Hoe de juiste koellichaamgrootte kiezen voor hoogvermogens SSR's om thermische storingen te voorkomen

Inleiding: Waarom warmte de vijand is van solid state relais

Hoogvermogens solid state relais (SSR’s) worden veel gebruikt in industriële automatisering voor het aansturen van hoogstroomverbruikende verwarmingselementen, motoren en industriële verlichtingsbelastingen. Omdat SSR’s geen bewegende mechanische contacten bevatten, zijn ze vrij van mechanische slijtage. Hun afhankelijkheid van halfgeleidervermogenscomponenten (zoals thyristors, triacs of MOSFET’s) introduceert echter een belangrijke fysieke beperking: interne warmteontwikkeling.

Tijdens bedrijf treedt er een kleine interne voorwaartse spanningsval op (meestal 1,0 tot 1,6 volt) over de halfgeleiderverbinding van de SSR. Deze spanningsval, vermenigvuldigd met de belastingsstroom die door het apparaat loopt, genereert warmte. Bijvoorbeeld: een SSR die een belasting van 40 ampère schakelt, kan 40 tot 60 watt warmte genereren binnen zijn behuizing. Zonder een adequate koellichaam om deze thermische energie af te voeren, zal de temperatuur van de interne halfgeleiderverbinding snel de maximale grens overschrijden (meestal 125 graden Celsius). Dit leidt tot onmiddellijke thermische doorlating, waardoor de SSR permanent beschadigd raakt in een kortsluitingstoestand. Voor B2B-ingenieurs en bouwers van besturingspanelen is het kiezen van de juiste koellichaamgrootte cruciaal om de levensduur en veiligheid van het systeem te waarborgen. Deze handleiding begeleidt u stap voor stap door het thermische berekeningsproces.

De natuurkunde van thermische weerstand in SSR-constructies

Om de juiste koellichaam te selecteren, moeten we het begrip thermische weerstand begrijpen, dat wordt aangegeven met het symbool Rth en wordt uitgedrukt in graden Celsius per watt (°C/W). Thermische weerstand is de weerstand die een stof of assemblage biedt aan de warmtestroom. Een lagere Rth-waarde betekent dat warmte gemakkelijker kan stromen, wat resulteert in betere koeling.
In een SSR- en koellichaamopstelling moet warmte door drie belangrijke thermische weerstandbarrières stromen voordat deze wordt afgevoerd naar de omringende omgevingslucht:

1. Junction-naar-huis thermische weerstand (Rth-jc): Dit is de weerstand tussen de interne halfgeleiderchip en de metalen achterplaat van de SSR. Deze waarde wordt tijdens de fabricage bepaald en staat vermeld op de technische datasheet van de SSR. Voor DAQCN SSR’s met hoog vermogen wordt deze waarde uitzonderlijk laag gehouden door het gebruik van koperen basisplaten met hoge warmtegeleidbaarheid.

2. Thermische weerstand van behuizing naar koellichaam (Rth-cs): Dit is de weerstand tussen de metalen achterplaat van de SSR en het bevestigingsoppervlak van het koellichaam. Lucht is een slechte warmtegeleider, dus zelfs microscopisch kleine luchtspleten tussen de twee oppervlakken kunnen de warmteoverdracht vertragen. Het aanbrengen van een dunne laag hoogwaardige thermische pasta of het gebruik van een thermisch pad is noodzakelijk om deze weerstand te minimaliseren.

3. Thermische weerstand van koellichaam naar omgeving (Rth-sa): Dit is de weerstand van het koellichaam zelf ten opzichte van de omringende lucht. Dit is de waarde die we moeten berekenen en selecteren bij het kiezen van een koellichaam.
Stapsgewijze handleiding voor het berekenen van de thermische weerstand van een koellichaam
Om de maximale toelaatbare thermische weerstand van uw koellichaam (Rth-sa) te bepalen, volgt u deze technische formule:
Rth-sa = ((Tj - Ta) / Pd) - Rth-jc - Rth-cs
Laten we elk variabele in deze formule stap voor stap uitleggen en aangeven hoe u de waarde ervan kunt bepalen:

Stap 1: Bepaal de maximale junctiontemperatuur van de halfgeleider (Tj)
Hoewel de meeste vermogensemiconductoren zijn gespecificeerd voor een maximale Tj van 125 graden Celsius, vermindert het bedrijven van een apparaat op zijn absolute limiet de levensduur. Voor veiligheid en langetermijnbetrouwbaarheid passen ingenieurs doorgaans een veiligheidsreductiefactor toe, waardoor de maximale bedrijfsjunctiontemperatuur (Tj) wordt beperkt tot 95 of 100 graden Celsius.

Stap 2: Bepaal de maximale omgevingstemperatuur (Ta)
Dit is de hoogste temperatuur binnen de elektrische besturingskast waarin de SSR zal worden gemonteerd. Let op: de temperatuur binnen een industriële schakelkast is vaak aanzienlijk hoger dan de omgevingstemperatuur van de fabrieksvloer. Als de kast niet geventileerd is of zich in de buurt bevindt van andere warmteproducerende apparatuur, neem dan een conservatieve Ta van 40 tot 50 graden Celsius aan.

Stap 3: Bereken de vermogensdissipatie (Pd)
Vermogensdissipatie is de totale hoeveelheid thermisch vermogen die door de SSR wordt opgewekt, uitgedrukt in watt. Een betrouwbaar technisch vuistregel voor standaard wisselstroom-SSR’s is dat zij ongeveer 1,2 watt warmte genereren per ampère belastingsstroom.
Pd = Belastingsstroom (I) × 1,2
Voor een belasting van 40 A:
Pd = 40 × 1,2 = 48 watt warmte.

Stap 4: Verkrijg de waarden uit de datasheet (Rth-jc en Rth-cs)

• Rth-jc: Raadpleeg de datasheet van het DAQCN-product. Voor een typische industriële SSR van 40 A bedraagt deze waarde meestal ongeveer 0,3 °C/W.
  
• Rth-cs: Indien hoogwaardige thermische pasta correct is aangebracht, is de weerstand tussen behuizing en koellichaam zeer klein, meestal ongeveer 0,1 °C/W.
  

Stap 5: Voer de berekening uit
Gebruikend ons voorbeeld met een belasting van 40 A, een veiligheidsverlaagde junctiontemperatuur Tj van 95 graden Celsius en een omgevingstemperatuur in de behuizing Ta van 45 graden Celsius:
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
Om de junctietemperatuur van de SSR onder de 95 graden Celsius te houden, dient u een koellichaam te selecteren met een thermische weerstand van maximaal 0,64 °C/W. Een koellichaam met een waarde van 0,5 °C/W of 0,6 °C/W zou een uitstekende en veilige keuze zijn voor deze toepassing.
Praktische factoren om te overwegen bij het selecteren van koellichamen
Hoewel wiskundige formules een nauwkeurige basis bieden, kunnen verschillende praktische factoren de prestaties van een koellichaam beïnvloeden en dienen daarom in het ontwerpproces in aanmerking te worden genomen:

• Luchtstroom en gedwongen convectie: De thermische weerstandswaarde van een koellichaam wordt meestal opgegeven voor natuurlijke convectie (stilstaande lucht). Het introduceren van een koelventilator binnen de behuizing verbetert de warmteafvoer drastisch, waardoor de effectieve thermische weerstand van het koellichaam met tot wel 50 procent wordt verminderd. Als de ruimte beperkt is, wordt vaak een kleiner koellichaam met een gedwongen-luchtventilator verkozen boven een massief passief koellichaam.
  
• Montage-oriëntatie: Koellichamen zijn afhankelijk van natuurlijke convectiestromingen om warme lucht omhoog te verplaatsen. Om de efficiëntie te maximaliseren, moet het koellichaam altijd verticaal worden gemonteerd, zodat de koelribben verticaal lopen. Horizontale montage kan de efficiëntie van het koellichaam met 20 tot 30 procent verminderen.
  
• Behuizingventilatie: Een koellichaam kan een SSR niet koelen als de warme lucht wordt opgesloten binnen een afgesloten behuizing. Zorg ervoor dat de besturingskast voldoende ventilatieopeningen, ventilatiesleuven of actieve afzuigventilatoren heeft om de warme lucht binnenin te verwisselen met koelere buitenlucht.
  
• Inkoop van voorgemonteerde units: Om ontwerprisico's te elimineren en de montage tijd op de fabrieksvloer te verminderen, kopen B2B-groothandels en paneelbouwers vaak SSR- en heatsinkcombinaties die door de fabrikant zijn voortest en als één unit zijn gecertificeerd.
  

Waarom DAQCN uw vertrouwde partner is voor thermische beheersoplossingen

DAQCN produceert een uitgebreide reeks hoogvermogens solid-state relais (SSR) en bijpassende aluminium heatsinks die zijn ontworpen voor gebruik in veeleisende industriële omgevingen. Onze thermische beheersoplossingen bieden:

• Hoogzuivere geëxtrudeerde aluminium heatsinks met geoptimaliseerde oppervlakte van de lamellen voor maximale warmteoverdracht.
  
• Vooraf aangebrachte thermische pads met hoge geleidbaarheid op onze SSR-assemblages, waardoor de rompslomp en onnauwkeurigheid van handmatige toepassing van thermisch pasta worden vermeden.
  
• Volledig gekarakteriseerde thermische gegevens voor alle producten, zodat ingenieurs nauwkeurige berekeningen kunnen uitvoeren zonder gissingen.
  Of u nu individuele componenten of geïntegreerde SSR-koellichamen aankoopt, DAQCN zorgt ervoor dat uw industriële verwarmingssystemen en motoregelsystemen koel, efficiënt en betrouwbaar blijven.
  

Conclusie: Bescherming van uw industriële investering

Thermische storing is de belangrijkste oorzaak van SSR-schade, maar deze is volledig voorkomen. Door de benodigde thermische weerstand van het koellichaam nauwkeurig te berekenen, hoogwaardige thermische interfacematerialen te gebruiken en voor voldoende luchtstroom te zorgen, kunnen B2B-engineers de langetermijnbetrouwbaarheid van hun systemen garanderen. Een samenwerking met een gespecialiseerde leverancier zoals DAQCN biedt toegang tot hoogwaardige componenten en technische expertise om thermische storingen volledig te elimineren.