晶閘管功率單元的散熱設計研究

0 引言

在電力電子工程的領域中，它是為各種電子控制設備服務的。凡是用晶閘管的地方，就要按設計者意圖把它們組成一個功能線路。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)應用線路等等。不同的應用，就有不同的線路，真可謂千變?nèi)f化、不勝枚舉。

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

僅就風冷而言，散熱所涉及的內(nèi)容包括：散熱器、風機、風道。而涉及的學科包括流體力學、傳熱學、材料學、風道結構設計等。

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、開關損耗和反向漏電流損耗。在工頻條件下使用開關損耗極小，漏電流損耗相對比重不大，約在一、二十瓦之內(nèi)，故后兩項不在本文中討論。

1.1晶閘管的正向特性：

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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)晶閘管正向未能有效導通，電流極小;當電壓大于VT0時，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)關系為：

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1.2晶閘管的正向功耗

正弦波時：

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式②代入①，

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IFM為正弦波時的峰值電流，同樣VFM可表示為正弦波的峰值電壓。

正向平均電流：

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正向平均電壓：

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正向功耗：

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計算化簡后：

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式中F為波形因子，隨導通角而變。

在正弦波阻性負載時：

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式中 IF·F=IF(RSM) ,IF(RSM)為正向電流有效值。因此在計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：

熱阻是熱導的倒數(shù)，單位是：℃/W (℃/瓦)具有溫差的導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系：

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P是A端穩(wěn)定產(chǎn)生的熱功率。Rth 小時TA - TB 也小，即溫差也小，反之溫差也大。可見熱阻小的導熱體很快就能把熱端熱量傳導出來。

散熱器穩(wěn)態(tài)熱阻可以用經(jīng)驗公式計算近似值：

自冷條件下：

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風冷條件下：

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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·米·℃ ;

KS(銅)=340千卡/時·米·℃

散熱器熱阻除了上述用經(jīng)驗公式計算外，一般由生產(chǎn)單位在樣本上提供，也可通過實驗測定(國標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的熱阻。此時，散熱器上各點溫度恒定，處于平衡狀態(tài)。上面介紹的計算公式適用于穩(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。吸熱達到飽和時功耗和散熱平衡，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。如果浪涌電流時間只有幾微秒到幾秒，而且下一次浪涌到來前有較長時間的間隔，那么就可用瞬態(tài)熱阻進行計算。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)

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圖2:穩(wěn)態(tài)熱阻曲線