晶闸管器件的选型及其散热器的选择

Ｄｅ ｓｉｇｎ ａ ｎ ｄ Ｒ ｅ ａ ｌｉｚａ ｔ ｉｏｎ ｏｆ Ｍ ｉｃｒ ｏ Ｂｕ ｓ Ｂａ ｓｅ ｄ ｏｎ ＡＣＥ
ＣＨＥＮＧ Ｄｅ－ ｒｏｎｇ１ ＬＩ Ｃｈａｎｇ－ ｇｕｉ１ ＬＩＵ Ｊｉｎｇ－ ｑｉａｎｇ２ （１．Ｃ ｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｒ ａｄｉｏ ＆ Ｔ Ｖ Ｕ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃ ｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００５２；２．Ｐｅｋｉｎｇ Ｕ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂ ｅｉｊｉｎｇ １００８７１） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ａ ｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｉｇｎｓ ｍ ｉｃｒｏ ｂｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａ Ｃ Ｅ ． Ｔ ｈｉｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍ ａｋｅｓ ｉｎｔｅｒｎｅｔｂｅｃｏｍ ｅ ｐｈｙｓｉｃａｌｂａｓｅ ｏｆｓｏｆｔｂｕｓ，ｓｏ ｔｈａｔｔｈｅ ｕｎｉｔｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｂｕｓ ｐｏｓｓｅｓｓ ｄｒｉｖｅ ａｂｉｌｉｔｙ．Ｗ ｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｓ ａｍ ｏｎｇ ａｌｌｔｈｅ ｕｎｉｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ ｂｙ ＰｅｔｅｒＨ ｅｒｚｕｍ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍ ｏｄｅｌ．Ａ ｌｌｔｈｅ ｕｎｉｔｓ ａｒｅ ｅｑｕａｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ａ Ｃ Ｅ ； ｄａｔａ ｄｒｉｖｅ； ｓｏｆｔｂｕｓ； ｍ ｉｃｒｏ ｂｕｓ； ｉｎｔｅｒ－ｗ ｏｒｋｉｎｇ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍ ｏｄｅｌ
θ－ １ ｓｉｎ２θ
２
ＰＴ ＝ＶＴ０ ＩＴ（ ＡＶ） ＋ＲＴ０ＩＴ（ ＡＶ） π
２
２
（１－ ｃｏｓθ）
２
＝ＶＴ０ ＩＴ（ ＡＶ） ＋Ｆ Ｒ ＩＴ０ ２Ｔ（ ＡＶ）
（ ２）
１８０°情况的热阻， 若器件的实际运行工况和上述有
差异时， 其相应的热阻应大于样本上的 Ｒｊｃ 值。与电 阻串联应用时总电阻为各分电阻之和计算方法一
２４
ＫＰＸ１９００－ ２４
１．０３
０．２１１
０．０１２
０．００３
３３
ＫＰＢ３０００－ ２４
１．０５
０．１２１
０．００８
０．００２
５３
表 ２ 散热器热阻值的数据
通 态 损 耗 ／Ｗ
总 损 耗 ／Ｗ
散热器热阻／（ Ｋ／Ｗ）
ＫＰＡ１４００－ ２４
２．５１６
２．５４８
０．０１４
ＫＰＸ１９００－ ２４
１．９８３
晶闸管在导通状态下内部会发生热损耗， 热损 耗的发生直接导致器件结温升高。当结温升高到超 过额定结温时， 晶闸管的转折电压急剧下降， 由此使 得阻断和反向状态下的漏电流急剧增加， 器件阻断 能力下降， 甚至造成器件损坏。通常， 晶闸管内部产 生热损耗的方式有以下几种：
ａ． 导通时， 由于流过正向电流所引起的正向压
程序员指南—网络与系统编程 的 实 用 设 计 模 式［Ｍ ］．马 维 达， 译．北京： 中国电力出版社， ２００４． ［２］Ｃ ｈｒｉｓ Ｂ ｒｉｔｔｏｎ．ＩＴ 体系结构与中间件（建设大型集成系统 的 策略）［Ｍ ］．李彬，译．北京： 人民邮电出版社， ２００３．７． ［３］ 李强， 贾云霞，编著．Ｖ ｉｓｕａｌＣ ＋＋ 项目开发实践［Ｍ ］．北 京 ： 中 国铁道出版社， ２００３．６． ［４］ Ｐｅｔｅｒ Ｈ ｅａｒｚｕｍ ， Ｏ ｌｉｖｅｒ Ｓｉｍ ｓ．．基 于 构 件 的 企 业 级 开 发 ［Ｍ ］． 韩柯， 译．北京： 机械工业出版社、中信出版社， ２００５． ［５］ Ｄ ｏｕｇｌａｓ Ｃ Ｓｃｈｍ ｉｄｔ， Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｄ Ｈ ｕｓｔｏｎ． Ｃ ＋＋ Ｎ ｅｔｗ ｏｒｋ Ｐｒｏｇｒａｍ ｍ ｉｎｇ Ｖ ｏｌｕｍ ｅ Ｍ ａｓｔｅｒｉｎｇ Ｃ ｏｍ ｐｌｅｘｉｔｙ ｗ ｉｔｈ Ａ Ｃ Ｅ ａｎｄ Ｐａｔｔｅｒｎｓ［Ｍ ］．马维达， 译．武汉： 华中科技大学出版社．２００３． ［６］ 王 继 刚 ， 顾 国 昌．构 架 与 模 式 在 通 信 系 统 软 件 中 的 应 用 研 究［Ｊ］．计算机应用， ２００３， ２３（ １１） ： ４３－４５．
从《大功率半导体器件产品目录》上的“普通晶闸 管”系列中查到有以下几种元件可能满足要求， 它们
具体的计算式为：
２
通态损耗： ＰＴ（ＡＶ）＝ＩＴ（ＡＶ）×ＶＴ０ ＋２．４６×ＩＴ（ＡＶ）×ＲＴ０ 总损耗： Ｐｔｏｔ ＝１．１×ＰＴ（ＡＶ）
分别是： ＫＰＡ１４００－ ２４、ＫＰＸ１９００－ ２４ 和 ＫＰＢ３０００－ ２４。
收稿日期： ２００６－ ０６－ ０５ 作者简介： 李毅梅（１９７１－ ）， 女， 辽宁省黑山县人， 工学硕士， 主要从事电工电子的教学、课程设计和科研工作。
·７２·
李毅梅： 晶闸管器件的选型及其散热器的选择
即： Ｐ ＝ＶＩ 则平均功率
壳热阻 Ｒｊｃ， 接触热阻 Ｒｃｓ 和散热器热阻 Ｒｓａ。 通常样 本参数给出的结壳热阻是在直流工况和正弦导通
正向电流所引起的热损耗使晶闸管 Ｐ－ Ｎ 结发 热， 导致结温上升。此时， 热量向管壳→散热器的散 热片→空气扩散。但在热量的扩散过程中各介质对 热量具有一定的阻力（ 即热阻） ， 并且热的传递也需 要一个过程， 这样晶闸管芯片的 Ｐ－ Ｎ 结温度最高， 也就是说在正常的通态过程中， 晶闸管的壳温比结 温低得多。
（下转第 ８０ 页）
·７３·
程德蓉， 李昌贵， 刘敬强： 一个基于 ＡＣＥ 的微总线的设计与实现
这说明微总线架构是可行性的。
４ 结语
虽然对微总线进行了深入研究， 得出一些有用 的方案思路， 但是将该技术推广到复杂的业务应用 领域还要做许多工作。今后还应加强研究解决以下 问题：
（ １） 总线的模型比较简单。所有的构件数据交 互都是通过同一总线进行的， 总线的数据压力和并 发压力过大。
降而产生的功率损耗； ｂ． 在正向和反向阻断其间， 由于阻断电压使得
流过的阻断电流而产生的功率损耗； ｃ． 控制极控制功率所产生的功率损耗； ｄ． 器件开关过程中的开关功率损耗。 在以上几种功率损耗中， 在通常使用状态下， 正
向电流导通时的功率损耗所占比例最大， 但当使用 频率超过 １ ０００Ｈｚ 时， 开关功率损耗也是不容忽视 的。因此， 在工频应用场合， 可仅考虑 ａ 项功率损耗， 在工频范围以上时， 还须考虑 ｄ 项功率损耗。
第８卷 第４期
重庆科技学院学报（ 自然科学版）
２００６ 年 １２ 月
晶闸பைடு நூலகம்器件的选型及其散热器的选择
李毅梅 （湖南冶金职业技术学院， 株洲 ４１２０００）
摘 要： 介绍了功率半导体器件晶闸管功率损耗的计算，以及器件和散热器的选择。在使用时，应根据实际工况计算出
其功率损耗再做相应的选择， 这样才能保证器件的正常使用和工作。
另行选择热阻小的散热器或改善冷却条件， 或者另
选其他型号器件和散热器［３］。
θ－ １ ｓｉｎ２θ
其中： Ｆ２ ＝! ２
定义为导通因子
２
（１－ ｃｏｓθ）
式中： ＶＴ０—半导体器件门槛电压； ＲＴ０— 半导体器件斜率电阻； ＩＴ— 流过半导体器件正向平均电流； θ— 半导体器件导通角。
３ 元件与散热器选配
晶闸管的额定正向通态平均电流是使器件壳温 不超过某一指定值时阳极和阴极可连续通过的工频 正弦半波电流平均值。如果电流波形不是正弦半波 波形， 那么允许正向平均电流就不同于额定正向平 均电流。
２ 器件功率损耗的计算
在晶闸管正向导通期间， 会在其结上产生热损 耗， 这个热损耗是器件的功率损耗所产生的。
对于正弦半波电流， 其平均功率并不等于平均 电压乘以平均电流， 而是将瞬时功率在一周内平均， 瞬时功率 Ｐ 等于瞬时电压 Ｖ 和瞬时电流 Ｉ 的乘积。
现在我们必须在所有 ２ ４００Ｖ 的器件中来选择 损耗的存在， 取通态损耗值的 １．１ 倍作为元件的总
最适合的， 这些器件的主要差异是大小不一， 以及电 的功率损耗值， 再用总的功率损耗值来计算所需散
流等级的不同。
热器的热阻值， 所得数据如表 ２ 所示：
由于 Ｉｄ ＝ ３ ６００Ａ， 那么每个器件的平均电流值 为 ＩＴ（ＡＶ）＝１ ２００Ａ。
（ ２） 联邦构件的协同能力， 有待进一步改善。模 型是基于简单的应用， 只是证明了基于总线的联邦 构件模型的可行性。
（ ３） 建立构件执行环境， 解决本地构件和远程构 件操作的位置透明性。
参考文献 ［１］ Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｄ Ｈ ｕｓｔｏｎ， Ｊａｍ ｅｓ Ｃ Ｅ Ｊｏｈｎｓｏｎ， Ｕ ｍ ａｒ Ｓｙｙｉｄ．Ａ Ｃ Ｅ
热器， 热阻值分别为 ０．０１４ Ｋ／Ｗ 和 ０．０２４ Ｋ／Ｗ。从风
１ 晶闸管及其散热器概述
晶闸管是一种四层三端器件， 在应用过程中它 能承受的最大通态电流受运行情况和通风散热等因 素的制约， 散热器的散热效果越好， 元件就能通过越 大的电流。并不是器件的额定值是多少， 实际应用 就能达到这个数值， 尤其是元件在串、并联应用的情 况下更是如此。并且相同的器件， 当温度一定（ 或者 说散热器上某一点温度一定） ， 其导通角不同时， 通 态电流也会不同。由于晶闸管的电特性值取决于温 度， 在数据手册中给出的电特性数据在许多情况下 也连同温度数据一起给出。所有数据均是在工作频 率为 ４０￣６０Ｈｚ 范围内给出， 若器件的工作频率超出 此频率范围应用时， 其额定值也应该降等级。因此， 在使用晶闸管散热器件时一定要充分考虑上述因 素， 正确、合理地应用［１］。
（ 上接第 ７３ 页）
散热器热阻：
ＲＳＡ
＝
Ｔｊ
－
Ｐｔｏｔ
×（Ｒｊｃ ＋Ｒｃｓ Ｐｔｏｔ
）－
ＴＡ
由表 １ 和表 ２ 可以看出， 器件承受浪涌电流的
能力都没问题， 而且都能承受 １ ２００Ａ 的通态平均电
流。然而， 如果选择 ＫＰＡ１４００－ ２４、ＫＰＸ１９００－ ２４ 这两 种器件中的一种， 则需要配置散热效果非常好的散
２．１８１
０．０２４
ＫＰＢ３０００－ ２４
１．６８９
１．８５８
０．０３６
考虑 ２．５ 的过冲系数， 晶闸管的电压等级为：
查《大功率半导体器件产品数据手册》， 得到的
ＶＤＳＭ≥９３３Ｖ×２．５ ＝ ２ ３３３Ｖ → ２ ４００Ｖ ２） 元件和散热器的选择
数据如表 １ 所示： 用以上数据计算元件的通态损耗， 考虑到其他
样， 这里总热阻也为上述三部分之和。即：
Ｒｊａ ＝ Ｒｊｃ＋Ｒｃｓ＋Ｒｓａ
（ ３）
这样当我们选定某型器件及散热器之后， 可用
下述公式来计算器件的最后工作结温 Ｔｊｍ。
Ｒｊａ ＝ （ Ｔｊｍ－ Ｔａ） ／ Ｐ
（ ４）
即： Ｔ ｊｍ ＝ ＲｊａＰ＋Ｔａ
（ ５）
此时若计算出的 Ｔｊｍ 大于器件最高 Ｔｊｍ， 则应当
关键词： 功率器件 ； 晶闸管； 功率损耗； 散热器
中图分类号： ＴＮ３４１
文献标识码： Ａ
文章编号： １６７３－ １９８０（２００６）０４－ ００７２－ ０２
随 着 电 力 半 导 体 器 件 向 高 电 压 、大 电 流 方 向 发 展， 越来越多的使用者偏向选择更大容量等级的器 件。这主要是从优化线路、减小装置体积、降低成本、 简化装配的角度考虑。但在实际应用中， 电流和电 压并不简单是各个元器件相应数据的叠加。笔者就 晶闸管器件的选型及其散热器的选择进行分析。
３．１ 根据热阻确定器件能承受的最大通态电流
这里我们所谈的热阻应当包括所有的热阻即结
３．２ 元件与散热器选配应用实例 例如： 控制直流马达需要一个三相晶闸管整流
桥， 设线电压是 Ｖｌｉｎｅ ＝ ６６０Ｖ（ＲＭＳ）， ５０Ｈｚ， 直流电流输 出 Ｉｄ＝３ ６００Ａ， 晶闸管空气冷却， 最高环境温度为 ＴＡ＝ ４０℃， 希望的浪涌电流值为 ＩＴＳＭ＝２０ｋＡ。选配元件与 散热器。
! ＰＴ ＝
１ ２π
π
ＶＩｄｔ
α
（ １）
式中 α为控制角 ， α＝π－ θ（ θ为导通角）
此 时 设 半 导 体 元 件 的 门 槛 电 压 为 ＶＴ０， 斜 率 电 阻 为 ＲＴ０， 则 在 器 件 通 过 电 流 Ｉ 时 ， 器 件 正 向 通 态 电压为：
ＶＴＭ ＝ＶＴ０＋ＲＴ０Ｉ 又已知： Ｉ ＝ ＩＭｓｉｎθ 代入（ １） 式， 并经推导可得：
１） 电压设计 额定线电压的峰值为：
Ｖ０（ｍａｘ） ＝ Ｖｌｉｎｅ ×" ２ ＝６６０×１．４１４＝９３３Ｖ
表 １ 三种系列普通晶闸管的主要参数
门 槛 电 压 ／Ｖ
斜 率 电 阻 ／ＭΩ
结壳电阻／（Ｋ／Ｗ） 接触电阻／（Ｋ／Ｗ） 浪涌电流／ｋＡ
ＫＰＡ１４００－ ２４
１．０５
０．２９８
０．０１５
０．００４