提高晶閘管輸出能力的新方法

佟林暉，王福海

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

1 引言

可控整流裝置的單橋輸出能力往往決定了整套裝置的設(shè)計水平和運行可靠性，這一點在廠房布置和維護尤其重要。

現(xiàn)在國內(nèi)使用的晶閘管管芯為75 mm的比較多，100 mm的管芯在一些場合也開始應用。在使用同等質(zhì)量晶閘管的條件下，決定其輸出能力的關(guān)鍵就是如何把管芯的熱量散出去。

水冷方式散熱是冷卻效果最好的，但由于安裝和使用不太方便-增加了一套水系統(tǒng)，使得它的應用受到限制，只在很少的地方使用。

自然冷卻方式的可靠性最高，維護量小，冷卻效果不好，要達到大功率輸出只能增加整流柜數(shù)量，不但提高了直接成本，間接成本也加大-增加廠房空間造成基建成本升高。

強迫風冷的方式冷卻效果也比較好，使用又比較方便，也就承攬目前應用最廣泛的一種冷卻方式。我們要研究的就是這種冷卻方式。

通常風冷型材散熱器(鋁型材)的出力狀況并不是很理想，在接觸并應用了一種新型散熱器-熱管散熱器后，對它的原理和使用效果進行了試驗，再對比型材散熱器來確認其優(yōu)劣。

這種散熱器技術(shù)是由前蘇聯(lián)引進到我國的，20世紀90年代后期在一些電廠進行了少量的試用-主要是自然冷卻型式的。其實強迫風冷型才是它的優(yōu)勢所在，通過我們的下面研究發(fā)現(xiàn)它的很多好處。

2 使用原理

首先在理論上討論熱管散熱器是否具有優(yōu)勢。實體型材散熱器是靠自身材質(zhì)的良好導熱性，將熱量從熱端傳導到冷端，再靠冷端與空氣的接觸面散發(fā)到空氣中。也就是說，它利用的是熱傳導的方法，散熱效率取決于其材質(zhì)的導熱性。

熱管散熱器的一端是與硅元件接觸的導體，在導體中插入密封的銅管，銅管上穿散熱片，銅管內(nèi)注入少量液體(一般是純水)，將管內(nèi)空氣抽成接近于真空狀態(tài)。當硅元件流過電流發(fā)熱后，熱量通過導體將熱管內(nèi)的液體加熱，由于管內(nèi)的氣壓非常底(接近于真空)，所以液體的沸點很低，液體幾乎很快蒸發(fā)成氣態(tài)，來到管的冷端。在冷端冷空氣的作用下，又變?yōu)橐簯B(tài)，通過管壁的毛吸結(jié)構(gòu)迅速流回到熱端，如此往復，將熱量帶走。

上述分析可以看到，熱管散熱器是利用液體的汽化熱將元件的熱量帶走。汽化熱帶走的熱量要遠多于熱傳導，這就是熱管散熱器散熱效果好的根本原因。

針對75 mm管芯的硅元件設(shè)計的風冷型熱管散熱器熱阻，在6 m/s風速時，其設(shè)計值是0.018℃/W，比型材散熱器的熱阻小接近一半，已接近水冷方式的冷卻效果。

通過下面定量的分析、計算來確認這種散熱器的單橋最大出力是多少(配管芯的晶閘管)。

3 理論計算

選擇常用的2300A/2400V元件，由西安整所生產(chǎn)的晶閘管作為樣板。

一個整流組件在通過電流時的PN結(jié)溫升ΔTj-a:

式中:P為管芯消耗的熱功率;Rj-c為PN結(jié)與管殼之間的熱阻;Rcs為管殼與散熱器之間的熱阻;Rsa為散熱器對空氣的熱阻

晶閘管的結(jié)溫升不允許超過125℃，設(shè)備允許運行的環(huán)境溫度為≤40℃，即:ΔTj-a≤125-40=85℃。

Rj-c:0.0115℃/W;Rcs:0.005℃/W;

RsaSRH11風冷型熱管散熱器在4 m/s風速下的熱阻值為0.018℃/W，這樣只需算出管芯消耗的熱功率P，即可求出ΔTj-a，看其是否滿足設(shè)計要求。

式中:VT0為門檻電壓，rT為斜率電阻，由西安電力電子研究所的樣本查出VT0為1.05V，rT為0.15mΩ;IF為流過元件的電流，三相全控橋的輸出電流為3IF;f為波形因子，對于三相全控橋為1.732。

將上述數(shù)據(jù)帶入公式中:

2463=1.05 ×IF+(1.732IF)2×0.15×10-3;

則:IF=1328.6 A，取整1328 A;3IF=3 984 A

3984 A就是風冷型熱管散熱器配Φ 77 mm管芯晶閘管(2300A/2400V)時，單個整流橋能夠輸出的極限值。

在實際試驗驗證時，由于試驗設(shè)備達不到這樣的能力，我們只能驗證單橋輸出1 800A和2 000A。如果實際測量的溫度與計算值相符就可以認為該散熱器具有這樣的能力。

單橋輸出1 800A時的IF為600 A，代入公式(2)，則:P=792W。將 P、Rjc、Rcs、Rsa代入公式(1):

ΔTj-a=792×(0.0115+0.005+0.018)=27.324℃

單橋輸出2 000 A時的IF為667A，代入公式(2)，則:P=900.6W

將 P、Rjc、Rcs、Rsa 代入公式(1):

由于熱管散熱器的體積大，而且風的流向要求水平方向，所以我使用水平并聯(lián)式風道來設(shè)計裝置，并根據(jù)風道的形式，使用軸流式風機。裝置制成后，在試驗站做了大電流試驗。

4 數(shù)據(jù)比較分析

試驗中，用熱電偶測量晶閘管實際溫度。環(huán)境溫度為20℃，風機出口風速為3.1 m/s，當整流橋通過的電流為18 00 A時，6只晶閘管中溫升最高的一只為25.2℃，溫升最低的1只為12.8℃，這是由于流過每只元件的風量不同造成的，但既使溫升最高的元件也沒有超過設(shè)計值27.324℃。初步證明了計算方法是可靠的，而且還有一定的余量。

接下來，將電流升高到2 000 A，經(jīng)90 min的熱穩(wěn)定之后，測得6只晶閘管中溫升最高的1只為27.6℃，溫升最低的1只為14.0℃，均低于理論計算的數(shù)據(jù)31.07℃。

造成數(shù)據(jù)誤差的主要原因應該是由于流過每個元件的風量差值較大，若想精確測量可在風道內(nèi)，每個元件裝設(shè)風速儀即可得到更接近真實值的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

由試驗得出的結(jié)論證實了利用熱管散熱器可以制造大功率的整流裝置，而且在前面的分析中所使用的公式也是可靠的。對于我們勵磁系統(tǒng)設(shè)計人員來說，以后在勵磁裝置的整流部分可以完全實現(xiàn)國產(chǎn)化。

該技術(shù)用于軋鋼和傳動領(lǐng)域也可以減少整流柜數(shù)量，達到降低成本的目的。

[1] 戴薇，鄧雪庫，劉懷軒.大功率晶閘管變流裝置的設(shè)計方法[J].電氣傳動，2008，38(5):25-27.