晶閘管在焊機中的應用

焊機的工況是間斷式的。即晶閘管在工作時結溫升高,停止工作時結溫又降到某一值。再次工作,結溫又在此值基礎上升高。這裡就要用到“晶閘管設計實例1”中提到的“瞬態熱阻”的概念。在此工況下,熱平衡條件是由所安裝的散熱器及晶閘管的瞬態熱阻之和決定的。計算公式見圖1。

【圖1】幾種常見的負載條件下等效結溫的計算公式

晶閘管在焊機中的應用

(一)舉例說明。

例一:某焊機採用六相半波帶平衡電抗整流線路。滿負荷工作時,導通角120°。每隻晶閘管通過的平均電流為66.8安,有效值電流為115.6安。採用CR101晶閘管。從圖2查得功耗為102瓦,允許最高外殼溫度為95℃。如果晶閘管配用圖3中的G FIN型,長為150毫米的散熱器,風速為2.5米/秒。焊機工作狀態為工作120秒後中止80秒,那麼此狀態符合圖1中的序號5工況。

【圖2】晶閘管CR101功率損耗曲線

晶閘管在焊機中的應用

晶閘管工作時最高結溫由以下公式計算:

晶閘管在焊機中的應用

這裡,T為工作時間加間隔時間;

tp為間隔時間;

Rjc、Rca為穩態熱阻;

Zt為某時刻t元件與散熱器的瞬態熱阻之和;

Ta為環境溫度。

從已知條件得:T = 200秒,tp = 80秒,PAV為102瓦,

查圖4及圖3得: Rjc = 0.28 ℃/瓦,Rca = 0.4 ℃/瓦,

200秒時的瞬態熱阻 ZT =(0.28 + 0.23)= 0.51 ℃/瓦

80秒時的瞬態熱阻 Ztp =(0.28 + 0.11)= 0.39 ℃/瓦

280秒時的瞬態熱阻 Z(tp+T) =(0.28 + 0.3)= 0.58 ℃/瓦

代入公式:

晶閘管在焊機中的應用

標準規定,晶閘管允許最高工作結溫 Tj為125 ℃

Ta = Tj - 48.96℃ = 125–48.96 = 76.04 ℃

所以上例中的晶閘管理論上說可在75℃的環境溫度下工作。

上述晶閘管在連續工作條件下的結溫升:

Tj–Ta = PAV ×(Rjc + Rca)= 102 ×(0.28+0.4)= 69.36 ℃

比較兩種工況的結果,兩者結溫升可差20℃。可見間隔工作的發熱量小於連續工作。焊機可選用更經濟的散熱條件,即可選用散熱面積較小(熱阻較大的)的散熱器。

【圖3】G FIN散熱器瞬態熱阻曲線

晶閘管在焊機中的應用

例二:某電阻焊機用兩隻晶閘管反並聯作初級脈衝電流控制用。若仍選用CR101晶閘管及150毫米長的G FIN型散熱器,風速2.5米/秒。每次通電10個周波,問最大能通過多少峰值電流?

採用圖1中序號2工況進行計算。

結溫Tj = PAV·Zt1 + Ta

晶閘管在焊機中的應用

Zt1為10個周波後晶閘管和散熱器瞬態熱阻之和。

允許最高結溫Tj=125℃,設環境溫度 Ta=40℃

查圖4及圖3得知0.2秒(10個周波)後,晶閘管瞬態熱阻為0.12℃/瓦,散熱器瞬態熱阻為0.01℃/瓦以下。所以 Zt1 = 0.12+0.01=0.13℃/瓦。

PAV =(125–40)/0.13 = 653瓦

然後用計算功耗的公式來計算該功耗下通過的峰值電流。此時晶閘管的導通角為180°,波形係數F=1.57,晶閘管(CR101)的門檻電壓VTO=1.13V, 斜率電阻RTO =0.00175Ω

PAV = IF×VTO+(IF×F) IF 2×RTO

653 = IF×1.13+( IF ×1.57) 2×0.00175

解此方程,求得通過晶閘管的電流平均為:IF = 279.71A

其相應的峰值為 IFM = 279.71×π = 828.29A

所以在此條件下,晶閘管通過的10個周波浪湧電流峰值只能小於828A,而不是此種晶閘管額定的浪湧電流峰值2000A。

【圖4】CR101晶閘管瞬態熱阻曲線

晶閘管在焊機中的應用

在實際使用中,作者在上文“晶閘管設計實例2”中已闡明對“浪湧使用”的觀點。晶閘管CR101的額定平均電流僅為100A(峰值電流為314A),無論在何種場合使用都不希望超過這個額定值。把晶閘管的過載浪湧能力留給突發的過電流故障。如果有像焊機那樣斷續工作的工況,溫升偏低,建議適當調整散熱條件。可經過計算或試驗減小風量、風速或減小散熱器,求得新的平衡。

(二)選擇焊機用晶閘管的幾條建議

1,選用通態壓降(峰值壓降)小的晶閘管。

2,要選用額定有效值電流(IRMS)大的晶閘管。不同生產單位生產的晶閘管,同樣的額定平均值電流,但額定有效值電流不一樣。

3,同樣額定平均值電流的晶閘管,要選電流過載能力大的。

編者簡介:朱英文:(1939- ),高級工程師,現任北京京儀椿樹整流器有限責任公司技術顧問,中國電力電子產業網特約顧問,主要研究電力半導體器件的設計、製造、應用中的熱設計和電力半導體器件主迴路結構設計。曾參與專業詞典、書籍的編寫、翻譯等工作。主要成果有:“無刷勵磁發電機用旋轉整流管設計和製造”,“晶閘管芯片球面磨角工藝”“大功率半導體器件用散熱器風冷熱阻計算方法”等。


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