固态继电器散热片的选择

文章出处：网责任编辑：作者：人气：-发表时间：2021-05-25 09:36:00

散热片能够确保固态继电器的正常工作和长时间的稳定性，因为散热片提供了一种将固态继电器产生的热量传导到周围空气中的方法，使得保持一个安全的工作温度。为任何特定SSR 应用选择合适的散热片涉及到外形的协调、尺寸的适中、安装方式、及热阻抗评级。本文讨论了“为什么可靠地固态继电器操作需要散热片”；并举例说明如何根据应用的操作环境计算出所需散热器的最小热阻。

导通状态下，所有固态继电器其输出半导体内产生热能；根据设计，对于交流输出 SSR, 负载电流大约为每安培 1 到1.5 瓦特；对于直流输出 SSR，负载电流大约为每安培 0.2 到 1.5 瓦特。这种功耗可以使固态继电器的操作温度高于周围环境温度。

如果没有散热片，固态继电器可提供高达 5 安培的可靠操作负载电流，但这要根据机型、工作周期和环境温度而定。传统面板安装 SSR的自由空气评级可能会高达 8 至 10 安培，但这种评级依赖于将SSR的裸露金属底板作为散热片；为此，金属底板必须裸露。

散热片的性能基于热阻抗，测量单位每瓦摄氏度（℃/ W）（热阻抗是热导率的倒数）。热阻抗代表热能传低的阻力；因此，较小的热阻抗意味着更有效的热传递。

在散热片表面提供强迫空气流动可显著改善散热片的性能。利用气流量相对较小的风扇可以减少较大量的散热片热阻抗，从而提高散热片的效率和固态继电器的可靠性。

固态继电器的基本结构包括安装在固态继电器底座的绝缘体和一个安装到此电绝缘体的内部功率半导体。为合理组装，底板带有热界面材料的固态继电器最后需要安装在散热片上。

上述配置的散热模型包括如下内容：

A. 选用带有特定热阻抗的SSR (RΘ ssr)，正向电压降(Vf)，最大允许内部操作温度(Tj)。

B. 置于 SSR 、散热片和热阻抗之间的热界面材料(RΘ tp)。

C. 计算出的最低散热片热阻抗评级(RΘ hs)，促使SSR 进行适当操作。

D. 最高操作环境温度，单位°C (TA )。

为特殊应用需求确定最低散热片评级（RΘ hs），必须首先计算SSR的内部功耗。SSR产生的功率等于实际电流负载（安培）乘以这一电流下的电压降（Pd = If x Vf）。注：制造商通常在他们所提供的数据表中指定“最大正向电压降”。典型电压降通常很低。

假设选用一个25 安培的交流输出固态继电器切换18 安培的交流电，其正向电压降可定为1.25伏特。因此，SSR 产生的功率为“ 18 安培乘以1.25 伏特等于22.5 瓦特”。

接下来，确定固态继电器的热阻抗和允许最大内部温度（如制造商没有指定最大内部温度，则采用一个适合多数交流功率半导体的常用值125 °C。此例中，假设RΘ ssr 为 0.3 °C/W，Tj 为 125 °C。

下一步是确定适合SSR 应用的最大工作环境温度（TA），单位是°C。环境值应该是相关区域的环境空气温度，如SSR 和散热器安装部位的控制柜内部温度。此例中，假设TA 为 55 °C。

最后需要确定介面材料（RΘ tp）的热阻抗。根据选定类型和厚度，这些材料会有所不同，大致范围从每瓦0.02到0.1 °C。这个例子中，假设选定界面材料RΘ tp 的热阻抗是RΘ tp 0.05 °C/W。

第一种计算方法确定了温度范围（Δt），在其温度范围内，固态继电器的功率需要消散，来维持正常的运行。为此，SSR最大允许内部温度和相关区域的环境温度之间将会产生差异；Δt = 最大Tj – TA。例中，结果将是Δt = 125 - 55 = 70 ℃。

最大允许上升温度如上所述，Δt，必须小于或等于通过三个阻抗的上升温度之和乘以SSR 产生的能量。Δt 小于（RΘ ssr + R Θ tp + RΘ hs）乘以Pd。以上为例，计算将是70 <（0.3 + 0.05 + + RΘ hs） x 22.5。因此，散热片热阻抗是RΘ hs < (Δt /Pd) – (RΘ ssr + RΘ tp) 或70/22.5 – 0.35，等于 2.76 °C/W。

所以，一个2.75 °C/W或较大值（较小值）的散热片应在上述固态继电器应用中被选用。

总结:为了提高操作的可靠性，在控制额定负载超过5安培的固态继电器时需要散热片。散热片的尺寸和热评级可以随着SSR 负载电流的增大而增加，或者随着操作环境温度的升高而增加。为了保持SSR安全的工作温度，散热片热阻抗的评级可以采用上述公式通过几个指定的SSR 和操作参数计算出来。

此文出自crydom快达资深工程师，为固态继电器的应用选择散热片

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