CN102097920B

CN102097920B - 一种用于大功率电力电子功率器件的吸收电路

Info

Publication number: CN102097920B
Application number: CN201010538015.5A
Authority: CN
Inventors: 王轩; 韩天绪; 袁蒙; 杨武帝; 赵波; 邓占锋
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; China EPRI Science and Technology Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; China EPRI Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-11-10
Also published as: CN102097920A

Abstract

本发明属于电子电力领域，具体涉及一种用于大功率电力电子功率器件的吸收电路。吸收电阻采用分裂式安装方式，在吸收电容的两端分别串联两个吸收电阻，在吸收电容与每个吸收电阻之间分别串联阻热器。解决了吸收电容的散热，有效阻止了吸收电阻向吸收电容的热量传导，同时也解决了传统风冷散热器体积较大、成本较高的问题，对于今后功率器件模块化和紧凑型设计具有重要意义。

Description

一种用于大功率电力电子功率器件的吸收电路

技术领域

本发明属于电子电力领域，具体涉及一种用于大功率电力电子功率器件的吸收电路。

背景技术

变流器的主回路中不可避免的存在杂散电感，杂散电感会引起大功率电力电子功率器件关断过程中产生较高的浪涌电压，根据不同情况需要加装相应的吸收电路。吸收电路是用来吸收大功率电力电子功率器件关断浪涌电压和续流二极管反向恢复浪涌电压，由无感吸收电容、吸收电阻(低电感)和快恢复二极管构成。在抑制大功率电力电子功率器件关断浪涌电压的同时，吸收电容、吸收电阻都会产生大量的热量。在采用铁铬铝电阻带作为吸收电阻时，吸收电阻产生的热量会有一大部分传导到相连接的吸收电容内部，加上吸收电容自身的发热，长时间运行在高温状态可能会造成吸收电容的内部金属薄膜熔化，严重时造成内部短路引起电容炸毁。因此，需要在不影响功率模块紧凑型结构的基础上设计一种体积小的阻热器，这种阻热器既可以阻止吸收电阻热量传导到吸收电容，又可以辅助吸收电容散热。

典型的大功率电力电子功率器件缓冲电路有三种形式，如图1所示。图1(a)为单只低电感吸收电容构成的缓冲电路，适用于小功率的电力电子功率器件，可以有效抑制浪涌电压，电路成本低。该电路缺点是不适用于负载为并联谐振的装置。图1(b)为RCD构成的吸收电路，适用于较大功率的电力电子功率器件，该电路抑制电力电子功率器件关断浪涌电压效果好，抑制开通时的电力电子功率器件浪涌电压效果稍差一些。该电路缺点在于吸收电路中的二极管增加了杂散电感。图1(c)适用于大功率的电力电子功率器件，功能类似于图1(b)吸收电路，但电路电感更小，若同时配合使用图1(a)吸收电路，还能减小二极管的应力，使吸收效果更好。缺点是吸收电路复杂，成本较高。

本发明的是阻热器在大功率电力电子功率器件吸收电路中的使用，吸收电路运行过程中，阻热器可以有效阻止吸收电阻产生的热量传导至吸收电容，又可以辅助吸收电容散热，同时阻热器比铝壳电阻的散热器成本低、体积小、不影响功率模块的紧凑型结构设计，阻热器的结构使其不但起到阻热作用而且具有良好的电气连接性能。

阻热器的设计原理，阻热器在大功率电力电子功率器件吸收电路中的使用以及阻热器的结构，在国内外未见到相关应用报道。

发明内容

本发明提供了一种用于大功率电力电子功率器件的吸收电路。阻热器在大功率电力电子功率器件吸收电路中的使用，吸收电路运行过程中，阻热器可以有效阻止吸收电阻产生的热量传导至吸收电容，又可以辅助吸收电容散热，同时阻热器比铝壳电阻的散热器成本低、体积小、不影响功率模块的紧凑型结构设计，阻热器的结构使其不但起到阻热作用而且具有良好的电气连接性能。

本发明的一种用于大功率电力电子功率器件的吸收电路，包括：大功率电力电子器件、吸收电阻、吸收电容和阻热器，所述吸收电阻采用分裂式安装方式，在吸收电容的两端分别串联两个吸收电阻，在吸收电容与每个吸收电阻之间分别串联阻热器；

所述阻热器具有散热面和底面，在散热面上加工有平行的散热沟槽；

所述阻热器安装时散热面朝外，底面与吸收电容接触，阻热器的散热面具有的散热沟槽与该吸收电路的散热通道平行，可通过散热风扇将阻热器的热量带走。

其中，对于阻热器的特性具有以下要求：

a)具有良好的热传导特性；

b)阻止吸收电阻的热量传导到吸收电容；

c)辅助吸收电容散热；

d)阻热器在吸收电容与吸收电阻之间起到物理连接同时还有电气连接作用，具有良好的导电特性。

其中，阻热器的材料要选用导热系数高、电导率高的金属，热量传递的大小同材料的导热系数、传热面积成正比，同距离成反比。

其中，所述阻热器由铜、铝或铝合金制成。

其中，阻热器的形状及结构可根据阻热器设计原理结合吸收电路的情况进行来确定。

其中，所述阻热器的整体形状为高度h、半径r的圆柱形；在散热面上加工深度为d、宽度为w、齿宽为t的平行的散热沟槽；散热面中央保留半径为r1的圆形平台，圆形平台中心加工半径为r2的通孔；阻热器的底面加工为光滑平面，阻热器的底面厚度为h-d。

其中，所述圆形平台和阻热器的底面的表面粗糙度为3.0-4。

本发明技术方案的有益效果是：

本发明的阻热器在大功率电力电子功率器件吸收电路中的使用，在试验中取得了良好的效果。本项技术的成功开发，解决了吸收电容的散热，有效阻止了吸收电阻向吸收电容的热量传导，同时也解决了传统风冷散热器体积较大、成本较高的问题，对于今后功率器件模块化和紧凑型设计具有重要意义。本发明还具有如下的优点：

(1)有效阻止了吸收电阻热量向吸收电容的传导；

(2)解决了吸收电容的散热；

(3)减小了吸收电路散热器的体积；

(4)降低了吸收电路散热器成本；

(5)阻热器在阻热作用的同时具有良好的电气连接。

附图说明

为了使本发明的内容被更清楚的理解，并便于具体实施方式的描述，下面给出与本发明相关的附图说明如下：

图1示出的是典型IGBT吸收电路图；

图2示出的是本发明的RC吸收电路；

图3示出的是阻热器安装位置；

图4示出的是阻热器结构；

图5示出的是阻热器安装连接示意图；

其中1-大功率电力电子器件，2-吸收电阻，3-阻热器，4-吸收电容，5-散热面，6-底面。

具体实施方式

本发明中所采用的吸收电路为RC吸收电路，如图2所示。RC吸收电路的结构简单，关断浪涌电压抑制效果好，电路成本低，该结构吸收电路在应用于大功率的电力电子功率器件时，必须使吸收电阻值很小。

2.阻热器设计要求

采用铝壳电阻作为吸收电阻会严重影响功率模块的紧凑型设计，增加生产成本。采用铁铬铝电阻带作为吸收电阻时可以避免以上问题，但是铁铬铝吸收电阻产生的热量会有一大部分传导到连接的吸收电容，长时间运行在高温状态会造成吸收电容损坏。

因此，需要在不影响功率模块紧凑型结构的基础上设计一种体积较小的阻热器3安装在吸收电容4与吸收电阻2之间，吸收电阻与大功率电力电子器件1相连。阻热器安装位置如图3所示，对于阻热器的功能具有以下要求：

a)具有良好的热传导特性；

b)阻止吸收电阻的热量传导到吸收电容；

c)辅助吸收电容散热；

d)阻热器在吸收电容与吸收电阻之间起到物理连接同时还有电气连接作用，要求其具有良好的导电特性；

3.阻热器设计原理

由导热基本定律可知，在导热现象中，热量传递的方向与温度升高的方向相反，即热量传递的方向指向温度降低的方向。因此，运行过程中要使阻热器温度低于吸收电容与吸收电阻，这样吸收电路中各元器件产生的大部分热量才会传递至阻热器；吸收电阻的大部分热量会传导至阻热器，阻热器通过与空气进行热交换，阻止热量传导至吸收电容；同样，吸收电容的热量快速传导至阻热器，阻热器将这部分热量也与空气或液体进行热交换，达到辅助吸收电容散热的目的；阻热器的材料要选用导热系数高、电导率高的金属。

阻热器的形状及结构可根据阻热器设计原理结合吸收电路的情况进行来确定。

4.阻热器材料的选用

热量传递的大小同材料的导热系数、传热面积成正比，同距离成反比。热传递系数越高、热传递面积越大，传输的距离越短，那么热传导的能量就越高，也就越容易带走热量。热传导的基本公式为：

Q = \frac{K \cdot A \cdot ΔT}{ΔL}

Q-热量，也就是热传导所产生或传导的热量；

K-材料导热系数；

A-传热的面积(或是两物体的接触面积)；

ΔT-两端的温度差；

ΔL-传热距离；

由阻热器的设计原理可知，阻热器需要采用电导率高、导热系数高的金属材料制作，例如纯铜、纯铝等材料。纯铜的导热系数和电导率在常见金属中仅次于银(导热系数429W/m·K，电导率6.1×10⁷S/m)，纯铝也具有很好的导热性能和导电性能。纯铝材料和纯铜材料阻热器能够更快的与空气或液体进行热交换，同时可快速传导出吸收电容内部产生的热量。纯铝和纯铜的基本参数如下：

材料	密度kg/m³	导热系数W/m·K	比热容J/kg·K	电导率S/m
					纯铜	8930	398	386	5.8×10⁷
纯铝	2710	236	902	3.8×10⁸

5.阻热器结构设计示例及工作原理

(1)阻热器结构

根据实际吸收电路需求，本发明中所设计的一种阻热器的结构如图4所示，阻热器分为散热面5和底面6，其整体形状为高度h，半径r的圆柱形；在散热面上加工深度为d、宽度为w、齿宽为t的平行散热沟槽；散热面中间保留半径为r1的圆形平台(表面粗糙度3.2)，平台中心加工半径为r2的通孔；底面加工为光滑平面(表面粗糙度3.2)，底面厚度为h-d。

(2)阻热器结构功能及工作原理

阻热器结构功能说明如下：

a.散热面加工的散热沟槽增大了表面积，可以加强与空气的对流换热。通过在散热沟槽的垂直方向加装风扇，可以加速散热面和底面的空气流动，提高了散热效率；

b.散热面中间半径为r1的圆形平台的设计，保证了吸收电阻与阻热器的紧密连接(见图5所示)，减小接触电阻；

c.光滑的底面可以使吸收电容的连接接头和阻热器连接紧密，保证了吸收电容内部热量快速传导至阻热器同时减小了接触电阻；

d.中心半径为r2的通孔设计，方便将吸收电阻和阻热器与吸收电容连接固定；

阻热器的结构减小了吸收电阻和吸收电容的电气连接距离，减小了吸收电路的杂散电感。阻热器选用电导率很高的金属材料制作，因此阻热器的电阻可以忽略不计。

由于散热槽与空气接触面积大，加上风扇的强迫风冷，散热面在与空气的对流换热过程中热量转移较其它位置快，温度也相对低于其它部分。由导热基本定律可知，热量传递的方向指向温度降低的方向，阻热器工作原理如下：

a.吸收电路工作工程中，吸收电阻产生的一部分热量会与空气发生热交换，还有一大部分热量传导至阻热器；

b.吸收电容的产生的热量通过接触面传导至阻热器；

c.由于散热面的温度较阻热器的其它部分要低，所以传导至阻热器的大部分热量流向散热面，其余的流向底面，阻热器吸收的热量传递至散热面及底面后迅速与空气进行热交换。

阻热器通过良好的散热降低自身温度，使吸收电阻的热量在传递至阻热器后与空气发生热交换，阻止了吸收电阻的热量传导至吸收电容，实现了阻热功能，同时对吸收电容进行了有效散热。

6.阻热器的安装连接结构

阻热器的安装连接结构如图5所示，吸收电路中吸收电容4通过阻热器3与吸收电阻2连接，阻热器在起到电气连接作用同时辅助吸收电容散热，阻止吸收电阻热量传导至吸收电容。安装时，使用吸收电容的配套螺栓穿过阻热器中心通孔，将吸收电阻、阻热器和吸收电容连接在一起。阻热器的散热面与吸收电阻连接，底面与吸收电容连接，保证吸收电阻的温度迅速通过散热面散热，阻止热量传递至吸收电容。

上面通过特别的实施例内容描述了本发明，但是本领域技术人员还可意识到变型和可选的实施例的多种可能性，例如，通过组合和/或改变单个实施例的特征。因此，可以理解的是这些变型和可选的实施例将被认为是包括在本发明中，本发明的范围仅仅被附上的发明权利要求书及其同等物限制。

Claims

1.一种用于大功率电力电子功率器件的吸收电路，包括：大功率电力电子器件、吸收电阻、吸收电容和阻热器，其特征在于：

所述吸收电阻采用分裂式安装方式，在吸收电容的两端分别串联两个吸收电阻，在吸收电容与每个吸收电阻之间分别串联阻热器；

所述阻热器安装时散热面朝外，底面与吸收电容接触，阻热器的散热面具有的散热沟槽与该吸收电路的散热通道平行，通过散热风扇将阻热器的热量带走。

2.如权利要求1所述的吸收电路，其特征在于：对于阻热器的特性具有以下要求：

a)具有良好的热传导特性；

b)阻止吸收电阻的热量传导到吸收电容；

c)辅助吸收电容散热；

3.如权利要求2所述的吸收电路，其特征在于：阻热器的材料要选用导热系数高、电导率高的金属，热量传递的大小同材料的导热系数、传热面积成正比，同距离成反比。

4.如权利要求3所述的吸收电路，其特征在于：所述阻热器由铜、铝或铝合金制成。

5.如权利要求4所述的吸收电路，其特征在于：阻热器的形状及结构根据阻热器设计原理结合吸收电路的情况来确定。

6.如权利要求5所述的吸收电路，其特征在于：

所述阻热器的整体形状为高度h、半径r的圆柱形；在散热面上加工深度为d、宽度为w、齿宽为t的平行的散热沟槽；散热面中央保留半径为r1的圆形平台，圆形平台中心加工半径为r2的通孔；阻热器的底面加工为光滑平面，阻热器的底面厚度为h－d。

7.如权利要求6的吸收电路，其特征在于：所述圆形平台和阻热器的底面的表面粗糙度为3.0-4。