晶闸管在电焊机中的应用

　　中国电力电子产业网讯：焊机的工况是间断式的。即晶闸管在工作时结温升高，停止工作时结温又降到某一值。再次工作，结温又在此值基础上升高。这里就要用到“晶闸管设计实例1”中提到的“瞬态热阻”的概念。在此工况下，热平衡条件是由所安装的散热器及晶闸管的瞬态热阻之和决定的。计算公式见图1。
　　【图1】几种常见的负载条件下等效结温的计算公式


　　(一)举例说明。
　　例一：某焊机采用六相半波带平衡电抗整流线路。满负荷工作时，导通角120°。每只晶闸管通过的平均电流为66.8安，有效值电流为115.6安。采用CR101晶闸管。从图2查得功耗为102瓦，允许最高外壳温度为95℃。如果晶闸管配用图3中的G FIN型，长为150毫米的散热器，风速为2.5米/秒。焊机工作状态为工作120秒后中止80秒，那么此状态符合图1中的序号5工况。
　　【图2】晶闸管CR101功率损耗曲线


　　晶闸管工作时最高结温由以下公式计算：


　　这里，T为工作时间加间隔时间;
　　tp为间隔时间;
　　Rjc、Rca为稳态热阻;
　　Zt为某时刻t元件与散热器的瞬态热阻之和;
　　Ta为环境温度。
　　从已知条件得：T = 200秒，tp = 80秒，PAV为102瓦，
　　查图4及图3得： Rjc = 0.28 ℃/瓦，Rca = 0.4 ℃/瓦，
　　200秒时的瞬态热阻 ZT =(0.28 + 0.23)= 0.51 ℃/瓦
　　80秒时的瞬态热阻 Ztp =(0.28 + 0.11)= 0.39 ℃/瓦
　　280秒时的瞬态热阻 Z(tp+T) =(0.28 + 0.3)= 0.58 ℃/瓦
　　代入公式：


　　标准规定，晶闸管允许最高工作结温 Tj为125 ℃
　　Ta = Tj - 48.96℃ = 125–48.96 = 76.04 ℃
　　所以上例中的晶闸管理论上说可在75℃的环境温度下工作。
　　上述晶闸管在连续工作条件下的结温升：
　　Tj–Ta = PAV ×(Rjc + Rca)= 102 ×(0.28+0.4)= 69.36 ℃
　　比较两种工况的结果，两者结温升可差20℃。可见间隔工作的发热量小于连续工作。焊机可选用更经济的散热条件，即可选用散热面积较小(热阻较大的)的散热器。
　　【图3】G FIN散热器瞬态热阻曲线


　　例二：某电阻焊机用两只晶闸管反并联作初级脉冲电流控制用。若仍选用CR101晶闸管及150毫米长的G FIN型散热器，风速2.5米/秒。每次通电10个周波，问最大能通过多少峰值电流?
　　采用图1中序号2工况进行计算。
　　结温Tj = PAV·Zt1 + Ta


　　Zt1为10个周波后晶闸管和散热器瞬态热阻之和。
　　允许最高结温Tj=125℃，设环境温度 Ta=40℃
　　查图4及图3得知0.2秒(10个周波)后，晶闸管瞬态热阻为0.12℃/瓦，散热器瞬态热阻为0.01℃/瓦以下。所以 Zt1 = 0.12+0.01=0.13℃/瓦。
　　PAV =(125–40)/0.13 = 653瓦
　　然后用计算功耗的公式来计算该功耗下通过的峰值电流。此时晶闸管的导通角为180°，波形系数F=1.57，晶闸管(CR101)的门槛电压VTO=1.13V, 斜率电阻RTO =0.00175Ω
　　PAV = IF×VTO+(IF×F) IF 2×RTO
　　653 = IF×1.13+( IF ×1.57) 2×0.00175
　　解此方程，求得通过晶闸管的电流平均为：IF = 279.71A
　　其相应的峰值为 IFM = 279.71×π = 828.29A
　　所以在此条件下，晶闸管通过的10个周波浪涌电流峰值只能小于828A，而不是此种晶闸管额定的浪涌电流峰值2000A。
　　【图4】CR101晶闸管瞬态热阻曲线


　　在实际使用中，作者在上文“晶闸管设计实例2”中已阐明对“浪涌使用”的观点。晶闸管CR101的额定平均电流仅为100A(峰值电流为314A)，无论在何种场合使用都不希望超过这个额定值。把晶闸管的过载浪涌能力留给突发的过电流故障。如果有像焊机那样断续工作的工况，温升偏低，建议适当调整散热条件。可经过计算或试验减小风量、风速或减小散热器，求得新的平衡。
　　(二)选择焊机用晶闸管的几条建议
　　1，选用通态压降(峰值压降)小的晶闸管。
　　2，要选用额定有效值电流(IRMS)大的晶闸管。不同生产单位生产的晶闸管，同样的额定平均值电流，但额定有效值电流不一样。
　　3，同样额定平均值电流的晶闸管，要选电流过载能力大的。
　　编者简介：朱英文：(1939- )，高级工程师，现任北京京仪椿树整流器有限责任公司技术顾问，中国电力电子产业网特约顾问，主要研究电力半导体器件的设计、制造、应用中的热设计和电力半导体器件主回路结构设计。曾参与专业词典、书籍的编写、翻译等工作。主要成果有：“无刷励磁发电机用旋转整流管设计和制造”，“晶闸管芯片球面磨角工艺”“大功率半导体器件用散热器风冷热阻计算方法”等。
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