CN105992503A - 一种功率器件的并联冷却结构及其应用的电机控制器 - Google Patents
一种功率器件的并联冷却结构及其应用的电机控制器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种功率器件的并联冷却结构及其应用的电机控制器，包括散热底座和若干功率器件，若干功率器件分别间隔排列地安装在散热底座上，在散热底座里面设置有散热水道，其特征在于：散热水道包括进水口、进水水道、若干个支流水道、出水水道和出水口，进水口与进水水道连通，出水口与出水水道连通，若干个支流水道并排地设置在进水水道和出水水道之间，通过若干个支流水道把进水水道和出水水道并联在一起，进水水道的横截面积从进水口开始逐渐减小，可以令不同的大功率器件的温度差别最小化，充分发挥大功率器件和冷却系统的性能，满足新能源产品集成化、一体化和小型化的需求。
Description
技术领域：
本发明涉及一种功率器件的并联冷却结构及其应用的电机控制器，属于电机汽车技术领域。
背景技术：
新能源领域对IGBT等大功率器件的容值需求逐年上升，这对冷却系统的散热性能提出了更高的要求。如果大功率器件工作时产生的热量无法及时散去，则大功率器件无法正常工作。此外，市场对电机控制器、电机等新能源领域产品提出了集成化、一体化和小型化的要求，当使用多个的大功率器件且将其紧密排布时，则需要将通过大功率器件散热器的热流密度不断加大以能满足其散热需求。
目前大功率器件串联型的冷却系统至少存在以下问题：使用同一个冷却槽道对多个相同工况的大功率器件进行冷却时，会令靠近冷却槽道入口附近的大功率器件的芯片温度相对较低，而靠近冷却槽道出口附近的大功率器件的芯片温度则相对较高。如果两者温度差别较大，而在进行温度检测时又需要对温度相对较高的芯片进行检测，则无法充分发挥靠近入口附近的大功率器件的性能。而使用同一个冷却槽道对多个容值不同的大功率器件进行冷却时，损耗较大的大功率器件的散热条件紧迫，同时损耗较小的大功率器件的散热条件却有冗余，则冷却系统的散热性能无法充分发挥。
发明内容：
本发明的目的是提供一种功率器件的并联冷却结构及其应用的电机控制器，可以令不同的大功率器件的温度差别最小化，充分发挥大功率器件和冷却系统的性能，满足新能源产品集成化、一体化和小型化的需求。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种功率器件的并联冷却结构，包括散热底座和若干功率器件，若干功率器件分别间隔排列地安装在散热底座上，在散热底座里面设置有散热水道，其特征在于：散热水道包括进水口、进水水道、若干个支流水道、出水水道和出水口，进水口与进水水道连通，出水口与出水水道连通，若干个支流水道并排地设置在进水水道和出水水道之间，通过若干个支流水道把进水水道和出水水道并联在一起，进水水道的横截面积从进水口开始逐渐减小。
上述所述的所述的散热底座包括壳体和安装在壳体上的盖板，功率器件安装在盖板上。
上述所述的在进水水道上设置有若干从进水口开始依次抬升的分流台阶，从进水口开始依次抬升的分流台阶使进水水道的横截面积从进水口开始逐渐减小。
上述所述的相邻两个分流台阶的相对高度差是不等的，在进水水道前段的若干个分流台阶中相邻两个分流台阶的相对高度差是逐渐变大的，在进水水道尾段的若干个分流台阶中相邻两个分流台阶的相对高度差是逐渐变小的。
上述所述的进水水道上的每一个分流台阶分别与一个支流水道对应。
上述所述的每个支流水道的入水口位于其所对应的分流台阶的尾部。
上述所述的在壳体的顶面上设置有若干大致呈“T”字型的凸台，相邻的2个凸台之间形成所述的支流水道，“T”字型的凸台的顶部位于进水水道的一侧。
上述所述的在功率器件下方、盖板的底面上往下伸出针床，针床伸入到其所对应的支流水道里面。
上述所述的在盖板的底面上往下伸出台阶部，台阶部伸入到进水水道里面并且使进水水道的横截面积从进水口开始逐渐减小。
一种电机控制器，包括控制器箱体、散热底座、控制线路板和若干功率模块，散热底座设置在控制器箱体里面，若干功率器件分别间隔排列地安装在散热底座上，在散热底座里面设置有散热水道，控制线路板安装在控制器箱体里面，并且每个功率模块都与控制线路板电连接在一起，散热水道包括进水口、进水水道、若干个支流水道、出水水道和出水口，进水口与进水水道连通，出水口与出水水道连通，若干个支流水道并排地设置在进水水道和出水水道之间，通过若干个支流水道把进水水道和出水水道并联在一起，进水水道的横截面积从进水口开始逐渐减小
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
1)进水口与进水水道连通，出水口与出水水道连通，若干个支流水道并排地设置在进水水道和出水水道之间，通过若干个支流水道把进水水道和出水水道并联在一起，冷却液从进水口流入进水水道后，进水水道内冷却液的流速实际上会从进水口开始逐渐降低，因此通过改变进水水道的横截面积，使进水水道的横截面积从进水口开始逐渐减小，使冷却液从进水口进入进水水道后流速较为平稳，并且可以按需分配流入每个支流水道的冷却液的流量，从而令不同的大功率器件的温度差别最小化，充分发挥大功率器件和冷却系统的性能，并且可以满足新能源产品集成化、一体化和小型化的需求；
2)在进水水道上设置有若干从进水口开始依次抬升的分流台阶，从而改变进水水道的横截面积，通过改变进水水道内分流台阶的高度，实现按设计需要分配流入每个支流水道的冷却液的流量的目的；
3)进水水道上的每一个分流台阶分别与一个支流水道对应，每个支流水道的入水口位于其所对应的分流台阶的尾部，通过分流台阶能够方便调控流入每个支流水道的冷却液的流量，实现按设计需要分配流入每个支流水道的冷却液的流量的目的，例如可以使流入每个支流水道的冷却液的流量平均化；
4)通过多次仿真验证，相邻两个分流台阶的相对高度差逐渐变大后逐渐减小，可以使得流入每个支流水道的冷却液的流量最大程度地平均化，特别适用于各个功率器件的散热条件和功率损耗一致的条件下；
5)在功率器件下方、盖板的底面上往下伸出针床，针床伸入到其所对应的支流水道里面，可以进一步的增加散热效果。
附图说明：
图1是实施例一中并联冷却结构的立体图；
图2是图1的侧视图；
图3是图2中A-A剖视图；
图4是实施例中壳体的立体图；
图5是图4中B-B局部放大图；
图6是实施例中并联冷却结构通入冷却液的流量分布示意图；
图7是实施例一种盖板的立体图；
图8是实施例二中盖板的立体图；
图9是实施例二中并联冷却结构的结构示意图；
图10是实施例三中电机控制器的立体图；
图11是实施例三中控制器箱体的立体图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一：如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本实施例是一种功率器件的并联冷却结构，包括散热底座1和若干功率器件2，若干功率器件2分别间隔排列地安装在散热底座1上，在散热底座1里面设置有散热水道3，散热水道3包括进水口31、进水水道32、若干个支流水道33、出水水道34和出水口35，进水口31与进水水道32连通，出水口35与出水水道34连通，若干个支流水道33并排地设置在进水水道32和出水水道34之间，通过若干个支流水道33把进水水道32和出水水道34并联在一起，进水水道32的横截面积从进水口31开始逐渐减小。
所述的散热底座1包括壳体11和安装在壳体11上的盖板12，盖板12为长方形平板，盖板12把设置在壳体11上的散热水道3密封住，功率器件2安装在盖板12上。功率器件2包括但不限于绝缘栅双极晶体管模块(即俗称的IGBT模块)、集成电路、晶闸管或其它在运行过程中产生热量的装置。结构中的连接孔和密封迷宫结构，或其它任意合适的连接紧固机制及密封措施在示意图中均未示出。
在进水水道32上设置有若干从进水口31开始依次抬升的分流台阶321，从进水口31开始依次抬升的分流台阶321使进水水道32的横截面积从进水口31开始逐渐减小。
进水口31与进水管(图中未示意)连通，冷却液从进水口31流入进水水道32后，经分流台阶6分流后流入各支流水道33，分流台阶6按设计者的需求设计为不同的高度，从而令流入各支流水道33的冷却液流量符合设计者的要求，并在出水水道34中汇流，最后从出水口35流出。进水口31可根据需要开设在进水水道32的任意合理位置，但需要正确设计各分流台阶6的高度，保证进水水道32的横载面积从进水口31开始逐渐减小。出水口35也可按实际需要开设在出水水道34的任意位置。
外壳3的进水水道32中的分流台阶6从进水口31开始依次增加高度，从而令进水水道32的横截面积逐渐减小。相邻两个分流台阶321的相对高度差是不等的，在进水水道32前段的若干个分流台阶321中相邻两个分流台阶321的相对高度差是逐渐变大的，在进水水道32尾段的若干个分流台阶321中相邻两个分流台阶321的相对高度差是逐渐变小的，并且在进水水道32中间位置的相邻两个分流台阶321的相对高度差达到最大值，需要说明的是，此方案特别适用于各个功率器件的散热条件和功率损耗一致的条件下，能最大程度的把流入每个支流水道33的冷却液的流量平均化。进水水道32上的每一个分流台阶321分别与一个支流水道33对应。每个支流水道33的入水口331位于其所对应的分流台阶321的尾部，通过分流台阶321能够方便调控流入每个支流水道33的冷却液的流量，实现按设计需要分配流入每个支流水道33的冷却液的流量的目的。在壳体11的顶面上设置有若干大致呈“T”字型的凸台111，相邻的2个凸台111之间形成所述的支流水道33，“T”字型的凸台111的顶部位于进水水道32的一侧。
下面以仿真试验对实施例中的功率器件的并联冷却结构作进一步的说明，在此实施例中，支流水道33的数量是9个。
仿真试验:
1、材料属性：25℃水。
2、边界条件和求解设置
入口流量为30L/min，出口平均相对压强为0Pa。
采用k-ε湍流模型进行稳态分析。
根据需要设置收敛残差为1e-5。
3、分析结果
各支流水道流量如下表所示。从进水口到出水口的支流水道的编号分别为1至9。支流水道的目标流量为3.33333L/min。
由上面的试验可以得知，通过正确设计各分流台阶6的高度，可以使流入各支流水道33的冷却液流量符合设计者的要求，并且使各个支流水道33的冷却液流量接近相等，特别适用于功耗相同的大功率器件，可以令不同的大功率器件的温度差别最小化，充分发挥大功率器件和冷却系统的性能。但本发明的实施方式不限于此，作为本领域的普通技术人员，在上实施方式的基础上，可以通过合理设计每个分流台阶6的不同高度，进而使流入每个支流水道33的冷却液的流量差异化，从而实现对功耗不相同的大功率器件实现散热，使各个大功率器件的温度差别最小化，充分发挥大功率器件和冷却系统的性能，其并未背离本发明的精神实质与原理，都应包含在本发明的保护范围之内。
如图7所示，进一步的，在功率器件2下方、盖板12的底面上往下伸出针床121，针床121伸入到其所对应的支流水道33里面。除了针床，还可以是翅片或者扰流柱或使用其它强化传热措施，从而增加散热效果。
实施例二：如图8和图9所示，与实施例一不同之处是：在盖板12的底面上往下伸出台阶部122，台阶部122从进水口31开始往下延伸的高度逐渐变大，台阶部122伸入到进水水道32里面，并且台阶部122与分流台阶6交错间隔排列，使进水水道32的横截面积从进水口31开始逐渐减小。
下面以仿真试验对实施例中的功率器件的并联冷却结构作进一步的说明，在此实施例中，支流水道33的数量也是9个。
仿真试验：
1、材料属性：25℃水。
2、边界条件和求解设置
入口流量为30L/min，出口平均相对压强为0Pa。
采用k-ε湍流模型进行稳态分析。
根据需要设置收敛残差为1e-5。
3、分析结果
各支流水道流量如下表所示。从进水口到出水口的支流水道的编号分别为1至9。支流水道的目标流量为3.33333L/min。
由上面的试验可以得知，通过在盖板12的底面上往下伸出台阶部122，台阶部122伸入到进水水道32里面并且使进水水道32的横截面积从进水口31开始逐渐减小，并且正确设计各分流台阶6的高度，可以使流入各支流水道33的冷却液流量符合设计者的要求，并且使各个支流水道33的冷却液流量接近相等，需要说明的是，此方案特别适用于各个功率器件的散热条件和功率损耗一致的条件下，能最大程度的把流入每个支流水道33的冷却液的流量平均化，可以令不同的大功率器件的温度差别最小化，充分发挥大功率器件和冷却系统的性能。但本发明的实施方式不限于此，作为本领域的普通技术人员，在上实施方式的基础上，可以通过合理设计每个分流台阶6的不同高度，进而使流入每个支流水道33的冷却液的流量差异化，从而实现对功耗不相同的大功率器件实现散热，使各个大功率器件的温度差别最小化，充分发挥大功率器件和冷却系统的性能，其并未背离本发明的精神实质与原理，都应包含在本发明的保护范围之内。
进一步的，在功率器件2下方、盖板12的底面上往下伸出针床121，针床121伸入到其所对应的支流水道33里面。除了针床，还可以是翅片或者扰流柱或者使用其它强化传热措施，从而增加散热效果，本实施例中在附图中未完全示意。
实施例三：如图10和图11所示，本实施例是一种电机控制器，包括控制器箱体4、散热底座1、控制线路板5和若干功率模块2，散热底座1设置在控制器箱体4里面，若干功率器件2分别间隔排列地安装在散热底座1上，在散热底座1里面设置有散热水道3，控制线路板5安装在控制器箱体4里面，并且每个功率模块2都与控制线路板5电连接在一起，散热水道3包括进水口31、进水水道32、若干个支流水道33、出水水道34和出水口35，进水口31与进水水道32连通，出水口35与出水水道34连通，若干个支流水道33并排地设置在进水水道32和出水水道34之间，通过若干个支流水道33把进水水道32和出水水道34并联在一起，进水水道32的横截面积从进水口31开始逐渐减小。
以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种功率器件的并联冷却结构，包括散热底座(1)和若干功率器件(2)，若干功率器件(2)分别间隔排列地安装在散热底座(1)上，在散热底座(1)里面设置有散热水道(3)，其特征在于：散热水道(3)包括进水口(31)、进水水道(32)、若干个支流水道(33)、出水水道(34)和出水口(35)，进水口(31)与进水水道(32)连通，出水口(35)与出水水道(34)连通，若干个支流水道(33)并排地设置在进水水道(32)和出水水道(34)之间，通过若干个支流水道(33)把进水水道(32)和出水水道(34)并联在一起，进水水道(32)的横截面积从进水口(31)开始逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的一种功率器件的并联冷却结构，其特征在于：所述的散热底座(1)包括壳体(11)和安装在壳体(11)上的盖板(12)，功率器件(2)安装在盖板(12)上。
3.根据权利要求2所述的一种功率器件的并联冷却结构，其特征在于：在进水水道(32)上设置有若干从进水口(31)开始依次抬升的分流台阶(321)，从进水口(31)开始依次抬升的分流台阶(321)使进水水道(32)的横截面积从进水口(31)开始逐渐减小。
4.根据权利要求3所述的一种功率器件的并联冷却结构，其特征在于：相邻两个分流台阶(321)的相对高度差是不等的，在进水水道(32)前段的若干个分流台阶(321)中相邻两个分流台阶(321)的相对高度差是逐渐变大的，在进水水道(32)尾段的若干个分流台阶(321)中相邻两个分流台阶(321)的相对高度差是逐渐变小的。
5.根据权利要求2或3所述的一种功率器件的并联冷却结构，其特征在于：进水水道(32)上的每一个分流台阶(321)分别与一个支流水道(33)对应。
6.根据权利要求5所述的一种功率器件的并联冷却结构，其特征在于：每个支流水道(33)的入水口(331)位于其所对应的分流台阶(321)的尾部。
7.根据权利要求2或3或4所述的一种功率器件的并联冷却结构，其特征在于：在壳体(11)的顶面上设置有若干大致呈“T”字型的凸台(111)，相邻的2个凸台(111)之间形成所述的支流水道(33)，“T”字型的凸台(111)的顶部位于进水水道(32)的一侧。
8.根据权利要求2或3或4所述的一种功率器件的并联冷却结构，其特征在于：在功率器件(2)下方、盖板(12)的底面上往下伸出针床(121)，针床(121)伸入到其所对应的支流水道(33)里面。
9.根据权利要求2或3或4所述的一种功率器件的并联冷却结构，其特征在于：在盖板(12)的底面上往下伸出台阶部(122)，台阶部(122)伸入到进水水道(32)里面并且使进水水道(32)的横截面积从进水口(31)开始逐渐减小。
10.一种电机控制器，包括控制器箱体(4)、散热底座(1)、控制线路板(5)和若干功率模块(2)，散热底座(1)设置在控制器箱体(4)里面，若干功率器件(2)分别间隔排列地安装在散热底座(1)上，在散热底座(1)里面设置有散热水道(3)，控制线路板(5)安装在控制器箱体(4)里面，并且每个功率模块(2)都与控制线路板(5)电连接在一起，其特征在于：散热水道(3)包括进水口(31)、进水水道(32)、若干个支流水道(33)、出水水道(34)和出水口(35)，进水口(31)与进水水道(32)连通，出水口(35)与出水水道(34)连通，若干个支流水道(33)并排地设置在进水水道(32)和出水水道(34)之间，通过若干个支流水道(33)把进水水道(32)和出水水道(34)并联在一起，进水水道(32)的横截面积从进水口(31)开始逐渐减小。
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