CN100367494C - 铁道车辆用液冷式功率变换装置 - Google Patents

Abstract

为半导体元件的长寿命化提供最合适的液冷式功率变换装置，包括：安装有半导体元件且在内部具有使冷却液流动的流路的冷却体；在上述冷却体与空气之间进行热交换的热交换器；使冷却液向冷却体与热交换器循环的泵；为使冷却液按冷却体、热交换器与泵的顺序流动而设置的管道；绕过上述热交换器而使冷却液按冷却体与泵的顺序流通的旁通管；设于上述旁通管上且能开闭的第一阀；设于上述热交换器流入侧的上述管道上且能开闭的第二阀；以及设于上述热交换器流出侧的上述管道上的第三阀，在铁道车辆行驶时关闭上述第一阀且打开第二阀与第三阀；在铁道车辆停止时打开第一阀且关闭第二阀与第三阀。

Description

铁道车辆用液冷式功率变换装置

技术领域

本发明涉及铁道车辆用液冷式功率变换装置。

背景技术

下面用图详细说明已有的液冷式功率变换装置。图8(a)是已有的液冷式功率变换装置的管道结构图。

在已有的液冷式功率变换装置中，半导体元件1安装于作为冷却体的液冷片2上。这种液冷片2在内部形成冷却液流动的流路。液冷片的内部由泵3使冷却液强制循环。管道4将泵3与液冷片2连接，进而使液冷片2与热交换器5、热交换器5与泵3连接成串联的环形，形成循环系统。通过驱动泵3使冷却液强制循环，由半导体元件1产生的热损耗通过液冷片2将热量输入液冷片2内部的冷却液，于热交换器5一侧将热散发到大气中，而循环的冷却液则进行这种热传递。热交换器5由电动送风机6强制送风，将热发散到大气中。

图8(a)示明的是在循环系统内有一个液冷片2的冷却管道系统图。这种液冷片2多数情形下是串联地连接多个或并联地连接多个，但在本发明的说明中与该方面并无不同之处，故下面仅就液冷片为一个的情形进行说明。

取上述结构的液冷式功率变换装置，与利用冷媒相变的沸腾冷却方式、热管冷却方式、不用冷媒而使用气冷片的冷却方式相比，由于强制地使冷却液循环，热导率高，冷却能力优越，能够降低半导体元件的温度上升而适合于冷却大容量的半导体元件，但由于热时间常数小，热响应性强，就会有温度上升变化快的特征。

特许文献1：特开平09-219904号公报。

取上述结构的液冷式功率变换装置，与采用利用了冷媒相变的沸腾冷却方式、热管冷却方式、不用冷媒而使用气冷片的冷却方式的功率变换装置相比，由于强制地使冷却液循环，热导率高，冷却能力优越。因此能够降低半导体元件的温度上升而适合于冷却大容量的半导体元件，但由于热时间常数小，热响应性强，就会有温度上升变化快的特征。亦即由于冷却系统的热时间常数小，相对于间歇性发生的热损耗方式，热响应性强，温度上升值的增减与其他冷却系统相比大。现用图具体说明液冷式功率变换装置中半导体元件的温度上升的增减。图8(b)示明将液冷系统用于进行电动铁道车辆驱动控制的功率变换装置时半导体元件管壳(与散热片的接触面)的温度7与冷却液温度8两者的变化。

铁道车辆的动力运行中，制动时功率变换装置内的半导体元件因通电或半导体元件的开关操作发生热损耗，致使半导体元件管壳温度7上升。另一方面，当铁道车辆惯性行驶与停止时，由于半导体元件不发生热损耗，管壳温度7下降。从动力运行到惯性运行，从惯性运行到动力运行，或是动力运行-惯性运行-制动反复进行的行驶中，半导体元件管壳温度7虽反复有小的温度变化(ΔTc1)9，但在车站停驶时与行驶中相比，由于经过了长时间没有发生半导体元件的热损耗，故半导体元件管壳温度7与行驶时相比，温度有很大降低，成为大的温度变化(ΔTc2)10。

现在考虑冷却系统中强制循环冷却液温度8的变化，当半导体元件管壳温度7有小的温度变化(ΔTc1)9时，冷却液的温度8的温度变化极小，由于散热片2的与半导体元件1接触的附近部分的热常数，使半导体元件管壳温度7变化。这意味着，不限于此冷却系统，其他情形例如热管冷却时，也表现出同样的温度变化。

另一方面，半导体元件管壳温度7有大的温度变化(ΔTc2)10时，则以与冷却液温度8的温度上升值的降低大致相同的值降低温度。这就是说，在液冷式中，由于是使冷却液强制循环冷却，与车站停车时相比，液温有很大降低。

但是，半导体元件内部使用了各种材料，它们之间由于是用焊锡等接合，半导体元件的温度变化就会成为因材料的热膨胀系数不同而导致热疲劳的主因。于是，半导体元件的寿命会受到这种温度变化的很大影响，因而缩小温度变化范围或减少温度变化的循环次数对于延长半导体元件的寿命是很重要的。出于抑制半导体元件最大温度上升值的目的，液冷式的冷却系统虽然是热阻小(热导率大)的优越的冷却系统，但温度变化幅度大这一点从半导体元件寿命观点方面看，则是需要考虑之处。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供降低上述大的温度变化(ΔTc2)时的变化幅度，而最适于半导体元件的长寿命的液冷式功率变换装置。

为了达到上述目的，设置有：安装有半导体元件且在内部具有使冷却液流动的流路的冷却体；在上述冷却体与空气之间进行热交换的热交换器；用于使冷却液向上述冷却体与上述热交换器循环的泵；连接上述冷却体、上述热交换器与上述泵的管道，使冷却液按上述冷却体、上述热交换器与上述泵的顺序流动；设置旁通路，以便绕过上述热交换器而使冷却液按上述冷却体与上述泵的顺序流动；设于上述旁通管上且能开闭的第一阀；设于上述热交换器流入侧的上述管道上且能开闭的第二阀；以及设于上述热交换器流出侧的上述管道上且能开闭的第三阀，在铁道车辆行驶时，关闭上述第一阀且打开上述第二阀与第三阀；在铁道车辆停止时，打开上述第一阀且关闭上述第二阀与上述第三阀。

为了达到上述目的，设置有：安装有半导体元件且在内部具有使冷却液流动的流路的冷却体；在上述冷却体与空气之间进行热交换的热交换器；用于使冷却液向上述冷却体与上述热交换器循环的泵；连接上述冷却体、上述热交换器与上述泵的管道，使冷却液按上述冷却体、上述热交换器与上述泵的顺序流动；设置旁通路，以便绕过上述泵而使冷却液于上述冷却体与上述热交换器之间循环；设于上述旁通管上且能开闭的第一阀；设于上述泵流入侧的上述管道上且能开闭的第二阀；以及设于上述泵流出侧的上述管道上且能开闭的第三阀，在铁道车辆行驶时，关闭上述第一阀且打开上述第二阀与第三阀；在铁道车辆停止时，打开上述第一阀且关闭上述第二阀与上述第三阀。

为了达到上述目的，设置有：安装有半导体元件且在内部具有使冷却液流动的流路的冷却体；在上述冷却体与空气之间进行热交换的热交换器；用于使冷却液向上述冷却体与上述热交换器循环的泵；连接上述冷却体、上述热交换器与上述泵的管道，使冷却液按上述冷却体、上述热交换器与上述泵的顺序流动；设置旁通管，以便绕过上述冷却体而使冷却液于上述泵与上述热交换器之间循环；设于上述旁通管上且能开闭的第一阀；设于上述冷却体流入侧的上述管道上且能开闭的第二阀；以及设于上述冷却体流出侧的上述管道上且能开闭的第三阀，在铁道车辆行驶时，关闭上述第一阀且打开上述第二阀与第三阀；在铁道车辆停止时，打开上述第一阀且关闭上述第二阀与上述第三阀。

本发明能有效地提供最适合于使半导体元件长寿命化的液冷式功率变换装置。

附图说明

图1(a)为基于本发明的第一实施形式的液冷式功率变换装置的结构图。

图1(b)为基于本发明的第一实施形式的液冷式功率变换装置的半导体元件管壳(与散热片的接触面)的温度7与冷却液温度8的变化的说明图。

图1(c)是半导体元件相对于反复温度变化的寿命曲线。

图2是基于本发明第二实施形式的液冷式功率变换装置的结构图。

图3是基于本发明第三实施形式的液冷式功率变换装置的结构图。

图4是基于本发明第四实施形式的液冷式功率变换装置的结构图。

图5是基于本发明第五实施形式的液冷式功率变换装置的结构图。

图6是基于本发明第六实施形式的液冷式功率变换装置的结构图。

图7是基于本发明第七实施形式的液冷式功率变换装置的结构图。

图8(a)是已有的液冷式功率变换装置的结构图。

图8(b)是已有的液冷式功率变换装置的半导体元件管壳(与散冷片接触面)的温度7与冷却液温度8的变化的说明图。

图中各标号的意义如下：

1，半导体元件；2，液冷片；3，泵；4，管道；5，热交换器；6，电动送风机；7，半导体元件管壳(与散热片的接触面)的温度；8，冷却液的温度；9，半导体元件管壳温度的小的温度变化(ΔTc1)；10、10a，半导体元件管壳温度的大的温度变化(ΔTc2)；11、11a、11b，旁通管；12、12a、12b、12c、12d、12e、12f，阀；13、13a，辅助电源；14、14a，开关；15，温度探测装置。

具体实施方式

(第一实施形式)

下面参考附图说明本发明第一实施形式的液冷式功率变换装置。图1(a)示明本发明的第一实施形式的液冷式功率变换装置的冷却管道系统。图1(b)示明本发明的第一实施形式的液冷式功率变换装置的半导体元件(与散热片的接触面)温度7与冷却液温度8的变化。此外，与图8所述的结构上相同的部件附以相同标号而略去其说明。

在本发明的第一实施形式的液冷式功率变换装置中。半导体元件1安装于成为冷却体的液冷片2上。此液冷片2的内部中形成有冷却液的流路，由泵3使冷却液于内部强制循环。管道4连接泵3与液冷片2，进而将液冷片2与热交换器5、热交换器5与泵3连接成串联的环形，形成循环系统。在此循环系统中为绕过热交换器5而连接有旁通管11。旁通管11的一端连接到将冷却片2与热交换器5相连的导管上，而另一端则连接到将泵3与热交换器5相连接的导管上，在旁通管11的中间设有第一阀12，在冷却片2与热交换器5之间比管道的旁通管11的连接部更靠近热交换器5一侧设有第二阀12a，在泵3与热交换器5之间比管道的旁通管11的连接部更靠近热交换器5一侧设有第三阀12b。这里的第一～第三阀12、12a与12b都是能据电信号开闭的阀。此外，热交换器5由电动送风机6强制送风。

在上述结构的液冷式功率变换装置中构成在铁道车辆行驶时第二阀12a与第三阀12b打开而第一阀12关闭，使冷却液循环到热交换器5一侧的循环系统。这就是说，将第一阀12关闭时，在旁通管11内无冷却液循环。

在上述结构的液冷式功率变换装置中，通过驱动泵3使冷却液强制循环，因半导体元件1发生的热损耗通过液冷片2将热传递给液冷片2内部的冷却液，在热交换器5一侧将热发散到大气中，循环的冷却液进行这种热输送，热交换器5通过电动送风机6的强制送风而将热散发到外部大气中。

另一方面，当铁道车辆停止于车站时，上述结构使第二阀12a与第三阀12b关闭而打开第一阀12，使冷却液循环到旁通管11侧。此时，冷却液不循环到热交换器5，在旁通的循环系统一侧不会有冷却液的强制放热，可抑制冷却液降温。

在上述结构的液冷式功率变换装置中，当铁道车辆停止于车站时，半导体元件管壳温度7的大的温度变化(ΔTc2)10a的变化幅度小，从而能延长半导体元件的寿命。具体地说，在停站时，通过上述阀12、12a、12b的开闭使冷却液于旁通管11中循环，由于在热交换器5部分没有冷却液循环，冷却液的温度8不会有大的降低，半导体元件管壳温度7的大的温度变化(ΔTc2)10a的变化幅度也小(参看图1(b))。

上述结构的液冷式功率变换装置中，温度变化幅度(ΔTc)降低，由于是双对数曲线，耐反复次数(N)显著增大，可以达到半导体元件的长寿命化(参考图1(c))：相对于半导体元件的温度变化的反复的寿命曲线，在温度变化幅度(ΔTc)与反复次数(N)的双对数曲线上成为朝右下降的形状)。

在本实施形式的液冷式功率变换装置中，是就从旁通管11到成为热交换器5的流入侧与流出侧的管道两处设有阀，作为第二阀12a与第三阀12b进行的说明。但即便只于其中一方设置阀显然也可具有相同的作用与效果。

上述结构的液冷式功率变换装置在铁道车辆行驶时对前述半导体元件强制冷却而在铁道车辆停驶时不对半导体元件强制冷却，因而能提供缩小半导体元件的温度变化幅度，使半导体元件能长寿命化的最适合的液冷式功率变换装置。

(第二实施形式)

现在对照附图详述本发明的第二实施形式的液冷式变换装置。图2是本发明第二实施形式的液冷式功率变换装置的冷却管道系统图。

在本发明的第一实施形式的液冷式功率变换装置中，为绕过热交换器5设有旁通管11，但在此则为绕过液冷片2与热交换器5两者而设置了旁通管11a。具体地说，在泵3的流入侧与流出侧的两个管道部分处与泵3并联地连接着旁通管11a，此旁通管为形成绕过液冷片2与热交换器5的循环系统而设有能开闭的阀，旁通管11a的一端连接到将泵3与液冷片2连接的管道，另一端则连接将泵3与热交换器5连接的管道，在旁通管11a的中间设有第一阀12。在泵3与液冷片2之间比管道的旁通管11a的连接部更靠近液冷片2一侧设有第二阀12c，在泵3与热交换器5之间比管道的旁通管11a的连接部更接近热交换器5一侧设有第三阀12d。

取上述结构的液冷式功率变换装置在铁道车辆行驶时打开第二阀12c与第三阀12d而关闭第一阀12，使冷却液向液冷片2和热交换器5一侧循环，在车站停止时关闭第二阀12c和第三阀12d而打开第一阀12，使冷却液循环到旁通管11a一侧。这样，铁道车辆行驶时，旁通管11a关闭，冷却液沿液冷片2、热交换器5一侧的循环系统流动，而在停驶时冷却液沿旁通管11a一侧循环而不沿液冷片2、热交换器5侧循环，从而冷却液的温度不会有很大降低，半导体元件管壳温度的大的温度变化(ΔTc2)的变化幅度减小，能够实现半导体元件的长寿命化，也即可以获得与第一实施形式相同的效果。

取上述结构的液冷式功率变换装置能为半导体元件的长寿命化提供最合适的液冷式功率变换装置。

此外，这里供旁通用的第二阀12c与第三阀12d即便只设置其中之一，也能取得同样的作用与效果。

(第三实施形式)

下面据附图详细说明本发明的第三实施形式的液冷式功率变换装置。图3为本发明第三实施形式的液冷式功率变换装置的冷却管道系统图。

在本发明的第三实施形式的液冷式功率变换装置中设有绕过液冷片2的旁通管11b。旁通管11b的一端与连接泵3和液冷片2的管道连接，另一端与连接液冷片2和热交换器5的管道连接，旁通管11b的中间设有第一阀12，在泵3与液冷片2之间比管道的旁通管11b的连接部更靠近液冷片2一侧设有第二阀12e，而在液冷片2与热交换器5之间比管道的旁通管11b的连接部更靠近液冷片2一侧设有第三阀12f。当铁道车辆行驶时，第二阀12e与第三阀12f打开而关闭第一阀12，使冷却液循环到液冷片2一侧，而当其停止于车站时，关闭第二阀12e与第三阀12f而打开第一阀12，使冷却液循环到旁通管11b一侧。这样，铁道车辆停止时冷却液沿旁通管11b一侧循环而于液冷片2中则没有冷却液循环，于是液冷片2内部的冷却液温度不会有很大降低，半导体元件管壳温度的大的温度变化(ΔTc2)的变化幅度减小，与第一、二实施形式相同，能够实现半导体元件的长寿命化，也就是具有与第一实施形式相同的效果。此外，于车站停动时，液冷片2内部的冷却液虽不进行强制的冷却，但泵3、热交换器5中有冷却液循环，由于从热交换器5将热散发到大气中，液冷片2内部之外的冷却液则被强制冷却。当铁道车辆再从此状态开始行驶后，循环系统成为原来的管道(旁通管关闭)，降温了的冷却液开始流入冷却片2的内部，因而能有效地减缓铁道车辆开始行驶时的急剧温度上升。

这样构成的液冷式功率变换装置能为半导体元件长寿命化提供最适当的液冷式功率变换装置。

此外，这里供旁通用的第二阀12e、第三阀12f即便只设置其中之一，也能具有相同的作用与效果。

(第四实施形式)

现在据附图详述本发明的第四实施形式，图4是本发明第四实施形式的液冷式功率变换装置的冷却管道系统的图。

本发明的第四实施形式的液冷式功率变换装置中，通过使给热交换器5强制送风的电动送风机6在铁道车辆行驶时与停驶时按不同的方式工作，以降低半导体元件管壳温度的变化幅度。具体地说，电动送风机6由辅助电源13供电，通过在辅助电源13与电动送风机6之间所设的开关14，在铁道车辆于车站停驶时断开开关元件使电动送风机6停止，或者将能进行可变电压可变频率控制(以下简称VVVF)的交流电源用作辅助电源，在铁道车辆行驶时对电动送风机6进行减速运转控制而不给热交换器5积极地送风，而能与图1(b)所示的相同，控制半导体元件管壳温度发生大的温度变化。此外，通过VVVF控制，能够平滑进行电动送风机的加/减速运转，从而可有关系到电动送风机起动时降低冲击电流而提高电动送风机可靠性的优点。

这样构成的液冷式功率变换装置能为半导体元件的长寿命化提供最合适的液冷式功率变换装置。

(第五实施形式)

下面参看附图详细说明本发明的第五实施形式的液冷式功率变换装置。图5为本发明第五实施形式的液冷式功率变换装置的冷却管道系统的图。

本发明的第五实施形式的液冷式功率变换装置与此前说明的其他实施形式不同，它的管道系统虽与已有装置的管道系统相同，但是通过使泵3的工作在铁道车辆行驶时与停驶时不同来降低半导体元件管壳温度的变化幅度。具体地说，泵3虽由辅助电源13a供电，但通过断开辅助电源13a与泵3之间所设的开关14a而在于车站停驶时使泵3停转，或是在铁道车辆停驶时进行不积极地冷却冷却液的泵3的减速运转控制，而能与图1(b)所示的相同抑制半导体元件管壳温度有大的温度变化。

这样构成的液冷式功率变换装置能为半导体元件的长寿命化提供最适当的液冷式功率变换装置。

(第六实施形式)

下面参看附图详细说明本发明的第六实施形式的液冷式功率变换装置。图6是本发明的第六实施形式的液冷式功率变换装置的冷却管道系统的图。

本发明的第六实施形式的功率变换装置与前述第四实施形式相同，给电动送风机6进行供电的辅助电源13是VVVF可控交流电源，根据液冷片2的半导体元件1附近所设的温度检测装置15的信息，辅助电源13进行VVVF控制。

取上述结构的液冷式功率变换控制通过温度检测装置15的监视，以使半导体元件1的温度上升值变化量小于等于预定值，由此不仅是在铁道车辆停动时，即使是在其行驶中，也能进行电动送风机6的加/减速运转控制而抑制半导体元件管壳温度有大的温度变化。

这样构成的液冷式功率变换装置能为半导体元件的长寿命化提供最适合的液冷式功率变换装置。

(第七实施形式)

再来根据附图详细说明本发明的第七实施形式的液冷式功率变换装置。图7为本发明的第七实施形式的液冷式功率变换装置的冷却管道系统的图。

本发明第七实施形式的液冷式功率变换装置中，与前述第五实施形式相同，给泵3进行供电的辅助电源13a是VVVF可控交流电源，根据液冷片2的半导体元件1附近所设的温度检测装置15的信息，辅助电源13a进行VVVF控制。

取上述结构的液冷式功率变换装置通过温度检测装置15的监视，以使半导体元件1的温度上升值变化量小于等于预定值，由此不仅是在铁道车辆停动时，即使是在其行驶中，也能进行电动送风机6的加/减速运转控制而抑制半导体元件管壳温度有大的温度变化。

这样构成的液冷式功率变换装置能为半导体元件的长寿命化提供最适合的液冷式功率变换装置。

Claims (3)

1.一种铁道车辆用液冷式功率变换装置，其特征在于包括：

安装有半导体元件且在内部具有使冷却液流动的流路的冷却体；

在上述冷却体与空气之间进行热交换的热交换器；

用于使冷却液向上述冷却体与上述热交换器循环的泵；

连接上述冷却体、上述热交换器与上述泵的管道，使冷却液按上述冷却体、上述热交换器与上述泵的顺序流动；

设置旁通管，以便绕过上述热交换器而使冷却液按上述冷却体与上述泵的顺序流动；

设于上述旁通管上且能开闭的第一阀；

设于上述热交换器流入侧的上述管道上且能开闭的第二阀；以及

设于上述热交换器流出侧的上述管道上且能开闭的第三阀，

在铁道车辆行驶时，关闭上述第一阀且打开上述第二阀与第三阀；在铁道车辆停止时，打开上述第一阀且关闭上述第二阀与上述第三阀。

2.一种铁道车辆用液冷式功率变换装置，其特征在于包括：

安装有半导体元件且在内部具有使冷却液流动的流路的冷却体；

在上述冷却体与空气之间进行热交换的热交换器；

用于使冷却液向上述冷却体与上述热交换器循环的泵；

连接上述冷却体、上述热交换器与上述泵的管道，使冷却液按上述冷却体、上述热交换器与上述泵的顺序流动；

设置旁通管，以便绕过上述泵而使冷却液于上述冷却体与上述热交换器之间循环；

设于上述旁通管上且能开闭的第一阀；

设于上述泵流入侧的上述管道上且能开闭的第二阀；以及

设于上述泵流出侧的上述管道上且能开闭的第三阀，

在铁道车辆行驶时，关闭上述第一阀且打开上述第二阀与第三阀；在铁道车辆停止时，打开上述第一阀且关闭上述第二阀与上述第三阀。

3.一种铁道车辆用液冷式功率变换装置，其特征在于包括：

安装有半导体元件且在内部具有使冷却液流动的流路的冷却体；

在上述冷却体与空气之间进行热交换的热交换器；

用于使冷却液向上述冷却体与上述热交换器循环的泵；

连接上述冷却体、上述热交换器与上述泵的管道，使冷却液按上述冷却体、上述热交换器与上述泵的顺序流动；

设置旁通管，以便绕过上述冷却体而使冷却液于上述泵与上述热交换器之间循环；

设于上述旁通管上且能开闭的第一阀；

设于上述冷却体流入侧的上述管道上且能开闭的第二阀；以及

设于上述冷却体流出侧的上述管道上且能开闭的第三阀，

在铁道车辆行驶时，关闭上述第一阀且打开上述第二阀与第三阀；在铁道车辆停止时，打开上述第一阀且关闭上述第二阀与上述第三阀。

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