晶閘管功率單元的散熱設計研究

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圖3:瞬態熱阻曲線

圖2是穩態熱阻曲線。表示了該型號鋁型材散熱器在不同長度不同風速下的穩態熱阻值。圖3中左邊曲線表示了該型號鋁型材散熱器瞬態熱阻值。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

如果有測試設備也可用試驗方法來測定熱阻值。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”來實行。具體請參考上述標準。

這里要特別說明的是：在測試時當用風速計測量吹入散熱器端面風速時，會發現每點風速不一樣。在有散熱器擋著的地方風速很低，在無阻擋的孔隙處風速又很高(流體同電流一樣阻力小的地方流量大，常稱風短路)。這說明了風在風道中行進時，穿過散熱器之間的孔隙、翅片間、端面處風的速度是不一樣的。因此國標規定風速測試位置應是在進風口離散熱器端面300毫米處的風道正中間。

4 散熱器的流阻

散熱器在風道中接受風機吹來的空氣流時會對空氣產生阻力，這就是流阻。如圖四右邊的曲線可見，阻力隨風速上升而上升。此參數給風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壓大的風機。同樣風量的風機因為電機功率不一樣，風壓就不一樣。如果風機的風壓等于散熱器的流阻，風無法通過散熱器，風流量為零。因此只有在風壓大于散熱器流阻時才行，此時風流量要小于或遠小于風機樣本表明的風量，風流量隨著風道內散熱器流阻的減少而上升。這一點在風機一節中還要細談。

串聯風道，即在風道中多個晶閘管的散熱器重疊排列，風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，風壓損失大，空氣流量損失大，要求風機功率大，也就是風壓要大。

并聯風道，在風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，對風機風壓要求小，容易達到較大風速。

4.1風機

風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，所表示的是風機的風壓-風量曲線。風機最大額定風量是指前方無任何阻擋物時的風量。如果吹風前方存在阻力，風在流過阻擋物例如散熱器時，流阻就會抵消與流阻相當的風壓，使風流量降低。假設風機的最大風壓是120 Pa ,散熱器在某風速時的流阻是70 Pa ,兩者相抵風壓剩余50 Pa ,此時與曲線的相交點A所對應的風量即為實際通過的風量。從圖上查的為1650 m3/小時，已不是風機的最大風量2800 m3/小時。

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圖4:風機的風壓-風量曲線

常用風機有軸流式和離心式兩種。軸流式安裝方便、體積小，但風壓低，

約在100 Pa-200 Pa之間，而離心風機最高峰壓可達到500 Pa-700 Pa.在串聯風道上用較為合適。但離心風機安裝要求高、占體積大、噪音大、價格高。

風機的其他指標為電機功率、風機能承受的環境溫度和風機工作時的噪音。

4.2風道

在晶閘管功率單元中風道是規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道內而風機又強迫空氣在風道內通過。其功能主要是：

(1)把空氣集中在風道內通過，盡可能用全部流動的空氣參與散熱器的冷卻。

(2)風機的風量在一定的流阻情況下是一定的。風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)如果風道沿散熱器的邊緣去規范空氣的流動，不留或極少留孔隙(所謂的風短路點)，則流阻很大，空氣流量下降，風速相應下降，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孔隙，使孔隙處達到較大風速。這兒又是翅片的邊緣部分，相對溫升較低。

5 設計實例分析

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/秒風速風冷時Rth(C-A)=0.048℃/W,自冷時Rth(C-A)=0.24℃/W,求風冷及自冷時的晶閘管的結溫。

解：①三相全波橋直流輸出600A時每只晶閘管承擔200A平均值。此時導通角120度。查曲線知：120度導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風冷時溫升：

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

=237× (0.073+0.048)

=28.7℃

設環境空氣溫度為40℃，則此時結溫：自冷 TJ=74.5℃+40℃=114℃

風冷 TJ=28.7℃+40℃=68.7℃

6 結語

晶閘管要正常工作，一定要使它的結溫 處于一個適宜的溫度。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。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計。