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SSR散熱問題

閱讀:1008        發布時間:2021-3-22

使用SSR時,應考慮的重要問題之一 是必須采用有效的方法疏散SSR外殼 中的熱量而不能過度地任它承受。Z常見的方法是使用散熱片。SSR具有 較高的“接觸”耗散,超過1 W/A。

 
 

圖18:簡化的熱模型

對于5A以下的負載,通過圍繞SSR 自由流動的空氣或強制氣流圍繞SSR 流動進行冷卻通常就足夠了。電流更 大時,需要確保散熱面與散熱片良好 接觸。這需要將SSR底座安裝到良好 的熱導體上,通常為鋁。用導熱硅脂 或散熱膏便可實現SSR和散熱片之間 的良好熱傳輸。使用該方法時,SSR 外殼到散熱片的熱阻(RΘCS)被降到 0.1°C/W(攝氏度/瓦)或更小,小到 可以忽略不計。該值通常被假定并包 含在熱數據中。圖18中的簡化熱模型 顯示了熱設計中要考慮的基本要素。 由用戶確定的值包括前面所述的外殼 到散熱片的界面熱阻(RΘCS),以及散 熱片到環境的界面熱阻(RΘCS)。

熱計算

圖18顯示了輸出半導體結點與周圍環 境之間的熱關系。TJ - TA是結點到環 境的溫度梯度或溫度下降值,它是熱 阻的總和乘以結點功率耗散(P瓦) 。因此
TJ - TA = P(RΘJC + RΘCS + RΘSA)
其中
TJ = 結點溫度°C
TA = 環境溫度°C
P = 功率耗散
      (ILOAD x EDROP),W

RΘJC = 結點到外殼的熱阻,
        °C/W
RΘCS = 外殼到散熱片的熱阻,
        °C/W
RΘSA = 散熱片到環境的熱阻,
        °C/W

使用此公式時,必須已知gao結點溫 度,典型值為125°C,以及實際功率 耗散,比如說10A的SSR為12W,假 定輸出半導體兩端有1.2V的有效 (并非實際)壓降。通過乘以有效壓 降(EDROP)確定功率耗散(P瓦)。

假設從結點到外殼的熱阻(RΘJC)為 1.3°C/W,將上面的典型值代入公 式,可以找出未知參數的解法,如 大負載電流、gao工作溫度,以及合 適的散熱片熱阻。當已知這些參數中 的兩個時,可以解出第三個,如下面 的示例中所示:

 

無論SSR在散熱片上使用還是外殼由 其它方法冷卻,當特定參數已知時, 可以通過直接測量底座溫度來確認合 適的工作條件。使用同樣的基本公 式,只是用底座溫度(TC)替代環境溫 度(TA)且刪除RΘCS和RΘSA。此時,溫 度梯度變成了TJ - TC,是熱阻(RΘJC) 乘以結點功率耗散(P瓦)。因此:

TJ - TC = P(RΘJC)

參數關系相似,可以找出gao允許外 殼溫度、大負載電流和要求的結點 到外殼熱阻(RΘJC)的解法。同樣,當 已知這些參數中的兩個時,可以解出 第三個,如下面示例中所示(使用前 面的值):

 

在示例(a)到(c)中,確定了使用散熱 片的SSR與環境空氣溫度相關聯的工 作條件。同樣地,只要給出外殼的散 熱特性(RΘJA)的值,也可以確定在自 由空氣中工作的無散熱片的SSR的條 件。此值極少給出,當給出時經常與


 

圖19:熱運行曲線(25 A SSR)

(RΘJC)結合起來,用(RΘJA)表示。 公式如下:

 

與前面一樣,此公式可以用來計算 大負載電流和gao環境溫度。但是, 由于有許多變量影響外殼與空氣之間 的關系(即定位、安裝、堆疊、空氣 運動等),解出的值可能不太準確。

自由空氣的性能通常與5A以下的 PCB或插接SSR有關,沒有金屬底 座可以測量。在什么地方測量空氣溫 度通常是一個問題。對此沒有一個明 確的答案。當SSR緊密地堆疊在一 起時,每個都為與其相鄰的部件創造 一種虛假環境,測量就更加困難了。 建議的一種方法是在距目標SSR約1 英寸的水平面上放一只溫度探頭或熱 電偶。這種方法比較精gao且允許重復 操作。

額定值

較低功率的SSR的自由空氣性能在產 品目錄中常常用單條降級曲線說明, 是基于前面公式的電流與環境溫度關 系曲線,這適合大多數情況。


 

圖20:典型的輕型壓鋁散熱片(端部 視圖)

散熱

在壞的情況下,SSR外殼溫度應不 超過圖19中右邊縱向刻度所示的gao允許溫度。

圖20以外形輪廓形式顯示了壓鋁散 熱片材料的典型的翅片狀斷面。2英 寸長的這種材料的熱特性接近于圖 21中的曲線(a),同樣,4英寸長的材 料接近于曲線(b)。此處假設散熱片 的定位使翅片處在垂直面上,氣流不 受阻。


 

圖21:典型散熱片特性

作為一般規則,2英寸長的擠壓散熱 片(曲線(a))適合額定值gao為10A 的SSR,而4英寸長(曲線(b))的將 用在額定值gao為20A的SSR上。對 于額定值大于20A的電力SSR,則需 要圖22所示的重型散熱片。5.5英寸 長的擠壓散熱片的性能接近于圖23所


 

圖22:典型的重型壓鋁散熱片的端部 視圖

 

圖23:重型散熱片的典型自由運動空氣特性,溫升與耗散的功率

示的特性。

并非所有散熱片制造商都用°C/W來 表示散熱片的特性。有些制造商用相 對于環境溫度的溫升值表示,如圖23 所示。在這種情況下,通過用功率耗 散(W)除以溫升(°C)來得到RΘSA的 值。例如:取功率耗散刻度軸上60W 的點,自由空氣曲線將指示40度的溫 升。因此:

 

SSRL240DC50固態繼電器,圖片小于實際尺寸,帶FHS-2散熱片

在許多應用中,SSR安裝在一個面板 或底座上,這也足以作為散熱片了。 通過保證平坦、使用散熱膏和刮除油 漆等措施da程度地提高效率,要如 前面所述確認是否工作正常,只需在 gao環境溫度下測量底座(SSR)的溫 度就可以了。

如果SSR裝置未提供適當的散熱片, 可從現有多種市售散熱片中選擇。每 種配置具有自己*的熱特性,通常 制造商的性能曲線和應用數據都有充 分說明。

 

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