איך לבחור את גודל המפזר החום הנכון עבור SSRים בעלי הספק גבוה כדי למנוע כישלון תרמי

מבוא: למה חום הוא האויב של רליזים ממצב מוצק

רליזים ממצב מוצק (SSR) בעלי הספק גבוה נמצאים בשימוש נרחב באוטומציה תעשייתית לבקרה על אלמנטי חימום בעלי זרם גבוה, מנועים ומערכות תאורה תעשייתיות. מאחר שברליזים ממצב מוצק אין מגע מכני נע, הם פטורים מבלאי מכני. עם זאת, התלות שלהם ברכיבי סיליקון להספק גבוה (כגון תיריסטורים, טרייקים או טרנזיסטורים מסוג MOSFET) יוצרת אילוץ פיזי עיקרי: ייצור חום פנימי.

במהלך הפעולה, מתרחשת נפילה קטנה של מתח פנימי קדימה (בדרך כלל 1.0 עד 1.6 וולט) על פני צומת החומר הנייטרלי של ה-SSR. נפילה זו במתח, כפולת זרם העומס שעובר דרך ההתקן, יוצרת חום. לדוגמה, SSR המחלף עומס של 40 אמפר יכול לייצר 40–60 וואט של חום בתוך גוף ההתקן. ללא מדף בידוד תרמי (heatsink) מתאימה להפצת האנרגיה התרמית הזו, טמפרטורת צומת החומר הנייטרלי הפנימית תעלה במהרה מעבר לגבול המקסימלי שלה (בדרך כלל 125 מעלות צלזיוס). תופעה זו מובילה לריצה תרמית מיידית, אשר מאבדת את ה-SSR באופן קבוע במצב קצר-מעגל. עבור מהנדסים מקצועיים ולמבני פאנלים בקרתיים, בחירת גודל מדף הבידוד התרמי הנכון היא קריטית כדי להבטיח את התוחלת והבטיחות של המערכת. מדריך זה מוביל אתכם בתהליך החישוב התרמי צעד אחר צעד.

הפיזיקה של ההתנגדות התרמית באסמבלי SSR

כדי לבחור את מפזר החום המתאים, עלינו להבין את המושג התנגדות תרמית, אשר מסומנת על ידי הסימן Rth ומודדת במעלות צלזיוס לואט (°C/וווט). התנגדות תרמית היא ההתנגדות של חומר או רכיב לזרימת חום. ככל שערך ה-Rth נמוך יותר, כך זורם החום בקלות רבה יותר, מה שמוביל להטיה טובה יותר.
במכלול של SSR ומפזר חום, החום חייב לעבור דרך שלושה מחסומים עיקריים של התנגדות תרמית לפני שמתפזר לאויר הסביבתי:

1. התנגדות תרמית בין הצומת לקליפ (Rth-jc): זהו המחסום בין שבב הסקמי-קונדקטור הפנימי לפלטת המתכת האחורית של ה-SSR. ערך זה נקבע במהלך הייצור ומוזכר בגיליון הנתונים הטכניים של ה-SSR. עבור ה-SSR בעלי הספק גבוה של DAQCN, ערך זה מוחזק נמוך במיוחד באמצעות שימוש בפלטות בסיס נחושת בעלת מוליכות תרמית גבוהה.

2. התנגדות תרמית מהקרום למשטח הקירור (Rth-cs): זוהי ההתנגדות בין הלוח המетלי האחורי של ה-SSR לבין משטח ההתקנה של גוף הקירור. אויר הוא מוליך תרמי גרוע, ולכן גם פערים מיקרוסקופיים באויר בין שני המשטחים יכולים לפגוע בהעברת החום. יש ליישם שכבת דבש תרמי באיכות גבוהה או להשתמש בפד תרמי כדי למזער התנגדות זו.

3. התנגדות תרמית מגוף הקירור לסביבה (Rth-sa): זוהי ההתנגדות של גוף הקירור עצמו לאויר הסובב אותו. זהו הערך שעלינו לחשב ולבחור בעת רכישת גוף קירור.
מדריך צעד אחר צעד לחישוב ההתנגדות התרמית של גוף הקירור
כדי לקבוע את ההתנגדות התרמית המקסימלית המותרת של גוף הקירור שלכם (Rth-sa), השתמשו בנוסחה ההנדסית הבאה:
Rth-sa = ((Tj - Ta) / Pd) - Rth-jc - Rth-cs
נפריד את כל המשתנה בנוסחה זו ונסביר כיצד להשיג את ערכו:

שלב 1: זיהוי טמפרטורת המפגש המרבית של הרכיב הסמי-מוליכי (Tj)
בעוד שרוב הסמיקונדוקטורים החשמליים מדורגים לטמפרטורת חיבור מקסימלית (Tj) של 125 מעלות צלזיוס, הפעלת התקן בגבול המוחלט שלו מפחיתה את משך חייו. לשם ביטחון ואמינות לטווח הארוך, מהנדסים בדרך כלל מחלקים גורם בטיחות (derating), המגביל את טמפרטורת החיבור המרבית בזמן הפעלה (Tj) ל-95 או 100 מעלות צלזיוס.

שלב 2: קביעת טמפרטורת הסביבה המקסימלית (Ta)
זו הטמפרטורה הגבוהה ביותר בתוך תיבת הבקרה החשמלית שבה יותקן ה-SSR. שימו לב כי הטמפרטורה בתוך פאנל תעשייתי היא לעיתים קרובות גבוהה בהרבה מטמפרטורת הסביבה של ריצפת המפעל. אם הפאנל אינו מאוורר או ממוקם סמוך לציוד אחר היוצר חום, יש להניח ערך שמרני של Ta בין 40 ל-50 מעלות צלזיוס.

שלב 3: חישוב פיזור ההספק (Pd)
פיזור הספק הוא הכמות הכוללת של הספק החום שנוצר על ידי SSR, הנמדד בווטים. כלל אצבע מהנדסי אמין ל-SSR חשמלי סטנדרטי הוא שон יוצרים כ-1.2 ווט חום עבור כל אמפר של זרם עומס.
Pd = זרם העומס (I) × 1.2
עבור עומס של 40 אמפר:
Pd = 40 × 1.2 = 48 ווט חום.

שלב 4: קבלת קבועי דף הנתונים (Rth-jc ו-Rth-cs)

• Rth-jc: עיין בדף נתוני המוצר DAQCN. עבור SSR תעשייתי טיפוסי של 40A, הערך בדרך כלל כ-0.3 מעלות צלזיוס לווט.
  
• Rth-cs: אם משחילה תרמית באיכות גבוהה הושמה כראוי, התנגדות החום בין הגוף למערכת הקירור היא קטנה מאוד, בדרך כלל כ-0.1 מעלות צלזיוס לווט.
  

שלב 5: ביצוע החישוב
באמצעות דוגמת העומס של 40 אמפר שלנו עם טמפרטורת חיבור מאובטחת (Tj) של 95 מעלות צלזיוס וטמפרטורת סביבה במארז (Ta) של 45 מעלות צלזיוס:
Tj = 95 °C
Ta = 45 °C
Pd = 48 וاط
Rth-jc = 0.3 °C/ווט
Rth-cs = 0.1 °C/ווט
Rth-sa = ((95 - 45) / 48) - 0.3 - 0.1
Rth-sa = (50 / 48) - 0.4
Rth-sa = 1.04 - 0.4 = 0.64 °C/ווט
כדי לשמור על טמפרטורת המפגש של ה-SSR מתחת ל-95 מעלות צלזיוס, יש לבחור רדיאטור בעל ערך התנגדות תרמית השווה או נמוך מ-0.64 °C/ווט. רדיאטור עם ערך התנגדות תרמית של 0.5 °C/ווט או 0.6 °C/ווט יהיה בחירה מעולה ובטוחה ליישום זה.
גורמים מעשיים שחשוב לקחת בחשבון בבחירת רדיאטורים
למרות שנוסחאות מתמטיות מספקות בסיס מדויק, מספר גורמים מהעולם האמיתי יכולים להשפיע על ביצועי הרדיאטור וצריך לקחת אותם בחשבון בתהליך העיצוב:

• זרימת אוויר והעברת חום принודית: דירוג התנגדות החום של מפזר חום נקבע בדרך כלל עבור העברה טבעית (אוויר סטטי). הוספת מְנַעֵר מאוורר קירור בתוך המארז משפרת באופן דרמטי את פיזור החום, ומקטינה את ההתנגדות החום האפקטיבית של מפזר החום עד ל-50 אחוז. אם יש מחסור במרחב, מפזר חום קטן יותר עם מְנַעֵר שמייצר זרימת אויר מאולצת הוא לעיתים קרובות מועדף על פני מפזר חום פסיבי ענק.
  
• כיוון ההתקנה: מפזרי חום מסתמכים על זרמים של העברה טבעית כדי להעלות את האוויר החם כלפי מעלה. כדי למקסם את היעילות, יש תמיד להתקין את מפזר החום באופק אנכי, כך שהשיניים הקוראות יתנו בכיוון אנכי. התקנה אופקית עלולה לפגוע ביעילות מפזר החום ב-20–30 אחוז.
  
• 통וח המארז: מפזר חום לא יוכל לקלול את SSR אם האוויר החם תפוס בתוך מארז סגור. יש לוודא שהארון הבקרה מצויד במחדרים מתאימים, חריצי אוורור או מאווררים פעילים לפליטה, כדי לאפשר החלפה בין האוויר החם הפנימי לבין האוויר הקריר החיצוני.
  
• אספקת יחידות מוקדמות-הרכבה: כדי לשלול את סיכון העיצוב ולצמצם את זמן ההרכבה במפעל, סוחנים B2B ובניית פאנלים בדרך כלל אוספים צירופי SSR ופחי חום שנטестו מראש ונדרגו כיחידה אחת על ידי היצרן.
  

למה DAQCN הוא השותף המوثק שלכם לפתרונות ניהול חום

DAQCN מייצרת קווי ייצור מלאים של רילייזים חשמליים (SSR) בעלי הספק גבוה ופחי חום אלומיניום מתאימים, אשר תוכננו לפעול בסביבות תעשייתיות קשות. הפתרונות שלנו لإدارة החום מציעים:

• פחי חום אלומיניום מוצצים באיכות גבוהה עם שטח פנים אופטימלי של זנבות להעברת חום מרבית.
  
• כריות תרמיות בעלות מוליכות גבוהה שהושמו מראש על הרכיבים שלנו של SSR, מה שמונע את הבלגן והאי-עקביות הנובעים מהחזרה ידנית של משחה תרמית.
  
• נתוני חום מאופיינים לחלוטין על כל המוצרים, מה שמאפשר למפתחים לבצע חישובים מדויקים ללא ניחושים.
  אם אתם קונים רכיבים בודדים או מודולים משולבים של SSR עם מפזר חום, DAQCN מבטיח שהמערכות התעשייתיות שלכם להתחממות ולשליטה במנוע יישארו קרירות, יעילות ואמינות.
  

מסקנה: הגנה על ההשקעה התעשייתית שלכם

כשל תרמי הוא הסיבה המובילה לפגיעת SSR, אך הוא ניתן למניעה לחלוטין. על ידי חישוב מדויק של ההתנגדות התרמית הנדרשת של מפזר החום, שימוש בחומרי ממשק תרמי באיכות גבוהה ובטיחת זרימת אוויר מתאימה, מהנדסי B2B יכולים להבטיח את האמינות האורכת של מערכותיהם. שותפות עם ספק متخصص כמו DAQCN מספקת גישה לרכיבים בעלי ביצועים גבוהים ולידע הטכני הדרוש כדי לבטל לחלוטין כשלים תרמיים.