Kako izbrati pravo velikost toplotnega odvoda za visokomozne trdnostne releje (SSR), da se prepreči toplotna odpoved

Uvod: Zakaj je toplota sovražnik relejev s trdnim stanjem

Releji s trdnim stanjem (SSR) visoke moči so v industrijski avtomatizaciji široko uporabljani za krmiljenje visokotokovnih grelnih elementov, motorjev in industrijskih osvetlitvenih obremenitev. Ker SSR-ji nimajo mobilnih mehanskih stikov, so brez mehanske obrabe. Vendar njihova odvisnost od polprevodniških močnih naprav (kot so tiristorji, triaki ali MOSFET-i) predstavlja glavno fizično omejitev: notranja toplotna nastajanje.

Med obratovanjem se na polprevodniškem prehodu trdnostnega releja (SSR) pojavi majhen notranji napetostni padec v smeri tokovnega pretoka (običajno 1,0 do 1,6 V). Ta napetostni padec, pomnožen z obremenitvenim tokom, ki teče skozi napravo, povzroča toploto. Na primer SSR, ki preklopi obremenitev 40 A, lahko znotraj ohišja ustvari 40 do 60 W toplote. Če ni ustreznega toplotnega izmenjevalnika za odvajanje te toplotne energije, se temperatura notranjega polprevodniškega prehoda hitro poveča čez najvišjo dovoljeno mejo (običajno 125 °C). To povzroči takojšnji toplotni zagon, zaradi česar se SSR trajno poškoduje v kratkem stiku. Za inženirje B2B in graditelje nadzornih plošč je izbor ustrezne velikosti toplotnega izmenjevalnika ključnega pomena za zagotavljanje dolgotrajnosti in varnosti sistema. Ta vodnik vas korak za korakom vodi skozi postopek toplotnih izračunov.

Fizika toplotne odpornosti v sestavah trdnostnih relejev

Za izbiro pravilnega toplotnega odvajalnika moramo razumeti koncept toplotne odpornosti, ki je predstavljena z simbolom Rth in merjena v stopinjah Celzija na vat (°C/W). Toplotna odpornost je nasprotovanje snovi ali sestava pretoku toplote. Nižja vrednost Rth pomeni, da se toplota lahko lažje prenaša, kar povzroči boljše hlajenje.
V sestavku trdnostnega stikala brez kontaktov (SSR) in toplotnega odvajalnika se toplota mora prenesti skozi tri glavne toplotne odpornosti, preden se razprši v okoliški zrak:

1. Toplotna odpornost med spojem in ohišjem (Rth-jc): To je odpornost med notranjim polprevodniškim čipom in kovinsko zadnjo ploščo SSR-ja. Ta vrednost je določena med proizvodnjo in je navedena v tehnični specifikaciji SSR-ja. Pri visokomocnih SSR-jih DAQCN je ta vrednost izjemno nizka zaradi uporabe osnovnih plošč iz bakra z visoko toplotno prevodnostjo.

2. Toplotna upornost med ohišjem in toplotnim odvajalnikom (Rth-cs): To je upornost med kovinsko zadnjo ploščo trdnega stanja releja (SSR) in montažno površino toplotnega odvajalnika. Zrak je slab toplotni prevodnik, zato celo mikroskopski zračni reži med obema površinama lahko ovirajo prenos toplote. Za zmanjšanje te upornosti je nujno nanesti tanko plast visokokakovostne toplotne mazila ali uporabiti toplotno blazinico.

3. Toplotna upornost med toplotnim odvajalnikom in okoljem (Rth-sa): To je upornost samega toplotnega odvajalnika do okoliškega zraka. To je vrednost, ki jo moramo izračunati in izbrati pri nakupu toplotnega odvajalnika.
Korak za korakom vodnik za izračun toplotne upornosti toplotnega odvajalnika
Za določitev največje dovoljene toplotne upornosti vašega toplotnega odvajalnika (Rth-sa) uporabite naslednjo inženirsko formulo:
Rth-sa = ((Tj - Ta) / Pd) - Rth-jc - Rth-cs
Spodaj razložimo vsako spremenljivko v tej formuli in pojasnimo, kako pridobiti njeno vrednost:

Korak 1: Določite najvišjo temperaturo polprevodniškega spoja (Tj)
Čeprav so večina močnostnih polprevodnikov dimenzioniranih za najvišjo temperaturo prehoda (Tj) 125 stopinj Celzija, delovanje naprave na njeni absolutni meji zmanjša njeno življenjsko dobo. Za varnost in dolgoročno zanesljivost inženirji običajno uporabijo varnostni faktor znižanja, s čimer omejijo najvišjo delovno temperaturo prehoda (Tj) na 95 ali 100 stopinj Celzija.

Korak 2: Določite najvišjo temperaturo okolice (Ta)
To je najvišja temperatura znotraj električne nadzorne ohišja, v katerem bo nameščen tridimenzionalni tranzistor (SSR). Upoštevajte, da je temperatura znotraj industrijskega panela pogosto znatno višja od temperature okolice na tovarniški tleh. Če je panel brez prezračevanja ali je nameščen v bližini druge opreme, ki proizvaja toploto, predvidite konzervativno vrednost Ta med 40 in 50 stopinj Celzija.

Korak 3: Izračunajte razpršeno moč (Pd)
Razpršitev moči je skupna količina toplotne moči, ki jo ustvari SSR, izmerjena v watih. Zanesljivo inženirsko pravilo za standardne izmenične tokovne SSR-je je, da ustvarijo približno 1,2 W toplote na vsak amper obremenitvenega toka.
Pd = Obremenitveni tok (I) × 1,2
Za obremenitev 40 A:
Pd = 40 × 1,2 = 48 W toplote.

Korak 4: Pridobite konstante iz podatkovnega lista (Rth-jc in Rth-cs)

• Rth-jc: Glejte podatkovni list izdelka DAQCN. Pri tipičnem industrijskem SSR-ju z obremenitvijo 40 A je ta vrednost običajno približno 0,3 °C/W.
  
• Rth-cs: Če se visokokakovostna toplotna mazila pravilno nanesejo, je odpornost med ohišjem in toplotnim izmenjevalnikom izjemno majhna, običajno približno 0,1 °C/W.
  

Korak 5: Izvedite izračun
Uporabimo primer obremenitve 40 A z varnostno znižano temperaturo Tj 95 °C in temperaturo okolja v ohišju 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
Za omejitev temperaturne točke spoja SSR pod 95 °C morate izbrati toplotni izmenjevalnik z oceno toplotne odpornosti enako ali nižjo od 0,64 °C/W. Toplotni izmenjevalnik z oceno 0,5 °C/W ali 0,6 °C/W bi bil za to aplikacijo odlična in varna izbira.
Praktični dejavniki pri izbiri toplotnih izmenjevalnikov
Čeprav matematične formule zagotavljajo natančno izhodiščno točko, lahko na delovanje toplotnega izmenjevalnika vplivajo številni dejavniki iz vsakdanje uporabe in jih je treba upoštevati že v fazi načrtovanja:

• Zračni tok in prisilna konvekcija: Oznaka toplotne odpornosti toplotnega izmenjevalnika je običajno določena za naravno konvekcijo (mirujoč zrak). Uvedba hLADILNI VENTILATOR znotraj ohišja znatno izboljša odvajanje toplote in zmanjša učinkovito toplotno odpornost toplotnega izmenjevalnika do 50 odstotkov. Če je prostor omejen, se pogosto predlaga manjši toplotni izmenjevalnik s prisilnim zračnim ventilatorjem namesto masivnega pasivnega toplotnega izmenjevalnika.
  
• Namestitev v smeri montaže: Topletni izmenjevalniki se zanašajo na naravne konvekcijske tokove za premikanje toplega zraka navzgor. Za maksimalno učinkovitost je treba toplotni izmenjevalnik vedno namestiti navpično, tako da se hladilne rebra raztezajo navpično. Vodoravna namestitev lahko zmanjša učinkovitost toplotnega izmenjevalnika za 20 do 30 odstotkov.
  
• Ventilacija ohišja: Topletni izmenjevalnik ne more ohladiti trdnega stanja releja (SSR), če je vroč zrak ujet znotraj tesnega ohišja. Zagotovite, da ima krmilna omara ustrezne rešetke, ventilacijske reže ali aktivne izpušne ventilatorje za izmenjavo notranjega toplega zraka z hladnejšim zunanjim zrakom.
  
• Zakup predmontiranih enot: Da bi izognili tveganjem pri načrtovanju in zmanjšali čas sestave na proizvodni liniji, B2B veleposredniki in graditelji plošč pogosto zakupujejo kombinacije trdnih relejev (SSR) in toplotnih izmenjevalnikov, ki so že vnaprej preskusene in kot ena enota ocenjene s strani proizvajalca.
  

Zakaj je DAQCN vaš zaupanja vreden partner za rešitve toplotnega upravljanja

DAQCN proizvaja celovito vrsto visokomocnih trdnih relejev (SSR) in ujemajočih se aluminijastih toplotnih izmenjevalnikov, ki so zasnovani za delovanje v zahtevnih industrijskih okoljih. Naše rešitve za toplotno upravljanje ponujajo:

• Toplotne izmenjevalnike iz ekstrudiranega aluminija visoke čistote z optimiziranimi površinami rebri za največjo prenos toplote.
  
• Toplotne obloge z visoko toplotno prevodnostjo že vnaprej nameščene na naših SSR-skladah, kar odpravi nepočiščenost in neenakomernost ročne aplikacije toplotne masti.
  
• Popolnoma karakterizirane toplotne podatke za vse izdelke, kar omogoča inženjerjem natančne izračune brez ugibanja.
  Ali iščete posamezne komponente ali integrirane module SSR-zračnikov, DAQCN zagotavlja, da vaši industrijski sistemi za ogrevanje in nadzor motorjev ostanejo hladni, učinkoviti in zanesljivi.
  

Zaključek: Zaščita vaše industrijske naložbe

Toplotna okvara je najpogostejši razlog poškodbe SSR, vendar je popolnoma preprečljiva. Z natančnim izračunom zahtevane toplotne odpornosti zračnika, uporabo visokokakovostnih toplotnih medsebnih materialov in zagotavljanjem ustrezne zračne cirkulacije lahko inženirji B2B zagotovijo dolgoročno zanesljivost svojih sistemov. Sodelovanje s specializiranim dobaviteljem, kot je DAQCN, omogoča dostop do visokoučinkovitih komponent in tehničnega znanja, potrebnega za popolno odpravo toplotnih okvar.