TWI477227B - 散熱裝置 - Google Patents

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Description

散熱裝置
本發明係有關於電力電子領域的大功率高壓變頻器，特別係有關於適用於該大功率高壓變頻器功率單元的散熱裝置。
隨著現代電力電子技術和微電子技術的快速發展，高壓大功率變頻調速裝置的應用領域和範圍也越來越廣泛，如石油化工、市政供水、冶金鋼鐵、電力能源等行業的各種風機、水泵、壓縮機、軋鋼機等。
大功率高壓變頻器的種類繁多，其分類方法也多種多樣。例如：按照中間環節有無直流部分，分為交-交變頻器和交-直-交變頻器；按照直流部分的性質，分為電流型變頻器和電壓型變頻器；按照有無中間低壓回路，分為高-高變頻器和高-低-高變頻器；按照變頻器輸出的電平數量，分為雙電平、三電平、五電平及多電平變頻器。無論按上述何種分類方式，功能相對獨立的功率模組均是高壓變頻器的重要組成部分，也是實現高壓變頻調速的關鍵部分，當它們在正常工作時，模組中的功率器件溫度會不斷增加，因而在綜合考慮各方面的設計規格時，散熱設計是必不可少的一個環節。
當前，大功率高壓變頻器在散熱設計上，絕大多 數採用鋁擠型散熱器，將所有的功率器件放置在散熱器上，該結構使得其散熱要求很高，在採用大型散熱器的情形下，往往造成功率模組間距離較大，佈局鬆散，進而造成這些功率器件與電解電容組之間的電氣連接配合不便。此外，鋁擠型散熱器體積大、重量大且成本較高，不利於節省系統的安裝成本。
有鑑於此，如何設計一種散熱裝置，使其適用於大功率高壓變頻器的功率單元，從而在有效散熱的同時，還可使變頻器的整體結構更加緊湊，是業內相關技術人員亟待解決的一項課題。
針對現有技術中大功率高壓變頻器功率單元的散熱裝置在使用時所存在的上述缺陷，本揭示內容提供了一種新型的散熱裝置。
本揭示內容之一態樣係在於提供一種散熱裝置，適於對大功率高壓變頻器功率單元進行散熱，其中，該散熱裝置包括一散熱基板和一熱管。該散熱基板具有一第一表面、一第二表面以及位於該第一表面和該第二表面間的內層。熱管具有一蒸發段和一冷凝段，其中，該熱管的蒸發段埋設於該散熱基板的內層中，以及該熱管的冷凝段用以將來自蒸發段的熱量釋放至空氣中，其中大功率高壓變頻器功率單元中的一部分功率器件放置於該散熱基板的第一表面，以及大功率 高壓變頻器功率單元中的另一部分功率器件放置於該散熱基板的第二表面。
在一實施例中，大功率高壓變頻器包括逆變電路、整流電路和旁路電路，其中該逆變電路放置於散熱基板的第一表面，以及整流電路和旁路電路放置於散熱基板的第二表面。該逆變電路為一H型逆變橋，該H型逆變橋包括複數個橋臂，並且該些橋臂中的每一橋臂具有多個IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor；絕緣閘雙極性電晶體)，每一橋臂的上臂和下臂中的IGBT均採用並聯連接方式。該整流電路為一整流橋，並且每一橋臂具有至少一個整流二極體。該旁路電路包括多個橋臂以及與多個橋臂中的每一橋臂並聯連接的一開關支路，其中每一橋臂均具有串聯連接、並聯連接或串並聯混合連接的多個二極體，該開關支路具有一晶閘管。
在另一實施例中，該散熱裝置更包括多個散熱片，設置為垂直於該熱管，並且多個散熱片與該熱管的冷凝段固定連接，以便將該冷凝段釋放的熱量傳遞至空氣中。
在另一實施例中，散熱基板由銅、鋁或鋁合金製成。
在一具體實施例中，熱管的冷凝段根據該功率器件的發熱量以及散熱要求設置為不同的長度。
在另一具體實施例中，熱管的蒸發段根據該功率 器件的散熱要求設置為不同的管徑。該熱管的蒸發段為一圓形管狀結構或矩形管狀結構。
在又一實施例中，該熱管為一重力式熱管、一溝槽式熱管、一燒結式熱管或一絲網式熱管。
採用本揭示內容的散熱裝置，將熱管的蒸發段埋設於散熱基板的內層中，並且在該散熱基板兩側的表面上分別放置大功率高壓變頻器功率單元中的一部分功率器件和另一部分功率器件，從而可利用熱管良好的導熱性顯著降低功率器件的工作溫度。此外，將變頻器的功率器件分別放置於散熱基板的兩側表面，可有效地縮小功率器件所需的佈設空間，進而減小散熱基板自身的體積。
下面參照附圖，對本發明的具體實施方式作進一步的詳細描述。
為了使本揭示內容之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。
其中圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以 避免對本發明造成不必要的限制。
第1圖繪示依據本發明之一態樣的用於大功率高壓變頻器功率單元散熱裝置的結構示意圖。請參照第1圖，該散熱裝置包括一熱管10和一散熱基板20。
更具體地，熱管10具有一蒸發段101和一冷凝段103，該蒸發段101埋設於散熱基板20的內層，以及該冷凝段103用於將來自蒸發段101的熱量傳導給其上的散熱片並散發至空氣中。
散熱基板20具有一第一表面(如散熱基板20的左側表面)、一第二表面(如散熱基板20的右側表面)以及位於該第一表面和第二表面間的內層，其中該大功率高壓變頻器功率單元中的一部分功率器件401放置於散熱基板20的第一表面，以及該大功率高壓變頻器功率單元中的另一部分功率器件403放置於散熱基板20的第二表面。由第1圖可知，功率器件分別放置於散熱基板20的兩側，利用散熱基板20的內層所埋設的熱管10良好的導熱性，這些功率器件在正常運行時的工作溫度可保持相對較低的溫度。
本領域的技術人員應當理解的是，第1圖中的散熱基板20兩側分別只放置了功率器件401和403，但這僅僅是示意性的表示，並且本發明並不只侷限於此。例如：當大功率高壓變頻器或其他功率設備中所包含的功率器件較多時，更可將兩個或兩個以上的功率器件401放置於散熱基板20的左側表面，以及將兩 個或兩個以上的其他功率器件403放置於散熱基板20的右側表面，這些可替換的實施方式同樣包含於本發明的精神範圍內。
在一具體實施例中，熱管10為一垂直設置的熱管。請參照第1圖，該垂直設置的熱管的冷凝段103置於蒸發段101的上方，並且蒸發段101埋設於散熱基板20的內層中。例如，該熱管的蒸發段可設置為矩形管狀結構，以增大熱管與所述功率器件的接觸面積，進而減小導熱熱阻。當功率器件401和403運行時，溫度升高，因而蒸發段101中的液體吸收熱能，發生相的變化即由液體變為蒸汽，攜帶大量熱能的蒸汽沿熱管10的內部腔體向上運動而達到冷凝段103，在冷凝段103內蒸汽釋放出攜帶的熱量並通過熱管管壁傳導給其上的散熱片再散發到空氣中，蒸汽冷凝重新變回液態冷凝液，冷凝液體依靠重力或重力和毛細力的作用從熱管10的上端(即冷凝段103)沿熱管壁面和/或毛細結構內部流回下端(即蒸發段101)，進行下一次的吸熱蒸發/冷凝放熱的導熱迴圈。在其他實施例中，該熱管可以是內部壁面沒有毛細結構的重力式熱管，或是內部設有金屬絲網毛細結構的絲網式熱管，或是內壁面設有溝槽毛細結構的溝槽式熱管，或是內部壁面設有燒結金屬粉末毛細燒結結構的燒結式熱管。其中，毛細結構不僅提供毛細力作為工作液體回流的推動力，同時也強化蒸發吸熱過程和冷凝放熱 過程，從而提升熱管的傳熱速度，減小熱管的熱阻，改進散熱效果。較佳地，為了降低散熱器的成本，本實施例中採用成本較低的溝槽式銅水熱管。
在一具體實施例中，該散熱裝置更包括多個散熱片30。散熱片係設置為垂直于熱管10，並且多個散熱片30與熱管10的冷凝段103固定連接，以便更迅速地將熱管傳導來的熱量散發到空氣中。
在另一具體實施例中，散熱基板20可由銅、鋁或鋁合金所製成。
第2圖繪示第1圖中的散熱裝置所適用的大功率高壓變頻器功率單元的電路示意圖。請參照第2圖，該大功率高壓變頻器包括整流電路201、電解電容組203、逆變電路205和旁路電路207，並且該逆變電路205放置於散熱基板20的第一表面，以及整流電路201和旁路電路207放置於散熱基板20的第二表面。不難理解，由於該逆變電路205工作時為高頻信號，而整流電路201和旁路電路207為低頻信號，當逆變電路205與整流電路201、旁路電路207分置於散熱基板20兩側表面後，可有效防止高頻信號對低頻信號產生干擾。
在第2圖所示的大功率高壓變頻器功率單元中，整流電路201對三相交流輸入電壓進行整流，從而將該交流輸入轉換為直流輸入。另外，為了對主電路中的電流進行限流保護，在變頻器的交流輸入端與整流 電路201之間還可設置熔斷器，當電路中的電流高於熔斷器的額定電流時，對電路進行斷路保護。電解電容組203電性連接至整流電路201，用於對整流後的直流電壓進行濾波處理。
逆變電路205，例如IGBT逆變橋，係電性連接至電解電容組203，用於將該直流電壓轉換為頻率和相位均可調的交流電壓。在一實施例中，為提升IGBT逆變橋中每一IGBT的電流值，可使用多個IGBT並聯連接的方式來實現。旁路電路207與IGBT逆變橋相連接，用於在IGBT逆變橋工作異常時提供旁路功能。
在一實施例中，IGBT逆變橋為一H型逆變橋，包括多個橋臂，且每一橋臂具有多個IGBT，並且每一橋臂的上臂和下臂中的IGBT均採用並聯連接方式。IGBT逆變橋包括一第一橋臂和一第二橋臂，並且第一橋臂中IGBT相交的節點電性連接至變頻器的交流輸出端之第一端子，第二橋臂中IGBT相交的節點電性連接至變頻器的交流輸出端之第二端子。
在另一實施例中，整流電路201為一整流橋，並且每一橋臂具有至少一個整流二極體。
在又一實施例中，旁路電路207包括多個橋臂以及與多個橋臂中的每一橋臂並聯連接的一開關支路，其中每一橋臂均具有串聯連接、並聯連接或串並聯混合連接的多個二極體，開關支路具有一晶閘管。
本領域的技術人員應當理解，不同的功率器件， 其在正常工作時所產生的熱量也不一樣，為了節約散熱裝置的熱管成本，並兼顧功率器件的散熱效率，可對本發明上述的散熱裝置進行變更，並且這些變更後的散熱結構也同樣包含在本發明的精神範圍內。
在一具體實施例中，熱管的冷凝段103根據功率器件的發熱量以及散熱要求設置為不同的長度。例如：當整流電路中的二極體、旁路電路中的二極體、晶閘管和IGBT的散熱要求較低時，可縮短熱管冷凝段103的長度，以避免浪費熱管材料。又如，當整流電路中的二極體、旁路電路中的二極體、晶閘管和IGBT的散熱要求較高時，可將熱管冷凝段103的長度拉長。
在另一具體實施例中，熱管的蒸發段101根據功率器件的散熱要求設置為不同的管徑。例如：當整流電路中的二極體、旁路電路中的二極體、晶閘管和IGBT的散熱要求較低時，可選擇管徑較小的熱管，以避免因採用大口徑的熱管而造成熱管的成本增加。又如，當整流電路中的二極體、旁路電路中的二極體、晶閘管和IGBT的散熱要求較高時，可選擇管徑較大的熱管，以滿足功率器件快速散熱的要求。
採用本發明的散熱裝置，將熱管的蒸發段埋設於散熱基板的內層中，並且在該散熱基板兩側的表面上分別放置大功率高壓變頻器功率單元中的一部分功率器件和另一部分功率器件，從而可利用熱管良好的導熱性顯著降低功率器件的工作溫度。此外，將變頻器 的功率器件分別放置於散熱基板的兩側表面，可有效地縮小功率器件所需的佈設空間，進而減小散熱基板自身的體積。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧熱管
20‧‧‧散熱基板
101‧‧‧蒸發段
103‧‧‧冷凝段
401‧‧‧功率器件
403‧‧‧功率器件
201‧‧‧整流電路
203‧‧‧電解電容組
205‧‧‧逆變電路
207‧‧‧旁路電路
30‧‧‧散熱片
讀者在參照附圖閱讀了本發明的具體實施方式以後，將會更清楚地瞭解本發明的各個方面。其中，第1圖繪示依據本發明之一態樣的用於大功率高壓變頻器功率單元散熱裝置的結構示意圖；以及第2圖繪示第1圖中的散熱裝置所適用的大功率高壓變頻器功率單元的電路示意圖。
10‧‧‧熱管
20‧‧‧散熱基板
30‧‧‧散熱片
101‧‧‧蒸發段
103‧‧‧冷凝段
401‧‧‧功率器件
403‧‧‧功率器件

Claims (12)

  1. 一種散熱裝置，適於對一大功率高壓變頻器功率單元進行散熱，其中該散熱裝置包括：一散熱基板，具有一第一表面、一第二表面以及位於該第一表面和該第二表面間的一內層；以及一熱管，具有一蒸發段和一冷凝段，其中，該熱管的蒸發段埋設於該散熱基板的該內層中，以及該熱管的冷凝段用以將來自該蒸發段的熱量釋放至空氣中，其中，該大功率高壓變頻器功率單元中的一部分功率器件放置於該散熱基板之該第一表面，以及該大功率高壓變頻器功率單元中的另一部分功率器件放置於該散熱基板之該第二表面，該部分功率器件操作於一高頻信號，該另一部分功率器件操作於一低頻信號，且該高頻信號之頻率高於該低頻信號之頻率。
  2. 根據請求項1所述之散熱裝置，其中該大功率高壓變頻器包括一逆變電路、一整流電路和一旁路電路，其中該逆變電路放置於該散熱基板的該第一表面，以及該整流電路和該旁路電路放置於該散熱基板的該第二表面。
  3. 根據請求項2所述之散熱裝置，其中該逆變電路為一H型逆變橋，該H型逆變橋包括複數個橋臂，且 該些橋臂中的每一橋臂具有複數個IGBTs(Insulated Gate Bipolar Transistors；絕緣閘雙極性電晶體)。
  4. 根據請求項3所述之散熱裝置，其中，該些橋臂中的每一橋臂的一上臂和一下臂中的IGBT均採用並聯連接方式。
  5. 根據請求項2所述之散熱裝置，其中該整流電路為一整流橋，且該整流橋的每一橋臂具有至少一個整流二極體。
  6. 根據請求項2所述之散熱裝置，其中該旁路電路包括複數個橋臂以及與每一該些橋臂並聯連接的一開關支路，其中該每一該些橋臂均具有串聯連接、並聯連接或串並聯混合連接的複數個二極體，該開關支路具有一晶閘管(Thyristor)。
  7. 根據請求項1所述之散熱裝置，更包括：複數個散熱片，設置為垂直於該熱管，並且該些散熱片與該熱管的該冷凝段固定連接，以便將該冷凝段釋放的熱量傳遞至空氣中。
  8. 根據請求項1所述之散熱裝置，其中該散熱基板係由銅、鋁或鋁合金所製成。
  9. 根據請求項1所述之散熱裝置，其中該熱管的該冷凝段根據該功率器件的發熱量以及散熱要求設置為不同的長度。
  10. 根據請求項1所述之散熱裝置，其中該熱管的該蒸發段根據該功率器件的散熱要求設置為不同的管徑。
  11. 根據請求項10所述之散熱裝置，其中該熱管的該蒸發段為一圓形管狀結構或一矩形管狀結構。
  12. 根據請求項1所述之散熱裝置，其中該熱管為一重力式熱管、一溝槽式熱管、一燒結式熱管或一絲網式熱管。
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