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          基于晶閘管功率單元的散熱設(shè)計(jì)研究

          作者: 時(shí)間:2016-12-08 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          在電力電子工程的領(lǐng)域中,它是為各種電子控制設(shè)備服務(wù)的。凡是用晶閘管的地方,就要按設(shè)計(jì)者意圖把它們組成一個(gè)功能線路。例如各種單相、三相、六相整流橋路,反并聯(lián)線路,還有多支晶閘管的并聯(lián)、串聯(lián)應(yīng)用線路等等。不同的應(yīng)用,就有不同的線路,真可謂千變?nèi)f化、不勝枚舉。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201612/327964.htm

          在這樣一個(gè)有獨(dú)立功能的功率模塊中,在通大電流工作時(shí),其發(fā)熱和散熱是一對十分重要的矛盾,應(yīng)用者應(yīng)該了解其來龍去脈,妥善解決。否則會(huì)對整機(jī)可靠性造成重大影響。在一個(gè)2500A直流輸出的三相全波整流橋工作時(shí),這個(gè)單元自身發(fā)出的熱量可高達(dá)約6KW數(shù)量級,如不及時(shí)把此熱量散去,則后果不堪設(shè)想。

          僅就風(fēng)冷而言,散熱所涉及的內(nèi)容包括:散熱器、風(fēng)機(jī)、風(fēng)道。而涉及的學(xué)科包括流體力學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)、風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

          1 晶閘管的發(fā)熱(功耗)原理

          晶閘管自身功耗包括正向電流產(chǎn)生的功耗、開關(guān)損耗和反向漏電流損耗。在工頻條件下使用開關(guān)損耗極小,漏電流損耗相對比重不大,約在一、二十瓦之內(nèi),故后兩項(xiàng)不在本文中討論。

          1.1晶閘管的正向特性:

          圖1:晶閘管正向特性曲線

          晶閘管正向特性曲線不是線性的,可近似看作兩條直線組成:在電壓

          VT0以前(即小于VT0時(shí))晶閘管正向未能有效導(dǎo)通,電流極小;當(dāng)電壓大于VT0時(shí),電流隨電壓上升,可看作一條直線,而且存在斜率,以斜率電阻rT0表示,單位為Ω(歐姆)。

          圖中曲線的函數(shù)關(guān)系為:

          1.2晶閘管的正向功耗

          正弦波時(shí):

          式②代入①,

          IFM為正弦波時(shí)的峰值電流,同樣VFM可表示為正弦波的峰值電壓。

          正向平均電流:

          正向平均電壓:

          正向功耗:

          計(jì)算化簡后:

          式中F為波形因子,隨導(dǎo)通角而變。

          在正弦波阻性負(fù)載時(shí):

          式中 IF·F=IF(RSM) ,IF(RSM)為正向電流有效值。因此在計(jì)算中可直接使用晶閘管的正向電流有效值。

          由于晶閘管正向功耗P是由iF與vF乘積對0到180°角積分而得的,因此不是線性關(guān)系。用儀表測得的平均電流乘平均電壓求功耗的方法是不對的。

          在晶閘管產(chǎn)品說明書的參數(shù)表上都要列出每種規(guī)格晶閘管的VT0 和rT0 .

          3 散熱器熱阻Rth(c-A)

          散熱器熱阻可分為穩(wěn)態(tài)熱阻和瞬態(tài)熱阻兩種。

          3.1熱阻Rth的概念:

          熱阻是熱導(dǎo)的倒數(shù),單位是:℃/W (℃/瓦)具有溫差的導(dǎo)熱體兩端存在熱量由溫高一端傳到溫低一端的現(xiàn)象。如溫高一端發(fā)熱功率為P,它們之間符合如下關(guān)系:

          P是A端穩(wěn)定產(chǎn)生的熱功率。Rth 小時(shí)TA - TB 也小,即溫差也小,反之溫差也大??梢姛嶙栊〉膶?dǎo)熱體很快就能把熱端熱量傳導(dǎo)出來。

          散熱器穩(wěn)態(tài)熱阻可以用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算近似值:

          自冷條件下:

          風(fēng)冷條件下:

          其中:l為散熱器肋長; b為肋厚; L為散熱器長; n為肋數(shù);

          A為表面積; uS為風(fēng)速;

          所用單位: l:米、A:米2、b:米、L:米、uS: 米/秒

          肋長即為散熱器翅片長

          式中:a 取2.5;KS(鋁)=140千卡/時(shí)·米·℃ ;

          KS(銅)=340千卡/時(shí)·米·℃

          散熱器熱阻除了上述用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算外,一般由生產(chǎn)單位在樣本上提供,也可通過實(shí)驗(yàn)測定(國標(biāo)GB/T 8446.2-2004)。

          3.2 穩(wěn)態(tài)熱阻

          穩(wěn)態(tài)熱阻是指系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量與散去的熱量相等時(shí)的熱阻。此時(shí),散熱器上各點(diǎn)溫度恒定,處于平衡狀態(tài)。上面介紹的計(jì)算公式適用于穩(wěn)態(tài)熱阻。

          3.3瞬態(tài)熱阻

          瞬態(tài)熱阻表示的是熱平衡建立前從受到熱沖擊起到建立熱平衡(即各點(diǎn)溫度恒定不變)止,散熱器熱阻值的變化的過程。熱阻值是從小到大逐漸變的。

          從圖四的曲線可知,起始的熱阻值很小。這表明散熱器不但能散熱而且能吸收熱量蓄熱。吸收熱量的過程也是散熱器溫度上升過程。吸熱達(dá)到飽和時(shí)功耗和散熱平衡,溫度不再上升。這過程約20到40分鐘左右。

          晶閘管往往會(huì)用在存在大電流沖擊(常稱為浪涌電流)的電路中。如果浪涌電流時(shí)間只有幾微秒到幾秒,而且下一次浪涌到來前有較長時(shí)間的間隔,那么就可用瞬態(tài)熱阻進(jìn)行計(jì)算。在這種情況下散熱器可大大縮小,甚至用足夠熱容量的鋁板即可。

          3.4熱阻曲線

          樣本上提供的散熱器熱阻曲線如圖三和圖四所示。(也有用列表方式提供,如下表)

          圖2:穩(wěn)態(tài)熱阻曲線

          圖3:瞬態(tài)熱阻曲線

          圖2是穩(wěn)態(tài)熱阻曲線。表示了該型號鋁型材散熱器在不同長度不同風(fēng)速下的穩(wěn)態(tài)熱阻值。圖3中左邊曲線表示了該型號鋁型材散熱器瞬態(tài)熱阻值。有了這樣的熱阻曲線,該型號散熱器熱阻值一查便知十分方便。

          3.5散熱器熱阻測試

          如果有測試設(shè)備也可用試驗(yàn)方法來測定熱阻值。測試方法應(yīng)按國標(biāo)GB/T 8446.2-2004 “電力半導(dǎo)體器件用散熱器第2部分:熱阻和流阻測試方法”來實(shí)行。具體請參考上述標(biāo)準(zhǔn)。

          這里要特別說明的是:在測試時(shí)當(dāng)用風(fēng)速計(jì)測量吹入散熱器端面風(fēng)速時(shí),會(huì)發(fā)現(xiàn)每點(diǎn)風(fēng)速不一樣。在有散熱器擋著的地方風(fēng)速很低,在無阻擋的孔隙處風(fēng)速又很高(流體同電流一樣阻力小的地方流量大,常稱風(fēng)短路)。這說明了風(fēng)在風(fēng)道中行進(jìn)時(shí),穿過散熱器之間的孔隙、翅片間、端面處風(fēng)的速度是不一樣的。因此國標(biāo)規(guī)定風(fēng)速測試位置應(yīng)是在進(jìn)風(fēng)口離散熱器端面300毫米處的風(fēng)道正中間。

          4 散熱器的流阻

          散熱器在風(fēng)道中接受風(fēng)機(jī)吹來的空氣流時(shí)會(huì)對空氣產(chǎn)生阻力,這就是流阻。如圖四右邊的曲線可見,阻力隨風(fēng)速上升而上升。此參數(shù)給風(fēng)機(jī)選用提供了重要依據(jù)。

          4.1散熱器流阻分析

          流阻大的散熱器需要風(fēng)壓大的風(fēng)機(jī)。同樣風(fēng)量的風(fēng)機(jī)因?yàn)殡姍C(jī)功率不一樣,風(fēng)壓就不一樣。如果風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓等于散熱器的流阻,風(fēng)無法通過散熱器,風(fēng)流量為零。因此只有在風(fēng)壓大于散熱器流阻時(shí)才行,此時(shí)風(fēng)流量要小于或遠(yuǎn)小于風(fēng)機(jī)樣本表明的風(fēng)量,風(fēng)流量隨著風(fēng)道內(nèi)散熱器流阻的減少而上升。這一點(diǎn)在風(fēng)機(jī)一節(jié)中還要細(xì)談。

          串聯(lián)風(fēng)道,即在風(fēng)道中多個(gè)晶閘管的散熱器重疊排列,風(fēng)機(jī)吹出的空氣要通過兩個(gè)或三個(gè)散熱器的翅片。翅片重疊流阻增加,風(fēng)壓損失大,空氣流量損失大,要求風(fēng)機(jī)功率大,也就是風(fēng)壓要大。

          并聯(lián)風(fēng)道,在風(fēng)道中各晶閘管的散熱器一字排開空氣只通過一層散熱器的翅片,流阻小,對風(fēng)機(jī)風(fēng)壓要求小,容易達(dá)到較大風(fēng)速。

          4.1風(fēng)機(jī)

          風(fēng)機(jī)的功能是給晶閘管散熱器送去流動(dòng)的空氣,把散熱器的熱量帶走。

          風(fēng)機(jī)的主要特性可由特性曲線表示出來。如圖5所示,所表示的是風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓-風(fēng)量曲線。風(fēng)機(jī)最大額定風(fēng)量是指前方無任何阻擋物時(shí)的風(fēng)量。如果吹風(fēng)前方存在阻力,風(fēng)在流過阻擋物例如散熱器時(shí),流阻就會(huì)抵消與流阻相當(dāng)?shù)娘L(fēng)壓,使風(fēng)流量降低。假設(shè)風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)壓是120 Pa ,散熱器在某風(fēng)速時(shí)的流阻是70 Pa ,兩者相抵風(fēng)壓剩余50 Pa ,此時(shí)與曲線的相交點(diǎn)A所對應(yīng)的風(fēng)量即為實(shí)際通過的風(fēng)量。從圖上查的為1650 m3/小時(shí),已不是風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量2800 m3/小時(shí)。

          圖4:風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓-風(fēng)量曲線

          常用風(fēng)機(jī)有軸流式和離心式兩種。軸流式安裝方便、體積小,但風(fēng)壓低,

          約在100 Pa-200 Pa之間,而離心風(fēng)機(jī)最高峰壓可達(dá)到500 Pa-700 Pa.在串聯(lián)風(fēng)道上用較為合適。但離心風(fēng)機(jī)安裝要求高、占體積大、噪音大、價(jià)格高。

          風(fēng)機(jī)的其他指標(biāo)為電機(jī)功率、風(fēng)機(jī)能承受的環(huán)境溫度和風(fēng)機(jī)工作時(shí)的噪音。

          4.2風(fēng)道

          在晶閘管功率單元中風(fēng)道是規(guī)范空氣流動(dòng)的一個(gè)十分重要措施。晶閘管和散熱器安裝在風(fēng)道內(nèi)而風(fēng)機(jī)又強(qiáng)迫空氣在風(fēng)道內(nèi)通過。其功能主要是:

          (1)把空氣集中在風(fēng)道內(nèi)通過,盡可能用全部流動(dòng)的空氣參與散熱器的冷卻。

          (2)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量在一定的流阻情況下是一定的。風(fēng)道的截面積減去阻擋物的,截面積即為空氣流過的截面積,則:

          (3)如果風(fēng)道沿散熱器的邊緣去規(guī)范空氣的流動(dòng),不留或極少留孔隙(所謂的風(fēng)短路點(diǎn)),則流阻很大,空氣流量下降,風(fēng)速相應(yīng)下降,散熱效果受到極大影響,散熱器溫升高。從實(shí)踐來看,在散熱器之間留有適當(dāng)孔隙,使孔隙處達(dá)到較大風(fēng)速。這兒又是翅片的邊緣部分,相對溫升較低。

          5 設(shè)計(jì)實(shí)例分析

          用KP500A晶閘管組成一個(gè)三相全波整流橋,輸出直流電流600A.已知VT0=0.9V,RT0 =0.00046O歐姆,Rth(j-c)=0.073℃/W,散熱器型號SF-15,

          6米/秒風(fēng)速風(fēng)冷時(shí)Rth(C-A)=0.048℃/W,自冷時(shí)Rth(C-A)=0.24℃/W,求風(fēng)冷及自冷時(shí)的晶閘管的結(jié)溫。

          解:①三相全波橋直流輸出600A時(shí)每只晶閘管承擔(dān)200A平均值。此時(shí)導(dǎo)通角120度。查曲線知:120度導(dǎo)通角時(shí)晶閘管最大可用到470A,波形因子F=1.76.

          ②工作時(shí)每只晶閘管功耗

          P=IFVT0+(F·IF)2rT0

          = 200×0.9+(1.76×200)2×0.00046

          = 237W

          ③自冷時(shí)溫升:

          TJ-TA=P(Rth(j-c)+ Rth(C-A))

          =237× (0.073+0.24)

          =74.2℃

          ④風(fēng)冷時(shí)溫升:

          TJ-TA=P(Rth(j-c)+ Rth(C-A))

          =237× (0.073+0.048)

          =28.7℃

          設(shè)環(huán)境空氣溫度為40℃,則此時(shí)結(jié)溫:自冷 TJ=74.5℃+40℃=114℃

          風(fēng)冷 TJ=28.7℃+40℃=68.7℃

          6 結(jié)語

          晶閘管要正常工作,一定要使它的結(jié)溫 處于一個(gè)適宜的溫度。從參數(shù)表上可知整流二極管允許最高結(jié)溫是150℃;晶閘管允許最高結(jié)溫是125℃,此規(guī)定是硅材料固有特性所限,除非特別設(shè)計(jì)一般不允許超過。要說明的是到達(dá)翅片的熱量要傳到流動(dòng)的空氣中帶走,其工作原理與各種


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