Рубрики
Электрическая сопоставимость

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле Сергей Верижников Николай Абрамов Твердотельные реле вместе с неопровержимыми плюсами (высочайший рабочий ресурс

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле Сергей Верижников
Николай Абрамов

Твердотельные реле вместе с неопровержимыми плюсами (высочайший рабочий ресурс, малая инерционность, бесшумность и т. д.) владеют одной противной особенностью — высочайшей рассеиваемой мощностью, вызванной относительно высочайшим падением напряжения на элементах силовых полупроводниковых устройств. Недостаточно действенная охлаждающая система твердотельных реле может вызвать его перегрев и выход из строя.

Необходимость отвода большой мощности от силовых частей твердотельного реле определило возникновение более всераспространенной на сегодня конструкции корпуса твердотельных реле — планарной. Примеры таких корпусов для одно- и трехфазных твердотельных реле производства ЗАО «Протон-импульс» представлены на рис. 1.

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле
Рис. 1. Корпуса твердотельных реле планарной конструкции

Радиатор (именуемый также базисной платой) представляет собой железную пластинку, обычно, медную либо латунную, и служит для установки твердотельных реле на систему остывания. На рис. 2 показаны два более всераспространенных варианта внутреннего устройства твердотельных реле планарной конструкции.

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле
Рис. 2. Варианты внутреннего устройства твердотельных реле планарной конструкции: а — с пайкой силовых частей на металлизацию керамики; б — с пайкой силовых частей на медную шину

Такая конструкция позволяет минимизировать термическое сопротивление меж силовыми элементами твердотельного реле и охлаждающей системой.

Перегрев кристалла (p-n-перехода) силового элемента твердотельных реле относительно температуры среды в одномерном случае можно найти по формуле:

Tj- Ta = PxRthja= Px (Rthjc+ Rthcs + Rthsa). (1)

Тут Tj — температура p-n-перехода (°С); Ta — температура среды (°С); P- рассеиваемая на переходе мощность (Вт); Rthja- термическое сопротивление «переход — окружающая среда» (°С/Вт); Rthjc — термическое сопротивление «переход — корпус» (°С/Вт); Rthcs — термическое сопротивление «корпус — охлаждающая система» (°С/Вт); Rthsa — термическое сопротивление «охлаждающая система — окружающая среда» (°С/Вт).

Величина Rthjc определяется конструкцией твердотельных реле, Rthcs находится в зависимости от применяемого термоинтерфейса меж радиатором твердотельного реле и охладителем (в большинстве случаев теплопроводной пасты), качеством обработки их поверхностей и, обычно, не превосходит 0,1 °С/Вт, Rthsa определяется конструкцией системы остывания. Вопросы использования теплопроводящей пасты довольно тщательно рассмотрены в статье [2].

Температура силового полупроводникового элемента твердотельных реле в хоть какой момент времени не должна превосходить его наивысшую допустимую рабочую температуру Tj max. Величина Tj max оговаривается в документации на силовой элемент. Расчет температурного режима твердотельных реле сводится, обычно, к определению нужного термического сопротивления системы остывания при узнаваемых величинах Tj max, Rthjcи Rthcs.

Формула (1) верна для твердотельного реле на базе 1-го силового элемента. Для расчета температуры перехода двухэлементного твердотельного реле разглядим его теплоэлек-трическую модель, представленную на рис. 3. При теплоэлектрическом моделировании термическое сопротивление эквивалентно электронному, напряжение — температуре, мощность — электронному току.

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле
Рис. 3. Теплоэлектрическая модель твердотельного реле с 2-мя силовыми элементами, P — общая мощность, рассеиваемая на реле

Для данной модели формула (1) будет иметь вид:

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле(2)

Формулу (2), разумеется, можно обобщить на случай n силовых частей (n = [количество фаз твердотельного реле] x [количество силовых частей на фазу]):

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле(3)

Таким макаром, нужное термическое сопротивление системы остывания, при котором температура силового элемента не превзойдет Tj max, определяется неравенством:

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле(4)

Аналогично может быть определена очень допустимая рассеиваемая мощность при использовании системы остывания с термическим сопротивлением Rthjc:

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле(5)

Чтоб пользоваться формулами (4) и (5), следует знать рассеиваемую на твердотельном реле мощность P. В случае реле неизменного тока величина P определяется довольно легко:

P= IНxUП(IН). (6)

Тут IН — ток нагрузки, UП — прямое падение напряжения на силовом элементе, определяемое по ВАХ.

При переменном синусоидальном токе нагрузки для вычисления мощности (на фазу) нужно произвести интегрирование:

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле(7)

где φ — фаза, φ0 — угол отсечки (другими словами момент фазы, в каком открываются силовые элементы).

Данная формула не учитывает мощность, выделяющуюся при переключениях силовых частей, и может употребляться только для относительно низких частот тока нагрузки (если период тока много меньше времени переключения силовых частей).

Вычисление интеграла (7) вручную довольно трудозатратная задачка, потому большие производители твердотельных реле и силовых модулей сопровождают свою продукцию графиками зависимости рассеиваемой мощности от действующего либо среднего (при однополупериодном выпрямлении) значения синусоидального тока нагрузки (нередко при разных углах отсечки). К примеру, на рис. 4 приведен схожий график для силовых моделей серии IRK.105 [3] компании International Rectifier (США).

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле
Рис. 4. Графики мощности модулей серии IRK.105

Справа от графиков мощности представлена серия кривых, облегчающих определение нужного термического сопротивления системы остывания при известной мощности и температуре среды. Данные кривые строятся в согласовании с выражением (4).

На веб-сайте компании «Протон-импульс» (www.proton-impuls.ru) представлена аннотация по расчету характеристик системы остывания для производимых этой компанией твердотельных реле.:

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле(8)

где величины D и Tj max для всех типов выпускаемых твердотельных реле представлены в таблице 1.

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле
Таблица 1. Характеристики D и Tjmax

В аннотации также приведены графики, дозволяющие найти рассеиваемую твердотельным реле мощность по действующему значению синусоидального тока нагрузки (табл. 2).

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле
Таблица 2. Графики зависимости рассеиваемой на твердотельном реле мощности от действующего значения синусоидального тока нагрузки

На рис. 5-7 приведены характеристики типовых систем остывания, созданных для работы с твердотельными реле. Системы остывания ОХЛ созданы для отвода тепла, выделяемого твердотельными реле в корпусах «В» и «Д» в окружающую среду.

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле
Рис. 5. Охл. 1.1 — для крепления 1-го прибора в корпусе Д
Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле
Рис. 6. Охл. 1.2 — для крепления от 1-го до 3-х устройств в корпусе В
Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле
Рис. 7. Охл 1.3 — для крепления 1-го прибора в корпусе В

По рассчитанному значению величины Rthsa делается выбор типа системы остывания.

Теплоотводы системы остывания делаются из дюралевых упрессованных профилей сплава АД31 ГОСТ 4784-74. Теплоотводы не требуют дополнительного защитного покрытия при эксплуатации в разных погодных зонах.

Дальше приводятся примеры расчета систем остывания твердотельных реле.

Пример 1.

Провести выбор системы остывания для твердотельного реле типа 5П19.10ТМ1-60-8-В6, включающего нагрузку переменного тока 40 А. Наибольшая рабочая температура среды — 50 °С.

Последовательность действий.

  1. По графику из таблицы 2 определяем рассеиваемую мощность твердотельного реле типа 5П19.10ТМ1-60-8-В6 для тока 40 А. Она будет равна 53 Вт.
  2. По таблице 1 определяем величину D для данного типа реле. Она составляет 0,3748.
  3. По формуле (8), используя данные таблицы 1, определяем величину Rthsa, которая в нашем случае будет равна ((125 — 50)/53) — 0,3748 = 1,04.
  4. Сопоставляя полученную величину Rthsa с графиком на рис. 8, лицезреем, что для рассеивания тепла, выделяющегося в твердотельном реле при применимых термических режимах, можно применить систему остывания типа Охл. 1.2 либо Охл. 1.3, при этом для последнего требуется принудительное воздушное остывание со скоростью воздушного потока 3 м/с.

Расчет характеристик охладителей в системах остывания твердотельных реле
Рис. 8. Термические характеристики систем остывания Термическое сопротивление «системы остывания — окружающая среда» (Rthsa) при скорости охлаждающего воздуха Vвоз: 0 м/с — (1); 3 м/с — (2); 6 м/с — (3); 12 м/с — (4). Характеристики Rthsa в скобках указаны для систем остывания Охл. 1.3.

Пример 2.

Провести выбор системы остывания для твердотельного реле типа 5П36.30ТМ1-100-12-Д166, включающего нагрузку переменного тока 70 А по каждой фазе. Наибольшая рабочая температура среды — 60 °С

Последовательность действий.

  1. По графику таблицы 2 определяем рассеиваемую мощность твердотельного реле типа 5П36.30ТМ1-60-8-Д20. Она составляет 250 Вт.
  2. По таблице 1 определяем величину D для данного типа твердотельного реле. Она составляет 0,0763.
  3. По формуле (8), используя данные таблицы 1, определяем величину Rthsa- в этом случае она равна 0,1837. Исходя из приобретенной величины, избираем систему остывания типа Охл. 1.1 с принудительным воздушным остыванием 6 м/с.

Пример 3.

Избрать тип твердотельного реле и систему остывания для работы на 3-фазную активную нагрузку общей мощностью 27 кВт. Нагрузка соединена звездой, напряжение управления — 220 В переменного тока.

Последовательность действий:

  1. Рассчитаем ток, приходящийся на одну фазу: Iф = Р/(3Uф) = 30 000/(3×220) = 41 А.
  2. Для коммутации таковой нагрузки можно применить твердотельное реле типа 5П36.30ТМВ1-100-12-Д166, 5П36.30ТМВ1-100-12-Д20к либо три реле типа 5П19.10ТМВ1-60-12-В6.
  3. По графикам таблицы 2 определяем общую рассеиваемую мощность на твердотельном реле. Она составит 130 Вт, 100 и 159 Вт (53 Вт на фазу) соответственно. Наибольшая температура среды — 60 °С. Проведя расчет нужного термического сопротивления «охлаждающая система — среда», избираем систему остывания типа Охл. 1.1 для твердотельного реле типа 5П36.30ТМВ1-100-12-Д166 с принудительным остыванием 0,3 м/с. Для реле типа 5П36.30ТМВ1-100-12-Д20к — охлаждающая система Охл. 1.1 без принудительного остывания. Для 3-х твердотельных реле типа 5П19.10ТМВ1-60-12-В6 будет нужно охлаждающая система типа Охл. 1.3 с принудительным воздушным остыванием со скоростью воздушного потока 3 м/с.

Советы по применению.

  1. Используйте твердотельные реле в корпусах типа «В» и «Д» только с охлаждающей системой.
  2. Толщина теплопроводящей пасты меж радиатором твердотельного реле и охлаждающей системой должна составлять менее 0,1 мм.
  3. При отсутствии вентилятора систему остывания лучше располагать так, чтоб не препятствовать свободной конвекции нагретого воздуха.
  4. Применяйте только стандартные системоы остывания. Установка твердотельного реле на стены шкафа усугубляет термическое сопротивление реле и может привести к перегреву. 5. Для роста надежности работы снижайте рассеиваемую мощность твердотельного реле, коэффициент нагрузки по току должен быть менее 0,7.