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基于晶闸管功率单元的散热设计研究

时间:02-21 来源:中国电力电子产业 点击:

验方法来测定热阻值。测试方法应按国标GB/T 8446.2-2004 "电力半导体器件用散热器第2部分:热阻和流阻测试方法"来实行。具体请参考上述标准。

  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。

  4 散热器的流阻

  散热器在风道中接受风机吹来的空气流时会对空气产生阻力,这就是流阻。如图四右边的曲线可见,阻力随风速上升而上升。此参数给风机选用提供了重要依据。

  4.1散热器流阻分析

  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。

  串联风道,即在风道中多个晶闸管的散热器重叠排列,风机吹出的空气要通过两个或三个散热器的翅片。翅片重叠流阻增加,风压损失大,空气流量损失大,要求风机功率大,也就是风压要大。

  并联风道,在风道中各晶闸管的散热器一字排开空气只通过一层散热器的翅片,流阻小,对风机风压要求小,容易达到较大风速。

  4.1风机

  风机的功能是给晶闸管散热器送去流动的空气,把散热器的热量带走。

  风机的主要特性可由特性曲线表示出来。如图5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。

  

  图4:风机的风压-风量曲线

  常用风机有轴流式和离心式两种。轴流式安装方便、体积小,但风压低,

  约在100 Pa-200 Pa之间,而离心风机最高峰压可达到500 Pa-700 Pa.在串联风道上用较为合适。但离心风机安装要求高、占体积大、噪音大、价格高。

  风机的其他指标为电机功率、风机能承受的环境温度和风机工作时的噪音。

  4.2风道

  在晶闸管功率单元中风道是规范空气流动的一个十分重要措施。晶闸管和散热器安装在风道内而风机又强迫空气在风道内通过。其功能主要是:

  (1)把空气集中在风道内通过,尽可能用全部流动的空气参与散热器的冷却。

  (2)风机的风量在一定的流阻情况下是一定的。风道的截面积减去阻挡物的,截面积即为空气流过的截面积,则:

  

  (3)如果风道沿散热器的边缘去规范空气的流动,不留或极少留孔隙(所谓的风短路点),则流阻很大,空气流量下降,风速相应下降,散热效果受到极大影响,散热器温升高。从实践来看,在散热器之间留有适当孔隙,使孔隙处达到较大风速。这儿又是翅片的边缘部分,相对温升较低。

  5 设计实例分析

  用KP500A晶闸管组成一个三相全波整流桥,输出直流电流600A.已知VT0=0.9V,RT0 =0.00046O欧姆,Rth(j-c)=0.073℃/W,散热器型号SF-15,6米/秒风速风冷时Rth(C-A)=0.048℃/W,自冷时Rth(C-A)=0.24℃/W,求风冷及自冷时的晶闸管的结温。

  解:①三相全波桥直流输出600A时每只晶闸管承担200A平均值。此时导通角120度。查曲线知:120度导通角时晶闸管最大可用到470A,波形因子F=1.76.

  ②工作时每只晶闸管功耗

  P=IFVT0+(F·IF)2rT0= 200×0.9+(1.76×200)2×0.00046= 237W

  ③自冷时温升:

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

  ④风冷时温升:

  TJ-TA=P(Rth(j-c)+ Rth(C-A))=237× (0.073+0.048)=28.7℃

  设环境空气温度为40℃,则此时结温:自冷 TJ=74.5℃+40℃=114℃

  风冷 TJ=28.7℃+40℃=68.7℃

  6 结语

晶闸管要正常工作,一定要使它的结温 处于一个适宜的温度。从参数表上可知整流二极管允许最高结温是150℃;晶闸管允许最高结温是125℃,此规定是硅材料固有特性所限,除非特别设计一般不允许超过。要说明的是到达翅片的热量要传到流动的

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