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电力半导体器件用散热器选择及使用原则

一、散热器选择的基本原则
    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过该范围。
    3、 散热器的额定冷却条件
    自冷散热器:环境温度不高于40℃、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℃,进口端风速为6 m/s。
    水冷散热器:进口水温度不高于35℃,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。

二、 选用散热器的一般方法

    用户对散热器的选取应根据器件工作的实际冷却条件,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IAV,由IAV

计算出该电流的有效值IRMS。
    IRMS = F×IAV  F为波形系数
    2 、由IRMS 或180°导通角IAV,并结合器件浪涌电流,确定器件型号。IAV =IRMS/1.57。
    3 、由所选器件的最大允许管壳温度TC与主电流IAV的关系曲线,查的器件在工作点IAV 对应的TC值。或根据所选器件的有关参数按如下方法计算出TC值。
    TC=Tjm - RjcPAV
    Tjm 为器件的允许的最高工作结温,一般整流管为150℃,普通晶闸管为125℃,快速晶闸管为115℃
    Rjc为器件的结壳热阻。
    PAV为器件的耗散功率。其计算公式为:
    PAV=0.785VTM×IAV1 + 0.215VTO×IAV1  或
    PAV= VTO×IAV1+2.47rT ×IAV1
    VTM  为器件的通态峰值压降。
    VTO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。
    rT 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TS
    TS = TC - RCS×PAV
    RCS 为接触热阻,螺栓形器件可取1/3Rjc,平板形器件可取1/5Rjc。
    5、 由下式计算出散热器的热阻值
    Rsa=(Ta-TS)/PAC
    Ta 为环境温度,自冷或风冷为40℃,水冷为35℃。
    6、 当散热器的工作条件与额定冷却条件一致时,由计算值Rsa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。

三 、各系列散热器使用中应注意事项

㈠、散热器的表面质量要求
1、散热体表面应无缩孔、锈蚀、裂纹等缺陷;
2、平板形散热器的金属紧固件(压板、压盖、碟形弹簧)、水冷散热体的导电片应加 镀层保护;
3、散热体台面的表面粗糙度Ra最大允许为3.2μm;
4、散热体台面的平面度不低于9级;
5、用于湿热带电力半导体器件的散热器(包括散热体、紧固件和绝缘件),表面应经防护处理,其耐潮湿、
耐盐雾和耐霉菌的能力应符合相应的热带电力半导体器件标准;
6、散热器专用的紧固件和绝缘件应符合GB8446.3《电力半导体器件用散热器绝缘件和紧固件》;
7、散热器与电力半导体安装的紧固力矩或紧固压力应符合器件产品标准的有关规定;
8、平板形散热体台面的安装中心定位销尺寸:直径φ2.5mm,高出台面1mm。
㈡、使用环境条件的要求
1、对冷却水的水质应有一定要求:循环水的电阻率应不低于2.5KΩ、PH值在6~9之间;进口水温度不高于35℃、水流量为4~8L/min;
2、当用于高电压或较高电压器件时,必须确保上述水质的要求或更高水质的要求;
3、水冷散热器在工作时,散热器叶片应沿冷却风气流方向;进口空气温度不高于40℃、进口端风速为4~6m/s;
4、由于风冷散热器具有风阻参数的特点,选用整机中的散热器时,应根据负载要求和风机能力,查散热器热阻、流阻与风速的关系曲线,综合考虑散热器热阻和风阻两个参数。
㈢、劣质散热器的危害与鉴别
 近年来,市场上出现了大量价低质次的劣质散热器,这种散热器无论从散热体材质、加工要求、部件质量等方面都与国家行业标准的规定有较大差距,在使用中对器件的寿命和整机质量有较大影。用户在选用时可从以下方面加以鉴别:
1、材质(纯度、厚度、加工精度等)和制造工艺(铸造产生的裂纹、缩孔等)的好坏、低劣的材质及粗糙有缺陷的工艺,将直接影响散热器的导热系数;
2、散热器接触台面的表面粗糙度和平面度,直接影响接触热阻及压降;
3、散热器用碟型弹簧,应保证经24小时压平后,自由高度应稳定,否则使用一段时后弹簧可能失效,将导致散热器与管芯的接触不良。
㈣、散热器更换元件重复使用应注意的问题
 在安装散热器时,需要很大的压力或力矩。由于散热体台面的直径大于管芯的直径,在此压力或力矩的作用下,散热体台面必然会变形。如果再将相同直径或更大直径的管芯,装在散热器上,则导致台面与管芯表面直径之间的接触状况不良,从而不能保证良好的散热效果。
 如果用户需要重复使用散热器,则一定要保证散热体台面的表面粗糙度、平行度和平面度满足要求,
否则在运行中极易因过热而损坏器件。尤其是水冷系列散热器,在重复使用前,一定要仔细检查其台面变形情况,如有明显下陷现象、则应更换。
 为了保证良好的散热条件,每只管芯应具有相应的散热器匹配。
㈤、SS系列散热器凝露的防止
   湿热季节,水冷散热器容易出现凝露现象,如果不加注意,极容易引起设备绝缘下降引发短路故障。
对多数使用环境来说,需要注意以下事项以防止凝露。
1、在湿热季节,注意环境温度与冷热水温差不小于5℃;
2、停电时,应在关闭闸刀后随即停水;启动时,应在通水后随即合闸,分合闸操作与断通水操作紧紧相连,顺序不可颠倒。
㈥、高频场合下的使用
当器件工作于6KHz以上的电流频率下时,应考虑散热器本身紧固螺杆、压盖等部件的发热效应,用户在安装布置器件时,应注意避免使上述部件处于感应加热效应强烈的位置;必要时,可考虑采用不锈钢材料。 


   


 

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