CN108770322A - 一种用于功率单元上的风冷散热器及功率变换单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及功率单元相关领域，具体是一种用于功率单元上的风冷散热器及功率变换单元，旨在解决现有用于功率单元中的风冷散热器易造成功率元件局部过热和现有功率变换单元不适用于高温环境的技术问题。风冷散热器包括风冷基板和一体成型于风冷基板的下表面的散热齿，所述散热齿之间形成有风道，所述风冷基板的上表面设置有至少一个安装位，功率单元的功率元件固定于所述安装位，所述风冷基板的上表面对应每个所述安装位设置有至少一个凹槽，所述凹槽中预埋有热管，所述热管的蒸发段位于所述安装位内、冷凝段位于所述安装位外，所述热管与功率元件的下表面接触；功率变换单元安装有风冷散热器，还装有双管绝缘栅双极型晶体管和薄膜支撑电容。
Description
技术领域
本发明涉及功率单元及其配件相关领域，具体是一种用于功率单元上的风冷散热器及功率变换单元。
背景技术
功率单元是使用功率电力电子器件进行整流、滤波、逆变的高压变频器部件，一般包括功率元件及驱动功率元件的驱动电路板，为实现不同的功能，功率元件可为整流桥、可控硅、电解电容或IGBT。功率单元上的风冷散热器主要用于安装功率单元的功率元件，对其进行降温，风冷散热器由风冷基板和一体成型于风冷基板的下表面的散热齿组成，散热齿之间形成有风道，强迫风穿过风道对风冷基板进行降温。现有的这种风冷散热器结构，根据实际需要，功率元件不能够均匀的分布在风冷散热器基板的中心区域，使得整个风冷基板的热分布不均匀，造成功率元件的局部温度过高，导致功率元件损坏。
功率变换单元是将主电路的多个IGBT进行集成安装所形成的，是机车辅助供电变流电路的核心部件。具体地，机车的中间直流回路的输出直流电，经功率变换单元上IGBT组成的三相电路进行逆变后转换为三相交流电，为机车的辅助用电设备供电。但现有的功率变换单元仅适用于低温环境，例如50℃以下，在高温70℃环境下使用寿命低，运行可靠性差，维修成本高。因此，目前亟需一种适用于高温环境的功率变换单元。
发明内容
本发明旨在解决现有用于功率单元中的风冷散热器易造成功率元件局部过热和现有功率变换单元不适用于高温环境的技术问题。为此，本发明提出一种用于功率单元上的风冷散热器及功率变换单元。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于功率单元上的风冷散热器，包括风冷基板和一体成型于风冷基板的下表面的散热齿组成，所述散热齿之间形成有风道，强迫风穿过所述风道对风冷基板进行散热，从而达到对功率元件的降温；所述风冷基板的上表面设置有至少一个安装位，功率单元的功率元件固定于所述安装位，功率单元的功率元件的数量和所述安装位的数量相同；所述风冷基板的上表面对应每个所述安装位设置有至少一个凹槽，所述凹槽中预埋有热管，所述热管的蒸发段位于所述安装位内、冷凝段位于所述安装位外，使用状态下所述热管与功率元件的下表面接触。使用时，功率元件局部产生的聚集热量通过热管快速传递至其他区域，可避免功率元件局部温度过高。这里所述的热管，是指公知的结构，热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封；热管的一端为蒸发段，另一端为冷凝段，当热管的蒸发段受热时吸液芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向冷凝段放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环，热量由热管的蒸发段传至冷凝段。本发明中，热管的蒸发段与功率元件的部分接触，可吸收功率元件的该部分的热量，然后传递给冷凝段进行散热，可有效避免功率元件的局部温度过高，克服了现有风冷散热器的缺陷，这也正是本发明的创新点所在。
一种功率变换单元，安装有本发明所述的风冷散热器，所述风冷散热器的风冷基板上设置有至少三个安装位；还包括安装在所述安装位上的至少三个双管绝缘栅双极型晶体管，每个所述双管绝缘栅双极型晶体管皆连接有控制其开关的驱动电路板，所述双管绝缘栅双极型晶体管具有高结温，所述双管绝缘栅双极型晶体管的两个输入端分别与外部正负两层叠层母排连接，所述双管绝缘栅双极型晶体管的三个输出端分别与RST三相输出叠层母排连接；还包括支撑电容组和保护电路，所述支撑电容组包括至少一个圆柱形薄膜电容，所述支撑电容组用于支撑直流回路电压，所述保护电路用于保护所述功率单元中其他元器件，所述双管绝缘栅双极型晶体管、所述支撑电容组和所述保护电路相互电并联。
本发明的有益效果是：本发明提供一种用于功率单元上的风冷散热器及功率变换单元，在风冷基板的上表面对应功率元件的安装位设置有凹槽，凹槽中预埋有热管， 功率元件局部产生的聚集热量可通过热管快速传递至其他区域，降低了风冷基板的温度，有效避免了功率元件的局部温度过高，有效保护了功率元件在高温70℃环境下的可靠运行，安全性高，对提高功率单元及整个机车动车系统的运行稳定性和寿命具有重要的意义；本发明还提供一种安装有所述风冷散热器的功率变换单元，由于双管绝缘栅双极型晶体管IGBT具有高结温、薄膜支撑电容组适用于高温环境且具有长寿命、本发明提供的风冷散热器能够快速温度均匀，使得该功率变换单元可以在高温环境下长时间使用，提高了高温环境下的可靠性，降低了维修成本。
附图说明
图1是本发明的风冷基板的结构示意图；
图2是本发明的功率变换单元的结构示意图。
具体实施方式
参照图1至图2，本发明的一种用于功率单元上的风冷散热器包括风冷基板1和一体成型于风冷基板1的下表面的散热齿2组成，所述散热齿2之间形成有风道，强迫风穿过所述风道对风冷基板1进行散热，从而达到对功率元件的降温；所述风冷基板1的上表面设置有至少一个安装位3，功率单元的功率元件固定于所述安装位3，优选采用螺栓固定，功率单元的功率元件的数量和所述安装位3的数量相同；所述风冷基板1的上表面对应每个所述安装位3设置有至少一个凹槽，所述凹槽中预埋有热管4，所述热管4的蒸发段41位于所述安装位3内、冷凝段42位于所述安装位3外，所述热管4与功率元件的下表面接触。使用时，功率元件局部产生的聚集热量通过热管4快速传递至其他区域，可避免功率元件局部温度过高。这里所述的热管4，是指公知的结构，热管4由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封；热管4的一端为蒸发段41，另一端为冷凝段42，当热管4的蒸发段41受热时吸液芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向冷凝段42放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段41，如此循环，热量由热管4的蒸发段41传至冷凝段42。本发明中，热管4的蒸发段41与功率元件的部分接触，可吸收功率元件的该部分的热量，然后传递给冷凝段42进行散热，可有效避免功率元件的局部温度过高，克服了现有风冷散热器的缺陷，这也正是本发明的创新点所在。
作为上述技术方案的进一步限定，所述热管4的表面涂覆一层导热硅脂。导热硅脂采用本领域公知的材料，以有机硅酮为主要原料，添加耐热、导热性能优异的材料，制成的导热型有机硅脂状复合物，用于功率放大器、晶体管、电子管、CPU等电子原器件的导热及散热，从而保证电子仪器、仪表等的电气性能的稳定。这里在热管4表面涂覆一层导热硅脂，可增强其散热性能。
作为凹槽的一个优选数量，所述风冷基板1的上表面对应每个所述安装位3设置有四个凹槽，四个凹槽可避免功率元件的多个局部发生过热现象，基本能保障其性能。
作为凹槽的一种优选结构，所述凹槽由第一条形槽和与第一条形槽垂直的第二条形槽组成，所述第一条形槽置于所述安装位3中，所述第二条形槽的一个端部置于所述安装位3的外部，整体形成L型结构，热管4也相应设置成L型结构，这样的结构，一方面可增大热管4与功率元件的接触面积，另一方面可使第一条形槽中聚集更多的液体，便于热交换效率更高。
参照图2，图2为本发明的一种功率变换单元，主要用于将直流电转换为三相交流电，为本发明所述的风冷散热器的一种具体应用实施例，具体结构如下：安装有本发明所述的风冷散热器，所述风冷散热器的风冷基板1上设置有至少三个安装位3；还包括安装在所述安装位3上的至少三个双管绝缘栅双极型晶体管，每个所述双管绝缘栅双极型晶体管皆连接有控制其开关的驱动电路板8，所述双管绝缘栅双极型晶体管具有高结温，所述双管绝缘栅双极型晶体管的两个输入端分别与外部正负两层叠层母排5连接，所述双管绝缘栅双极型晶体管的三个输出端分别与RST三相输出叠层母排6连接；还包括支撑电容组7和保护电路，所述支撑电容组7包括至少一个圆柱形薄膜电容，所述支撑电容组7用于支撑直流回路电压，所述保护电路用于保护所述功率单元中其他元器件，所述双管绝缘栅双极型晶体管、所述支撑电容组7和所述保护电路相互电并联。由于双管绝缘栅双极型晶体管IGBT具有高结温、薄膜支撑电容组适用于高温环境且具有长寿命、本发明提供的风冷散热器能够快速温度均匀，使得该功率变换单元可以在高温环境下长时间使用。因此，相比现有的功率变换单元，该功率变换单元可延长功率变换单元在高温环境下的使用寿命，提高了高温环境下的可靠性，降低了维修成本。
作为上述技术方案的进一步限定，所述功率变换单元还包括吸收电容，所述吸收电容与所述双管绝缘栅双极型晶体管并联，所述吸收电容用于吸收所述双管绝缘栅双极型晶体管关断时产生的过电压。
进一步的，所述保护电路包括2个相互并联的电阻。
以上具体结构和尺寸数据是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (7)
1.一种用于功率单元上的风冷散热器，包括风冷基板（1）和一体成型于风冷基板（1）的下表面的散热齿（2），所述散热齿（2）之间形成有风道，所述风冷基板（1）的上表面设置有至少一个安装位（3），功率单元的功率元件固定于所述安装位（3），其特征在于：所述风冷基板（1）的上表面对应每个所述安装位（3）设置有至少一个凹槽，所述凹槽中预埋有热管（4），所述热管（4）的蒸发段（41）位于所述安装位（3）内、冷凝段（42）位于所述安装位（3）外。
2.根据权利要求1所述的一种用于功率单元上的风冷散热器，其特征在于：所述热管（4）的表面涂覆一层导热硅脂。
3.根据权利要求2所述的一种用于功率单元上的风冷散热器，其特征在于：所述风冷基板（1）的上表面对应每个所述安装位（3）设置有四个凹槽。
4.根据权利要求3所述的一种用于功率单元上的风冷散热器，其特征在于：所述凹槽由第一条形槽和与第一条形槽垂直的第二条形槽组成，所述第一条形槽置于所述安装位（3）中，所述第二条形槽的一个端部置于所述安装位（3）的外部。
5.一种功率变换单元，其特征在于：包括如权利要求1-4任一项所述的风冷散热器，所述风冷散热器的风冷基板（1）上设置有至少三个安装位（3）；还包括安装在所述安装位（3）上的至少三个双管绝缘栅双极型晶体管，每个所述双管绝缘栅双极型晶体管皆连接有控制其开关的驱动电路板（8），所述双管绝缘栅双极型晶体管具有高结温，所述双管绝缘栅双极型晶体管的两个输入端分别与外部正负两层叠层母排（5）连接，所述双管绝缘栅双极型晶体管的三个输出端分别与RST三相输出叠层母排（6）连接；还包括支撑电容组（7）和保护电路，所述支撑电容组（7）包括至少一个圆柱形薄膜电容，所述支撑电容组（7）用于支撑直流回路电压，所述保护电路用于保护所述功率单元中其他元器件，所述双管绝缘栅双极型晶体管、所述支撑电容组（7）和所述保护电路相互电并联。
6.根据权利要求5所述的一种功率变换单元，其特征在于：还包括吸收电容，所述吸收电容与所述双管绝缘栅双极型晶体管并联，所述吸收电容用于吸收所述双管绝缘栅双极型晶体管关断时产生的过电压。
7.根据权利要求5所述的一种功率变换单元，其特征在于：所述保护电路包括2个相互并联的电阻。
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