CN110692133A - 冷却设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于冷却具有多个开关元件(6)的电子电路(4)的冷却设备，其中，冷却设备(2)包括多个与开关元件(6)处于热连接的散热体(8)和用于将冷却剂(12)分配到散热体(8)的冷却剂分配设备(10)。本发明的特征在于，设置了用于可变地调节冷却剂子流(18)的冷却剂流量调节器(14)，并且在冷却剂流量调节器(14)与电子电路(4)之间存在数据连接(16)，以用于传递关于开关元件(6)的负载状态的信息。

Description

冷却设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于冷却半导体电路的冷却设备以及根据权利要求3的前序部分的用于冷却半导体电路的方法。
背景技术
电气或电子构件、特别是通常由半导体开关元件构造的断路器，由于其在开关过程时以及在导通、电流流动的状态下产生高的热量，因此通常必须对其进行冷却。在此，目前使用用作针对半导体元件的散热体的水流式冷却箱。这些冷却箱可以串联或并联互连。在串联互连时，压力损失会累积，并且冷却水温度会逐箱地上升，直至达到允许的最大值。在并联互连时，必须将相对较高的体积流量均匀地划分给许多冷却箱。在公开文献“Thyristor Valve for the 12-Pulse Converter for the 3Gorges,2010InternationalConference on Power System Technology,IEEE 978-1-4244-5939-1/10”中提出了通过麻烦的管路系统、高要求的组件而非较低要求的元件来较强地进行冷却。然而，在许多半导体电路中，各个半导体元件以随时间而不同的方式被加重负载或处于空载阶段。针对该情况，必须对应地构造用于推动冷却剂的泵以及冷却剂流和热交换设备，以始终确保最大的散热。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种冷却剂设备和一种用于运行冷却剂设备的方法，该方法能够可靠地确保半导体电路的冷却，并且在此相对于现有技术要求较低的泵功率和热交换器功率。
本发明的解决方案在于一种具有权利要求1的特征的用于冷却半导体电路的冷却设备以及一种具有权利要求3的特征的用于冷却半导体电路的方法。
根据本发明的用于冷却电子电路、特别是具有多个开关元件(特别是半导体开关元件，以下称为半导体开关元件)的半导体电路的冷却设备具有以下特征：一方面，冷却设备包括多个分别与半导体开关元件处于热连接的散热体。此外，冷却设备具有用于将冷却剂分配到散热体的冷却剂分配设备。本发明的特征在于，设置了冷却剂流量调节器，用于可变地调节冷却剂子流。此外，在该冷却剂流量调节器与电子电路、特别是半导体电路之间存在数据连接，以用于传递关于开关元件的负载状态的信息。
在此，开关元件被理解为任何电子组件，在此特别地可以使用不同的半导体开关、集成电路、晶闸管、FET或IGBT等。当然，可以在半导体电路中使用多个不同的半导体开关元件或组件。术语散热体被理解为适合用于排出热并且流过或流入冷却剂的主体。通常，在半导体开关元件中，以冷却箱的形式构造散热体，冷却介质流过该冷却箱。此外，冷却箱或散热体通常与半导体开关元件或电子组件处于热连接。即，该组件或开关元件尽可能紧密地与散热体连接，并且例如考虑导热胶以将这两个元件连接。也可以类似于三明治结构将半导体开关元件嵌入在两个散热体或冷却箱之间，或者将散热体嵌入在两个半导体开关元件之间。由此，多个冷却箱和半导体开关元件也可以交替地接合在一起，从而在开关元件和散热体处形成区域。在此，术语负载状态被理解为在特定的时间(其也可以在将来)以何种程度使用半导体开关元件。通过确定负载状态，可以得出关于半导体开关元件所吸收的热量和由此形成的构件的温度的结论，并且可以对应地调整冷却剂流量。
所描述的冷却设备的优点在于，其可以对半导体开关元件的负载状态做出可变的反应，并且该冷却设备被构造为用于调整引导到各个冷却箱并且由此引导到各个半导体开关元件的子流，使得该子流可以符合需求地将积聚的热量从组件中引出。由于对于该实施方案没有规定冷却剂流量的硬性分配，通过这种对各个冷却箱的冷却的可变调节，既可以减小泵功率，又可以限制热交换容量。
在本发明的有利的实施方式中，为此在冷却剂分配设备中使用多路阀。该多路阀可以电子、机电、液压或气动地通过冷却剂流量调节器进行控制。
本发明的另外的组成部分是一种具有权利要求3的特征的用于运行冷却设备的方法。该方法解决了与冷却设备本身相同的技术问题，并且具有基本相同的在冷却设备方面已提及的优点。
附图说明
根据以下附图，更详细地阐述本发明的另外的实施方式和另外的优点和特征。在此，这是示例性的实施方式，其不表示对保护范围的限制。
在此，在唯一的附图中：
附图示出了用于冷却半导体开关元件的具有冷却箱的冷却设备的示意图。
具体实施方式
在附图中示出了用于冷却半导体电路4的冷却设备2，半导体电路具有单独的半导体开关元件6以及以冷却箱8的形式构造的散热体。从包括多路阀11的冷却剂分配设备10出发，流过冷却剂导管22的冷却剂12示例性地被划分成三个子流18。这些子流18、18′和18″和冷却剂12原则上可以被引导至与半导体开关元件6处于热连接的各个冷却箱8，或者可以将这些子流和冷却剂引导至开关元件6和散热体8的区域26。在这样的区域26(这此处未明确地示出)之前，可以以下级的形式设置另外的冷却剂分配设备。在此处所示的情况下，将冷却导管18静态地、并联连接地划分给各个区域26的冷却箱8。在此，冷却箱8也可以相对于冷却剂子流18串联连接，这在此未示出。该串联连接可以有利地取决于所允许或所计划的半导体元件的接通条件。因此，不允许共同地同时导通的两个区域26例如可以静态地串联连接。在该附图中，三个区域26，即冷却箱8和半导体开关元件6，组合为在此所示的半导体电路4，该半导体开关元件例如可以以晶闸管的形式来构造。在此，这是纯示例性的、可仿效的任意组合，通过该组合，仅应当说明通过冷却剂分配设备10将冷却剂流22划分为子流18、18′和18″。在流过冷却箱8之后，子流18再次汇聚到冷却剂导管22，并且流过热交换器20。在热交换器20中，积聚在半导体开关元件6中并且已经由冷却剂12吸收的热量被传递到在此未详细示出的另外的热交换介质。此外，冷却剂12重新经由冷却导管22流入冷却剂分配设备10中，循环重新开始。在另一个实施方案中，冷却剂12不再经由热交换器20和冷却剂分配设备10重新馈送到循环中，而是由新鲜的、冷的冷却剂代替。
此外，设置数据连接16，该数据连接通常从半导体电路4、在此特别是从半导体电路4的不同的区域26或从在此未示出的半导体电路4的上级的调节装置延伸到冷却剂流量调节器14。在此，本附图中的图示仅视为示例，旨在描述关于半导体开关元件的运行状态或负载状态的信息从半导体电路本身传递到冷却剂流量调节器14。如果现在情况是，区域26中的半导体开关元件6或者甚至仅来自该区域26中的单个半导体开关元件6必须针对半导体电路的当前任务管理实行较高的开关功率，则该信息可以由冷却剂流量调节器14来实现为，使得子流18相对于子流18′和18″增加。为此，从冷却剂流量调节器14向冷却剂分配设备10发出控制信号，该控制信号又对多路阀11产生直接影响，并且相对于引导到子流18′的通道，将引导到子流18的通道打开或进一步地打开，并且实现冷却剂12到子流18中的更高的流量。
如已经提到的，可以在到区域26的分配之前布置未示出的下级的冷却剂分配设备，由此冷却剂12再次对应地更强或更弱地流过各个半导体元件6或属于各个半导体元件6的冷却箱8。在此，还可以实际上选择性地接受每个单独的半导体开关元件6。也可能合适的是，信息从半导体电路4到达冷却剂流量调节器14，各个半导体开关元件6或整个区域26的负载或预期的负载包含在当前的状态中以及包含在详细的、待定义的或已确定的将来中。例如，如果应当在40s内越来越多地使用完全确定的半导体开关元件6或半导体开关元件6的整个区域，则冷却剂流量调节器14可以控制冷却剂分配设备10，使得冷却剂12有针对性地流过该半导体开关元件或该区域26或26′或26″，并且由此该半导体开关元件或该区域被冷却。
原则上应当注意，通过所建议的冷却设备将散热体或冷却箱8如此互连，或通过冷却剂分配设备10控制该散热体或冷却箱，使得仅在确实存在冷却需求时，即，在已实际负载附属的半导体开关元件(例如，晶闸管)时才流过该散热体或冷却箱。原则上，也可以通过半导体开关元件6上的温度测量元件来确定温度值，该温度值作为信息经由数据导线16转发给冷却剂流量调节器14。然而，与实际的温度测量的等同物也同样是合适的，并且在必要时有利的是，如所述的那样，通过负载状态确定输出的热量。
在此，所描述的冷却剂设备或所描述的用于冷却半导体电路的方法具有以下优点：总体上，用于冷却水泵的能量需求较低。此外，如果在负载结束时，即在运行结束时关闭冷却，则所描述的设备导致半导体开关元件6的热负荷降低。由此，不会将半导体开关元件骤冷到冷却水温度。此外，有利的是，通过不同子流的频繁的定期切换来防止通过材料可能浓缩而造成的死水的形成，该材料可以增高冷却介质的传导率。

Claims (3)

1.一种用于冷却具有多个开关元件(6)的电子电路(4)的冷却设备，其中，所述冷却设备(2)包括多个与所述开关元件(6)处于热连接的散热体(8)和用于将冷却剂(12)分配到所述散热体(8)的冷却剂分配设备(10)，其特征在于，设置了用于可变地调节冷却剂子流(18)的冷却剂流量调节器(14)，并且在所述冷却剂流量调节器(14)与所述电子电路(4)之间存在数据连接(16)，以用于传递关于开关元件(6)的负载状态的信息。
2.根据权利要求1所述的冷却设备，其特征在于，所述冷却剂分配设备(10)包括多路阀。
3.一种用于运行针对电子电路的冷却设备的方法，其中，所述电子电路(4)具有多个半导体开关元件(64)，所述半导体开关元件与冷却设备(2)的多个散热体(8)热学上处于连接，并且其中设置了冷却剂分配设备(10)，通过所述冷却剂分配设备实现将冷却剂(12)分配到不同的到所述散热体(8)的子流(18)中，其特征在于，通过冷却剂流量调节器(14)控制所述冷却剂分配设备(10)，其中，数据连接(16)设置在所述冷却剂流量调节器(14)与所述电子电路(4)之间，通过所述数据连接传递关于开关元件(6)的负载状态的信息，并且根据开关元件(6)的负载状态调节到各个散热体(8)的冷却剂(12)的流动速率。
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