CN117438389B - 一种多igbt模块并联的均匀散热装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种多I GBT模块并联的均匀散热装置和方法，所述装置包括：散热基板、贴合在所述散热基板表面的多个IGBT模块，设置在所述散热基板远离IGBT模块一侧的不同高度的散热翅片和盖设在所述散热翅片外侧的U型导风罩，所述IGBT模块设置有四个，分别均匀分布在所述散热基板的表面所述IGBT模块包括依次分布的第一IGBT模块、第二IGBT模块，第三IGBT模块和第四IGBT模块，所述IGBT模块与所述散热翅片对应设置，所述第一散热翅片、第二散热翅片、第三散热翅片、第四散热翅片的翅片高度依次递增。本发明通过调整IGBT模块对应的散热翅片的区域热阻，实现每个IGBT模块的电气均流特性和散热均匀性。

Description

一种多IGBT模块并联的均匀散热装置和方法
技术领域
本发明属于电子器件散热技术领域，具体涉及一种多IGBT模块并联的均匀散热装置和方法。
背景技术
IGBT等功率器件是现代电力电子设备的核心元器件之一，随着技术不断发展，通常采用并联多个IGBT模块进行使用。IGBT直接并联使用过程中，需要考虑每个并联器件的工况一致性，包括其电流均流特性以及散热特性两个方面，并联一致性越好，则功能器件的使用性能好。
对于并联的IGBT模块散热，考虑到电气均流特性，IGBT的对称性布局保证了均流特性满足要求，但其结构风道设计IGBT沿风道依次布置，导致并联IGBT的实际工作温度依次上升，靠近进风口的IGBT温度最低，靠近风出口的IGBT温度最高，两者温差可达20℃，工作温度不一致会导致IGBT的寿命不同，最终影响整个功率单元的寿命。
因此有必要提供新的一种多IGBT模块并联的均匀散热装置和方法。
发明内容
基于现有技术中存在的上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种多IGBT模块并联的均匀散热装置和方法，通过调整IGBT模块对应的散热翅片的区域热阻，实现每个IGBT模块的电气均流特性和散热均匀性。
本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种多IGBT模块并联的均匀散热装置，一种多IGBT模块并联的均匀散热装置，其特征在于，所述装置包括：散热基板、贴合在所述散热基板表面的多个IGBT模块，设置在所述散热基板远离IGBT模块一侧的不同高度的散热翅片和盖设在所述散热翅片外侧的U型导风罩。
进一步的，所述散热基板为水平安装的方形板，所述IGBT模块设置有多个，且多个所述IGBT模块分别均匀分布在所述散热基板的表面。
进一步的，所述IGBT模块设置有四个，分别均匀分布在所述散热基板的表面所述IGBT模块包括依次分布的第一IGBT模块、第二IGBT模块，第三IGBT模块和第四IGBT模块。
进一步的，所述散热翅片设置有四个，分别与每个所述IGBT模块对应设置，不同高度的散热翅片包括依次设置的第一散热翅片、第二散热翅片、第三散热翅片和第四散热翅片。
进一步的，所述U型导风罩包括设置在一端的进风口和出风口。
进一步的，所述进风口位于靠近所述第一IGBT模块的一端，所述出风口位于靠近所述第四IGBT模块的一端。
进一步的，所述第一散热翅片、第二散热翅片、第三散热翅片、第四散热翅片的翅片高度依次递增，即所述第一散热翅片的高度最小，所述第四散热翅片的高度最大。
本发明还提供了一种多IGBT模块并联的均匀散热方法，应用于上述的多IGBT模块并联的均匀散热装置，所述方法包括：
S1，获取多个IGBT模块的整体损耗；
S2，获取散热装置的进风口和出风口之间的温差值；
S3，计算出相邻IGBT模块的结温偏差为0时相邻散热翅片之间的热阻差值；
S4，分别获取各个IGBT模块的温度，计算得出IGBT模块的平均热阻和单个IGBT模块的等效热阻；
S5，根据单个IGBT模块等效热阻和相邻散热翅片之间的热阻差值，调整IGBT模块对应的各个散热翅片高度，从而实现调整IGBT模块对应的散热翅片的热阻分布，使得每个IGBT模块的散热均匀。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有一个或一个以上的指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述多I GBT模块并联的均匀散热方法。
本发明还提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器；所述存储器中存储有至少一条程序指令；所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现上述的多I GBT模块并联的均匀散热方法。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种多I GBT模块并联的均匀散热装置，包括：散热基板、贴合在所述散热基板表面的多个IGBT模块，设置在所述散热基板远离IGBT模块一侧的不同高度的散热翅片和盖设在所述散热翅片外侧的U型导风罩，所述IGBT模块设置有四个，分别均匀分布在所述散热基板的表面所述IGBT模块包括依次分布的第一IGBT模块、第二IGBT模块，第三IGBT模块和第四IGBT模块，所述IGBT模块与所述散热翅片对应设置，所述第一散热翅片、第二散热翅片、第三散热翅片、第四散热翅片的翅片高度依次递增。本发明通过调整IGBT模块对应的散热翅片的区域热阻，实现每个IGBT模块的电气均流特性和散热均匀性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明第一实施方式所提供的多I GBT模块并联的均匀散热装置的结构示意图；
图2是本发明第一实施方式所提供的多I GBT模块并联的均匀散热装置的爆炸图；
图3是本发明第二实施方式所提供的多I GBT模块并联的均匀散热方法示意图；
图4是本发明第二实施方式所提供的步骤S4中通过热成像摄像仪测得的四个IGBT模块的温度值；
图5是本发明第二实施方式所提供的步骤S5中通通过热成像摄像仪测得的四个IGBT模块的温度值；
图6是本发明第三实施方式所提供的电子设备的部分框图。
其中，图中各附图标记：
散热基板1；
IGBT模块2，第一IGBT模块21，第二IGBT模块22，第三IGBT模块23和第四IGBT模块24；
散热翅片3，第一散热翅片31，第二散热翅片32，第三散热翅片33，第四散热翅片34；
U型导风罩4，进风口41，出风口42。
具体实施方式
在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
第一实施方式：
请参阅图1和图2，示出了本发明一种多IGBT模块并联的均匀散热装置示意图。
作为示例，所述多IGBT模块并联的均匀散热装置包括：散热基板1、贴合在所述散热基板1表面的多个IGBT模块2，设置在散热基板1远离IGBT模块一侧的不同高度的散热翅片3和盖设在散热翅片3外侧的U型导风罩4。
具体的，散热基板1为水平安装的方形板。IGBT模块2设置有多个，且多个IGBT模块2分别均匀分布在散热基板1的表面。
在本实施例中，IGBT模块2设置有四个，分别均匀分布在散热基板1的表面。IGBT模块2包括依次分布的第一IGBT模块21、第二IGBT模块22，第三IGBT模块23和第四IGBT模块24。
具体的，不同高度的散热翅片3设置在散热基板1远离IGBT模块一侧面上。不同高度的散热翅片3的数量与IGBT模块2的数量相同。
在本实施例中，散热翅片3设置有四个，分别与每个IGBT模块2对应设置。不同高度的散热翅片3包括依次设置的第一散热翅片31、第二散热翅片32、第三散热翅片33和第四散热翅片34。其中，第一IGBT模块21和第一散热翅片31在同一轴线上，第一散热翅片31用于给第一IGBT模块21散热；第二散热翅片32和第二IGBT模块22在同一轴线上，第二散热翅片32给第二IGBT模块22散热；第三IGBT模块23和第三散热翅片33在同一轴线上，第三散热翅片33用于给第三IGBT模块23散热；第四散热翅片34和第四IGBT模块24在同一轴线上，第四散热翅片34给第四IGBT模块24散热。
具体的，U型导风罩4包括设置在一端的进风口41和出风口42。
在本实施例中，进风口41位于靠近第一IGBT模块21的一端，出风口42位于靠近第四IGBT模块24的一端。
由于靠近进风口41的第一IGBT模块21温度最低，靠近出风口42的第四IGBT模块24温度最高，则需要第一散热翅片31、第二散热翅片32、第三散热翅片33、第四散热翅片34的散热效果要依次递增，通过调整每个IGBT模块2对应的散热翅片3的高度，以达到调整每个IGBT模块2对应的散热翅片3的热阻分布。因此，第一散热翅片31、第二散热翅片32、第三散热翅片33、第四散热翅片34的翅片高度依次递增，即第一散热翅片31的高度最小，第四散热翅片34的高度最大。
本发明所述的多IGBT模块并联的均匀散热装置包括：散热基板1、贴合在所述散热基板1表面的多个IGBT模块2，设置在散热基板1远离IGBT模块一侧的不同高度的散热翅片3和盖设在散热翅片3外侧的U型导风罩4；IGBT模块2设置有多个，且多个IGBT模块2分别均匀分布在散热基板1的表面；不同高度的散热翅片3的数量与IGBT模块2的数量相同，每个散热翅片3分别与每个IGBT模块2对应设置，用于给IGBT模块2进行散热；所述多IGBT模块并联的均匀散热装置通过调整每个IGBT模块2对应的散热翅片3的热阻分布，也就是计算得出每个IGBT模块2对应的每个散热翅片3的高度，以实现每个IGBT模块2之间的结温相等，进而实现每个IGBT模块2的电气均流特性和散热均匀性。
第二实施方式：
请参阅图3，本发明提出的一种多I GBT模块并联的均匀散热方法流程图。
作为示例，所述一种多I GBT模块并联的均匀散热方法包括：
步骤S1，获取多个IGBT模块的整体损耗。
在本实施例中，具体而言，装置包括有四个IGBT模块，四个IGBT模块整体损耗为2.8kW，则单个IGBT模块的损耗为750W。
步骤S2，获取散热装置的进风口和出风口之间的温差值。
具体的，通过温度传感器或者热成像摄像仪测得散热装置的进风口和出风口之间的温差值。
在本实施例中，通常散热装置的进风口和出风口之间的温度控制在10～15℃之间，本实施例中，散热装置的进风口和出风口之间温差值取15℃。
步骤S3，计算出相邻IGBT模块的结温偏差为0时相邻散热翅片之间的热阻差值。
具体的，IGBT模块表面的最高温度、装置的进风温度、IGBT模块发热量和散热翅片热阻之间的计算公式为：
Th＝Ta+Q×Rha
其中，Th为IGBT模块表面的最高温度，Ta为装置的进风温度，Q为IGBT模块发热量，Rha为散热翅片热阻。
在多个IGBT模块并联的条件下，每个IGBT模块的发热量相等，总发热量等于所有模块发热量之和，计算公式为：
Q1＝Q2＝Q3＝...＝Qn
Qtot＝Q1+Q2+Q3+...+Qn
其中，Q1为第一个IGBT模块发热量，Q2为第二个IGBT模块发热量，Q3为第三个IGBT模块发热量，Qn为第n个IGBT模块发热量，Qtot为所有IGBT模块模块发热量。
将散热翅片和IGBT模块进行等效分割，则第n个模块进风温度计算公式为：
其中，Tan为第n个IGBT模块进风温度，Ta为装置的进风温度，ΔTa为散热装置的进风口和出风口之间的温差值。
第n个IGBT模块表面的最高温度计算公式为：
其中，Thn为第n个IGBT模块表面的最高温度，Tan为第n个IGBT模块进风温度，Qn为第n个IGBT模块发热量，Rhan为第n个IGBT模块处散热翅片热阻，Ta为装置的进风温度，ΔTa为散热装置的进风口和出风口之间的温差值。
第n-1个IGBT模块表面的最高温度(即结温)计算公式为：
其中，Th(n-1)为第n-1个IGBT模块表面的最高温度，Qn-1为第n-1个IGBT模块发热量，Rha(n-1)为第n-1个IGBT模块处散热翅片热阻，Ta为装置的进风温度，ΔTa为散热装置的进风口和出风口之间的温差值。
由此可以得出相邻的两个IGBT模块表面的最高温度之间的偏差(即结温偏差)计算公式为：
预设Thn-Th(n-1)＝0，计算出相邻IGBT模块的结温偏差为0时相邻散热翅片之间的热阻差值的计算公式为：
即当IGBT模块排布时散热翅片热阻按照相差排布，则可以保证IGBT并联IGBT模块之间的结温相等。
在本实施例中，根据散热装置的进风口和出风口之间温差值取15℃，四个IGBT模块整体损耗为2.8kW，则相邻IGBT模块的结温偏差为0时相邻散热翅片之间的热阻差值约为5.35K/kW。
步骤S4，分别获取各个IGBT模块的温度，计算得出IGBT模块的平均热阻和单个IGBT模块的等效热阻。
在本实施例中，如图4所示的通过热成像摄像仪测得的四个IGBT模块的温度值分别为104.25℃、100.9℃、94.88℃和87.1℃。
四个IGBT模块平均热阻计算公式为：
单个IGBT模块的热阻等效于7.36K/kW。
步骤S5，根据单个IGBT模块等效热阻和相邻散热翅片之间的热阻差值，调整IGBT模块对应的各个散热翅片高度，从而实现调整IGBT模块对应的散热翅片的热阻分布，使得每个IGBT模块的散热均匀。
具体而言，根据单个IGBT模块等效热阻和相邻散热翅片之间的热阻差值，可以计算出每个IGBT模块排布时散热翅片所对应的热阻值。
在本实施例中，单个IGBT模块的热阻约为73.6K/kW，相邻IGBT模块热阻差异为5.35K/kW(约占7.27％)，考虑到散热翅片翅尖部位对于热阻的影响较小，初期可以选用两倍的翅片高度比例作为调整值，即相邻差为14.54％，取15％，即最末端为100％，85％，70％，55％。
按照散热翅片的高度分布以及IGBT模块对应排布后，进行热成像仿真，查看每个散热翅片对应的最高温度值是否均匀一致，若散热翅片与IGBT模块的接触面温度过高则增加翅片长度，反之则减小翅片长度，直至调整到最佳长度时，各个IGBT模块的表面结温偏差小于阈值；最终得出的散热翅片长度为75cm(100％)，65cm(86.6％)，55cm(73.3％)，40cm(53.3％)，如图5所示，IGBT模块最高温度103.4℃，温差1.5℃，实现每个IGBT模块2的电气均流特性和散热均匀性。
第三实施方式：
本发明的第三实施方式提供了一种网络侧服务端，如图6所示，包括至少一个处理器301；以及，与至少一个处理器301通信连接的存储器302；其中，存储器302存储有可被至少一个处理器301执行的命令，指令至少被一个处理器301执行，以使至少一个处理器301能够执行上述的数据处理方法。
其中，存储器302和处理器301采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器301和存储器302的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器301处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器301。
处理器301负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器302可以被用于存储处理器301在执行操作时所使用的数据。
第四实施方式：
本发明的第四实施方式提供了一种计算机读存储介质，存储有计算机程序。计算机程序被处理器执行时实现第一实施方式中的多I GBT模块并联的均匀散热方法。
即，本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多IGBT模块并联的均匀散热方法，其特征在于，应用于多IGBT模块并联的均匀散热装置，所述多IGBT模块并联的均匀散热方法包括：
S1，获取多个IGBT模块的整体损耗；
S2，获取散热装置的进风口和出风口之间的温差值；
S3，计算出相邻IGBT模块的结温偏差为0时相邻散热翅片之间的热阻差值；
S4，分别获取各个IGBT模块的温度，计算得出IGBT模块的平均热阻和单个IGBT模块的等效热阻；
S5，根据单个IGBT模块等效热阻和相邻散热翅片之间的热阻差值，调整IGBT模块对应的各个散热翅片高度，从而实现调整IGBT模块对应的散热翅片的热阻分布，使得每个IGBT模块的散热均匀。
2.如权利要求1所述的多IGBT模块并联的均匀散热方法，其特征在于，所述多IGBT模块并联的均匀散热装置包括：散热基板、贴合在所述散热基板表面的多个IGBT模块，设置在所述散热基板远离IGBT模块一侧的不同高度的散热翅片和盖设在所述散热翅片外侧的U型导风罩。
3.如权利要求2所述的多IGBT模块并联的均匀散热方法，其特征在于，所述散热基板为水平安装的方形板，所述IGBT模块设置有多个，且多个所述IGBT模块分别均匀分布在所述散热基板的表面。
4.如权利要求2所述的多IGBT模块并联的均匀散热方法，其特征在于，所述IGBT模块设置有四个，分别均匀分布在所述散热基板的表面所述IGBT模块包括依次分布的第一IGBT模块、第二IGBT模块，第三IGBT模块和第四IGBT模块。
5.如权利要求4所述的多IGBT模块并联的均匀散热方法，其特征在于，所述散热翅片设置有四个，分别与每个所述IGBT模块对应设置，不同高度的散热翅片包括依次设置的第一散热翅片、第二散热翅片、第三散热翅片和第四散热翅片。
6.如权利要求5所述的多IGBT模块并联的均匀散热方法，其特征在于，所述U型导风罩包括设置在一端的进风口和出风口。
7.如权利要求6所述的多IGBT模块并联的均匀散热方法，其特征在于，所述进风口位于靠近所述第一IGBT模块的一端，所述出风口位于靠近所述第四IGBT模块的一端。
8.如权利要求7所述的多IGBT模块并联的均匀散热方法，其特征在于，所述第一散热翅片、第二散热翅片、第三散热翅片、第四散热翅片的翅片高度依次递增，即所述第一散热翅片的高度最小，所述第四散热翅片的高度最大。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有一个或一个以上的指令，其特征在于，所述指令用于使所述计算机执行权利要求1所述的多IGBT模块并联的均匀散热方法。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器和处理器；所述存储器中存储有至少一条程序指令；所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现权利要求1所述的多IGBT模块并联的均匀散热方法。
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