Lựa chọn mô-đun SCR và bộ tản nhiệt: Cần có bằng chứng về nhiệt

Hướng dẫn này trình bày các thông tin cần thu thập trước khi lựa chọn bộ tản nhiệt cho mô-đun thyristor. Hướng dẫn tập trung vào các thông số đầu vào, phạm vi tính toán và quá trình kiểm chứng, chứ không nhằm quy định giá trị điện trở nhiệt cho một mạch điện chưa biết. Mã đặt hàng chính xác của SCR và các dạng sóng ứng dụng vẫn là những yếu tố thiết yếu.

Bắt đầu với dạng sóng ứng dụng

Ghi lại cấu trúc mạch và chức năng của từng thyristor: chỉnh lưu có điều khiển, điều khiển công suất xoay chiều, khởi động mềm hoặc chức năng khác. Lưu ý xem mô-đun đó chứa một thiết bị duy nhất, cấu hình kép hay một kiểu kết nối nội bộ khác. Cùng một giá trị dòng điện ghi trên nhãn kỹ thuật có thể tương ứng với thời gian dẫn điện, hình dạng xung và mức sinh nhiệt rất khác nhau tùy theo từng mạch.

Cung cấp thông tin về giá trị RMS và dòng điện trung bình liên quan đến mô hình tổn hao của nhà sản xuất, cùng với góc dẫn, tần số lặp lại, chu kỳ làm việc và các sự cố quá tải. Nếu có thể, hãy kèm theo dạng sóng dòng điện hoặc kết quả mô phỏng đã được xác thực. Không nên lấy điểm thử nghiệm từ bảng dữ liệu của sóng sin và coi đó là giá trị tổn hao chung cho các ứng dụng cắt xung hoặc có tần số xung cao.

Cần xác định riêng biệt tải liên tục lớn nhất và các hiện tượng quá độ đáng kể. Quá trình khởi động, dòng điện khởi động và tình trạng quá tải trong thời gian ngắn có thể đòi hỏi phải tiến hành đánh giá trở kháng nhiệt trong điều kiện quá độ, trong khi hoạt động liên tục cần phân tích trạng thái ổn định. Khối lượng nhiệt của bộ tản nhiệt không phải là lý do để bỏ qua các xung lặp lại; sự lặp lại này có thể khiến hệ thống không thể quay trở lại nhiệt độ ban đầu.

Xác định tổn thất dựa trên thông tin từ mô hình chính xác

Yêu cầu cung cấp các thông số về điện áp khi hoạt động hoặc tổn thất của mẫu cụ thể, cũng như phương pháp tính toán do nhà sản xuất khuyến nghị. Trong trường hợp mô-đun có nhiều thiết bị, cần theo dõi tổn thất trên từng phần tử dẫn điện và tổng lượng nhiệt truyền vào tấm đế chung. Tổn thất công suất là một thông số đầu vào cho phân tích nhiệt; nó không phải là công suất đầu ra hay định mức tải của thiết bị.

Kiểm tra xem bảng thông số kỹ thuật có cung cấp các đường cong ở các nhiệt độ điểm nối và điều kiện dòng điện cụ thể hay không. Nếu nhà cung cấp chỉ cung cấp một giá trị “điển hình” duy nhất, hãy yêu cầu họ cung cấp các điều kiện tương ứng và hỏi xem có giá trị tối đa hoặc giá trị thiết kế hay không. Nên ghi nhận mức độ không chắc chắn thay vì đưa ra nhiệt độ tản nhiệt chính xác dựa trên dữ liệu điển hình chưa được xác minh.

Đối với bộ chỉnh lưu hoặc hệ thống điều khiển pha, cần làm rõ cả đường dẫn dẫn điện lẫn phần dòng điện do từng thiết bị chịu trách nhiệm theo thời gian. Một mô-đun SCR kép có thể không phân chia tổn thất đều nhau nếu sơ đồ điều khiển hoặc hoạt động của mạch không đối xứng. Mô hình nhiệt cần phản ánh chính xác các thiết bị dẫn điện thực tế và, nếu cần thiết, khoảng cách gần giữa các nguồn nhiệt khác nhau trên cùng một bộ tản nhiệt.

Đọc toàn bộ lộ trình truyền nhiệt

Một đường dẫn nhiệt trạng thái ổn định được đơn giản hóa chạy từ điểm nối đến vỏ, từ vỏ qua vật liệu giao diện nhiệt đến bộ tản nhiệt, và từ bộ tản nhiệt ra môi trường xung quanh. Mỗi giai đoạn đều góp phần làm tăng nhiệt độ dưới tác động của dòng nhiệt tương ứng. Hướng dẫn lắp đặt mô-đun của Infineon nhấn mạnh rằng vật liệu giao diện nhiệt, cách thức ứng dụng và hình dạng đều ảnh hưởng đến quá trình dẫn nhiệt giữa mô-đun và bộ tản nhiệt. Không có mã tản nhiệt nào trong danh mục sản phẩm có thể bù đắp cho một bề mặt tiếp xúc không được kiểm soát tốt.

Cần thu thập dữ liệu chính xác về điện trở nhiệt hoặc điện trở quá độ của mô-đun và nắm rõ các điểm tham chiếu đo lường. “Từ điểm nối đến vỏ” không tự động có thể so sánh được giữa các cấu hình bên trong hoặc quy ước thử nghiệm khác nhau. Con số điện trở nhiệt do nhà cung cấp bộ tản nhiệt cung cấp cũng đi kèm với các điều kiện: có thể giả định về lưu lượng không khí, hướng đặt, diện tích đáy và cách bố trí nguồn nhiệt cụ thể.

Kiểm tra vị trí đo giá trị tham chiếu nhiệt độ môi trường xung quanh của thiết bị. Không khí gần dãy SCR, bên trong tủ chứa thiết bị chật chội, có thể nóng hơn không khí trong phòng. Thông số lưu lượng không khí tự do của quạt không phản ánh lưu lượng không khí đi qua các cánh tản nhiệt sau khi đã lắp đặt bộ lọc, tấm chắn và các linh kiện lân cận. Trong quá trình đánh giá thiết kế, hãy sử dụng điều kiện không khí đầu vào tại hiện trường thay vì điều kiện môi trường phòng thí nghiệm thuận lợi nhất.

Ghi rõ thông số kỹ thuật và quy trình lắp đặt

Chất dẫn nhiệt, miếng đệm hoặc vật liệu giao diện được nhà sản xuất phủ sẵn là một phần của đường dẫn được thiết kế. Cần ghi chép rõ loại vật liệu giao diện được phép sử dụng cho mô-đun cụ thể đó, độ phẳng và độ sạch bề mặt yêu cầu, cũng như trình tự lắp đặt và cố định theo hướng dẫn của nhà sản xuất. Việc thay đổi loại chất dẫn nhiệt hoặc áp lực lắp đặt có thể làm thay đổi điện trở tiếp xúc, ngay cả khi mô-đun điện và bộ tản nhiệt không thay đổi.

Hãy yêu cầu thông tin cụ thể về mô-men xoắn lắp đặt, bố trí bulông, khoảng cách cách điện và bất kỳ hướng dẫn nào về việc siết lại hoặc chạy thử. Những chi tiết này phải được lấy từ tài liệu hướng dẫn lắp đặt mô-đun hiện hành, chứ không phải từ bảng mô-men xoắn chung chung. Tài liệu về mô-đun nguồn của Infineon rõ ràng coi việc lắp đặt là một vấn đề liên quan đến hiệu suất nhiệt và độ tin cậy; các sản phẩm của RITOKS yêu cầu phải có hướng dẫn cụ thể cho từng mẫu sản phẩm trước khi cho phép lắp ráp.

Cần xem xét liệu nhiều mô-đun có chia sẻ chung một bộ tản nhiệt hay không. Sự can thiệp cơ học, sự lan tỏa nhiệt, cách ly điện và sự cản trở luồng khí có thể làm thay đổi hiệu suất. Nếu bộ tản nhiệt được kết nối điện với một phần của mạch thông qua đế mô-đun, thiết kế phải đảm bảo các yêu cầu về cách điện và khoảng cách an toàn cần thiết, thay vì coi bộ tản nhiệt chỉ là một chi tiết kim loại vô hại.

So sánh hiện tượng đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức trên cấu trúc lắp đặt

Sự đối lưu tự nhiên phụ thuộc rất lớn vào hướng của các cánh tản nhiệt, khoảng cách giữa các cánh và luồng không khí đi lên không bị cản trở. Sự đối lưu cưỡng bức phụ thuộc vào lưu lượng không khí được cung cấp qua bộ trao đổi nhiệt, chứ không chỉ riêng lưu lượng không khí tự do do quạt tạo ra. Sự lựa chọn này cũng ảnh hưởng đến các yêu cầu về tiếng ồn, bụi, bộ lọc và bảo trì. Cần xác định xem tủ có thể duy trì được lưu lượng không khí dự kiến trong suốt thời gian sử dụng hay không.

Yêu cầu cung cấp đường cong hiệu suất của bộ tản nhiệt hoặc giá trị điện trở nhiệt đã được kiểm tra trong các điều kiện gần giống với cách bố trí khi lắp đặt. Nếu dữ liệu sử dụng diện tích nguồn nhiệt khác, hãy hỏi nhà cung cấp bộ tản nhiệt về cách điều chỉnh hoặc kiểm tra lại. Hướng dẫn lựa chọn bộ tản nhiệt của Infineon nhấn mạnh rằng quá trình tối ưu hóa là một quá trình lặp đi lặp lại và giá trị điện trở nhiệt được công bố phụ thuộc vào phương pháp đo lường.

Dải dự phòng làm mát cần được xác định dựa trên độ không chắc chắn đã tính toán, các giá trị cực trị của môi trường xung quanh và các giả định về bảo trì. Việc thiết kế bộ tản nhiệt có công suất quá lớn mà không kiểm tra các điểm giao tiếp và luồng không khí có thể dẫn đến việc bỏ sót điểm nghẽn thực tế. Ngược lại, việc sử dụng bộ tản nhiệt có công suất nhỏ chỉ có thể được chấp nhận cho chế độ hoạt động gián đoạn khi mô hình nhiệt quá độ và tần suất lặp lại đã được ghi chép đầy đủ.

Hãy sử dụng bảng so sánh bằng chứng nhiệt, chứ không phải so sánh chỉ dựa trên dòng điện

Đảm bảo tất cả các thông số đầu vào đều được liên kết với phiên bản bản vẽ và mã đơn hàng. Bất kỳ thay đổi nào về cấu trúc mạch SCR, gói mô-đun, đường dẫn không khí hoặc dạng sóng điều khiển đều có thể làm cho kết quả tính toán nhiệt ban đầu không còn chính xác. Bộ phận mua sắm không được thay thế bằng các mô-đun “tương đương” chỉ dựa trên nhãn ghi dòng điện và điện áp nếu đường dẫn nhiệt khác nhau.

Kiểm chứng bằng cách đo lường ở mức thuế tiêu biểu

Việc tính toán giúp sàng lọc các phương án; thử nghiệm thực tế giúp xác minh mô hình. Cần xác định chu kỳ hoạt động, điều kiện bên trong vỏ bọc và các điểm đo trước khi tiến hành thử nghiệm. Giá trị nhiệt độ của vỏ bọc hoặc bộ tản nhiệt chỉ có ý nghĩa khi vị trí đo trùng khớp với điểm tham chiếu trong tính toán. Nếu không thể đo trực tiếp nhiệt độ điểm nối, hãy sử dụng phương pháp được nhà sản xuất chấp thuận để suy ra nhiệt độ điểm nối từ các giá trị đo được và tổn thất.

Kiểm tra trạng thái tải cao kéo dài cũng như bất kỳ trạng thái quá độ quan trọng hoặc trạng thái lặp chu kỳ nào. Ghi chép lại tốc độ quạt, tình trạng bộ lọc, nhiệt độ môi trường xung quanh và các nguồn nhiệt lân cận. Nếu nhiệt độ đo được khác với dự đoán, hãy kiểm tra lại các giả định về tổn thất, ứng dụng giao diện, luồng không khí và vị trí cảm biến. Tránh che giấu sự chênh lệch bằng cách điều chỉnh một giá trị điện trở giả định duy nhất mà không có bằng chứng cụ thể.

Cần bao gồm các biện pháp kiểm soát trong quá trình lắp ráp sản xuất. Một mẫu thử được kỹ sư lắp ráp cẩn thận có thể cho kết quả hoạt động khác so với các sản phẩm được lắp ráp lặp lại nếu độ phủ của hợp chất hoặc thứ tự siết chặt có sự thay đổi. Cần xác định các điểm kiểm tra phù hợp với điều kiện thực tế tại xưởng sản xuất, sau đó lưu giữ quy trình lắp ráp đã được xác minh cùng với hồ sơ sản phẩm.

Cần gửi những gì kèm theo yêu cầu về mô-đun SCR

Vui lòng gửi sơ đồ mạch, dạng sóng và chu kỳ làm việc, điện áp chặn yêu cầu, các sự cố quá tải có thể xảy ra, kích thước tản nhiệt có sẵn, điều kiện môi trường xung quanh và luồng không khí, cách bố trí lắp đặt cùng các tài liệu cần thiết. Yêu cầu cung cấp dữ liệu chính xác về tổn thất và nhiệt độ của mô-đun, bản vẽ cơ khí, hướng dẫn giao diện và hướng dẫn lắp đặt. Các Loại mô-đun SCR/thyristor giúp xác định các dòng sản phẩm; việc lựa chọn vẫn phụ thuộc vào từng mẫu cụ thể.

Để hiểu rõ hơn về bối cảnh nguồn cung ứng, hãy xem lại Dòng sản phẩm MTA dual-SCR, Dòng sản phẩm MTC SCR hoặc Dòng sản phẩm MTC dòng điện cao nếu thích hợp. Các trang này không thể thay thế cho các đường cong tổn thất hiện hành hay hướng dẫn lắp đặt. Hãy hỏi RITOKS đối với bộ tài liệu cụ thể trước khi khóa mã đơn hàng.

Các câu hỏi thường gặp

Có thể chọn bộ tản nhiệt dựa trên dòng điện định mức của SCR không?

Không. Dòng định mức hiện tại chỉ là một thông số mô tả thiết bị. Yêu cầu về nhiệt độ được xác định bởi dạng sóng thực tế, tổn thất, điều kiện môi trường xung quanh, giao diện và hệ thống làm mát.

Việc lắp thêm quạt có đảm bảo lợi nhuận cao hơn không?

Chỉ khi luồng không khí đủ mạnh tiếp xúc với các bề mặt cánh tản nhiệt liên quan trong điều kiện lắp đặt thực tế. Kiểm tra bộ lọc, các vật cản, trạng thái hoạt động của quạt và dữ liệu hiệu suất của bộ tản nhiệt.

Bằng chứng chấp nhận cuối cùng là gì?

Việc tính toán cụ thể cho từng mẫu sản phẩm, phương pháp lắp đặt được kiểm soát chặt chẽ và thử nghiệm nhiệt độ đại diện khi kết hợp với nhau sẽ tạo nên một quyết định có cơ sở vững chắc. Không có tài liệu nào chứng minh được cả ba yếu tố này.

Tóm lại

Trước tiên, hãy xác định tổn thất điện, sau đó theo dõi toàn bộ đường dẫn nhiệt và kiểm tra cụm linh kiện đã lắp đặt. Bộ đôi mô-đun SCR và tản nhiệt là một quyết định về hệ thống. Hãy giữ các dữ liệu nhiệt cụ thể của mô hình chưa được giải quyết hiển thị trong yêu cầu báo giá (RFQ) thay vì điền vào đó bằng các giả định từ danh mục sản phẩm. Bản vẽ cuối cùng cần xác định mô-đun, bộ tản nhiệt, vật liệu giao diện, hướng luồng khí và các điều kiện thử nghiệm đã được xác nhận như một cụm lắp ráp được kiểm soát duy nhất.

Tài liệu tham khảo

• Infineon, Mô-đun hàn liên kết 34 mm và 50 mm — Hướng dẫn sử dụng và lắp đặt (AN2018-07).
• Infineon, hướng dẫn thiết kế hệ thống tản nhiệt và lựa chọn bộ tản nhiệt (các nguyên lý chung về bộ tản nhiệt; không phải là thông số kỹ thuật của RITOKS SCR).
• Semikron Danfoss, Hướng dẫn ứng dụng các linh kiện bán dẫn công suất.