提高晶閘管結(jié)溫的途徑

姚亞玲

（浙江省杭州建德市工業(yè)技術(shù)學(xué)校 311612）

目前，在我國的電力系統(tǒng)中，柔性交流輸電設(shè)備和高壓直流輸電設(shè)備得到了非常廣泛的應(yīng)用。在這些輸電設(shè)備中，會經(jīng)常使用到晶閘管器件。隨著電力設(shè)備開發(fā)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)在有關(guān)晶閘管技術(shù)的研究已經(jīng)成為電力設(shè)備研究的重要內(nèi)容。

晶體閘流管簡稱晶閘管，一般也被叫做可控硅。1957年，它首先由美國通用公司開發(fā)生產(chǎn)出來。晶閘管可以在高電壓、大電流的條件下工作，其工作過程很容易被控制，因此晶閘管被采用于高壓電路的整流、調(diào)壓、開關(guān)和各種電子電路中。隨著大功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在功率較大的晶閘管已經(jīng)成為高壓輸電電路中重要的電力設(shè)備設(shè)施，它對電力設(shè)備的可靠性會產(chǎn)生很大的影響，甚至?xí)绊懙秸麄€(gè)輸電系統(tǒng)的安全。晶閘管由于在較大的電流下工作，因此會散發(fā)出大量的熱能，如果要保證晶閘管能夠長期穩(wěn)定的工作，就需要晶閘管的結(jié)溫溫度不能超過規(guī)定的溫度，以避免溫度過高導(dǎo)致晶閘管性能下降，甚至被燒毀，影響到整個(gè)電路的安全。晶閘管的物性通常是由其所使用的材料和制作工藝決定的，它的電氣特性和使用壽命與結(jié)溫溫度有很大的關(guān)系。而晶閘管的結(jié)溫溫度又與晶閘管的阻抗有直接關(guān)系，因此，降低晶閘管的阻抗，提高晶閘管結(jié)溫溫度，對增加晶閘管的可靠性具有重要的意義。

1 晶閘管的散熱分析

在正常工作狀態(tài)下，晶閘管發(fā)熱的部位主要發(fā)生在其內(nèi)部的PN結(jié)處。工作中電路的通態(tài)、開關(guān)、正反向轉(zhuǎn)換等，都會造成電能損耗，使晶閘管溫度升高。其中通態(tài)的損耗又是晶閘管發(fā)熱的最主要原因。這些熱量首先會先傳輸?shù)骄чl管的管殼處，再傳導(dǎo)給散熱器，然后再通過散熱器將熱量擴(kuò)散到空氣中，起到散熱降溫的作用。因此，要想提高晶閘管的結(jié)溫溫度，需要設(shè)法降低以上三個(gè)方面的阻值。

首先要降低PN結(jié)處至晶閘管管殼的阻值。這部分阻值被稱為結(jié)殼阻值，它與晶閘管的生產(chǎn)工藝有密切的關(guān)系，它是晶閘管中最主要的技術(shù)指標(biāo)之一。一般，生產(chǎn)廠家都會對其阻值進(jìn)行標(biāo)識，以便使用者根據(jù)需要進(jìn)行選擇。其次，要降低晶閘管管殼至散熱器的阻值，這部分阻值被稱為接觸熱阻，它與晶閘管和散熱器的壓接工藝有關(guān)，它是一個(gè)可以調(diào)整控制的阻值?？梢酝ㄟ^提高連接介質(zhì)的導(dǎo)熱率，增大接觸面積等來調(diào)整。第三，要降低散熱器表面到空氣間的阻值，這部分阻值被稱為散熱器熱阻。在晶閘管生產(chǎn)過程中，散熱器的選擇對晶閘管的結(jié)溫溫度會產(chǎn)生重要的影響，當(dāng)晶閘管被封裝后，要想提高晶閘管結(jié)溫溫度，就只能通過調(diào)整散熱器熱阻，如增加散熱器的尺寸和冷卻速度等來調(diào)整。對于大功率晶閘管，最主要的還是通過降低接觸熱阻和散熱器熱阻來提高結(jié)晶溫度。

2 提高壓接技術(shù)來減小接觸熱阻

晶閘管與散熱器的接觸表面，不管精度要求多么高，都會存在一些空隙。如果不在這些空隙中加入一些結(jié)合劑，就會使空隙中存有一些氣體，增加接觸熱阻的阻值。因此，在大功率晶閘管中通常都會填充一層介質(zhì)，降低接觸熱阻的阻值。

在晶閘管和散熱器的壓接過程中，隨著壓接夾具壓力的增大，壓接面的空隙會減少，接觸熱阻的阻值也就會隨之減小。但當(dāng)壓接力大到一定程度時(shí)，接觸熱阻的阻值就不再減少反而增加。通過材料力學(xué)理論分析：材料在受到外力時(shí)，會發(fā)生彈性變形，此時(shí)變形量與外力大小成正比。當(dāng)外力大小超過材料承受的臨界值時(shí)，材料就會產(chǎn)生塑性變形。這時(shí)，材料失去彈力。因此，當(dāng)晶閘管壓合力過大時(shí)，晶閘管很容易被損壞。所以，要設(shè)定固定的壓力值，使阻值盡可能低，以提高晶閘管的結(jié)晶溫度。另外，晶閘管與散熱器之間的空隙需要填充介質(zhì)，如下圖。不同的介質(zhì)之間接觸熱阻相差很大，不同的介質(zhì)加注方法也會對阻值產(chǎn)生影響。因此，一定要選擇合適的介質(zhì)和加注方法。如圖1；

圖1

3 改善風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，降低散熱器熱阻

3.1 合理選擇散熱器

晶閘管在工作狀態(tài)下產(chǎn)生的熱量，主要是通過管殼與散熱器接觸后傳導(dǎo)到散熱器，然后由散熱器傳遞到周圍空氣。因此，要將熱量快速的傳散給空氣中，就必須選擇合適的散熱器。不同形狀、不同尺寸的散熱器，它的熱能容量也有差異。在一定的范圍內(nèi)，散熱器的熱能容量是與其接觸空氣的面積成正比，但如果散熱器過大，不利于散熱器的開發(fā)和安裝，也會與晶閘管不匹配。所以，選擇散熱器時(shí)，要根據(jù)晶閘管的要求、特征來考慮選擇匹配的散熱器。

3.2 增壓風(fēng)壓和風(fēng)速，提高散熱效果

通常情況下，晶閘管散熱器都是通過空氣的流動來散發(fā)熱量、降低溫度。因此，風(fēng)速的大小會對晶閘管的降溫效果會起到非常大的影響作用。開發(fā)人員在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮散熱器的風(fēng)速應(yīng)達(dá)到一定的速度。另外，還要考慮風(fēng)壓產(chǎn)生的影響。如果風(fēng)速過低，風(fēng)壓不夠，冷卻風(fēng)就無法吹到散熱器的接觸面上，就達(dá)不到散熱降溫的效果。因此，可以在進(jìn)風(fēng)口散熱器與風(fēng)道間加裝擋流板，增加風(fēng)速和風(fēng)壓，使風(fēng)可以從散熱器的翼片間流過，增大散熱器與空氣的熱交換效率。

3.3 合理設(shè)計(jì)風(fēng)道，增大傳熱效率

圖2

相關(guān)理論認(rèn)為，氣體在以湍流形式從散熱器表面流過時(shí)，會比層流形式傳遞熱量要高許多。因此，可以通過調(diào)整部分風(fēng)的風(fēng)向來使進(jìn)入散熱器縫隙的氣體形成湍流，增大傳熱效率。比如，可以在進(jìn)氣處設(shè)置激流板或激流絲，使部分風(fēng)的流向產(chǎn)生改變，如下圖?；蛘呖梢园焉崞饕砥谜鄯譃閹锥?，增大風(fēng)阻，使氣流通過時(shí)產(chǎn)生湍流，提高散熱效果。如圖2

4 應(yīng)用舉例

4.1 實(shí)例1

某電廠機(jī)組功率柜在運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)溫控開關(guān)動作的現(xiàn)象。些時(shí)，晶閘管的溫度達(dá)到70度，迫使功率柜只能限電運(yùn)行。經(jīng)過分析，其主要原因是散熱器風(fēng)機(jī)的壓力過小，該風(fēng)機(jī)散熱器翼片處的風(fēng)壓經(jīng)測試只有一百帕左右，比功率柜散熱器壓頭處的壓力損失了近三分之二。它的風(fēng)道設(shè)計(jì)的也不合理，空氣沒有產(chǎn)生湍流，熱交換效率比較低。因此，對其進(jìn)行了技術(shù)改造。首先，把風(fēng)機(jī)加大功率，換成四百帕壓力的風(fēng)機(jī)。第二，更改了風(fēng)道，將風(fēng)道設(shè)計(jì)為喇叭狀，在風(fēng)道口處加裝擋流板，使進(jìn)入的空氣產(chǎn)生湍流，增加熱交換效率。技術(shù)改造完成后，對其效果進(jìn)行了評估，測試結(jié)果表明，功率柜投入運(yùn)行后，晶閘管溫度最高只達(dá)到51度，非常穩(wěn)定。

4.2 實(shí)例2

在另一電廠中，功率柜在進(jìn)行大電流失驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)晶閘管溫度升高較高，最高達(dá)到一百度左右。而散熱器溫度卻比較正常，沒有超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，溫控開關(guān)也沒有進(jìn)行動作。將晶閘管組件拆開后，發(fā)現(xiàn)由于壓接時(shí)受力不均勻，使導(dǎo)熱介質(zhì)只涂裝了接觸表面的三分之二。重新壓接后，測量晶閘管結(jié)溫溫度，趨于正常。

5 結(jié)論

綜上所述，要提高大功率晶閘管的結(jié)溫溫度，一定要在降低晶閘管的結(jié)殼阻值、接觸熱阻和散熱器熱阻等三個(gè)方面入手。在這三個(gè)熱阻中，由于結(jié)殼阻值是由生產(chǎn)廠家來決定，很難再去改變。因此，開發(fā)設(shè)計(jì)人員更多的是要從后兩者中想辦法。降低接觸熱阻可以通過提高壓接工藝和使用優(yōu)質(zhì)的接觸介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。降低散熱器熱阻可以從增大散熱面積，提高風(fēng)速風(fēng)壓，改變風(fēng)流狀態(tài)等方面來實(shí)現(xiàn)?？傊_發(fā)設(shè)計(jì)人員要根據(jù)晶閘管的實(shí)際需求和特征盡可能的選擇更經(jīng)濟(jì)、合理的方案來提高晶閘管的結(jié)溫溫度。

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