Jak vybrat správnou velikost chladiče pro vysokovýkonové polovodičové relé (SSR), aby nedošlo k tepelnému poškození

Úvod: Proč je teplo nepřítelem polovodičových relé

Vysokovýkonová polovodičová relé (SSR) jsou v průmyslové automatizaci široce upřednostňována pro řízení vysokoproudých topných členů, motorů a průmyslových osvětlovacích zátěží. Protože SSR neobsahují žádné pohyblivé mechanické kontakty, nejsou vystavena mechanickému opotřebení. Jejich závislost na polovodičových výkonových součástkách (např. tyristorech, triacích nebo MOSFETech) však přináší významné fyzikální omezení: vnitřní tvorbu tepla.

Během provozu dochází na polovodičovém přechodu pevného stavu (SSR) k malému vnitřnímu dopřednému úbytku napětí (obvykle 1,0 až 1,6 V). Tento úbytek napětí násobený zatěžovacím proudem procházejícím zařízením vyvolává teplo. Například SSR přepínající zátěž 40 A může uvnitř svého pouzdra vyvinout 40 až 60 W tepla. Bez vhodného chladiče, který by toto teplo odváděl, se teplota vnitřního polovodičového přechodu rychle překročí její maximální povolenou hodnotu (obvykle 125 °C). To vede k okamžitému tepelnému řetězovému jevu, čímž se SSR trvale poškodí ve stavu zkratu. Pro inženýry a výrobce řídicích panelů v B2B segmentu je výběr správné velikosti chladiče rozhodující pro zajištění dlouhé životnosti a bezpečnosti systému. Tento návod vás krok za krokem provede tepelným výpočtem.

Fyzika tepelného odporu v sestavách pevného stavu (SSR)

Chcete-li vybrat správný chladicí těleso, je nutné pochopit pojem tepelný odpor, který je označován symbolem Rth a měřen ve stupních Celsia na watt (°C/W). Tepelný odpor představuje odpor látky nebo sestavy vůči průtoku tepla. Nižší hodnota Rth znamená, že teplo může procházet snadněji, což má za následek lepší chlazení.
V sestavě pevného stavu relé (SSR) a chladicího tělesa musí teplo projít třemi hlavními bariérami tepelného odporu, než se rozptýlí do okolního prostředí:

1. Tepelný odpor mezi přechodem a pouzdrem (Rth-jc): Jedná se o odpor mezi vnitřním polovodičovým čipem a kovovou zadní deskou SSR. Tato hodnota je stanovena během výroby a uvedena v technické dokumentaci SSR. U vysokovýkonových SSR značky DAQCN je tato hodnota udržována mimořádně nízká díky použití měděných základních desek s vysokou tepelnou vodivostí.

2. Tepelný odpor mezi pouzdrem a chladicím tělesem (Rth-cs): Toto je odpor mezi kovovou zadní deskou pevného stavového relé (SSR) a montážní plochou chladicího tělesa. Vzduch je špatným tepelným vodičem, takže i mikroskopické vzduchové mezery mezi těmito dvěma povrchy mohou bránit přenosu tepla. Aby byl tento odpor minimalizován, je nutné nanést tenkou vrstvu vysoce kvalitní tepelné pasty nebo použít tepelnou podložku.

3. Tepelný odpor mezi chladicím tělesem a okolním prostředím (Rth-sa): Toto je odpor samotného chladicího tělesa vůči okolnímu vzduchu. Tato hodnota je ta, kterou musíme vypočítat a vybrat při výběru chladicího tělesa.
Podrobný návod na výpočet tepelného odporu chladicího tělesa
Chcete-li určit maximální přípustný tepelný odpor vašeho chladicího tělesa (Rth-sa), použijte následující inženýrský vzorec:
Rth-sa = ((Tj - Ta) / Pd) - Rth-jc - Rth-cs
Nyní si rozebereme každou proměnnou tohoto vzorce a vysvětlíme, jak získat její hodnotu:

Krok 1: Určete maximální teplotu přechodu polovodičového prvku (Tj)
Zatímco většina výkonových polovodičů je dimenzována pro maximální teplotu přechodu (Tj) 125 °C, provoz zařízení na jeho absolutním limitu zkracuje jeho životnost. Pro bezpečnost a dlouhodobou spolehlivost inženýři obvykle používají bezpečnostní snižovací faktor, který omezuje maximální provozní teplotu přechodu (Tj) na 95 nebo 100 °C.

Krok 2: Určení maximální teploty okolí (Ta)
Jedná se o nejvyšší teplotu uvnitř elektrické řídicí skříně, ve které bude pevný relé (SSR) namontováno. Všimněte si, že teplota uvnitř průmyslového rozvaděče je často výrazně vyšší než teplota okolí na výrobní hale. Pokud je rozvaděč nevětraný nebo umístěn v blízkosti jiných tepelně zatěžujících zařízení, předpokládejte konzervativní hodnotu Ta v rozmezí 40 až 50 °C.

Krok 3: Výpočet ztrátového výkonu (Pd)
Ztráta výkonu je celkové množství tepelného výkonu generovaného pevným stavovým relé (SSR), měřené ve wattech. Spolehlivé inženýrské pravidlo pro běžná střídavá SSR je, že generují přibližně 1,2 W tepla na každý ampér zatěžovacího proudu.
Pd = Zatěžovací proud (I) × 1,2
Pro zátěž 40 A:
Pd = 40 × 1,2 = 48 W tepla.

Krok 4: Získání konstant z technické dokumentace (Rth-jc a Rth-cs)

• Rth-jc: Viz technická dokumentace produktu DAQCN. U typického průmyslového SSR s proudem 40 A činí obvykle přibližně 0,3 °C/W.
  
• Rth-cs: Pokud je aplikována vysoce kvalitní tepelní pastička správným způsobem, je tepelný odpor mezi pouzdrem a chladičem extrémně nízký, obvykle přibližně 0,1 °C/W.
  

Krok 5: Provedení výpočtu
Pomocí příkladu se zátěží 40 A s bezpečnostně sníženou teplotou uzlu Tj 95 °C a okolní teplotou v uzavřeném prostředí 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
Aby byla teplota přechodu pevného stavu (SSR) udržena pod 95 °C, je třeba vybrat chladící těleso s tepelným odporem rovným nebo nižším než 0,64 °C/W. Chladící těleso s tepelným odporem 0,5 °C/W nebo 0,6 °C/W by bylo pro tuto aplikaci vynikající a bezpečnou volbou.
Praktické faktory, které je třeba zohlednit při výběru chladících těles
I když matematické vzorce poskytují přesný výchozí základ, několik reálných faktorů může ovlivnit výkon chladícího tělesa a mělo by být zohledněno během návrhového procesu:

• Proudění vzduchu a nucená konvekce: Hodnocení tepelného odporu chladiče se obvykle uvádí pro přirozenou konvekci (klidný vzduch). Zavedení ventilátoru chladič dovnitř pouzdra výrazně zlepšuje odvod tepla, čímž se efektivní tepelný odpor chladiče sníží až o 50 procent. Pokud je prostor omezený, je často preferován menší chladič s ventilátorem pro nucené chlazení před masivním pasivním chladičem.
  
• Montážní orientace: Chladiče spoléhají na přirozené konvekční proudy k tomu, aby teplý vzduch stoupal směrem vzhůru. Pro dosažení maximální účinnosti je třeba chladič vždy montovat svisle, aby chladicí lamely byly orientovány svisle. Horizontální montáž může snížit účinnost chladiče o 20 až 30 procent.
  
• Větrání pouzdra: Chladič nemůže ochladit SSR, pokud je horký vzduch uvězněn uvnitř uzavřeného pouzdra. Ujistěte se, že řídicí skříň disponuje dostatečnými mřížkami, větracími otvory nebo aktivními výfukovými ventilátory, aby docházelo k výměně teplého vnitřního vzduchu za chladnější vnější vzduch.
  
• Nákup předmontovaných jednotek: Aby bylo eliminováno riziko návrhu a snížen čas montáže na výrobní lince, B2B velkoobchodníci a výrobci panelů často nakupují kombinace SSR a chladicích těles, které jsou výrobcem předem otestovány a vyhodnoceny jako jedna jednotka.
  

Proč je DAQCN vaším důvěryhodným partnerem pro řešení tepelného managementu

DAQCN vyrábí komplexní řadu vysokovýkonových polovodičových relé (SSR) a odpovídajících hliníkových chladicích těles navržených pro provoz v náročných průmyslových prostředích. Naše řešení tepelného managementu nabízejí:

• Chladicí tělesa z extrudovaného hliníku vysoké čistoty s optimalizovanou plochou žebrování pro maximální přenos tepla.
  
• Předem aplikované tepelně vodivé podložky s vysokou vodivostí na našich sestavách SSR, což eliminuje nepořádek a nekonzistenci ruční aplikace tepelné pasty.
  
• Úplně charakterizovaná tepelná data ke všem produktům, což umožňuje inženýrům provádět přesné výpočty bez odhadů.
  Ať už zakupujete jednotlivé komponenty nebo integrované moduly SSR s chladičem, DAQCN zajišťuje, že vaše průmyslové systémy pro vytápění a řízení motoru zůstávají chladné, účinné a spolehlivé.
  

Závěr: Ochrana vašich průmyslových investic

Termické poškození je hlavní příčinou poškození SSR, avšak je zcela předcházitelné. Přesným výpočtem požadovaného tepelného odporu chladiče, použitím vysoce kvalitních tepelně vodivých mezilehlých materiálů a zajištěním správného proudění vzduchu mohou inženýři B2B zaručit dlouhodobou spolehlivost svých systémů. Spolupráce se specializovaným dodavatelem, jako je DAQCN, poskytuje přístup k vysokovýkonným komponentům a technické odbornosti potřebné k úplnému odstranění termických poruch.