关于SSR散热问题

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  • 摘要:本文结合示例探讨了关于SSR的散热问题,并给出相关图示与计算公式,可供系统设计参考。

使用SSR时 ,应考虑的重要问题之一 是必须采用有效的方法疏散SSR外壳 中的热量而不能过度地任它承受 。最 常见的方法是使用散热片。SSR具有 较高的“接触”耗散,超过1 W/A。



图18:简化的热模型

对于5A以下的负载,通过围绕SSR自由流动的空气或强制气流围绕SSR流动进行冷却通常就足够了 。电流更 大时 ,需要确保散热面与散热片良好 接触。这需要将SSR底座安装到良好 的热导体上,通常为铝。用导热硅脂 或散热膏便可实现SSR和散热片之间 的良好热传输 。使用该方法时,SSR外壳到散热片的热阻(RΘCS)被降到0.1�C/W(摄氏度/瓦)或更小 ,小到 可以忽略不计。该值通常被假定并包 含在热数据中。图18中的简化热模型 显示了热设计中要考虑的基本要素 。 由用户确定的值包括前面所述的外壳 到散热片的界面热阻(RΘCS),以及散 热片到环境的界面热阻(RΘCS)。

热计算

图18显示了输出半导体结点与周围环 境之间的热关系。TJ - TA是结点到环 境的温度梯度或温度下降值,它是热 阻的总和乘以结点功率耗散(P瓦)  。因此

TJ - TA = P(RΘJC + RΘCS + RΘSA)

其中

TJ = 结点温度�C

TA = 环境温度�C

P = 功率耗散

     (ILOAD x EDROP) ,W

RΘJC  = 结点到外壳的热阻,

       �C/W

RΘCS  = 外壳到散热片的热阻,

       �C/W

RΘSA  = 散热片到环境的热阻 ,

       �C/W

使用此公式时 ,必须已知最高结点温 度,典型值为125�C,以及实际功率 耗散 ,比如说10A的SSR为12W,假 定输出半导体两端有1.2V的有效 (并非实际)压降 。通过乘以有效压 降(EDROP)确定功率耗散(P瓦)。

假设从结点到外壳的热阻(RΘJC)为1.3�C/W,将上面的典型值代入公 式 ,可以找出未知参数的解法,如最 大负载电流、最高工作温度,以及合 适的散热片热阻。当已知这些参数中 的两个时 ,可以解出第三个,如下面 的示例中所示:

无论SSR在散热片上使用还是外壳由 其它方法冷却,当特定参数已知时 , 可以通过直接测量底座温度来确认合 适的工作条件 。使用同样的基本公 式,只是用底座温度(TC)替代环境温 度(TA)且删除RΘCS和RΘSA。此时,温 度梯度变成了TJ - TC ,是热阻(RΘJC)乘以结点功率耗散(P瓦)。因此:

TJ - TC = P(RΘJC)

参数关系相似 ,可以找出最高允许外 壳温度 、最大负载电流和要求的结点 到外壳热阻(RΘJC)的解法 。同样,当 已知这些参数中的两个时,可以解出 第三个 ,如下面示例中所示(使用前 面的值):

在示例(a)到(c)中,确定了使用散热 片的SSR与环境空气温度相关联的工 作条件。同样地,只要给出外壳的散 热特性(RΘJA)的值 ,也可以确定在自 由空气中工作的无散热片的SSR的条 件。此值极少给出,当给出时经常与



图19:热运行曲线(25 A SSR)

(RΘJC)结合起来,用(RΘJA)表示 。 公式如下:

与前面一样 ,此公式可以用来计算最 大负载电流和最高环境温度。但是, 由于有许多变量影响外壳与空气之间 的关系(即定位、安装、堆叠 、空气 运动等),解出的值可能不太准确。

自由空气的性能通常与5A以下的PCB或插接SSR有关 ,没有金属底 座可以测量 。在什么地方测量空气温 度通常是一个问题。对此没有一个明 确的答案。当SSR紧密地堆叠在一 起时,每个都为与其相邻的部件创造 一种虚假环境,测量就更加困难了 。 建议的一种方法是在距目标SSR约1英寸的水平面上放一只温度探头或热 电偶 。这种方法比较精确且允许重复 操作。

额定值

较低功率的SSR的自由空气性能在产 品目录中常常用单条降级曲线说明 , 是基于前面公式的电流与环境温度关 系曲线 ,这适合大多数情况。



图20:典型的轻型压铝散热片(端部 视图)

散热

在最坏的情况下,SSR外壳温度应不 超过图19中右边纵向刻度所示的最高 允许温度 。

图20以外形轮廓形式显示了压铝散 热片材料的典型的翅片状断面。2英 寸长的这种材料的热特性接近于图21中的曲线(a),同样 ,4英寸长的材 料接近于曲线(b)。此处假设散热片 的定位使翅片处在垂直面上,气流不 受阻 。



图21:典型散热片特性

作为一般规则,2英寸长的挤压散热 片(曲线(a))适合额定值最高为10A的SSR ,而4英寸长(曲线(b))的将 用在额定值最高为20A的SSR上。对 于额定值大于20A的电力SSR,则需 要图22所示的重型散热片。5.5英寸 长的挤压散热片的性能接近于图23所



图22:典型的重型压铝散热片的端部 视图

图23:重型散热片的典型自由运动空气特性,温升与耗散的功率

示的特性 。

并非所有散热片制造商都用�C/W来 表示散热片的特性。有些制造商用相 对于环境温度的温升值表示 ,如图23所示。在这种情况下,通过用功率耗 散(W)除以温升(�C)来得到RΘSA的 值 。例如:取功率耗散刻度轴上60W的点,自由空气曲线将指示40度的温 升。因此:

SSRL240DC50固态继电器 ,图片小于实际尺寸,带FHS-2散热片, 详细信息请访问cn.omega.com。

在许多应用中 ,SSR安装在一个面板 或底座上 ,这也足以作为散热片了 。 通过保证平坦、使用散热膏和刮除油 漆等措施最大程度地提高效率,要如 前面所述确认是否工作正常,只需在 最高环境温度下测量底座(SSR)的温 度就可以了 。

如果SSR装置未提供适当的散热片 , 可从现有多种市售散热片中选择。每 种配置具有自己独特的热特性,通常 制造商的性能曲线和应用数据都有充 分说明。

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