基于晶閘管功率單元的散熱設(shè)計(jì)研究 - 全文

　　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(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。

　　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(duì)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(duì)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(jí)，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(duì)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??；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(jiǎn)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(duì)0到180°角積分而得的，因此不是線性關(guān)系。用儀表測(cè)得的平均電流乘平均電壓求功耗的方法是不對(duì)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(zhǎng)； b為肋厚； L為散熱器長(zhǎng)； 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(zhǎng)即為散熱器翅片長(zhǎng)

　　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(cè)定（國(guó)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(zhǎng)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(hào)鋁型材散熱器在不同長(zhǎng)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(hào)鋁型材散熱器瞬態(tài)熱阻值。有了這樣的熱阻曲線，該型號(hào)散熱器熱阻值一查便知十分方便。

　　3.5散熱器熱阻測(cè)試

　　如果有測(cè)試設(shè)備也可用試驗(yàn)方法來測(cè)定熱阻值。測(cè)試方法應(yīng)按國(guó)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(cè)試方法”來實(shí)行。具體請(qǐng)參考上述標(biāo)準(zhǔn)。

　　這里要特別說明的是：在測(cè)試時(shí)當(dāng)用風(fēng)速計(jì)測(cè)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(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(guó)標(biāo)規(guī)定風(fēng)速測(cè)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(duì)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)?a target="_blank">電機(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(wú)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(duì)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(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(duì)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：

　?。?）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。

　?。?）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：

　?。?）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(duì)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(hào)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

　?、圩岳鋾r(shí)溫升：

　　TJ-TA=P（Rth（j-c）+ Rth（C-A））=237× （0.073+0.24）=74.2℃

　?、茱L(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(yǔ)

　　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，其工作原理與各種散熱器沒兩樣樣，要采用同樣計(jì)算方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。