以离子交换树脂作为管道内重要的水处理媒介, 但在高压直流输电电站运行中, 常出现树脂泄漏的情况。以某直流输电变电站电力电子换流阀纯水冷却系统的树脂罐树脂泄漏问题为例, 从树脂流经的管道和精密过滤器承受的压力等方面分析了问题产生的原因, 提出了交换罐设计的改进建议。通过两年的运行观察, 证明了改进方案的可行性。
关键词：直流输电,冷却系统,离子交换罐,树脂泄漏,精密过滤器,纯水冷却
参考文献
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大功率电子器件 篇5
《数字幅频均衡功率放大器》
参赛学生：徐宋静 刘玉河 梁杰
指导教师： 赵正敏 杨定礼
学 校：淮阴工学院
院 系： 电子与电气工程学院
2009年9月5日
摘要：
本系统采用DSP作为主控制器，通过前置放大、滤波，经AD转换，对信号进行采样，把连续信号离散化，然后通过离散傅氏变换（DFT）运算，在时域和频域对音频信号各个频率分量以及功率等指标进行分析和处理，最后通过低频功放将信号放大，并通过计算机辅助设计软件MATLAB将处理后的参数送入DSP,同时将信息在液晶屏上显示出来。
关键词：DSP、数字均衡、低频功放、MATLAB 引言
随着数字信号处理(DSP)技术的发展，DSP技术已广泛应用于各个领域。借助于现代数字电子及数字信号处理技术，古老的音响技术也焕发出新的活力。本次大赛中我们选择了F题，围绕这一课题我们进行方案选择与论证、系统的软硬件设计与调试，基本实现了课目的各项指标也要求。并在此基础上，撰写了本报告的。
整个系统分为前置放大、信号滤波、数字均衡及功率放大几个部分，以下分别介绍。前置放大器的设计
2.1 前置放大的硬件设计和带阻网络
2.1.1 前置放大的硬件设计
可控增益宽带放大器由芯片AD603构成。AD603为单通道、低噪声、增益变化范围线性连续可调的可控增益放大器，AD603的带宽为90MHz时，其增益高达30dB.本课题中，我们选择两片AD603，构成如图.1所示的自动增益控制放大器。C1310VAD603输入电阻100欧C1710VR10R15R13110VC9J4U5U6128C113578R0103Q157R910VR74C141210VR114R011C18AGC时间常数电容CavQ21266J29C20R8C013+C12C15C16+12R12R16R14J35J512R17R18R1910V可编程放大器电路P14312
图.1可编程放大电路
2.1.2 带阻网络设计
本题中要求，所制作的带阻网络对前置放大电路所输出的信号v1进行滤波，根据题目要求，本次制作的带阻网络电路图如图.2所示。
图.2带阻网络
根据题目中所给的阻带网络结构，我们采用Multisim进行了辅助分析与设计，其幅频特性的分析结果如图.4所示。
图.3波特图
根据图.3可知，在以10kHz时输出信号v2电压幅度为基准，衰减大约为30db，达到了最大衰减10dB的要求。数字均衡方法比较与选择
在音响系统中，均衡器可以分别调节音频信号的各频率成分增益，从而可以补偿扬声器和声场的缺陷。均衡器可分为三类：图示均衡器，参量均衡器和房间均衡器。传统的均衡器仅将音频信号按高频、中频、低频三段频率进行调节。采用数字信号处理技术可以实现对音频信号的更精细的调节，这类均衡器称为数字均衡器。数字均衡器可以作成图示EQ、参量EQ或者两者兼有的EQ，不仅性能指标优异，操作方便，而且还可同时储存多种用途的频响均衡特性，以供不同节目要求选用。数字均衡可以做到10段参量均衡和29段图示均衡，结合其它功能，如噪声门功能等。
在本次设计中，我们给出了一个有参量EQ或者两者兼有的EQ。其设计过程 如下：
3.1 数字均衡器实现方案选择
方案一：采用ARM（嵌入式系统）实现数字均衡
基于精简指令集（RISC）的32位ARM微控制器具有一定的数字信号处理能力，可以用来实现简单的数字均衡器，但当均衡器的功能及性能要求较高时，ARM就不能胜任了。
方案二：采用基于DSP的数字信号处理系统
数字信号处理器具有强大的数字信号处理功能，能够胜任较为复杂的音频信号的各种处理功能，速度快，功耗低。但是DSP弱于事务管理。往往要结合其它处理器，实现友好的人机界面。
方案三：大规模可编程器件
利用大规模可编程器件实现的算法是以逻辑运算完成的最大优越性在于“高速”，实现算法的系统延时非常小，但价格较高。
综合以上各种因素，并考虑到我们的知识与能力，我们选择DSP实现音频信号的数字均衡，并以DSP实现简单的人机界面。
3.2 数字均衡算法选择
3.2.1 软件理论实现方案有三种，如下： 方案一：带通滤波器
根据数字均衡基本原理，我们可以采用一组中心频率和带宽符合一定要求、增益可调的带通滤波器（band-pass filter）实现均衡，并采用MATLAB等计算机辅助分析与设计工具，选择设计理想的滤波器，生成滤波函数的时域冲激响应系数，最后在DSP中以时域卷积的形式实现滤波与均衡。
方案二：傅立叶变换
傅立叶变换是将信号从时域变换到频域的一种变换形式，是信号处理领域中的一种重要的分析工具。离散傅立叶变换（DFT）是连续傅立叶变换在离散系统中的表现形式。在信号的频谱分析、系统分析、设计和实现中都会用到DFT的计算。快速傅立叶变换（FFT）算法，这是一种快速计算的DFT，可以明显降低运算量，大大地提高了DFT的运算速度。
综上所述，由于水平有限，我们在软件理论中采用了带通滤波器的方式。3.2.2用Matlab实现带通滤波器
Matlab的信号处理工具箱提供了支持实现FIR滤波器和IIR滤波器设计方法的函数，以下是通过Matlab所画出的滤波图。低频功放的硬件设计
由于甲类功率放大器的效率小于50%，所以不符合题目中≥60%的要求。B类功率放大器虽然效率较高，但是其交越较大，所以也不符合要求。AB类功放存在着交越失真，也不符合，所以选择D类功率放大器。D类功放具有效率高、体积小、输出功率大等优点。
对于D类功放有三种方案
4.1 采用专用的D类功放器件
此类D 类功放主要由脉冲宽度调制器、开关放大器和低通滤波器等三部分组成，由三角波发生器、比较器和音频输入信号构成脉宽调制器(PWM)；两只输出场效应管组成开关放大器；LF 和 CF 构成低通滤波器，用以恢复音频信号。驱动级用来驱动开关放大器，使放大器输出信号为在VDD和VDD 间切换的高频方波。
图.4经典D 类功放结构示意图
4.2 基于DSP或ARM的D类功率放大器件
首先对输入的音频PCM信号进行采样, 然后进入DSP 处理系统进行数字变换和滤波, 包括差值运算器, 数字低通滤波器和Σ-△调制器。然后用已经获得的二进制序列法去控制MOS管的通断, 并通过模拟的0~24K 的低通滤波器传输到模拟输出。
此方案是利用DSP 芯片的高速计算能力, 实现了数字功率放大器的功能及数字处理本身的特性, 整个放大过程的精度、信噪比和延时都可以通过对算法的修改来实现,。比PWM技术具有更大的灵活性, 且能实现较好的还原效果。
4.3 采用可编程器件实现D类功率放大器 在全数字音频功率放大器的设计中，采用了CPLD来实现将PCM数字语音数据转换成PWM信号，并在D类放大器的实现上采用了改进的PWM方案，实现了D类放大器具有效率高、滤波器设计简化等特点。
信号经过AD转换器进入DSP器件，再经过由CPLD构成的脉冲宽度调制器，产生的信号用来驱动级由MOS管构成的开关放大器，经滤波之后将信号反馈到输入端，与输入值作比较来减少输出波形的失真度。如图.5所示。
本次设计中，我们采用由高速模拟比较器、波形发生成及
PID环节构的控
制器。硬件系统的设计
5.1 DSP的硬件设计
本开发板配有8位数码管显示、16个按键的控制电路、外接21引脚液晶显示、2个138译码器、AD与DA转换器和丰富的外部扩展接口。具体功能和应用介绍如下。
5.1.1 DSP芯片介绍
此次竞赛采用TMS320C5416芯片，这个芯片的特点有：1采用哈佛结构，能同时对程序存储器、数据存储器进行操作；2采用多种线结构，可同时进行取指令和多个数据存取操作；3采用流水线操作；4配有专用的硬件乘法—累加器，可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作；5具有的特殊DSP指令；6快速的指令周期；7硬件配置强；支持多处理结构；省电管理和低功耗。
5.1.2 按键电路
本实验板有16个小按键，按键读写控制由138译码器（U10）的11、12脚结合两块SN74HC573芯片控制，以识别按键操作。138再由DSP的A12到A15端口（高四位地址）控制按键的选通。按键电路可以用于控制数码管显示、液晶显示等等，这主要由编程控制
5.1.3 液晶电路
实验板上提供外接21脚液晶，我们采用外接型号为ATM240128的液晶显示屏。
液晶显示内容由DSP的D0到D7端口外接10千欧电阻提供数据。液晶的现实控制由138译码器控制LCD使能端口、DSP_R/W控制WR和RD端口、DSP_A0、A1分别控制LED背景光源负极和数据命令选择端。
5.1.4 AD / DA转换器
实验板AD转换器由贴片芯片TLV1571组成，DA转换器由贴片芯片TLV5619组成。TLV1571 是TI 公司专门为DSP 配套制作的一种10 位并行A/D 转换器，具有速度高、接口简单、功耗低的特点，外围电路中通过A/D 转换器把模拟信号转换为数字信号，再由DSP 实时地对大量数据进行数字技术处理。TLV5619是美国德州仪器公司推出的高速低功耗DAC器件, 它是带有12位并行数字输入的电压输出型DAC。该器件与TMS320系列器件的并行接口兼容, 采用2.7~5.5 V单电压供电。当使用LDAC管脚时, 它可以异步更新缓冲区的数据。当设置为低功率时, 其功耗仅为50 nW。软件设计
6.1软件流程图如图.10所示。
开始初步确定中心频率用matlab仿真进行辅助设计满足技术指标？YN参数处理导入CCS，进行仿真N满足技术指标？Y下载运行结束
图.10 软件流程图 系统测试
系统测试过程中，首先通过MATLAB仿真，按照竞赛要求设计20hz-20khz的衰减小于1.5分贝，得到滤波系数h(n),然后通过ccs进行数字信号处理。首先通过A/D转换，将模拟信号转换成数字信号，然后将输入的信号与h(n)进行卷积，得到滤波的信号，本设计考虑到实行性，及稳定性采用40阶的FIR滤波器。在调试的过程中，遇到的问题很多，如实时性，首先用80阶的FIR,不能完成实时性，后来，通过调试改为40阶FIR滤波器。D类功放的测试分控制电路部分、功率主回路部分及系统总体测试。首先完成了，D类功放主回路的调试与测试，这部分调试通过后，再调试控制回路，完成了其中的高速PWM发生器，PID环节。8 设计总结
我们花了两个多月的时间来准备电子设计大赛，从9月2日起，比赛正式开始，到今日为止，整整四天三夜。在这些天的奋斗过程中，大家互相合作，互补不足。俗话说：“三个臭皮匠，顶个诸葛亮。”在这四天三夜里，我们集聚了个人的所长，及时的完成了我们选的题目。在这次的次赛中，我们对电子制作有了更加浓厚的兴趣，对数字信号处理、数字均衡、DSP及相关期间有了更进一步的了解，我们再完成任务的同时，也锻炼了我们吃苦耐劳的能力。但，由于初次参加此类比赛，对有些芯片还不是很了解，导致在比赛过程中，在芯片选择上，花费了大量的时间。这说明我们的准备工作做的还不是非常到位。
参考文献
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大功率电子器件 篇6
而随着功率型白光LED制造技术的不断完善, 其发光效率、亮度和功率都有了大幅度的提高。但是, 在制造功率型白光LED器件的过程中, 除了芯片制造技术、荧光粉制造技术和散热技术外, LED封装材料的性能对其发光效率、亮度以及使用寿命也将产生显著的影响。使用耐紫外、耐热老化、高折射率、低应力的封装材料, 可明显提高照明器件的光输出功率和使用寿命。一般来讲, LED的封装方法有两种类型, 一种类型是“LED芯片/填充或粘接材料/玻璃透镜或发光玻璃陶瓷”, 另一种类型是“LED芯片/填充或粘接材料 (荧光粉均匀分散) ”。无论采取哪种封装类型, 封装材料 (填充或粘接材料) 的选择都极大地影响着LED的发光效率和使用寿命。
1 LED封装材料的发展现状和存在问题
在国内, 环氧树脂是使用最多的封装材料, 具有优良的电绝缘性能, 密着性、介电性能、透明、粘结性好, 固化主要依靠开环加成聚合, 不产生小分子物质, 收缩率低, 贮存稳定性好, 配方灵活, 用胺类固化剂可室温固化, 操作简便等优点。但它固化后交联密度高, 内应力大, 脆性大, 耐冲击性差, 使用温度一般不超过150 ℃, 故其应用受到一定限制。实际应用表明, 传统的环氧树脂、PC、PMMA作为透镜材料时, 除了耐老化性能明显不足外, 还会出现与内封装材料界面不相容的问题, 使LED器件在经过高低温循环实验后, 其发光效率急剧降低。Barton等研究发现 150 ℃左右环氧树脂的透明度降低, LED光输出减弱, 在135～145 ℃范围内还会引起树脂严重退化, 对LED寿命有重要的影响。在大电流情况下, 封装材料甚至会碳化, 在器件表面形成导电通道, 使器件失效[1]。
2 有机硅封装材料
目前许多LED封装企业改用硅树脂代替环氧树脂作为封装材料, 以提高LED的寿命。硅树脂材料抗热和抗紫外线能力更强, 不会产生采用环氧材料导致的感光层变黄和分层问题, 并且具有良好的机械特性, 发光效率更高, 使用寿命更长。
选用有机硅聚合物作为封装材料的基体, 其原因在于:有机硅以SiOSi键为主链, 由于SiO键具有很高的键能 (443.7 kJ·mol-1) 和很高的离子化倾向 (51%) , 决定了有机硅树脂具有多方面的优点和性能。
2.1 耐热老化和耐紫外老化性能
由于有机硅聚合物既含有类似无机硅酸盐的SiO键结构, 又含有有机基团, 从而兼具有机性能和无机特性。在高温或辐射条件下, 原子间化学键不易断裂, 物质不易分解;在低温下, 也能保持良好的性能, 决定了有机硅树脂可以在一个很宽的温度范围内工作, 也能耐紫外线辐射, 还可以实现大功率LED器件的工作条件, 不会因为大功率LED工作时间长, 散发的热量过多而导致变黄、分层、粘结性下降、机械性能降低、发光效率减小等不良效果, 从而增加了大功率LED器件的使用寿命和可靠性。
2.2 透过率高
有机硅树脂和环氧树脂相比, 具有更好的透明度。目前有机硅树脂可以制备成在紫外光区有大于95%的透过率, 增加大功率LED器件的光透过率, 增加了发光强度和效率。
2.3 高折射率
有机聚硅氧烷可以实现高折射率的原因是, 有机硅氧烷中的有机基团 R 可以是含硫、苯、酚、环氧基等高折射率的基体, 通过这些高折射率的有机官能团实现有机聚硅氧烷在短波长区具有高的折射率和透光率。
3 有机硅封装材料的研究现状
目前, 企业采用的有机硅封装材料分为国产有机硅封装材料和进口有机硅封装材料。进口有机硅封装材料作为封装大功率LED器件是最可靠最稳定的, 而且使用进口硅树脂材料时则表现出与内封装硅胶材料良好的界面相容性和耐老化性能。市场上所看到的进口大功率白光LED所使用的封装材料经中国科学院化学研究所分析, 为硅胶和硅树脂材料。由此可见, 进口的硅胶和硅树脂材料能够基本满足大功率白光LED封装的要求。所以大部分生产LED器件的厂家在封装大功率LED器件时都使用进口的硅胶, 而很少使用国产产品。但是进口硅胶价格昂贵, 导致市面上LED器件封装成本偏高, 直接影响到我国LED器件的价格。国产硅胶价格较低, 但是存在一些共同的缺陷:折射率低 (约1.43) , 耐热性差, 耐紫外辐射性不强, 透光率不高等, 这些缺陷直接影响到了LED器件的发光效率和寿命。
由于GaN芯片具有高的折射率 (约为2.2) , 为了能够有效地减少界面折射带来的光损失, 尽可能提高取光效率, 要求硅胶和透镜材料的折射率尽可能高。例如, 如果折射率从1.5增加到1.6, 取光效率能提高约20%。传统的硅胶或硅树脂材料的折射率仅为1.41, 而理想封装材料的折射率应该尽可能地接近GaN的折射率。目前已有不少的专利文献报道了具有高折射率的有机硅材料体系, 其中可用于LED封装的有机硅材料的折射率最高的已达到了1.57。
高折射率的硅胶材料和硅树脂材料, 已成为目前国外几家生产有机硅产品的大公司的研究热点和产品销售热点。美国道康宁公司 (Multi-Metal Corning) 研究高分子聚合技术已有120年历史, 一般的有机硅胶粘剂耐温性在80～120 ℃。其对LED封装材料的研究处于领先水平, 已推出了折射率大于1.5的硅胶和硅树脂产品。其生产的双组分树脂SR-7010, 性质坚硬, 用于组件的透明LED树脂, 具有高折射率, 优异的发光透明性。道康宁公司产品中用于LED封装的材料还有OE-6336、JCR6175等透明封装材料。日本Naoki等研究了一种新型有机硅聚合材料, 有优异的热稳定性。有机硅聚合材料由聚乙烯基苯基硅倍半氧烷聚合而成, 在波长为1.30 μm和1.55 μm处的光衰分别为0.99 dB·cm-1和1.05 dB·cm-1。折射率可控制在1.466～1.562之间, 热稳定性好[2]。日本Shin-Etsu Chemical公司申请的“Addition curing type silicone resin composition”, 用了3种不同官能团的硅氧烷制备得到高透明度, 拉伸强度好, 弹性和硬度都很好的有机硅树脂产品[3]。
目前国内尚未见到有关高折射率的有机硅材料的报道。中国科学院化学研究所在实验室已制备出了折射率为1.56的硅油, 但并非是LED封装所要求的硅胶和硅树脂产品。2005年, 在“863计划”的资助下, 北京科化新材料科技有限公司和中国科学院化学研究所研制成功了适合用作LED透镜材料并具有自主知识产权的有机硅环氧树脂组合物, 其耐紫外和热老化性能大大优于除硅树脂外的其他LED透镜材料, 并解决了与硅胶界面的相容性问题。而且其固化工艺优于有机硅树脂, 预期销售价格大大低于后者, 引起了许多封装厂家的关注。但是其折射率偏低, 约为1.47。江西师范大学宋丽艳等[4]用甲基三乙氧基硅烷经水解缩聚反应合成高度交联的有机硅树脂, 外观透明, 粘结性好, 用有机胺类固化剂在60 ℃下固化2 h即可, 达到固化温度低, 时间短的效果。北京化工大学贾梦秋教授[5]以甲基和苯基烷氧基硅烷为原料, 采用水解-缩聚的方法合成了有机硅树脂。结果表明, 合成的硅树脂加入硅氮低聚物后, 能室温固化, 分子量在6500左右, 有很好的耐热性能, 在500 ℃时的失重仅为7.12%, 可以用于制备耐高温涂层。浙江大学何涛等[6]以正硅酸乙酯和甲基三甲氧基硅烷为主要原料, 添加适量的γ-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、流平剂、异丙醇, 配成A组分, 以固化剂作为B组分, 制备得到双组分耐磨涂层, 但是含有溶剂, 用于LED封装时会产生体积收缩的现象, 导致达不到封装的效果。氨烃基烷氧基硅烷或环氧烃基烷氧基硅烷等偶联剂可作为有机硅密封胶的改性剂, 但其力学性能、表面可涂覆性、对基材的粘接强度均较差, 且伯胺类硅烷的伯氢原子活性高, 存在着胺味大、碱性强、易使密封胶变黄等不足。浙江大学徐晓明等[7]合成出两种含氰基和仲胺基的新型硅烷偶联剂 X 和 Y, 作为有机硅密封胶的改性剂, 可使其表干时间缩短, 模量降低, 断裂伸长率和对基材 (混凝土、玻璃和铝片) 的粘接强度提高;而 X 对有机硅密封胶的表面可修饰性更为有效。
由于国内对高折射率LED封装材料的研究和国外相比存在很大的差距, 导致高折射率的有机硅封装材料目前在国内还未见报道, 而其在LED封装上的应用也只能依赖于进口。而有机硅材料具有较多的优势, 被认为是用于大功率LED封装的最佳材料。因此, 研制具有高透明度、高折射率、优良耐紫外老化和热老化能力的有机硅封装材料并实现产业化, 对功率型LED器件的研制和规模化生产具有十分重要的意义。
4 结论
虽然有机硅应用于大功率LED器件封装材料仍然面临着巨大的挑战, 但是, 有机硅材料具有优异的物理和化学性能, 在大功率LED封装材料中具有广阔的应用前景和巨大的经济效益。
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功率放大电路功率输出器件的保护 篇7
1 过流保护
1) 作用:功率放大电路的过流保护电路用于防止电路的实际输出电流大幅度超出正常工作的额定输出电流, 因电流过大造成功率输出器件损坏。
2) 电路形式及其原理分析: (1) MOSFET (场效应管) 互补对称功率放大电路的过流保护:
电路形式如图1所示。由三极管T3、T4, 电阻Rs1、Rs2以及二极管D1、D2构成的过流保护电路对功率输出管T1、T2进行保护。Rs1、Rs2是两个阻值很小的电阻, 在正常情况下, T1、T1的源极电流流过Rs1、Rs2时在其上产生的电压降低于0.6V, 故过流保护三极管T3、T4均截止, 不影响电路的正常工作。当功率输出管T1、T2的源极电流出现过流时, Rs1、Rs2上的电压降就会超过0.6V, 于是三极管T3、T4开始导通, 从而使功率MOSFET管T1、T2的栅-源电压下降、漏极电流, 达到过流保护的目的。
T4Rs1T1 T10.6VT3 T4T2 Rs1 Rs2MOSFET TT-二极管D1、D2的作用是防止正常情况下三极管T3、T4的基出现误导通。在输入信号ui为负电压时, T2导通, 使输出电压uo也为负电压。但由于P沟道MOSFET管T3的栅极-源极电压需要-4V～-2V才会开始导通, 形成大电流输出时, 栅极-源极电压将会达到-7V～-4V, 也即B点电位比输出电压低4V～-7V, 这使得电路中A点的电位也可能低于输出电压uo。由于此时N沟道MOSFET管T1截止, 输出电压uo就是三极管T3的基极电位。因此, 如果没有二极管D1, 三极管T3的集电结就会因承受正向电压而导通。同理, 在输入信号ui为正电压时, 二极管D2也可防止三极管T4的集电结导通。
(2) 采用大双极型功率三极管 (GTR) 为输出级功率放大电路的过流保护:
T3 T4PMOSFETT3-电路形式如图2所示。此过流保护电路形式与图1基本相同, 但二极管D1、D2被省去。这是由于GTR管的基极-发射极导通压降比较低, 当输出信号uo为负电时, T1、T2偏置电路保证了三极管T1的基极电位低于uo+0.7V, 使T1处于截止状态。同时, T1的基极电位又高于uo, 使过流保护三极管T3的集电结不会因承受正向电压而导通。输入信号uI为正电压时, 过流保护三极管T4的集电结也不会因承受正向电压而导通。
2 过热保..护2 GTR
1) 作用:功率放大电路的过热保护电路用于防止功率输出器件因自身温度过高而出现损坏。
2) 电路形式:功率放大电路的过热保护通常采用专用的集成开关来完成。温度开关内集成有热敏元件, 可以感知外界的温度, 当外界温度超过其温度设定值时, 即以逻辑信号形式反映出过热信息。
MAX6502就是这样的温度开关系列器件, 其温度设定值为45℃、55℃、65℃、75℃、85℃、95℃、105℃和115℃八种。其引脚及功能为:
(1) Vcc:电源引脚。可使用2.7V~5.5V的电源电压; (2) GND:接地引脚。同时, SOT23-5封装中的热敏电阻通过此引脚感知环境温度; (3) TOVER:输出引脚, 当外界温度超过芯片的温度设定值时, 产生逻辑输出信号。其输出端采用推拉式电路, 当外界温度低于芯片的温度设定值时2, 此引脚输出低电平, 当外界温度超过芯片的温度设定值时, 此引脚输出高电平; (4) HYST:温度滞环输入引脚。当此引脚接地时, 温度滞环为2℃, 而此引脚接Vcc时, 温度滞环为10℃。如使用温度设定值为95℃的MAX6502芯片, 若将HYST引脚接地, 则当外界温度高于95℃时, TOVER引脚输出高电平, 并一直维持, 至外界温度低于93℃后, TOVER引脚输出转变为低电平。而将HYST引脚接Vcc时, 则当外界温度高于95℃时, TOVER引脚输出高电平, 并一直维持, 至外界温度低于85℃后, TOVER引脚输出才转变为低电平。
利用MAX6502的TOVER引脚输出, 可以控制电路在过热时停止工作, 也可以控制电路在过热时启动风扇进行降温。以MAX6502控制风扇启停的电路如图3所示。当外界温度超过MAX6502的温度设定值时, TOVER引脚输出高电平, 使晶体管T1导通, 风扇加电工作。至外界温度降于温度设定值10℃后, TOVER引脚输出低电平, 使晶体管T1截止, 风扇停止工作。
参考文献
[1]林欣编著.功率电子技术[M].清华大学出版社.
[2]杨帮文编著.新型实用功率放大电路锦集[M].人民邮电出版社.
大功率电子器件 篇8
烹饪用IGBT成热点
提高能效是电子器件的头号推动因素, 从天然气烹饪转向感应加热 (例如电磁炉) 可以节能50% (表1) , 而且感应加热产品还具有安全和容易清洗的特点。因此, 为电磁炉开发IGBT成为展示的热点。
·Fairchild的Field Stop Trench IGBT
Fairchild (飞兆) 半导体公司在会上推出了1200V Field Stop (场截止) T r e n c h I G B T系列器件F G A 2 0 N 1 2 0 F T D和FGA15N120FTD。这些IGBT采用该公司专利的Field Stop结构和抗雪崩的Trench gate (沟道栅) 技术, 可在传导损耗和开关损耗之间提供良好权衡。Fairchild企业市场总监Claudia Innes说:“与传统的NPT-T r e n c hI G B T器件相比, FGA20N120FTD可减小25%的导通损耗、8%的开关损耗, 并大幅降低系统工作温度。”由于损耗降低, 因此冷却要求降低, 系统的可靠性得以增强, 系统总成本减少。这些新I G B T还内置了专为零电压开关 (ZVS) 技术而优化的快速恢复二极管 (FRD) , 进一步提高了可靠性。
两款新产品是Fairchild设在韩国的HV (高电压) 电源系统组为中国市场 (220V电压) 开发的, Sangmin Chung经理表示, Field Stop工艺是Fairchild的独有技术, 其关键是加了一个Field插接层, 因此可以把损耗降低。随着研发的进一步深入, 今后有望Fairchild所有IGBT可以用到Field Stop技术。
·Infineon:单管IGBT方案
Infineon的方案包括两个方种:软开关应用的第三代逆向导通IGBT (RC3) 和单端谐振的控制。
英飞凌方案比目前的设计方案简化了器件, 实现了数字控制
软开关用的第三代逆向导通IGBT所有的烹饪电器都是软开关拓扑结构。烹饪电器主要分为三大类:电磁炉、电饭煲和微波炉 (如表2) 。英飞凌家电及工业功率器件市场高级经理马国伟介绍说, 采用Infineon的第三代逆向导通IGBT有四个优势:1, 具有较低的饱和压降, 从而节省散热器和风扇成本;2, 软而且快的开关特性降低了EMI, 可简化滤波器;3, 安全、坚固的设计伴随着更大的热设计裕量。4, 使谐振方案实现低成本, 具有更低的导通损耗、特制的二极管及精确的温度控制。
单端谐振的控制与保护随着电磁炉的功率越来越高, IGBT在电磁炉中的峰值浪涌问题日益突出。Infineon为中国市场推出147143的“IGBT+单片机”组合方案, 实现电磁炉的数字控制。利用其IHW25N120R2 IGBT及8位单片机XC886/XC866实现, 方法是通过单片机对输出功率作每周期的数字控制, 对VCE及VAC作动态监测, 进行准确及时的控制。
功率器件秀
·三菱电机
三菱电机带来了第四代D I P-IPM (双列直插型智能功率模块) 、第五代智能功率模块L1系列IPM以及多种系列的第五代IGBT模块。
2004年以来, 三菱电机的DIP-IPM模块开发致力于小型化、低热阻化以及完全无铅化, 并已开发出第四代DIP-IPM产品。如今, 为提高DIP-IPM的性价比, 三菱电机还增加了搭载RC-IGBT硅片的额定电流为3A的DIP-IPM, 从而使第四代DIP-IPM系列产品更加丰富, 为白色家电等变频基板的小型化做出贡献。
三菱电机还展示了新推出第五代L1系列IPM, 其将硅片温度传感器设置在IGBT硅片正中央处, 实现了更加精确迅速的硅片温度检测。该系列I P M采用全栅型专利的CSTBT (载流子存储式沟槽型双极晶体管) 硅片技术, 具有比L系列IPM更低的损耗, 以及优化的VCE与Eoff折衷曲线。此外, L1系列IPM还首次开发了25A/1200V和50A/600V的小封装产品以满足客户节约成本的需求。
·Infineon
除了电磁炉用I G B T外, Infineon还展示了IGBT驱动芯片—采用专利技术E i c e D R I V E R的1ED020I12-F, 它是一款单路门极驱动IC, 具有1200V隔离电压, 使用无核变压器 (CLT) 技术, 可驱动达100A的IGBT/MOSFET。
刚刚开始量产的智能功率模块CiPoS系列打造了IPM新封装概念, 这是由于功率器件使用DCB (陶瓷基覆铜板) , 控制电路采用PCB (印制电路板) , 便于实现定制功能。内部具有可靠的电气隔离, 散热效果良好。对DCB作注模封装, 提高了可靠性。可以为将来集成单片机做准备, 同时可以集成更多器件做定制模块。内置PCB, 令引脚位置及功能定义灵活。
大功率应用的混合电动车功率模块HybirdPACK与工业应用功率模块PrimePACK为了提高坚固度、降低脱离效应, 都使用了优化的铜基板及氧化氯陶瓷, 并采用芯片定位方法。其中, 适合大功率工业变频器、大功率U P S、可再生能源的PrimePACK2与PrimePACK3优化了芯片布局, 比上一代模块降低热阻30%;并且大幅降低内部寄生电感, 比上一代模块降低60%。
·Fairchild
大功率电子器件 篇9
1智能功率集成电路
当代的电力电子装置出于对电子系统的保护需求, 在电子电路系统中都应用了大量的线路和电气保护装置, 在这些装置的作用机制上, 常常采用的是各种线路状态处理模块的并线连接, 线路的保护装置对连接进入电气设备的能源进行检测, 判断线路中的电流是过压、欠压还是过流, 在将线路连接到相应线路状态的处理模块中, 其中最典型的就是在不同芯片上的高压、低压功能模块, 这样的模块并联模式可以很好的保护电气设备的安全, 但是这种重复设计影响了电子芯片所在电力电子装置的设计成本, 如果将电力电子装置中所有的功能模块都制作在一块芯片上, 用这一块芯片对电力电子装置, 可能会面临的电力供应情况进行综合性系统的处理, 这样就形成了现代电力电子技术中极具活力的芯片设计发展方向——单片功率集成电路。由于这一芯片集成模式在很大程度上解决了电力电子技术智能化的问题, 所以这一大规模集成芯片技术, 也被称为智能功率集成电路。
2功率半导体器件
功率半导体器件, 顾名思义是由功率半导体为主要材料组成的电子元器件, 这种元器件在电力电子装置中通过半导体材料的特性, 进行电力电子装置中线路的开关。从诞生到现在半导体器件经历了高速发展的时期, 形成了极多的电力电子器件的种类。
作为电力电子装置中的“功率开关”功率半导体器件, 在当前的电力电子装置应用的实际条件下, 被要求有极高的状态转换能力和稳定性, 在理想状态下, 功率半导体器件应该是这样的:在半导体处于开通状态时, 半导体本身的电阻为零, 保证电流在流经半导体时不会造成电能的消耗, 并保证半导体本身不会因为短时间内大量电流流经产生的热量而烧毁。当功率半导体器件在关闭状态下时, 半导体本身能变为漏电流为零的绝缘体, 不会被线路中的高压电流击穿。在开启和关闭状态之间转换的时间为零, 管控线路的微弱信号就可以推动功率半导体进行瞬间的状态转换。无论是在开启状态还是在关闭状态下半导体的稳定性极高, 不会受外部电磁环境变化的影响, 不会受到任何接触与非接触形式的信号影响, 在运行的过程中不会因为频繁的开关导致半导体的老化, 不会有状态控制能力的退化, 保持永不老化的可靠性。
这些要求对功率半导体都过于苛刻, 很多都是不可能实现的绝对化要求, 但是这体现出了功率半导体在电力电子装置中的应用现状, 也是功率半导体发展的未来方向, 无数半导体科研人员在这一目标的指引下夜以继日的奋斗, 希望可以在功率半导体器件功能上取得突破。
3智能功率集成电路中功率半导体器件的研究
智能功率集成电路共分为三个功能模块, 分别是功率控制、传感保护和智能接口, 这其中最主要的就是功率控制模块, 其他的两个模块基本上都是为功率控制模块提供服务的, 在智能功率集成电路中电路的功率控制, 是实现智能功率集成电路作用的主要功能, 因为通过一系列的功率需求和功率现状分析后, 系统本身对电力电子装置需求的能源模式有了明确的认识, 对输入到电力电子装置接口端的线路电流也有了明确的认识, 那么关键的问题来了, 如何对现有能源进行符合电力电子装置需求的转化, 这一转化过程只能通过功率半导体器件进行, 通过半导体本身的特质, 让半导体处于不同的运行状态, 就能够对通过半导体的能源特点进行转化, 让其符合电力电子装置的能源需求, 让电力电子装置处在一个合理的运行状态。
由此可见功率半导体器件在智能功率集成电路中的重要作用, 可以说功率半导体的发展在一定程度上决定了智能功率集成电路的发展, 在功率半导体的支持下智能功率集成电路才能充分发挥它的调节作用。
早期的功率半导体器件以半控型晶闸管为代表, 这种半控型的晶管闸是半导体材料的初步应用, 基本上还是应用半导体自身的特性进行线路功率的调节, 这一调节形式有一半的工作状态是不可控的, 所以才会被称为半控型晶管闸, 因为选取的半导体和半导体的管控方式的缺点, 导致该功率半导体器件只能在开启状态下调整线路中的能源状态, 不可能进行线路的完全绝缘。这样的缺点再加上半控型晶管闸的体积过大, 是不可能用于智能芯片中的, 这一问题直到LDMOS器件的出现才得以解决。让功率半导体得以在智能功率集成电路中应用, 智能功率集成电路也得以实现电力电子装置能源供应的智能管控。
4结论
功率半导体作为一种线路功率的管控系统, 是智能功率集成电路能够正常运行的关键部件, 同时功率半导体器件的质量对智能功率集成电路的运行效率也影响极大。
参考文献
[1]罗萍.智能功率集成电路的跨周调制PSM及其测试技术研究[D].电子科技大学, 2004.
[2]高珊.复合栅多阶梯场极板LDMOS电学特性的研究[D].安徽大学, 2007.
[3]李奎兵.智能功率集成电路中部分子电路的分析与设计[D].电子科技大学, 2006.
[4]蒋苓利.功率集成电路中高压ESD防护表面电流抑制模型与器件研究[D].电子科技大学, 2013.
[5]亢宝位.国际功率半导体器件与功率集成电路会议 (ISPSD) 介绍[J].电力电子, 2004, 04:3+20.
大功率电子器件 篇10
1 电子管概述
电子管, 是一种最早期的电信号放大器件。被封闭在玻璃容器 (一般为玻璃管) 中的阴极电子发射部分、控制栅极、加速栅极、阳极 (屏极) 引线被焊在管基上。利用电场对真空中的控制栅极注入电子调制信号, 并在阳极获得对信号放大或反馈振荡后的不同参数信号数据。早期应用于电视机、收音机扩音机等电子产品中, 近年来逐渐被半导体材料制作的放大器和集成电路取代, 但目前在一些高保真的音响器材中, 仍然使用低噪声、稳定系数高的电子管作为音频功率放大器件。
电子管虽然有着体积大、功耗大、发热高、寿命短和电源利用效率低的缺点, 但相比于晶体管, 却有着负载能力强、线性性能好、工作频率高等优点, 因而在大功率PSM短波发射机的放大系统中, 电子管仍然发挥着不可替代的作用。应用于大功率短波发射机的电子管价格昂贵, 并且很容易发生故障。一旦电子管发生故障没有得到及时处理, 将会影响到节目的播出质量, 并带来额外的运营成本。PSM大功率短波发射机的电子管作为消耗件和易损件, 其故障原因有很多, 大多数发射机电子管的故障是由于电子管损坏或性能下降引起的, 影响电子管安全和使用寿命的原因包括灯丝电压、真空度、极间电压、管体温度和外部参数等。因此, 电子管常用的保养维护主要是灯丝电压控制、真空度保持、极间电压控制、电子管冷却等。
2 PSM大功率短波发射机中电子管的维护要点
2.1 电子管的运输和储存
电子管结构脆弱并需要保持管内真空环境, 因而在电子管出厂时, 必须用特质的防震抗摔包装加固, 才能运输。在运输过程中要避免包装箱倒置或倾斜, 在运输时应该保持电子管的轴线垂直, 以指示电子管的装卸和储存。运输过程中要尽量做好货品环境管理, 避免受潮、撞击和强烈震动。另外, 无论是采用陆运、海运或空运, 电子管的运输空间都要求清洁无污染, 绝对不能有腐蚀性气体或液体放置在电子管货堆附近。储存中要保证陶瓷环保护套安全, 保护电子管陶瓷部分的情节, 要注意尽量避免电子管与其他货品摩擦或碰撞, 造成陶瓷会电子管表面伤痕很有可能导致电子管失效, 造成资金和资源的浪费。电子管的运输和储存温度应该保持在5℃~45℃之间, 相对湿度小于80%, 如果需要长期储存, 应该用塑料袋塑封, 并在塑料袋内放置干燥剂。
2.2 电子管的检查
电子管是大功率PSM短波发射机中的重要构建, 由于电子管的性能很容易在运输过程中受到影响, 在电子管到货或投入使用前, 一定要做好电子管的检查。笔者对电子管的检查要点进行分析, 电子管的检查主要包含以下内容。
2.2.1 外观检查与清洁。
尽管电子管运输和储存过程中加大了管理力度, 但由于电子管十分脆弱, 货品到货后仍然可能由于环境和生产问题出现故障。为了确保电子管的性能符合使用要求, 首先要检查电子管的外包装箱, 如果外包装箱完好无损, 且表面没有水渍、污渍和剧烈碰撞痕迹, 可以开箱检查电子管的外观。电子管外观的检查项目包括芯柱、瓷环和个引线环等, 如果电子管外观破损、变形或由机械损伤, 电子管可能性能受损。在电子管开箱验收和检查过程中, 如果检查程序需要接触电子管表面, 检查人员需要佩戴干净的白手套, 尽管如此也不可以手持或接触电子管的陶瓷、封接部位和氩弧焊边等易损坏部位。如果检查中发现管壳有尘垢, 可以先用中性肥皂水擦洗, 之后用纱布蘸无水酒精擦净。电极端的情节则可以采取先用细纱布擦, 再用干净布蘸取酒精擦拭的方法, 切忌不可用刮刀或金属刷清洁电机表面的污垢和氧化部位。
2.2.2 电子管各电极的通路和开路检查。
电子管各电极的通路和开路检查一般会使用三用表, 在检查灯丝通路时, 三用表指示的电阻系数接近零位置, 如果指示数值较大, 则表明灯丝断裂损坏。检测电极间开路时, 如果检测中三用表指针读数最大, 表明阴极与栅极、一栅与二栅间、栅极与阳极间是通路。如果指针有指示但指数并不是最大, 则表明电极间很可能是短路。如果发现短路现象, 则要通过视觉观察是否是电子管受潮或不清洁导致的假碰极, 并采用老炼的方式观察能够使其恢复正常。
2.2.3 电子管极间绝缘检查。
电子管极间检查是通过测量电子管电极间的绝缘阻值实现的。电子管的各个极之间倘若存在碰极现象, 就会使电子管的极与极之间短路而不能正常工作。电子管的碰极常在两种情况下发生:第一种是管子受到振动, 第二种是管子工作在热态时发生, 而在管子冷却后碰极现象也随之消失。常以第二种情况比较多见。不论哪一种情况都可以用不同的方法来检查。第一种情况可以用万用电表的高阻挡接到电子管相邻电极的管脚上来测量, 如阳极与帘栅极或栅极之间, 栅极与阴极之间。测量时电子管应该作轻度的转动和敲击, 如果没有碰极现象, 那么在各个不同的位置, 万用表的指针应该不动, 也就是测得的阻值应为无穷大。如果管子在转动到某一位置时, 万用电表指示的电阻值为0 Q, 说明管子在这个位置发生了碰极。这样的管子虽然还能勉强使用, 但给电子管工作的可靠性带来了很大的影响, 所以还是应该及早换用新管。
2.2.4 电子管冷打压。
当电子管灯丝不加电压, 并在有关电极间加入一定高压, 可以有意使电极间产生限制放电电流, 这种电流能够去掉管内电极上的毛刺, 并免除电子管在高压电场应用时放电, 利用离子轰击阴极毛刺和污垢, 还能够使其溅散气化, 产生清除作用。
2.2.5 电子管的老炼。
电子管老炼包括灯丝老炼和电子管高压老炼两部分内容, 灯丝老炼就是指在电子管上加额定值的灯丝电压和电流, 依靠高温阴极的热辐射来加热管内零件, 实现吸收管内参与气体, 确保电子管真空度的一种老炼操作。电子管高压老炼与冷打压处理的根本区别就是在电极上加入规定的电压, 并保证电子管在高压工作电气性能的稳定性, 当调幅加到100°, 稳定工作后, 再用105°调幅信号瞬间冲击几次, 如果无异常状态, 则可以结束老炼。
综上所述, 在PSM短波发射机中, 电子管作为信号放大的核心部件, 其工作稳定性直接影响着信号质量和信号传输稳定性。易碎材质的电子管体积较大, 并且造价较高, 一旦在使用中保养维护措施不当, 不仅会影响信号传输质量和传输稳定性, 还会加大短波发射机的运营成本。为了确保电子管的工作性能, 提高发射机信号传输质量和稳定性, 一定要做好大功率短波发射机电子管的保养和维护, 尽量提高电子管工作可靠性。
参考文献
[1]王昌林.大功率PSM短波发射机中电子管的可靠性增长研究[J].中外企业家, 2015 (2) :117-118.