CN1625030A - 半导体冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体冷却装置，能提高抑制半导体元件温度上升的可靠性，同时通过小型化冷却器来使装置形小而质轻。半导体冷却装置收置在设置于铁路车辆底面下的功率变换装置内，其中半导体元件串联连接，在两端为直流端子而中间连接点为交流端子的一分相功率变换电路中，构成上支路的半导体元件安装在一个冷却器的受热部的一个面上，构成下支路的半导体元件安装在另一个冷却器的受热部的一个面上支路，这两个冷却器在上下方向上并列设置，同时这些冷却器的散热部分以开放于外界大气中的方式设置在装置壳体处的车身侧面上，并在上述上下散热部分之间设置有间隔，所以即使在多个并列设置的冷却器的后位侧也能获得新鲜的行驶风，从而能够抑制后位侧半导体元件的温度升高。

Description

半导体冷却装置
技术领域
本发明涉及一种半导体冷却装置，尤其是涉及一种容纳在功率变换装置内的半导体冷却装置，该功率变换装置设置在铁路车辆底面下。
背景技术
设置在铁路车辆底面下的功率变换装置利用半导体元件进行功率变换，且需要有将半导体元件产生的热损失有效散放到大气中而抑制半导体元件温度上升的冷却器。虽可以利用电动送风机来强制送风冷却，但是从维守性的优劣方面来考虑，大多数时不使用电动送风机，而使用自然通风方式的冷却器。这种情况下，冷却器散热部通常被设置在朝向车身侧面的位置上，从而有效地向大气散热。
下面，参考图5和图6来说明传统功率变换装置的半导体冷却装置。
图5是专利文件1中安装在车身底面下的功率变换装置的结构图。图5(a)为俯视图，图5(b)为图5(a)的X-X剖面图，图6(a)为图5(b)的局部放大视图，图6(b)为图6(a)中拆掉车身后的部分视图。
设置在车身1的底面下面的功率变换装置2容纳在用于冷却半导体元件3的冷却器4内，该冷却器4的结构中，安装有半导体元件3的受热部5配置在功率变换装置2的壳体内部，多片散热片6设置在成为车身侧面且露在外部空气中的壳体外部部分上。受热部5和散热片6之间由多个热管7连接，该热管7一侧的端部被插入连接到受热部5上，另一侧的端部穿通连接着上述散热片6。而且设置在底面下面的设备都必须容纳在设置空间限界8内，该设置空间限界8内设置有多片能装下的散热片6。
以这种方式构成的功率变换装置2中，半导体元件3产生的热损失传递到冷却器4的受热部5，通过热管7传导到散热片6，随后由散热片6将热量扩散到大气中。由于散热片6设置在车身侧面，存在排出的热会滞留在车身1底面的特点，并且，因在车辆行驶时流经底面下面设备组附近的行驶风容易流经上述散热片6，所以能够提高散热性能。这种有效利用行驶风的技术方案通过减少半导体元件温度上升而可确保充分的余量，并与提高可靠性有关，而且对于冷却器的小型化、进而整个装置的小型轻量化也非常重要。
【专利文件1】日本特开平6-225548号公报
虽然使上述散热片6部分突出于车身侧面而易于承接行驶风，但是对于上述功率变换装置中，仅由只有单相的功率变换电路构成的类型几乎没有，半导体冷却装置是由多个结构构成。这样的半导体冷却装置的散热片部分突出到装置的车身侧面且设置有多个，在车辆前进的方向上并列排布。
在车辆行驶时的行驶风由于不可能同等地吹在上述散热片部分的每一个上，所以在前进方向的后侧处的行驶风就会被其前面的散热片所遮挡，从而不能充分获得行驶风。由于不能充分获得行驶风，则后面的散热片部分的通过风速比较低，所以不仅是散热片表面的热传递较差，而且由其前面的散热片所散发的热量还会使空气温度上升，后面散热片的入风温度也变高，进行冷却的条件变得更加恶劣。
由于冷却器性能取决于冷却条件最恶劣的后面的散热片部分，所以，前位侧处具有过于充足的余量。即使把前进方向变换为任一方向，也都不能小型化和优化此时的前位侧冷却器。在利用行驶风进行冷却时，主要问题在于要减小从前进方向并列设置的多个散热片部分的前位侧向后位侧的行驶风损失。
发明内容
本发明针对上述情况，解决的问题在于提供一种半导体冷却装置，即使在车辆前进方向并列设置的多个冷却器的后位侧，也能充分获得行驶风，能抑制半导体元件的温度上升、并提高可靠性，同时，通过小型化冷却器可使整个装置小型轻量化。
为了解决上述问题，技术方案1记载的本发明中，一种半导体冷却装置收置在设置于铁路车辆底面下的功率变换装置内，其特征在于，半导体元件串联连接，在两端为直流端子而中间连接点为交流端子的单相功率变换电路中，构成上支路的半导体元件安装在一个冷却器受热部的一个面上，构成下支路的半导体元件安装在另一个冷却器受热部的一个面上，这两个冷却器在上下方向上并列设置，同时，这些冷却器的散热部分以敞开于外界大气中的方式设置在装置壳体的车身侧面上，且在上述上下散热部分之间设置有间隔。
根据技术方案1记载的本发明，由于在上下散热部之间设置间隔，所以，即使在并列设置的多个冷却器后位侧也能获得新鲜的行驶风，因此能够抑制后位侧半导体元件的温度上升，所以，不会象以往结构那样，在前进方向前位的冷却器散热部充分流经行驶风，而流经后位侧冷却器的行驶风风量、风速却急剧减少。
在技术方案2所记载的本发明中，一种半导体冷却装置，容纳在设置于铁路车辆底面下的功率变换装置内，该功率变换装置包括多组可独立运行的功率变换电路，其特征在于，半导体元件串联连接，在两端为直流端子而中间连接点为交流端子的单相功率变换电路中，构成上支路一侧的半导体元件安装在一个冷却器的受热部的一个面上，构成下支路一侧的半导体元件安装在另一个冷却器的受热部的一个面上，另外，在该面的反面上，不同组的单相半导体元件中的上支路一侧的半导体元件和下支路一侧的半导体元件安装在另一冷却器上，这两个冷却器在上下方向上并列设置，同时这些冷却器的散热部分以开放于外界大气中的方式设置在装置壳体的车身侧面上，在上下散热部分之间设置有间隔。
技术方案3所记载的发明中，在技术方案1或技术方案2记载的半导体冷却装置中，其特征在于，功率变换电路为串联连接两个半导体元件的双电平电路，在一个冷却器的受热部的一个面上，安装有一个半导体元件。
技术方案4所记载的发明中，在技术方案1至技术方案3中任一项记载的半导体冷却装置中，其特征在于，安装半导体元件的冷却器受热部的面在两个冷却器之间处于同一平面，两个冷却器在上下方向上并列设置。
技术方案5所记载的发明中，在技术方案1至技术方案4中任一项记载的半导体冷却装置中，其特征在于，冷却器是热管式冷却器，在上下方向上并列设置有多个直管状的热管，每一热管的一端都插入连接到冷却器的受热部，而另一端则穿通连接着多片板状散热片，受热部侧位于下方，设置为从水平开始倾斜5～20度；散热片部分容纳在功率变换装置中与外界大气相连通的突出部分中，且成为铁路车辆底面下的车身侧面，在上下方向并列设置的两个散热片部分之间设置有间隔。
技术方案6所记载的发明，在技术方案5记载的半导体冷却装置中，其特征在于，在上下方向并列设置的两个冷却器不相同，不同之处可以是热管长度、热管个数、散热片外形、散热片枚数和散热片间距中的任一项。
技术方案7所记载的发明，在技术方案5记载的半导体冷却装置中，其特征在于，在上下方向上并列的两个冷却器距水平面的倾斜角度不相同，设置在上方的冷却器倾斜角度较大。
发明效果
根据本发明，即使在车辆方向上并列设置的多个冷却器后位侧也能获得充分的行驶风，且减少下方冷却器对上方冷却器的煽动，从而抑制半导体元件的温度上升、提高可靠性。通过改善后位侧的冷却条件，达到了散热片小型化的目的，并且实现了功率变换装置小型轻量化的目的。
附图说明
图1是本发明中实施例1的功率变换装置，图1(a)为半导体冷却单元被组装在功率变换装置中状态的示图，图1(b)为从车侧面观察图1(a)中部分的示图，图1(c)为去掉图1(a)中车身后状态的平面图。
图2是本发明中实施例2的功率变换装置，图2(a)为半导体冷却单元被组装在功率变换装置中状态的示图，图2(b)为从车侧面观察图2(a)中部分的示图，图2(c)为去掉图2(a)中车身后状态的平面图。
图3是本发明中实施例3的功率变换装置，表示半导体冷却单元被组装在功率变换装置中状态的示图。
图4是本发明中实施例4的功率变换装置，表示半导体冷却单元被组装在功率变换装置中状态的示图。
图5表示安装在车身底面下的传统功率变换装置，图5(a)为俯视图，图5(b)为图5(a)的X-X剖面图。
图6表示传统功率变换装置，图6(a)表示半导体冷却单元被组装在功率变换装置中状态的示图，图6(b)为从车侧面观察图6(a)中部分的示图。
符号说明
1车身，2功率变换装置，3半导体元件，4冷却器，5受热部，6散热片，7热管，8设置空间界限，9滤波电容器，10门信号放大器，11车侧护盖
具体实施方式
本发明中，半导体冷却装置内的冷却器上下分开，成为以其它冷却器将功率变换电路的上支路的半导体元件用冷却器和下支路的半导体元件用冷却器分开的结构，在上下散热片组之间设置间隔，该间隔部分作为行驶风的通路，能向后位侧冷却器的散热片流通充分的行驶风。
【实施例1】
下面利用图1(a)、(b)、(c)来说明本发明实施例1(对应于技术方案1、3、4、5)中的功率变换装置。图1(a)是对应于现有技术图6(a)的视图。图1(b)是对应于现有技术图6(b)的视图。图1(c)是去掉图1(a)中车身后状态的平面图。
如图所示，本实施例中构成上支路的半导体元件3安装在一个冷却器4的受热部5上，将元件和冷却器成一对的结构设置在图中冷却单元的上方，而将安装在另一受热部上的另一半导体元件和冷却器成一对的结构设置在图中冷却单元的下方，处于上下位置关系的半导体元件成处于同一平面内的位置关系，各个半导体元件串联连接，由此构成双电平电路。并且，设置在上方的冷却器散热部和设置在下方的冷却器受热部之间，形成图中那样具有间隔的结构。
在各个半导体元件上加电，根据门信号放大器的信号产生电流、进行切换、元件发热。发热所产生的热量从安装半导体元件的冷却器的受热部5→热管7→散热片6进行热传递，由散热片6散热到大气中。
根据本实施例，从散热片6向大气散热时，通常情况下，在前进方向上处于前面的冷却器受外界的新鲜行驶风吹拂而能够良好地有效散热，但是，由于来自前面的散热而使入热温度变高，所以在前进方向上位于后侧的冷却器的冷却条件很差。根据本实施例，在上下冷却器之间的间隙中可以有新鲜的空气通过，能够减小位于前位侧的散热的影响，从而能仰制后位侧的温度上升。
【实施例2】
下面通过图2(a)、(b)、(c)来说明本发明实施例2(对应于技术方案2)中的功率变换装置。
图2(a)是表示半导体冷却单元被组装在功率变换装置中状态的示图，是对应于图1(a)的视图。图2(b)是对应于图1(b)的视图。图2(c)是对应于图1(c)的视图。
本实施例中，与实施例1相同，在冷却器上安装有半导体元件，但在冷却器受热块的反面上安装有另一相的半导体元件。即，一个冷却器上安装有不同的二个相的半导体元件。设置在上方的冷却器散热部和设置在下方的冷却器散热部之间设置有间隔，这一点与实施例1相同，另外，直到半导体元件散热之前的作用也和实施例1相同，但是由于从两面进行对热管的入热，从而效率比实施例1高。由于在上下冷却器之间设置有间隙，所以除了能够有效抑制后位侧温度上升以外，还因将二相半导体元件设置在一个冷却器上，所以可达到小型轻量化的目的。
【实施例3】
下面通过图3来说明本发明的实施例3(对应于技术方案6)中的功率变换装置。
图3是表示半导体冷却单元被组装在功率变换装置中状态的示图，对应于图1(a)。
与实施例1相同，本实施例具有半导体元件安装在冷却器上、上下冷却器散热部之间设置有间隙的结构。但是这种结构中，上方冷却器散热部长度与设置空间界限吻合，且比下方冷却器散热部的长度要长，热管长度比下方冷却器长，散热片的片数多。
直到半导体元件散热之前的作用和实施例1中的相同，但由于上方的散热部变长而且散热片数量多，所以与实施例1相比，散热面积增加。通常，上方冷却器受下方的散热影响等，比下方冷却器的温度条件更恶劣，但因散热面积增加，具有能够抑制上方冷却器温度上升的效果。
【实施例4】
下面，通过图4来说明本发明实施例4(对应于技术方案7)中的功率变换装置。
图4是表示半导体冷却单元被组装在功率变换装置中状态的示图，对应于图1(a)。
和实施例1相同，本实施例具有半导体元件安装在冷却器上且上下冷却器散热部之间设置有间隙的结构，但是，本实施例中上方冷却器的安装角度以比下方冷却器大的方式设置。
除了直到半导体元件散热之前的作用和实施例1中相同以外，上方冷却器的安装角度大，因而热管的最大热输送量也就变大，而且上下散热部之间的间隙尺寸变大，提高了行驶风的通风效率，并且上下半导体元件彼此接近。通常，上方冷却器受下方的散热影响等而比下方冷却器的温度条件更恶劣，但本实施例中由于最大热输送量变大，所以能够有效抑制上方冷却器的温度上升，且由于行驶风能够良好有效地入风到受热部附近，所以就能够有效抑制后位侧冷却器的温度上升。而且由于缩短了半导体元件之间的主电路配线距离，所以通过低电感化，可以达到减少电子零件、或者小型化的效果。

Claims (7)

1.一种半导体冷却装置，容纳在设置于铁路车辆底面下的功率变换装置内，其特征在于，半导体元件串联连接，在两端为直流端子而中间连接点为交流端子的单相功率变换电路中，构成上支路一侧的半导体元件安装在一个冷却器的受热部的一个面上，构成下支路一侧的半导体元件安装在另一个冷却器的受热部的一个面上，这两个冷却器在上下方向上并列设置，同时这些冷却器的散热部分以开放于外界大气的方式设置在装置壳体的车身侧面上，且在上下散热部分之间设置有间隔。
2.一种半导体冷却装置，容纳在设置于铁路车辆底面下的功率变换装置内，该功率变换装置包括多组可独立运行的功率变换电路，其特征在于，半导体元件串联连接，在两端为直流端子而中间连接点为交流端子的单相功率变换电路中，构成上支路一侧的半导体元件安装在一个冷却器的受热部的一个面上，构成下支路一侧的半导体元件安装在另一个冷却器的受热部的一个面上，另外，在该面的反面上，不同组的单相半导体元件中的上支路一侧的半导体元件和下支路一侧的半导体元件安装在另一冷却器上，这两个冷却器在上下方向上并列设置，同时这些冷却器的散热部分以开放于外界大气中的方式设置在装置壳体的车身侧面上，在上下散热部分之间设置有间隔。
3.如权利要求1或权利要求2所记载的半导体冷却装置，其特征在于，功率变换电路为串联连接两个半导体元件的双电平电路，在一个冷却器的受热部的一个面上，安装有一个半导体元件。
4.如权利要求1-3中任一项所记载的半导体冷却装置，其特征在于，安装半导体元件的冷却器受热部的面在两个冷却器之间处于同一平面，两个冷却器在上下方向上并列设置。
5.如权利要求1-4中任一项所记载的半导体冷却装置，其特征在于，冷却器是热管式冷却器，在上下方向上并列设置有多个直管状的热管，各热管的一端插入连接到冷却器的受热部，而另一端则穿通连接多片板状散热片，受热部侧为下方，设置为从水平面开始倾斜5～20度，散热片部分放置在功率变换装置中与外界大气相连通的突出部分中，且成为铁路车辆底面下的车身侧面，在上下方向并列设置的两个散热片部分之间设置有间隔。
6.如权利要求5所记载的半导体冷却装置，其特征在于，在上下方向并列设置的两个冷却器不相同，不同之处在于热管长度、热管个数、散热片外形、散热片个数和散热片间距中任一项。
7.如权利要求5所记载的半导体冷却装置，其特征在于，在上下方向上并列设置的两个冷却器距水平面的倾斜角度不相同，设置在上方的冷却器倾斜角度较大。
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