晶閘管功率單元的散熱設(shè)計研究

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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。

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3.5散熱器熱阻測試

如果有測試設(shè)備也可用試驗方法來測定熱阻值。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：在測試時當(dāng)用風(fēng)速計測量吹入散熱器端面風(fēng)速時，會發(fā)現(xiàn)每點風(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)道中行進時，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)機吹來的空氣流時會對空氣產(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。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才行，此時風(fēng)流量要小于或遠小于風(fēng)機樣本表明的風(fēng)量，風(fēng)流量隨著風(fēng)道內(nèi)散熱器流阻的減少而上升。這一點在風(fēng)機一節(jié)中還要細談。

串聯(lián)風(fēng)道，即在風(fēng)道中多個晶閘管的散熱器重疊排列，風(fēng)機吹出的空氣要通過兩個或三個散熱器的翅片。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空氣只通過一層散熱器的翅片，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表示出來。如圖5所示，所表示的是風(fēng)機的風(fēng)壓-風(fēng)量曲線。風(fēng)機最大額定風(fēng)量是指前方無任何阻擋物時的風(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，流阻就會抵消與流阻相當(dāng)?shù)娘L(fēng)壓，使風(fēng)流量降低。假設(shè)風(fēng)機的最大風(fēng)壓是120 Pa ,散熱器在某風(fēng)速時的流阻是70 Pa ,兩者相抵風(fēng)壓剩余50 Pa ,此時與曲線的相交點A所對應(yīng)的風(fēng)量即為實際通過的風(fēng)量。從圖上查的為1650 m3/小時，已不是風(fēng)機的最大風(fēng)量2800 m3/小時。

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圖4:風(fēng)機的風(fēng)壓-風(fēng)量曲線

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、價格高。

風(fēng)機的其他指標(biāo)為電機功率、風(fēng)機能承受的環(huán)境溫度和風(fēng)機工作時的噪音。

4.2風(fēng)道

在晶閘管功率單元中風(fēng)道是規(guī)范空氣流動的一個十分重要措施。晶閘管和散熱器安裝在風(fēng)道內(nèi)而風(fēng)機又強迫空氣在風(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的截面積，則：

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(3)如果風(fēng)道沿散熱器的邊緣去規(guī)范空氣的流動，不留或極少留孔隙(所謂的風(fēng)短路點)，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。從實踐來看，在散熱器之間留有適當(dāng)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(shè)計實例分析

用KP500A晶閘管組成一個三相全波整流橋，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Rth(C-A)=0.048℃/W,自冷時Rth(C-A)=0.24℃/W,求風(fēng)冷及自冷時的晶閘管的結(jié)溫。

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

②工作時每只晶閘管功耗

P=IFVT0+(F·IF)2rT0

= 200×0.9+(1.76×200)2×0.00046

= 237W

③自冷時溫升：

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

=237× (0.073+0.24)

=74.2℃

④風(fēng)冷時溫升：

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)計一般不允許超過。要說明的是到達翅片的熱量要傳到流動的空氣中帶走，其工作原理與各種散熱器沒兩樣樣，要采用同樣計算方式進行設(shè)計。