晶閘管功率單元的散熱設計研究

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圖3:瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)

圖2是穩態(tài)熱阻曲線(xiàn)。表示了該型號鋁型材散熱器在不同長(cháng)度不同風(fēng)速下的穩態(tài)熱阻值。圖3中左邊曲線(xiàn)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(xiàn)，該型號散熱器熱阻值一查便知十分方便。

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3.5散熱器熱阻測試

如果有測試設備也可用試驗方法來(lái)測定熱阻值。測試方法應按國標GB/T 8446.2-2004 “電力半導體器件用散熱器第2部分：熱阻和流阻測試方法”來(lái)實(shí)行。具體請參考上述標準。

這里要特別說(shuō)明的是：在測試時(shí)當用風(fēng)速計測量吹入散熱器端面風(fēng)速時(shí)，會(huì )發(fā)現每點(diǎn)風(fēng)速不一樣。在有散熱器擋著(zhù)的地方風(fēng)速很低，在無(wú)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(chēng)風(fēng)短路)。這說(shuō)明了風(fēng)在風(fēng)道中行進(jìn)時(shí)，穿過(guò)散熱器之間的孔隙、翅片間、端面處風(fēng)的速度是不一樣的。因此國標規定風(fēng)速測試位置應是在進(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)機吹來(lái)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(xiàn)可見(jiàn)，阻力隨風(fēng)速上升而上升。此參數給風(fēng)機選用提供了重要依據。

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。同樣風(fēng)量的風(fēng)機因為電機功率不一樣，風(fēng)壓就不一樣。如果風(fēng)機的風(fēng)壓等于散熱器的流阻，風(fēng)無(wú)法通過(guò)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)流量要小于或遠小于風(fēng)機樣本表明的風(fēng)量，風(fēng)流量隨著(zhù)風(fēng)道內散熱器流阻的減少而上升。這一點(diǎn)在風(fēng)機一節中還要細談。

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)機吹出的空氣要通過(guò)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(kāi)空氣只通過(guò)一層散熱器的翅片，流阻小，對風(fēng)機風(fēng)壓要求小，容易達到較大風(fēng)速。

4.1風(fēng)機

風(fēng)機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)機的主要特性可由特性曲線(xiàn)表示出來(lái)。如圖5所示，所表示的是風(fēng)機的風(fēng)壓-風(fēng)量曲線(xiàn)。風(fēng)機最大額定風(fēng)量是指前方無(wú)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(guò)阻擋物例如散熱器時(shí)，流阻就會(huì )抵消與流阻相當的風(fēng)壓，使風(fēng)流量降低。假設風(fēng)機的最大風(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(xiàn)的相交點(diǎn)A所對應的風(fēng)量即為實(shí)際通過(guò)的風(fēng)量。從圖上查的為1650 m3/小時(shí)，已不是風(fēng)機的最大風(fēng)量2800 m3/小時(shí)。

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圖4:風(fēng)機的風(fēng)壓-風(fēng)量曲線(xiàn)

常用風(fēng)機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)機最高峰壓可達到500 Pa-700 Pa.在串聯(lián)風(fēng)道上用較為合適。但離心風(fēng)機安裝要求高、占體積大、噪音大、價(jià)格高。

風(fēng)機的其他指標為電機功率、風(fēng)機能承受的環(huán)境溫度和風(fēng)機工作時(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)道內而風(fēng)機又強迫空氣在風(fēng)道內通過(guò)。其功能主要是：

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

(2)風(fēng)機的風(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(guò)的截面積，則：

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(3)如果風(fēng)道沿散熱器的邊緣去規范空氣的流動(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)速相應下降，散熱效果受到極大影響，散熱器溫升高。從實(shí)踐來(lái)看，在散熱器之間留有適當孔隙，使孔隙處達到較大風(fēng)速。這兒又是翅片的邊緣部分，相對溫升較低。

5 設計實(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)的晶閘管的結溫。

解：①三相全波橋直流輸出600A時(shí)每只晶閘管承擔200A平均值。此時(shí)導通角120度。查曲線(xiàn)知：120度導通角時(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℃

設環(huán)境空氣溫度為40℃，則此時(shí)結溫：自冷 TJ=74.5℃+40℃=114℃

風(fēng)冷 TJ=28.7℃+40℃=68.7℃

6 結語(yǔ)

晶閘管要正常工作，一定要使它的結溫 處于一個(gè)適宜的溫度。從參數表上可知整流二極管允許最高結溫是150℃;晶閘管允許最高結溫是125℃，此規定是硅材料固有特性所限，除非特別設計一般不允許超過(guò)。要說(shuō)明的是到達翅片的熱量要傳到流動(dòng)的空氣中帶走，其工作原理與各種散熱器沒(méi)兩樣樣，要采用同樣計算方式進(jìn)行設計。