CN103063249A - 用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台及其试验方法 - Google Patents
用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台及其试验方法 Download PDFInfo
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Abstract
用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台，包括以下系统：数据采集系统1，自动控制系统2，储液除气保压系统3，加热系统4，冷却系统5和连接管路6。水冷基板试验台及其试验方法包括使冷却液流量恒定的方法，准确快速调节水冷基板进口冷却液温度的方法和取出水冷基板试验台内的空气及溶解在冷却液中不凝气体的方法。本发明保证试验系统内冷却液流量稳定且提高测量精度；准确快速调节水冷基板进口冷却液温度；有效去除系统内空所及溶解在冷却液内的不凝气体；实时检测测量数据，测量数据以数值-时间二维图显示在PC操作界面上，方便判断试验状态；实现冷却系统快速安装，以便适用不同型号的水冷基板试验。
Description
技术领域
本发明涉及一种水冷基板及其试验方法，尤其涉及一种用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台及其试验方法。
背景技术
水冷基板是用于电子功率模块冷却元件，电子功率模块包括电力机车及动车组变流器用功率模块及风电设备变流器用功率模块等。水冷基板性能测试验的准确程度直接关系电子功率模块能否正常使用，现水冷基板性能试验台存在如下问题：（1）冷却液流量不能保持恒定有较大波动；（2）冷却液进口温度难控制，调节周期长；（3）试验系统运行一段时间有气泡产生，影响测量准确性（4）温度压力采集的实时性较差，很难直观确认系统是否处于平衡状态。
发明内容
本发明所解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种测量准确，控制方便的水冷基板试验台及其试验方法。
本发明采用的技术方案是用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台，包括以下系统:
-数据采集系统：包括温度传感器、压力传感器、电子流量计和数据采集卡；
-自动控制系统：包括PC机、电磁阀、直流可控电源和变频泵；
-储液除气保压系统：包括可变容积隔膜膨胀水箱、真空泵、双向自动控压阀和抽气阀；
-加热系统：包括预热段加热单元和试验段加热单元；
-冷却系统：包括散热器和变频风机；
-连接管路：包括不锈钢管、快速插头，过滤器、截止阀和放气阀。
数据采集系统采集试验台的各项数据，提供给自动控制系统，根据计算，自动控制系统控制储液除气保压系统，加热系统和冷却系统的运转，连接管路，将各系统的部件连接到一起，组合一个完整的用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台。
连接管路在每个测试仪器的前端不锈钢管长度大于等于10倍不锈钢管直径。
连接试验段加热单元的不锈钢管外层包覆保温棉。
变频泵进出口安装有过滤器。
用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台的试验方法，其特征在于：包括使冷却液流量恒定的方法，包括以下步骤：
步骤一：先确定冷却液的最大流量；
步骤二：估算在旁通管路电磁阀关闭，所有阀全开情况下的系统阻力，确认变频泵的出口压力；
步骤三：调节变频泵出口压力，使主管路流量略大于额定流量；
步骤四：根据电子流量计的管路流量反馈，PC机控制电磁阀开启，使主管路流量稳定在额定流量。
还包括准确快速调节水冷基板进口冷却液温度的方法，包括以下步骤：
步骤一：先确定水冷基板试验段入口冷却液温度T3和水冷基板散热量；
步骤二：计算出水冷基板试验段出口冷却液温度T4等于散热器进口冷却液温度T5，要求散热器的最大散热功率应大于水冷基板加热功率；
步骤三：根据冷却系统匹配原理图调节变频风机转速，使散热器出口冷却液温度T6不大于试验段入口冷却液温度T3；
步骤四：PC机通过计算自动调节预热段加热单元加热功率使预热段出口冷却液温度T2/验段入口冷却液温度T3稳定在额定值，自动调节水冷基板加热功率至额定值。
还包括取出水冷基板试验台内的空气及溶解在冷却液中不凝气体的方法，包括以下步骤：
步骤一：在试验前通过预热段加热单元把系统冷却液加热至50-70℃；
步骤二：关闭双向自动控压阀，开动真空泵运行5-10分钟，使溶解在冷却液内的不凝气体析出；
步骤三：关闭真空泵，开动变频泵运行5-10分钟，在此过程开通抽气阀进行二次排气；
步骤四：再关闭变频泵，重起真空泵进行抽气5-10分钟；
步骤五：抽气完毕后打开双向自动控压阀，使可变容积隔膜膨胀水箱系统压力稳定，接近大气压力。
本发明的有益效果是：（1）保证试验系统内冷却液流量稳定且提高测量精度；（2）准确快速调节水冷基板进口冷却液温度；（3）有效去除系统内空所及溶解在冷却液内的不凝气体；（4）实时检测测量数据包括：冷却液流量，水冷基板进出口温度、压力，散热器及预热段进出口温度，测量数据以数值-时间二维图显示在PC操作界面上，方便判断试验状态；（5）实现冷却系统快速安装，以便适用不同型号的水冷基板试验。
附图说明
图1为本发明用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台及其试验方法的水冷基板试验台的示意图；
图2为本发明用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台及其试验方法的冷却系统匹配原理图。
具体实施方式
下面结合附图对发明作进一步说明。如图1所示为本发明用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台及其试验方法的水冷基板试验台的示意图。
用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台，包括以下系统:
-数据采集系统1：包括温度传感器11、压力传感器12、电子流量计13和数据采集卡14等；温度传感器11可使用Omega凯装T型热电偶测量管路中冷却液的温度，直径3.1mm/6mm可选，使用Omega T型热电偶线安装在水冷基板测温面监测板面温度，热电偶线头部直径0.8-1mm,精度0.1℃，；压力传感器12采用Setra-209,精度2.5%，量程可根据试验要求进行选择；电子流量计13采用靶式流量计，可以直接把测试数据返馈给上位PC机21同时显示在LED数字显示屏上，量程可根据试验要求进行选择；
-自动控制系统2：包括PC机21、电磁阀22、直流可控电源23和变频泵24等；PC机21采用具有RS232/RS485接口的台式机，操作系统为WIN7/XP。电磁阀22采用Parker公司的流体控制阀，与管道连接接口为G3/4螺纹；直流可控电源23由台湾瑞领公司提供，由PC机21控制输出功率，电源规格根据试验台要求选型；变频泵24采用卧式恒压变频水泵，可以自动调节变频水泵的出口压力，因此保证系统流量稳定。
-储液除气保压系统3：包括可变容积隔膜膨胀水箱31、真空泵32、双向自动控压阀33和抽气阀34等。实现储液除气保压系统功能的装置可采用上海徐净排气定压补水机组。
-加热系统4：包括预热段加热单元41和试验段加热单元42等。预热段的加热单元41根据试验水冷板入口冷却液温度要求进行订制；试验段的加热单元42根据试验水冷板的模拟加热功率要求进行订制，材料为通电发热的金属合金丝与绝热保温的耐火纤维经特殊的加工工艺组合在一起。
-冷却系统5：包括散热器51和变频风机52等。散热器51为板翅式散热器，散热器51冷却液入口温度为水冷基板的出口温度，散热器51冷却液出口温度小于等于水冷基板的入口温度，要求在环境温度小于30℃时，散热器51的散热量应不小于水冷基板的散热量，变频风机52采用无级电压调速工作方式。
-连接管路6：包括不锈钢管61、快速插头62，过滤器63、截止阀64和放气阀65等。所述连接管路6采用φ28x8不锈钢管61、接头采用G3/4管螺纹、接头与接头连接采用快速插头62，过滤器63、截止阀64等；快速插头62螺纹侧采用G3/4螺纹，过滤器63和截止阀64根据冷却液材质及管径选型。
数据采集系统1采集试验台的各项数据，提供给自动控制系统2，根据计算，自动控制系统2控制储液除气保压系统3，加热系统4和冷却系统5的运转，连接管路6，将各系统的部件连接到一起，组合一个完整的用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台。
连接管路6在每个测试仪器的前端不锈钢管61长度要求大于等于10倍不锈钢管直径。
连接试验段加热单元42的不锈钢管61外层包覆保温棉。
变频泵24进出口安装有过滤器25。
图1中P1表示膨胀水箱内的压力,P2表示试验段进口冷却液压力,P3表示试验段出口冷却液压力,T1表示预热段进口冷却液温度,T2表示预热段的出口冷却液温度,T3表示试验段的进口冷却液温度,T4表示试验段出口冷却液温度,T5表示换热器进口冷却液温度,T6表示换热器出口冷却液温度。
用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台的试验方法，包括使冷却液流量恒定的方法，包括以下步骤：
步骤一：先确定冷却液的最大流量；
步骤二：估算在旁通管路电磁阀22关闭，所有阀全开情况下的系统阻力，确认变频泵24的出口压力；
步骤三：调节变频泵24出口压力，使主管路流量略大于额定流量；
步骤四：根据电子流量计13的管路流量反馈，PC机11控制电磁阀22开启，使主管路流量稳定在额定流量。
用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台的试验方法，还包括准确快速调节水冷基板进口冷却液温度的方法，包括以下步骤：
步骤一：先确定水冷基板试验段入口冷却液温度T3和水冷基板散热量；
步骤二：计算出水冷基板试验段出口冷却液温度T4等于散热器51进口冷却液温度T5，要求散热器51的最大散热功率应大于水冷基板加热功率；
步骤三：根据冷却系统匹配原理图（如图2所示）调节变频风机52转速，使散热器51出口冷却液温度T6不大于试验段入口冷却液温度T3；
步骤四：PC机21通过计算自动调节预热段加热单元41加热功率使预热段出口冷却液温度T2/验段入口冷却液温度T3稳定在额定值，自动调节水冷基板加热功率至额定值。
用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台的试验方法，还包括取出水冷基板试验台内的空气及溶解在冷却液中不凝气体的方法，包括以下步骤：
步骤一：在试验前通过预热段加热单元41把系统冷却液加热至50-70℃；
步骤二：关闭双向自动控压阀33，开动真空泵32运行5-10分钟，使溶解在冷却液内的不凝气体析出；
步骤三：关闭真空泵32，开动变频泵24运行5-10分钟，在此过程开通抽气阀34进行二次排气；
步骤四：再关闭变频泵24，重起真空泵32进行抽气5-10分钟；
步骤五：抽气完毕后打开双向自动控压阀33，使可变容积隔膜膨胀水箱31系统压力稳定，接近大气压力。
最后应说明的是：虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本技术领域的普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些具体实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围由权利要求书限定。
Claims (7)
1.用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台，其特征在于：包括以下系统:
-数据采集系统（1）：包括温度传感器（11）、压力传感器（12）、电子流量计（13）和数据采集卡（14）；
-自动控制系统（2）：包括PC机（21）、电磁阀（22）、直流可控电源（23）和变频泵（24）；
-储液除气保压系统（3）：包括可变容积隔膜膨胀水箱（31）、真空泵（32）、双向自动控压阀（33）和抽气阀（34）；
-加热系统（4）：包括预热段加热单元（41）和试验段加热单元（42）；
-冷却系统（5）：包括散热器（51）和变频风机（52）；
-连接管路（6）：包括不锈钢管（61）、快速插头（62），过滤器（63）、截止阀（64）和放气阀（65）。
数据采集系统（1）采集试验台的各项数据，提供给自动控制系统（2），根据计算，自动控制系统（2）控制储液除气保压系统（3），加热系统（4）和冷却系统（5）的运转，连接管路（6），将各系统的部件连接到一起，组合一个完整的用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台。
2.根据权利要求1所述的用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台，其特征在于：连接管路（6）在每个测试仪器的前端不锈钢管（61）长度大于等于10倍不锈钢管直径。
3.根据权利要求1所述的用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台，其特征在于：连接试验段加热单元（42）的不锈钢管（61）外层包覆保温棉。
4.根据权利要求1所述的用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台，其特征在于：变频泵（24）进出口安装有过滤器（25）。
5.用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台的试验方法，其特征在于：包括使冷却液流量恒定的方法，包括以下步骤：
步骤一：先确定冷却液的最大流量；
步骤二：估算在旁通管路电磁阀（22）关闭，所有阀全开情况下的系统阻力，确认变频泵（24）的出口压力；
步骤三：调节变频泵（24）出口压力，使主管路流量略大于额定流量；
步骤四：根据电子流量计（13）的管路流量反馈，PC机（11）控制电磁阀（22）开启，使主管路流量稳定在额定流量。
6.根据权利要求5所述的用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台的试验方法，其特征在于：还包括准确快速调节水冷基板进口冷却液温度的方法，包括以下步骤：
步骤一：先确定水冷基板试验段入口冷却液温度T3和水冷基板散热量；
步骤二：计算出水冷基板试验段出口冷却液温度T4等于散热器（51）进口冷却液温度T5，要求散热器（51）的最大散热功率应大于水冷基板加热功率；
步骤三：根据冷却系统匹配原理图调节变频风机（52）转速，使散热器（51）出口冷却液温度T6不大于试验段入口冷却液温度T3；
步骤四：PC机（21）通过计算自动调节预热段加热单元（41）加热功率使预热段出口冷却液温度T2/验段入口冷却液温度T3稳定在额定值，自动调节水冷基板加热功率至额定值。
7.根据权利要求5所述的用于电子功率模块冷却的水冷基板试验台的试验方法，其特征在于：还包括取出水冷基板试验台内的空气及溶解在冷却液中不凝气体的方法，包括以下步骤：
步骤一：在试验前通过预热段加热单元（41）把系统冷却液加热至50-70℃；
步骤二：关闭双向自动控压阀（33），开动真空泵（32）运行5-10分钟，使溶解在冷却液内的不凝气体析出；
步骤三：关闭真空泵（32），开动变频泵（24）运行5-10分钟，在此过程开通抽气阀（34）进行二次排气；
步骤四：再关闭变频泵（24），重起真空泵（32）进行抽气5-10分钟；
步骤五：抽气完毕后打开双向自动控压阀（33），使可变容积隔膜膨胀水箱（31）系统压力稳定，接近大气压力。
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