FI126026B - Tehoelektroniikkalaite ja sen jäähdytysjärjestely - Google Patents

Description

TEHOELEKTRONIIKKALAITE JA SEN JÄÄHDYTYS JÄRJESTELY

Tekniikan ala Tämän keksinnön kohteena on järjestely komponenttien jäähdyttämiseksi tehoelektroniikkalaitteessa, kuten taajuusmuuttajassa.

Erityisesti keksinnön kohteena on järjestely rinnankytkettyjen tehokom-ponenttien jäähdyttämiseksi.

Tunnettu tekniikka

Tehoelektroniikkalaitteiden, kuten taajuusmuuttajien, yleinen kehitys-suuntaus on tehotiheyden kasvaminen. Tunnetusti suuren tehon käsittely pienikokoisessa laitteessa edellyttää tehoa käsittelevien komponenttien tehokasta jäähdytystä, mikä onnistuu parhaiten nestejäähdytyksellä, eli siirtämällä komponenteissa syntyvä häviöteho laitteessa kiertävän nesteen kautta laitteen ulkopuolelle.

Kustannussyistä nestejäähdytystä käytetään yleisimmin vain suuritehoisissa laitteissa, esim. yli 100 kW taajuusmuuttajissa. Yksittäisen tehopuolijoh-dekomponentin rajallisen suorituskyvyn vuoksi niitä on suurilla tehoilla kytkettävä rinnakkain, joko siten että samassa laitteessa on useita komponentteja rinnan tai kytkemällä kokonaisia laitteita rinnakkain syöttämään samaa kuormaa.

Komponenttien rinnankytkentä samassa laitteessa on ongelmallista erityisesti siksi, että jokaista eritehoista laitetta varten on konstruoitava oma mekaaninen rakenneyksikkönsä. Rinnankytkennöissä on huolehdittava siitä, että sekä jäähdytysnesteen virtaus että kuormitusvirta jakaantuvat mahdollisimman tasaisesti summatehoa käsittelevien komponenttien kesken. Rinnankytkettyjen tehokomponenttien tapauksessa vaatimus voi tunnetusti johtaa komponenttien valikointiin ja/tai virran epäbalanssia rajoittavien lisäkuristinten käyttämiseen esim. patenttijulkaisun US6,985,371 mukaisesti, mitkä molemmat tavat ovat ongelmallisia sekä valmistuksen, huollon että kustannusten kannalta. Tunnetun tavan mukaisella jäähdyttimellä, jonka sisään on järjestetty kanavat jäähdytys-nesteen virtausta varten, on virtausten samantasoisuus kaikissa kanavissa ja jäähdytystä tehostava turbulenttisuus tunnetusti vaikeasti saavutettavissa, mikä voi aiheuttaa ongelmia rinnankytkettyjen komponenttien jäähdytyksessä.

Ohjattavia tehokomponentteja, kuten IGBT:itä, päälle/pois ohjaavat piirit sijoitetaan normaalisti piirilevyille, joiden on sähköteknisesti edullista sijaita mahdollisimman lähellä ohjattavaa komponenttia. Lämpöteknisesti tällainen sijainti on usein ongelmallista, koska tehokomponentin sisäinen lämpötila voi nousta tehokkaasta nestejäähdytyksestä huolimatta korkeaksi, esim. 100 °C:een, jolloin lämpötila voi nousta myös komponentin lähiympäristössä, kuten jäähdyttimessä ja sitä kautta myös tehokomponenttia ympäröivässä ilmatilassa, haitallisen korkeaksi piirilevyille sijoitettujen komponenttien eliniän kannalta. Tämän vuoksi on yleistä käyttää laitteen sisätilaan sijoitettua tuuletinta piirilevylle sijoitettujen komponenttien jäähdyttämiseksi, mikä on tuuletinten rajallisen eliniän vuoksi ongelma koko laitteen luotettavuuden kannalta.

Keksinnön yhteenveto Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uudenlainen järjestely, jolla vältetään edellä mainitut epäkohdat ja varmistetaan samantasoinen jääh-dytysnestevirtaus ainakin kahden tehokomponentin kesken. Lisäksi keksinnön mukainen järjestely alentaa tehokomponentin lähiympäristön lämpötilan niin alhaiseksi, että puhaltimen käyttäminen tehokomponenttien lähellä sijaitsevien ohjauspiirien ja muidenkin komponenttien, esimerkiksi kondensaattoreiden jäähdyttämiseksi on tarpeetonta. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella järjestelyllä, jolle on tunnusomaista se, mitä on sanottu itsenäisen suo-javaatimuksen tunnusmerkkiosassa. Keksinnön muut edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten suojavaatimusten kohteina.

Keksinnön sovelluskohde on tehoyksikkö, johon kuuluu ainakin kaksi te-homoduulia jotka on kiinnitetty tehoyksikön runko-osan kahdelle vastakkaiselle ulkosivulle. Tehomoduulit voidaan kiinnittää symmetrisesti tehoyksikön kahdelle vastakkaiselle ulkosivulle. Tehoyksikön sijoituspaikka laitteen toiminnan aikana on alusta, joka voi olla yhteinen useammalle kuin yhdelle tehoyksikölle. Alusta toimii sille sijoitettujen tehoyksiköiden mekaanisena tukirakenteena ja liitäntänä jäähdytysnesteen päävirtaukseen. Keksinnön mukaisessa järjestelyssä jäähdytysnesteliitynnät on muotoiltu yhteensopiviksi siten, että tehoyksikön ja alustan välille muodostuu vesitiivis liityntä samalla kun yksikkö kiinnitetään alustaan, ilman erillisiä nesteliityntään liittyviä kiinnitysosia. Keksintö ei aseta rajoituksia tehoyksikön kahdelle ulkopinnalle sijoitettujen tehomoduulien toiminnallisuudelle, ne voivat esimerkiksi olla joko kytketty rinnakkain tai toimia eri tehtävissä.

Keksinnölle tunnusomaista on se, että tehoyksikön runko-osan kahdelle sivulle sijoitettuja tehomoduuleja jäähdyttävät nestevirtaukset ovat olennaisesti yhtä suuret ja suunnattu tehomoduulien jäähdytyspintaa kohti. Tämä saavutetaan nestekanavien muotoilulla ja kiilamaisella osalla, joka asennetaan neste-kanavaan jäähdytettävien tehomoduulien väliin.

Keksinnölle tunnusomaista on myös se, että tehomoduulien kohdalla nestevirtaus on turbulenttinen ja huuhtelee suoraan tehomoduulien jäähdytys-pintaa, mikä tuottaa parhaan mahdollisen jäähdytystehon. Turbulenttisuuden saavat aikaan keksinnön mukaiseen järjestelyyn kuuluvan tehomoduulityypin jäähdytyspinnassa sijaitsevat ulokkeet, joiden välitse nestevirtaus on pakotettu kulkemaan. Järjestelyä varten tehoyksikön runko-osassa, jäähdytettävien tehomoduulien kohdalla, on aukkoja joiden reunat on tiivistetty nestevuodon estämiseksi.

Keksinnön mukainen runko-osa voidaan valmistaa esimerkiksi muottiin valamalla alhaisten kustannusten ja pienten valmistustoleranssien saavuttamiseksi. Nestekanavan tarkka muotoilu on edellytys keksinnön mukaisen symmetrisen nestevirtauksen saavuttamiseksi. Runko-osa voi olla yksiosainen tai se voi koostua kahdesta symmetrisestä puoliskosta jotka on kiinnitetty vesitiiviisti yhteen.

Koska keksinnön mukaisessa järjestelyssä tehomoduulin häviötehon tuottama lämpö siirtyy moduulin pohjasta suoraan jäähdytysnesteeseen, teho-yksikön runko-osan lämpenemä jää huomattavasti alhaisemmaksi kuin esim. tunnetun tekniikan mukaisen jäähdyttimen lämpenemä. Tämän vuoksi myös ilman lämpötila jäähdytettävän tehomoduulin ympäristössä pysyy alhaisena, jolloin tunnetun tekniikan mukaista, piirilevyjä ja muitakin tehomoduulin lähelle sijoitettuja komponentteja jäähdyttävää sisäilman tuuletinta ei tarvita.

Keksinnön mukaisessa järjestelyssä nestekanava on väljä ja sen virtausvastus on siten pieni verrattuna perinteisen tekniikan järjestelyyn, jossa on useita ahtaita kanavia, joissa tarvittavan nestevirtauksen aikaansaaminen edellyttää huomattavan korkeaa painetta kanavan päiden välillä. Alhaisen virtausvastuksen ansiosta virtauksen painehäviö keksinnön mukaisen tehoyksikön yli jää pieneksi, minkä ansiosta tarvittava pumppausteho on pieni.

Piirustusten lyhyt kuvaus

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkkien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa

Kuvio 1 esittää esimerkin tehoelektroniikkalaitteesta, jossa keksinnön mukaista ratkaisua voidaan käyttää,

Kuvio 2 esittää tehomoduulin halkileikkausta,

Kuvio 3 esittää tunnetun tekniikan mukaista jäähdytysratkaisua,

Kuviot 4 esittää keksinnön mukaisen jäähdytysratkaisun poikkileikkausta, ja

Kuviot 5A ja 5B esittävät poikkileikkauksen keksinnön mukaisista tehoyksiköistä.

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus

Kuvio 1 esittää taajuusmuuttajan FC pääpiiriä, esimerkkinä tehoelektroniikkalaitteesta jossa keksinnön mukaista ratkaisua voidaan käyttää. Laitteessa kolmivaiheinen syöttöjännite L-ι, L2, L3 tasasuunnataan tasasuuntaajalla REC-i, joka sisältää diodit Dh...Di6. Muodostunut tasajännite suodatetaan kondensaattorilla Cdci välipiirin tasajännitteeksi, josta muodostetaan edelleen lähtöjännite vaihtosuuntaajalla INU1, johon kuuluvat ohjattavat tehopuolijohde-kytkimet, esim. IGBT:t Vi...V6 ja niiden rinnalle kytketyt diodit Di...D6. Taa-juusmuuttajaesimerkissä lähtöjännitenavat U, V, W liitetään normaalisti moottoriin M-ι. Vaihtosuuntaussillan toimintaa ohjaa ohjausyksikkö CUi.

Sekä tasa- että vaihtosuuntaussillan komponentit voivat olla mekaanisesti integroitu omiin moduuleihinsa, jotka on kuviossa 1 merkitty katkoviivoilla. Moduuliin voi kuulua myös vain yksi ns. vaihekytkin, jollaisen muodostavat esim. V-ι, V4, Di ja D4. Kuvio 2 esittää tehomoduulin 200 tyypillistä rakennetta yksinkertaistettuna. Tehomoduuliin kuuluu tehokomponentteja 201, jotka voivat olla esim. lastumaisia tehopuolijohdekomponentteja (esim. V-i, D-ι), jotka teho-komponentit 201 on liitetty eristelevyyn 202, jonka pinnalle on syövytetty kuparinen johdinkuvio. Eristelevy 202 lepää metallisen pohjalevyn 203 päällä, joka puolestaan on kiinnitetty tehomoduulin pohjaosana toimivaan metalliseen jääh- dytinlevyyn 204. Jäähdyttimen ulkopinta voi olla sileä tai siinä voi olla tappimai-sia ulokkeita 205, joiden poikkileikkaus on tavallisimmin pyöreä. Kuviossa 2 on esitetty ulokkeita 205 käsittävä jäähdytin. Jäähdytinlevyssä on normaalisti myös reiät 206 tehomoduulin alustaan kiinnittämistä varten. Kotelo 207 toimii moduulin sisäosien mekaanisena suojana ja ulkoisten liitäntöjen (ei esitetty) tukialus-tana.

Kuvio 3 esittää yksinkertaistettuna tyypillistä tunnetun tekniikan mukaista nestejäähdytysratkaisua, jossa sileäpohjainen tehomoduuli 300 on kiinnitetty jäähdyttimeen 302, jonka sisällä on kanavia 303 jäähdytysnesteen kierrättämiseksi. Katkoviivat 304 havainnollistavat teholastujen 301 tuottaman lämmön kulkeutumista tehomoduulin sisäisten välikerrosten kautta jäähdyttimeen 302 ja edelleen sen läpi nestekanaviin 303.

Tällaisen jäähdytysratkaisun ongelmia ovat mm. huomattavat lämpövas-tukset tehomoduulin ja jäähdyttimen rajapinnassa sekä jäähdyttimen ja nesteen rajapinnassa, etenkin jos nesteen virtaus on laminaarinen. Tunnetusti näitä ongelmia voidaan lieventää lämpöä johtavalla tahnalla ja pyrkimällä saattamaan nesteen virtaus turbulenttiseksi nestekanavaan sijoitetuilla lisäosilla. Ääriolo-suhteissa jäähdyttimen ja tehomoduulin pintalämpötilat voivat kuitenkin nousta niin korkeiksi, että niiden säteilemä lämpö aiheuttaa myös ilman lämpötilan nousemisen tehomoduulin lähiympäristössä vaarallisen korkeaksi esim. piirilevylle sijoitettujen komponenttien kannalta. Tämän vuoksi tehomoduulin lähelle sijoitettujen piirilevyjen ja muidenkin komponenttien jäähdytystä voidaan joutua tehostamaan tuulettimella.

Kytkettäessä tehomoduuleja rinnakkain syöttämään samaa kuormaa, niiden on edullista pysyä mahdollisimman saman lämpöisinä. Kuvion 3 mukaisella jäähdytysratkaisulla moduuleja on vaikea sijoittaa jäähdytyksellisesti samanarvoiseen asemaan, nestekanavien suunnassa peräkkäin sijoitettuna nesteen lämpenemisen vuoksi ja eri kanavien kohdille sijoitettuna mahdollisten erisuuruisten nestevirtausten vuoksi.

Kuviot 4 ja 5 esittävät esimerkkejä tämän keksinnön mukaisesta nestejäähdytysjärjestelystä ja sen käytöstä tehoelektroniikkalaitteessa. Keksinnön kuvaamisen kannalta epäoleellisia osia, kuten sähköisiä eristeitä, tiivistys-ja kiinnitystarvikkeita, sähköisten ja mekaanisten liitosten yksityiskohtia yms. ei kuvioissa ole esitetty.

Kuvio 4 kuvaa poikkileikkausta keksinnön mukaisesta järjestelystä, jossa tehomoduulit 200 on sijoitettu symmetrisesti tehoyksikön runko-osassa 402 sijaitsevien aukkojen kohdille, runko-osan sisällä sijaitsevan nestekanavan 403 molemmin puolin. Nestekanavassa tehomoduuleiden kohdalla sijaitseva kiilamainen osa 404 jakaa nestevirtauksen 405 olennaisesti kahteen yhtä suureen osaan ja suuntaa ne kohti tehomoduuleiden 200 pohjia, jotka keksinnön mukaisessa ratkaisussa on varustettu tappimaisilla metallisilla ulokkeilla 205, jotka aikaansaavat turbulenttisen virtauksen 406 tehomoduulien kohdalla. Virtauskii-la 404 ulottuu edullisesti ulokkeiden 205 kärkiin asti, jolloin koko virtaus kulkee ulokkeiden välitse. Virtauskiila 404 käsittää pituussuunnassa kiilamaiset päät 409, 411 ja päiden välissä olevan runko-osan 410. Lämmön siirtymäreitti teho-lastusta nesteeseen, jota esittää kuvion katkoviivanuoli 408, on keksinnön mukaisessa ratkaisussa lyhyin mahdollinen, koska lämpö voi siirtyä nesteeseen suoraan tehomoduulin pohjasta ilman tunnetun tekniikan mukaista tehomoduu-lin ulkopuolisen jäähdyttimen muodostamaa välikerrosta. Lisäksi jäähdytysnesteen suuntaaminen tehomoduulin pohjaa kohti sekä nestevirtauksen turbulentti-suus tehostavat lämmön siirtymistä nesteeseen.

Kuvioissa 5A ja 5B on kuvattu kahdesta eri suunnasta tehoyksikköä 500, jossa on sovellettu tämän keksinnön mukaista jäähdytysratkaisua. Kuvio 5A kuvaa tehoyksikön halkileikkausta nestekanavan kohdalta päältä katsottuna ja kuvio 5B halkileikkauslinjalta A - A.

Kuvioiden esimerkissä tehoyksikköön kuuluu 6 tehomoduulia 200, jotka on kiinnitetty tehoyksikön runko-osaan 402, sen sisällä kulkevan nestekanavan 403 molemmin puolin. Nestekanavassa 403 jokaisen tehomoduuliparin välissä on keksinnön mukainen virtauskiila 404. Tehoyksikkö 500 voi kiinnittyä alustaan 506 edullisesti siten, että alustan sisässä sijaitsevaan jäähdytysnesteen runkokanavaan 507 liittyvä tehoyksikkökohtainen siirtokanava 508 ja tehoyksikön jäähdytysnestekanava 403 liittyvät vesitiiviisti toisiinsa esim. kumisen tiivis-terenkaan 509 ansiosta samalla kun tehoyksikkö kiinnitetään alustaan 506. Kuviossa 5B on havainnollistettu tehomoduulien 200 (katkoviivoitetut alueet), virtauskiilojen 404 ja tehomoduulien jäähdytinulokkeiden 205 sijoittumista teho-yksikköön 500 ja jäähdytinkanavaan 403.

Kuvioissa järjestely keksinnön mukaisen virtauskiilan 404 pysymiseksi paikallaan on kuvion selkeyden vuoksi jätetty esittämättä, mutta se voidaan toteuttaa useallakin alan ammattimiehen tuntemalla tavalla. Mikäli kiila on erilli- nen lisäosa, sen päissä voi esim. olla nystyröitä jotka menevät runko-osassa sijaitseviin vastaaviin kuoppiin, tai kiila voi olla kiinteä osa runkorakennetta.

Koska lämmön siirtymäreitti tehomoduulista jäähdytysnesteeseen ei kulje tehomoduulin runko-osan 402 kautta, runko-osa ei lämpene läheskään siten kuin tunnetun tekniikan mukainen jäähdytin, vaan pysyy lähes saman lämpöisenä kuin jäähdytysneste. Tämän vuoksi myös tehoyksikön kannen 505 sisäpuolisen ilman lämpötila pysyy niin alhaisena että tunnetun tekniikan mukainen sisätilan tuuletin on tarpeeton.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyyn esimerkkiin, vaan ne voivat vaihdella jäljempänä esitettävien suojavaatimusten puitteissa.

Claims (8)

1. Tehoelektroniikkalaitteen nestejäähdytteinen tehoyksikkö, joka käsittää ainakin kaksi tehomoduulia (200), joiden tehomoduulien (200) jäähdytyspinta on varustettu tappimai-silla ulokkeilla (205), ja jotka tehomoduulit (200) on kiinnitetty tehoyksikön runko-osaan (402) , tunnettu siitä, että tehoyksikön runko-osan (402) sisään on järjestetty nestekanava (403) , ja tehomoduulit (200) on kiinnitetty nestekanavan (403) molemmin puolin runko-osassa sijaitsevien aukkojen kohdille niin, että tehomoduulien (200) tappimaiset ulokkeet (205) sijoittuvat nestekanavaan (403), ja nestekanavaan on sovitettu ainakin yksi kiilamainen osa (404), joka käsittää kiilamaisen etuosan (409) nestevirtauksen (405) levittämiseksi kahteen olennaisesti yhtä suureen virtaukseen tehomoduulien (200) kohdalla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tehoyksikkö, jossa on ulkoiseen nestekiertoon liittymistä varten kaksi nesteliityntää, ja jossa nestekanava (403) on järjestetty siten, että jäähdytysneste voi virrata ensimmäisestä nesteliityn-nästä toiseen nesteliityntään.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen tehoyksikkö, jossa tehomoduulit (200) on kiinnitetty symmetrisesti nestekanavan molemmin puolin runko-osassa (402) sijaitsevien aukkojen kohdille.

4. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1 - 3 mukainen tehoyksikkö, jossa runko-osan aukkojen koko on sovitettu siten, että tehomoduulien (200) kiinnitys on vesitiivis.

5. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen tehoyksikkö, jossa kiilamainen osa (404) paksuimmalta kohdaltaan täyttää ulokkeiden (205) välisen tilan nestekanavan (403) keskellä.

6. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1 - 5 mukainen tehoyksikkö, jos- sa alustan (506) ja tehoyksikön (500) välille muodostuu vesitiivis liitos ilman erillisiä nesteliityntään liittyviä kiinnitysosia samalla kun tehoyksikkö (500) kiinnitetään mekaanisesti alustaan (506).

7. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1 - 6 mukainen tehoyksikkö, jossa tappimaiset ulokkeet (205) on järjestetty niin, että ne aikaansaavat turbulent-tisen virtauksen (406) tehomoduulien (200) kohdalla.

8. Tehoelektroniikkalaite, tunnettu siitä, että se käsittää minkä tahansa patenttivaatimuksen 1 - 7 mukaisen tehoyksikön.