Как да изберете правилния размер на топлоотвод за високомощни твърдотелни релета (SSR), за да предотвратите термичен отказ

Встъпление: Защо топлината е враг на твърдотелните релета

Твърдотелните релета (SSR) с висока мощност се използват широко в промишлената автоматизация за управление на нагревателни елементи с висок ток, двигатели и промишлени осветителни натоварвания. Тъй като SSR нямат подвижни механични контакти, те са свободни от механичен износ. Въпреки това зависимостта им от полупроводникови силови устройства (като тиристори, триаци или MOSFET-и) внася основно физическо ограничение: вътрешно генериране на топлина.

По време на работа върху полупроводниковия възел на твърдотелното реле (SSR) възниква малко вътрешно напрежение в напредваща посока (обикновено от 1,0 до 1,6 волта). Това падане на напрежението, умножено по товарния ток, протичащ през устройството, води до образуване на топлина. Например SSR, комутиращо товар от 40 ампера, може да генерира 40–60 вата топлина вътре в корпуса си. Без подходящ радиатор за разсейване на тази топлинна енергия вътрешната температура на полупроводниковия възел бързо ще надвиши максималния си лимит (обикновено 125 °C). Това води до незабавен термичен пробой и SSR-ът се поврежда необратимо в състояние на късо съединение. За инженерите и изготвителите на контролни панели в B2B сектора изборът на правилния размер на радиатора е от решаващо значение за осигуряване на дълговечността и безопасността на системата. В това ръководство се извършва поетапно обяснение на процеса за термични изчисления.

Физиката на термичното съпротивление в съединенията на твърдотелни релета

За да изберем подходящия топлоотвод, трябва да разберем концепцията за термично съпротивление, което се обозначава със символа Rth и се измерва в градуса Целзий на ват (°C/W). Термичното съпротивление е съпротивлението, оказвано от дадено вещество или сборка на преноса на топлина. По-ниската стойност на Rth означава, че топлината може да се предава по-лесно, което води до по-ефективно охлаждане.
В съединение от твърдотелен релей (SSR) и топлоотвод топлината трябва да премине през три основни бариера на термично съпротивление, преди да се разсее в заобикалящия въздух:

1. Термично съпротивление между прехода и корпуса (Rth-jc): Това е съпротивлението между вътрешния полупроводников чип и металната задна плоча на SSR. Тази стойност се определя по време на производството и е посочена в техническия паспорт на SSR. За високомощните SSR модели на DAQCN тази стойност се поддържа изключително ниска чрез използване на медни основни плочи с висока топлопроводимост.

2. Топлинно съпротивление между корпуса и топлоотвода (Rth-cs): Това е съпротивлението между металния заден капак на SSR и монтажната повърхност на топлоотвода. Въздухът е лош топлинен проводник, затова дори микроскопичните въздушни промеждутъци между двете повърхности могат да затруднят топлинния пренос. За намаляване на това съпротивление е необходимо да се нанесе тънък слой висококачествена топлинна паста или да се използва топлинна подложка.

3. Топлинно съпротивление между топлоотвода и околната среда (Rth-sa): Това е съпротивлението на самия топлоотвод спрямо заобикалящия въздух. Това е стойността, която трябва да изчислим и изберем при избора на топлоотвод.
Поетапно ръководство за изчисляване на топлинното съпротивление на топлоотвода
За определяне на максимално допустимото топлинно съпротивление на вашия топлоотвод (Rth-sa) използвайте следната инженерна формула:
Rth-sa = ((Tj - Ta) / Pd) - Rth-jc - Rth-cs
Нека разгледаме по-подробно всяка променлива в тази формула и обясним как се определя нейната стойност:

Стъпка 1: Определете максималната температура на прехода на полупроводника (Tj)
Докато повечето силови полупроводници са класифицирани за максимална температура на прехода (Tj) от 125 градуса по Целзий, експлоатацията на устройството при абсолютния му лимит намалява неговия срок на служба. За безопасност и дългосрочна надеждност инженерите обикновено прилагат коефициент за безопасност (derating), като ограничават максималната работна температура на прехода (Tj) до 95 или 100 градуса по Целзий.

Стъпка 2: Определяне на максималната температура на околната среда (Ta)
Това е най-високата температура в електрическата контролна кутия, където ще бъде монтиран твърдотелният превключвател (SSR). Имайте предвид, че температурата в промишлен панел често е значително по-висока от температурата на околната среда в производствената зала. Ако панелът не е вентилиран или е разположен наблизо до друго оборудване, което генерира топлина, приемете консервативна стойност за Ta от 40 до 50 градуса по Целзий.

Стъпка 3: Изчисляване на мощността, която се разсейва (Pd)
Дисипацията на мощността е общото количество топлинна мощност, генерирана от SSR, измерено във ватове. Надежден инженерен ориентировъчен принцип за стандартните AC SSR е, че те генерират приблизително 1,2 вата топлина за всеки ампер товарен ток.
Pd = Товарен ток (I) × 1,2
За товар от 40 ампера:
Pd = 40 × 1,2 = 48 вата топлина.

Стъпка 4: Получаване на константите от техническата документация (Rth-jc и Rth-cs)

• Rth-jc: Вижте техническата документация на продукта DAQCN. За типичен промишлен SSR с номинален ток 40 А тази стойност обикновено е около 0,3 °C/W.
  
• Rth-cs: Ако висококачествената термопаста е правилно нанесена, термичното съпротивление между корпуса и радиатора е изключително малко — типично около 0,1 °C/W.
  

Стъпка 5: Изпълнение на изчислението
Използвайки нашия пример с товар от 40 ампера, при безопасно намалена температура на възела Tj = 95 °C и температура на околната среда в корпуса Ta = 45 °C:
Tj = 95 °C
Ta = 45 °C
Pd = 48 W
Rth-jc = 0,3 °C/W
Rth-cs = 0,1 °C/W
Rth-sa = ((95 - 45) / 48) - 0,3 - 0,1
Rth-sa = (50 / 48) - 0,4
Rth-sa = 1,04 - 0,4 = 0,64 °C/W
За да се поддържа температурата на прехода на SSR под 95 °C, трябва да се избере радиатор с термично съпротивление, равно или по-ниско от 0,64 °C/W. Радиатор с номинално термично съпротивление 0,5 °C/W или 0,6 °C/W би бил отличен и безопасен избор за това приложение.
Практични фактори, които трябва да се имат предвид при избора на радиатори
Макар математическите формули да осигуряват прецизен базов модел, няколко реални фактора могат да повлияят върху ефективността на радиатора и трябва да се вземат предвид по време на процеса на проектиране:

• Въздушно течение и принудена конвекция: Класификацията на топлинното съпротивление на радиатора обикновено се посочва за естествена конвекция (неподвижен въздух). Въвеждането на фен за охлаждане вътре в корпуса значително подобрява отвеждането на топлина, намалявайки ефективното топлинно съпротивление на радиатора до 50 процента. Ако пространството е ограничено, често се предпочита по-малък радиатор с вентилатор за принудено въздушно охлаждане пред голям пасивен радиатор.
  
• Ориентация при монтиране: Радиаторите разчитат на естествени конвекционни течения, за да извеждат топлия въздух нагоре. За максимална ефективност радиаторът винаги трябва да се монтира вертикално, така че охладителните ребра да са разположени вертикално. Хоризонталното монтиране може да намали ефективността на радиатора с 20 до 30 процента.
  
• Вентилация на корпуса: Радиаторът не може да охлажда твърдотелен релей (SSR), ако горещият въздух е затворен в герметичен корпус. Уверете се, че управлението на шкафа има достатъчно решетки, вентилационни процепи или активни изтеглящи вентилатори, за да се осъществи размяна на топлия вътрешен въздух с по-хладкия външен въздух.
  
• Закупуване на предварително сглобени единици: За елиминиране на риска от проектиране и намаляване на времето за сглобяване на производствената площадка, B2B търговците на едро и изпълнителите на панели често закупуват комбинации от SSR и топлоотводи, които са предварително тествани и класифицирани като една цялостна единица от производителя.
  

Защо DAQCN е ваш надежден партньор за решения в областта на термичното управление

DAQCN произвежда комплексна линейка високомощни твърдотелни релета (SSR) и съответстващи алуминиеви топлоотводи, проектирани за работа в изискващи промишлени среди. Нашият асортимент от решения за термично управление включва:

• Топлоотводи от екструдиран алуминий с висока чистота и оптимизирани повърхности на ребрата за максимален топлинен пренос.
  
• Предварително нанесени термоподложки с висока топлопроводност върху нашите SSR-сглобки, което елиминира мръсотията и непоследователността при ръчното нанасяне на термопаста.
  
• Пълни термични характеристики за всички продукти, което позволява на инженерите да извършват точни изчисления без предположения.
  Независимо дали избирате отделни компоненти или интегрирани модули за SSR-радиатори, DAQCN гарантира, че вашите промишлени системи за отопление и управление на двигатели остават студени, ефективни и надеждни.
  

Заключение: Защита на вашата промишлена инвестиция

Топлинната неизправност е основната причина за повреждане на SSR, но тя напълно може да се предотврати. Чрез точен изчисляване на необходимото термично съпротивление на радиатора, използване на висококачествени термични интерфейсни материали и осигуряване на правилна циркулация на въздуха инженерите B2B могат да гарантират дългосрочната надеждност на своите системи. Сътрудничеството със специализиран доставчик като DAQCN осигурява достъп до високопроизводителни компоненти и технически експертиза, необходими за напълно елиминиране на топлинните неизправности.