CN103687441A - 带有足够精确测定的热交换器的冷却回路 - Google Patents

带有足够精确测定的热交换器的冷却回路 Download PDF

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T.格拉丁格
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Abstract

本发明涉及一种带有足够精确测定的热交换器的冷却回路，具体涉及一种功率电子模块，带有：第一功率电子元件，其在功率电子模块的运行中产生第一热流；第二功率电子元件，其在功率电子模块的运行中产生第二热流；次级冷却回路，其带有第一冷却器、第二冷却器和热交换器。用于容纳第一热流的至少一部分的第一冷却器在热方面与第一功率电子元件相连接，而用于容纳第二热流的至少一部分的第二冷却器在热方面与第二功率电子元件相连接，其中，热交换器构造成用于在功率电子模块的运行中将第一热流和第二热流的至少一部分传递到初级冷却流处。热交换器在热方面针对可导出的热流来设计，其在数值方面小于由最大的第一热流和最大的第二热流形成的总和。

Description

带有足够精确测定的热交换器的冷却回路
技术领域
本发明涉及一种尤其借助于热虹吸冷却回路使热从来自功率电子模块或具有功率电子模块的变流器(Umrichter)的功率电子设备(Leistungselektronik)导出的领域。
背景技术
功率电子设备的电气元件和电子元件经常可理解成半导体元件，例如绝缘栅场效应晶体管(IGBT's)、晶闸管、二极管、电阻、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET's)以及这些结构元件的组合等等。后面将概念功率电子设备理解成功率电子元件，其在运行中典型地具有大于500伏特的反向电压(Sperrspannung)。在运行中必须冷却这些电气元件和电子元件，因为其由于非常高的功率密度而产生同样非常高的热流，需要将该热流高效地导出。在现代的变流器中经常将功率电子元件成组地整合在功率模块中。变流器例如可使用来驱动工业碾磨机、车辆、船和/或一般用于转换电压或变换电压。
如果未将热从半导体元件中导出，则该半导体元件可受到损害，这在极端情况中可导致变流器的运行者必须接受由于维修引起的运行中断。需要避免这种运行中断，因为其可对变流器的运行者导致显著的经济损失。
因为变流器的每结构体积(Bauvolumen)的功率密度随着变流器的渐增的微型化而上升，所以对于紧凑但还更有效率的冷却系统的需求渐增地上升。在变流器的运行中，将功率电子设备的热流从变流器中导出典型地通过热交换器或者经由与变流器相连接的冷却水流来实现或者经由初级回路的冷却空气流来实现。在此借助于次级冷却回路将功率电子元件的热流通过热交换器传递到初级冷却流处。
从次级冷却回路通过热交换器在热方面待传递到初级冷却流处的功率不仅在呈冷却水流的形式的初级冷却流的情况中而且在呈冷却空气流的形式的初级冷却流的情况中形成重要的参数，因为该参数影响用于安置对于冷却通道来说足够的截面的结构体积的需求量，以及影响用于安置泵、通风设备等等的结构体积的需求量。
因此本发明的目的在于提供一种经改进的功率电子模块和经改进的变流器，与相同的功率级的已知的功率电子模块或变流器相比，利用其可实现更小的结构体积。在此将概念结构体积理解成在其空间、尺寸上的大小的空间需求。
发明内容
该目的通过根据权利要求1的功率电子模块来解决。
已知的功率电子模块在运行中有时不仅具有第一运行状态，而且具有第二运行状态(或切换情况)，在该第二运行状态中功率电子元件的电路不同于第一运行状态。相应地，不仅与第一切换情况相关联的第一功率电子元件需要热冷却，而且与第二切换情况相关联的功率电子元件需要热冷却。为了该目的，第一功率电子元件经常通过用于容纳第一热流的第一冷却器在热方面与第一功率电子元件相连接，而第二功率电子元件经常通过用于容纳第二热流的第二冷却器在热方面与第二功率电子元件相连接。
如果现在运行中某些功率电子元件不仅在第一运行状态产生热流而且在第二运行状态中产生热流(需要通过热交换器将其导出到初级冷却流处)，那么典型地在热方面针对可导出的热流来设计热交换器，该热流在数值上相应于最大的第一热流和最大的第二热流的总和。这引起不仅相应地来确定热交换器的大小而且引起相应地来确定初级冷却流与其通道元件和驱动器件(例如泵或通风设备)的大小以用于产生初级冷却流。
然而在更进一步的研究中已经显示出在功率电子模块的第一运行状态中出现最大的第一热流，而在功率电子模块的关于第一运行状态在时间上偏移的第二运行状态中出现最大的第二热流，从而在实际中完全从未出现最大的第一热流和最大的第二热流的总和且因此还不必将其导出到初级冷却流处，因为实际上待导出的热流始终更小。作为对此的结果显示出迄今的初级冷却流和与之相关联的所有元件(如通道截面、泵、通风设备等等)始终分配得(bemessen)太大。
相比于传统的解决方案，利用根据本发明思想的解决方案可通过以下方式将热交换器的结构体积保持得更小，即，功率电子模块在以下配置中包括以下元件：
•第一功率电子元件，其在功率电子模块的运行中产生第一热流；
•第二功率电子元件，其在功率电子模块的运行中产生第二热流；
•带有第一冷却器、第二冷却器以及热交换器的次级冷却回路；其中，用于容纳第一热流的第一冷却器在热方面与第一功率电子元件相连接，并且其中，用于容纳第二热流的第二冷却器在热方面与第二功率电子元件相连接；
•将热交换器构造成用于在功率电子模块的运行中将第一热流和第二热流的至少一部分传递到初级冷却流处；
•根据本发明的热交换器在热方面针对可导出的热流来设计，该热流在数值上小于由最大的第一热流和最大的第二热流形成的总和。
如之前已经简短地提及的那样，这种功率电子模块的第一优点在于热交换器需要比相同的功率级的功率电子模块的已知的热交换器更小的结构体积。结果因此可实现在体积上更紧凑的功率电子模块。
另一优点在于，根据本发明的热交换器相比于相同的功率等级的功率电子模块的已知的热交换器需要初级冷却流的更低的功率。结果可降低用于产生初级流的器件的所需要的功率，例如在空气冷却的情况中的通风设备或在液体冷却(例如呈水冷却的形式)的情况中的泵单元。这使得例如能够使用比迄今的情况更小的功率等级的通风设备或泵。比起至今使用的更高的功率级的类型，这种通风设备或泵经常不仅更紧凑，而且显著地更加成本有利。
根据功率电子模块的实施形式，次级冷却回路可为液体回路，在其中，工作介质基本上始终保持成液态，或者否则为热虹吸冷却回路，在其中使工作介质在至少一个蒸发器中蒸发且紧接着在冷凝器中冷凝且以液态的形式引回到蒸发器处，以便重新进行循环。在这种情况下，第一冷却器由第一蒸发器形成，而第二冷却器由第二蒸发器形成，其中，热交换器具有冷凝器以用于液化次级冷却回路的工作介质。
那么特别当次级冷却回路为热虹吸冷却回路时，如果次级冷却回路构造成呈闭环的形式(构造为环式热虹吸系统)，这在热效率方面是有利的。
那么特别当多个冷却器和多个功率电子元件布置成复合结构时，例如堆叠部(Stack)(英语称为压紧打包栈)，如果第一冷却器在流方面始终平行于第二冷却器布置在冷却回路中，这是值得推荐的。如果第一冷却器和第二冷却器属于相同的类型并且因此在冷却器上(即在第一冷却接头(输入部)与第二冷却接头(输出部)之间)具有大约相同的压降，那么这尤其是适用的。另一优点在于：不同于将冷却器串联地布置在次级回路中，两个冷却器获得大约相同的输入温度的工作介质并且未获得由在流动方面置于上游的冷却器已经预热的工作介质，从而热效率相对地说更高。
如果第二功率电子元件不同于第一功率电子元件，尤在类型方面不同，那么利用根据本公开文件的功率电子模块可实现特别良好的在热方面的结果。如果第一功率电子元件和第二功率电子元件如此布置和配置，即在功率电子模块的第一运行状态中出现最大的第一热流，而在功率电子模块的关于第一运行状态在时间上偏移的第二运行状态中出现最大的第二热流，那么这是特别适用的。在此，根据功率电子模块的实施形式，在第一运行状态中的第一热流在数值上大于在第二运行状态中的第一热流，而在第二运行状态中的第二热流在数值方面大于在第一运行状态中的第二热流。
关于功率电子模块的所提到的论证相应也适用于变流器或应用(übertragen)到变流器上。
如果应实现高的功率密度，推荐如此布置功率电子元件和蒸发器使得其形成堆叠部。根据堆叠部的实施形式，在其中，功率电子元件和蒸发器以交替的顺序来布置。
关于用于冷却其它装备的可能的装置，已经根据变流器和/或功率电子模块的环境的情况来看，如果用于冷却的装置同样用来引起功率电子元件的冷却作用，这可是有利的。相应地，初级冷却流可为带有水成分的液体冷却流或气态的冷却流。根据气态的冷却流的实施形式，初级冷却流例如可为排气流或空气流。
倘若在变流器中的功率电子模块必需便利的合理的可替换性，当至少一个功率电子模块可以具有抽屉的性质的方式(schubladenartig)推入到变流器中且可从变流器中拉出时，可实现良好的结果，其中，热交换器布置在功率电子模块上。如果变流器具有可以这种方式引入到变流器中且可从该变流器中取出的多个这种功率电子模块，还附加地提高该优点。
附图说明
下面借助于附图来详细地阐述本发明的多种实施形式。其中，
图1仅示意性地显示了功率电子模块在第一运行状态中的实施形式；
图2仅示意性地显示了根据图1的功率电子模块在第二运行状态中的实施形式；
图3仅示意性地显示了带有不同的两个功率电子元件的功率电子模块在从第一运行状态过渡到第二运行状态中时的热流－时间图；以及
图4仅示意性地显示了功率电子模块的不同的两个功率电子元件的热流相对于传统的最大热流确定值(Maximalwärmstromermittelung)的比较图示。
在参考标号列表中总结性地列出使用在附图中的参考标号和其意义。原则上在附图中相同的部件设有相同的参考标号。所说明的实施形式示例性地代表发明对象且不具有限制作用。
参考附图标号
1 功率电子模块
3 堆叠部
5 第一功率电子元件
6 第二功率电子元件
7 第三功率电子元件
10 第一冷却器/蒸发器
11 第二冷却器/蒸发器
12 第三冷却器/蒸发器
13 第四冷却器/蒸发器
14 热交换器/冷凝器
15 输入汇流排
16 旁路汇流排
17 输出汇流排
18 第一电流/电流通路
19 第二电流/电流通路
20 第一冷却接头
21 第二冷却接头
22 第一管路系统
23 第二管路系统
24 联接接片
25 次级冷却回路
26 初级冷却流
27 初级冷却系统
28 初级流回引部
29 第一热流
30 第二热流。
具体实施方式
图1显示了带有三个功率电子元件的功率电子模块1在第一运行状态中的第一实施形式。功率电子模块1具有三个功率电子元件，其与多个冷却器交替地结合成堆叠部3，而在图2中显示了功率电子模块1的第二运行状态。
在三个功率电子元件中，为了后面的解释将布置在堆叠部3中的最下方的功率电子元件称成“第一功率电子元件”5，而将在堆叠部3的垂直的方向上接着第一功率电子元件的功率电子元件称成“第二功率电子元件”6。布置在堆叠部3中的最上方的第三功率电子元件7又可为第一功率电子元件5的类型－然而这不必强求。为了解释清楚，还应提及的是第二功率电子元件6可具有两个切换状态，即在其第一切换状态中额定电流的导通和在其第二切换状态中额定电流的截止。在功率电子模块1的第一运行状态中，第二功率电子元件6处于第一切换状态中，而在功率电子模块1的第二运行状态中，第二功率电子元件处于第二切换状态中。在此可非常迅速地实现从第一运行状态过渡到第二运行状态中，也就是说在几分之一秒内实现过渡。
上面说明的功率电子模块1的构造和功能可示例性地来理解。在功率电子模块的变型方案中，第二功率电子元件例如可为缓冲二极管(Snubber-Diode)和其它的半导体，其可通过以下方式来保护第三功率电子元件7和与之相联接的元件免受由于过压的无意的损害，即其使进入到堆叠部中的电流改道到其它的电流通路中(在大多数情况下是暂时的)。当然在该情况下堆叠部3的构造于是应通过以下方式不同于在图1中显示的构造，即其将具有传统的内部的汇流条(Verschienung)和绝缘件，从而三个功率电子元件5、6、7在电方面不再串联地连接，如在图1和图2中所显示的那样。因为详细的图示和说明将不利于本发明思想的可理解性，将回头参考功率电子模块1的强烈简化的切换可能性。
再次回到根据图1的堆叠部3上，在第一功率电子元件5的下方布置有第一冷却器10以用于容纳第一功率电子元件5的热流。在第一功率电子元件5与第二功率电子元件6之间布置有第二冷却器11，其不仅用于容纳第一功率电子元件5的热流而且用于容纳第二功率电子元件6的热流。在第二功率电子元件6与第三功率电子元件7之间布置有第三冷却器12，其不仅用于容纳第二功率电子元件6的热流而且用于容纳第三功率电子元件7的热流。最后在第三功率电子元件7的其背对第三冷却器12的侧部上布置有第四冷却器13，其同样有助于容纳第三功率电子元件7的热流。
换句话说，所有的功率电子元件5、6、7相应夹层式(sandwichartig)地布置在冷却器副(Kühlerpaar)10、11；11、12；12、13之间。
每个冷却器10、11、12、13具有用于在电方面截取电流的联接接片24。然而在根据图1的功率电子模块1中，在功率电子模块1的运行中，不是在所有的冷却器处截取相应的电流，而是仅仅在第一冷却器10(其为此与输入汇流排15在电方面相连接)处、在第二冷却器(其为此与旁路汇流排16在电方面相连接)处以及在第四冷却器13(其为此与输出汇流排17在电方面相连接)处截取电流。
在功率电子模块1的第一运行状态中，第二功率电子元件6处于第一切换状态中，而在功率电子模块1的第二运行状态中，第二功率电子元件处于第二切换状态中。虽然在高压开关设备中通常利用唯一的构件不再可满足这种切换特性，但为了解释本发明可将第二功率电子元件6理解为电的双路开关，其不仅在功率电子模块1的第一运行状态中产生热流，而且在功率电子模块1的第二运行状态中产生第二热流，因为本领域技术人员知道其如何正确地建立堆叠部的机械构造。
在功率电子模块1的第一运行状态中，因此第二功率电子元件6阻塞通过第一冷却器10进入到堆叠部3中的电流通过在第二冷却器11处的堆叠部，使得电流沿着第一电流通路18通过旁路汇流排16又离开堆叠部3。
在功率电子模块1的第二运行状态中，第二功率电子元件6使通过第一冷却器10进入到堆叠部3中的电流沿着第二电流通路19通过第二冷却器11并且穿过第三功率电子元件7到第四冷却器13和输出汇流排16上而引出并且在电方面截断至旁路汇流排16的电流通路。
每个冷却器10、11、12、13具有第一冷却接头20和第二冷却接头21，其相应通过第一管路系统22和第二管路系统23与热交换器14在流方面相连接并且因此形成呈闭环的形式的次级冷却回路25。为了避免在相邻的两个冷却器(其在功率电子模块1的运行中处在不同的电势上)之间的电的短路，使第一管路系统22和第二管路系统23至少部分地电绝缘，而次级冷却回路的工作介质是电绝缘的。
热交换器14在功率电子模块1的运行中将由冷却器容纳的所有热流的总和的占大多数的部分移交给初级冷却系统27的初级冷却流26。如果初级冷却系统同样为(封闭的)冷却回路，第一管路系统22的热流通过初级流回引部(Primärstromrückführung)28离开热交换器。
在功率电子模块1的本实施形式中，次级冷却回路25为热虹吸冷却回路，在其中使工作介质在用作蒸发器的至少一个冷却器10、11、12、13中蒸发且紧接着在用作冷凝器的热交换器14中冷凝且以液体的形式引回到蒸发器10、11、12、13处，以便重新进行循环。
图3显示了在从第一运行状态过渡到第二运行状态中时功率电子模块的热流－时间图(Q－t图)。在此，第一功率电子元件5在功率电子模块1中的电的切换特性和切换组件配置且布置成不同于第二功率电子元件6。相应地，第一功率电子元件5或第二功率电子元件6的热流29、30的负载特性曲线是不同的。
在功率电子模块1在第一运行状态中在时刻t1运行时，第一功率电子元件5产生第一热流29，而第二功率电子元件6产生第二热流30。第一热流29和第二热流30通过次级回路25转交给初级冷却系统27。因为第二功率电子元件6在该时刻t1阻塞第一电流18且使该第一电流朝旁路汇流排16的方向上改道。
在功率电子模块1在第一运行状态中在时刻t1运行时，将第一热流29通过冷却器10、11传递到次级回路25处，而将第二热流30通过冷却器11、12传递到次级回路25处。
如在综述图3与图4中得悉的那样，第一功率电子元件5在功率电子模块1在第二运行状态中在时刻t2运行时产生第一热流29，其现在在数值上小于在第一运行状态中的第一热流29。这因此引起在功率电子模块1上的电压现在不再仅仅在第一功率电子元件5上下降，而是在所有的功率电子元件5、6、7上共同地下降。因为现在第二功率电子元件6在时刻t2在朝输出汇流排17的方向上传导第二电流19且在朝旁路汇流排16的方向上截断第一电流通路18，比起在第一运行状态中(在时刻t1)，在第二运行状态中(在时刻t2)的第二热流30在数值上更大。
在保持成柱状图的样式的柱的右侧以总量的形式来示出以用于比较最大的第一热流29(在时刻t1的Q29(t1))与最大的第二热流30(在时刻t2的Q30(t2))。如上所述，传统上根据该总括的热流来选取热交换器14。因为比起在带有Q29(t1)加上Q30(t1)的第一运行状态中，虽然在带有Q29(t2)加上Q30(t2)的第二运行状态中的总括的热流的柱更大，然而在数值上仍然明显地小于根据传统地选择的带有Q29(t1)加上Q30(t2)的柱(在柱形图的最右侧)的总括的热流，所以热交换器在其热有效功率方面可比迄今的更精确地来测定，因为为了将第一热流29和第二热流30充分地传递到次级回路25处，根据第二运行状态带有Q29(t2)加上Q30(t2)的冷却功率便足够。

Claims (11)

1. 一种功率电子模块(1)，其包括：第一功率电子元件(5)，其在所述功率电子模块(1)的运行中产生第一热流(29)；第二功率电子元件(6)，其在所述功率电子模块(1)的运行中有助于产生第二热流(30)；次级冷却回路(25)，其带有第一冷却器(10)、第二冷却器(11)以及热交换器(14)，其中，用于容纳所述第一热流(29)的至少一部分的所述第一冷却器(10)在热方面与所述第一功率电子元件(5)相连接，并且其中，用于容纳所述第二热流(30)的至少一部分的所述第二冷却器(11)在热方面与所述第二功率电子元件(6)相连接，并且其中，所述热交换器(14)构造成用于在所述功率电子模块(1)的运行中将所述第一热流(29)和所述第二热流(30)的至少一部分传递到所述初级冷却流(26)处，其特征在于，所述热交换器(14)在热方面针对可导出的热流来设计，该热流在数值上小于由最大的第一热流(29)和最大的第二热流(30)形成的总和。
2. 根据权利要求1所述的功率电子模块，其特征在于，所述次级冷却回路(25)构造为呈闭环的形式的冷却回路。
3. 根据权利要求2所述的功率电子模块，其特征在于，所述第一冷却器(10)在流方面平行于所述第二冷却器(11)布置在所述次级冷却回路(25)中。
4. 根据权利要求2或3所述的功率电子模块，其特征在于，所述次级冷却回路(25)构造为热虹吸冷却回路，其中，所述第一冷却器(10)由第一蒸发器形成，而所述第二冷却器(11)由第二蒸发器形成，并且其中，所述热交换器(14)具有冷凝器以用于液化所述次级冷却回路(25)的工作介质。
5. 根据上述权利要求中任一项所述的功率电子模块，其特征在于，所述第二功率电子元件(6)不同于所述第一功率电子元件(5)，尤其在类型方面不同。
6. 根据上述权利要求中任一项所述的功率电子模块，其特征在于，所述第一功率电子元件(5)和所述第二功率电子元件(6)如此布置和配置，即所述最大的第一热流(29)出现在所述功率电子模块(1)的第一运行状态中，而所述最大的第二热流(30)出现在所述功率电子模块(1)的关于所述第一运行状态在时间上偏移的第二运行状态中。
7. 根据权利要求6所述的功率电子模块，其特征在于，在所述第一运行状态中的所述第一热流(29)在数值上大于在所述第二运行状态中的所述第一热流(29)，并且在所述第二运行状态中的所述第二热流(30)在数值上大于在所述第一运行状态中的所述第二热流(30)。
8. 一种变流器，包括根据上述权利要求中任一项所述的至少一个功率电子模块(1)。
9. 根据权利要求8所述的变流器，其特征在于，所述功率电子元件(5,6,7)和所述冷却器(10,11,12,13)如此布置使得其形成堆叠部(3)，在实施形式中形成这样的堆叠部(3)，即，在其中，功率电子元件(5,6,7)和冷却器(10,11,12,13)以交替的顺序来布置，其中，所述冷却器(11,12,13)有助于引起所述第二热流(30)。
10. 根据权利要求8或9所述的变流器，其特征在于，所述初级冷却流(26)为带有水成分的液体冷却流或者为气态的冷却流，尤其为空气流。
11. 根据权利要求8至10中任一项所述的变流器，其特征在于，至少一个功率电子模块(1)可以具有抽屉的性质的方式推入到所述变流器中且可从所述变流器中拉出，其中，所述热交换器(14)布置在该功率电子模块(1)上。
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