大功率柜散热问题分析

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-24 14:01:38 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:散热器

对于励磁大功率整流柜发热问题,本文从分析热量传递过程入手,针对阻碍可控硅热量散发的几个方面进行分析,提出了有效提高散热效果、降低热阻的具体措施。
(关键词)  热阻  Rjc  Rcs  Rsa   散热效率

提高大功率可控硅散热效果的主要途径

0.引言

随着大功率半导体技术的快速发展,大中型发电机励磁装置普遍使用单柜额定电流在1500A~2000A的大功率整流柜,由于在此大电流下晶闸管的耗散功率非常大,产生大量的热能,如果热量散发途径受阻,将严重影响励磁整流柜的安全运行。

1.散热原理技术讨论

在可控硅整流柜运行过程中,可控硅组件发热的热源主要在可控硅内部P-N结,如图一所示。热量首先传给晶闸管管壳,然后传给散热器,最后由散热器传给散热器周围的空气。阻碍可控硅热量散发的热阻也就由此分为三部分:Rjc:由P-N结结点至管壳热阻,简称结壳热阻。Rcs:由管壳至散热器热阻,简称接触热阻。Rcs:由散热器表面到周围空气热阻,简称散热器热阻。总的热阻值Rtot即为三项独立热阻值之和:Rtot=Rjc+Rcs+Rsa。

图一

    我们要改善可控硅的散热效果,就是要降低Rtot的值。结壳热阻Rjc与晶闸管的制造工艺有关,它是晶闸管的一个重要技术指标,制造厂商均有规定,其量值不受选用的散热器或其它受控参数的影响。接触热阻Rcs与晶闸管和散热器的压接工艺有密切联系,是一可控量。减少Rcs的途径可以是增高界面介质导热率,或增大截面积,或者减少热力轨迹长度,也可以通过选择合适的垫片减少Rcs的值。散热器热阻Rsa在选择散热器时具有重要作用,如果可控硅已压成组件,则Rjc和Rcs就不可改变。改变的只有Rsa,主要途径有改变散热器尺寸和冷却风速。
    对于大功率整流柜而言,由于各晶闸管耗散功率比较大,使得所允许的总热阻值Rtot非常小,同时因为结壳热阻只受晶闸管的制造工艺限制,因此在大整流柜设计和生产时,必须采取各种技术手段,降低接触热阻和散热器热阻。

2.提高压接技术减小接触热阻Rcs

2.1.接触面与Rcs之间的关系

如果将晶闸管与散热器接触面放大后,即可看到如图二所示接触面的微观状况。

 

图二

    无论两接触面加工得多么平整光滑,其表面总会有一些微小的凸起,使得在两接触面之间形成了一个空隙,如果不加热结合剂,则空隙中充满不流动空气,对于大功率晶闸管一般在压接时都会填充一定的填隙介质,这个介质层的厚度和面积决定了Rcs 即:

     L1为热量传输轨迹的长度或厚度函数,
     A1为热量流经的截面积,
     K为材料导热率。
Rcs表征了热量穿过晶闸管与散热器接触表面所受的阻力。该公式可转化为应用某一种介质材料热阻时更方便的公式,即:

     ρ为某一种材料的单位热阻,
      t为平均层厚,
      A为接触面积。

 2.2.压接力的选择

当使用压接夹具将晶闸管与散热器表面压紧时,随着压接力的增大,两接触面微观凸起将被压平,使得微观填隙厚度减小,导致Rcs减小。因此,压接力与Rcs成反比,如图三所示,当压接力增大到某一定时,Rcs不再减小反而增大,这是为什么呢?

图三

    如果用材料力学的原理分析就不难发现,当材料在外力的作用下,一开始材料产生弹性变型,变形量与外力成反比。当外力超过材料的弹性极限材料就产生朔性变型。因此在压接力不太大时,也就是说晶闸管与散热器表面末产生朔性变形以前,作用在两接触面之间的力随着压接力的增大而增大,Rcs减小。当两接触面一旦产生朔性变形,即表面失去一部分弹力、导致Rcs反弹。因此,最适当的压接力对于某一组管子和散热器来说是一个固定值,而其左右偏差也不会太大,一般晶闸管厂商都给出这一量值,我们应该通过力矩换算,最后得出应加在各个螺拴上的力矩,而我们目前采用每个螺母加力矩20kgm的方式是不对的。

2.3.填隙介质的影响

    实际上,即使抛光后的两表面相接触,也将因其固有的表面粗糙度和平整度的变化,构成局部的微观填隙,妨碍了热量传输,而且考虑到为获得抛光表面所需成本,一般也不会将两表面加工的非常平整光滑。
    无论任一种有热结合剂的晶闸管与散热器的装配方法都将优于干式接触,这是因为任何一种热结合剂的单位热阻都将小于不流动空气,各材料的ρ值见表一。目前常用的热结合剂可分为两类,一种是导电的,一种是不导电的,用于平板式晶闸管压接的只能是高导电率的,同时又是高热电率的。目前市场上出售的热结合剂品种很多,单位热阻相差很大。同样的压接条件,不同的结合剂Rcs相差几倍。

表1

材料 ρ0C/w)
不流动工空气 1200
硅脂 204
聚脂薄膜 236
云母 66
结合剂 56
阻极化覆层 5.6

    在压接时也应注意热结合剂的加注方法。正确的压接方法是,取足量的结合剂滴在晶闸管中心,然后与散热器结合面相接触,紧压接螺栓,为保证受力受力受力平衡,每颗螺栓转四分之一圈后立即紧另一颗螺栓,当结合刘从接触面疑缝四周被剂出时,才算压接合适,如果有哪一边没有剂出,则应松开压接螺栓,重新涂结合剂进行重压。压接时应使用力扭力板手,扭力矩应根据不同压接对象进行调整。

3.改善风冷却结构降低Rsa

3.1.合理选择散热器热容量

    晶闸管的热量穿过管壳与散热器接触面后进入散热器,散热器要有一定的热容量,否则热量就不能顺利地从晶闸管壳传至散热器内部,散热器的热容量在一定范围内与散热器的体积量是正比,太大会导致散热器过于笨重,太小不利于热量的顺利传输,每种散热器的热容量生产厂家均可提供。在配散热器时,散热器容量一定应比晶闸管耗散功率大,并考虑一定裕度,一般取1.5~2倍即可。

3.2.增大风压以提高散热效果

    在设计风冷却系统时,往往只注意要到保证风速≥6m/s这一指标,而勿视了风压指标。即使在一些设计手册中也只规定了风速指标,但风压对于散热效果有很大的影响。首先由于压头损失的存在,使得当风压低于散热器压头损失时,冷却风根本就吹不过去。第二,由于散热器各翼片间隙与风道与散热器间隙有很大差别。当风压过低时,冷却风根本不从散热器翼片间流过,而是从其中大的缝隙中流过,造成“风短路”现象。第三,增大风压,可使接近散热器微观表面的风速增加,增大散热器与空气的热交换率。

3.3.合理设计风道增大传热效率

    我们在设计风道时,很多人都主张尽可能地使风的流向与散热器表现平行,总认为这样散热效率最高,其实不然。根据传热学的原理,当气体以湍流形式从散热器翼片缝隙流过时,比以层流形式流过传热效率要高得多。为了使进入缝隙的气体行成湍流,有时在进口端有意识地使部分风流的方向转一个角度,这就需要在进口处加一个喷管型或喇叭型的进口,以增大进风的雷诺数。有时还会在适当的位置加装激流板或激流丝,使气流在进口处就开始存在湍流边界层,以增加努赛尔数。

4.结语

    如前所述,要解决励磁大整流柜晶闸管散热问题,其根本问题就是降低Rjc、Rcs、Rsa的值,由于Rjc由晶闸管生产厂家控制,我们所能改变的就只有Rcs和Rsa。降低接触热阻Rcs的途经是提高压接工艺和采用优质高导电率的热结合剂。降低散热器热阻Rsa值的途经比较多。但主要有三种:

①提高风压风速;
②改变冷却风流动状态;
③增大散热器。

    改善整流柜散热效率常常受励磁装置现场环境、柜体结构和制作成本等因限制,因此必须综合考虑各方面因素,在保证总热阻Rtot部超标的前提下,尽可能选择更合理更经济的散热方案。

(主要参考文献)
[1]  [美] W.M.罗森诺等主编 李荫亭等译 传热学手册 北京 科学出版社 1985.12
[2]  郑忠杰,吴作海 电力电子变流技术 北京  机械工业出版社 1999.5
[3]  黄俊,王兆安 电力电子变流技术  北京  机械工业出版社 1998.10
[4]  电力半导体器件和电力变流器标准汇编 北京 中国标准出版社 1995.5

    ( 作者简介)
万和勇 (1968-)1986年毕业于东北水电专科学校,现为葛洲坝电厂能达公司工程师,主要从事发电厂励磁系统设计工作



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