大功率电流源型整流装置散热设计

闫春乐 ， 简优宗

（1.南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，江苏南京211106；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京211106）

1 前言

大功率电流源型整流装置大量应用，整流元件的散热设计成为影响设备效益和寿命的一个重要因素。目前多采用软件仿真来进行热设计，但是准确的仿真需要依赖于精确的仿真模型，很多时候散热器厂家和风机厂家无法提供很精确的仿真模型，而是在产品手册上提供相应的特性曲线。文中用等效热阻法对热源周围温度场分布进行说明后，介绍了一种通过数据解析和曲线拟合求解风机工作点进行散热设计的方法，可以准确快捷地进行散热设计，并能够模拟在风道受阻风压增大后的散热情况。

2 热源周围温度场分布

大功率电流源型整流装置整流元件常采用压接式晶闸管，晶闸管二侧与散热器紧压在一起，晶闸管产生的热量通过二侧的散热器传递到空气中。晶闸管与散热器连接意图如图1所示。热源为晶闸管内核，内核与外界空气之间的温度场分布可以通过等效热阻法计算，温度场中各段热阻和温度点分布图如图2所示。

图1 晶闸管和散热器连接示意图

图2 等效热阻法计算各点温升

各段热阻二端温度降符合热力学欧姆定律，各点温度关系表达式如下：

其中Ta为环境温度，Th为散热器表面温度，Tc为晶闸管基板温度，Tj为晶闸管结温。Rjc为晶闸管内核到基板之间的热阻，其值大小与晶闸管生产工艺有关，在晶闸管产品手册中可以查到。Rch为晶闸管基板到散热器表面之间的热阻，与压接情况有关，在晶闸管产品手册中有压接要求及对应热阻。Rha为散热器表面到空气的热阻，由散热器的尺寸、材质以及散热风量决定其大小，在选定散热器后主要取决于通风量。

3 散热设计步骤

散热设计的任务是根据整流元件工作工况和散热器特性选择风机，并校验其性能是否满足要求。具体步骤如下：

第一步：计算出功耗P，在晶闸管数据说明书上查出热阻Rjc、Rch，根据最高允许结温Tjmax和环境温度 Ta，通过式（1）－式（3）求出散热器和空气之间的最大允许热阻Rha。

第二步：根据散热器的热阻－风速曲线，确定最小需要风速，根据有效截面积计算出风量。

第三步：将散热器风压－风量曲线和拟选择风机风压－风量曲线进行拟合，判断工作点风量是否满足要求，最终确定风机。

以下通过样例进行详述。

3.1 电流源型整流装置的电量关系及功耗计算

电流源型整流装置与电压源型整流装置区别是直流侧采用电抗器储能，运行过程中直流电流维持恒定。

在三相全控桥式电路中，设直流侧电流为Id，每个晶闸管中电流波形如图3所示。

图3 电流型整流装置电流波形

晶闸管损耗分为开关损耗和通态损耗，对于工作频率为工频及以下的变流装置，晶闸管通态损耗占绝大部分，在工程设计中开关损耗可以忽略。三相全控桥通态损耗Pcond的计算公式如下：

其中：V（T0）为晶闸管导通压降，IAV为电流平均值，IRMS为电流有效值，rT为晶闸管斜率电阻，Id为直流侧电流。

如某轧钢厂项目电机工作时直流电流Id＝3.24kA，选用晶闸管参数如下：

代入公式（4）计算得到每个晶闸管功耗导通损耗为2224W，工程上认为热源功耗P＝2224W。

由于晶闸管最高允许结温为125℃，留出安全余量，取目标值Tj＝100℃。考虑最严厉的工况环境温度 Ta＝45℃。

结合式（1）－式（3）求得散热器和空气间热阻Rha＝18k/kW。散热器允许温升为 P×Rha＝40℃。

3.2 单个散热器风速和风量的确定

按照散热器厂家给出的资料，拟选散热器的风速－热阻曲线图如图4所示。

图4 散热器风速－热阻曲线

从图4中读出热阻18k/kw时对应风速为6m/s。该散热器有效截面积为s＝0.018m2，求得单个散热器需求风量为：Q＝v0×s＝0.108m3/s＝389m3/h。

3.3 风道特性及风机的选择

由风机、散热器特性曲线可知，风机输出风量并非定值，风机与风道相互影响，因此在初选风机后需要求出实际工作点，判断是否满足要求。文中通过风压－风量关系曲线拟合方式来求解工作点。

柜内风道设计一般有串联风道和并联风道两种，由于串联风道二个散热器进风口温度差别较大，晶闸管温升相差悬殊，因此常采用并联风道。其特点是总风量等于各散热器风量之和，风压等于一个散热器的风压。

设柜内并联散热器数量为n，一个散热器风量为Q0，则总风量为nQ0。整个风道的风压为进风窗风压、散热器风压和回路风压之和。长时间工作后进风窗压力受灰尘影响会增大，需要在设计中根据经验值增加该部分压力。

图5 风道的风压－风量特性曲线

图5所示是厂家给出的样例中选用散热器的特性和整个风道的风压风量曲线图。其中整个风道曲线考虑了进风窗风阻的影响。

将风道的风压风量曲线和预选风机的风压风量曲线在同一张图中拟合，交叉点即为实际工作点。根据实际工作点的风量是否满足要求即可判断风机是否适合。

样例中所选风机及风道曲线拟合如图6所示，3条曲线分别为风机特性曲线、新风道特性曲线，风道有一定灰尘后特性曲线。由图6可见新风道下风机工作于A点，总风量约2800m3/h，每个散热器风量为467 m3/h；当工作一段时间，风道有灰尘受阻之后，风压增大，风机工作于B点，此时风量为 2600m3/h，每个散热器风量为 433 m3/h，满足每个散热器风量389 m3/h的设计要求。

图6 曲线拟合法求风机工作点

4 实验验证

按照上述设计生产了一套功率样柜，在3250A电流下进行温升拷机实验，在散热器贴近晶闸管的地方贴热敏电阻进行温度检测。在环境温度Ta＝23℃时连续拷机120min，记录最高温度数据如表1所示。

表1 温升实验结果

实验结果显示在额定电流下每个散热器的温升都接近且略低于设计目标值40℃，说明了该设计方法的正确性和合理性。

5 结束语

采用等效热阻法分析了热源周围的温度场分布，提出了散热设计的具体步骤和方法，给出了设计样例。最后按照设计结果生产样柜进行温升拷机试验，试验结果与设计值较吻合，表明了文中方法的正确性和合理性，为实际工程设计提供了一套准确合理的实用方法。