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基于晶闸管功率单元的散热设计研究

发布时间:2022-09-24 03:57:30 来源:hth华体会网页版 作者:华体会全站app官网

内容简介:  在电力电子工程的领域中,它是为各种电子控制设备服务的。凡是用晶闸管的地方,就要按设计者意图把它们组成一个功能线路。例如各种单相、三相、六相整流桥路,反并联线路,还有多支晶闸管的并联、串联应用线路等等。不同的应用,就有不同的线路,真可谓千变万化、不胜枚举。  在这样一个有独立功能的功率模块中,在通大电流工作时,其发热和散热是一对十分重要的矛盾,应用者应该了解其来龙去脉,妥善解决。否则会对整机可靠性造成重大影响。在一个2500A直流输出的三相全波整流桥工作时,这个单元自身发出的热量可高达约6KW数量级,如不及时把此热量散去,则后果不堪...
详细介绍

  在电力电子工程的领域中,它是为各种电子控制设备服务的。凡是用晶闸管的地方,就要按设计者意图把它们组成一个功能线路。例如各种单相、三相、六相整流桥路,反并联线路,还有多支晶闸管的并联、串联应用线路等等。不同的应用,就有不同的线路,真可谓千变万化、不胜枚举。

  在这样一个有独立功能的功率模块中,在通大电流工作时,其发热和散热是一对十分重要的矛盾,应用者应该了解其来龙去脉,妥善解决。否则会对整机可靠性造成重大影响。在一个2500A直流输出的三相全波整流桥工作时,这个单元自身发出的热量可高达约6KW数量级,如不及时把此热量散去,则后果不堪设想。

  仅就风冷而言,散热所涉及的内容包括:散热器、风机、风道。而涉及的学科包括流体力学、传热学、材料学、风道结构设计等。

  晶闸管自身功耗包括正向电流产生的功耗、开关损耗和反向漏电流损耗。在工频条件下使用开关损耗极小,漏电流损耗相对比重不大,约在一、二十瓦之内,故后两项不在本文中讨论。

  晶闸管正向特性曲线不是线性的,可近似看作两条直线时)晶闸管正向未能有效导通,电流极小;当电压大于VT0时,电流随电压上升,可看作一条直线,而且存在斜率,以斜率电阻rT0表示,单位为Ω(欧姆)。

  式中 IF·F=IF(RSM) ,IF(RSM)为正向电流有效值。因此在计算中可直接使用晶闸管的正向电流有效值。

  由于晶闸管正向功耗P是由iF与vF乘积对0到180°角积分而得的,因此不是线性关系。用仪表测得的平均电流乘平均电压求功耗的方法是不对的。

  在晶闸管产品说明书的参数表上都要列出每种规格晶闸管的VT0 和rT0 .

  热阻是热导的倒数,单位是:℃/W (℃/瓦)具有温差的导热体两端存在热量由温高一端传到温低一端的现象。如温高一端发热功率为P,它们之间符合如下关系:

  P是A端稳定产生的热功率。Rth 小时TA - TB 也小,即温差也小,反之温差也大。可见热阻小的导热体很快就能把热端热量传导出来。

  散热器热阻除了上述用经验公式计算外,一般由生产单位在样本上提供,也可通过实验测定(国标GB/T 8446.2-2004)。

  稳态热阻是指系统产生的热量与散去的热量相等时的热阻。此时,散热器上各点温度恒定,处于平衡状态。上面介绍的计算公式适用于稳态热阻。

  瞬态热阻表示的是热平衡建立前从受到热冲击起到建立热平衡(即各点温度恒定不变)止,散热器热阻值的变化的过程。热阻值是从小到大逐渐变的。

  从图四的曲线可知,起始的热阻值很小。这表明散热器不但能散热而且能吸收热量蓄热。吸收热量的过程也是散热器温度上升过程。吸热达到饱和时功耗和散热平衡,温度不再上升。这过程约20到40分钟左右。

  晶闸管往往会用在存在大电流冲击(常称为浪涌电流)的电路中。如果浪涌电流时间只有几微秒到几秒,而且下一次浪涌到来前有较长时间的间隔,那么就可用瞬态热阻进行计算。在这种情况下散热器可大大缩小,甚至用足够热容量的铝板即可。

  样本上提供的散热器热阻曲线如图三和图四所示。(也有用列表方式提供,如下表)

  图2:稳态热阻曲线:瞬态热阻曲线是稳态热阻曲线。表示了该型号铝型材散热器在不同长度不同风速下的稳态热阻值。图3中左边曲线表示了该型号铝型材散热器瞬态热阻值。有了这样的热阻曲线,该型号散热器热阻值一查便知十分方便。

  这里要特别说明的是:在测试时当用风速计测量吹入散热器端面风速时,会发现每点风速不一样。在有散热器挡着的地方风速很低,在无阻挡的孔隙处风速又很高(流体同电流一样阻力小的地方流量大,常称风短路)。这说明了风在风道中行进时,穿过散热器之间的孔隙、翅片间、端面处风的速度是不一样的。因此国标规定风速测试位置应是在进风口离散热器端面300毫米处的风道正中间。

  流阻大的散热器需要风压大的风机。同样风量的风机因为电机功率不一样,风压就不一样。如果风机的风压等于散热器的流阻,风无法通过散热器,风流量为零。因此只有在风压大于散热器流阻时才行,此时风流量要小于或远小于风机样本表明的风量,风流量随着风道内散热器流阻的减少而上升。这一点在风机一节中还要细谈。

  风机的主要特性可由特性曲线所示,所表示的是风机的风压-风量曲线。风机最大额定风量是指前方无任何阻挡物时的风量。如果吹风前方存在阻力,风在流过阻挡物例如散热器时,流阻就会抵消与流阻相当的风压,使风流量降低。假设风机的最大风压是120 Pa ,散热器在某风速时的流阻是70 Pa ,两者相抵风压剩余50 Pa ,此时与曲线的相交点A所对应的风量即为实际通过的风量。从图上查的为1650 m3/小时,已不是风机的最大风量2800 m3/小时。

 

 


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