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大功率晶闸管用散热器选择及使用原则

作者：广州晶泰电子 来源：www.gzjtdz.com  

 

    功率半导体元件在工作时，自身必然要产生热损耗。但若发热量太大，且又来不及向周围媒质消散，元件就会因超过其正常工作的保证温度而失效。因此，选配合适的散热器，是元件可靠工作的重要条件之一。 概念   1、元件工作结温Tj：即元件允许的最高工作温度极限。     本参数由制造厂提供，或产品标准强制给出要求。   2、元件的损耗功率P：元件在工作时自身产生的平均稳态功率消耗，定义为有效值输出电流与有效值电压降的乘积。   3、耗散功率Q：特定散热结构的散热能力。   4、热阻R：热量在媒质之间传递时，单位功耗所产生的温升。       R=ΔT/Q    一、 散热器的选配     设环境温度为Ta。散热器的配置目的，是必须保证它能将元件的热损耗有效地传导至周围环境，并使其热源＿即结点的温度不超过Tj。用公式表示为 P<Q=(Tj-Ta)/R                   ① (当然，热量的消散除对流传导外，还可辐射。在后面讨论) 而热阻又主要由三部分组成： R=Rjc+Rcs+Rsa                  ② Rjc：结点至管壳的热阻； Rcs：管壳至散热器的热阻； Rsa：散热器至空气的热阻。 其中，Rjc与元件的工艺水平和结构有很大关系，由制造商给出。     Rcs与管壳和散热器之间的填隙介质（通常为空气）、接触面的粗糙度、平面度以及安装的压力等密切相关。介质的导热性能越好，或者接触越紧密，则Rcs越小。 (参考值：广州晶泰电子科技有限公司凸台元件的风冷安装，一般可考虑Rcs≈0.1Rjc)     Rsa是散热器选择的重要参数。它与材质、材料的形状和表面积、体积、以及空气流速等参量有关。 综合①和②，可得 Rsa<〔(Tj-Ta)/P〕-Rjc-Rcs        ③ 上式③即散热器选配的基本原则。     一般散热器厂商应提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线，据此设计人员可计算出所需散热器的表面积、长度、重量，并进一步求得散热器的热阻值Rsa。

 

二 选择散热器的基本原则

1 散热器选择的基本依据

  电力半导体器件的散热器选择要综合根据器件的耗散功率、器件结壳热阻、接触热阻、以及冷却介质温度来考虑

2 器件与散热器紧固力的要求

  要使器件与散热器组装后有良好的热接触，必须具有合适的安装力或安装力矩，其值由器件制造厂或器件标准给出，具有较小范围，组装时应严格遵守不要超出该范围。

3 散热器的额定冷却条件

   自冷散热器：环境温度不高于40°C、空气自然对流的风速不大于0.5m/s。

   风冷散热器：进口空气温度不高于40°C，进口端风速为6m/s。

   水冷散热器：进口水温度不高于35°C，水流量为4L/min。

4 选用散热器的综合考虑

   选用散热器应综合考虑散热器的散热能力范围、冷却方式、技术参数和结构特点，一种器件仅从技术参数看，可能有两三种散热器均能满足要求，但应结合冷却、安装、通用互换和经济性综合考虑选取。

三 散热器选用的一般方法

      用户对散热器的选取应根据器件工作时的实际冷却条件，稳、瞬态负载情况，适当考虑安全系数，按稳态不超过器件最高工作结温来考虑。

１根据器件在电路中工作的电流波形和导通角，确定器件工作时的平均电流Ｉ_AV，由­Ｉ_AV计算出该电流的有效值Ｉ_ＲＭＳ。

Ｉ_ＲＭＳ＝Ｆ•Ｉ_AV　　Ｆ为波形系数。

２由Ｉ_ＲＭＳ或１８０°导通角I_AV１，并结合器件浪涌电流，确定器件型号。I_AV１＝Ｉ_ＲＭＳ/1.57。

３由所选器件的最大允许管壳温度T_C与主电流I_AV的关系曲线，查得器件在工作点I_AV１对应的T_C值。或根据所选器件的有关参数按如下方法计算出Ｔ_C值。

Ｔ_Ｃ＝Ｔ_jm－Ｒ_jcＰ_ＡＶ

Ｔ_jm为器件的允许的最高工作结温，一般整流管为150°C，普通晶闸管为125°C，快速晶闸管为115°C

Ｒ_jc为器件的结壳热阻。

P_AV为器件的耗散功率。其计算公式为：

P_AV=0.785V_TM•I_AV1  +  0.215V_TO•I_AV1   或

P_AV=V_TO•I_AV1  + 2.47 r_T•I_AV1

V_TM为器件的通态峰值压降。

Ｖ_TO为器件门槛电压。器件参数无标注时可取：整流管0.8V，普通晶闸管1.0V，快速晶闸管1.2V。

 r_T为器件通态斜率电阻_­。

4由下式计算出最大允许的散热器台面温度T_S

              T_S=T_C-R­_CS•P_AV

R_CS为接触热阻，螺栓形器件可取1/3R_jc，平板形器件可取1/5 R_jc。

5由下式计算出散热器的热阻值

    R_sa=（T_a—T_S）/P_AV

T_a为环境温度，自冷或风冷为40°C，水冷为35°C。

6当散热器的工作条件与额定冷却条件一致时,由计算值R_sa查散热器数据手册选取热阻值相同或小于又最接近计算值的散热器。不一致时，查散热器热阻与冷却介质流量的关系曲线确定。

四 使用各系列散热器中应注意的事项

 

 

       上面的理论分析是一个普适原则，在实际设计中应留出足够余量。因为提供数据的准确性、由元件到散热器的安装状况、散热器表面的空气对流状态、热量的非稳态分布等，都是非理想化的因素，应予考虑。

       另外，散热器表面向空气的热辐射，也是一种热耗散方式。在自冷设计中广泛应用的阳极氧化发黑和打毛处理工艺，即是增加热辐射的有效办法。但该办法明显不适用要求强迫风冷的以对流传导为主要方式的设计，因为散热器表面越光亮则热阻越低，这是要特别提示设计人员的。

１风冷散热器安装时，散热器叶片应沿冷却风气流方向。风冷散热器若用于自冷，则需根据散热器热阻与风速关系曲线在零风速附近的热阻值决定散热器的负载能力。

２水冷散热器的水质应有一定要求，循环水的电阻率应不低于２.5kW，PH值在6~9之间。水冷散热器在工作时应特别注意防漏水、防堵塞、防凝露。