專利名稱：片式晶閘管和片式晶體管及其應用技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是在"斷流開關"發(fā)明專利(專利號ZL01134456. 3)的基礎上，對其權利要 求2中"如權利要求1所述的斷流開關，其特征是所述的微型開關裝置，是用晶閘管的芯片 和微型控制電路裝配的電子式斷流器……"，根據(jù)無弧斷流理論和半導體理論，應用新穎的 電力電子技術，研制出片式晶閘管和片式晶體管，以及獨特的應用技術——和電力開關并 聯(lián)配套可實現(xiàn)無弧操作。為半導體領域中的晶閘管和晶體管這兩個大家族，各增加了一個 派生的分支體系。為電力開關領域中的無電弧分合閘的高分斷技術和安全防爆技術，以及 消除操作過電壓對電網(wǎng)嚴重污染的環(huán)保技術和消除電弧電波污染空間電磁場的環(huán)保技術， 對顯著提高供電質量和電力開關的使用壽命以及開關觸頭節(jié)約大量貴金屬材料的技術，均 提供了不斷創(chuàng)新的技術條件。
2.
背景技術：
從20世紀50年代到現(xiàn)在，電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段第一階段是整 流器時代，第二階段是晶閘管時代，第三階段是IGBT和MOSFET時代，第四階段是POWER IC 時代。這四個階段的發(fā)展不是新一代器件取代舊一代器件，而是在每一個階段，各類電力電 子器件都有所新的發(fā)展。近些年來又出現(xiàn)了片式半導體器件，片式晶閘管和片式晶體管是 在晶閘管和晶體管這兩個大家族的基礎上研制的一類新型的薄片式電力電子器件，也可稱 其為半導體基片。其體積和重量在同等容量的條件下，可減少數(shù)倍甚至十多倍，成本也能 成倍減少；比起片式二極管和片式三極管，在電壓等級和電流容量方面能提高一、兩個數(shù)量 級。但片式晶閘管和片式晶體管不能獨立投入運行，需要和各類電力開關并聯(lián)配套，由于其 體積和重量的顯著減少，可以安裝在現(xiàn)有的標準配電柜中，不需要非標專用配電柜，可以節(jié)
約較大的安裝位置和安裝成本。由于電力電子器件的耐壓特性和過載能力都很差，特別是 這種片式器件的熱容量小、散熱能力很差，只能在很短的時間內瞬間導通電流后，需要較長 時間的間歇。例如每次通電時間不超過10毫秒，需要間歇1. 5秒——3秒或更長的時間， 間歇比達到150倍——300倍以上，不能產生熱積累就不會造成熱擊穿。所以片式晶閘管 和片式晶體管的應用技術比較獨特，這是本發(fā)明需要特別強調的一項防止熱擊穿而損壞的 應用技術。片式晶閘管和片式晶體管的顯著優(yōu)點是和電力開關并聯(lián)配套運行不消耗電能， 并可以無電弧的分、合電路。 現(xiàn)有的各種有觸點的電力開關，在其分、合閘的操作過程中都會發(fā)生電弧，電弧可 以產生操作過電壓，是原供電系統(tǒng)的1——3倍，嚴重地污染了電力系統(tǒng)的電壓波形和供電 質量。這種過電壓對該供電系統(tǒng)中的供、用電裝置的絕緣壽命，造成了較大的危害；嚴重時 可造成突發(fā)性的停電事故，事故狀態(tài)下的供電中斷會造成電能的大量浪費。另外，電弧可 產生高次諧波的電磁發(fā)射，對空間電磁場造成了較大污染，干擾了無線電遙控信號和無線 電通訊電波。還有一個方面，就是電弧在易燃易爆的化工場所，或煤礦井下容易弓I發(fā)爆炸事
故。現(xiàn)有的各種有觸點的電力開關，其分、合閘的固有動作時間本身都很短，從io多個毫秒
到幾十個毫秒；特別是動靜觸頭的閉合瞬間和分離瞬間，其時間就更短了，在幾個毫秒之內就能完成可靠地閉合或分離。將片式晶閘管或片式晶體管器件和電力開關裝置巧妙的并聯(lián) 配套，充分發(fā)揮了晶閘管和晶體管無觸點分合電路而不產生電弧的突出優(yōu)點，以及電力開 關運行時不耗電的顯著優(yōu)點?？朔司чl管或晶體管運行時的消耗電能的缺點，以及電力 開關分、合閘時形成電弧而產生操作過電壓和高頻電磁波的缺點。而且這種應用技術，也不 會引起晶閘管和晶體管產生換相過電壓的情況發(fā)生。其環(huán)境保護的功效，安全防爆的功效 和節(jié)約電能的功效是顯而易見的。
3.

發(fā)明內容
3. 1.片式晶閘管和片式晶體管的研制技術
3. 1. 1.片式晶閘管和片式晶體管的核心部件 (1).在各種類型晶閘管或晶體管的制造過程中，從單晶硅片經(jīng)過一系列的工藝流 程，先制成管芯后，再封裝到管殼中，才能制出成品。在這里我們把未封裝前的管芯，這種半 成品稱作為晶閘管芯片或晶體管芯片。 (2).將單晶硅片經(jīng)過清洗、處理、擴散形成P1-N1-P2、拋光、氧化、光刻、再擴散形 成P1-N1-P2-N2、合金形成陰極陽極和門極的歐姆接觸(不用燒結到鉬片上)、磨角、腐蝕、 涂表面保護層和測特性等一系列的工藝流程后，制成了具備晶閘管特性的硅片。在這里我 們把這種半成品的硅片稱作為晶閘管硅片。上述的這種晶閘管芯片和晶閘管硅片，如果 其后序工藝流程是按可焊接性工藝處理的，則稱其為焊接型晶閘管芯片和焊接性晶閘管硅 片；如果其后序工藝流程是按可壓接型工藝處理的，則稱其為壓接型晶閘管芯片和壓接型 晶閘管硅片。我們可以用這兩種半成品，晶閘管芯片或者晶閘管硅片來制造片式晶閘管；需 要哪個類型的片式晶閘管，就采用那個類型的晶閘管芯片或者晶閘管硅片來制造該類型的 片式晶閘管。 (3).同樣，將單晶硅片經(jīng)過一系列的工藝流程處理后，制成了具備GTR或IGBT或 MOSFET等不同類型的晶體管特性的硅片。在這里我們把這種半成品的硅片稱作為晶體管硅 片。上述的這種晶體管芯片和晶體管硅片，如果其后序工藝流程是按可焊接型工藝處理的， 則稱其為焊接型晶體管芯片和焊接型晶體管硅片，如果其后序工藝流程是按可壓接性工藝 處理的，則稱其為壓接型晶體管芯片和壓接型晶體管硅片。我們可以用這兩種半成品，晶 體管芯片或者晶體管硅片來制造片式晶體管；需要哪個類型的片式晶體管，就采用那個類 型的晶體管芯片或者晶體管硅片來制造該類型的片式晶體管。其制作方法可以分為兩種類 型，對于焊接型的芯片和硅片，就得采用焊接技術制造；對于壓接型的芯片或硅片，就得采 用壓接技術制造。 3. 1. 2.用晶閘管芯片或晶體管芯片研制片式晶閘管或片式晶體管的技術 3. 1. 2. 1.用焊接型晶閘管芯片或晶體管芯片焊接片式晶閘管或片式晶體管的技
術 (1).采用焊接的方法有兩種， 一種是一步焊接法， 一種是分步焊接法。這里先介紹 分兩步的焊接法，然后再介紹一步焊接法。將焊接型晶閘管芯片的陰極和陽極或者焊接型 晶體管芯片的源極和漏極(或發(fā)射極和集電極)的兩個極面分別焊接在兩塊銅板的相互對 應的焊接面位置上，兩塊銅板超過極面的延長部分可同時作為其陰極和陽極或者源極和漏 極(或發(fā)射極和集電極)的引出接線端。在銅板的對應焊接芯片極面的位置處可以考慮是否預先壓制出用作焊接的細槽花紋，可以吸附較多的融化焊料，以增強焊接效果。在對應陰 極面的銅板上還要預留門極孔或柵極(或基極)？L以便焊接引出控制極接線?，F(xiàn)在分兩 步焊接。先將一塊銅板放在下邊，在其上面放置芯片，在芯片和銅板的對應位置之間的預制 細槽花紋上，放入熔點較高的適量焊料。同時將用作控制極引線的耐高溫的絕緣導線的線 頭，固定在芯片門極或柵極(或基極)的中心點，并放入適量的焊料。要注意其熔點溫度必 須低于該芯片原來制造時的焊接溫度，約低幾十度。將其工裝固定好后放入焊接爐中，調節(jié) 爐溫達到焊料熔化并焊接牢固后取出。再將另一塊銅板放在下邊，將已焊上芯片的銅板翻 過來，使其芯片對準下面銅板的預制細槽花紋上，放入另一種熔點較低的適量焊料，其熔點 比上次的焊料約低幾十度。再將其工裝固定好后放入焊接爐中，調節(jié)爐溫達到焊料熔化并 焊接牢固后取出。關于門極或柵極(或基極)引線的焊接，既可以在第一步焊接陰極或源 極(或發(fā)射極)的極面和銅板時，將門極或柵極(或基極)引線同時焊接引出，也可以在第 二步焊接陰極或源極(或發(fā)射極)的極面和銅板時同時焊接。還可以在兩步焊接之前或完 成之后，將門極或柵極(或基極)引線焊接引出。何時操作方便，還能保證焊接質量，就在 何時焊接門極或柵極(或基極)引線。另外，還要在兩個銅板適當位置處，分別焊上一根絕 緣導線，作為其檢測信號和觸發(fā)控制導線，注意上述操作，均不能使陰極、陽極和門極或者 源極、漏極和柵極(或發(fā)射極、集電極和基極)出現(xiàn)短路點。最后將這三個極面之間的間隙 清潔處理干凈，并灌入單組份或雙組份絕緣膠作為保護層封裝待用。 (2). —步焊接法是在上下兩塊預制好的銅板之間放入芯片，并在銅板和芯片相對 應的焊接面上預制的焊接細槽花紋處，上下焊接面均放入同一熔點的適量焊料。當然其熔 點必須低于該芯片原來制造時的焊接溫度，約低幾十度。將其工裝固定好后放入焊接爐中， 按上述方法可一次性的焊接成功，最后再按上述方法灌入單組份或雙組份絕緣膠封裝待 用。 一步焊接法的關鍵是要精確掌握焊料的適量放入及其放入的準確位置。當然在一次焊 接的同時，或者之前或之后也要將門極或柵極(或基極)的絕緣導線焊接引出，還有要在銅 板上各焊一根絕緣導線，作為其檢測信號和觸發(fā)控制導線。 (3).多步焊接法的可行性是焊料的種類。要按其熔點分類，每種焊料的熔點必須 相差幾十度，有幾種熔點的焊料，就有幾步焊接法。這樣在焊接爐中才能實現(xiàn)分步操作，每 次降低爐溫幾十度，調整控制焊接質量。而且第一步焊接時用的焊料熔點還必須低于所用 芯片原制作工藝的焊接溫度約幾十度。
(4).芯片并聯(lián)方式焊接法，將幾個相同參數(shù)的焊接型晶閘管芯片或晶體管芯片采
用并聯(lián)的方式，按照上述方法可以進行焊接。注意在銅板上對應的每個芯片的焊接位置可
考慮是否預制焊接細槽花紋，而且在銅板上對應的每個芯片的門極或柵極(或基極)處也
要預留門極孔或柵極(或基極)？L以便在門極或柵極(或基極)焊接引出控制絕緣導線。
當然在芯片的每個焊接處，都必須準確地放入適量的焊料，全部工裝固定好后才能送入焊
接爐。并聯(lián)焊接法可以有效提高片式晶閘管或片式晶體管的電流容量。 將兩個相同的普通晶閘管芯片或晶體管芯片反并聯(lián)，或者將一個普通晶閘管芯片
或晶體管芯片和一個普通整流管芯片反并聯(lián)，按照上述的焊接可以分別制成一個雙向片式
晶閘管或雙向片式晶體管和逆導片式晶閘管或逆導片式晶體管。當然也可以采用多個普通
晶閘管芯片或晶體管芯片進行等數(shù)量的反并聯(lián)，焊接成大容量的雙向片式晶閘管或雙向片
式晶體管。同樣可以用多個普通晶閘管芯片或晶體管芯片和等數(shù)量的普通整流管芯片，采用反并聯(lián)方式，也能焊接成大容量的逆導片式晶閘管或逆導片式晶體管。上述并聯(lián)焊接法， 在選用相同參數(shù)的晶閘管芯片或晶體管芯片時，要注意芯片并聯(lián)均流特性的要求，盡量做 到相關參數(shù)的一致性。 (5).芯片串聯(lián)方式焊接法。將幾個相同參數(shù)的芯片采用串聯(lián)的方式，按照上述焊 接方法可以進行焊接。所不同的是，除了兩頭端部都有接線銅板外，在每兩個芯片之間需加 入一個與芯片極面相同的銅板。該銅板的厚度約2毫米左右，比焊接門極或柵極(或基極) 用的耐高溫絕緣導線外徑稍粗一點。在該銅板對應門極或柵極(或基極)位置要預留門極 孔或柵極(或基極)？L并從此孔向側邊開通一個能使門極或柵極(或基極)絕緣導線引 出的通道。其焊接可采用一步焊接法或兩步焊接法。采取一步焊接法時，先把每個芯片的 門極或柵極(或基極)焊上絕緣導線，從門極孔或柵極(或基極)孔的通道把絕緣導線引 出后，將上下兩頭端部銅接線板和中間每兩個芯片之間的銅板，所有對應芯片極面的焊接 位置均要上下對準，并在每個焊面處準確放入適量焊料，然后再工裝固定好后，才能送入焊 接爐完成一步焊接。采用兩步焊接容易操作，先把每個芯片的陽極或漏極(或集電極)與 銅板進行第一次焊接后，再把該芯片的門極或柵極(或基極)用絕緣導線焊接引出，并將其 間隙清潔處理干凈，最后將第一次焊接好的銅板的芯片陰極或源極(或發(fā)射極)對準另一 個銅板的焊接位置，并從門極孔的通道中引出絕緣導線，同時準確放入適量焊料，再工裝固 定好后送入焊接爐進行第二次焊接即可。當然第二次焊接的熔點要比第一次用的焊接熔點 低幾十度。晶閘管芯片或晶體管芯片串聯(lián)焊接法所采用的門極或柵極(或基極)絕緣導線 必須是耐高溫的絕緣導線，經(jīng)過進爐焊接時的高溫處理后，其絕緣性能不受影響，而且門極 或柵極(或基極)焊接絕緣導線的焊點也不能脫焊。當然在一步焊接或兩步焊接時，也可 將絕緣引線的銅線頭同時固定在門極或柵極(或基極)的中心點位置，并加入適當焊料，與 陰極面或源極面的焊接同步完成。 3. 1. 2. 2.用壓接型晶閘管芯片或壓接型晶體管芯片壓接片式晶閘管或片式晶體 管的技術 (1).采用壓接的方法，用兩個銅接線板作為芯片兩個面的極板，將壓接型晶閘管 芯片或壓接型晶體管芯片夾在中間，在陽極面或漏極面的銅板外側需墊上一塊絕緣板，在 絕緣板外側對應芯片的位置處放一個合適的蝶簧，再在其外側加上一塊有一定強度的薄鋼 板，在陰極面或源極(或發(fā)射極)面的銅板外側也需墊上一塊同樣的鋼板。在兩塊鋼板對 應芯片周圍四邊的外角處預留螺絲孔，用四個螺絲采取絕緣的措施穿孔聯(lián)接壓緊。當然在 陰極面?zhèn)鹊你~板和鋼板的對應芯片門極或柵極(或基極)的位置要預留門極孔或柵極(或 基極)？L以便門極或柵極(或基極)的引線引出。需要時，也可以考慮在芯片和銅板之 間加入相應的軟質金屬薄片，如鋁或銀或其它軟金屬的薄片，以增強表面接觸良好，當然該 薄片的面積要和芯片的大小一致，也得預留門極孔或柵極(或基極)？L。注意，門極、陰極 和陽極或柵極、源極和漏極(或基極、發(fā)射極和集電極)均不能短路，而且緊固螺絲的壓力 大小一定要合適，與制造同等晶閘管模塊或同等晶體管模塊的緊固力相同，既要保證其壓 力能使銅板和芯片平面均能接觸良好，又不能將芯片壓壞。接下來在緊固好的兩個銅板的 適當位置上，分別焊上一根絕緣導線，作為檢測信號和觸發(fā)控制導線。同時在芯片的門極 或柵極(或基極)處，將絕緣導線焊接引出。也可在壓接前或壓接后將門極或柵極(或基 極)用鍵合機焊接絕緣導線引出，最后將陰極、陽極和門極之間或源極、漏極和柵極(或發(fā)射極、集電極和基極)之間的間隙清潔處理干凈，注意不能短路，并灌入單組份或雙組份絕 緣膠作為保護層封裝待用。另外，在壓接工藝過程中，如果絕緣板和銅板的壓接強度能能夠 滿足壓接要求，而且碟簧片上有螺絲穿孔，可以考慮是否不用薄鋼板。 (2).采用兩個可壓接型晶閘管芯片或晶體管芯片并聯(lián)或反并聯(lián)壓接時，在每個芯 片外側對應的絕緣板和鋼板之間的位置上，放置一個合適的蝶形彈簧，還需要在兩個芯片 的中間位置的兩邊適當?shù)奈恢锰?，增加兩個緊固螺絲，以保證每個芯片的平面均能受力均 勻。同樣如果用多個芯片并聯(lián)或反并聯(lián)壓接時，需增相應數(shù)量的緊固螺絲。采用多個晶閘 管芯片或晶體管芯片并聯(lián)壓接可以有效地增大電流容量，在選擇多個并聯(lián)芯片時，要考慮 到盡量做到并聯(lián)均流時對各芯片有關參數(shù)的一致性要求。進行壓接時，在每個芯片陰極面 或源極面外側對應的絕緣板和銅板之間的位置上，要放置一個蝶形彈簧，以保證每個芯片 的平面能受力均勻。最后將所有的陰極、陽極和門極之間或源極、漏極和柵極(或發(fā)射極、 集電極和基極)之間的間隙清潔處理干凈，注意不能短路，并灌入單組份或雙組份絕緣膠 作為保護層封裝待用。注意在絕緣板和鋼板之間的蝶簧處不能灌入絕緣膠。當然在門極或 柵極(或基極)上，也要用鍵合機焊接絕緣導線引出；在兩個銅板的適當位置，也要分別焊 上一根絕緣導線。 (3).為了提高片式晶閘管的電壓等級，可采用兩個或多個相同參數(shù)的晶閘管芯片 或晶體管芯片串聯(lián)壓接。選擇芯片時，要求串聯(lián)均壓的有關參數(shù)的一致性要好。壓接時在 兩個芯片之間要增加一塊與芯片兩個極面大小一致的銅板，銅板的厚度約2毫米左右，比 門極或柵極(或基極)的引出絕緣導線略粗一點。在銅板對應芯片門極或柵極(或基極) 的位置預留門極孔或柵極(或基極)？L并從該孔到銅板的一個側面開通一道槽，以便壓接 前將門極或柵極(或基極)用絕緣導線鍵合引出。需要時也可以是否在銅板和每個芯片的 極面之間加入相應的軟質金屬薄片，以增強表面接觸良好。最后將所有的陰極、陽極和門極 之間或源極、漏極和柵極(或發(fā)射極、集電極和基極)之間的間隙清潔處理干凈，注意不能 短路，并灌入單組份或雙組份絕緣膠作為保護層封裝待用。注意，在絕緣板和鋼板之間的蝶 簧處不能灌入絕緣膠。當然，也要在每個銅板的適當位置分別焊上一根絕緣導線。
(4).也可以采用已經(jīng)焊接好的兩個或多個相同參數(shù)的片式晶閘管或片式晶體管， 按上述方法進行串聯(lián)壓接，以提高其電壓等級。對于采用串聯(lián)方式制造的片式晶閘管，在裝 配使用過程中，按照需要可考慮增加相應的均壓措施。 3. 1. 3.用晶閘管硅片或晶體管硅片研制片式晶閘管或片式晶體管的技術 3. 1. 3. 1.用焊接型晶閘管硅片或焊接型晶體管硅片焊接片式晶閘管或片式晶體
管的技術 焊接的具體方法基本和用焊接型晶閘管芯片或焊接型晶體管芯片的焊接方法相 同。如果考慮硅片太薄，焊接操作困難，可在兩塊銅板的焊接面上預制突出一定高度的凸 面，且該凸面的平面要和三個極面的大小完全相同，并可考慮是否在凸面上壓制細槽花紋， 以便吸附較多焊液，增強焊接效果。其他操作程序以及并聯(lián)方式和串聯(lián)方式的焊接方法均 同前所述。注意三個極面之間均不能短路。 3. 1. 3. 2.用壓接型晶閘管硅片或壓接型晶體管硅片壓接片式晶閘管或片式晶體 管的技術 用壓接型晶閘管硅片或壓接型晶體管硅片進行壓接，其壓接的具體方法基本和用壓接型晶體管芯片或壓接型晶體管芯片的壓接方法相同。如果考慮硅片太薄，壓接操作困 難，可在三個極的極面上，增加和極面面積相同的薄銅片或薄銀片或薄鋁片。如果需要時， 也可在極面上加入薄鉬片。門極或柵極(或基極)需要用鍵合機將絕緣導線焊接引出。其 它操作程序以及并聯(lián)方式和串聯(lián)方式的壓接方法均同前所述。注意三個極面之間均不能短 路。 3. 1. 4.簡述幾種常用的片式晶閘管和片式晶體管的制造技術
3. 1. 4. 1.逆導片式晶閘管和逆導片式晶體管的制造 (1).采用一個逆導晶閘管芯片或硅片，或者一個逆導晶體管芯片或硅片，都可按 照前邊描述的焊接法和壓接法，制成一個逆導片式晶閘管或逆導片式晶體管。如果要增大 電流容量，可采用并聯(lián)方式制造，如果要提高電壓等級，可采用串聯(lián)方式制造。這種片式半 導體器件能夠和交流電力開關配套應用。 (2).采用一個普通晶閘管芯片或晶體管芯片和一個普通整流管芯片反并聯(lián)，或者 采用一個普通晶閘管硅片或晶體管硅片和一個普通整流管硅片反并聯(lián)，按照前邊描述的焊 接法和壓接法，也可以制成一個逆導片式晶閘管或逆導片式晶體管。同樣，要增大電流容量 和提高電壓等級，可采用并聯(lián)和串聯(lián)方式解決。采用這種方法制造的逆導片式晶閘管或逆 導片式晶體管，要比前的特性好、性能穩(wěn)定。這種片式半導體器件能夠和交流電力開關配套 應用。 3. 1. 4. 2.雙向片式晶閘管和雙向片式晶體管的制造 (1).采用一個雙向晶閘管芯片或硅片，或者一個雙向晶體管芯片或硅片，都可按 照前邊描述的焊接法或壓接法，制成一個雙向片式晶閘管或雙向片式晶體管。其增大電流 容量和提高電壓等級的方法，可采用并聯(lián)方式和串聯(lián)方式解決。這種片式半導體器件能夠 和交流電力開關配套應用。 (2).采用兩個普通晶閘管芯片或硅片反并聯(lián)，或者晶體管芯片或硅片反并聯(lián)，按 照前邊描述的焊接法或壓接法，也可以制成一個雙向片式晶閘管或雙向片式晶體管。其增 大電流容量和提高電壓等級的方法同上。采用這種方法制造的雙向片式晶閘管或雙向片式 晶體管，要比前一種的特性好、性能穩(wěn)定。這種片式半導體器件能夠和交流電力開關配套應 用。 3. 1. 4. 3.可關斷的片式晶閘管或可關斷的片式晶體管的制造 (1).采用一個GT0或GTR或M0SFET或IGBT的芯片或者硅片，都可按照前邊描述
的焊接法和壓接法，制成一個可關斷的片式晶閘管或可關斷片式晶體管。其增大電流容量
和提高電壓等級的方法，也可以按照前邊的辦法解決。這種片式半導體器件能夠和直流電
力開關配套應用。 (2).采用晶閘管芯片或硅片和晶體管芯片或硅片，可考慮是否增加整流管芯片或 硅片，加上需要的電阻、電容等電子器件，也可以制成能夠輔助關斷的片式晶閘管或輔助關 斷的片式晶體管。這種方法可參照后邊的一個實施例。這種片式半導體器件能夠和直流電 力開關配套應用。 3.2.片式晶閘管和片式晶體管的應用技術
3. 2. 1.片式晶閘管和片式晶體管的特性 片式晶閘管和片式晶體管的熱容量小，散熱能力很差，不能有熱積累。而片式晶閘管的浪涌電流較大，可以達到其額定值的13——19倍，片式晶體管的浪涌電流也較大，但 應用時絕不能達到或接近浪涌值，必須留有足夠的容量，以保證不會被熱擊穿。每次浪涌電 流通過的時間不能超過10ms，而且其不導通和導通時間的間歇比，分別可設計為150、300、 600U200等等，按其額定電流從小到大增大間歇比。在特殊情況下，浪涌電流超過10ms而 不能關斷時，例如，短路狀態(tài)下，交流電流往往不會在10ms時自然過零關斷。此時需要采取 強迫過零關斷的措施，或者采取限制短路電流的措施，可以有效減小短路電流的數(shù)值，要保 證片式晶閘管或片式晶體管不會被熱擊穿。具體措施在后面進行描述。
3. 2. 2片式晶閘管和片式晶體管的應用范圍 根據(jù)片式晶閘管和片式晶體管的上述特點，其應用范圍受到了嚴格的限制，不能 長時間導通電流，只能間歇性的瞬間通電。所以片式晶閘管和片式晶體管不能獨立投入電 路使用，只能將片式晶閘管或片式晶體管和現(xiàn)有的各種電力開關主回路并聯(lián)配套使用。在 電力開關進行分合閘的瞬間，把開關觸頭上的電流及時轉移到片式晶閘管和片式晶體管回 路中去，使開關觸頭無電流閉合或分離后，片式晶閘管或片式晶體管再及時在電流過零時 關斷，即能實現(xiàn)電力開關進行無電弧分合閘。要使開關觸頭無電弧的閉合或分離，其動靜觸 頭的閉合或分離的瞬間大約需要10ms以內，甚至1ms左右的時間，對于高電壓等級的電力 開關，在其動靜觸頭的間隙發(fā)生電擊穿的時間極短，可以采取相應的延時電擊穿的措施，同 樣可在極短的時間內做到無弧分合閘操作。而延時電擊穿措施有以下多種方法將動靜觸 頭的間隙中的空氣介質可換成絕緣油介質或SF6介質或CC14介質或其他性能更好的介質， 或采用真空介質。也可采用各種流體介質在分合閘的瞬間高速噴吹動靜觸頭間隙的方法， 可有效延時電擊穿，從而達到無弧分合閘的操作。 各種電力開關隨著電壓等級，電流容量，負載特性等等各種不同的要求，其開關種 類繁多，僅從簡單的電壓等級來說就有交流的，直流的，從低壓，中壓，高壓到超高壓，特高 壓等。那么，片式晶閘管或片式晶體管與各種電力開關配套應用時，其選配方法也是多種多 樣的。可以大體分為兩大類，一類是片式晶閘管或片式晶體管和接觸器以及負荷開關的選 配應用，另一類是片式晶閘管或片式晶體管和斷路器的選配使用。具體方法將在下一節(jié)進 行描述。 3. 2. 3.片式晶閘管或片式晶體管和電力開關配套應用的選配方法
3. 2. 3. 1按照電壓等級和電流容量的選配原則 (1).由于半導體器件過電壓的能力很差，而應用電力開關的供電系統(tǒng)往往會發(fā)生 過電壓現(xiàn)象，這種過電壓最高可達額定電壓的峰值的3倍。所以片式晶閘管或片式晶體管 的額定電壓要按所配套的電力開關的額定電壓的峰值的3倍取值選配，以防止電擊穿的現(xiàn) 象發(fā)生。 (2).由于片式晶閘管和片式晶體管的過載能力很差，考慮到電力開關供電負載的 各種特性，例如啟動電流的倍數(shù)和合閘涌流的現(xiàn)象，再結合片式晶閘管和片式晶體管浪涌 電流的特性，要綜合考慮電流容量的選配。特別是短路電流的發(fā)生，要采取相應的限流措施 和嚴格的導通時間的限制?？梢允顾查g通過片式晶閘管和片式晶體管的電流的峰值，控制 在其浪涌電流的50% _70%以下，以防止熱擊穿的現(xiàn)象發(fā)生。 3. 2. 3. 2.片式晶閘管或片式晶體管和接觸器或負荷開關配套應用的選配方法
3.片式晶閘管和接觸器并聯(lián)配套的應用技術
(1).接觸器是一種可以遠距離控制的頻繁操作的電力開關，小容量的接觸器最大 的操縱頻率可達1200次/時，大容量的接觸器操作頻率一小時只有幾百次甚至十多次。與 片式晶閘管或片式晶體管并聯(lián)配套，在進行分合閘操作時，可以滿足片式晶閘管或片式晶 體管只能間歇性瞬間通電的要求。接觸器有交流、直流和低壓、中壓之分，在電力系統(tǒng)的配 電網(wǎng)中用量非常龐大。據(jù)有關部門統(tǒng)計，現(xiàn)在我國每年電力市場的新增需求量約達到8000 萬臺，而且今后20年內每年呈遞增趨勢。如果每臺接觸器并聯(lián)配套一組片式晶閘管或片式 晶體管，其市場前景就不言而喻。接觸器可以分合各種電動機的起動電流，以及電熱負載、 照明負載、電焊機、小型變壓器和電容器等各種用電負載，合閘瞬間產生的沖擊電流或激磁 涌流；接觸器能承受短路電流的通過，但不能分合短路電流。接觸器的固有合閘時間，小容 量的約10多毫秒-20多毫秒，大容量的由于容量大，觸頭的開距大和超程長，其固有合閘時 間就稍長一些，約20-50毫秒左右。接觸器的固有分閘時間往往比固有合閘時間稍長一點。 但是所有接觸器的動靜觸頭在不發(fā)生電弧的情況下，在閉合或分離的瞬間，均能在10毫秒 以內，甚至1毫秒以內完成可靠地閉合或分離。 (2).對于各種電動機的起動電流，有關標準規(guī)定的最大值不超過接觸器額定電流 的IO倍，在選擇片式晶閘管或片式晶體管的額定電流時，要按接觸器的IO倍的額定電流計 算，不超過片式晶閘管或片式晶體管浪涌電流的50% _70%，可以安全的躲過起動電流的 熱擊穿。對于短路電流，如果超過片式晶閘管浪涌電流的50%-70%，可考慮增大片式晶閘 管或片式晶體管的額定電流容量的辦法。也可以在接觸器和片式晶閘管或片式晶體管并聯(lián) 配套的主回路電源側，串聯(lián)快速熔斷器或快速斷路器，作為快速的短路保護。還可以將片式 晶閘管或片式晶體管和能夠有效限制短路電流大小的鈉斷流器或PTC斷流器或水銀斷流 器等，串聯(lián)組成混合式斷流器。關于這種混合式斷流器，我已在"斷流開關"發(fā)明專利中，做 了詳細的介紹，這里就不再多述。而對于合閘時瞬間產生的沖擊電流或激磁涌流，除了可考 慮增大片式晶閘管或片式晶體管的額定電流容量外，也可以考慮上述這種串聯(lián)能夠有效限 制電流大小的斷流器，而組成混合式斷流器。但是要注意，如果主回路中串聯(lián)有短路保護的 快速熔斷器或快速斷路器，該短路保護裝置應該允許合閘時的沖擊電流或激磁涌流能夠安 全的通過，不能發(fā)生誤動作。 (3).另外接觸器在合閘時有一個很大的特點，就是動靜觸頭在閉合的瞬間，會發(fā) 生第一次碰撞引起的彈跳。在這次彈跳后繼續(xù)合閘完成超行程時，由于動鐵芯和靜鐵芯閉 合時的碰撞，還會發(fā)生第二次碰撞引起的彈跳。兩次碰撞引起的多次彈跳有可能使動靜觸 頭發(fā)生多次瞬間的分離而產生電弧。所以設計片式晶閘管或片式晶體管的控制觸發(fā)電路 時，要保證在觸頭每次彈跳分離的瞬間，及時地多次觸發(fā)片式晶閘管或片式晶體管可靠地 導通，使動靜觸頭之間不會產生電弧。 (4).電力負荷開關的操作不頻繁，和片式晶閘管或片式晶體管配套使用，可按照
具體情況來確定是否需要配套。如果需要時，可參照上述方法即可。 3. 2. 3. 3.片式晶閘管或片式晶體管和斷路器配套應用的選配方法 (1)、斷路器有交流，直流之分，從低壓，中壓，高壓到超高壓和特高壓。各種電壓等
級的斷路器有一個共同的特點，除了能夠正常地操作停電送電外，必須能安全地分合電路
中的短路電流。而短路電流的大小主要和它的供電電源的系統(tǒng)容量有關，和發(fā)電機或發(fā)電
廠的出口開關的距離有關。如果供電電源的 量小，其系統(tǒng)短路電流就小；供電電源的容量大，其系統(tǒng)短路電流就大。 一般從10幾千安到80千安，而對于大型變壓器或電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng) 運行時，其短路電流可超過上百千安。那么對于各種分斷容量的斷路器，要選配片式晶閘管 或片式晶體管，除了要滿足上述選配原則外，還要考慮這樣大的短路電流的通過。要求必須 采取有效地限流措施和極短的導通時間的速斷保護措施，否則會造成熱擊穿而損壞片式晶 閘管或片式晶體管。特別需要強調的一點，交流短路電流的暫態(tài)分量衰減到出現(xiàn)過零的時 間和短路點與發(fā)電廠的距離有關，對于遠離發(fā)電廠的短路電流，衰減到過零的時間大約45 毫秒，而對于發(fā)電廠附近的短路電流，則需要150毫秒左右。這對于利用交流電流過零時， 取掉觸發(fā)信號就能自動關斷電路的晶閘管來說，需要將短路電流能夠限制的很小。解決的 方法是采用"鈉斷流器"或"PTC斷流器"與其串聯(lián)組合裝配成混合式無弧斷流器，可以使片 式晶閘管或片式晶體管能夠承受45毫秒 150毫秒的導通時間而不會發(fā)生熱擊穿。這是 斷路器選配片式晶閘管時，要重點解決問題的一種方案，另外還有采用速斷保護措施的幾 種方案，下邊進行簡要介紹。 (2)、我在2005年12月28日授權的"斷流開關"發(fā)明專利中，已經(jīng)介紹了幾種有 效地限流措施和短路電流的速斷保護措施。在該專利中，把這種"用晶閘管芯片制造的微 型開關裝置，稱之為電子式斷流器"，將其和接觸器或負荷開關并聯(lián)配套，可實現(xiàn)無弧分合 閘的操作。同時還介紹了"鈉斷流器"，"PTC斷流器"和"水銀斷流器"，這三種的任一種斷 流器和電子式斷流器組合裝配成混合式無弧斷流器。能有效地限制短路電流或合閘沖擊的 尖峰電流，使電力開關達到無弧分合閘的操作。另外還介紹了 "水銀斷流器"的速斷保護裝 置。除此之外，在片式晶閘管或片式晶體管的電源側還可以安裝快速熔斷器或速斷開關，實 現(xiàn)瞬間的快速短路保護。 (3)、當然，對于比較頻繁操作的斷路器，采用上述這種配套應用的方法，是有明顯 的實用價值?？梢杂行У难娱L該斷路器的使用壽命，并有效的提高分斷能力；還可以有效的 防止操作過電壓的危害，以及有效的阻止電弧過電壓對電網(wǎng)環(huán)境的污染和電弧電磁波對空 間電磁場的環(huán)境污染，并且具有安全防爆功能。這是一臺長壽命的，環(huán)保型的，安全防爆斷 路器。但對于極少操作的斷路器，就沒有多大的實用價值。 3.2.4片式晶閘管和片式晶體管和電力開關配套應用時，需要制做成片式電力電 子模塊的方法。 3.2.4.1按照電力開關的極數(shù)(或相數(shù))選擇片式電力電子模塊相數(shù)的方法。
(1)直流電力開關一般都是單相單極的，可選用上述待用的一個可關斷的片式晶 閘管或可關斷的片式晶體管，和其相適應的控制電路連接，用環(huán)氧樹脂或其他絕緣材料封 裝成單相片式電力電子模塊。如果是單相雙極的開關，根據(jù)需要也可用一個或兩個可關斷 的片式晶閘管或片式晶體管來制作成相應的片式電力電子模塊。將模塊和直流電力開關并 聯(lián)配套，即可實現(xiàn)無弧操作。 (2)交流接觸器有單相單極的，單相雙極的，有兩相兩極的，有三相三極的，三相四 極的和三相五級的，可根據(jù)接觸器的相數(shù)和極數(shù)來制作片式電力電子模塊?？梢灾瞥蓡蜗?的、雙相的、三相的和四相的片式電力電子模塊，其三相四極的和三相五極的交流接觸器并 聯(lián)配套四相的片式電力電子模塊就能滿足需要。單相的選用一個，雙相的選用兩個，三相的 選用三個，四相的選用四個片式晶閘管或片式晶體管，和其相適應的控制電路連接，用環(huán)氧 樹脂或其他絕緣材料封裝成相應極數(shù)的電力電子模塊。其形狀按開關內部的合適位置和空間來制作，將模塊和相應的交流電力開關并聯(lián)配套，即可實現(xiàn)無弧操作。 這里所制做的片式電力電子模塊，可選用上述待用的片式雙向晶閘管或片式雙向
晶體管，也可以選用上述待用的片式逆導晶閘管或片式逆導晶體管。根據(jù)其電壓等級、電流
容量、特性參數(shù)和經(jīng)濟成本，進行綜合考慮選擇制做片式電力電子模塊。 3. 2. 4. 2按照電力開關的動作特性、觸頭開距、超程和開關內部空間位置制做片式
電力電子模塊的方法。 (1)電力開關有直流的，有交流的，有接觸器，有負荷開關，有斷路器，其分合閘時 的動作特性有所不同，觸頭開距和超程也都有所不同。例如交流接觸器的觸頭開距和超程 小容量的觸頭開距是3. 6 4毫米，超程是1. 8 2. 2毫米；中大容量的觸頭開距是4 11 毫米，超程是2. 4 4. 5毫米；1140V的接觸器的觸頭開距要增大到9 12毫米；轉動式的 接觸器的觸頭開距是9 18毫米，超過程是5 11毫米。那么各種電力開關在分合閘時的 動作時間就有所不同，要根據(jù)動作時間的特性，來確定片式晶閘管的觸發(fā)導通和關斷時間， 設計出各種不同的與其相適應的控制電路，來觸發(fā)控制片式晶閘管或片式晶體管。將控制 電路和片式晶閘管或片式晶體管連接后，即可封裝成需要的片式電力電子模塊。關于控制 電路的具體設計，以后將專文描述。 (2)按照上述的各種制做方法時，還要根據(jù)不同電力開關的內部空間位置，以及片 式晶閘管或晶體管的形狀尺寸和控制電路的大小，要進行綜合考慮，設計出相應的結構形 狀。由于片式晶閘管和片式晶體管的體積小，重量輕，不需要散熱裝置，其控制電路也更小， 所以制做成的電力電子模塊就不大?？梢宰鳛殡娏﹂_關中的一個部件，并聯(lián)安裝在開關中 的一個合適位置?？梢曰静桓淖冸娏﹂_關的尺寸，能夠安裝到標準的配電柜和開關柜中， 而不需要設計非標的專用配電柜和開關柜，所以不會增加變電所的占地面積和安裝費用。
4.


圖1、用一個芯片焊接制做一個片式晶閘管的結構圖 圖2、用兩個芯片反并聯(lián)焊接制做一個片式晶閘管的結構圖 圖3、用兩個芯片反并聯(lián)壓接制做一個片式晶閘管的結構圖 圖4、用三個芯片制做一個片式晶閘管的主電路接線原理圖 圖5、用片式晶閘管制做接觸器無弧罩的結構原理圖 圖6、無弧接觸器接入電路中的主回路接線原理圖
5具體實施例方式
5. 1采用焊接的方法制做片式晶閘管或片式晶體管的實施例 采用焊接的方法制做時，要選用焊接型的晶閘管芯片(或硅片)，或選用焊接型的 晶休管芯片(或硅片)，才能進行焊接制做?，F(xiàn)在用一個焊接型的500A/1800V的逆導晶閘 管芯片來制做一個500A/1800V的片式逆導晶閘管。逆導晶閘管的外圓是一個500A/1800V 的普通整流管的芯片，其內圓是一個500A/1800V的普通晶閘管的芯片，中心小圓是它的門 極，兩者是反并聯(lián)地制做在同一個硅圓片上的。為了下面敘述上的方便，我們以這個晶閘管 的陽極面和陰極面為基準，來確定該逆導管的陽極面和陰極面。如圖l所示，圖1A和圖1B 分別是逆導管的陽極面銅板Tll和陰極面銅板T12水平放置的平面圖、剖面圖和局部放大圖。T11的右側圓面和T12的左側圓面上的焊接面處，壓制的細槽條紋是為了增強和芯片的 兩個面的焊接效果。Til的左端頭和T12的右端頭分別預留了進線和出線的連接螺栓的穿 孔，在T12的細槽條紋中心預留了門極孔。圖1C是焊接后的片式逆導晶閘管水平放置的平 面圖和剖面圖，兩個圖中都畫上了夾在兩個銅板之間的逆導管芯片J11。剖面圖中還畫出了 焊接在陽極銅板T11上的陽極絕緣引線11，焊接在陰極銅板T12上的陰極絕緣引線12，焊 接在芯片Jll的門極上的門極絕緣引線13。圖中未畫出封裝的保護層。
5. 1. 1.兩步焊接方法的操作程序 如圖1B所示，第一步將陰極銅板T12按平面圖放平后，在其細條槽紋的圓形焊接 面處均勻放入適量的焊料，該焊料的熔點要比或芯片Jll燒結時的溫度低幾十度才能選 用。將芯片Jll的陰極面(包括整流管的陽極面)對準銅板T12的焊接面放平，工裝固定 好后放入焊接爐，將爐溫調整到焊料熔化并焊接牢固后取出。第二步將陽極銅板Tll按圖 1A的平面圖放平后，在其細條槽紋的圓形焊接面上均勻放入適量的焊料，這次用的焊料熔 點要比第一步的焊料低幾十度才能選用。下來把已焊上芯片的銅板T12翻過來，將芯片Jl 1 的陽極面(包括整流管的陰極面)對準銅板Tll的焊接面放平。再從門極孔中在芯片Jll 的門極處放入適量的同種焊料，將一根耐高溫絕緣導線13的裸線頭固定在門極上。工裝固 定好后放入焊接爐，將爐溫調整到焊料熔化并焊接牢固后取出。門極絕緣引線13的焊接也 可在第二步焊接之后，用一根絕緣導線焊接在門極上。下來在兩塊銅板的適當位置處分別 焊上一根陽極絕緣引線11和一根陰極絕緣引線12。注意上述操作，均不能使陰極、陽極和 門極有短路點。最后將兩塊銅板之間的間隙和門極周圍清理干凈，并灌入單組分膠或雙組 分膠作為保護層封裝，就制成了一個500A/1800V的片式逆導晶閘管，見圖1C所示。
5. 1. 2. —步焊接法的操作程序 如圖1A所示，將陽極銅板T11按平面圖放平后，在其細條槽紋的圓形焊接面處均 勻放入適量的焊料，該焊料的熔點要比或芯片Jll燒結時的溫度低幾十度才能選用。將芯 片Jll的陽極面(包括整流管的陰極面)對準銅板Tll的焊接面放平。并在芯片Jll的陰 極面和門極處放入同種焊料，把圖1B中的銅板T12翻過來，將其細槽條紋的圓形焊接面和 門極孔分別對準芯片J11的陰極面和門極面，再將一根耐高溫的絕緣導線13的裸線頭從門 極孔中固定在芯片Jll的門極上。工裝固定好后放入焊接爐，將爐溫調整到焊料熔化并焊 接牢固后取出。下來在兩塊銅板的適當位置處分別焊上一根陽極絕緣引線ll和一根陰極 絕緣引線12。注意上述操作，均不能使陰極、陽極和門極有短路點。最后將兩塊銅板之間 的間隙和門極周圍清理干凈，并灌入單組分膠或雙組分膠作為保護層封裝，就制成了一個 500A/1800V的片式逆導晶閘管，見圖1C所示。
5. 1. 3.用晶閘管硅片焊接難度的處理措施 用一個焊接型的500A/1800V的逆導晶閘管硅片，焊接制做一個500A/1800V的片 式逆導晶閘管時，由于硅片厚度太薄，兩個面焊接銅板操作比較困難，且焊接質量難以保 證。這時可在圖1A和圖1B中的兩塊銅板Tll和T12上，分別對應硅片的陽極面、陰極面和 門極面的焊接面處，預制凸出1.5毫為左右的，和三個極面同樣大小的圓面，并在該面上壓 制能增強焊接效果的細槽條紋。這樣可以保證硅片兩邊極面上焊接的兩塊銅板之間能有約 3毫米的間隙，使硅片兩邊極面不易造成短路，焊接操作容易，且易保證焊接質量。
5. 1. 4.并聯(lián)焊接法的操作程序
用一個焊接型的300A/1800V的普通晶閘管芯片和一個焊接型的300A/1800V的普 通整流管芯片，反并聯(lián)焊接也可制做一個300A/1800V的片式逆導晶閘管。如圖2所示，圖 2A和圖2B分別是反并聯(lián)的晶閘管芯片和整流芝芯片極面兩邊的銅板T21和銅板T22，水平 放置的平面圖、剖面圖和局部放大圖。圖2C是焊接后的片式逆導晶閘管水平放置的平面圖 和剖面圖。如圖2A和圖2B所示。首先需要在兩塊銅板T21和T22上，預制出兩個芯片J21 和J22的焊接位置和門極孔，以及焊接面的細槽條紋。下邊的操作步驟，和前邊所述的焊接 步驟相同，同樣要焊上陽極引線21、陰極引線22和門極引線23，這里就不再重復。這種片 式逆導晶閘管，比用一個逆導晶閘管芯片制做的性能要優(yōu)越一些。
5.2.采用壓接的方法制做片式晶閘管或片式晶體管的實施例
采用壓接的方法制做時，要選用壓接型的晶閘管芯片(或硅片)，或選用壓接型的 晶體管芯片(或硅片)，才能進行壓接制做。現(xiàn)在用兩個壓接型300A/1800V的普通晶閘管 芯片反并聯(lián)，來制做一個300A/1800V的片式雙向晶閘管。如圖3所示，圖3A和圖3B分別是 兩個反并聯(lián)晶閘管芯片極面兩邊的銅板T31和銅板T32，水平放置的平面圖和剖面圖。T31 的右側中間和T32的左側中間預留了門極孔，T31的左端和T32的右端預留了進線和出線的 聯(lián)連鏍栓的穿孔。圖3C是壓接后的片式雙向晶閘管的水平放置的平面圖和剖面圖，在剖面 圖中，J31和J32是普通晶閘管的兩個芯片，T31和T32是夾著芯片兩邊的兩塊銅板，T33和 T34是兩塊絕緣板，T35和T36是兩個蝶形彈簧，T37和T38是兩塊薄鋼板。蝶形彈簧是專 用的有四個角的圓盤形彈簧，四個角上預留有固定鏍栓的穿孔，圓盤的中心預留了門極孔。
5. 2. 1.并聯(lián)壓接法的操作程序 按圖3C所示，采用6個固定鏍栓穿孔緊固壓接，在6個鏍桿上套有絕緣套管，可防 止兩塊銅板之間和芯片之間發(fā)生短路。6個鏍栓的緊固力，和用兩個芯片反并聯(lián)制做相同規(guī) 格的晶閘管模塊的緊固力大小相同。如果兩塊絕緣板T33和T34的強度能滿足要求，可考 慮把最外層的兩塊鋼板T37和T38取掉。則成為圖3D所示的剖面圖。下來在兩個芯片的 門極處分別焊上一根絕緣導線33和34，再在兩塊銅板的合適位置分別焊上一根絕緣導線 31和32。最后把壓接成的片式雙向晶閘管清理干凈，不能出現(xiàn)短路點，并用單組份膠或雙 級份膠作為甕中保護層封裝即可。
5. 2. 2.用晶閘管硅片壓接難度的處理措施 用兩個壓接型的300A/1800V的普通晶閘管硅片反并聯(lián)，壓接制做一個 300A/1800V的片式雙向晶閘管時，由于硅片厚度太薄，壓接操作比較困難，且壓接質量不好 保證。這時可在圖3C或圖3D的剖面圖中，分別在硅片J31和J32的兩邊和兩塊銅板T31 和T32之間，增加和硅片的陰陽極面的面積分別完全相同的薄銅片或薄銀片或薄鋁片。如 果需要時，也可在芯片極面上加入相同面積的薄鉬片。其它操作程序均同前所述，注意所有 的陰極，陽極和門極均不能短路。 5. 3.用三個芯片(或硅片)制做一個門極輔助關斷的片式晶閘管的實施例
用兩個普通晶閘管芯片(或硅片)共陰極連接，將二者之一和一個普通整流管芯 片(或硅片)共陽極連接，再連接一個電阻和直流電容器，可以制作一個門極輔助關斷的片 式晶閘管。其主電路的接線原理見圖4所示。圖中SCR1和SCR2是兩個普通晶閘管的芯片 (或硅片)，SR是普通整流管的芯片(或硅片)，C為直流電容器，R為電阻；節(jié)點l接直流 電源的正極，節(jié)點2接直流電源的負極；節(jié)點1和節(jié)點3之間可連接直流負載。該電路的開關原理如下，將SCRl觸發(fā)能使負載上的直流電路導通，將SCR2觸發(fā)能使直流電路關斷。R 是電容C的充電電阻，設定R上流過的電流不足維持SCR2的導通，當SCR2導通放電后可自 行關斷。SR作為續(xù)流二極管，當SCR1關斷時，負載上的反電勢可經(jīng)過SR續(xù)流放掉。這是一 個開關性能比較良好的半導體直流開關主電路，采用上述的焊接法或壓接法，可以制做成 門極輔助關斷的片式晶閘管。 5.4.用片式晶閘管制做電力電子模塊的實施例 將三相交流接觸器上部的消弧罩內腔改造可以制成無弧罩，把消弧柵片和塑料隔 檔全部取掉。連接消弧罩和接觸器本體的兩個卡釘，及其固定卡釘?shù)乃芰贤ǖ酪Ａ?，仍?為無弧罩和接觸器本體的聯(lián)接固定用。在三相觸頭上部的空間中，每相安裝一個片式雙向 晶閘管，該管的銅板接線端左右兩邊伸延彎向下邊。將三相靜觸頭兩邊的引弧角片取掉，換 上聯(lián)接銅片，可和片式晶閘管兩邊彎下來的銅板接線端，采用插接的方式聯(lián)接起來。也可采 用鏍栓聯(lián)接的方法，這就需要在聯(lián)接銅片上預制鏍栓的穿孔并背上鏍帽，還需在無弧罩左 右兩側預制出鏍栓的進孔。圖5是一個三相交流接觸器的上半部結構的剖面圖。參見圖5 所示C51是接觸器的本體，C52是接觸器的無弧罩，C53和C54是接觸器其中一相的兩個靜 觸頭，C55是其動觸頭。J51和J52是一相片式晶閘管的兩個芯片，J53是其控制集成電路。 T51和T52是片式晶閘管的兩塊銅板及其伸延長彎向下邊的接線端，T53和T54是兩個聯(lián)接 銅片，可將接線端T51和T52與靜觸頭C53和C54分別聯(lián)接起來，圖中所畫的是將無弧罩固 定到接觸器上后，用鏍栓穿過無弧罩兩邊預制的鏍栓穿孔將T51和C53通過聯(lián)接銅片T53 以及T52和C54通過聯(lián)接銅片T54分別連接起來的。這是用片式晶閘管按照無弧罩內腔的 空間，用絕緣材料(樹脂或塑料)封裝固定在無弧罩的空腔內制做成的無弧電力電子模塊。 可取代接觸器原有的消弧罩，便能進行無弧分合閘的操作。這種裝有電子模塊的罩子，可稱 其為接觸器的無弧罩。裝有無弧罩的接觸器可稱其為無弧接觸器。
5.5.用片式晶閘管制成的電力電子模塊接入電路中的實施例
用片式雙向晶閘管和片式逆導晶閘管者可分別制做成交流電路中常用的電力電 子模塊。片式雙向晶閘管通常是采用兩個普通晶閘管的芯片(或硅片)反并聯(lián)制做的；也 可采用一個雙向晶閘管的芯片(或硅片)來制做。片式逆導晶閘管通常是采用一個普通晶 閘管的芯片(或硅片)，和一個普通整流管的芯片(或硅片)反并聯(lián)制做的；也可采用一個 逆導晶閘管芯片(或硅片)來制做。用這幾種片式晶閘管制做的三相無弧罩，安裝在三相 交流接觸器上，接入三相交流電路中，其主回路的接線原理圖，分別見圖6A和圖6B。如圖 6所示K是電源刀開關，RSH是快速熔斷器，CJ是接觸器中的主接點，Triac是無弧罩內的 片式雙向晶閘管，RCT是無孤罩內的片式逆導晶閘管，D是負載電機。在接觸器進行分閘或 合閘的瞬間，控制片式晶閘管在這一時刻即時地瞬間導通，三相觸頭上就不會產生電弧。圖 6A是新產品進行樣機試驗時的接線實例，試驗中用試波器拍出的波形圖，充分證明了這種 接觸器是無孤接觸器。
權利要求
一種半導體基片，是用品閘管芯片(或硅片)或者晶體管芯片(或硅片)，直接夾在兩塊銅板之間，采用焊接的方法或者壓接的方法可以制成片式晶閘管或片式晶體管。這是一種新型的片式半導體器件，為半導體領域中的晶閘管和晶體管這兩個大家族，各增加了一個派生的分支體系。
2. 如權利要求1所述的片式晶閘管和片式晶體管，其特征是應用技術比較獨特，不能 單獨接入電路中運行，必須和接觸器或斷路器或負荷開關等電力開關并聯(lián)配套。只能在開 關分合閘的瞬間短時間的導通電流，能夠使電力開關進行無電弧的分合閘操作，使之成為 安全防爆的環(huán)保型電力開關。
3. 如權利要求1所述的片式晶閘管和片式晶體管，其特征是體積小、重量輕、價格低 廉，能利用電力開關中的空間位置，可以制做成開關中的一個部件，并聯(lián)在開關的觸頭上。 不影響原開關的安裝尺寸，安裝到原有的配電柜中，不需要設計專用的非標配電柜，可以節(jié) 約空間位置和大量的安裝費用。
4. 如權利要求1所述的片式晶閘管和片式晶體管，其特征是并聯(lián)在電力開關的觸頭 上，分合閘時，不會產生電弧。就能消除電弧引起的操作過電壓對電網(wǎng)的嚴重污染，顯著提 高電網(wǎng)的供電質量和安全可靠性；消除電弧電波對空間電磁場的環(huán)境污染，使無線電遙控 和通信免受干擾；可以使開關安全地使用在易燃易爆的化工場所和煤礦井下。沒有電弧燒 損觸頭，觸頭上的貴金屬材料就不會被電磨損，可以節(jié)約觸頭上大量的貴金屬材料。同時， 觸頭上沒有電弧磨損，就可以數(shù)十倍或上百倍延長開關的使用壽命。
全文摘要
本發(fā)明是在“斷流開關”發(fā)明專利的基礎上，依據(jù)無弧斷流理論和半導體理論，采用新穎的電力電子技術研制的片式晶閘管和片式晶體管的半導體基片，并研究出一整套獨特的應用技術。配套在接觸器或斷路器可實現(xiàn)無弧操作上，便可制成安全防爆的環(huán)保型電力開關。為半導體領域中的晶閘管和晶體管這兩個大家族，各增加了一個派生的分支體系。為電力開關領域中的無電弧分合閘的高分斷技術和安全防爆技術，以及消除操作過電壓對電網(wǎng)嚴重污染的環(huán)保技術和消除電弧電波污染空間電磁場的環(huán)保技術，對顯著提高供電質量和電力開關的使用壽命以及開關觸頭節(jié)約大量貴金屬材料的技術，均提供了不斷創(chuàng)新的技術條件。
文檔編號H01H9/30GK101697347SQ20091021852
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權日2009年10月27日
發(fā)明者馮安家, 劉卓平, 劉卓明, 劉衛(wèi)歧, 曹海峰, 陳誠 申請人:劉衛(wèi)歧;