提高晶閘管結溫的途徑

姚亞玲

（浙江省杭州建德市工業(yè)技術學校 311612）

目前，在我國的電力系統(tǒng)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(jīng)常使用到晶閘管器件。隨著電力設備開發(fā)技術的進一步發(fā)展，現(xiàn)在有關晶閘管技術的研究已經(jīng)成為電力設備研究的重要內(nèi)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(fā)生產(chǎn)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(fā)展，現(xiàn)在功率較大的晶閘管已經(jīng)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(chǎn)生很大的影響，甚至會影響到整個輸電系統(tǒng)的安全。晶閘管由于在較大的電流下工作，因此會散發(fā)出大量的熱能，如果要保證晶閘管能夠長期穩(wěn)定的工作，就需要晶閘管的結溫溫度不能超過規(guī)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(tài)下，晶閘管發(fā)熱的部位主要發(fā)生在其內(nèi)部的PN結處。工作中電路的通態(tài)、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(tài)的損耗又是晶閘管發(fā)熱的最主要原因。這些熱量首先會先傳輸?shù)骄чl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(chǎn)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(chǎn)廠家都會對其阻值進行標識，以便使用者根據(jù)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(chǎn)過程中，散熱器的選擇對晶閘管的結溫溫度會產(chǎn)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(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(tài)下產(chǎn)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(nèi)，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(fā)和安裝，也會與晶閘管不匹配。所以，選擇散熱器時，要根據(jù)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(fā)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(fā)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(chǎn)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(chǎn)生改變，如下圖?；蛘呖梢园焉崞饕砥谜鄯譃閹锥?，增大風阻，使氣流通過時產(chǎn)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(jīng)常出現(xiàn)溫控開關動作的現(xiàn)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(jīng)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(wěn)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(fā)現(xiàn)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(guī)定標準，溫控開關也沒有進行動作。將晶閘管組件拆開后，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)廠家來決定，很難再去改變。因此，開發(fā)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(yōu)質的接觸介質來實現(xiàn)。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(tài)等方面來實現(xiàn)?？傊?，開發(fā)設計人員要根據(jù)晶閘管的實際需求和特征盡可能的選擇更經(jīng)濟、合理的方案來提高晶閘管的結溫溫度。

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