Расчет параметров охладителей в системах охлаждения твердотельных реле

Необходимость отвода большой мощности от силовых элементов твердотельного реле обусловило появление наиболее распространенной на сегодняшний день конструкции корпуса твердотельных реле — планарной. Примеры таких корпусов для одно- и трехфазных твердотельных реле производства ЗАО «Протон-импульс» представлены на рис. 1.

Рис. 1. Корпуса твердотельных реле планарной конструкции

Радиатор (называемый также базовой платой) представляет собой металлическую пластину, как правило, медную или латунную, и служит для установки твердотельных реле на систему охлаждения. На рис. 2 показаны два наиболее распространенных варианта внутреннего устройства твердотельных реле планарной конструкции.

Рис. 2. Варианты внутреннего устройства твердотельных реле планарной конструкции: а — с пайкой силовых элементов на металлизацию керамики; б — с пайкой силовых элементов на медную шину

Такая конструкция позволяет минимизировать тепловое сопротивление между силовыми элементами твердотельного реле и системой охлаждения.

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

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

Величина Rthjc определяется конструкцией твердотельных реле, Rthcs зависит от используемого термоинтерфейса между радиатором твердотельного реле и охладителем (чаще всего теплопроводной пасты), качеством обработки их поверхностей и, как правило, не превышает 0,1 °С/Вт, Rthsa определяется конструкцией системы охлаждения. Вопросы использования теплопроводящей пасты достаточно подробно рассмотрены в статье [2].

Температура силового полупроводникового элемента твердотельных реле в любой момент времени не должна превышать его максимальную допустимую рабочую температуру Tj max. Величина Tj max оговаривается в документации на силовой элемент. Расчет температурного режима твердотельных реле сводится, как правило, к определению необходимого теплового сопротивления системы охлаждения при известных величинах Tj max, Rthjcи Rthcs.

Формула (1) верна для твердотельного реле на основе одного силового элемента. Для расчета температуры перехода двухэлементного твердотельного реле рассмотрим его теплоэлек-трическую модель, представленную на рис. 3. При теплоэлектрическом моделировании тепловое сопротивление эквивалентно электрическому, напряжение — температуре, мощность — электрическому току.

Рис. 3. Теплоэлектрическая модель твердотельного реле с двумя силовыми элементами, P — общая мощность, рассеиваемая на реле

Для данной модели формула (1) будет иметь вид:

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

Таким образом, необходимое тепловое сопротивление системы охлаждения, при котором температура силового элемента не превысит Tj max, определяется неравенством:

Аналогично может быть определена максимально допустимая рассеиваемая мощность при использовании системы охлаждения с тепловым сопротивлением Rthjc:

Чтобы воспользоваться формулами (4) и (5), необходимо знать рассеиваемую на твердотельном реле мощность P. В случае реле постоянного тока величина P определяется достаточно просто:

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

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

где φ — фаза, φ0 — угол отсечки (то есть момент фазы, в котором открываются силовые элементы).

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

Вычисление интеграла (7) вручную достаточно трудоемкая задача, поэтому крупные производители твердотельных реле и силовых модулей сопровождают свою продукцию графиками зависимости рассеиваемой мощности от действующего или среднего (при однополупериодном выпрямлении) значения синусоидального тока нагрузки (часто при различных углах отсечки). Например, на рис. 4 приведен подобный график для силовых моделей серии IRK.105 [3] фирмы International Rectifier (США).

Рис. 4. Графики мощности модулей серии IRK.105

Справа от графиков мощности представлена серия кривых, облегчающих определение необходимого теплового сопротивления системы охлаждения при известной мощности и температуре окружающей среды. Данные кривые строятся в соответствии с выражением (4).

На сайте компании «Протон-импульс» (www.proton-impuls.ru) представлена инструкция по расчету параметров системы охлаждения для производимых этой компанией твердотельных реле.:

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

В инструкции также приведены графики, позволяющие определить рассеиваемую твердотельным реле мощность по действующему значению синусоидального тока нагрузки (табл. 2).

На рис. 5-7 приведены параметры типовых систем охлаждения, предназначенных для работы с твердотельными реле. Системы охлаждения ОХЛ предназначены для отвода тепла, выделяемого твердотельными реле в корпусах «В» и «Д» в окружающую среду.

Рис. 5. Охл. 1.1 — для крепления одного прибора в корпусе Д

Рис. 6. Охл. 1.2 — для крепления от одного до трех приборов в корпусе В

Рис. 7. Охл 1.3 — для крепления одного прибора в корпусе В

По рассчитанному значению величины Rthsa производится выбор типа системы охлаждения.

Теплоотводы системы охлаждения изготавливаются из алюминиевых прессованных профилей сплава АД31 ГОСТ 4784-74. Теплоотводы не требуют дополнительного защитного покрытия при эксплуатации в различных климатических зонах.

Далее приводятся примеры расчета систем охлаждения твердотельных реле.

Пример 1.

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

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, видим, что для рассеивания тепла, выделяющегося в твердотельном реле при приемлемых тепловых режимах, можно применить систему охлаждения типа Охл. 1.2 или Охл. 1.3, причем для последнего требуется принудительное воздушное охлаждение со скоростью воздушного потока 3 м/с.

Рис. 8. Тепловые параметры систем охлаждения Тепловое сопротивление «системы охлаждения — окружающая среда» (Rthsa) при скорости охлаждающего воздуха Vвоз: 0 м/с — (1); 3 м/с — (2); 6 м/с — (3); 12 м/с — (4). Параметры Rthsa в скобках указаны для систем охлаждения Охл. 1.3.

Пример 2.

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

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 данном случае она равна 0,1837. Исходя из полученной величины, выбираем систему охлаждения типа Охл. 1.1 с принудительным воздушным охлаждением 6 м/с.

Пример 3.

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