CN113677169A - 一种分离式相变散热的逆变装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的分离式相变散热的逆变装置，包括功率单元、换热器，功率单元由壳体及半导体功率器件组成；每个功率单元中设置有一个冷却板，半导体功率器件固定于冷却板上，换热器位于单元壳体的外部，冷却板的介质出口经流出支管与流出总管相连通，流出总管与换热器的入口相连通；换热器的出口经回流总管、回流支管与冷却板的介质入口相连通；所述冷却板、换热器中充有冷却介质。本发明的分离式相变散热的逆变装置，利用介质在汽化时可吸收大量的热而温度不升高的性质，可带走半导体功率器件产生的热量，使得半导体功率器件的结温维持在合适的温度状态，带走的热量经换热器散发到外界环境中去，保证了逆变装置的长期稳定、可靠运行。

Description

一种分离式相变散热的逆变装置
技术领域
本发明涉及一种分离式相变散热的逆变装置，更具体的说，尤其涉及一种利用冷却介质在相变（汽化）时可吸收大量热而温度不升高，来保证半导体功率器件长期稳定可靠工作的分离式相变散热的逆变装置。
背景技术
目前，电力电子设备广泛使用半导体功率器做成的逆变装置，在这类装置中通常把直流电逆变成交流电，或是把交流电变成直流电后再逆变成不同频率的交流电。在这种变化过程中，通常频率发生变化，高压动态无功补偿装置（SVG）、高压变频器、高压储能PCS装置、能馈装置等都是利用电力电子功率器件的高速开关作用，将工频的交流电变成频率可调的电能变换装置，或把直流电逆变成工频交流电回馈到电网上的装置。由于电力电子功率器件在不断地进行开启、关闭活动，以及电力电子功率器件的压降，使得半导体功率器件把部分电能转变为热能，使得电力电子功率器件的结温迅速上升。为此，以电力电子功率器件为主的逆变装置内的功率单元通常配有散热器，并在逆变装置内设有强迫风冷通道，以便这些由电力电子功率器件为主的功率单元能够得到有效的散热而降温。由于单个电力电子功率器件的电流、电压不可能无限大，需要以电力电子功率器件配以控制部件以及结构件组成功率单元部件，再通过多个功率单元部件的串联（或并联），组成大功率的逆变装置，这类逆变装置一般使用强迫风冷散热，但是随着功率等级的倍增，功率单元的发热量同样倍增。对于风冷散热来说，发热量越高，需要进入装置内部的风量越大，环境中的湿气、粉尘、腐蚀性气体等大量进入装置内部，时间一长，会造成装置内部的绝缘耐压降低、内部的器件腐蚀等恶劣影响，会造成设备故障甚至报废。
由于电力电子功率器件的高速的开、关以及半导体的节压降，器件发热、温升升高，一般有1~3%的功率热损耗，对于大功率的逆变装置，这种因为器件发热而造成的损失就更加可观。
由于这类电力电子功率器件的结温不允许超过150℃，在正常工作时电力电子功率器件的壳温不能超过90℃，这就要求散热器的表面温度不能超过80℃，这样才能保证逆变装置的可靠稳定运行。
现有的这类逆变装置大部分采用强迫风冷散热，小部分采用水冷散热。逆变装置广泛使用水泥、钢厂、电厂、煤矿、化工、铁路、光伏、风电等各行业，大部分环境污染比较严重。强迫风冷散热需要大量的空气进入设备内部，空气中弥漫着灰尘、柳絮、微小颗粒等，随着空气进入设备内部，部分颗粒粘附在设备内部各处，对设备造成严重的污染，严重影响设备内部电器件的使用寿命。
大功率逆变装置一小部分使用水冷散热。但是，水冷散热也有其缺陷，功率逆变装置很多是高压设备，需要多个单元串联使用，冷却水需要使用去离子的冷却水，因为管道接口比较多，有漏水的隐患、因为空气中和物体表面的微尘，泄漏的去离子水迅速变成导电的水，可能会造成短路，造成严重的事故，自然水、纯水或去离子水都有一定的腐蚀性，时间长了，设备泄漏的风险较大；冷却的去离子水的的冰点温度较高，加入50%的乙二醇添加剂，冰点不到-35℃，在冬季有冻裂管道的可能。同时在高压设备中去离子吸附装置就成为必须添加的附属装置，一般要求每年更换一次，如此一来，成本也就提高，而且安装运维比较麻烦。
另外，不管是风冷散热，还是水冷散热，对同一套逆变装置，随着逆变装置功率的上升，发热量同比上升，温升同样同比上升，只到逆变装置热保护，万一热保护没有保护住，会造成内部功率器家的热击穿，从而造成严重故障。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种分离式相变散热的逆变装置。
本发明的分离式相变散热的逆变装置，包括多个功率单元和一个换热器，每个功率单元由单元壳体及设置于单元壳体中的多个半导体功率器件组成；其特征在于：所述每个功率单元中设置有一个冷却板，半导体功率器件固定于冷却板上，冷却板上设置有介质出口和介质入口；换热器位于单元壳体的外部，多个功率单元中冷却板的介质出口经流出支管与流出总管相连通，流出总管与换热器的入口相连通；换热器的出口与回流总管相通，回流总管经单独的回流支管与每个功率单元中冷却板的介质入口相连通；所述冷却板、换热器、流出支管、流出总管、回流总管和回流支管中充有对半导体功率器件进行散热的冷却介质。
本发明的分离式相变散热的逆变装置，所述冷却介质为相变介质，相变介质的沸点低于80℃，凝固点低于-40℃。
本发明的分离式相变散热的逆变装置，所述冷却板中设置有多条与介质出口和介质入口相通的介质流道，所述介质流道的内壁设置有连续的凸肋和凹槽。
本发明的分离式相变散热的逆变装置，所述换热器的两侧设置有分别与流出总管和回流总管相通的两汇合流道，两汇合流道经多个分支流道相连通，分支流道的外壁上固定有散热翅片。
本发明的分离式相变散热的逆变装置，所述每个功率单元中设置有驱使冷却介质在冷却板与换热器之间循环流动的动力泵。
本发明的有益效果是，本发明的分离式相变散热的逆变装置具有如下优点：
（1）通过在冷却板、换热器及其连接管路中充入相变介质进行散热，当工作的半导体功率器件产生的热量传递至冷却板中的冷却介质时，利用介质在汽化时可吸收大量的热而温度不升高的性质，可带走半导体功率器件产生的热量，使得半导体功率器件的结温维持在合适的温度状态，带走的热量经换热器散发到外界环境中去，保证了逆变装置的长期稳定、可靠运行。
（2）与现有的风冷散热相比较，其热流密度大很多，大大减小了逆变装置的体积，降低了成本；与现有的水冷相比较，无需去离子吸附装置等，使得结构简单很多，成本也远低于水冷散热。
（3）由于换热器位于功率单元的外部，经冷却板经管路与换热器相连，因此易于将逆变装置做到较高的IP防护等级。
（4）与风冷散热相比较，避免了空气中弥漫的灰尘、柳絮、微小颗粒的进入，与水冷散热相比较，不会存在漏水所导致的短路等事故风险，有效延长了逆变装置的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的分离式相变散热的逆变装置的立体图；
图2为本发明中功率单元的主视图；
图3为本发明中功率单元的左视图；
图4为本发明中冷却板的结构示意图；
图5为图4中A-A截面的剖视图；
图6为本发明中换热器的结构示意图。
图中：1功率单元，2换热器，3单元壳体，4半导体功率器件，5冷却板，6流出支管，7流出总管，8回流总管，9回流支管，10控制电路板，11介质出口，12介质入口，13介质流道，14凸肋，15凹槽，16汇合流道，17分支流道，18散热翅片，19电解电容。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，给出了本发明的分离式相变散热的逆变装置的立体图，图2和图3分别给出了本发明中功率单元的主视图和左视图，其由多个功率单元1、一个换热器2以及冷却板5、流出总管7、流出支管6、回流总管8、回流支管9组成，功率单元1由单元壳体3以及设置于单元壳体3中的控制电路板10、电解电容19和多个半导体功率器件4组成，半导体功率器件4在控制电路板10的控制作用下进行逆变工作。所示每个功率单元1中均设置有一个冷却板5，功率单元1的半导体功率器件4固定在冷却板5上，以实现对半导体功率器件4的降温，将半导体功率器件4的结温维持在设定的工作范围内，以保证半导体功率器件4稳定工作。
所示的换热器2位于功率单元1的外部，每个功率单元1中冷却板5的介质出口11经流出支管6与流出总管7相连通，流出总管7与换热器2的进口相通。换热器2的出口与回流总管8相连通，回流总管8又经单独的回流支管9与每个功率单元1中的冷却板5上的介质入口12相连通。冷却板5、换热器2、流出支管6、流出总管7、回流总管8和回流支管9中充有对半导体功率器件4进行散热的冷却介质。冷却介质采用相变介质，相变介质的沸点低于80℃，凝固点低于-40℃。
如图4和图5所示，分别给出了本发明中冷却板的结构示意图和A-A截面的剖视图，所示的冷却板5中设置有多条与介质出口11和介质入口12相通的介质流道13，介质流道13的内壁设置有连续的凸肋14和凹槽15，以保证良好的传热效果。
如图6所示，给出了本发明中换热器的结构示意图，所示换热器2的两侧设置有分别与流出总管7和回流总管8相通的两汇合流道16，两汇合流道16经多个分支流道17相连通，分支流道的外壁上固定有散热翅片18，通过设置分支流道17和散热翅片18，可保证换热器2具有良好的散热效果。
通常情况下，半导体功率器件4的结温不允许超过150℃，在正常工作时半导体功率器件的壳温不能超过90℃，这就要求冷却板5的表面温度不能超过80℃，因此相变介质的沸点低于80℃，这样才能保证逆变装置的可靠稳定运行。功率单元1内的半导体功率器件4产生的热量传递到冷却板5，再传到冷却板5内的相变介质，相变介质再通过管道传输到换热器2，相变介质再把热量传递给换热器2及其散热翅片18，由换热器2的散热翅片18把热量通过对流传递到外界环境中。
液体在沸腾时，汽化的过程中需要吸收大量的热量，同时温度保持不变，仍然吸热，吸热效率非常高，随着热流密度的增加，汽化的相变介质数量增加，并且在这一过程中温度基本不变，这也保证了半导体功率器件4的结温比较稳定，不会随着发热功率的上升同比上升，结温上升只与功率器件的结合相变介质之间的热阻有关，相变介质的沸点低于80℃，冰点低于-40℃，半导体功率器件4的结温越低，可靠性越高。
工作时：功率单元1内部的半导体功率器4件在工作时高速开、关，加上结压降产生大量的热量，热量传导到冷却板5，冷却板5温度迅速升高，加热内部介质流道13中的液态相变介质，相变介质吸收大量的热量，部分介质汽化，在动力泵的作用下，汽液混合的相变介质沿着流出支管6、流出总管7进入换热器2，相变介质的温度高于换热器2的分支流道17和散热翅片18的温度，热流传导到换热器2，换热器2的温度高出环境温度，在温差的作用下换热器向环境释放热量，相变介质温度降低，相变介质沿着回流总管8、回流支管9流回至功率单元1的冷却板5中，完成一个循环，这个循环持续不断，热量也就持续不断的从逆变装置的功率单元1释放到环境中，从而保持冷却板5温度低于规定保护温度80℃，也保证了半导体功率器件5的结温低于150℃，从而保证了半导体功率器件可靠安全运行。

Claims (5)

1.一种分离式相变散热的逆变装置，包括多个功率单元（1）和一个换热器（2），每个功率单元由单元壳体（3）及设置于单元壳体中的多个半导体功率器件（4）组成；其特征在于：所述每个功率单元中设置有一个冷却板（5），半导体功率器件固定于冷却板（5）上，冷却板上设置有介质出口（11）和介质入口（12）；换热器位于单元壳体（3）的外部，多个功率单元中冷却板的介质出口经流出支管（6）与流出总管（7）相连通，流出总管与换热器的入口相连通；换热器的出口与回流总管（8）相通，回流总管经单独的回流支管（9）与每个功率单元中冷却板的介质入口相连通；所述冷却板、换热器、流出支管、流出总管、回流总管和回流支管中充有对半导体功率器件进行散热的冷却介质。
2.根据权利要求1所述的分离式相变散热的逆变装置，其特征在于：所述冷却介质为相变介质，相变介质的沸点低于80℃，凝固点低于-40℃。
3.根据权利要求1或2所述的分离式相变散热的逆变装置，其特征在于：所述冷却板（5）中设置有多条与介质出口（11）和介质入口（12）相通的介质流道（13），所述介质流道的内壁设置有连续的凸肋（14）和凹槽（15）。
4.根据权利要求1或2所述的分离式相变散热的逆变装置，其特征在于：所述换热器（2）的两侧设置有分别与流出总管（7）和回流总管（8）相通的两汇合流道（16），两汇合流道经多个分支流道（17）相连通，分支流道的外壁上固定有散热翅片（18）。
5.根据权利要求1或2所述的分离式相变散热的逆变装置，其特征在于：所述每个功率单元（1）中设置有驱使冷却介质在冷却板（5）与换热器（2）之间循环流动的动力泵。
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Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201623026U (zh) * 2009-12-23 2010-11-03 中国北车集团大连机车研究所有限公司 Igbt板式水冷却器
CN102437714A (zh) * 2011-12-29 2012-05-02 徐州中矿大传动与自动化有限公司 一种三电平变频器水冷散热结构
CN105320239A (zh) * 2015-08-31 2016-02-10 广东明路电力电子有限公司 网络金属结构相变吸热散热器
CN105609892A (zh) * 2014-11-17 2016-05-25 株式会社Lg化学 二次电池用冷却板及包括该冷却板的二次电池模块
CN106785213A (zh) * 2017-01-12 2017-05-31 江乐新 带有板式热管的电动汽车电池热管理系统
CN106973550A (zh) * 2017-04-11 2017-07-21 中国科学院理化技术研究所 一种开式可控流量相变冷却系统及其控制方法
CN107294356A (zh) * 2016-03-30 2017-10-24 株式会社日立制作所 电力变换装置
CN208157468U (zh) * 2017-12-29 2018-11-27 江西优特汽车技术有限公司 液冷电池系统
CN111129385A (zh) * 2019-12-26 2020-05-08 汕头大学 一种隔离式电池模组液冷系统
CN211654986U (zh) * 2020-03-26 2020-10-09 北京金茂绿建科技有限公司 充电仓电池箱恒温控制系统
CN112566475A (zh) * 2020-12-25 2021-03-26 北京涌现数字科技有限公司 冷却系统
CN112954952A (zh) * 2021-01-20 2021-06-11 中车株洲电力机车有限公司 轨道列车及其散热系统、散热方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201623026U (zh) * 2009-12-23 2010-11-03 中国北车集团大连机车研究所有限公司 Igbt板式水冷却器
CN102437714A (zh) * 2011-12-29 2012-05-02 徐州中矿大传动与自动化有限公司 一种三电平变频器水冷散热结构
CN105609892A (zh) * 2014-11-17 2016-05-25 株式会社Lg化学 二次电池用冷却板及包括该冷却板的二次电池模块
CN105320239A (zh) * 2015-08-31 2016-02-10 广东明路电力电子有限公司 网络金属结构相变吸热散热器
CN107294356A (zh) * 2016-03-30 2017-10-24 株式会社日立制作所 电力变换装置
CN106785213A (zh) * 2017-01-12 2017-05-31 江乐新 带有板式热管的电动汽车电池热管理系统
CN106973550A (zh) * 2017-04-11 2017-07-21 中国科学院理化技术研究所 一种开式可控流量相变冷却系统及其控制方法
CN208157468U (zh) * 2017-12-29 2018-11-27 江西优特汽车技术有限公司 液冷电池系统
CN111129385A (zh) * 2019-12-26 2020-05-08 汕头大学 一种隔离式电池模组液冷系统
CN211654986U (zh) * 2020-03-26 2020-10-09 北京金茂绿建科技有限公司 充电仓电池箱恒温控制系统
CN112566475A (zh) * 2020-12-25 2021-03-26 北京涌现数字科技有限公司 冷却系统
CN112954952A (zh) * 2021-01-20 2021-06-11 中车株洲电力机车有限公司 轨道列车及其散热系统、散热方法

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