CN102208381B - 集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路，通过毛细软管与供水母管、回水母管、方形水冷散热器组合连接而形成若干条散热器循环冷却管路；该毛细软管还与供水母管、回水母管、集成门极换向晶闸管三电平功率模块的水冷电抗器和水冷电阻连接也形成若干条阻抗循环冷却管路。本发明通过循环水流过功率模块单元中的方形水冷散热器、水冷电阻和水冷电抗器，为功率模块中的主功率发热电力电子器件降温，大大提高散热效率，从而对电力电子器件形成有效保护，保证系统的正常运行，还保证了水循环管路的结构简单、节省材料、易于替换。

Description

集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路

技术领域

本发明涉及一种循环冷却管路，特别涉及一种集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路。

背景技术

作为大功率变流器的主要工作组件，集成门极换向晶闸管三电平功率模块单元在运行时会产生大量的热量，使其内部电力电子器件的温度升高，如果散热系统不能满足散热要求，会导致系统性能下降，甚至导致电力电子器件的损坏，造成整个系统的瘫痪。目前，在大功率变流器的冷却系统中主要采用风冷、油冷和水冷三种方式。风冷系统的结构简单，体积小，但噪声大，不能将系统的温度降至室温以下，散热效能远不及水冷、油冷。油冷的散热系统效能较高，但其存在污染、易燃等问题。相比以上两种散热方式，水冷系统的散热效率最高，工作噪声小，并且水的比热容很高，散热效率高，热传导率为传统风冷方式的20倍以上，可解决几百至数千瓦的散热问题，但传统的水冷系统结构复杂，且不能够迅速带走电力电子器件工作时产生的热量，效率不高。

发明内容

本发明的目的是提供集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路，通过循环水流过功率模块单元中的方形水冷散热器、水冷电阻和水冷电抗器，为功率模块中的主功率发热电力电子器件降温，大大提高散热效率，从而对电力电子器件形成有效保护，保证集成门极换向晶闸管三电平功率模块的正常运行，还保证了水循环管路的结构简单、节省材料、易于替换。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路，包含：供水母管、回水母管、方形水冷散热器组合、多根毛细软管，

所述的供水母管和回水母管设置在集成门极换向晶闸管三电平功率模块的集成门极换向晶闸管的下方，并且与集成门极换向晶闸管三电平功率模块的功率串平行布置，并错落分布；

所述的方形水冷散热器组合包含第一方形水冷散热器组、第二方形水冷散热器组、第三方形水冷散热器组；该三组方形水冷散热器组分别设置在集成门极换向晶闸管三电平功率模块的三组功率串中；

所述的多根毛细软管分布在集成门极换向晶闸管三电平功率模块的上方；该毛细软管与供水母管、回水母管、方形水冷散热器组合连接而形成若干条散热器循环冷却管路，与供水母管、回水母管、集成门极换向晶闸管三电平功率模块的水冷电抗器和水冷电阻连接形成若干条阻抗循环冷却管路。

所述的供水母管的一端封闭，其另一端设置一个对焊球阀；所述的回水母管的一端封闭，其另一端设置一个对焊球阀。

所述的第一方形水冷散热器组、第二方形水冷散热器组、第三方形水冷散热器组分别包含若干个依次排列的方形水冷散热器。

所述的每个方形水冷散热器上各设置有一个供水接口和一个回水接口；通过该方形水冷散热器上的供水接口和回水接口，利用毛细软管实现分别在第二方形水冷散热器组和第三方形水冷散热器组上的相邻两两方形水冷散热器之间的水路串联；还利用毛细软管实现第一方形水冷散热器组上的相邻方形水冷散热器之间的水路串联。

所述的方形水冷散热器之间的水路串联包含通过毛细软管把第三方形水冷散热器组的其中一个回水接口、第二方形水冷散热器组的其中一个供水接口相连形成的管路；以及把第一方形水冷散热器组的一个方形水冷散热器的其中一个供水接口，同其相邻方形水冷散热器的其中一个回水接口相连形成的管路。

所述的每条循环冷却管路包含通过把毛细软管安装在水冷电抗器上的一个供水接口上，同供水母管设置的其中一个供水接口，相连而形成一条阻抗循环冷却管路；和把毛细软管安装在水冷电抗器上的一个回水接口上，同水冷电阻上的其中一个供水接口，相连而形成一条阻抗循环冷却管路；把毛细软管安装在水冷电阻上的其中一个回水接口上，同回水母管设置的其中一个回水接口，相连而形成一条阻抗循环冷却管路。

所述的每两个水冷电阻为一组，每个水冷电阻各设置有一个供水接口和一个回水接口；通过该水冷电阻上的供水接口和回水接口，利用毛细软管实现在两个水冷电阻之间的水路串联。

所述的水冷电阻之间的水路串联，包含通过毛细软管把一个水冷电阻的其中一个回水接口，同相邻另一个水冷电阻的其中一个供水接口相连形成的管路。

本发明集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路与现有技术相比，具有以下优点：

本发明由于采用毛细软管作为循环管路，且布置在集成门极换向晶闸管三电平功率模块的上方，便于拆换和维护。

本发明由于采用分别具有多个水接口的供水母管和回水母管，且其一端封闭另一端设置有对焊球阀，使得循环冷却管路易于控制，且结构简单。

本发明由于通过毛细软管连接方形水冷散热器和供水母管、回水母管，形成多条散热器循环冷却管路，有效带走集成门极换向晶闸管三电平功率模块工作时产生的大量热量；而且节省了大量毛细软管，且使水循环管路的结构简单，从而大大降低了成本，提高了散热效率，且安装方便。

本发明由于通过毛细软管与水冷电抗器和水冷电阻及供水母管和回水母管相连形成阻尼循环冷却管路，从而能够有效地将热量带走，提高散热效率。而且节省了大量毛细软管，且使水循环管路的结构简单，从而大大降低了成本，提高了散热效率，且安装方便。

附图说明

图1为本发明集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路的主视图；

图2为本发明集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路的俯视图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述。

请参见图1和图2所示，供水母管1和回水母管2设置在集成门极换向晶闸管三电平功率模块5的集成门极换向晶闸管51的下方，并错落分布；供水母管1和回水母管2与集成门极换向晶闸管三电平功率模块5的功率串52平行布置，使得循环管路结构紧凑，有利于节省循环管路路径；供水母管1和回水母管2上各设置相同个数的水接口，供水母管1上设置十个供水接口7，回水母管2上设置十个回水接口8，该供水母管1和回水母管2的一端分别封闭，其另一端各设置一个对焊球阀6，通过开启对焊球阀6，实现对集成门极换向晶闸管三电平功率模块5的循环冷却管路的循环水流控制；对焊球阀6采用聚丙烯（PPH）管，供水母管1和回水母管2的材质均为聚偏二氟乙烯（PVDF），聚丙烯（PPH）和聚偏二氟乙烯（PVDF）均能够承受循环水的高温和均衡水压。

集成门极换向晶闸管三电平功率模块5中设置有三组功率串52，因此，方形水冷散热器组合3包含第一方形水冷散热器组31、第二方形水冷散热器组32、第三方形水冷散热器组33，分别设置在前述的三组功率串52中；其中，第二方形水冷散热器组32设置在中间一组功率串52中，第三方形水冷散热器组33设置在紧邻供水母管1的一组功率串52中，第一方形水冷散热器组31设置在另一组功率串52中。第一方形水冷散热器组31、第二方形水冷散热器组32、第三方形水冷散热器组33分别包含若干个方形水冷散热器300，本实施例中，每个方形水冷散热器组上包含五个方形水冷散热器300，则三组方形水冷散热器组共包含十五个方形水冷散热器300，每个方形水冷散热器300上都设置有一个供水接口7和一个回水接口8。

本实施例中，集成门极换向晶闸管三电平功率模块5中有两个水冷电抗器53和四个水冷电阻54；其中，以两个水冷电阻54为一组，该水冷电抗器53各设有一个供水接口7和一个回水接口8，和水冷电阻54各设有二个供水接口7和二个回水接口8。

上述的所有器件的供水接口7和回水接口8都带有螺纹，从而方便在其上安装水接头9，水接头9设有密封圈，毛细软管4通过双介子和锁紧螺母与水接头9连接，能够保证水循环的水密封性，以免水泄露导致集成门极换向晶闸管三电平功率模块5受潮，从而避免短路等事故的发生；该毛细软管4分布在集成门极换向晶闸管三电平功率模块5的上方，便于维护和更换。该毛细软管4分别与供水母管1、回水母管2、方形水冷散热器组合3相连接，形成多条散热器循环冷却管路；毛细软管4也分别与供水母管1、回水母管2、水冷电抗器53及水冷电阻54相连接，形成多条阻尼循环冷却管路。

如果在循环冷却管路中并联的管路较少，即每条冷却管路中串联的散热器件过多，会相对削弱整个集成门极换向晶闸管三电平功率模块5的散热能力。冷却水流经方形水冷散热器300、水冷电抗器53及水冷电阻54时带走与其相贴合的发热元件的热量，这时从方形水冷散热器300、水冷电抗器53及水冷电阻54流出的水就会比流入的水温高，如果高水温的水再流入另一个相应的散热器件时就会降低或丧失冷却水给其降温的能力。因此，根据功率模块的结构，结合供水母管1的供水接口7、回水母管2的回水接口8的数量，按照下述方式，适当地在散热器件之间实现管路的串联和并联。

如图1和图2所示，在本实施例中，当连接循环管路时，将第一方形水冷散热器组31中位于中间的方形水冷散热器300的供水接口7和回水接口8分别通过毛细软管4与供水母管1的供水接口7和回水母管2的回水接口8相连接；将中间的方形水冷散热器300两侧的各两个方形水冷散热器300分别串联，将最外侧的两个方形水冷散热器300的回水接口8与其相邻的方形水冷散热器300的供水接口7分别通过毛细软管4相连，再将剩余的两个供水接口7、两个回水接口8分别与供水母管1的供水接口7及回水母管2的回水接口8通过毛细软管4相连。由此，第一方形水冷散热器组31与供水母管1、回水母管2之间即形成六条散热器循环冷却管路。当然，本实施例中，也可以任意选择一个方形水冷散热器300与供水母管1和回水母管2相连构成散热器循环冷却管路；另四个方形水冷散热器300分为两组，每组内两个方形水冷散热器300分别串联，并与供水母管1和回水母管2相连构成散热器循环冷却管路；也可以选择第二方形水冷散热器组32或第三方形水冷散热器组33替换第一方形水冷散热器组31，同样能够实现本发明的技术效果。

将第二方形水冷散热器组32的五个方形水冷散热器300的供水接口7分别通过毛细软管4与第三方形水冷散热器组33的五个方形水冷散热器300的回水接口8相串联，再将剩余的五个供水接口7与五个回水接口8通过毛细软管4分别连接到供水母管1的供水接口7和回水母管8的回水母管8上。由此，则构成另外十条散热器循环冷却管路。当然，本实施例中，通过改变水接口的连接方式，令散热器循环冷却管路的水流方向反向；也可以在第一方形水冷散热器组31、第二方形水冷散热器组32和第三方形水冷散热器组33任选另外的组合来代替第二方形水冷散热器组32和第三方形水冷散热器组33的串联组合，同样能够实现本发明的技术效果。

在本实施例中，也可以在第一方形水冷散热器组31、第二方形水冷散热器组32和第三方形水冷散热器组33中的十五个方形水冷散热器300中任选两个串联成一串，构成七串方形水冷散热器串30（图中未示出），再将这七串方形水冷散热器串30分别通过毛细软管4与供水母管1和回水母管2串联形成十四条散热器循环冷却管路，剩下的一个方形水冷散热器300单独与供水母管1和回水母管2串联形成两条散热器循环冷却管路。

在本发明的其他具体实施例中，也可以选择任意数值M（1≤M≤15）个方形水冷散热器300串联并与供水母管1和回水母管2形成散热器循环冷却管路，但是如果在一条散热器循环冷却管路中串联的方形水冷散热器300的个数过多，冷却效果较本实施例中两个方形水冷散热器300串联时的效果稍差；如果每个方形水冷散热器300都与供水母管1和回水母管2形成散热器循环冷却管路，又会使管路相对本实施例中两个方形水冷散热器300串联时的管路稍复杂一些，且将使供水母管1和回水母管2的水接口数过多。

在本发明的其他具体实施例中，水冷电抗器53的供水接口7通过毛细软管4与供水母管1的供水接口7相连接，水冷电抗器53的回水接口8通过毛细软管4同一个水冷电阻54的供水接口7相连接，这个水冷电阻54的回水接口8通过毛细软管4，与相邻另一个水冷电阻54的供水接口7相连接，相邻另一个水冷电阻54的回水接口8通过毛细软管4，同回水母管2的回水接口8相连接，构成阻抗循环冷却管路。两个水冷电抗器53和两组四个水冷电阻54形成八条阻抗循环冷却管路。当然，本发明中，还能够通过改变水接口的连接方式，令阻抗循环冷却管路的水流方向反向，同样能够实现本发明的技术效果；也可以通过改变阻抗循环冷却管路中串联的水冷电阻54及水冷电抗器53的数量配置，同样能够实现本发明的技术效果，只是与本实施例相比阻抗循环冷却管路的路径稍显复杂。

在本发明的其他具体实施例中，把毛细软管4安装在水冷电抗器53上的一个供水接口7上，同供水母管1设置的其中一个供水接口7，相连而形成一条阻抗循环冷却管路；和把毛细软管4安装在水冷电抗器53上的一个回水接口8上，同水冷电阻54上的其中一个供水接口7，相连而形成一条阻抗循环冷却管路；把毛细软管4安装在水冷电阻54上的其中一个回水接口8上，同回水母管2设置的其中一个回水接口8，相连而形成一条阻抗循环冷却管路。

每两个水冷电阻54为一组，每个水冷电阻54各设置有一个供水接口7和一个回水接口8；通过该水冷电阻54上的供水接口7和回水接口8，利用毛细软管4实现在两个水冷电阻54之间的水路串联。

水冷电阻54之间的水路串联，包含通过毛细软管4把一个水冷电阻54的其中一个回水接口8，同相邻另一个水冷电阻54的其中一个供水接口7相连形成的管路。

连接完成所有的循环冷却管路后，通过开启对焊球阀6，可控制循环水从供水母管1流出，经毛细软管，流经各个散热器件，再回流入回水母管2，从而形成有效的循环管路，有效带走集成门极换向晶闸管三电平功率模块5工作时发出的热量。

本发明中，毛细软管4、水接头9、密封圈、锁紧螺母、双介子和对焊球阀6均采用非金属材料加工成型。

综上所述，本发明提供的集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路，不仅可以为功率模块中的主功率发热电力电子器件降温，大大提高散热效率，从而对电力电子器件形成有效保护，保证集成门极换向晶闸管三电平功率模块的正常运行，还保证了水循环管路的结构简单、节省材料、易于替换。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路，包含：供水母管（1）、回水母管（2）、方形水冷散热器组合（3）、多根毛细软管（4），其特征在于，

所述的供水母管（1）和回水母管（2）设置在集成门极换向晶闸管三电平功率模块（5）的集成门极换向晶闸管（51）的下方，并且与集成门极换向晶闸管三电平功率模块（5）的功率串（52）平行布置，并错落分布；

所述的方形水冷散热器组合（3）包含第一方形水冷散热器组（31）、第二方形水冷散热器组（32）、第三方形水冷散热器组（33）；该三组方形水冷散热器组分别设置在集成门极换向晶闸管三电平功率模块（5）的三组功率串（52）中；所述的第一方形水冷散热器组（31）、第二方形水冷散热器组（32）、第三方形水冷散热器组（33）分别包含若干个依次排列的方形水冷散热器（300）；所述的每个方形水冷散热器（300）上各设置有一个供水接口（7）和一个回水接口（8）；通过该方形水冷散热器（300）上的供水接口（7）和回水接口（8），利用毛细软管（4）实现分别在第二方形水冷散热器组（32）和第三方形水冷散热器组（33）上的相邻两两方形水冷散热器（300）之间的水路串联；还利用毛细软管（4）实现第一方形水冷散热器组（31）上的相邻方形水冷散热器（300）之间的水路串联；

所述的多根毛细软管（4）分布在集成门极换向晶闸管三电平功率模块（5）的上方；该毛细软管（4）与供水母管（1）、回水母管（2）、方形水冷散热器组合（3）连接而形成若干条散热器循环冷却管路，与供水母管（1）、回水母管（2）、集成门极换向晶闸管三电平功率模块（5）的水冷电抗器（53）和水冷电阻（54）连接形成若干条阻抗循环冷却管路。

2.根据权利要求1所述的集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路，其特征在于，所述的供水母管（1）的一端封闭，其另一端设置一个对焊球阀（6）；所述的回水母管（2）的一端封闭，其另一端设置一个对焊球阀（6）。

3.根据权利要求1所述的集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路，其特征在于，所述的方形水冷散热器（300）之间的水路串联包含通过毛细软管（4）把第三方形水冷散热器组（33）的其中一个回水接口（8）、第二方形水冷散热器组（32）的其中一个供水接口（7）相连形成的管路；以及把第一方形水冷散热器组（31）的一个方形水冷散热器（300）的其中一个供水接口（7），同其相邻方形水冷散热器（300）的其中一个回水接口（8）相连形成的管路。

4.根据权利要求1所述的集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路，其特征在于，所述的每条循环冷却管路包含通过把毛细软管（4）安装在水冷电抗器（53）上的一个供水接口（7）上，同供水母管（1）设置的其中一个供水接口（7），相连而形成一条阻抗循环冷却管路；和把毛细软管（4）安装在水冷电抗器（53）上的一个回水接口（8）上，同水冷电阻（54）上的其中一个供水接口（7），相连而形成一条阻抗循环冷却管路；把毛细软管（4）安装在水冷电阻（54）上的其中一个回水接口（8）上，同回水母管（2）设置的其中一个回水接口（8），相连而形成一条阻抗循环冷却管路。

5.根据权利要求4所述的集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路，其特征在于，所述的每两个水冷电阻（54）为一组，每个水冷电阻（54）各设置有一个供水接口（7）和一个回水接口（8）；通过该水冷电阻（54）上的供水接口（7）和回水接口（8），利用毛细软管（4）实现在两个水冷电阻（54）之间的水路串联。

6.根据权利要求5所述的集成门极换向晶闸管三电平功率模块的循环冷却管路，其特征在于，所述的水冷电阻（54）之间的水路串联，包含通过毛细软管（4）把一个水冷电阻（54）的其中一个回水接口（8），同相邻另一个水冷电阻（54）的其中一个供水接口（7）相连形成的管路。

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