CN106972783A - 大功率igbt器件电能回收散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了大功率IGBT器件电能回收散热装置。所述大功率IGBT器件电能回收散热装置由大功率IGBT器件、散热片、半导体热电模块、稳压电路、蓄电池和水冷管道组成。该装置是通过卡扣将半导体热电模块的温差发电片固定在散热片的翅片上，该半导体热电模块利用温差发电原理实现热电转换，半导体热电模块的电能输出端连接稳压电路输入端，稳压电路输出端连接蓄电池。本发明将大功率IGBT器件的大量热能转化为可供利用的电能。在实际电力系统中的换流站、变电站等均可进行广泛的应用，可将所得电能进行储存并应用于其他用电设备。

Description

大功率IGBT器件电能回收散热装置

技术领域

本发明涉及半导体温差发电领域，具体涉及一种利用大功率IGBT器件散发热量进行温差发电回收散热的装置。

背景技术

随着电力电子技术的发展，IGBT器件已广泛应用于中、大功率场合。例如在直流输电系统的换流站中，常采用IGBT作为换流阀，来实现交直流的转换。然而，IGBT由于在工作过程中存在导通损耗和开关损耗，导致IGBT的发热量比较大，如果不能顺利散热，就将使得器件温升过高、导致模块失效。若能将IGBT产生的大量热量用于发电，那么不仅能使散热过程顺利进行，而且可以使工业废热得到利用、提高能源的利用率、节约自然资源。因此研究利用大功率IGBT器件的热量来发电具有很现实的意义。

温差发电技术是一种基于半导体材料的塞贝克效应，直接将热能转化为电能的技术。温差发电技术具有无震动、无噪声、无污染、结构紧凑、可靠性高、使用寿命长等优点，随着时代发展，在能源紧缺问题日益突出的环境下，温差发电技术得到许多国家的重视。但是在实际使用中温差发电技术的效率并不高，限制其效率提高的原因主要有热量传导不充分、传热过程中热量损耗太大等等。这些不足会成为制约温差发电技术得到广泛应用的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是为解决上述IGBT发出废热导致的能源浪费问题和克服温差发电效率不高的缺点，提供一种基于半导体热电模块在大功率IGBT器件上实现的新型电能回收利用装置。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

大功率IGBT器件电能回收散热装置，其包括大功率IGBT器件、散热片、半导体热电模块、稳压电路、蓄电池和水冷管道，所述散热片安装在大功率IGBT器件上，散热片的翅片与半导体热电模块的温差发电片固定在一起，半导体热电模块利用温差发电原理实现热电转换，半导体热电模块的电压输出端和稳压电路输入端连接，将若干半导体热电模块后的稳压电路输出端串、并联，再连接蓄电池或其他用电设备。

进一步地，所述散热片包括一个底座和若干翅片，翅片间距根据温差发电片的厚度及水冷管道的宽度设计，既能有效散热，又实现最大效率实现热电转换。

进一步地，所述散热片包括一个底座和若干翅片，翅片间距根据温差发电片的厚度及水冷管道的宽度所述半导体热电模块由若干块温差发电片构成，温差发电片的热面直接贴附在翅片上，每个翅片的两侧均有温差发电片贴附。

进一步地，所述散热片包括一个底座和若干翅片，翅片间距根据温差发电片的厚度及水冷管道的宽度所述水冷管道由进水管道、矩形贴附管道、出水管道构成，该水冷管道的矩形贴附管道采用垂直蛇形环绕方式紧贴每片温差发电片的冷面，使冷面与热面足够的温度差。

进一步地，所述散热片包括一个底座和若干翅片，翅片间距根据温差发电片的厚度及水冷管道的宽度所述半导体热电模块中的温差发电片通过卡扣固定于散热片的翅片上，卡扣具有良好的隔热性能，并且可以拆卸，以便于更换半导体热电模块中的温差发电片。

本发明所述大功率IGBT器件电能回收散热装置直接将半导体热电模块的温差发电片覆盖于散热片的翅片两侧表面，通过直接利用IGBT散发的废热发电，实现能源回收利用的目的。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.本发明的大功率IGBT器件电能回收散热装置，安装于换流站整流、逆变电路的开关器件上，达到IGBT降温和废热利用的目的，实现能源有效利用。

2.本发明的大功率IGBT器件电能回收散热装置，包括大功率IGBT器件、散热片、半导体热电模块、稳压电路、蓄电池和水冷管道，具有较高的发电稳定性和可靠性。

3.本发明的大功率IGBT器件电能回收散热装置，其半导体热电模块中的温差发电片通过卡扣固定于散热片的翅片上，卡扣可以拆卸，有利于随时对温差发电片进行检查更换。

附图说明

图1为实例中大功率IGBT器件电能回收散热装置的原理框图。

图2为本发明实例中装置结构示意图（用单个翅片上的结构举例）。

图3为本发明实例中装置单个翅片上半导体热电模块与水冷管道局部示意图。

具体实施方式

为了使本发明更加清楚明白，以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本实例的一种大功率IGBT器件电能回收散热装置，包括大功率IGBT器件、散热片、半导体热电模块、稳压电路、蓄电池和水冷管道。本装置是将若干半导体热电模块后的稳压电路输出端串、并联，以保证最后输出足够量电功率。

如图1所示为本发明的原理框图，将翅片4通过卡扣6与温差发电片2固定在一起，半导体热电模块利用温差发电原理实现热电转换并与散热片3连接，稳压电路输入端与半导体热电模块的电能输出端连接，稳压电路输出端连接蓄电池实现电能回收与散热。

本实例回收大功率IGBT废热产生电能的部分，如图2所示，将散热片3安装在大功率IGBT器件1上，每一个翅片4的两个侧面根据翅片4和温差发电片2面积大小通过卡扣6固定上恰当数量温差发电片2，使得翅片4散发的热量能够充分被吸收转化。图2为一个实施例的示意图，表示每一个翅片4的两侧被四块按“田”字形摆放的温差发电片2充分覆盖。传统的散热片翅片间距并没有将温差发电片2的厚度以及水冷管道的宽度计算进去，同时传统的散热装置也没有考虑将热能通过温差发电片2转化为电能，而本设计考虑了温差发电片2的厚度和水冷管道的宽度，产生足够的温差发电效应。半导体热电模块在利用温差发电原理实现热电转换后，半导体热电模块的电能输出端和稳压电路输入端连接，再将若干半导体热电模块后的稳压电路输出端串、并联，再连接蓄电池或供应其他设备，可以作为事故备用电源，为高压换流站提供照明等。

如图3所示，通过卡扣6将温差发电片2和翅片4紧紧固定在一起，保证翅片4和温差发电片2之间的热量充分传导，同时卡扣6可拆卸，便于更换发电片。每一块翅片4两侧各分布一条水冷管道，每条水冷管道由进水管道7、矩形贴附管道9、出水管道8构成，该矩形贴附管道9采用垂直蛇形环绕方式紧贴每片温差发电片2的冷面，使温差发电片2的冷热两面保持足够的温度差，以提高发电效率。

进一步分析本发明的工作原理和设计要点。

1、散热片的间距的科学性合理性：

（1）根据半导体热电模块中温差发电片的要求，在每一片温差发电片的两面必须具有一定的温度差才能产生一定的电压。而传统的散热片的翅片间距并没有将温差发电片的厚度以及水冷管道的宽度计算进去，同时传统的散热装置也没有考虑将热能通过温差发电片转化为电能，因此本设计需要考虑温差发电片的厚度和水冷管道的宽度，产生足够的温差发电效应。

（2）为了达到更高的发电效率，应当使散热片的翅片两侧表面绝大部分被温差发电片覆盖，尽量减少裸露的表面积。

2、卡扣的功能：

（1）将半导体热电模块中的温差发电片通过卡扣固定于散热片的翅片上，卡扣具有良好的隔热性能，并且可以拆卸，以便于更换温差发电片。

（2）卡扣的良好隔热性能是为了防止卡扣导热而导致的发电片两极温差不够影响发电效率。

综上所述：本发明提供的一种大功率IGBT器件电能回收散热装置，可应用于高压换流站等需要使用大功率IGBT场合，既可以实时监测IGBT的工作运行状态，同时又提供一定功率的站用电，能够起到十分好的能源回收利用的效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的保护范围。

Claims (5)

1.大功率IGBT器件电能回收散热装置，其特征在于包括大功率IGBT器件、散热片、半导体热电模块、稳压电路、蓄电池和水冷管道，所述散热片安装在大功率IGBT器件上，散热片的翅片与半导体热电模块的温差发电片固定在一起，半导体热电模块利用温差发电原理实现热电转换，半导体热电模块的电压输出端和稳压电路输入端连接，将若干半导体热电模块后的稳压电路输出端串、并联，再连接蓄电池或其他用电设备。

2.根据权利要求1所述的大功率IGBT器件电能回收散热装置，其特征在于所述散热片包括一个底座和若干翅片，翅片间距根据温差发电片的厚度及水冷管道的宽度设计。

3.根据权利要求1所述的大功率IGBT器件电能回收散热装置，其特征在于所述半导体热电模块由若干块温差发电片构成，温差发电片的热面直接贴附在翅片上，每个翅片的两侧均有温差发电片贴附。

4.根据权利要求1所述的大功率IGBT器件电能回收散热装置，其特征在于所述水冷管道由进水管道、矩形贴附管道、出水管道构成，该水冷管道的矩形贴附管道采用垂直蛇形环绕方式紧贴每片温差发电片的冷面，使冷面与热面足够的温度差。

5.根据权利要求1和权利要求3所述的大功率IGBT器件电能回收散热装置，其特征在于所述半导体热电模块中的温差发电片通过卡扣固定于散热片的翅片上，卡扣具有隔热性能。