Keuze van SCR-module en koellichaam: thermisch bewijs vereist

In deze handleiding wordt uiteengezet welke gegevens moeten worden opgevraagd voordat een koellichaam voor een thyristormodule wordt gekozen. De nadruk ligt op invoergegevens, berekeningsgrenzen en verificatie, en niet op het voorschrijven van een thermische weerstandswaarde voor een onbekende schakeling. De exacte bestelcode van de SCR en de golfvormen van de toepassing blijven essentieel.

Begin met de golfvorm van de toepassing

Noteer de schakelingstopologie en de functie van elke thyristor: gestuurde gelijkrichting, regeling van wisselstroom, zachte start of een andere functie. Noteer of de module één enkel element, een dubbele configuratie of een andere interne aansluiting bevat. Dezelfde nominale stroom kan in verschillende schakelingen leiden tot zeer uiteenlopende geleidingsduur, pulsvorm en warmteontwikkeling.

Geef de RMS-waarde en de gemiddelde stroomwaarde op die relevant zijn voor het verliesmodel van de fabrikant, samen met de geleidingshoek, herhalingsfrequentie, duty cycle en overbelastingsgebeurtenissen. Voeg indien mogelijk de stroomgolfvorm of een gevalideerde simulatie toe. Neem geen testpunt uit een datasheet voor sinusgolven en beschouw dit niet als een universele verlieswaarde voor een toepassing met pulsregeling of sterke pulsering.

Bepaal afzonderlijk de zwaarste continue belasting en de significante transiënten. Bij het opstarten, de inschakelstroom en kortstondige overbelasting kan een beoordeling van de thermische impedantie in transiënte toestand nodig zijn, terwijl bij continu gebruik een analyse in stabiele toestand vereist is. De thermische massa van een koellichaam is geen reden om herhaalde pulsen te negeren; herhaling kan ervoor zorgen dat het systeem niet meer terugkeert naar zijn oorspronkelijke temperatuur.

Verlies afleiden uit informatie uit het exacte model

Vraag de exacte parameters voor de spanning in geleidende toestand of het vermogensverlies van het betreffende model op, evenals de door de fabrikant aanbevolen berekeningsmethode. Wanneer de module uit meerdere componenten bestaat, breng dan het vermogensverlies per geleidend element en de totale warmte die in de gemeenschappelijke basisplaat wordt ingebracht in kaart. Het vermogensverlies is een input voor de thermische analyse; het is niet hetzelfde als het uitgangsvermogen of het nominale vermogen van de apparatuur.

Controleer of het gegevensblad krommen vermeldt bij bepaalde junctietemperaturen en stroomwaarden. Als een leverancier slechts één “typische” waarde opgeeft, vraag dan naar de omstandigheden waaronder deze waarde is gemeten en of er een maximale of ontwerpwaarde beschikbaar is. Vermeld de onzekerheid in plaats van een precieze sink-temperatuur te presenteren op basis van niet-geverifieerde typische gegevens.

Bij een gelijkrichter of een faseregelingssysteem moet zowel het geleidingspad als de stroomverdeling over de verschillende componenten in de loop van de tijd duidelijk worden weergegeven. Een dubbele SCR-module verdeelt de verliezen mogelijk niet gelijkmatig als het regelingsschema of de werking van het circuit asymmetrisch is. Het thermische model moet de daadwerkelijk gebruikte geleidende componenten weergeven en, indien nodig, de nabijheid van meerdere warmtebronnen op één koellichaam.

Lees het volledige thermische traject

Een vereenvoudigd warmtetransportpad in stationaire toestand loopt van de junctie naar de behuizing, van de behuizing via het thermisch interface-materiaal naar het koellichaam, en van het koellichaam naar de omgeving. Elke fase draagt bij aan de temperatuurstijging bij de betreffende warmtestroom. In de richtlijnen van Infineon voor de montage van modules wordt benadrukt dat het thermisch interface-materiaal, de toepassing en de geometrie van invloed zijn op de warmtegeleiding tussen de module en het koellichaam. Geen enkel standaard koellichaam uit de catalogus kan een slecht geregelde contactinterface compenseren.

Verkrijg de exacte gegevens over de thermische weerstand of de transiënte impedantie van de module en zorg dat u de referentiepunten voor de meting begrijpt. “Junction-to-case” is niet automatisch vergelijkbaar tussen verschillende interne configuraties of testconventies. Aan de thermische weerstandswaarde van de koellichaamleverancier zijn ook voorwaarden verbonden: er kan worden uitgegaan van een bepaalde luchtstroom, oriëntatie, basisoppervlak en een specifieke opstelling van de warmtebronnen.

Controleer waar de omgevingsreferentietemperatuur van de apparatuur wordt gemeten. De lucht in de buurt van een SCR-bank, in een volgepakte kast, kan warmer zijn dan de kamertemperatuur. Het vrije-luchtvermogen van een ventilator is niet gelijk aan de luchtstroom door de koelribben wanneer filters, afschermingen en nabijgelegen componenten zijn geïnstalleerd. Houd bij een ontwerpbeoordeling rekening met de relevante lokale toeluchtomstandigheden in plaats van de meest gunstige laboratoriumomgeving.

Vermeld de interface en de montageprocedure

Thermische pasta, een pad of in de fabriek aangebracht interface-materiaal maakt deel uit van het ontworpen warmtegeleidingspad. Noteer welk interface-materiaal voor de betreffende module is toegestaan, de vereiste vlakheid en reinheid van het oppervlak, en de door de fabrikant voorgeschreven volgorde voor het plaatsen en bevestigen. Een verandering van de gebruikte pasta of de montagedruk kan de contactweerstand beïnvloeden, zelfs als de elektrische module en het koellichaam ongewijzigd blijven.

Vraag naar het voorgeschreven aanhaalmoment, het bevestigingspatroon, de elektrische veiligheidsafstanden en eventuele instructies voor het opnieuw aandraaien of inbranden. Deze gegevens moeten afkomstig zijn uit de actuele installatiehandleiding van de module, niet uit een algemene aanhaaltabel. In de documentatie van Infineon over vermogensmodules wordt montage expliciet behandeld als een kwestie van thermische prestaties en betrouwbaarheid; voor RITOKS-producten zijn specifieke instructies voor het betreffende model vereist voordat de montage kan worden goedgekeurd.

Ga na of meerdere modules één koellichaam delen. Mechanische interferentie, warmteverspreiding, elektrische isolatie en belemmering van de luchtstroom kunnen de prestaties beïnvloeden. Als het koellichaam via de basis van een module elektrisch is verbonden met een deel van het circuit, moet bij het ontwerp rekening worden gehouden met de vereiste isolatie- en veiligheidsafstanden, in plaats van het koellichaam als onschadelijk metaalwerk te beschouwen.

Vergelijk natuurlijke en geforceerde convectie op basis van de installatiegeometrie

Natuurlijke convectie is sterk afhankelijk van de oriëntatie en de onderlinge afstand van de lamellen, en van de onbelemmerde opstijgende luchtstroom. Geforceerde convectie is afhankelijk van de door de warmtewisselaar gevoerde luchtstroom, en niet alleen van de vrije luchtstroom zonder ventilator. De keuze heeft ook invloed op de eisen op het gebied van geluid, stof, filters en onderhoud. Ga na of de behuizing de beoogde luchtstroom gedurende de gehele levensduur aankan.

Vraag een prestatiecurve van het koellichaam of de geteste thermische weerstand aan onder omstandigheden die zo dicht mogelijk bij de daadwerkelijke opstelling liggen. Als in de gegevens een andere afmeting van de warmtebron wordt gebruikt, vraag dan aan de leverancier van het koellichaam hoe je dit kunt corrigeren of testen. In de richtlijnen voor het selecteren van koellichamen van Infineon wordt benadrukt dat optimalisatie een iteratief proces is en dat de gepubliceerde thermische weerstand afhankelijk is van de manier waarop deze is gemeten.

Een koelreserve moet worden onderbouwd op basis van berekende onzekerheden, extreme omgevingscondities en aannames met betrekking tot het onderhoud. Als een koellichaam te groot wordt gedimensioneerd zonder de interface en de luchtstroom te controleren, kan de daadwerkelijke knelpuntplaats over het hoofd worden gezien. Omgekeerd kan een klein koellichaam alleen voor intermitterend gebruik aannemelijk zijn als het transiënte warmtemodel en de herhalingsfrequentie zijn gedocumenteerd.

Gebruik een tabel met thermische gegevens, geen vergelijking op basis van stroom alleen

Zorg ervoor dat alle invoergegevens gekoppeld blijven aan een tekeningrevisie en een ordercode. Een wijziging in de SCR-topologie, de modulebehuizing, het luchtpad of de stuurgolfvorm kan de oorspronkelijke warmteberekening ongeldig maken. De inkoopafdeling mag geen “gelijkwaardige” modules gebruiken op basis van alleen de stroom- en spanningsaanduidingen, als het thermische pad afwijkt.

Controleer dit door middel van een meting bij een representatieve belasting

De berekening dient ter selectie van kandidaten; de uitgevoerde tests dienen ter verificatie van het model. Bepaal vóór de test de bedrijfscyclus, de toestand van de behuizing en de meetpunten. Een temperatuurmeting aan de behuizing of aan de koellichaam is alleen zinvol als de locatie overeenkomt met het referentiepunt voor de berekening. Indien een directe junctiemeting niet mogelijk is, gebruik dan de door de fabrikant goedgekeurde methode om de junctietemperatuur af te leiden uit gemeten waarden en verliezen.

Controleer of er sprake is van een langdurige toestand met hoge belasting en van eventuele belangrijke tijdelijke of zich herhalende cycli. Leg de ventilatorsnelheid, de toestand van het filter, de omgevingstemperatuur en nabijgelegen warmtebronnen vast. Als de gemeten temperatuur afwijkt van de voorspelling, onderzoek dan de aannames inzake warmteverlies, de toepassing van de interface, de luchtstroom en de positie van de sensor. Vermijd het verdoezelen van een afwijking door zonder bewijs één veronderstelde weerstand aan te passen.

Neem controles op de productiemontage op. Een prototype dat zorgvuldig door een ingenieur is geassembleerd, kan anders presteren dan een seriemodel als de dekking van de samenstelling of de volgorde van bevestiging afwijkt. Geef inspectiepunten aan die in de productieruimte praktisch uitvoerbaar zijn, en leg vervolgens het geverifieerde montageproces vast in het productdossier.

Wat moet je meesturen bij een aanvraag voor een SCR-module?

Stuur de circuittopologie, golfvorm en duty cycle, de vereiste blokkeerspanning, mogelijke overbelastingssituaties, de beschikbare ruimte voor het koellichaam, de omgevings- en luchtstroomomstandigheden, de montageopstelling en de vereiste documentatie. Vraag de exacte gegevens over moduleverliezen en thermische eigenschappen, de technische tekening, richtlijnen voor de interface en installatie-instructies aan. De Categorie SCR-/thyristormodules helpt bij het identificeren van productfamilies; de keuze blijft modelafhankelijk.

Bekijk voor meer achtergrondinformatie over inkoop de MTA dual-SCR-serie, MTC SCR-serie of MTC-serie voor hoge stroomsterktes indien van toepassing. Deze pagina’s zijn geen vervanging voor actuele verliescurves of montagehandleidingen. Vraag RITOKS voor de specifieke documentenset voordat een ordercode wordt vastgelegd.

Veelgestelde vragen

Kan een koellichaam worden gekozen op basis van de nominale stroomsterkte van de SCR?

Nee. De nominale stroomsterkte is slechts één van de kenmerken van het apparaat. De daadwerkelijke golfvorm, verliezen, omgevingsomstandigheden, interface en koelopstelling bepalen de thermische vereisten.

Leidt het toevoegen van een ventilator gegarandeerd tot een hogere marge?

Alleen als er onder de installatieomstandigheden voldoende luchtstroom de betreffende lamellenoppervlakken bereikt. Controleer de filters, eventuele obstructies, de bedrijfsstatus van de ventilator en de prestatiegegevens van de afvoer.

Wat is het bewijs van definitieve oplevering?

Een modelspecifieke berekening, een gecontroleerde montagemethode en een representatieve temperatuurtest vormen samen de basis voor een onderbouwd besluit. Er is geen enkel document dat alle drie deze aspecten aantoont.

Conclusie

Bepaal eerst het elektrische verlies, traceer vervolgens het volledige warmtepad en controleer de geïnstalleerde assemblage. De keuze voor een combinatie van een SCR-module en een koellichaam is een systeembeslissing. Vermeld onopgeloste modelspecifieke thermische gegevens zichtbaar in de offerteaanvraag in plaats van deze te vullen met aannames uit de catalogus. Op de definitieve tekening moeten de gekozen module, het koellichaam, het interfacemateriaal, de luchtstroomrichting en de gevalideerde testomstandigheden worden aangegeven als één gecontroleerde assemblage.

Bronvermeldingen

• Infineon, 34 mm and 50 mm Solder Bond Modules — Use and Installation Manual (AN2018-07).
• Infineon: richtlijnen voor het ontwerpen van thermische systemen en het kiezen van koellichamen (algemene principes van koellichamen; dit is geen specificatie van de RITOKS SCR).
• Semikron Danfoss, Toepassingshandleiding voor vermogenshalfgeleiders.