0 引言

在電力電子工程的領域中，它是為各種電子控制設備服務的。凡是用晶閘管的地方，就要按設計者意圖把它們組成一個功能線路。例如各種單相、三相、六相整流橋路，反并聯(lián)線路，還有多支晶閘管的并聯(lián)、串聯(lián)應用線路等等。不同的應用，就有不同的線路，真可謂千變萬化、不勝枚舉。

在這樣一個有獨立功能的功率模塊中，在通大電流工作時，其發(fā)熱和散熱是一對十分重要的矛盾，應用者應該了解其來龍去脈，妥善解決。否則會對整機可靠性造成重大影響。在一個2500A直流輸出的三相全波整流橋工作時，這個單元自身發(fā)出的熱量可高達約6KW數(shù)量級，如不及時把此熱量散去，則后果不堪設想。

僅就風冷而言，散熱所涉及的內容包括：散熱器、風機、風道。而涉及的學科包括流體力學、傳熱學、材料學、風道結構設計等。

1 晶閘管的發(fā)熱(功耗)原理

晶閘管自身功耗包括正向電流產生的功耗、開關損耗和反向漏電流損耗。在工頻條件下使用開關損耗極小，漏電流損耗相對比重不大，約在一、二十瓦之內，故后兩項不在本文中討論。

1.1晶閘管的正向特性：

圖1:晶閘管正向特性曲線

晶閘管正向特性曲線不是線性的，可近似看作兩條直線組成：在電壓

VT0以前(即小于VT0時)晶閘管正向未能有效導通，電流極小;當電壓大于VT0時，電流隨電壓上升，可看作一條直線，而且存在斜率，以斜率電阻rT0表示，單位為Ω(歐姆)。

圖中曲線的函數(shù)關系為：

1.2晶閘管的正向功耗

正弦波時：

式②代入①，

IFM為正弦波時的峰值電流，同樣VFM可表示為正弦波的峰值電壓。

正向平均電流：

正向平均電壓：

正向功耗：

計算化簡后：

式中F為波形因子，隨導通角而變。

在正弦波阻性負載時：

式中 IF·F=IF(RSM) ,IF(RSM)為正向電流有效值。因此在計算中可直接使用晶閘管的正向電流有效值。

由于晶閘管正向功耗P是由iF與vF乘積對0到180°角積分而得的，因此不是線性關系。用儀表測得的平均電流乘平均電壓求功耗的方法是不對的。

在晶閘管產品說明書的參數(shù)表上都要列出每種規(guī)格晶閘管的VT0 和rT0 .

3 散熱器熱阻Rth(c-A)

散熱器熱阻可分為穩(wěn)態(tài)熱阻和瞬態(tài)熱阻兩種。

3.1熱阻Rth的概念：

熱阻是熱導的倒數(shù)，單位是：℃/W (℃/瓦)具有溫差的導熱體兩端存在熱量由溫高一端傳到溫低一端的現(xiàn)象。如溫高一端發(fā)熱功率為P,它們之間符合如下關系：

P是A端穩(wěn)定產生的熱功率。Rth 小時TA - TB 也小，即溫差也小，反之溫差也大?？梢姛嶙栊〉膶狍w很快就能把熱端熱量傳導出來。

散熱器穩(wěn)態(tài)熱阻可以用經(jīng)驗公式計算近似值：

自冷條件下：

風冷條件下：

其中：l為散熱器肋長; b為肋厚; L為散熱器長; n為肋數(shù);

A為表面積; uS為風速;

所用單位： l:米、A:米2、b:米、L:米、uS: 米/秒

肋長即為散熱器翅片長

式中：a 取2.5;KS(鋁)=140千卡/時·米·℃ ;

KS(銅)=340千卡/時·米·℃

散熱器熱阻除了上述用經(jīng)驗公式計算外，一般由生產單位在樣本上提供，也可通過實驗測定(國標GB/T 8446.2-2004)。

3.2 穩(wěn)態(tài)熱阻

穩(wěn)態(tài)熱阻是指系統(tǒng)產生的熱量與散去的熱量相等時的熱阻。此時，散熱器上各點溫度恒定，處于平衡狀態(tài)。上面介紹的計算公式適用于穩(wěn)態(tài)熱阻。

3.3瞬態(tài)熱阻

瞬態(tài)熱阻表示的是熱平衡建立前從受到熱沖擊起到建立熱平衡(即各點溫度恒定不變)止，散熱器熱阻值的變化的過程。熱阻值是從小到大逐漸變的。

從圖四的曲線可知，起始的熱阻值很小。這表明散熱器不但能散熱而且能吸收熱量蓄熱。吸收熱量的過程也是散熱器溫度上升過程。吸熱達到飽和時功耗和散熱平衡，溫度不再上升。這過程約20到40分鐘左右。

晶閘管往往會用在存在大電流沖擊(常稱為浪涌電流)的電路中。如果浪涌電流時間只有幾微秒到幾秒，而且下一次浪涌到來前有較長時間的間隔，那么就可用瞬態(tài)熱阻進行計算。在這種情況下散熱器可大大縮小，甚至用足夠熱容量的鋁板即可。

3.4熱阻曲線

樣本上提供的散熱器熱阻曲線如圖三和圖四所示。(也有用列表方式提供，如下表)

圖2:穩(wěn)態(tài)熱阻曲線[!--empirenews.page--]

圖3:瞬態(tài)熱阻曲線

圖2是穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)熱阻值。圖3中左邊曲線表示了該型號鋁型材散熱器瞬態(tài)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。

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(fā)現(xiàn)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(guī)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(shù)給風機選用提供了重要依據(jù)。

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(jié)中還要細談。

串聯(lián)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(lián)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?shù)娘L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。

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(lián)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(huán)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(guī)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：

(3)如果風道沿散熱器的邊緣去規(guī)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(huán)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(shù)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(guī)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。