Ako vybrať správnu veľkosť chladiča pre vysokovýkonové polovodičové relé (SSR), aby sa predišlo tepelnej poruche

Úvod: Prečo je teplo nepriateľom polovodičových relé

Vysokovýkonové polovodičové relé (SSR) sa v priemyselnej automatizácii široko uprednostňujú na ovládanie vysokej prúdovej záťaže, ako sú vykurovacie prvky, motory a priemyselné osvetlenie. Keďže SSR nemajú žiadne pohyblivé mechanické kontakty, nevzniká v nich mechanické opotrebovanie. Ich závislosť od polovodičových výkonových prvkov (ako sú tyristory, triaky alebo MOSFETy) však predstavuje významné fyzikálne obmedzenie: vnútorné vytváranie tepla.

Počas prevádzky sa na polovodičovej križovatke SSR vyskytuje malý vnútorný priamychodný úbytok napätia (zvyčajne 1,0 až 1,6 V). Tento úbytok napätia, vynásobený zaťažovacím prúdom prechádzajúcim zariadením, generuje teplo. Napríklad SSR, ktorý prepína zaťaženie 40 A, môže vo svojom puzdre vygenerovať 40 až 60 W tepla. Bez vhodného chladiča na odvádzanie tohto tepelného energie sa teplota vnútornej polovodičovej križovatky rýchlo prekročí jej maximálnu povolenú hodnotu (zvyčajne 125 °C). To vedie k okamžitému tepelnému rozbehnutiu, čo spôsobí trvalé poškodenie SSR v stave skratu. Pre B2B inžinierov a výrobcov ovládacích panelov je výber správnej veľkosti chladiča kritický pre zabezpečenie dlhovekosti a bezpečnosti systému. Tento návod vás krok za krokom prevedie tepelným výpočtovým postupom.

Fyzika tepelnej odolnosti v zostavách SSR

Na výber vhodného chladiča musíme pochopiť koncept tepelnej odolnosti, ktorý je označovaný symbolom Rth a meraný v stupňoch Celzia na watt (°C/W). Tepelná odolnosť predstavuje odpor látky alebo zostavy voči prenosu tepla. Nižšia hodnota Rth znamená, že teplo sa môže prenášať ľahšie, čo má za následok lepšie chladenie.
V zostave pevného stavového relé (SSR) a chladiča sa teplo musí prejsť cez tri hlavné bariéry tepelnej odolnosti, kým sa rozptýli do okolitého vonkajšieho vzduchu:

1. Tepelná odolnosť medzi uzlom a použitím (Rth-jc): Ide o odolnosť medzi vnútorným polovodičovým čipom a kovovou zadnou doskou pevného stavového relé (SSR). Táto hodnota sa určuje počas výroby a je uvedená v technickej špecifikácii pevného stavového relé (SSR). U vysokovýkonových pevných stavových relé (SSR) značky DAQCN sa táto hodnota udržiava mimoriadne nízka vďaka použitiu základných dosiek z medi s vysokou tepelnou vodivosťou.

2. Tepelný odpor medzi pouzdom a chladičom (Rth-cs): Ide o odpor medzi kovovou zadnou doskou polovodičového spínača (SSR) a montážnym povrchom chladiča. Vzduch je zlým tepelným vodičom, preto aj mikroskopické vzduchové medzery medzi týmito povrchmi môžu brániť prenosu tepla. Na minimalizáciu tohto odporu je potrebné naniesť tenkú vrstvu vysokej kvality tepelnej pasty alebo použiť tepelný podložkový materiál.

3. Tepelný odpor medzi chladičom a okolitým prostredím (Rth-sa): Ide o odpor samotného chladiča voči okolitému vzduchu. Táto hodnota je potrebné vypočítať a vybrať pri výbere chladiča.
Podrobný návod na výpočet tepelného odporu chladiča
Ak chcete určiť maximálny prípustný tepelný odpor vášho chladiča (Rth-sa), použite nasledujúci inžiniersky vzorec:
Rth-sa = ((Tj - Ta) / Pd) - Rth-jc - Rth-cs
Vysvetlime si každú premennú v tomto vzorci a vysvetlíme, ako získať jej hodnotu:

Krok 1: Určte maximálnu teplotu krištálového spoja polovodiča (Tj)
Zatiaľ čo väčšina výkonových polovodičov je klasifikovaná pre maximálnu teplotu uzla (Tj) 125 °C, prevádzka zariadenia na jeho absolútnom limite skracuje jeho životnosť. Z dôvodov bezpečnosti a dlhodobej spoľahlivosti inžinieri zvyčajne uplatňujú bezpečnostný faktor zníženia výkonu, čím obmedzujú maximálnu prevádzkovú teplotu uzla (Tj) na 95 alebo 100 °C.

Krok 2: Určenie maximálnej teploty okolia (Ta)
Ide o najvyššiu teplotu vo vnútri elektrického riadiaceho puzdra, v ktorom bude pevný stavový relé (SSR) namontované. Upozorňujeme, že teplota vo vnútri priemyselného rozvádzača je často výrazne vyššia ako teplota okolia na výrobnej hale. Ak je rozvádzač neventilovaný alebo umiestnený v blízkosti iných zariadení generujúcich teplo, predpokladajte konzervatívnu hodnotu Ta v rozsahu 40 až 50 °C.

Krok 3: Výpočet strát výkonu (Pd)
Výkonová disipácia je celkové množstvo tepelnej energie generovanej SSR, vyjadrené vo wattoch. Spoľahlivé inžinierske pravidlo pre štandardné striedavé prúdové SSR je, že generujú približne 1,2 W tepla na každý ampér zaťažovacieho prúdu.
Pd = Zaťažovací prúd (I) × 1,2
Pre zaťaženie 40 A:
Pd = 40 × 1,2 = 48 W tepla.

Krok 4: Získanie konštánt z technického listu (Rth-jc a Rth-cs)

• Rth-jc: Pozrite si technický list výrobku DAQCN. Pre typické priemyselné SSR s menovitým prúdom 40 A je táto hodnota zvyčajne približne 0,3 °C/W.
  
• Rth-cs: Ak sa vysokokvalitná tepelná pastka správne aplikuje, tepelný odpor medzi pouzdom a chladičom je extrémne malý, zvyčajne približne 0,1 °C/W.
  

Krok 5: Vykonanie výpočtu
Použitím príkladu so zaťažením 40 A s bezpečnostne zníženou teplotou kryštálu Tj 95 °C a okolitou teplotou v uzavretom priestore 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
Ak chcete udržať teplotu prechodového uzla SSR pod 95 °C, musíte vybrať chladič s tepelným odporom rovným alebo nižším ako 0,64 °C/W. Chladič s hodnotením 0,5 °C/W alebo 0,6 °C/W by bol vynikajúcou a bezpečnou voľbou pre túto aplikáciu.
Praktické faktory, ktoré je potrebné zohľadniť pri výbere chladičov
Hoci matematické vzorce poskytujú presný východiskový základ, niekoľko reálnych faktorov môže ovplyvniť výkon chladiča a mali by sa zohľadniť počas návrhového procesu:

• Prietok vzduchu a nútená konvekcia: Hodnota tepelnej odolnosti chladiča sa zvyčajne uvádza pre prirodzenú konvekciu (stojaci vzduch). Zavedenie chladicí ventilátor do vnútra skrinky výrazne zlepšuje odvod tepla a zníži efektívnu tepelnú odolnosť chladiča až o 50 percent. Ak je priestor obmedzený, často je uprednostňovaný menší chladič s ventilátorom na nútené prúdenie vzduchu pred veľkým pasívnym chladičom.
  
• Montážna poloha: Chladiče využívajú prúdenie teplého vzduchu prirodzenou konvekciou smerom nahor. Pre dosiahnutie maximálnej účinnosti vždy montujte chladič zvislo, aby boli chladiace žebierka orientované zvislo. Horizontálna montáž môže znížiť účinnosť chladiča o 20 až 30 percent.
  
• Vetracie otvory skrinky: Chladič nemôže ochladiť SSR, ak sa horúci vzduch uviazne vo vnútri uzavretej skrinky. Uistite sa, že riadiaca skriňa má dostatočné mriežky, vetracie otvory alebo aktívne výfukové ventilátory na výmenu teplého vnútorného vzduchu za chladnejší vonkajší vzduch.
  
• Získavanie predmontovaných jednotiek: Aby sa odstránilo riziko súvisiace s návrhom a skrátila sa doba montáže na výrobnom podlahe, B2B veľkoobchodníci a výrobcovia panelov často získavajú kombinácie pevných relé (SSR) a chladičov, ktoré sú vopred otestované a vyhodnotené výrobcom ako jedna jednotka.
  

Prečo je DAQCN váš dôveryhodný partner pre riešenia tepelnej správy

DAQCN vyrába komplexnú ponuku vysokovýkonných pevných relé (SSR) a príslušných hliníkových chladičov navrhnutých na prevádzku v náročných priemyselných prostrediach. Naše riešenia tepelnej správy ponúkajú:

• Chladiče z extrudovaného hliníka vysoké čistoty s optimalizovanou plochou chladiacich rebier na maximálny prenos tepla.
  
• Predpoužité tepelne vodivé podložky s vysokou vodivosťou na našich zostavách pevných relé (SSR), čím sa odstraňuje neprehľadnosť a nekonzistentnosť manuálneho nanášania tepelnej pasty.
  
• Úplne charakterizované tepelné údaje pre všetky výrobky, čo umožňuje inžinierom vykonávať presné výpočty bez odhadov.
  Či už zakúpate jednotlivé komponenty alebo integrované moduly SSR-chladičov, DAQCN zabezpečuje, aby vaše priemyselné systémy vykurovania a riadenia motorov zostali chladné, účinné a spoľahlivé.
  

Záver: Ochrana vášho priemyselného investície

Teplotné poškodenie je najčastejšou príčinou poškodenia SSR, avšak je úplne predvídateľné. Presným výpočtom požadovanej tepelnej odolnosti chladiča, použitím vysokokvalitných tepelných medzivrstiev a zabezpečením správneho prietoku vzduchu môžu inžinieri B2B zaručiť dlhodobú spoľahlivosť svojich systémov. Spolupráca so špecializovaným dodávateľom, ako je DAQCN, poskytuje prístup k komponentom vysokého výkonu a technickým znalostiam potrebným na úplné odstránenie tepelných porúch.