CN101697448B - 变流器功率模块双面水冷散热基板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铁路机车、动车组及工业控制领域，尤其涉及大功率变流器冷却技术，具体为变流器功率模块双面水冷散热基板，解决了现有大功率变流器功率模块散热器体积偏大、散热效果不佳、制造成本较高的问题，装置连接变流器循环水系统，包括由上盖板和下基板钎焊而成的散热基板，下基板端面设有连接水道和外部循环水的进水口和出水口，上盖板和下基板的外表面上开有安装孔，在下基板的内表面上开设槽型水道，水道中放置有通过规律性折弯而形成的方波状散热翅片。使用本装置实现了双面水冷散热，一方面降低了散热基板的热阻提高了散热效率，另一方面降低了制作工艺的难度、减少了制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及铁路机车、动车组及工业控制领域，尤其涉及大功率变流器冷却技术，具体为变流器功率模块双面水冷散热基板。
背景技术
随着电力电子技术的迅猛发展，大功率变流器得到了广泛应用，功率模块作为变流器的核心部件，其冷却技术十分关键，直接影响着变流器运行的可靠性。现有功率模块的主要的冷却方式有：自然冷却、强迫风冷、热管冷却、油循环冷却、水循环冷却、沸腾冷却等，其中水循环冷却以其冷却效果好、散热基板体积小，特别是可以与系统中其他需要冷却的部件共用同一个水循环系统而越来越得到广泛运用。
目前，国内变流器功率模块的散热，特别是大功率变流器的散热，主要采用强迫风冷、热管冷却或行走风自然冷却方式，这些散热方式都是散热器散热基板单面散热，对功率器件的散热效果较差，且散热基板体积较大；而国外技术虽然采用双面散热基板，但是多采用散热基板与散热翅片一体成型的技术，制造工艺复杂、成本较高。
发明内容
本发明为了解决现有大功率变流器功率模块散热器，体积偏大、散热效果不佳、制造工艺复杂成本较高的问题，提供了一种新型变流器功率模块双面水冷散热基板。
本发明具体采用如下技术方案实现：包括由上盖板和下基板钎焊而成的散热基板，下基板端面设有连接水道和外部循环水的进水口和出水口，上盖板和下基板的外表面(根据功率部件通常的安装位置，所述外表面是指上盖板的上表面和下盖板的下表面)上开有安装孔，在下基板的内表面(即下基板与上盖板的相互接触面)上开设槽型水道，水道中放置有通过规律性折弯而形成的方波状散热翅片。
所述水道是在下基板内表面上加工出水槽，水槽中放置经过设计的散热翅片，使用变形小、接头光滑美观的真空钎焊技术，将上盖板与下基板焊接在一起，形成密封的水道，这样IGBT(本装置所述功率器件主要是指IGBT)工作时耗散的热量通过热传导的方式传输到散热翅片上，再通过散热翅片传输到冷却液(循环水)，由冷却液循环带走，保证IGBT结温不超过额定结温，达到正常工作的目的。下基板端面设置有循环水进出口，全部使用快速水接头，方便水冷散热基板与水循环系统的连接，连接分离时具有快捷、方便、安全的特点，快速水接头可选用STAUBLI公司的工业水连接器。水道中的冷却液可采用水和乙二醇的混合液体，比例可根据功率器件使用环境的温度进一步确定。
与现有技术相比，本发明提供的变流器功率模块双面水冷散热基板具有如下有益效果：本装置散热基板体积更小并且可以双面安装功率器件进行散热，散热效果更好，提高了大功率变流器功率模块的散热效果，使变流器能够更加可靠的运行；同时，采用水冷却的散热模式可共用变流器循环水系统进行散热，技术上使用了特殊设计的散热翅片，一方面降低了散热基板的热阻提高了散热效率，另一方面降低了制作工艺的难度、减少了制作成本。
附图说明
图1为本发明所述变流器功率模块双面水冷散热基板的结构示意图；
图2为图1的左视图；
图3为图1的俯视图；
图4为本发明所述水道的结构示意图；
图5为本发明双面固定功率器件的结构示意图；
图6为图1的A-A剖视图；
图7图6中散热翅片的放大图；
图8为本发明所述变流器功率模块双面水冷散热基板的安装示意图。
图中：1-上盖板，2-下基板，3-快速水接头，4-散热翅片，5-出水口，6-进水口，7-安装孔，8-功率器件IGBT，9-水道。
具体实施方式
变流器功率模块双面水冷散热基板，包括由上盖板1和下基板2钎焊而成的散热基板，下基板2端面设有连接水道9和外部循环水的进水口6和出水口5，上盖板1和下基板2的外表面(根据功率部件通常的安装位置，所述外表面是指上盖板的上表面和下盖板的下表面)上开有安装孔7，在下基板2的内表面(即下基板2与上盖板1的相互接触面)上开设槽型水道9，水道9中放置有通过规律性折弯而形成的方波状散热翅片4。
所述水道9是在下基板2内表面上加工出水槽，水槽中放置经过设计的散热翅片4，使用变形小、接头光滑美观的真空钎焊技术，将上盖板1与下基板2焊接在一起，形成密封的水道，这样IGBT(本装置所述功率器件主要是指IGBT)工作时耗散的热量通过热传导的方式传输到散热翅片4上，再通过散热翅片4传输到冷却液(循环水)，由冷却液循环带走，保证IGBT结温不超过额定结温，达到正常工作的目的。水道9两端连接的进水口6和出水口5处接有快速水接头3，可以更方便水冷散热基板与水循环系统的连接，连接分离时具有快捷、方便、安全的特点，快速水接头可选用STAUBLI公司的工业水连接器。水道中的冷却液可采用水和乙二醇的混合液体，比例可根据功率器件使用环境的温度进一步确定。
具体的，散热基板材料为铝合金板，允许无铜水循环，散热基板两侧板面上(上盖板1的上表面和下基板2的下表面)设置嵌有钢丝螺套的IGBT安装孔7，以满足安装扭矩，可双面固定安装功率器件，进行大功率功率器件的散热。水道9中设置有至少两片散热翅片4，相邻散热翅片4之间横向相差半个方波宽度交错放置(如图7所示)，既降低了散热基板的制作工艺和生产成本，又降低了散热基板的热阻使装置的散热效果得到提升。所述水道9在下基板2中呈方波型布置，使得各功率器件可以快速通过水道中的散热翅片4和冷却剂散热。
本发明所述变流器功率模块双面水冷散热基板具体工作时：水冷散热基板两侧可安装8只最大散热功率为2.5kW的IGTB(每面各4只)，每只IGBT与水板的接触面积为140×190mm，安装力矩为5Nm。
下基板2中的水道设计要求：冷却液工作压力为5bar，额定流速为40L/min，水压下降不超过1.3bar(包括快速水接头)，每个IGBT包装对应的水冷散热基板区域热阻最大为8℃/kW。
由于热阻主要来源于传热面上的流体薄层，也称为边界层；增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻。本装置中流体(循环水)流速一定，通过增加扰动，还可使热阻继续下降。具体原理是：在接头处，循环水由水道中散热翅片交错放置形成的缩径处进入扩径处时会发生边界层分离现象，此时在扩径处产生循环水空白区，一部分循环水会倒流回来填充空白区，这样在扩径腔内产生流向相反的两种流体，即而形成旋涡，由于旋涡的存在，加剧了循环水质点之间的碰撞，极大地破坏了边界层和滞流内层，使其厚度减薄，热阻减少。通过对水道9和放置于其内的散热翅片4进行这样设计，大大降低了散热基板的热阻，使水冷散热基板的散热效果更好。
Claims (2)
1.变流器功率模块双面水冷散热基板，包括由上盖板(1)和下基板(2)钎焊而成的散热基板，下基板(2)端面设有连接水道(9)和外部循环水的进水口(6)和出水口(5)，上盖板(1)和下基板(2)的外表面上开有安装孔(7)，在下基板(2)的内表面上开设槽型水道(9)，水道(9)中放置有通过规律性折弯而形成的方波状散热翅片(4)；其特征在于：所述水道(9)中设置有至少两片散热翅片(4)，相邻散热翅片(4)之间横向相差半个方波宽度交错放置；所述水道(9)在下基板(2)内表面上呈方波型布置。
2.如权利要求1所述的变流器功率模块双面水冷散热基板，其特征在于：水道(9)两端连接的进水口(6)和出水口(5)处接有快速水接头(3)。
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