วิธีเลือกขนาดของฮีตซิงค์ที่เหมาะสมสำหรับ SSR กำลังสูงเพื่อป้องกันความล้มเหลวจากความร้อน

บทนำ: ทำไมความร้อนจึงเป็นศัตรูต่อรีเลย์แบบสถานะของแข็ง

รีเลย์แบบสถานะของแข็ง (SSR) กำลังสูงถูกใช้งานอย่างแพร่หลายในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมเพื่อควบคุมองค์ประกอบให้ความร้อนที่ใช้กระแสไฟฟ้าสูง มอเตอร์ และโหลดแสงสว่างอุตสาหกรรม เนื่องจากรีเลย์แบบสถานะของแข็งไม่มีข้อต่อเชิงกลที่เคลื่อนไหว จึงไม่เกิดการสึกหรอจากแรงกระทำเชิงกล อย่างไรก็ตาม การพึ่งพาอุปกรณ์พลังงานเซมิคอนดักเตอร์ (เช่น ไทริสเตอร์ ไทรแอค หรือโมเสต์) ทำให้เกิดข้อจำกัดทางกายภาพที่สำคัญประการหนึ่ง คือ การสร้างความร้อนภายใน

ในระหว่างการใช้งาน จะเกิดแรงดันตกภายในเล็กน้อย (โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 1.0 ถึง 1.6 โวลต์) ข้ามข้อต่อเซมิคอนดักเตอร์ของ SSR แรงดันตกนี้ เมื่อนำมาคูณกับกระแสโหลดที่ไหลผ่านอุปกรณ์ จะทำให้เกิดความร้อน ตัวอย่างเช่น SSR ที่ควบคุมโหลด 40 แอมแปร์ อาจสร้างความร้อนภายในตัวเรือนได้ 40 ถึง 60 วัตต์ หากไม่มีฮีตซิงค์ที่เหมาะสมในการระบายพลังงานความร้อนนี้ อุณหภูมิของข้อต่อเซมิคอนดักเตอร์ภายในจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วเกินขีดจำกัดสูงสุด (โดยทั่วไปคือ 125 องศาเซลเซียส) ส่งผลให้เกิดภาวะความร้อนล้น (thermal runaway) ทันที ทำให้ SSR เสียหายอย่างถาวรในสถานะลัดวงจร สำหรับวิศวกร B2B และผู้ออกแบบ/ประกอบแผงควบคุม การเลือกขนาดฮีตซิงค์ที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญยิ่งต่อการรับประกันอายุการใช้งานและความปลอดภัยของระบบ คู่มือนี้จะแนะนำกระบวนการคำนวณทางความร้อนแบบทีละขั้นตอน

หลักฟิสิกส์ของความต้านทานความร้อนในชุดประกอบ SSR

เพื่อเลือกฮีตซิงค์ที่เหมาะสม เราต้องเข้าใจแนวคิดเรื่องความต้านทานความร้อน ซึ่งแทนด้วยสัญลักษณ์ Rth และวัดเป็นองศาเซลเซียสต่อวัตต์ (°C/W) ความต้านทานความร้อนคือการต้านการถ่ายเทความร้อนของสารหรือชิ้นส่วนประกอบใดๆ ค่า Rth ที่ต่ำกว่าหมายความว่าความร้อนสามารถไหลผ่านได้ง่ายขึ้น ส่งผลให้การระบายความร้อนมีประสิทธิภาพดีขึ้น
ในชุดประกอบของ SSR และฮีตซิงค์ ความร้อนจะต้องเดินทางผ่านอุปสรรคความต้านทานความร้อนหลักสามจุด ก่อนที่จะกระจายออกสู่อากาศแวดล้อมรอบข้าง:

1. ความต้านทานความร้อนจากจังก์ชันถึงเคส (Rth-jc): คือความต้านทานระหว่างชิปเซมิคอนดักเตอร์ภายในกับแผ่นโลหะด้านหลังของ SSR ค่านี้กำหนดไว้ระหว่างกระบวนการผลิต และระบุไว้ในเอกสารข้อมูลจำเพาะทางเทคนิคของ SSR สำหรับ SSR กำลังสูงรุ่น DAQCN ค่านี้ถูกควบคุมให้ต่ำมากเป็นพิเศษโดยใช้แผ่นฐานทองแดงที่มีความสามารถในการนำความร้อนสูง

2. ความต้านทานความร้อนระหว่างเคสกับฮีตซิงค์ (Rth-cs): คือ ความต้านทานความร้อนระหว่างแผ่นโลหะด้านหลังของ SSR กับพื้นผิวที่ใช้ยึดติดกับฮีตซิงค์ อากาศเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี ดังนั้นแม้ช่องว่างอากาศระดับจุลภาคระหว่างสองพื้นผิวนี้ก็อาจขัดขวางการถ่ายเทความร้อนได้ การใช้สารหล่อลื่นความร้อนคุณภาพสูงบางๆ หรือแผ่นนำความร้อน (thermal pad) จึงจำเป็นเพื่อลดความต้านทานนี้ให้น้อยที่สุด

3. ความต้านทานความร้อนระหว่างฮีตซิงค์กับสภาพแวดล้อม (Rth-sa): คือ ความต้านทานความร้อนของตัวฮีตซิงค์เองต่ออากาศรอบข้าง ซึ่งคือค่าที่เราต้องคำนวณและเลือกเมื่อจัดหาฮีตซิงค์
คู่มือแบบทีละขั้นตอนในการคำนวณความต้านทานความร้อนของฮีตซิงค์
เพื่อกำหนดค่าความต้านทานความร้อนสูงสุดที่ยอมรับได้ของฮีตซิงค์ (Rth-sa) ให้ใช้สูตรทางวิศวกรรมต่อไปนี้:
Rth-sa = ((Tj - Ta) / Pd) - Rth-jc - Rth-cs
เราจะแยกอธิบายแต่ละตัวแปรในสูตรนี้ และอธิบายวิธีการหาค่าของแต่ละตัวแปรดังนี้:

ขั้นตอนที่ 1: ระบุอุณหภูมิสูงสุดของจังค์ชันเซมิคอนดักเตอร์ (Tj)
แม้ว่าชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์กำลังส่วนใหญ่จะมีค่าอุณหภูมิสูงสุดที่จุดต่อ (Tj) ได้ถึง 125 องศาเซลเซียส แต่การใช้งานอุปกรณ์ที่ค่าจำกัดสูงสุดนี้อย่างต่อเนื่องจะทำให้อายุการใช้งานลดลง ด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือในระยะยาว วิศวกรโดยทั่วไปจะใช้ปัจจัยลดโหลดเพื่อความปลอดภัย (safety derating factor) ซึ่งจำกัดอุณหภูมิสูงสุดที่จุดต่อ (Tj) ในการทำงานจริงไว้ที่ 95 หรือ 100 องศาเซลเซียส

ขั้นตอนที่ 2: กำหนดอุณหภูมิแวดล้อมสูงสุด (Ta)
นี่คืออุณหภูมิสูงสุดภายในตู้ควบคุมไฟฟ้าที่จะติดตั้ง SSR โปรดทราบว่าอุณหภูมิภายในตู้ควบคุมอุตสาหกรรมมักสูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อมของพื้นโรงงานอย่างมีนัยสำคัญ หากตู้ควบคุมไม่มีระบบระบายอากาศ หรือตั้งอยู่ใกล้อุปกรณ์ที่สร้างความร้อนอื่นๆ ให้สมมุติค่า Ta แบบระมัดระวังไว้ที่ 40 ถึง 50 องศาเซลเซียส

ขั้นตอนที่ 3: คำนวณการสูญเสียพลังงาน (Pd)
การสูญเสียพลังงานคือปริมาณรวมของพลังงานความร้อนที่สร้างขึ้นโดย SSR ซึ่งวัดเป็นวัตต์ หลักเกณฑ์เชิงวิศวกรรมที่เชื่อถือได้สำหรับ SSR กระแสสลับแบบมาตรฐานคือ สร้างความร้อนประมาณ 1.2 วัตต์ต่อแอมแปร์หนึ่งแอมแปร์ของกระแสโหลด
Pd = กระแสโหลด (I) × 1.2
สำหรับโหลด 40 แอมแปร์:
Pd = 40 × 1.2 = 48 วัตต์ของความร้อน

ขั้นตอนที่ 4: หาค่าคงที่จากแผ่นข้อมูลผลิตภัณฑ์ (Rth-jc และ Rth-cs)

• Rth-jc: ดูได้จากแผ่นข้อมูลผลิตภัณฑ์ DAQCN สำหรับ SSR อุตสาหกรรมแบบ 40A ทั่วไป มักมีค่าประมาณ 0.3 องศาเซลเซียสต่อวัตต์
  
• Rth-cs: หากใช้สารหล่อลื่นความร้อนคุณภาพสูงอย่างเหมาะสม ความต้านทานระหว่างเปลือกอุปกรณ์กับฮีตซิงค์จะมีค่าน้อยมาก โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 0.1 องศาเซลเซียสต่อวัตต์
  

ขั้นตอนที่ 5: ดำเนินการคำนวณ
โดยใช้ตัวอย่างโหลด 40 แอมแปร์ของเรา พร้อมอุณหภูมิ Tj ที่ลดลงเพื่อความปลอดภัยเป็น 95 องศาเซลเซียส และอุณหภูมิแวดล้อมภายในตู้ (Ta) เป็น 45 องศาเซลเซียส:
Tj = 95 องศาเซลเซียส
Ta = 45 องศาเซลเซียส
Pd = 48 วัตต์
Rth-jc = 0.3 องศาเซลเซียส/วัตต์
Rth-cs = 0.1 องศาเซลเซียส/วัตต์
Rth-sa = ((95 - 45) / 48) - 0.3 - 0.1
Rth-sa = (50 / 48) - 0.4
Rth-sa = 1.04 - 0.4 = 0.64 องศาเซลเซียส/วัตต์
เพื่อรักษาอุณหภูมิของข้อต่อ SSR ให้ต่ำกว่า 95 องศาเซลเซียส คุณต้องเลือกฮีตซิงก์ที่มีค่าความต้านทานความร้อนเท่ากับหรือต่ำกว่า 0.64 องศาเซลเซียส/วัตต์ ฮีตซิงก์ที่มีค่าความต้านทานความร้อน 0.5 หรือ 0.6 องศาเซลเซียส/วัตต์ จะเป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมและปลอดภัยสำหรับการใช้งานนี้
ปัจจัยเชิงปฏิบัติที่ควรพิจารณาเมื่อเลือกฮีตซิงก์
แม้ว่าสูตรทางคณิตศาสตร์จะให้ค่าพื้นฐานที่แม่นยำ แต่ปัจจัยในโลกแห่งความเป็นจริงหลายประการอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของฮีตซิงก์ และควรนำมาพิจารณาอย่างรอบคอบในระหว่างกระบวนการออกแบบ:

• การไหลของอากาศและการพาความร้อนแบบบังคับ: ค่าความต้านทานทางความร้อนของฮีตซิงค์มักจะระบุไว้สำหรับการพาความร้อนแบบธรรมชาติ (อากาศนิ่ง) การติดตั้งพัดลม แฟนเย็น ภายในตู้ควบคุมจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการกระจายความร้อนอย่างมาก ทำให้ความต้านทานทางความร้อนที่มีผลจริงของฮีตซิงค์ลดลงได้สูงสุดถึงร้อยละ 50 หากพื้นที่จำกัด การใช้ฮีตซิงค์ขนาดเล็กพร้อมพัดลมเป่าอากาศแบบบังคับมักจะเหมาะสมกว่าการใช้ฮีตซิงค์แบบพาสซีฟขนาดใหญ่
  
• ทิศทางการยึดติด: ฮีตซิงค์อาศัยกระแสการพาความร้อนแบบธรรมชาติในการเคลื่อนย้ายอากาศร้อนขึ้นด้านบน เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด ควรยึดติดฮีตซิงค์ในแนวตั้งเสมอ โดยให้ครีบระบายความร้อนจัดเรียงตัวในแนวดิ่ง การยึดติดในแนวนอนอาจลดประสิทธิภาพของฮีตซิงค์ลงได้ร้อยละ 20 ถึง 30
  
• การระบายอากาศของตู้ควบคุม: ฮีตซิงค์จะไม่สามารถระบายความร้อนของ SSR ได้หากอากาศร้อนถูกกักไว้ภายในตู้ควบคุมที่ปิดสนิท ดังนั้น ต้องมั่นใจว่าตู้ควบคุมมีช่องระบายอากาศ (ลูเวอร์), ร่องระบายอากาศ หรือพัดลมระบายอากาศแบบใช้งานที่เพียงพอ เพื่อแลกเปลี่ยนอากาศร้อนภายในกับอากาศภายนอกที่เย็นกว่า
  
• การจัดหาหน่วยที่ประกอบสำเร็จแล้ว: เพื่อขจัดความเสี่ยงด้านการออกแบบและลดเวลาการประกอบบนพื้นโรงงาน ผู้ค้าส่งแบบ B2B และผู้ผลิตแผงวงจรมักจัดหาชุด SSR และฮีตซิงก์ที่ผ่านการทดสอบล่วงหน้าและได้รับการให้คะแนนเป็นหน่วยเดียวกันโดยผู้ผลิต
  

เหตุใด DAQCN จึงเป็นพันธมิตรที่เชื่อถือได้ของคุณสำหรับโซลูชันการจัดการความร้อน

DAQCN ผลิตซอลิดสเตทรีเลย์ (Solid State Relays) กำลังสูงและฮีตซิงก์อะลูมิเนียมที่ออกแบบมาให้ใช้งานร่วมกันอย่างครอบคลุม ซึ่งสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่ท้าทาย โซลูชันการจัดการความร้อนของเราให้สิ่งต่อไปนี้:

• ฮีตซิงก์อะลูมิเนียมที่ผ่านกระบวนการอัดขึ้นรูปจากวัสดุบริสุทธิ์สูง พร้อมพื้นที่ผิวของครีบที่ออกแบบให้เหมาะสมเพื่อการถ่ายเทความร้อนสูงสุด
  
• แผ่นนำความร้อนแบบมีความนำความร้อนสูงติดตั้งไว้ล่วงหน้าบนชุด SSR ของเรา ซึ่งช่วยขจัดความยุ่งเหยิงและความไม่สม่ำเสมอจากการทาพาสต์นำความร้อนด้วยตนเอง
  
• ข้อมูลความร้อนที่วิเคราะห์และระบุค่าอย่างครบถ้วนสำหรับผลิตภัณฑ์ทั้งหมด ทำให้วิศวกรสามารถคำนวณค่าต่าง ๆ ได้อย่างแม่นยำโดยไม่ต้องอาศัยการคาดเดา
  ไม่ว่าคุณจะจัดหาส่วนประกอบแต่ละชิ้นหรือโมดูลตัวระบายความร้อนแบบ SSR ที่รวมเข้าด้วยกันแล้ว DAQCN จะรับประกันว่าระบบควบคุมอุณหภูมิและการขับเคลื่อนมอเตอร์ในโรงงานของคุณจะทำงานได้เย็น ประสิทธิภาพสูง และเชื่อถือได้
  

สรุป: การปกป้องการลงทุนด้านอุตสาหกรรมของคุณ

ความล้มเหลวจากความร้อนเป็นสาเหตุหลักของการเสียหายของ SSR แต่สามารถป้องกันได้อย่างสมบูรณ์แบบ โดยการคำนวณค่าความต้านทานความร้อนของฮีตซิงก์ที่จำเป็นอย่างแม่นยำ การใช้วัสดุระหว่างผิวสัมผัสที่มีคุณภาพสูงสำหรับการถ่ายเทความร้อน และการมั่นใจว่ามีการไหลเวียนของอากาศที่เหมาะสม วิศวกร B2B สามารถรับประกันความน่าเชื่อถือในระยะยาวของระบบที่ออกแบบได้ การร่วมมือกับผู้จัดจำหน่ายเฉพาะทางอย่าง DAQCN จะทำให้คุณเข้าถึงชิ้นส่วนประสิทธิภาพสูงและองค์ความรู้เชิงเทคนิคที่จำเป็นในการขจัดปัญหาความล้มเหลวจากความร้อนได้อย่างสิ้นเชิง