силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением

Классы МПК:H01L23/34 приспособления для охлаждения, нагревания, вентиляции или температурной компенсации
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2002-02-11
публикация патента:

Использование: в электротехнике, а именно в полупроводниковой технике, в статистических преобразователях электрической энергии. Технический результат заключается в увеличении рабочих токов силовых полупроводниковых модулей за счет интенсификации теплоотвода от полупроводниковых структур. Сущность изобретения: силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением состоит из пластмассового корпуса, заполненного жидким диэлектрическим промежуточным теплоносителем, в который погружены силовые полупроводниковые структуры, собранные в трехфазную мостовую электрическую схему выпрямления с помощью трех медных токосъемных шин переменного тока, оребренных медными квадратными штырьками, и двух медных токосъемных шин постоянного тока, также оребренных квадратными штырьками. Пластмассовый корпус герметично соединен с алюминиевым конденсатором, имеющим внешнее оребрение и внутренние каналы конденсации. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914

силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914

Формула изобретения

1. Силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, содержащий силовые полупроводниковые, диодные или тиристорные структуры в сборе с медными токосъемными шинами, размещенными в пластмассовом корпусе, отличающийся тем, что полупроводниковые, диодные или тиристорные структуры собраны в электрическую трехфазную мостовую схему выпрямителя с помощью двух медных токосъемных шин постоянного тока, имеющих по три группы одностороннего оребрения медными штырьками квадратного сечения и трех медных токосъемных шин переменного тока, имеющих по две группы аналогичного оребрения с двух сторон, и размещены в среде жидкого диэлектрического промежуточного теплоносителя, при этом корпус герметично соединен с конденсатором, имеющим внутренние каналы конденсации и внешнее оребрение.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что параметры одной группы оребрения определены:

a=(1,1: 1,2)Дспп ,

n=0,00625 а2,

h=(0,7:1,0)PAV ,

где n - количество штырьков, штук;

h - высота штырьков, мм;

а - размер стороны групп, мм;

Дспп - диаметр силовой полупроводниковой структуры, мм;

P AV - мощность тепловых потерь одной структуры в номинальном режиме, Вт.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тип жидкого диэлектрика выбран в зависимости от максимально допустимой температуры р-n-переходов полупроводниковых структур.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что площадь поверхности внешнего оребрения определена в соответствии с суммарной мощностью тепловых потерь всех шести силовых полупроводниковых структур, скоростью охлаждающего воздуха и типом жидкого диэлектрического теплоносителя следующим образом:

при Wcf=0 м/с:

Fov=(3:3,5)10-3 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтортриэтиламинажа;

Fov=(1,5:2,0)10 -3 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордибутилового эфира;

Fov =(1,1:1,2)10-3 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордиамилового эфира;

при Wcf =6 м/с:

Fov=(8,1:10)10-3 PAV силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтортриэтиламина;

Fov=(4:5)10 -3 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордибутилового эфира;

Fov =(2,5:3)10-3 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордиамилового эфира;

при Wcf =12 м/с:

Fov=(7:8)10-3 PAV силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для Перфтортриэтиламина;

Fov=(3:4)10 -3 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордибутилового эфира;

Fov =(2:2,5)10-3 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордиамилового эфира;

где Fov - площадь поверхности внешнего оребрения;

PAV силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 - суммарная мощность тепловых потерь всех шести силовых полупроводниковых структур;

Wcf - скорость охлаждающего воздуха.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фаски силовых полупроводниковых структур, находящихся в среде кипящего жидкого диэлектрика, защищены материалом, например полиамидом стеклонаполненным, инертным к кипящим, а именно перфтортриэтиламину, перфтордибуловому эфиру, перфтордиамиловому эфиру и к их паровым фазам.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехники, а именно к полупроводниковой технике, и может использоваться в статистических преобразователях электрической энергии.

Наиболее близким техническим решением является силовой полупроводниковый модуль, состоящий из нескольких полупроводниковых, диодных или тиристорных структур, размещенных на едином медном основании, которое является электро- и теплоотводящим элементом модуля. Фаски структур защищены кремнийорганическим компаундом. Кроме того, имеются дополнительные электроотводящие элементы. Медное основание, структуры, дополнительные электроотводящие элементы соединены между собой пластмассовым корпусом (Силовые полупроводниковые модули. ТУ 16-99. ИЕАЛ. 435 - 740.002 ТУ).

Недостатком данного модуля является то, что его конструкция предполагает только одностороннее воздушное охлаждение, что существенно снижает рабочие токи устройства.

Технический результат заключается в увеличении рабочих токов силовых полупроводниковых модулей за счет интенсификации теплоотвода от полупроводниковых структур.

Сущность изобретения заключается в том, что в силовом полупроводниковом модуле с испарительным охлаждением, содержащем силовые полупроводниковые, диодные или тиристорные структуры в сборе с медными токосъемными шинами, размещенными в пластмассовом корпусе, полупроводниковые, диодные или тиристорные структуры собраны в электрическую трехфазную мостовую схему выпрямителя с помощью двух медных токосъемных шин постоянного тока, имеющих по три группы одностороннего оребрения медными штырьками квадратного сечения, и трех медных токосъемных шин переменного тока, имеющих по две группы аналогичного оребрения с двух сторон, и размещены в среде жидкого диэлектрического промежуточного теплоносителя, при этом корпус герметично соединен с конденсатором, имеющим внутренние каналы конденсации и внешнее оребрение. Параметры одной группы оребрения определены:

а=(1,1:1,2)Дспп ;

n=0,00625 а2;

h=(0,7:l,0)P AV,

где n - количество штырьков, штук;

h - высота штырьков, мм;

а - размер стороны группы, мм;

Дспп - диаметр силовой полупроводниковой структуры, мм;

PAV - мощность тепловых потерь одной структуры в номинальном режиме, Вт.

Тип жидкого диэлектрика выбран в зависимости от максимально допустимой температуры р-n переходов полупроводниковых структур.

Площадь поверхности внешнего оребрения определен в соответствии с суммарной мощностью тепловых потерь всех шести силовых полупроводниковых структур, скоростью охлаждающего воздуха и типом жидкого диэлектрического промежуточного теплоносителя следующим образом:

При Wcf=0 м/с:

FOV=(3:3,5)10-3 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтортриэтиламина;

FOV=(1,5:2,0)10 -3 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордибутилового эфира;

FOV =(1,1:1,2)10-3 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордиамилового эфира;

При Wcf =6 м/с:

FOV=(8,1:10)10-4 РAV силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтортриэтиламина;

FOV=(4:5)10 -4 РAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордибутилового эфира;

FOV =(2,5:3)10-4 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордиамилового эфира.

При Wcf =12 м/с:

FOV=(7:8)10-4 РAV силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтортриэтиламина;

FOV=(3:4)10 -4 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордибутилового эфира;

FOV =(2:2,5)10-4 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордиамилового эфира,

где FOV - площадь поверхности внешнего оребрения;

PAV силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 - суммарная мощность тепловых потерь всех шести силовых полупроводниковых структур;

Wcf - скорость охлаждающего воздуха.

Фаски силовых полупроводниковых структур, находящихся в среде кипящего жидкого диэлектрика, защищены материалом, например полиамидом стеклонаполненным, инертным к кипящим, а именно перфтортриэтиламину, перфтордибутиловому эфиру, перфтордиамиловому эфиру и их паровым фазам.

На фиг. 1 изображен силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, на фиг.2 - расположение структур в корпусе модуля.

Силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением состоит из пластмассового корпуса 1, заполненного жидким диэлектрическим промежуточным теплоносителем 2, в который погружены силовые полупроводниковые структуры 3, собранные в трехфазную мостовую электрическую схему выпрямления с помощью трех медных токосъемных шин переменного тока 4, оребренных медными квадратными штырьками 5, и двух медных токосъемных шин постоянного тока 6, также оребренных квадратными штырьками 7. Пластмассовый корпус 1 герметично соединен с алюминиевым конденсатором 8, имеющим внешнее оребрение 9 и внутренние каналы конденсации 10.

Силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением работает следующим образом. При работе электрической мостовой трехфазной схемы выпрямления через шесть полупроводниковых, диодных или тиристорных структур 3 проходит электрический ток, при этом на каждой структуре выделяется мощность тепловых потерь Р AV. Структуры размещены между пятью медными токосъемными шинами, которые являются одновременно теплоотводящими элементами. Две из них - шины постоянного тока 6 имеют по три группы одностороннего оребрения медными штырьками 7 квадратного сечения 2× 2 мм; три - шины переменного тока 4 имеют по две группы аналогичного оребрения с двух сторон 5.

Параметры одной группы оребрения определены:

а=(1,1:1,2)Дcпп;

n=0,0625 а2;

h=(0,7:1,0)PAV/n,

где n - количество штырьков, штук;

h - высота штырьков, мм;

а - размер стороны группы, мм;

Дспп - диаметр силовой полупроводниковой структуры, мм;

PAV - мощность тепловых потерь в номинальном режиме, Вт.

Полупроводниковые структуры в сборе с токосъемными шинами - теплоотводами размещены в пластмассовом корпусе 1, заполненном жидким диэлектрическим промежуточным теплоносителем 2. Мощность тепловых потерь от структуры передается контактирующим с ней штырьками 5 и 7, которые нагреваются до температуры 20-25° С ниже, чем температура р-n перехода структуры, жидкий промежуточный теплоноситель 2 закипает на поверхностях штырьков 5 и 7, пары жидкости поднимаются вверх, поступают в каналы конденсации 10 конденсатора 8, конденсируются, конденсат стекает вниз в объем жидкости. Поскольку для наиболее эффективной теплоотдачи при кипении диэллектрических жидкостей температура поверхности кипения (то есть поверхности штырьков 5 и 7) должна превышать температуру кипения жидкостей на 25-30° С, тип жидкого диэлектрика 2 выбирается в зависимости от максимально допустимой температуры р-n переходов полупроводниковых структур Tfmax. Для структур с Tfmах=125° С используется фтороорганическая жидкость - перфтортриэтиламина (МД-3Ф) с температурой кипения 70° С; для структур с T fmax=140-150° С - перфтордибутиловый эфир (ДЭФ) с температурой кипения 100° С; для структур Tfmax =175-190° С - перфтордиамиловый эфир (ПЭФ) с температурой кипения 140° С.

Тепловой поток от конденсирующихся паров промежуточного теплоносителя 2 передается через сетки конденсатора 8 к внешнему оребрению 9, далее за счет воздушной конвекции отводится в окружающее пространство.

Площадь поверхности внешнего оребрения FOV определяют в соответствии с суммарной мощностью тепловых потерь всех шести силовых полупроводниковых структур PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 , скоростью охлаждающего воздуха Wcf и типом промежуточного теплоносителя следующим образом:

При Wcf = 0 м/с:

FOV=(3:3,5)10-3 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтортриэтиламина;

FOV=(1,5:2,0)10 -3 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордибутилового эфира;

FOV =(1,1:1,2)10-3PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордиамилового эфира.

При Wcf =6 м /с:

FOV=(8,1:10)10-4 PAV силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтортриэтиламина;

FOV=(4:5)10 -4 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордибутилового эфира;

FOV =(2,5:3)10-4 РAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордиамилового эфира.

При Wcf =12 м/с:

FOV=(7:8)10-4 PAV силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтортриэтиламина;

FOV=(3:4 )10-4 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордибутилового эфира;

FOV =(2:2,5)10-4 PAVсиловой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, патент № 2239914 для перфтордиамилового эфира.

Фаски силовых полупроводниковых структур 3, находящихся в среде кипящего жидкого диэлектрика 2, защищены материалом, например полиамидом стеклонаполненным типа ПА 66-KC. 1. OCT6 - 11.498.79, инертным к кипящим: перфтортриэтиламину, перфтордибутиловому эфиру, перфтордиамиловому эфиру и их паровым фазам.

По сравнению с известными решениями предлагаемая конструкция позволяет увеличить рабочие токи силовых полупроводниковых модулей за счет интенсификации теплоотвода от полупроводниковых структур.

Класс H01L23/34 приспособления для охлаждения, нагревания, вентиляции или температурной компенсации

охлаждающее устройство, использующее внутренние искусственные струи -  патент 2525826 (20.08.2014)
микронагреватель -  патент 2522751 (20.07.2014)
адаптивный охлаждающий блок мощного полупроводникового устройства -  патент 2518495 (10.06.2014)
тепловой диод -  патент 2511948 (10.04.2014)
каскадное светоизлучающее термоэлектрическое устройство -  патент 2507613 (20.02.2014)
модуль полупроводникового преобразователя электроэнергии -  патент 2504864 (20.01.2014)
устройство для интенсивного охлаждения силовых полупроводниковых приборов -  патент 2498451 (10.11.2013)
устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов -  патент 2497232 (27.10.2013)
теплопроводный установочный элемент для крепления печатной платы к радиатору -  патент 2495507 (10.10.2013)
гибридная интегральная схема свч -  патент 2489770 (10.08.2013)
Наверх