6 Расчёт условий охлаждения силовых полупроводниковых вентилей выпрямителя

В процессе работы мощных выпрямителей, которые осуществляют питание электродвигателей электроприводов постоянного тока, требуется отводить тепло от силовых вентилей при прохождении по ним тока и обеспечивать их надлежащее охлаждение с целью сохранения надёжной работы выпрямителя.

При расчёте требуется оценить мощность рассеяния тепловой энергии на силовом вентиле, сделать выбор условий отвода тепла и выполнить расчёт параметров охладителя. Различают четыре основных режима работы силовых полупроводниковых вентилей:

а) статический или длительный режим;

Этот режим имеет место при неизменном или изменяющемся в малых пределах (до 20%) прямом токе (его среднее или действующее значение) через силовой вентиль (диод или тиристор), под действием которого вентиль может нагреться до допустимой температуры за время с учётом условий охлаждения. Так при естественном охлаждении время ~ 2 000 с, а при принудительном охлаждении составляет до 600 с в зависимости от скорости обдува воздухом охладителя.

б) повторно-кратковременный режим;

Этот режим имеет место при изменяющемся дискретно от нуля до максимума токе или напряжении с циклической последовательностью. Состояние вентиля определяется значением эквивалентной температуры его полупроводниковой структуры, диапазоном её изменения и числом тепловых переходов. При этом время прохождения тока и время паузы меньше .

в) импульсный или кратковременный режим;

Этот режим характеризуется большой скважностью импульсов тока, и нагрев вентиля определяется мгновенным значением температуры его полупроводниковой структуры и локальным перегревом горячих точек. Здесь

и .

г) ждущий режим;

Этот режим имеет место тогда, когда вентиль находится в непроводящем состоянии при приложенном постоянном или переменном напряжении. Нагрев вентиля в данном случае определяется локальным перегревом полупроводниковой структуры током утечки при приложении обратного напряжения к диоду и током закрытого состояния при приложении прямого напряжения к тиристору.

Таким образом, при выборе условий охлаждения необходимо рассчитать тепловые параметры с учётом особенностей режима работы вентиля по мощности потерь, возникающих при прохождении тока и выделяемых в небольшом объёме полупроводниковой структуры вентиля. Кроме этого, необходимо проанализировать прохождение теплового потока через несколько слоёв разнородных материалов металлов до выхода его в окружающую среду.

Известно [4], что термоэлектрические процессы определяются не только выделяющейся в вентиле мощностью, но и системой охлаждения.

Анализ теплоэлектрических процессов в системе «вентиль –охладитель – окружающая среда» основывается на аналогии между уравнениями теплопередачи и законом Ома для электрической цепи [4]. В соответствии с моделями подобия отвод тепла от источника выделяющейся мощности рассматривается как протекание потока этой мощности от более высокого температурного потенциала T_j к более низкому потенциалу , (АТ = T_j – Т_а,) через сечение теплоотвода S [7]. В результате коэффициент теплопередачи системы , Вт/К*см², определяется соотношением

(6.1)

(6.2)

где – коэффициент теплоотдачи отдельных участков тепловой цепи в окружающую среду.

Для системы «вентиль – охладитель – окружающая среда» термоэлектрическую эквивалентную схему можно представить в виде разветвленной цепи прохождения теплового потока от источника выделяемой мощности до окружающей среды с температурой (рис. 6.1).

Рисунок 6.1 – Термоэлектрическая эквивалентная схема вентиля с радиатором

– средняя мощность рассеяния на кристалл вентиля;

– температурный потенциал перехода кристалл-корпус вентиля;

– температурный потенциал корпуса;

– температурный потенциал среды;

– выравниватель р температурного потенциала к ОК;

– тепловое сопротивление «корпус – вентиля – среда»;

– тепловое сопротивление «охладитель – среда»;

– тепловое сопротивление «кристалл – вентиля – корус»;

– тепловое сопротивление «корпус вентиля – охладитель».

Для выбранного типа вентиля при известных параметрах рабочего режима дополнительно необходимо подобрать тип радиатора, его материал, положение вентиля в нём, а также установить требования на условие сборки вентиля с охладителем. Для выполнения этих требований необходимо иметь значения максимально допустимой температуры перехода «кристалл вентиля – корпус», т. е. (К) и типовые значения теплового сопротивления в установившемся статическом режиме «корпус вентиля – охладитель» (табл. 6.1).

Если известны указанные выше параметры, то можно определить показатели отдельных элементов эквивалентной схемы. Так, полное эквивалентное тепловое сопротивление между кристаллом вентиля и внешней средой находим из соотношения

(6.3)

Согласно эквивалентной схеме замещения (рис. 6.1) это сопротивление определяется равенством

(6.4)

Таблица 6.1 – Типовые значения теплового сопротивления «корпус вентиль – охладитель»

Тип корпуса	Материал изолирующей прокладки	к/Вт
		С селиконовой смазкой	без селиконовой смазки
ТО-3	Без изолирующей проклад­ки: фторопласт - 4 мкм (тефлон) слюда (50-100 мкм)	0,1 0,7 – 0,8 0,5 – 0,7	0,3 1,25 – 1,45 1,2 – 1,5
ТО-66	Без изолирующей проклад­ки: слюда (50-100 мкм) пластик(50-100 мкм)	0,15 – 0,2 0,6 – 0,8 0,6 – 0,8	0,4 – 0,5 1,5 – 2,0 1,2 – 1,4
ТО-220АВ	Без изолирующей прокладки: слюда (50-100 мкм)	0,3 – 0,5 2,0 – 2,5	1,5 – 2,0 4,0 – 6,0
ТО-3Р(L)	Без изолирующей прокладки: слюда (50-100 мкм)	0,1 – 0,2 0,5 – 0,7	0,4 – 1,0 1,2 – 1,5

Так как обычно температура корпуса выше температуры окружающей среды, то можно использовать выражение

(6.5)

где можно взять из справочных данных на полупроводниковые приборы [3-6].

В случае малой мощности рассеяния , Вт, когда охладитель практически не нужен (и велико), получим

(6.6)

Если охлаждение вентиля идет в основном за счет радиатора, т. е. тепловое сопротивление велико, то получим (6.7)

Для радиатора в виде плоской прямоугольной пластины с вентилем, расположенным посредине радиатора, при температуре окружающей среды 45 и отсутствии рядом других источников тепла площадь поверхности охлаждения [3]:

(6.8)

где – толщина основания охладителя;

– поправочный коэффициент на расположение радиатора в изделии;

– коэффициент теплопроводности, Вт/К*см.

Определив по известным параметрам – (табл. 6.2), (табл.6.3), - и , можно определить линейные размеры охладителя, считая, что форма радиатора прямоугольная.

Таблица 6.2 – Коэффициент теплопроводности – материалов охладителя и прокладок при 350 К

Элемент	Материал	, Вт/К*см
Радиатор	Алюминий Медь Латунь Сталь	2,08 3,85 1,1 0,46
Прокладка	Слюда Оксид бериллия	0,006 2,1

Таблица 6.3 – Значения поправочного коэффициента положения охладителя и состояния его поверхности

Положение охладителя	Состояние поверхности
	блестящая	чернёная
Вертикальное Горизонтальное	0,85 1,0	0,43 0,5

Чтобы увеличить эффективность охлаждения, т. е. уменьшить тепловое сопротивление , используют ребристые радиаторы. Для такого охладителя в зависимости от и по кривым (рис. 6.2) можно выбрать длину одного радиатора (рис. 6.3) и уточнить влияние обработки поверхности охладителя на его размеры.

Р исунок 6.2 – Характеристики типового охладителя:

а – анодированная поверхность; б – черная матовая поверхность

Пример расчёта параметров охладителя для силового вентиля.

Необходимо выбрать охладитель к тиристору Т-133-320-9 таблеточного типа при работе его в импульсном режиме с длительностью включенного состояния Коэффициент заполнения δ = 0,1. Пиковое значение мощности рассеяния в импульсе Р_р = 1 000 Вт. Температура окружающей среды не более .

Рисунок 6.3 – Зависимость теплового сопротивления «охладитель-среда» от длины охладителя для чёрной матовой поверхности

Решение:

1) Выберем дополнительные справочные данные для принятого типа тиристора. Максимальное значение среднего тока для открытого состояния I_{ос.ср.max} = 320 А; импульсное напряжение на вентиле в открытом состоянии U_осн = 2 В [7], т. е. мощность рассеяния без радиатора не должна превышать Р_ос.max.н = 640 Вт. Следовательно, необходим охладитель, поскольку . Конструкция тиристора [6, рис. П.43] предполагает использование радиатора для тиристора таблеточного типа.

Тепловое сопротивление «переход-корпус» в статическом режиме составляет 0,06° с/вт [6; с. 86 и 87]. По другим данным [7, табл. 6] значение и тепловое сопротивление контакта «корпус тиристора-охладитель» , при этом предполагается использование радиатора типа Т1112 с усилием сборки (10 000⁺¹⁰⁰°) Н для диаметра контактной поверхности охладителя тиристора 50 мм. Однако согласно конструкции Т133-320-9 этот диаметр – 30 мм. Здесь необходимо отметить, что этот тиристор охлаждается с двух торцевых поверхностей, поэтому будем считать, что данные теплового сопротивления учитывают двустороннее охлаждение.

2) Проверка предельно допустимых типовых значений мощности рассеяния для заданного импульсного режима работы тиристора: уточняем значение теплового сопротивления «переход – корпус». По кривым [6, рис. 6] находим

Тогда

= 0,14 = 0,14 0,06 = 0,0084°С / Вт.

Допустимое значение пиковой мощности рассеяния определяется по формуле

где = - , = = 93°С. [6]

Тогда

= 3 809 Вт,

т. е. рабочее значение > , что подтверждает возможность работы тиристора в заданном импульсном режиме.

3) Расчёт тепловых сопротивлений в системе «корпус тиристора –охладитель – окружающая среда».

Полное тепловое сопротивление системы

где мощность рассеяния в статическом режиме

0,1∙1 000 = 100 Вт.

Тогда при = 125°С получаем

=0,8°С/Вт.

Теперь в соответствии с теплоэлектрической эквивалентной схемой замещения (см. рис. 6.1) определим тепловое сопротивление «охладитель –окружающая среда» из соотношения

= 0,8 – 0,0084 – 0,015 = 0,777°С/Вт.

4. Расчёт параметров радиатора

При выборе параметров радиатора предполагаем его выполненным из алюминия, т. е. = 2,08 Вт/К (табл. 6.2) с горизонтальным расположением = 1 (табл. 6.3).

Для упрощённой оценки площади охлаждения радиатора используем формулу (5.8), где под площадью охлаждения понимаем площадь лишь одной половинки радиатора, имеющей тепловой контакт с одной из торцевых сторон тиристора, но при этом тепловое сопротивление «охладитель – окружающая среда» увеличивается в два раза, т. е.

см²

Таким образом, общая площадь для двух частей радиатора составит 1321,2 см² при толщине основания = 16 мм.

Теперь по результатам расчёта можно выбирать типовой охладитель по государственному стандарту.