基于晶闸管功率单元的散热设计研究

　　0 引言

　　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。

　　1 晶闸管的发热（功耗）原理

　　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。

　　1.1晶闸管的正向特性：

　　图1：晶闸管正向特性曲线

　　晶闸管正向特性曲线不是线性的，可近似看作两条直线组成：在电压VT0以前（即小于VT0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）。

　　图中曲线的函数关系为：

　　1.2晶闸管的正向功耗

　　正弦波时：

　　式②代入①，

　　IFM为正弦波时的峰值电流，同样VFM可表示为正弦波的峰值电压。

　　正向平均电流：

　　正向平均电压：

　　正向功耗：

　　计算化简后：

　　式中F为波形因子，随导通角而变。

　　在正弦波阻性负载时：

　　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 。

　　3 散热器热阻Rth（c-A）

　　散热器热阻可分为稳态热阻和瞬态热阻两种。

　　3.1热阻Rth的概念：

　　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。

　　散热器稳态热阻可以用经验公式计算近似值：

　　自冷条件下：

　　风冷条件下：

　　其中：l为散热器肋长； b为肋厚； L为散热器长； n为肋数；A为表面积； uS为风速；所用单位： l：米、A：米2、b：米、L：米、uS： 米/秒

　　肋长即为散热器翅片长

　　式中：a 取2.5;KS（铝）=140千卡/时·米·℃ ;KS（铜）=340千卡/时·米·℃

　　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）。

　　3.2 稳态热阻

　　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。

　　3.3瞬态热阻

　　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。

　　3.4热阻曲线

　　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

　　图3：瞬态热阻曲线

　　图2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。

　　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。