几种旋转整流模块的结构与性能
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
作者简介 :杨怀海 男 1980 年生 ;毕业于佳木斯大学电机与 电器专业 ,现从事高压电机设计工作 。 收稿日期 : 2010208212
(上接 5页 )
表 1 三种模块的物理参数比较
项目 对地击穿电压 ( kV)
相对介电常数 导热率 (w /m. k) 铜层厚度 (mm ) 抗拉强度 (M Pa) 温度范围 ( ℃)
在 80年代初期 , ABB 公司将这一成果应用 于电力电子模块的设计和制造中 ,研制出了新的 一代模块 2DBC技术模块或者称之为铜 2铝共晶体 模块 。其内部结构与图 1 相近 ,只是铜引出线与 陶瓷板之间是采用 DBC焊接方式 。
铜 2氧化铝共晶基板的物理参数 (见表 1)与 焊接式和普通焊接式相比已经达到了一个新的水 平。
19
3 结语
从以上的计算和试验我们可以看出 ,电机效 率的计算值和试验值虽然有一定的误差 ,但是它 们之间的变化方向完全一致 ,说明通过改变电机 的气隙可以做为一种提高电机的效率措施 。电机 气隙值的合理选择 ,不仅可以提高电机效率 ,而且 可以降低电机的温升 、噪声及提高起动性能等 。
参考文献
[ 1 ] 许实章. 电机学. 北京 :北京工业出版社 , 1990. [ 2 ] 陈世坤. 电机设计. 北京 :机械工业出版社 , 2000.
0 引言
电子整流器件的出现使交流发电机实现无刷 化成为现实 ,旋转整流器件的模块化研制成功使 无刷交流发电机的大功率化成为可能 。随着发电 机技术的不断发展 ,旋转整流模块的设计 、制造技 术也越来越专业化 ,新的材料 、工艺逐渐得到应 用 ,以满足不断提高的使用需求 。在电机行业中 , 旋转整流模块的作用越来越重要 ,值得我们去做 进一步的研究 。
The Structure and Performance of Severa l K inds of Rota ting Rectif ier M odules
M eng Yongqi and Cao W eijun Abstract This paper introduces several kinds of structures of rotating rectifier mod2 ules used in brushless AC generator. By comparison of these structures in performance, advantages and disadvantages, the app licable range of these structures are exp lained fur2 the r. Key words Generator; rotating rectifier; structure
热膨胀系数
( 10 - 6 k - 1 )
DBC焊接 10
9～10 24～28
0. 3 500 - 55～850
7. 4
普通焊接式 ≥3
9～10 19～25
0. 8 230～300 - 10～90
17
冷热循环次数 (万 ) 15
1
压接式 ≥3 4～5
1. 1～1. 6 — 800
- 5～150
11～17
美国人在 1945年发明 ,称之为 Mo2M n 法技术 ,其 金属化机理主要是 :在高温下陶瓷中玻璃相向金 属化层渗透 。M n 氧化成 M nO , M nO 熔入玻璃相 中 ,使其粘度降低 。玻璃相一方面渗入 Mo 层空 隙 ,另一方面浸润陶瓷 ,向陶瓷中渗透或产生熔 解 ,经重新沉淀过程而析出大颗粒刚玉晶粒。 M nO 与 A l2 O3 、SiO2 等 反 应 形 成 M nO. A l2 O3 或 MnO. SiO2 ,在降温时可能析出锰铝尖晶石或蔷薇 辉石 。Mo 在湿氢中表面微量氧化 ,微量氧化部分 进入玻璃相中 ,且使玻璃相对 Mo浸润良好 。Mo 在高温下 ,在玻璃相渗透的同时 ,本身也烧结成多 空性层 。
图 2 压接式旋转整流模块
电流容量较大的模块 ( 300 ～500A 以上或者 芯片的直径大于 35mm )宜采用压接式的结构 ,这 种结构的选用建立在以下理论 :大面积的压接接 触系统和小面积的压接接触系统要能承受同样的 热循环次数 ,压接触在热循环过程中不同材料层 之间允许彼此有一定的滑动 ,在较大的热冲击和 较多的热疲劳冲击次数下不会产生较大的应力 , 因而耐热疲劳能力较强 。结构设计上合理选择弹 簧材料和安装位置 ,使得发电机在高速旋转状态 时 ,随着离心力的加大 ,芯片与连接铜线之间的压 力也随着变大 ,降低了由于接触电阻的增大产生 的热量 。
曾经有人对直径为 35mm 的硅芯片做过试 验 。试验表明 ,当 Mo2M n金属化陶瓷板上金属化 的层厚达到 10μm 左右 ,硅芯片的温度从 45℃上 升到 125℃时 ,位于陶瓷板上方的铜引线的膨胀 会产生 5～8μm 的位移量 。这就是所谓热疲劳的 试验依据 。
为了解决普通焊接式模块和压接式模块以上 所说的不足 ,在上个世纪 70 年代末 ,西德 ABB 2 IXYS公司研制出了一种新材料 —铜 2氧化铝陶瓷 共晶键合板 ,在此工艺中 , A l2O3 陶瓷片的两边可 以直接键合上一层铜层 。经技术处理后 ,这种铜 层在与氧化铝的接合处 ,有一层铜与氧化铝共晶 体 ,这一共晶体使铜与氧化铝之间处于完全浸润 状态 ,结合力非常牢固 。当然 ,温度必须严格控制 在 1 062～1 065℃范围内 ,这一温度恰好略低于 铜的熔点 ,从而保证了铜层的形状和尺寸不偏离 设计要求 。
所之间的连接采用焊接方式 。其内 部结构如图 1所示 。
普通焊接式技术目前已广泛应用于中小功率 器件的制造过程中 。尽管在功率的定义上 ,很难
4
有严格的划分 ,但是 ,在电力电子领域 ,一般把中 等功率定义在 300～500A , 300A 以下可视为小功 率模块 。在中小功率领域 ,普通焊接式占据主导 地位 。
普通焊接式模块有其独特的优点 :热阻小 、功 耗低 、集成度高 、成本较低 ,而且可以使用玻璃钝 化处理的芯片 (增加芯片的稳定性 ) 。
1. 2 压接式模块 所谓压接式模块是指模块中的各导电体之间
的连接是采用如类似弹簧预压紧的方式 。其内部 结构如图 2所示 。与焊接式相比 ,压接式多了预 压紧机构 (螺栓紧固件 、弹簧板 、玻璃布板 ) 。
图 1 焊接式旋转整流模块
普通焊接式模块应用在旋转领域 ,首先要解 决在高速旋转状态 ,模块内部的各器件要能承受 较大的离心力而不发生位移 、断线 、焊缝开裂等难 题 ,直到灌封固化材料的出现解决了模块内部各 器件的固定问题才使得普通焊接式模块在旋转领 域得到广泛应用 。
在图 1中 ,器件的结合层一般使用弹性较好 , 绝缘较高的硅胶形成填充层 ,以使器件在高低温 下能够自由伸缩位移 ,顶部使用机械强度高 ,绝缘 性能稳定的树脂进行固封 ,以增大模块承受巨大 离心力的能力 ,在芯片与基板的接触部位使用绝 缘导热性能兼优的陶瓷板 。
1 几种类型模块的比较
在旋转状态中 ,整流模块不但要完成将交流 电源整流成直流电源的任务 ,而且还得承受一定 的高温和离心力而不发生损坏或失效 。旋转整流 模块的外形构造千差万别 ,但其内部结构原理大 致可分为 : 普通焊接式 、压接式以及最新出现的 DBC焊接式 ,下面分别进行介绍和比较 。 1. 1 普通焊接式
1
各工艺的旋转整流模块定性比较见表 2。
表 2 不同工艺的比较
项目
普通焊接式
耐热疲劳性 大功率差
热阻性能
很好
功耗
小
可靠性
小
300A 以上载流能力 困难
300A 模块尺寸比较 中
压接式
好 差 大 较大 可能 大
DBC焊接式 很好 很好 小 小 可能 小
2 结语
旋转整流模块是无刷励磁的关键器件 ,随着 单机高压大功率无刷发电机的设计 ,旋转整流模 块将趋向体积小 、功率大的方向发展 ,在整流模块 的设计生产中 ,新材料和新工艺的不断应用是关 键。
几种旋转整流模块的结构与性能
孟永奇 1 ,曹维军 2
1海军装备部 ,山西太原 (030027) 2太原汾西重工 ,山西太原 (030027)
摘 要 介绍了无刷交流发电机使用的旋转整流模块的几种结构方式 ,通过对比各种结构方 式的性能和优缺点 ,更一步说明各种结构方式适用的范围 。
关键词 发电机 ;旋转整流器 ;结构 中图分类号 TM301. 2 文献标识码 A 文章编号 100827281 (2010) 0520004203
DBC 技术模块有如下优点 : 良好的 机械 强 度 、优良的电绝缘性能较高的耐热循环能力 、优良 的导电导热性能 (功耗小 ,热阻低 ) 、集成化程度 更高 。
(下转 19页 )
5
图 1 气隙与损耗的曲线 图 2 气隙与效率曲线 图 3 气隙与功率因数曲线
从图 1和图 2我们可以看出 ,电机的损耗 Pw 损耗随着气隙增大而减小 , 效率随着气隙的增大 而提高 ,功率按照图 3线性减小 ,当电机气隙大于 6mm时 ,电机的 Pw 损耗与电机的效率变化较慢 , 而功率因数依然线性减小 。在保证电机功率因数 的前提下 ,此样机选取了三点进行试验 ,气隙分别 为 3. 5mm、4. 5mm、5. 5mm ,电机的试验效率分别 为 94. 95% , 95. 8% , 96. 02%。
虽然压接式模块解决了热疲劳问题 ,但也有 不足之处
(1)由于各材料层之间没有焊料层 ,属于一 种干式接触 ,因此增大了热阻 ,使模块的功率损耗 增大 。
(2)模块内部零件的数量相对增多 ,造成模 块的可靠性下降 。
( 3 )模块的芯片不适合采用先进的玻璃钝化 的技术 ,使其长期工作的稳定性受到影响 。
参考文献
[ 1 ] 湘潭电机厂. 交流电机设计手册. 长沙 :湖南人民出 版社 , 1978. [ 2 ] 陈碧秀. 实用中小电机手册. 沈阳 :辽宁科学技术出 版社 , 1987.
作者简介 :孟永奇 男 1971 年生 ;毕业于西北工业大学电气 技术专业 ,现从事舰船发电机技术及质量监督工作. 收稿日期 : 2010201211
( 4 )由于对各器件施加预紧力的弹簧加载不 同 ,不可能在一个模块内集成两个以上的不同尺 寸的器件 ,限制了模块内部使用芯片的数量 。 1. 3 DBC技术的模块
在介绍 DBC (D irected Bond Copper)技术之 前 ,我们再来分析一下普通焊接式模块的绝缘系 统 。我们已经知道 ,模块技术之所以诞生 ,而且显 示出旺盛的生命力 ,主要是已经解决了导热与绝 缘之间的矛盾 —金属化陶瓷的出现 。这一材料由
(上接 5页 )
表 1 三种模块的物理参数比较
项目 对地击穿电压 ( kV)
相对介电常数 导热率 (w /m. k) 铜层厚度 (mm ) 抗拉强度 (M Pa) 温度范围 ( ℃)
在 80年代初期 , ABB 公司将这一成果应用 于电力电子模块的设计和制造中 ,研制出了新的 一代模块 2DBC技术模块或者称之为铜 2铝共晶体 模块 。其内部结构与图 1 相近 ,只是铜引出线与 陶瓷板之间是采用 DBC焊接方式 。
铜 2氧化铝共晶基板的物理参数 (见表 1)与 焊接式和普通焊接式相比已经达到了一个新的水 平。
19
3 结语
从以上的计算和试验我们可以看出 ,电机效 率的计算值和试验值虽然有一定的误差 ,但是它 们之间的变化方向完全一致 ,说明通过改变电机 的气隙可以做为一种提高电机的效率措施 。电机 气隙值的合理选择 ,不仅可以提高电机效率 ,而且 可以降低电机的温升 、噪声及提高起动性能等 。
参考文献
[ 1 ] 许实章. 电机学. 北京 :北京工业出版社 , 1990. [ 2 ] 陈世坤. 电机设计. 北京 :机械工业出版社 , 2000.
0 引言
电子整流器件的出现使交流发电机实现无刷 化成为现实 ,旋转整流器件的模块化研制成功使 无刷交流发电机的大功率化成为可能 。随着发电 机技术的不断发展 ,旋转整流模块的设计 、制造技 术也越来越专业化 ,新的材料 、工艺逐渐得到应 用 ,以满足不断提高的使用需求 。在电机行业中 , 旋转整流模块的作用越来越重要 ,值得我们去做 进一步的研究 。
The Structure and Performance of Severa l K inds of Rota ting Rectif ier M odules
M eng Yongqi and Cao W eijun Abstract This paper introduces several kinds of structures of rotating rectifier mod2 ules used in brushless AC generator. By comparison of these structures in performance, advantages and disadvantages, the app licable range of these structures are exp lained fur2 the r. Key words Generator; rotating rectifier; structure
热膨胀系数
( 10 - 6 k - 1 )
DBC焊接 10
9～10 24～28
0. 3 500 - 55～850
7. 4
普通焊接式 ≥3
9～10 19～25
0. 8 230～300 - 10～90
17
冷热循环次数 (万 ) 15
1
压接式 ≥3 4～5
1. 1～1. 6 — 800
- 5～150
11～17
美国人在 1945年发明 ,称之为 Mo2M n 法技术 ,其 金属化机理主要是 :在高温下陶瓷中玻璃相向金 属化层渗透 。M n 氧化成 M nO , M nO 熔入玻璃相 中 ,使其粘度降低 。玻璃相一方面渗入 Mo 层空 隙 ,另一方面浸润陶瓷 ,向陶瓷中渗透或产生熔 解 ,经重新沉淀过程而析出大颗粒刚玉晶粒。 M nO 与 A l2 O3 、SiO2 等 反 应 形 成 M nO. A l2 O3 或 MnO. SiO2 ,在降温时可能析出锰铝尖晶石或蔷薇 辉石 。Mo 在湿氢中表面微量氧化 ,微量氧化部分 进入玻璃相中 ,且使玻璃相对 Mo浸润良好 。Mo 在高温下 ,在玻璃相渗透的同时 ,本身也烧结成多 空性层 。
图 2 压接式旋转整流模块
电流容量较大的模块 ( 300 ～500A 以上或者 芯片的直径大于 35mm )宜采用压接式的结构 ,这 种结构的选用建立在以下理论 :大面积的压接接 触系统和小面积的压接接触系统要能承受同样的 热循环次数 ,压接触在热循环过程中不同材料层 之间允许彼此有一定的滑动 ,在较大的热冲击和 较多的热疲劳冲击次数下不会产生较大的应力 , 因而耐热疲劳能力较强 。结构设计上合理选择弹 簧材料和安装位置 ,使得发电机在高速旋转状态 时 ,随着离心力的加大 ,芯片与连接铜线之间的压 力也随着变大 ,降低了由于接触电阻的增大产生 的热量 。
曾经有人对直径为 35mm 的硅芯片做过试 验 。试验表明 ,当 Mo2M n金属化陶瓷板上金属化 的层厚达到 10μm 左右 ,硅芯片的温度从 45℃上 升到 125℃时 ,位于陶瓷板上方的铜引线的膨胀 会产生 5～8μm 的位移量 。这就是所谓热疲劳的 试验依据 。
为了解决普通焊接式模块和压接式模块以上 所说的不足 ,在上个世纪 70 年代末 ,西德 ABB 2 IXYS公司研制出了一种新材料 —铜 2氧化铝陶瓷 共晶键合板 ,在此工艺中 , A l2O3 陶瓷片的两边可 以直接键合上一层铜层 。经技术处理后 ,这种铜 层在与氧化铝的接合处 ,有一层铜与氧化铝共晶 体 ,这一共晶体使铜与氧化铝之间处于完全浸润 状态 ,结合力非常牢固 。当然 ,温度必须严格控制 在 1 062～1 065℃范围内 ,这一温度恰好略低于 铜的熔点 ,从而保证了铜层的形状和尺寸不偏离 设计要求 。
所之间的连接采用焊接方式 。其内 部结构如图 1所示 。
普通焊接式技术目前已广泛应用于中小功率 器件的制造过程中 。尽管在功率的定义上 ,很难
4
有严格的划分 ,但是 ,在电力电子领域 ,一般把中 等功率定义在 300～500A , 300A 以下可视为小功 率模块 。在中小功率领域 ,普通焊接式占据主导 地位 。
普通焊接式模块有其独特的优点 :热阻小 、功 耗低 、集成度高 、成本较低 ,而且可以使用玻璃钝 化处理的芯片 (增加芯片的稳定性 ) 。
1. 2 压接式模块 所谓压接式模块是指模块中的各导电体之间
的连接是采用如类似弹簧预压紧的方式 。其内部 结构如图 2所示 。与焊接式相比 ,压接式多了预 压紧机构 (螺栓紧固件 、弹簧板 、玻璃布板 ) 。
图 1 焊接式旋转整流模块
普通焊接式模块应用在旋转领域 ,首先要解 决在高速旋转状态 ,模块内部的各器件要能承受 较大的离心力而不发生位移 、断线 、焊缝开裂等难 题 ,直到灌封固化材料的出现解决了模块内部各 器件的固定问题才使得普通焊接式模块在旋转领 域得到广泛应用 。
在图 1中 ,器件的结合层一般使用弹性较好 , 绝缘较高的硅胶形成填充层 ,以使器件在高低温 下能够自由伸缩位移 ,顶部使用机械强度高 ,绝缘 性能稳定的树脂进行固封 ,以增大模块承受巨大 离心力的能力 ,在芯片与基板的接触部位使用绝 缘导热性能兼优的陶瓷板 。
1 几种类型模块的比较
在旋转状态中 ,整流模块不但要完成将交流 电源整流成直流电源的任务 ,而且还得承受一定 的高温和离心力而不发生损坏或失效 。旋转整流 模块的外形构造千差万别 ,但其内部结构原理大 致可分为 : 普通焊接式 、压接式以及最新出现的 DBC焊接式 ,下面分别进行介绍和比较 。 1. 1 普通焊接式
1
各工艺的旋转整流模块定性比较见表 2。
表 2 不同工艺的比较
项目
普通焊接式
耐热疲劳性 大功率差
热阻性能
很好
功耗
小
可靠性
小
300A 以上载流能力 困难
300A 模块尺寸比较 中
压接式
好 差 大 较大 可能 大
DBC焊接式 很好 很好 小 小 可能 小
2 结语
旋转整流模块是无刷励磁的关键器件 ,随着 单机高压大功率无刷发电机的设计 ,旋转整流模 块将趋向体积小 、功率大的方向发展 ,在整流模块 的设计生产中 ,新材料和新工艺的不断应用是关 键。
几种旋转整流模块的结构与性能
孟永奇 1 ,曹维军 2
1海军装备部 ,山西太原 (030027) 2太原汾西重工 ,山西太原 (030027)
摘 要 介绍了无刷交流发电机使用的旋转整流模块的几种结构方式 ,通过对比各种结构方 式的性能和优缺点 ,更一步说明各种结构方式适用的范围 。
关键词 发电机 ;旋转整流器 ;结构 中图分类号 TM301. 2 文献标识码 A 文章编号 100827281 (2010) 0520004203
DBC 技术模块有如下优点 : 良好的 机械 强 度 、优良的电绝缘性能较高的耐热循环能力 、优良 的导电导热性能 (功耗小 ,热阻低 ) 、集成化程度 更高 。
(下转 19页 )
5
图 1 气隙与损耗的曲线 图 2 气隙与效率曲线 图 3 气隙与功率因数曲线
从图 1和图 2我们可以看出 ,电机的损耗 Pw 损耗随着气隙增大而减小 , 效率随着气隙的增大 而提高 ,功率按照图 3线性减小 ,当电机气隙大于 6mm时 ,电机的 Pw 损耗与电机的效率变化较慢 , 而功率因数依然线性减小 。在保证电机功率因数 的前提下 ,此样机选取了三点进行试验 ,气隙分别 为 3. 5mm、4. 5mm、5. 5mm ,电机的试验效率分别 为 94. 95% , 95. 8% , 96. 02%。
虽然压接式模块解决了热疲劳问题 ,但也有 不足之处
(1)由于各材料层之间没有焊料层 ,属于一 种干式接触 ,因此增大了热阻 ,使模块的功率损耗 增大 。
(2)模块内部零件的数量相对增多 ,造成模 块的可靠性下降 。
( 3 )模块的芯片不适合采用先进的玻璃钝化 的技术 ,使其长期工作的稳定性受到影响 。
参考文献
[ 1 ] 湘潭电机厂. 交流电机设计手册. 长沙 :湖南人民出 版社 , 1978. [ 2 ] 陈碧秀. 实用中小电机手册. 沈阳 :辽宁科学技术出 版社 , 1987.
作者简介 :孟永奇 男 1971 年生 ;毕业于西北工业大学电气 技术专业 ,现从事舰船发电机技术及质量监督工作. 收稿日期 : 2010201211
( 4 )由于对各器件施加预紧力的弹簧加载不 同 ,不可能在一个模块内集成两个以上的不同尺 寸的器件 ,限制了模块内部使用芯片的数量 。 1. 3 DBC技术的模块
在介绍 DBC (D irected Bond Copper)技术之 前 ,我们再来分析一下普通焊接式模块的绝缘系 统 。我们已经知道 ,模块技术之所以诞生 ,而且显 示出旺盛的生命力 ,主要是已经解决了导热与绝 缘之间的矛盾 —金属化陶瓷的出现 。这一材料由