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系統以及過電流、過電壓保護傳感器共同封閉在一個塑料外殼內制成的。 　晶閘管是電流控制型電力半導體器件，要驅動晶閘管，需要較大的脈沖觸發功率；另外一些輔助電路的元器件，如同步變壓器、觸發變壓器等體積比較大，因此，如果要把移相觸發系統與晶閘管主電路以及傳感器等封裝在同一外殼內，制成晶閘管智能模塊，具有很大的難度。所以，國內外一直采用晶閘管器件與移相觸發系統分立制作的傳統形式。 　我們公司經多年的開發研究，首先解決了同步變壓器、脈沖觸發變壓器微型化的問題，使移相觸發系統的體積大幅度減小，能夠集成在體積很小的塑料外殼內。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行了大量研究實驗，開發出了一系列專用移相觸發系統集成電路，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材料，具有其他材料無可比擬的導熱性能和絕緣性能。同時，在模塊內部，采用了其他一些特殊材料，比如，具有良好電絕緣和保護性能以及良好熱傳導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部接線圖和其外形照片。 幾年來，公司不斷對智能模塊進行技術改進。目前，已經用數字技術取代了模擬技術，使移相觸發系統更為準確可靠；不斷擴大智能模塊的輸出容量，現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，在各種應用場合得到了廣泛應用。 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，使用公司自主開發的數字化專用集成電路JP-SSY01，具有很高的移相精度和工作穩定性。 　（2） 閉環控制系統工作原理圖。 　智能模塊在控制上可分為開環控制與閉環控制，在晶閘管組成的電源系統中，大部分是采用電流閉環控制和電壓閉環控制。圖2是閉環控制系統工作原理圖，該原理圖可大體分為三部分：移相調控部分，電壓反饋部分，電流反饋部分。工作原理如下：首先，由用戶根據實際情況，選擇模塊工作在恒流狀態還是恒壓狀態，通過 “恒流恒壓轉換電路”，確定電壓反饋部分工作或電流反饋部分工作。然后，用戶調整“0-10V設定電壓”，該電壓通過“移相調控電路”，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“霍爾傳感器采樣”、“整形放大”后，與“0-10V設定電壓”進行比較，形成誤差電壓，該誤差電壓經處理后，控制“移相調控電路”，根據輸出電壓或電流的大小，隨時快速調整晶閘管的導通角，達到穩定輸出電壓或電流的目的。 （3） 控制系統特點 　1. 采用線性霍爾傳感器，實現電氣隔離，提高了整機性能。霍爾效應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生感應電壓的霍爾效應，將電流、電壓轉換為電壓信號。霍爾傳感器的優點為轉換系數高，有良好的電氣隔離作用，響應速度快，線性度較好，對提高整機性能有很大好處。 　2. 反饋系統的應用，使“0-10V設定電壓”與輸出電壓與電流成較好的線性對應關系，克服了晶閘管移相角度與輸出電壓非線性的缺點。 　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，比其他同功能產品有更大的優越性。 　4. 多種保護功能，使用更加安全方便。 　5. “移相調控電路”采用專用數字電路JP-SSY01，使觸發更為準確可靠。 　（4） 能模塊的主要技術參數和功能 　1. 在晶閘管控制曲線上線性度較好的范圍內（恒壓在100V-350V，恒流約在35%-75%I（最大設定電流）），穩壓精度在0.5%，穩流精度在1%之內，在線性度較差的范圍內，穩壓精度不大于1%，穩流精度不大于2%。 　2. 電網調整率：電網變化±20%，輸出變化（調整范圍內）不大于±1%。 　3. 高線性對應關系，0-10V設定與輸出電流（壓）成較好線性關系，非線性度不大于5%。 　另外，模塊還具有如下功能： 　1. 過流、過熱、缺相保護三種保護功能使模塊應用更為安全。 　2. 霍爾傳感器采樣信號輸出，可外接電流電壓顯示。 　3. 如果內部反饋系統效果達不到用戶要求，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用 　現代化工業生產中，采用晶閘管的恒流恒壓設備，因為具有大范圍的恒壓（0～幾百伏）、恒流（0～幾百安培）特點，應用空間很大。但是，目前大多數恒流恒壓的晶閘管裝置和產品受傳感器和控制電路的制約，體積龐大，電路復雜，難于調試，控制精度低。并且由于采用了分流器和分壓器進行取樣，無隔離措施，控制電路的電磁干擾大，難以與計算機接口應用，使晶閘管恒流恒壓設備的應用處于一種比較困難狀態。智能模塊很好的解決了這一應用與制造上的矛盾，目前，已在發電機勵磁、直流屏（蓄電池充電）、激光電源、充磁設備、UPS電源等各種場合得到廣泛應用。 　智能模塊在實際電源系統中的應用可分為兩類： 　一類是整流型模塊，具體應用電路如圖3。 模塊輸出直流電壓經LC濾波后直接到負載。輸出電壓調整范圍為0-510V。 　這種用法的特點是輸出大電流、高電壓。 　另一類是交流型模塊。具體應用電路如圖4。 模塊輸出交流可調電壓接到變壓器初級，次級經雙反星型整流后，得到所需直流電壓。 這種用法適合于低電壓、大電流的負載。 4　智能模塊應用實例 　某項高能直線感應加速器需要近百臺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，穩定度和低的紋波。負載在0.05～0.1Ω大的范圍內變化，電流從200A至500A連續可調，電網電壓交流340V～420V。 　研制生產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、裝配工藝規范，結構簡單，便于裝配、操作、維修、運行，嚴格質量控制。 　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系統，很復雜很困難，有上千根水管及接頭，很難保證不漏水。采用調壓式控制管壓降在8±2V內，成倍降低管耗，降低散熱要求，可以去掉水冷。 　經比較論證，在調壓單元這一關鍵部分，決定選用三相交流智能控制模塊。恒流源工作原理見圖5。 三相交流電經斷路器、調壓模塊、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作用，當恒流源失控或負載短路而過流時，自動切斷電源。 　交流調壓模塊是本方案重要部件，只需外加12V直流供電，以手動或微機控制給定信號電壓，即可改變6只晶閘管的導通角，從而改變交流輸出電壓，達到控制直流供電Vo的目的。 　從理論分析和實驗結果數據可以證明采用調壓式具有明顯的效果：省工、省時、省空間、省費用，裝配簡便，工作可靠穩定，性能指標有提高。現已完成生產500A調壓式恒流源近百臺，調試方便，性能參數一致。 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通角達到調壓目的，因此會產生諧波污染電網，影響多大，已作了現場測量。 　實驗條件為：按照圖4所示電路形式，35臺同時工作。 　根據國家標準《電能質量　公用電網諧波》（GB/T 14549-93），標稱電壓為0.38kV的電網，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。且與工作狀態有較大關系，即導通角小、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，而是隨著臺數增加，總的電壓諧波變化并不明顯。所產生的諧波在國家標準允許的范圍內，對電網的污染并不是太嚴重。