提高晶闸管结温的途径

姚亚玲

（浙江省杭州建德市工业技术学校 311612）

目前，在我国的电力系统中，柔性交流输电设备和高压直流输电设备得到了非常广泛的应用。在这些输电设备中，会经常使用到晶闸管器件。随着电力设备开发技术的进一步发展，现在有关晶闸管技术的研究已经成为电力设备研究的重要内容。

晶体闸流管简称晶闸管，一般也被叫做可控硅。1957年，它首先由美国通用公司开发生产出来。晶闸管可以在高电压、大电流的条件下工作，其工作过程很容易被控制，因此晶闸管被采用于高压电路的整流、调压、开关和各种电子电路中。随着大功率半导体技术的发展，现在功率较大的晶闸管已经成为高压输电电路中重要的电力设备设施，它对电力设备的可靠性会产生很大的影响，甚至会影响到整个输电系统的安全。晶闸管由于在较大的电流下工作，因此会散发出大量的热能，如果要保证晶闸管能够长期稳定的工作，就需要晶闸管的结温温度不能超过规定的温度，以避免温度过高导致晶闸管性能下降，甚至被烧毁，影响到整个电路的安全。晶闸管的物性通常是由其所使用的材料和制作工艺决定的，它的电气特性和使用寿命与结温温度有很大的关系。而晶闸管的结温温度又与晶闸管的阻抗有直接关系，因此，降低晶闸管的阻抗，提高晶闸管结温温度，对增加晶闸管的可靠性具有重要的意义。

1 晶闸管的散热分析

在正常工作状态下，晶闸管发热的部位主要发生在其内部的PN结处。工作中电路的通态、开关、正反向转换等，都会造成电能损耗，使晶闸管温度升高。其中通态的损耗又是晶闸管发热的最主要原因。这些热量首先会先传输到晶闸管的管壳处，再传导给散热器，然后再通过散热器将热量扩散到空气中，起到散热降温的作用。因此，要想提高晶闸管的结温温度，需要设法降低以上三个方面的阻值。

首先要降低PN结处至晶闸管管壳的阻值。这部分阻值被称为结壳阻值，它与晶闸管的生产工艺有密切的关系，它是晶闸管中最主要的技术指标之一。一般，生产厂家都会对其阻值进行标识，以便使用者根据需要进行选择。其次，要降低晶闸管管壳至散热器的阻值，这部分阻值被称为接触热阻，它与晶闸管和散热器的压接工艺有关，它是一个可以调整控制的阻值。可以通过提高连接介质的导热率，增大接触面积等来调整。第三，要降低散热器表面到空气间的阻值，这部分阻值被称为散热器热阻。在晶闸管生产过程中，散热器的选择对晶闸管的结温温度会产生重要的影响，当晶闸管被封装后，要想提高晶闸管结温温度，就只能通过调整散热器热阻，如增加散热器的尺寸和冷却速度等来调整。对于大功率晶闸管，最主要的还是通过降低接触热阻和散热器热阻来提高结晶温度。

2 提高压接技术来减小接触热阻

晶闸管与散热器的接触表面，不管精度要求多么高，都会存在一些空隙。如果不在这些空隙中加入一些结合剂，就会使空隙中存有一些气体，增加接触热阻的阻值。因此，在大功率晶闸管中通常都会填充一层介质，降低接触热阻的阻值。

在晶闸管和散热器的压接过程中，随着压接夹具压力的增大，压接面的空隙会减少，接触热阻的阻值也就会随之减小。但当压接力大到一定程度时，接触热阻的阻值就不再减少反而增加。通过材料力学理论分析：材料在受到外力时，会发生弹性变形，此时变形量与外力大小成正比。当外力大小超过材料承受的临界值时，材料就会产生塑性变形。这时，材料失去弹力。因此，当晶闸管压合力过大时，晶闸管很容易被损坏。所以，要设定固定的压力值，使阻值尽可能低，以提高晶闸管的结晶温度。另外，晶闸管与散热器之间的空隙需要填充介质，如下图。不同的介质之间接触热阻相差很大，不同的介质加注方法也会对阻值产生影响。因此，一定要选择合适的介质和加注方法。如图1；

图1

3 改善风冷结构，降低散热器热阻

3.1 合理选择散热器

晶闸管在工作状态下产生的热量，主要是通过管壳与散热器接触后传导到散热器，然后由散热器传递到周围空气。因此，要将热量快速的传散给空气中，就必须选择合适的散热器。不同形状、不同尺寸的散热器，它的热能容量也有差异。在一定的范围内，散热器的热能容量是与其接触空气的面积成正比，但如果散热器过大，不利于散热器的开发和安装，也会与晶闸管不匹配。所以，选择散热器时，要根据晶闸管的要求、特征来考虑选择匹配的散热器。

3.2 增压风压和风速，提高散热效果

通常情况下，晶闸管散热器都是通过空气的流动来散发热量、降低温度。因此，风速的大小会对晶闸管的降温效果会起到非常大的影响作用。开发人员在设计时，需要考虑散热器的风速应达到一定的速度。另外，还要考虑风压产生的影响。如果风速过低，风压不够，冷却风就无法吹到散热器的接触面上，就达不到散热降温的效果。因此，可以在进风口散热器与风道间加装挡流板，增加风速和风压，使风可以从散热器的翼片间流过，增大散热器与空气的热交换效率。

3.3 合理设计风道，增大传热效率

图2

相关理论认为，气体在以湍流形式从散热器表面流过时，会比层流形式传递热量要高许多。因此，可以通过调整部分风的风向来使进入散热器缝隙的气体形成湍流，增大传热效率。比如，可以在进气处设置激流板或激流丝，使部分风的流向产生改变，如下图。或者可以把散热器翼片用窄槽分为几段，增大风阻，使气流通过时产生湍流，提高散热效果。如图2

4 应用举例

4.1 实例1

某电厂机组功率柜在运行时，经常出现温控开关动作的现象。些时，晶闸管的温度达到70度，迫使功率柜只能限电运行。经过分析，其主要原因是散热器风机的压力过小，该风机散热器翼片处的风压经测试只有一百帕左右，比功率柜散热器压头处的压力损失了近三分之二。它的风道设计的也不合理，空气没有产生湍流，热交换效率比较低。因此，对其进行了技术改造。首先，把风机加大功率，换成四百帕压力的风机。第二，更改了风道，将风道设计为喇叭状，在风道口处加装挡流板，使进入的空气产生湍流，增加热交换效率。技术改造完成后，对其效果进行了评估，测试结果表明，功率柜投入运行后，晶闸管温度最高只达到51度，非常稳定。

4.2 实例2

在另一电厂中，功率柜在进行大电流失验时，发现晶闸管温度升高较高，最高达到一百度左右。而散热器温度却比较正常，没有超过规定标准，温控开关也没有进行动作。将晶闸管组件拆开后，发现由于压接时受力不均匀，使导热介质只涂装了接触表面的三分之二。重新压接后，测量晶闸管结温温度，趋于正常。

5 结论

综上所述，要提高大功率晶闸管的结温温度，一定要在降低晶闸管的结壳阻值、接触热阻和散热器热阻等三个方面入手。在这三个热阻中，由于结壳阻值是由生产厂家来决定，很难再去改变。因此，开发设计人员更多的是要从后两者中想办法。降低接触热阻可以通过提高压接工艺和使用优质的接触介质来实现。降低散热器热阻可以从增大散热面积，提高风速风压，改变风流状态等方面来实现。总之，开发设计人员要根据晶闸管的实际需求和特征尽可能的选择更经济、合理的方案来提高晶闸管的结温温度。

[1]王爽.关于提高晶闸管结温的途径[J].中国科技投资.2013（3）

[2]李漫；项建华.提高晶闸管结温的途径[J].半导体技术.2005（12）

[3]张德骏等提高功率晶体管封装性能的技术措施[J].半导体技术.2001（8）

[4]胡永雄；常忠廷；；一起换流阀晶闸管非周期触发试验事故分析[J]；华北电力技术；2010年11期

[5]雍巍伟；晶闸管触发控制和多路实时检测系统的研究[D]；西安电子科技大学；2007年

[6]万和勇.李小国；提高大功率柜晶闸管散热效果的主要途径[J].电力电子技术2002（2）