标题:
基于晶闸管功率单元的散热设计研究
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作者:
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时间:
2015-2-5 00:07
标题:
基于晶闸管功率单元的散热设计研究
3.5散热器热阻测试
如果有测试设备也可用试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空气中带走，其工作原理与各种散热器没两样样，要采用同样计算方式进行设计。
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