CN101315912A - 一种用于大功率电力半导体器件的复合式冷却方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种用于大功率电力半导体器件的复合式冷却方法，属半导体器件领域。其在散热模块上设置带有散热肋/翼片组的热管，将低温冷却气体强制/直接输送至各散热肋/翼片组，并利用冷却气体构成送风分风道与各组散热肋/翼片组之间的电绝缘层。本发明还提供了利用上述方法的复合式冷却装置，其设置组合式空调箱体、空气处理装置和吸/排气管路，在空调箱体上设置进风口和出风口，空气处理装置吸/排气管路连接，其出风端与空调箱体的进风口连接，空调箱体的出风口与吸/排气管路连接，从空调箱体内的进风口设置送风总管，在送风总管至各散热肋/翼片组之间分别对应设置单独的送风分风道。本发明克服了传统冷却方式的缺陷，其系统结构更加简洁。

Description

一种用于大功率电力半导体器件的复合式冷却方法及装置

技术领域

本发明属于半导体器件领域，尤其涉及一种用于电力电子器件(如大功率晶闸管)的散热装置/系统。

背景技术

随着电力电子技术的发展，静态无功补偿装置越来越多地采用了大功率电力电子器件(亦称电力半导体器件)。

电力电子器件在工作过程中，由于各种损耗产生热量而使其“结温”升高。

而电力电子器件是一种热当量相当小，对发热及其灵敏的半导体器件，它的所有参数几乎都与热量特性有关，因而“结温”过高会导致元件正常工作状况的破坏，影响其运行的稳定性和可靠性。为了不使其“结温”超过允许值，必须将结中的热量有效的传到外部散热器上。

故此，运行中的大功率电子器件(诸如晶闸管和集成门极换流晶闸管(IGCT，Intergrated Gate Commutated Thyristors)等)需要可靠的、有效的冷却装置，以带走其工作运行中所产生的大量热量，保证其正常工作。

晶闸管的传统冷却方式主要有自冷、风冷、液冷(包括水冷和油冷)和相变冷却等。

A、自冷是通过空气对流及辐射作用将散热器热量带走的散热方式。这种方式散热效果很差，但结构简单、维护方便、噪音小，适用于额定电流较小的器件或简单装置中的较大电流器件。

B、风冷实际上是强制风冷，一般利用风机来提高流经被冷却物体处的空气流速，从而达到高效冷却的目的。该冷却技术容易实现，主要应用于额定电流在50A～500A的电力电子器件，它的冷却能力是自冷散热方式的好几倍。强制风冷是目前国内功率为数百到数千瓦的电力电子装置普遍采用的散热方式。国外学者对风冷进行了较为深入的研究，主要体现在两个方面来加强风冷能力：①风道优化；②利用晶闸管阴阳极侧结壳热阻的差异，采取不同的材质和优化散热器散热面的设计。

C、风冷散热虽然在我国应用最为广泛，但其具有很大的局限性。主要在于：散热器的尺寸并不能无限制的增大，过分的增大反而造成散热功率的降低(散热器的有效面积随总体面积的增加日趋减缓)，这是因为散热器本身有热阻，使得与晶闸管离得较远的散热翅片的温度降低，空气与翅片的温差减小，散热量必然减小，强制风冷存在着散热面积与风速不能无限提高的问题？散热能力有限。

D、液冷主要分为水冷和油冷。

(1)水冷：

与强制风冷散热相比，水冷散热的冷却效率极高，其对流换热系数为空气自然对流换热系数的几百倍以上。这种冷却方式一般适用于电流容量在500A以上的电力电子器件。电化学用整流器采用的就是这种冷却方式。

在水冷系统中，可以将晶闸管安装在冷却单元上，热量通过冷却单元传递给流动的水。用水作为冷却介质，是因为其能够有效的传递出能量，但水容易结垢和引起电化学腐蚀，需要付出较大的成本来解决。由于水是电解质，因此不能采用全浸没式，且冷却设备和晶闸管组件带电部位相互之间应采用绝缘管路。当空气湿度较大、冷却水温度较低、与环境的温度差较大时，被冷却的导体上往往会出现凝露，破坏电极之间的绝缘而引起闪络事故。因此，对冷却水的进口水温需要加以控制。

(2)油冷：

油冷散热器的效率在水冷散热器和风冷散热器之间，冷却介质多用变压器油。与水冷相比，油对许多应用场合都是比较满意的，它既能应用于封闭循环系统中，以可以用在浸入系统中。

油冷的缺点是：①成本高；②易燃性及散热能力低，这是由于油的粘滞性大、流速低造成的。油浸水冷的冷却方式适用于有腐蚀性的场合。在我国，仅在整流变压器——整流器一体化装置中有所应用。

E、相变冷却是将冷却介质(如氟利昂、纯水)放在密闭容器中，通过介质的相变来进行冷却的技术。就目前的科技而言，相变冷却是一种效率最高的冷却方式，它利用冷媒的蒸发潜热将热量带走，从而有效降低了被冷却物体的表面温度，又由于相变冷却无局部过热点，因此从根本上杜绝了局部热损坏的现象；而且，相变冷却使得传导介质在晶闸管和热交换器的相应位置的温度达到一致或仅存在极小温差这一理论成为现实。

这种冷却方式的冷却效率比液冷高若干倍，比风冷高十多倍，因此相变冷却装置的体积比同容量液冷和风冷装置小得多。相变冷却的实现方式主要分为两种：热管冷却和浸泡式冷却，其中热管冷却系统在工业应用中较为普遍，浸泡式冷却系统技术还不成熟，在国内尚处实验研究阶段。

热管冷却系统与水冷系统相比具有如下优点：

①结构紧凑、占地小；②散热效率高；③静止型传热元件，不需动力，无转动部件；④无腐蚀、露点；⑤无漏水问题；⑥不需纯水处理系统；⑦无其他附属设备；⑧噪音小；⑨不需专人维护保养；⑩整体可靠性高，不易发生事故。

热管冷却系统尽管与水冷系统相比具有较多优点，但它需要较低环境温度(冷凝端)的配合，才能使热管肋片的温度降低，从而有效带走内部传热量，以达到散热的目的。

根据以上分析可知，对电力半导体器件采用自冷、风冷冷却方式虽然安全，但热量传递速度慢、晶闸管与散热器两端温差较大，制约了大功率器件的冷却效果；采用水冷又容易带来泄漏、腐蚀、放电等安全问题；油冷成本高，散热效果也不尽如人意；使用热管有着诸多优点，但它需要较低的冷凝端环境温度的配合才能充分发挥其散热功效，否则不容易满足大容量功率器件散热的要求，这也在一定程度上制约了热管在大功率电力电子器件冷却中的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于大功率电力半导体器件的复合式冷却方法及装置，其一方面能高效解决大功率器件的散热问题，另一方面克服了传统冷却方式的缺陷，可增强系统抗电离、抗腐蚀能力，防止泄漏提高安全性能，同时可降低资金一次投入及维护成本，而且其系统结构较水冷式冷却装置更加简洁。

本发明的技术方案是：提供一种用于大功率电力半导体器件的复合式冷却方法，包括多个串联设置的大功率电力半导体器件和与大功率电力半导体器件固结为一体的各散热模块，其特征在于：

A、在散热模块上设置带有散热肋/翼片组的热管；

B、设置一带有进/出风口的组合式空调箱体，用于容纳整组散热模块和大功率电力半导体器件的组合体；

C、设置一空气处理装置，用于对进入组合式空调箱体的冷却气体进行加压、净化和/或降温；

D、在组合式空调箱体的进风口设置一送风总管，用于输送空气处理装置送来的低温冷却气体；

E、在送风总管至各散热肋/翼片组之间分别对应设置单独的送风分风道，将低温冷却气体强制/直接输送至各散热肋/翼片组；

F、利用低温冷却气体构成送风分风道与各组散热肋/翼片组之间的电绝缘层。

在其组合式空调箱体的进、出风口，分别对应设置带有冷风吸入口的冷风管和带有热风排放口的热风管；在冷风管和热风管之间设置一连通风道；在冷风吸入口、连通风道上和热风排放口，分别对应设置第一、第二和第三电控风门；通过控制各电控风门的打开和/或关闭，控制低温冷却气体和经过散热肋/翼片组后的热废气体的流向和/或流通路径，实现运行方式的调节和/或改变。

进一步地，还可在各送风分风道上设置分调节风门或分风量调节阀，对送至各散热肋/翼片组的冷却气体的风量进行微调，以得到更佳的冷却效果。

本发明同时还提供了一种用于大功率电力半导体器件的复合式冷却装置，包括多个串联设置的大功率电力半导体器件和与大功率电力半导体器件固结为一体的各散热模块，其特征是：设置一可容纳所述多个大功率电力半导体器件和各散热模块的组合式空调箱体、一空气处理装置和一带有电控风门的吸/排气管路；在组合式空调箱体上设置进风口和出风口；空气处理装置的进风端与吸/排气管路连接，其出风端与组合式空调箱体的进风口连接；组合式空调箱体的出风口与吸/排气管路连接；在所述的每个散热模块上设置热管，在热管上设置散热肋/翼片组；从组合式空调箱体内的进风口设置一送风总管；在送风总管至各散热肋/翼片组之间分别对应设置单独的送风分风道。

在空气处理装置内至少设置一风机单元、一空气换热单元和一空气过滤单元，从吸/排气管路经进风端进入空气处理装置的空气经过风机单元、空气换热单元和空气过滤单元后经进风口进入组合式空调箱体。

其空气换热单元为风冷或水冷式制冷机组的蒸发器或空调箱表冷器；其风机单元为带有变频调速装置的冷却风机。

其所述的吸/排气管路由与空气处理装置进风端连接的带有冷风吸入口的冷风管和与组合式空调箱体的出风口连接的带有热风排放口的热风管构成，在冷风管和热风管之间设置一连通风道，在冷风吸入口、连通风道上和热风排放口，分别对应设置第一、第二和第三电控风门。

在组合式空调箱体内、散热模块上或大功率电力半导体器件上，设置温度检测元件，另外设置一温度控制单元，温度检测元件与温度控制单元的输入端连接，温度控制单元的输出端分别与各电控风门的控制器、风机单元的变频调速装置以及空气换热单元中制冷机组的控制器的控制输入端对应连接。

在各个散热模块上至少设置两根热管；热管与散热模块侧端面或侧端面切线之间夹角小于90°；设置于同一散热模块上的各热管共用一组散热肋/翼片组；所述热管的蒸发端与散热模块连接，其冷凝端管壁外表设置散热肋/翼片组。

其散热模块的端面结构与大功率电力半导体器件的待散热端面相匹配，每两个散热模块之间设置一个大功率电力半导体器件，整组散热模块和大功率电力半导体器件的组合体经紧固件和端部紧固压板固结为一体。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.采用热管冷却技术，其冷却效率高于水冷却技术，该冷却技术的采用改变了传统的水冷方式，扫除了电力系统中的安全隐患，同时免于人工维护，占地面积较小，在一定程度上来说为大功率电力电子器件的冷却开辟了一条新的途径；

2.采用单独的风道设计，可以加速局部对流，增强对流换热系数，提高换热量，从而提高冷却效率，还可以减少热管散热面积，从而减少肋片数量，降低成本，节省一次性投资；

3.风道设计与热管散热器组件相结合，可以把大功率电力电子器件与冷却处理单元从物理上隔开，这样，进一步加强了安全措施，可以有效地控制送风空气相对湿度，防止电击穿，能有效地提高电子器件处的耐压绝缘水平；

4.风机采用变频调速，可根据需要及时调节风机转速，有利于节能降耗，提高整个系统的工作效率和散热功效。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明电控系统方框图；

图3为大功率电力半导体器件和散热模块模组的结构关系示意图；

图4为热管和散热模块的结构示意图；

图5为实施例的系统流程图。

图中1为大功率电力半导体器件，2为散热模块，3为组合式空调箱体，4为空气处理装置，5为组合式空调箱体的进风口，6为组合式空调箱体的出风口，7为热管，8为散热肋/翼片组，9为送风总管，10为送风分风道，11为冷风吸入口，12为冷风管，13为热风排放口，14为热风管，15为连通风道，16～18为第一至第三电控风门，21为温度检测元件，22为温度控制单元，23～25为各电控风门的控制器，26为变频调速装置，27为制冷机组控制器，31为紧固件，32为端部紧固压板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1中，本技术方案包括多个串联设置的大功率电力半导体器件1和与大功率电力半导体器件固结为一体的各散热模块2，其发明点在于设置一可容纳所述多个大功率电力半导体器件和各散热模块的组合式空调箱体3、一空气处理装置4和一带有电控风门的吸/排气管路，在组合式空调箱体上设置进风口5和出风口6，空气处理装置的进风端与吸/排气管路连接，其出风端与组合式空调箱体的进风口连接，组合式空调箱体的出风口与吸/排气管路连接。

在所述的每个散热模块上设置热管7，在热管上设置散热肋/翼片组8。

从组合式空调箱体内的进风口设置一送风总管9。

在送风总管至各散热肋/翼片组之间分别对应设置单独的送风分风道10。

具体的，其空气处理装置内至少设置一风机单元、一空气换热单元和一空气过滤单元，从吸/排气管路经进风端进入空气处理装置的空气经过风机单元、空气换热单元和空气过滤单元后经进风口进入组合式空调箱体。

其空气换热单元为风冷或水冷式制冷机组的蒸发器或空调箱表冷器；其风机单元为带有变频调速装置的冷却风机。

其吸/排气管路由与空气处理装置进风端连接的带有冷风吸入口11的冷风管12和与组合式空调箱体的出风口连接的带有热风排放口13的热风管14构成，在冷风管和热风管之间设置一连通风道15，在冷风吸入口、连通风道上和热风排放口，分别对应设置第一、第二和第三电控风门16、17和18。

在冷风管、连同风道和热风管上设置电控风门，面的目的是满足不同环境温度下对大功率电力半导体器件的散热需要，寻求一种比较经济、能耗较低的运行方式。

例如，当环境温度较低时，打开冷风管和热风管上的电控风门16、18，关闭连同风道上的电控风门17，使得冷空气直接经空气处理装置进入组合式空调箱体进行降温；当环境温度较高时，可维持各电控风门状态不变，投入制冷空调机组，对进入组合式空调箱体的空气进行降温；如果环境温度高于设定的降温温度时，可关闭冷风管和热风管上的电控风门，打开连同风道上的电控风门，使得冷却空气在组合式空调箱体和空气处理装置之间循环运行。总之，电控风门的设置，给整个系统运行方式的调节和改变带来了便利，更有利于节能降耗和经济运行。

作为更进一步的拓展，在各送风分风道上亦可对应设置分调节风门或分风量调节阀，以进一步改善经济运行效果和更佳的冷却效果。

本技术方案的主要设计思路为：电力半导体器件产生的热量传递给热管，由热管内介质蒸发冷却，并通过热管肋片散发从而有效降低晶闸管的表面温度；而散发的热量则由集中的强制冷风带走。

故其冷却方式主要通过两部分综合完成来实现：热管传热和强制风冷。

热管传热技术在发达国家如日本和美国已相当成熟，自冷和风冷的热管散热器已实现了系列化和商品化；在我国也比较成熟，不仅在电子工业，在涉及传热的诸多领域都有着广泛的应用。

热管传热技术充分利用了热传导原理与制冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。采用热管传热技术，使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意的散热效果，这使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。

热管按照内部工质回流方式分为：吸液芯热管和热虹式热管。

吸液芯热管由管壳、吸液芯和端盖组成，热管内部被抽成负压状态，并充入适当的液体，这种液体通常为相变材料，其沸点低，容易挥发。其管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸汽在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。

热虹式热管与吸液芯热管工作原理相同，唯一不同的地方在于热管内部没有吸液芯或者工质不具备较强的毛细吸力，工质回流主要依靠重力，因此热管通常在垂直放置时才起作用。

此外，本技术方案中的空气过滤器主要用于去除空气中的污染物质，控制所供空气达到洁净要求的装置。按照过滤效率的高低可分为初效过滤器、中效过滤器和高效过滤器。

初效过滤器的滤材多采用玻璃纤维、人造纤维、金属丝网及粗孔聚氨酯泡沫塑料等，一般适用于一般的空调系统，对尘粒较大的灰尘(＞5μm)可以有效过滤。

中效过滤器的主要滤料是玻璃纤维(比初效过滤器用玻璃纤维直径小，约10μm左右)、人造纤维(涤纶、丙纶、晴纶等)合成的无纺布及中细孔聚乙烯泡沫塑料等。该种过滤器一般可做成袋式和抽屉式。大多数情况下，中效过滤器用于高效过滤器的前级保护，少数用于清洁度要求较高的空调系统。

高效过滤器可分为亚高效、高效及超高效过滤器。一般滤料均为超细玻璃纤维或合成纤维，加工成成纸状，称为滤纸。为了减少气溶胶穿过滤纸的速度，需大大增加滤纸的面积，因而高效过滤器常做成折叠状。

本系统采用中效过滤器即可满足要求。

前述所提到的表冷器为表面式空气热湿交换设备，主要对空气进行冷却处理以降低系统送风温度。

表冷器有光管式和肋管式两种。光管式由于传热效率低已很少使用，肋管式由管子和肋片构成。为了使表冷器性能稳定，应力求使管子与肋片间接触紧密，减小接触热阻，并保证长久使用后也不会松动。采用表冷器进行热湿交换的特点是与空气进行热湿交换的介质不与空气接触，二者之间的热湿交换是通过分隔壁面进行的。按照空气流动的方向来说，表冷器可以并联，也可以串联或者既有并联又有串联。到底采用什么样的组合方式，应按照通过空气量的多少和需要的换热量大小来决定。一般是通过空气量多时采用并联，需要空气温降大时采用串联。

冷风机组属于制冷机组中的一类，主要由蒸发器、冷凝器、压缩机及膨胀阀构成。一般情况下，将风冷冷风机组分成室内机与室外机两大块，蒸发器单独构成室内机，冷凝器、压缩机及膨胀阀集于室外机。根据设计思路，组合式空调箱中的表冷器即为风冷冷风机组中的蒸发器。

风冷冷风机组的性能系数一般在3.0左右，即消耗1kW的电能可提供约3kW的制冷量。与其他制冷机组而言，风冷冷风机组的性能系数较低，但其价格便宜，噪音低，适用于小容量空调系统。

风冷冷风机组的采用是为了降低送风温度，以改善系统散热效果。

系统中冷风机组通常只在炎热季节开启，因为此时环境温度较高，送风温度需要进行冷却才能达到系统降温效果；对于过渡季节及寒冷季节，外界环境温度本来就较低，此时则不必开启机组。

系统局部管路的优化设计对散热效果的强化起着重要作用，这里着重介绍送风分风道的设计思路。在相同供风量下，若对发热元件群(该系统中为热管散热肋片，下同)进行整体供风，风速较小，换热表面对流换热系数较小，对流换热量一般；若总供风量保持不变，对发热元件进行单个供风，强化局部风速，这样就会增大换热表面的气流紊流度，提高对流换热系数，增强换热效果，提高对流换热量。

因此，在本技术方案的冷却方式中，对每个发热元件采用了单独的风道设计，这样就会大大提高换热量，实现以较小的风机功率换取相同的发热量，既满足换热要求又可实现节能目标。

对每组热管散热肋片进行单独的风道设计可以带来如下优点：

①对每个热管肋片进行单独供风，可以加速局部对流，增强对流换热系数，提高换热量，从而提高冷却效率；

②单独的风道可以增加局部空气流速，从热管散热方面来说，可以减少热管散热面积，从而减少肋片数量，降低成本，节省初投资。

③单独的风道设计，可以使低温气流快速有效的流经热管肋片，以适应热管器件快速升温的特点。

④单独的风道设计与热管散热器组件相结合，可以把大功率电力电子器件与冷却处理单元从物理上隔开，这样可以提高电子器件处的绝缘水平，进一步加强了安全措施。

⑤单独的风道设计，可以有效地控制送风空气相对湿度，防止电击穿。

为了对经过表冷器冷却后的空气进行汽水分离，还可在空气处理装置设置挡水板。

根据不同的需求，挡水板可选用不用的材料，如不锈钢、铝合金、镀锌、玻璃钢、PVC等等，其工作温度范围一般为-30℃～90℃。

为适用不同工况下的要求，采用风机与变频控制器相连构成的变频风机控制方案，实现了风机功率和系统风量的无级调节，以适时地改变风量的大小，这样既可以满足多种工况下的风量需求，又可以在较小发热功率时采用小功率风量以体现节能原则。

图2中，设置一温度控制单元22，在所述组合式空调箱体内、散热模块上或大功率电力半导体器件上设置温度检测元件21，温度检测元件与温度控制单元的输入端连接，温度控制单元的输出端分别与各电控风门的控制器23、24、25、风机单元的变频调速装置26以及空气换热单元中制冷机组的控制器27的控制输入端对应连接。

当环境温度高于晶闸管室内设定温度时，温度控制单元发出指令，调节排风和送风阀门，开启制冷机组。

当环境温度低于晶闸管室内设定温度时，温度控制单元发出指令，打开排风阀门、开启送风阀门，吸入环境温度的冷空气进行冷却、降温。

通过调节变频风机的转速，实现送风温度可控调节，可以得到不同送风温度下散热效率和晶闸管的表面温度。

其温度控制单元可以采用工控机、单片机控制装置或PC计算机。

由于上述测温元件、温度控制装置、电控风门的控制、风机的变频控制以及制冷机组的控制均为现有技术，其具体工作原理和连接方式在此不再叙述，本领域的技术人员，只要领会和掌握了本技术方案的发明要点和改进思路后，完全可以不经过创造性的劳动，再现本技术方案，得到相同或相近似的技术效果。

在图3中，散热模块2的端面结构与大功率电力半导体器件1的待散热端面相匹配，每两个散热模块之间设置一个大功率电力半导体器件，整组散热模块和大功率电力半导体器件的组合体经紧固件31和端部紧固压板32固结为一体。

在图4中，散热模块2上至少设置两根热管7，热管与散热模块侧端面(当散热模块横截面为矩形时)或侧端面切线(当散热模块横截面为圆形时)之间的夹角(俗称倾角)α小于90°，设置于同一散热模块上的各热管共用一组散热肋/翼片组8。

其热管的蒸发端与散热模块连接，其冷凝端管壁外表设置散热肋/翼片组。

热管倾角α主要有两个作用：(1)热管采用一定倾角后，有利于热管中冷凝后的液体工质迅速回到蒸发段，实现高效传热；(2)热管采用一定倾角后，可增大散热片与冷风之间的迎风面积，改善散热性能。

实施例：

采用图5所示的系统流程图，由于其为工程图，其图中所采用的标记、代号以及含义均按工程图纸的要求和惯例、国标进行标注。

图中冷风(标记为新风)由经冷风管和第一电控调节阀FM14进入，依次通过过滤器GLQ、表冷器BLQ、挡水板DSB和变频风机FJ，通过装有送风温度采集器W1和空气流量计V的送风总管和装有送风分调节阀FMn(n＝1～11)的各个送风分风道，被强制/直接输送至各散热肋/翼片组CUn(n＝1～11)。

为了得到更好的运行/冷却效果，在各大功率电力半导体器件上设置了表面温度采集器Wn(n＝2～11)。

经过吸热后的热风，汇集后经装有回风温度采集器W12和第三电控调节阀FM12的热风管被排出室外。

在冷风管和热风管之间设置了带有第二电控调节阀FM13的回风连通管。

其余同图1～图4中的相应内容。

采用上述系统结构后，在风速相对固定在70％的总风量的情况下，发热功率为500～3000W，送风温度在10，15，20，25度的情况下，实测结果如下所示：

         10℃      15℃      20℃        25℃        30℃

500W     20.3℃    24.4℃    27.1℃      34.8℃      40.1℃

800W     29.5℃    32.6℃    35.3℃      38.0℃      42.5℃

1000W    32.6℃    37.3℃    39.5℃      42.4℃      46.5℃

1500W    34.5℃    39.5℃    42.5℃      45.6℃      49.5℃

2000W    45.2℃    52.6℃    59.6℃      ＞60.0℃    ＞60.0℃

2500W    51.1℃    58.8℃    ＞60.0℃    ＞60.0℃    ＞60.0℃

3000W    58.8℃    ＞60.0℃  ＞60.0℃    ＞60.0℃    ＞60.0℃

通过上述数据可以看出，送风温度的高低对热管根部的散热模块的温度影响很明显，当散热面积一定时，不能无限的增加风速，当风速处于极限时，可以降低风温，增加幅射换热，降低热管根部散热模块的温度，晶闸管处于满负荷3000KW运行时，只要送风温度小于10度就能满足设计要求。

在1000W发热功率时，20℃送风温度情况下，分别用15Hz、25Hz、35Hz、45Hz、50Hz、60Hz等频率下的风速进行试验，实测结果如下所示：

频率(Hz)    15      25      35       45    50     60

温度(℃)    72.4    59.5    52.6     47.8  46.8   44.2

通过上述数据可以直观的看出，随着频率的增大，热管根部散热模块温度逐渐降低，这说明风量调节对冷却效果的改善也起着很大作用，尤其是频率相对较小阶段；同时我们可以发现，随着频率的增大，热管根部温度变化趋势越来越小，这说明通过风速来改善冷却效果具有一定的限度，当散热器的边界层已处于紊流状态时，再增大风速其冷却效果不理想。

综上可知，冷却风量越大，散热效果越好，但随着风速的不断增大而散热效果日趋减小；而对相同发热功率，当风机变频频率和温度变化率基本相当时，降低送风温度比采用提高送风量的散热效果要好。

当每个晶闸管3KW的发热量时，只要送风温度不高于10℃，风量5000m³/h时，采用热管2型散热器，就能满足目前输电系统的散热要求。

当每个晶闸管2KW的发热量时，只要送风温度不高于20℃，风量5000m³/h时，就能满足目前输电系统的散热要求。

根据申请人所在地气象资料的有关数据，2007年该地区年平均气温为18.4℃，故当晶闸管功耗小与2000KW；气温小于20度时，不用制冷，当送风量达到一定值时就可以满足设计要求。

所以，在20℃的送风温度下，完全能够满足晶闸管2KW散热量的要求，也就是在春、秋、冬季，基本不用辅助的制冷设备。这样就提高了热管在大功率电力电子器件的应用，节能降耗也非常明显，完全实现了预期的发明目的。

由于本发明采用了“热管”加“风冷”的复合散热方式，克服了传统冷却方式的缺陷，能高效解决大功率器件的散热问题，可增强系统抗电离、抗腐蚀能力，防止泄漏提高安全性能，同时可降低资金一次投入及维护成本，而且其系统结构较水冷式冷却装置更加简洁。

本发明可广泛用于变配电、电力输送、电力拖动等行业大功率电力电子元器件的散热和运行保障领域。

Claims (10)

1.一种用于大功率电力半导体器件的复合式冷却方法，包括多个串联设置的大功率电力半导体器件和与大功率电力半导体器件固结为一体的各散热模块，其特征在于：

A、在散热模块上设置带有散热肋/翼片组的热管；

B、设置一带有进/出风口的组合式空调箱体，用于容纳整组散热模块和大功率电力半导体器件的组合体；

C、设置一空气处理装置，用于对进入组合式空调箱体的冷却气体进行加压、净化和/或降温；

D、在组合式空调箱体的进风口设置一送风总管，用于输送空气处理装置送来的低温冷却气体；

E、在送风总管至各散热肋/翼片组之间分别对应设置单独的送风分风道，将低温冷却气体强制/直接输送至各散热肋/翼片组；

F、利用低温冷却气体构成送风分风道与各组散热肋/翼片组之间的电绝缘层。

2.按照权利要求1所述的用于大功率电力半导体器件的复合式冷却方法，其特征是在所述组合式空调箱体的进、出风口，分别对应设置带有冷风吸入口的冷风管和带有热风排放口的热风管；

在冷风管和热风管之间设置一连通风道；

在冷风吸入口、连通风道上和热风排放口，分别对应设置第一、第二和第三电控风门；

通过控制各电控风门的打开和/或关闭，控制低温冷却气体和经过散热肋/翼片组后的热废气体的流向和/或流通路径，实现运行方式的调节和/或改变。

3.按照权利要求1或2所述的用于大功率电力半导体器件的复合式冷却方法，其特征是在各送风分风道上设置分调节风门或分风量调节阀，对送至各散热肋/翼片组的冷却气体的风量进行微调，以得到更佳的冷却效果。

4.一种用于大功率电力半导体器件的复合式冷却装置，包括多个串联设置的大功率电力半导体器件和与大功率电力半导体器件固结为一体的各散热模块，其特征是：

设置一可容纳所述多个大功率电力半导体器件和各散热模块的组合式空调箱体、一空气处理装置和一带有电控风门的吸/排气管路；

在组合式空调箱体上设置进风口和出风口；

空气处理装置的进风端与吸/排气管路连接，其出风端与组合式空调箱体的进风口连接；

组合式空调箱体的出风口与吸/排气管路连接；

在所述的每个散热模块上设置热管，在热管上设置散热肋/翼片组；

从组合式空调箱体内的进风口设置一送风总管；

在送风总管至各散热肋/翼片组之间分别对应设置单独的送风分风道。

5.按照权利要求4所述的用于大功率电力半导体器件的复合式冷却装置，其特征是所述的空气处理装置内至少设置一风机单元、一空气换热单元和一空气过滤单元，从吸/排气管路经进风端进入空气处理装置的空气经过风机单元、空气换热单元和空气过滤单元后经进风口进入组合式空调箱体。

6.按照权利要求5所述的用于大功率电力半导体器件的复合式冷却装置，其特征是所述的空气换热单元为风冷或水冷式制冷机组的蒸发器或空调箱表冷器；其所述的风机单元为带有变频调速装置的冷却风机。

7.按照权利要求4所述的用于大功率电力半导体器件的复合式冷却装置，其特征是所述的吸/排气管路由与空气处理装置进风端连接的带有冷风吸入口的冷风管和与组合式空调箱体的出风口连接的带有热风排放口的热风管构成，在冷风管和热风管之间设置一连通风道，在冷风吸入口、连通风道上和热风排放口，分别对应设置第一、第二和第三电控风门。

8.按照权利要求4所述的用于大功率电力半导体器件的复合式冷却装置，其特征是在所述组合式空调箱体内、散热模块上或大功率电力半导体器件上设置温度检测元件，另外设置一温度控制单元，温度检测元件与温度控制单元的输入端连接，温度控制单元的输出端分别与各电控风门的控制器、风机单元的变频调速装置以及空气换热单元中制冷机组的控制器的控制输入端对应连接。

9.按照权利要求4所述的用于大功率电力半导体器件的复合式冷却装置，其特征是所述的各个散热模块上至少设置两根热管；热管与散热模块侧端面或侧端面切线之间夹角小于90°；设置于同一散热模块上的各热管共用一组散热肋/翼片组；所述热管的蒸发端与散热模块连接，其冷凝端管壁外表设置散热肋/翼片组。

10.按照权利要求4所述的用于大功率电力半导体器件的复合式冷却装置，其特征是所述散热模块的端面结构与大功率电力半导体器件的待散热端面相匹配，每两个散热模块之间设置一个大功率电力半导体器件，整组散热模块和大功率电力半导体器件的组合体经紧固件和端部紧固压板固结为一体。

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