提高晶閘管結溫的途徑

姚亞玲

（浙江省杭州建德市工業技術學校 311612）

目前，在我國的電力系統中，柔性交流輸電設備和高壓直流輸電設備得到了非常廣泛的應用。在這些輸電設備中，會經常使用到晶閘管器件。隨著電力設備開發技術的進一步發展，現在有關晶閘管技術的研究已經成為電力設備研究的重要內容。

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生產出來。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、調壓、開關和各種電子電路中。隨著大功率半導體技術的發展，現在功率較大的晶閘管已經成為高壓輸電電路中重要的電力設備設施，它對電力設備的可靠性會產生很大的影響，甚至會影響到整個輸電系統的安全。晶閘管由于在較大的電流下工作，因此會散發出大量的熱能，如果要保證晶閘管能夠長期穩定的工作，就需要晶閘管的結溫溫度不能超過規定的溫度，以避免溫度過高導致晶閘管性能下降，甚至被燒毀，影響到整個電路的安全。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溫溫度有很大的關系。而晶閘管的結溫溫度又與晶閘管的阻抗有直接關系，因此，降低晶閘管的阻抗，提高晶閘管結溫溫度，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

在正常工作狀態下，晶閘管發熱的部位主要發生在其內部的PN結處。工作中電路的通態、開關、正反向轉換等，都會造成電能損耗，使晶閘管溫度升高。其中通態的損耗又是晶閘管發熱的最主要原因。這些熱量首先會先傳輸到晶閘管的管殼處，再傳導給散熱器，然后再通過散熱器將熱量擴散到空氣中，起到散熱降溫的作用。因此，要想提高晶閘管的結溫溫度，需要設法降低以上三個方面的阻值。

首先要降低PN結處至晶閘管管殼的阻值。這部分阻值被稱為結殼阻值，它與晶閘管的生產工藝有密切的關系，它是晶閘管中最主要的技術指標之一。一般，生產廠家都會對其阻值進行標識，以便使用者根據需要進行選擇。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，它是一個可以調整控制的阻值。可以通過提高連接介質的導熱率，增大接觸面積等來調整。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。在晶閘管生產過程中，散熱器的選擇對晶閘管的結溫溫度會產生重要的影響，當晶閘管被封裝后，要想提高晶閘管結溫溫度，就只能通過調整散熱器熱阻，如增加散熱器的尺寸和冷卻速度等來調整。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晶溫度。

2 提高壓接技術來減小接觸熱阻

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，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。但當壓接力大到一定程度時，接觸熱阻的阻值就不再減少反而增加。通過材料力學理論分析：材料在受到外力時，會發生彈性變形，此時變形量與外力大小成正比。當外力大小超過材料承受的臨界值時，材料就會產生塑性變形。這時，材料失去彈力。因此，當晶閘管壓合力過大時，晶閘管很容易被損壞。所以，要設定固定的壓力值，使阻值盡可能低，以提高晶閘管的結晶溫度。另外，晶閘管與散熱器之間的空隙需要填充介質，如下圖。不同的介質之間接觸熱阻相差很大，不同的介質加注方法也會對阻值產生影響。因此，一定要選擇合適的介質和加注方法。如圖1；

圖1

3 改善風冷結構，降低散熱器熱阻

3.1 合理選擇散熱器

晶閘管在工作狀態下產生的熱量，主要是通過管殼與散熱器接觸后傳導到散熱器，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，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和安裝，也會與晶閘管不匹配。所以，選擇散熱器時，要根據晶閘管的要求、特征來考慮選擇匹配的散熱器。

3.2 增壓風壓和風速，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熱量、降低溫度。因此，風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。開發人員在設計時，需要考慮散熱器的風速應達到一定的速度。另外，還要考慮風壓產生的影響。如果風速過低，風壓不夠，冷卻風就無法吹到散熱器的接觸面上，就達不到散熱降溫的效果。因此，可以在進風口散熱器與風道間加裝擋流板，增加風速和風壓，使風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 合理設計風道，增大傳熱效率

圖2

相關理論認為，氣體在以湍流形式從散熱器表面流過時，會比層流形式傳遞熱量要高許多。因此，可以通過調整部分風的風向來使進入散熱器縫隙的氣體形成湍流，增大傳熱效率。比如，可以在進氣處設置激流板或激流絲，使部分風的流向產生改變，如下圖。或者可以把散熱器翼片用窄槽分為幾段，增大風阻，使氣流通過時產生湍流，提高散熱效果。如圖2

4 應用舉例

4.1 實例1

某電廠機組功率柜在運行時，經常出現溫控開關動作的現象。些時，晶閘管的溫度達到70度，迫使功率柜只能限電運行。經過分析，其主要原因是散熱器風機的壓力過小，該風機散熱器翼片處的風壓經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。它的風道設計的也不合理，空氣沒有產生湍流，熱交換效率比較低。因此，對其進行了技術改造。首先，把風機加大功率，換成四百帕壓力的風機。第二，更改了風道，將風道設計為喇叭狀，在風道口處加裝擋流板，使進入的空氣產生湍流，增加熱交換效率。技術改造完成后，對其效果進行了評估，測試結果表明，功率柜投入運行后，晶閘管溫度最高只達到51度，非常穩定。

4.2 實例2

在另一電廠中，功率柜在進行大電流失驗時，發現晶閘管溫度升高較高，最高達到一百度左右。而散熱器溫度卻比較正常，沒有超過規定標準，溫控開關也沒有進行動作。將晶閘管組件拆開后，發現由于壓接時受力不均勻，使導熱介質只涂裝了接觸表面的三分之二。重新壓接后，測量晶閘管結溫溫度，趨于正常。

5 結論

綜上所述，要提高大功率晶閘管的結溫溫度，一定要在降低晶閘管的結殼阻值、接觸熱阻和散熱器熱阻等三個方面入手。在這三個熱阻中，由于結殼阻值是由生產廠家來決定，很難再去改變。因此，開發設計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質的接觸介質來實現。降低散熱器熱阻可以從增大散熱面積，提高風速風壓，改變風流狀態等方面來實現。總之，開發設計人員要根據晶閘管的實際需求和特征盡可能的選擇更經濟、合理的方案來提高晶閘管的結溫溫度。

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