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(lǐng)域中，它是為各種電子控制設備服務(wù)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(gè)功能線(xiàn)路。例如各種單相、三相、六相整流橋路，反并聯(lián)線(xiàn)路，還有多支晶閘管的并聯(lián)、串聯(lián)應用線(xiàn)路等等。不同的應用，就有不同的線(xiàn)路，真可謂千變萬(wàn)化、不勝枚舉。

在這樣一個(gè)有獨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，應用者應該了解其來(lái)龍去脈，妥善解決。否則會(huì )對整機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)出的熱量可高達約6KW數量級，如不及時(shí)把此熱量散去，則后果不堪設想。

僅就風(fēng)冷而言，散熱所涉及的內容包括：散熱器、風(fēng)機、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(kāi)關(guān)損耗和反向漏電流損耗。在工頻條件下使用開(kāi)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，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(xiàn)

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

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

圖中曲線(xiàn)的函數關(guān)系為：

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1.2晶閘管的正向功耗

正弦波時(shí)：

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式②代入①，

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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：

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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(jiǎn)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(shí)：

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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(xiàn)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(shuō)明書(shū)的參數表上都要列出每種規格晶閘管的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，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象。如溫高一端發(fā)熱功率為P,它們之間符合如下關(guān)系：

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P是A端穩定產(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?jiàn)熱阻小的導熱體很快就能把熱端熱量傳導出來(lái)。

散熱器穩態(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(fēng)冷條件下：

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

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(cháng)即為散熱器翅片長(cháng)

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)驗公式計算外，一般由生產(chǎn)單位在樣本上提供，也可通過(guò)實(shí)驗測定(國標GB/T 8446.2-2004)。

3.2 穩態(tài)熱阻

穩態(tài)熱阻是指系統產(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)。上面介紹的計算公式適用于穩態(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(guò)程。熱阻值是從小到大逐漸變的。

從圖四的曲線(xiàn)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(guò)程也是散熱器溫度上升過(guò)程。吸熱達到飽和時(shí)功耗和散熱平衡，溫度不再上升。這過(guò)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(chēng)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(lái)前有較長(cháng)時(shí)間的間隔，那么就可用瞬態(tài)熱阻進(jìn)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(xiàn)

樣本上提供的散熱器熱阻曲線(xiàn)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:穩態(tài)熱阻曲線(xiàn)