[實(shí)用新型]一種用于大功率晶閘管的熱管/風(fēng)冷復(fù)合式散熱系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200820150184.X
• 申請(qǐng)日: 2008-06-27
• 公開（公告）號(hào): CN201213130Y
• 公開（公告）日: 2009-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 倪?？?/a>;鄭斌毅;陳金華;余波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海市電力公司超高壓輸變電公司
• 主分類號(hào): H01L23/34
• 分類號(hào): H01L23/34
• 代理公司: 上海三和萬(wàn)國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所
• 代理人: 蔡海淳

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，尤其涉及一種用于電力電子器件(如大功率晶閘管)的散熱裝置/系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置越來(lái)越多地采用了大功率電力電子器件(亦稱電力半導(dǎo)體器件)。

電力電子器件在工作過(guò)程中，由于各種損耗產(chǎn)生熱量而使其“結(jié)溫”升高。

而電力電子器件是一種熱當(dāng)量相當(dāng)小，對(duì)發(fā)熱及其靈敏的半導(dǎo)體器件，它的所有參數(shù)幾乎都與熱量特性有關(guān)，因而“結(jié)溫”過(guò)高會(huì)導(dǎo)致元件正常工作狀況的破壞，影響其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。為了不使其“結(jié)溫”超過(guò)允許值，必須將結(jié)中的熱量有效的傳到外部散熱器上。

故此，運(yùn)行中的大功率電子器件(諸如晶閘管和集成門極換流晶閘管(IGCT，Intergrated?Gate?Commutated?Thyristors)等)需要可靠的、有效的冷卻裝置，以帶走其工作運(yùn)行中所產(chǎn)生的大量熱量，保證其正常工作。

晶閘管的傳統(tǒng)冷卻方式主要有自冷、風(fēng)冷、液冷(包括水冷和油冷)和相變冷卻等。

A、自冷是通過(guò)空氣對(duì)流及輻射作用將散熱器熱量帶走的散熱方式。這種方式散熱效果很差，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、噪音小，適用于額定電流較小的器件或簡(jiǎn)單裝置中的較大電流器件。

B、風(fēng)冷實(shí)際上是強(qiáng)制風(fēng)冷，一般利用風(fēng)機(jī)來(lái)提高流經(jīng)被冷卻物體處的空氣流速，從而達(dá)到高效冷卻的目的。該冷卻技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，主要應(yīng)用于額定電流在50A～500A的電力電子器件，它的冷卻能力是自冷散熱方式的好幾倍。強(qiáng)制風(fēng)冷是目前國(guó)內(nèi)功率為數(shù)百到數(shù)千瓦的電力電子裝置普遍采用的散熱方式。國(guó)外學(xué)者對(duì)風(fēng)冷進(jìn)行了較為深入的研究，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面來(lái)加強(qiáng)風(fēng)冷能力：①風(fēng)道優(yōu)化；②利用晶閘管陰陽(yáng)極側(cè)結(jié)殼熱阻的差異，采取不同的材質(zhì)和優(yōu)化散熱器散熱面的設(shè)計(jì)。

C、風(fēng)冷散熱雖然在我國(guó)應(yīng)用最為廣泛，但其具有很大的局限性。主要在于：散熱器的尺寸并不能無(wú)限制的增大，過(guò)分的增大反而造成散熱功率的降低(散熱器的有效面積隨總體面積的增加日趨減緩)，這是因?yàn)樯崞鞅旧碛袩嶙瑁沟门c晶閘管離得較遠(yuǎn)的散熱翅片的溫度降低，空氣與翅片的溫差減小，散熱量必然減小，強(qiáng)制風(fēng)冷存在著散熱面積與風(fēng)速不能無(wú)限提高的問(wèn)題？散熱能力有限。

D、液冷主要分為水冷和油冷。

(1)水冷：

與強(qiáng)制風(fēng)冷散熱相比，水冷散熱的冷卻效率極高，其對(duì)流換熱系數(shù)為空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)的幾百倍以上。這種冷卻方式一般適用于電流容量在500A以上的電力電子器件。電化學(xué)用整流器采用的就是這種冷卻方式。

在水冷系統(tǒng)中，可以將晶閘管安裝在冷卻單元上，熱量通過(guò)冷卻單元傳遞給流動(dòng)的水。用水作為冷卻介質(zhì)，是因?yàn)槠淠軌蛴行У膫鬟f出能量，但水容易結(jié)垢和引起電化學(xué)腐蝕，需要付出較大的成本來(lái)解決。由于水是電解質(zhì)，因此不能采用全浸沒(méi)式，且冷卻設(shè)備和晶閘管組件帶電部位相互之間應(yīng)采用絕緣管路。當(dāng)空氣濕度較大、冷卻水溫度較低、與環(huán)境的溫度差較大時(shí)，被冷卻的導(dǎo)體上往往會(huì)出現(xiàn)凝露，破壞電極之間的絕緣而引起閃絡(luò)事故。因此，對(duì)冷卻水的進(jìn)口水溫需要加以控制。

(2)油冷：

油冷散熱器的效率在水冷散熱器和風(fēng)冷散熱器之間，冷卻介質(zhì)多用變壓器油。與水冷相比，油對(duì)許多應(yīng)用場(chǎng)合都是比較滿意的，它既能應(yīng)用于封閉循環(huán)系統(tǒng)中，以可以用在浸入系統(tǒng)中。

油冷的缺點(diǎn)是：①成本高；②易燃性及散熱能力低，這是由于油的粘滯性大、流速低造成的。油浸水冷的冷卻方式適用于有腐蝕性的場(chǎng)合。在我國(guó)，僅在整流變壓器——整流器一體化裝置中有所應(yīng)用。

E、相變冷卻是將冷卻介質(zhì)(如氟利昂、純水)放在密閉容器中，通過(guò)介質(zhì)的相變來(lái)進(jìn)行冷卻的技術(shù)。就目前的科技而言，相變冷卻是一種效率最高的冷卻方式，它利用冷媒的蒸發(fā)潛熱將熱量帶走，從而有效降低了被冷卻物體的表面溫度，又由于相變冷卻無(wú)局部過(guò)熱點(diǎn)，因此從根本上杜絕了局部熱損壞的現(xiàn)象；而且，相變冷卻使得傳導(dǎo)介質(zhì)在晶閘管和熱交換器的相應(yīng)位置的溫度達(dá)到一致或僅存在極小溫差這一理論成為現(xiàn)實(shí)。

這種冷卻方式的冷卻效率比液冷高若干倍，比風(fēng)冷高十多倍，因此相變冷卻裝置的體積比同容量液冷和風(fēng)冷裝置小得多。相變冷卻的實(shí)現(xiàn)方式主要分為兩種：熱管冷卻和浸泡式冷卻，其中熱管冷卻系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中較為普遍，浸泡式冷卻系統(tǒng)技術(shù)還不成熟，在國(guó)內(nèi)尚處實(shí)驗(yàn)研究階段。

熱管冷卻系統(tǒng)與水冷系統(tǒng)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：