Расчет параметров охладителей ТТР переменного тока

Расчет параметров охладителей ТТР переменного тока

 Твердотельные реле (ТТР) наряду с неоспоримыми достоинствами (высокий рабочий ресурс, малая инерционность, бесшумность и т.д.) обладают одной неприятной особенностью – высокой рассеиваемой мощностью, вызванной относительно высоким падением напряжения на силовых полупроводниковых элементах. Недостаточно эффективный отвод тепла от силовых элементов ТТР может вызвать их перегрев и выход из строя.

Необходимость отвода большой мощность от силовых элементов реле обусловило появление наиболее распространенной на сегодняшний день конструкции корпуса ТТР – планарной. Примеры таких корпусов для одно- и трехфазных ТТР производства ЗАО «Протон-импульс» представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Корпуса ТТР планарной конструкции

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

а)                                                                                                                 б)

Рисунок 2 – Варианты внутреннего устройства ТТР 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 реле и охладителем.

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

где T_j – температура p-n-перехода, °С;

T_a – температура окружающей среды, °С;

P – рассеиваемая на переходе мощность, Вт;

R_thja – тепловое сопротивление переход-окружающая среда, °С/Вт;

R_thjc – тепловое сопротивление переход-корпус, °С/Вт;

R_thcs – тепловое сопротивление корпус-охладитель, °С/Вт;

R_thsa – тепловое сопротивление охладитель-окружающая среда, °С/Вт.

Величина R_thjc определяется конструкцией ТТР, R_thcs зависит от используемого термоинтерфейса между радиатором реле и охладителем (чаще всего теплопроводной пасты), качеством обработки их поверхностей и ,как правило, не превышает 0,1 °С/Вт, R_thsa определяется конструкцией охладителя. Вопросы использования теплопроводящей пасты достаточно подробно рассмотрены в [2].

Температура силового полупроводникового элемента ТТР в любой момент времени не должна превышать  его максимальную допустимую рабочую температуру T_jmax. Величина T_jmax оговаривается в документации на силовой элемент. Расчет температурного режима ТТР сводится, как правило, к определению необходимого теплового сопротивления охладителя при известных величинах T_jmax, R_thjc и R_thcs.

Формула (1) верна для реле на основе одного силового элемента. Для расчета температуры перехода двухэлементного ТТР рассмотрим его теплоэлектрическую модель, представленную на рисунке 3. При теплоэлектрическом моделировании тепловое сопротивление эквивалентно электрическому, напряжение – температуре, мощность – электрическому току.

Рисунок 3 – Теплоэлектрическая модель ТТР с двумя силовыми элементами

P – общая мощность, рассеиваемая на реле

Для данной модели формула (1) будет иметь вид:

.(2)

Формулу (2) очевидно можно обобщить на случай n силовых элементов (n = [количество фаз ТТР] ´ [количество силовых элементов на фазу]):

.(3)

Таким образом, необходимое тепловое сопротивление охладителя, при котором температура силового элемента не превысит T_jmax, определяется неравенством

.(4)

Аналогично может быть определена максимально допустимая рассеиваемая мощность, при использовании охладителя с тепловым сопротивлением R_thjc:

,(5)

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

,(6)

где I_Н – ток нагрузки,

U_П – прямое падение напряжение на силовом элементе, определяемое по ВАХ.

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

,(7)

где j – фаза,

j₀ – угол отсечки (т.е. 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 назрузки.

Вычисление интеграла (7) вручную достаточно трудоемкая задача, поэтому крупные производители ТТР 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 рисунке 4 приведен подобный график для силовых моделей серии IRK.105 [3] фирмы International Rectifier (США).

Рисунок 4 – Графики мощности модулей серии IRK.105

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

На сайте ЗАО «Протон-импульс» (www.proton-impuls.ru) представлена инструкция по расчету параметров охладителей ТТР своего производства. Для расчета используется формула (4), в виде:

, (8)

где величины D и T_jmax  для  всех типов выпускаемых ТТР представлены в таблице 1.

В инструкции также приведены графики, позволяющие определить рассеиваемую ТТР мощность по действующему значению синусоидального тока нагрузки – таблица 2.

Таблица 1 – Параметры D и T_jmax

Таблица 2 – Графики зависимости рассеиваемой на ТТР мощности от действующего значения синусоидального тока нагрузки

1-но фазные	3-х фазные
5П19.10ТМ(А,Б,В)1-10-8(12)-В2, 5П19.10ТС(А,Б,В)1-10-8(12)-В2	5П36.30ТМ(А,Б,В)1-10-8(12)-Д2, 5П36.30ТС(А,Б,В)1-10-8(12)-Д2
5П19.10ТМ(А,Б,В)1-20-8(12)-В4, 5П19.10ТС(А,Б,В)1-20-8(12)-В4	5П36.30ТМ(А,Б,В)1-20-8(12)-Д2, 5П36.30ТС(А,Б,В)1-20-8(12)-Д2
5П19.10ТМ(А,Б,В)1-60-8(12)-В6, 5П19.10ТС(А,Б,В)1-60-8(12)-В6	5П36.30ТМ(А,Б,В)1-40-8(12)-Д134(Д168), 5П36.30ТС(А,Б,В)1-40-8(12)-Д134(Д168)
5П19.10ТМ(А,Б,В)1-60-8(12)-В82(к), 5П19.10ТС(А,Б,В)1-60-8(12)-В82(к)	5П36.30ТМА1-40-8(12)-Д54(к), 5П36.30ТСА1-40-8(12)-Д54(к)
5П19.10ТМ(А,Б,В)1-100-8(12)-В6, 5П19.10ТС(А,Б,В)1-100-8(12)-В6	5П36.30ТМ(А,Б,В)1-100-8(12)-Д20,(Д166), 5П36.30ТС(А,Б,В)1-100-8(12)-Д20,(Д166)
5П19.10ТМ(А,Б,В)1-100-8(12)-В82(к), 5П19.10ТС(А,Б,В)1-100-8(12)-В82(к)	5П36.30ТМ(А,Б,В)1-100-8(12)-Д20(к), 5П36.30ТС(А,Б,В)1-100-8(12)-Д20(к)

На рисунках 5-7 приведены параметры типовых охладителей предназначенных для работы с твердотельными реле. Охладители ОХЛ предназначены для отвода тепла, выделяемого твердотельными реле в корпусах В и Д в окружающую среду.

По рассчитанному  значению величины R_thsa   производится выбор типа охладителя.

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

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

Рисунок 7 Охл 1.3 — для крепления одного прибора в корпусе В

Рисунок 8 – Тепловые параметры охладителей

Тепловое сопротивление охладитель-окружающая среда (R_thsa)

при скорости охлаждающего воздуха V_воз: 0 м/с – (1); 3 м/с – (2); 6 м/с – (3); 12 м/с – (4).

Параметры R_thsa в скобках указаны для охладителя Охл 1.3.

Теплоотводы охладителя 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 охладителей твердотельных реле.

Пример 1.

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

Последовательность действий:

1. По графику  из таблицы 2 определяем рассеиваемую мощность 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  R_thsa., которая в нашем случае будет равна R_thsa=((125-50)/53)-0,3748=1,04;
4. Сопоставляя полученную величину  R_thsa с графиком на рис.8 видим, что для рассеивания тепла выделяющегося в реле при приемлемых тепловых режимах можно применить охладитель типа ОХЛ1.2 или типа ОХЛ1.3, причем для последнего требуется принудительное воздушное охлаждение со скоростью воздушного потока 3м/сек.

Пример 2.

Провести выбор охладителя 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.

Последовательность действий:

1. По графику таблицы 2 определяем рассеиваемую мощность реле типа 5П36.30ТМ1-60-8-Д20, она составляет 250вт.
2. По таблице 1 определяем величину D для данного типа реле, она составляет 0,0763.
3. По формуле (8), используя данные таблицы 1,  определяем величину R_thsa., которая в данном случае равна 0,1837. Исходя из полученной величины выбираем охладитель типа Охл 1.1 с принудительным воздушным охлаждением 6 м/сек.

Пример 3.

Выбрать тип реле и охладитель работающего на 3-х фазную активную нагрузку общей мощностью   27 кВт, нагрузка соединена звездой, напряжение управления 220 В переменного тока. Управляющее напряжение 220 В.

Последовательность действий:

1. Рассчитаем ток приходящийся на одну фазу:  Iф=Р/(3Uф) = 30000/(3×220)»41 А
2. Для коммутации такой нагрузки можно применить реле типа 5П36.30ТМВ1-100-12-Д166,  5П36.30ТМВ1-100-12-Д20к, или три реле типа 5П19.10ТМВ1-60-12-В6.
3. По графикам таблицы 2 определяем общую рассеиваемую мощность на реле. Она составит 130 Вт, 100Вт и  159 Вт (53вт на фазу) соответственно. Максимальная рабочая температура окружающей среды 60°С. Проведя расчет необходимого теплового сопротивления охладитель-среда, выбираем охладитель типа Охл. 1.1 для ТТР типа 5П36.30ТМВ1-100-12-Д166 с принудительным охлаждением 0.3м/сек.  Для реле типа 5П36.30ТМВ1-100-12-Д20к – охладитель Охл. 1.1 без принудительного охлаждения. Для 3-х реле типа 5П19.10ТМВ1-60-12-В6 потребуется охладитель типа Охл1.3 с принудительным воздушным охлаждением со скоростью воздушного потока 3 м/сек.

Рекомендации  по применению:

1. Используйте ТТР в корпусах типа «В» и «Д»  только с охладителями.
2. Толщина теплопроводящей пасты между радиатором реле и охладителем должна составлять не более 0,1 мм.
3. При отсутствии вентилятора охладитель желательно располагаться так, чтобы не препятствовать свободной конвекции нагретого воздуха.
4. Применяйте только стандартные охладители. Установка реле на стенки шкафа ухудшает тепловое сопротивление реле и может привести к перегреву.
5. Для увеличения надежности работы снижайте рассеиваемую мощность реле, коэффициент нагрузки по току должен быть не более 0,7.

Литература:

1. ГОСТ 25529-82 (СТ СЭВ 2768-80) Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.
2. Колпаков А.И. Правда и миф о теплопроводящей пасте // Компоненты и технологии. – 2005. – № 1. – С. 1–4.
3. IRK.105 SERIES ADD-A-pakTM GEN V Power Modules: Datasheet / International Rectifier, 2004. – 8 p.