CZ125089A3

CZ125089A3 - block of power semiconductor devices

Info

Publication number: CZ125089A3
Application number: CS891250A
Authority: CZ
Inventors: Miroslav Ing Brozovsky; Milan Varil; Arnost Ing Kratochvil; Jan Ing Csc Kamenicky; Zdenek Ing Muller; Oldrich Vostarek; Miroslav Brozovsky; Jiri Jance
Original assignee: Ckd Elektrotechnika
Priority date: 1989-02-27
Filing date: 1989-02-27
Publication date: 1993-02-17
Also published as: CZ278079B6

Abstract

This solution is for cooling of power semiconductor components. The coolers consist of thermal tubes and finned units (1) of thermal tubes. The finned units (1) of the thermal tubes are equipped with individual insulating covers (2). The group of thermal tubes is equipped with a common outside insulating cover (7) attached to the base (8) which results in the creation of a common cooling channel (9) through which the block is connected to the exhaust space (13). All the cooled elements related to the respective power components are .. [illegible] . walls in the common cooling channel (9). Between the ribbed unit (1) of the thermal tube and the exhaust space (13) there are cooled components with a higher working temperature, e.g. the resistor (14). Where the air enters the common cooling channel (9) there are cooled components with a lower working temperature, e.g. the capacitor (15).<IMAGE>

Description

Vynález se týká bloku výkonových polovodičových součástek měniče v kotoučovém provedení opatřených vzdu dhovými chladiči tvořenými tepelnými trubicemi s žebrov kou, zejména gravitačního typu, kde žebrevky tepelných trubic jsou opatřeny individuálními izolačními kryty a skupina trubic je opatřena společným vnějším izolačním krytem přiloženým k základně, čímž vzniká chladicí ka nál, jímž je blok připojen k odsávanému prostoru.The invention relates to a block of power semiconductor components of a disk-shaped converter, provided with air coolers formed by heat tubes with fins, in particular of the gravity type, wherein the heat tubes fins are provided with individual insulating covers and the tube group is provided with a common outer insulating cover a cooling channel through which the block is connected to the exhaust chamber.

Výrazný pokrok ve vzduchovém chlazení výkonových polovodičových součástek přináší chladiče s tepelnými trubicemi, kde lze dosáhnout vysoký chladicí účinek. Zároveň však tato chladicí technika přináší s sebou i problémy a potíže.Significant advances in the air cooling of power semiconductor devices are provided by heat pipe coolers where high cooling efficiency can be achieved. At the same time, however, this cooling technique also brings problems and difficulties.

Volný průřez žebrovkou tepelné trubice je malý a její hydraulický odpor relativně vysoký. Množství potřeb ného vzduchu je relativně nižší a jeho oteplení vyšší než u standardních chladičů. Je proto důležité, aby vzduchový chladicí kanál kolem žebrovky byl dokonale vytvarován, poněvadž každý obtok může znamenat ztrátu chladicího účinku. Podobně přesně musí být tvarován chladicí kanál bio ku výkonových polovodičových součástek jako celku. Záro veň je ovšem nutno, aby šel blok snadno montovat do mě niče a snadno vyměnit. Stejný požadavek platí na montáž a výměnu tyristorů v bloku.The free cross section of the fin of the heat pipe is small and its hydraulic resistance is relatively high. The amount of air needed is relatively lower and its warming is higher than that of standard coolers. It is therefore important that the air cooling channel around the fin is perfectly shaped, since each bypass can result in a loss of cooling effect. Similarly, the bio cooling channel must be shaped to the power semiconductor devices as a whole. At the same time, however, the block must be easy to install in the inverter and easy to replace. The same requirement applies to the assembly and replacement of thyristors in the block.

Na rozdíl od standartních chladičů lze pomocí tepel ných trubic chladit i výkonové polovodičové součástky s průměrem monokrystalu nad 60 mm, takže je potom nutno po t/ čítat s vysokou ztrátou, Čas6 nad 1 W na jednu kýkonovou polovodičovou součástku. Při poměrně malém průtoku chladi čího vzduchu vede to k jeho vyšš ímu ohřevu, takže není Ýhodnó řadit chladiče do proudu vzduchu obvyklým způ sobem za sebou. Intenzivně chladit je nutno i rezistory EC- členů a alespoň minimální chlazení je třeba zajistit i kondenzátorům RC členů. Dosud užívaný způsob řazení chladičů do série vyžadoval vytvářet samostatný chladicí kanálek i pro rezistory ochranného EC-čleou.Unlike standard heatsinks, power semiconductor devices with a single crystal diameter of over 60 mm can also be cooled by heat tubes, so it is then necessary to calculate with a high loss, t6, over 1 W per power semiconductor device. With a relatively low flow of cooling air, this leads to a higher heating of the cooling air, so that it is not convenient to arrange the coolers into the air stream in the usual manner in a row. EC-resistors must also be intensively cooled and at least minimal cooling must be provided to RC capacitors. The hitherto used method of shifting the coolers in series required to create a separate cooling channel for the EC-resistors.

Poněvadž se často jedná o měniče vysokých výkonů, jako např. pro velké pohony, měniče pro kompenzaci a stejnosměrné přenosy, dostává se do chladicího vzduchu velký átrátoíý výkon a je ho potřeba velké množství. Jeli zároveň nutno vzduch upravovat, např. v prašném prostředí, je nutno jej re cirkulovat a v chladicím okruhu musí pracovat výměník Tento systém je známý, je však potřebné řešit vzduchový okruh s výměníkem tak, aby nebyly nutné složité vzduchovody.Since they are often high-power converters, such as large drives, compensation drives and DC transmissions, large fraternal power gets into the cooling air and requires a large amount. If the air has to be treated, eg in a dusty environment, it must be recirculated and the exchanger must work in the cooling circuit. This system is known, but it is necessary to solve the air circuit with the exchanger so that no complicated air ducts are necessary.

Uvedené problémy řeší blok výkonových polovodičových součástek měniče v kotoučovém provedení opatřených vzduchovými chladiči tvořenými tepelnými trubicemi Á žebrovkou, zejména gravitačního typu, kde žebrovky tepel ných trubic jsou opatřeny individuálními izolačními kryty izolačním a skupina trubic je opatřena společným vnějším/krytem přilo ženým k základně, Čímž vzniká chladicí kanál, jímž je blok připojen k odsávanému prostoru, podle vynálezu. Jeho pod stata spočívá v tom, že všechny ochlazované prvky, přísluš né jedné výkonové součástce, jsou umístěny ve společném chladicím kanálu, přičemž mezi žebrovkou tepelné trubice a odsávaným prostorem je umístěna ochlazovaná Součástka s vyšší pracovní teplotou, zejména rez ist or ochranného SC-Členu a v místě vstupu vzduchu do chladicího kanálu je předřazena ochlazovaná součástka s nižší pracovní teplotou, zejména kondenzát oř ochranného SC-členu.The above-mentioned problems are solved by a block of power semiconductor components of a disk-shaped converter equipped with air coolers consisting of heat tubes and fins, in particular of gravity type, where the fins of the heat tubes are provided with individual insulating covers and a group of tubes having a common outer / cover a cooling channel is formed by means of which the block is connected to the suction chamber according to the invention. Its essence is that all of the cooled elements pertaining to one power component are located in a common cooling channel, with a cooled component at a higher operating temperature, in particular a resist or protective SC-member, located between the fin of the heat pipe and the exhaust chamber. and at the point of entry of the air into the cooling channel, a cooled component having a lower operating temperature, in particular condensate of the protective SC-element, is upstream.

Dalším význakem vynálezu je, že na výstup odsávaného prostoru společného pro všechny bloky výkonových polovodi Čových součástek je zařazen výiaěník tepla.A further feature of the invention is that a heat exchanger is provided at the outlet of the exhaust chamber common to all power semiconductor blocks.

Řešením podle vynálezu je vytvořen jednoduchý a účin ný kryt kolem každé žebrovky tepelné trubice, který přesně formuje chladicí kanál. Snadno montovatelné výplně zame zují nežádoucí obtok vzduchu a maskují hluché prostory.The solution according to the invention provides a simple and efficient cover around each fin of the heat pipe which precisely forms the cooling channel. Easy-to-fit panels prevent unwanted air bypass and mask deaf spaces.

31ok lze snadno připojit k odsávanému prostoru a lze jej snadno vyměnit, přičemž není nutná žádná přídavná montáž na chladicí^mokruhu. ó výhodou lze použít narážecích kon taktů, pro připojení sílových vývodů.31ok can be easily connected to odsávanému space and can be easily replaced, with no need for additional installation of the cooling circuit ^m. It is also possible to use stroke contacts to connect power outlets.

Další výhodou .je, že vynález umožňuje vytvcřit odsá váný prostor jako společný rovnotlaký prostor pro skupinu bloků s výkonovými polovodičovými součástkami, Které jsou k němu připojeny z hlediska proudícího chladicího vzduchu paralelně, takže každá součástka dostává na vstupu chladný vuduch.A further advantage is that the invention makes it possible to create a suction space as a common equalized space for a plurality of blocks with power semiconductor components connected to it in parallel with respect to the flow of cooling air so that each component receives a cold air at the inlet.

Rovněž je výhodné, že rezistory ochranných RG-člen-ů jsou intenzivně chlazeny proudem vzduchu za výkonovými polovodičovými součástkami, zatím co kondenzát ory jsou chlazeny v místě vstupu vzduchu. Výměník tepla lze snadno umístit přímo pod rovnotlaký prostor do měniče.It is also advantageous that the resistors of the protective RG members are intensively cooled by the air flow downstream of the power semiconductor components, while the condensate ores are cooled at the air inlet. The heat exchanger can be easily placed directly under the equal pressure space in the inverter.

Vynález bude v dalším textu blíže objasněn na příkladu provedení, znázorněného na připojených výkresech.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be explained in more detail below with reference to the exemplary embodiment shown in the accompanying drawings.

Na obr. 1 je znázorněn pohled ze shora na blok výko nových polovodičových součástek v částečném řezu.FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a block of power semiconductor devices;

Na obr. 2 je znázorněn boční pohled na blok výkono vých polovodičových součástek v částečném řezu.FIG. 2 is a partial cross-sectional side view of a block of power semiconductor devices;

Na obr. J je schématicky znázorněn pohled z boku na bloky výkonových polovodičových součástek napojených na odsávaný prostor společný pro všechny bloky.Fig. J is a schematic side view of blocks of power semiconductor devices connected to the aspiration chamber common to all blocks.

Každý chladič výkonových polovodičových součástek je tvořen dvojicí tepelných truhic se žebrovkami 1» kte ré jsou ve vzduchovém proudu umístněny za sebou. Každá, , cUxοίνχζνχ dvojice ŽebPDvek 1 jednoho chladiče je orjatřená^izolač — irxdAvSctlAQlrn ním krytem 2, Který je obepíná.'''izolační kryt 2 je vytvořen jako výlisek z lisovací hmoty a má tvar dutého obdélníkového profilu s dělenou spodní stranou 3 >opatře nou výřezy pro krček 4 tepelných trubic. V ddsledku pružnosti, lisovací hmoty je možné rozedření bočních stran 5 ^izolačního krytu 2. mezi go dno tlivými izolačními kryty 2 každé dvojice tepelných trubic se žebrovkami 1 je umístěna první výplň 6 vytvořená z poddajné hmoty typu molitan. Na skupinu tepelných trubic se žebrovkami 1 je ze shora přiložen vnější izolační kryt 7 ve tvaru dutého obdélníkového profilu bez spodní strany, který je vytvořen z obdobné hmoty jako^zolační kryt 2 ohýbací technolo gií. Blok výkonových polovodičových součástek je umístěn na základně 8 z tvrzeného papíru. Vnější izolační kryt 7 je k základně 8 přichycen šrouby. Mezi. vnějším izo _ _ <1aa o I r»í c In lačním krytem 7 a horními stranami^zolačnich krytů. 2 je uložena druhá výplň 11 vytvořená opět z poddajné hmo ty typu molitan. Vnější izolační kryt 7 spolu se základ nou 8 vytvářejí chladicí kanál 9, který je na straně výstupu chladicího vzduchu napojen ra ochraniču jíc í stěnu 10 společného odsávaného prostoru 13. Mezi hranou vnějšího izolačního krytu 7, kterou dosedá na ohraničující stěnu 10 společného odsávaného prostoru 13 je umístěna těsnicí vložka 12, která je vytvořena např. z pryže.Each heat sink of the power semiconductor components is formed by a pair of heat boxes with fins 1, which are placed one after the other in the air stream. Each coaxial pair of radiator element 1 is provided with an insulating cover 2 which surrounds it. The insulating cover 2 is formed as a molding of a molding material and has the shape of a hollow rectangular profile with a divided underside. cutouts for the neck of 4 heat pipes. Due to the elasticity of the molding compound, it is possible to spread the lateral sides 5 of the insulating cover 2 between the bottom insulating covers 2 of each pair of heat pipes with fins 1, a first filler 6 formed of a flexible foam-type material is placed. A group of heat pipes with fins 1 is provided from above with an outer insulating cover 7 in the form of a hollow rectangular profile without underside, which is formed of a similar mass as the insulating cover 2 by bending technology. A block of power semiconductor devices is disposed on the base 8 of hardened paper. The outer insulating cover 7 is fastened to the base 8 by screws. Between. The insulating cover 7 and the upper sides of the insulating covers. 2, a second filler 11 is formed, again made of a flexible foam type. The outer insulating cover 7 together with the base 8 form a cooling channel 9, which is connected to the cooling air outlet side and to the protective wall 10 of the common exhaust chamber 13. Between the edge of the outer insulating cover 7 which abuts the boundary wall 10 of the common exhaust chamber 13 a sealing insert 12 is formed, which is made, for example, of rubber.

Bloky výkonových polovodičových součástek jsou výstu pem chladicího xanálu 9 napojeny na společný rovnotlaký odsávaný prostor 13 uspořádaný ve znázorněném příkladu proveaení v obr. 3 uprostřed skříně měniče. Na tento od sávaný prostor 13 j® v příkladu provedení napojeno celkem šest bloku výkonových polovodičových součástek po třech nad sebou z obou stran. Proudy chladicího vzduchu jsou v těchto blocích výkonových polovodičových součástek vedeny vůči společnému rovnotlakému odsávanému prostoru 13 pa ralelně. Celkový průřez společného rovnotlakého odsávaného prostoru 13 je podstatně větší nežli součet průřezů, chladicích kanálů všech bloků, takže tlakový spád uprostřed společného odsávaného prostoru 13 je zanedbatelný. Společný rovnotlaký odsávaný prostor 13 j® vespod odsá ván přes celý průřez neznázornéným ventilátorem, který je umístěn přímo ve skříni měniče a sice přes výměník 16 tepla, umístěný na výstupu odsávaného prostoru 13.The blocks of power semiconductor components are connected to the common equalized exhaust space 13 arranged in the illustrated embodiment in FIG. 3 in the middle of the converter housing, via the outlet of the cooling xanal 9. A total of six blocks of power semiconductor devices, three on top of each other, are connected to this suction chamber 13 in the exemplary embodiment. In these blocks of power semiconductor components, the cooling air streams are guided in parallel to the common, uniformly sucked volume 13. The overall cross-section of the common equalized exhaust space 13 is substantially greater than the sum of the cross-sections of the cooling channels of all the blocks, so that the pressure drop in the middle of the common exhaust space 13 is negligible. The common pressure chamber 13 is sucked underneath the entire cross-section through a fan (not shown), which is located directly in the converter housing via a heat exchanger 16 located at the outlet of the chamber 13.

V chl a di c lm kanálu 9 u jeho výstupu mezi žebrovkou 1 tepelné trubice a odsávaný prostorem 13 je umístěna ochlazovaná součástka s vyšší pracovní teplotou, zejména rezistor 14 ocnranného SC-členu, vytvořený například drátem navinutým na keramickém tělísku. Na vstupu chladi čího kanálu 9 je předřazena ochlazovaná součástka s nižší pracovní teplotou, zejména kondenzátor 15 ochranného SC-členu.At the outlet of the duct 9 at its outlet between the heat pipe fin 1 and the exhausted space 13 is a cooled component having a higher operating temperature, in particular a resistor 14 of the SC-shaped member formed, for example, by a wire wound on a ceramic body. At the inlet of the cooling channel 9, a cooled component having a lower operating temperature, in particular a capacitor 15 of the SC protection element, is upstream.

Blok výkonových polovodičových součástek podle vynálezu je využitelný zejména ve vysokonapetových měničích frek vence.The power semiconductor device block according to the invention is particularly useful in high-voltage frequency converters.

Claims

I. A block of power, semiconductor components of a disk-shaped converter equipped with air coolers formed by heat tubes with iron, in particular of the grating type, where the fins of the heat tubes are provided with individual insulating covers and the group of tubes is provided with a common external insulating cover. They are chilled to the base of the Ivon cooling kennel, by which the block is connected to the exhaust chamber, characterized in that all the cooled bars corresponding to one of the exhaust components are located in a common cooling channel (9), wherein a cooled component with a higher operating temperature is placed between the iron (1) of the heat sink and the exhaust chamber (13), in particular a resistor (14) of the SC-protective element XSr at the air inlet to the cooling channel (9). with lower working temperature, especially capacitor (15) protective SC-Member.

Power semiconductor device block according to claim 1, characterized in that a heat exchanger (16) is arranged at the outlets of the exhaust chamber (13) common to all power semiconductor device blocks.