變流器功率模塊雙面水冷散熱基板的製作方法

2023-05-15 18:21:56

專利名稱：變流器功率模塊雙面水冷散熱基板的製作方法
技術領域：
本發明涉及鐵路機車、動車組及工業控制領域，尤其涉及大功率變流器冷卻技術，
具體為變流器功率模塊雙面水冷散熱基板。
背景技術：
隨著電力電子技術的迅猛發展，大功率變流器得到了廣泛應用，功率模塊作為變 流器的核心部件，其冷卻技術十分關鍵，直接影響著變流器運行的可靠性。現有功率模塊的 主要的冷卻方式有自然冷卻、強迫風冷、熱管冷卻、油循環冷卻、水循環冷卻、沸騰冷卻等， 其中水循環冷卻以其冷卻效果好、散熱基板體積小，特別是可以與系統中其他需要冷卻的 部件共用同一個水循環系統而越來越得到廣泛運用。 目前，國內變流器功率模塊的散熱，特別是大功率變流器的散熱，主要採用強迫風 冷、熱管冷卻或行走風自然冷卻方式，這些散熱方式都是散熱器散熱基板單面散熱，對功率 器件的散熱效果較差，且散熱基板體積較大；而國外技術雖然採用雙面散熱基板，但是多採 用散熱基板與散熱翅片一體成型的技術，製造工藝複雜、成本較高。

發明內容
本發明為了解決現有大功率變流器功率模塊散熱器，體積偏大、散熱效果不佳、制 造工藝複雜成本較高的問題，提供了一種新型變流器功率模塊雙面水冷散熱基板。
本發明具體採用如下技術方案實現包括由上蓋板和下基板釺焊而成的散熱基 板，下基板端面設有連接水道和外部循環水的進水口和出水口 ，上蓋板和下基板的外表面 (根據功率部件通常的安裝位置，所述外表面是指上蓋板的上表面和下蓋板的下表面)上 開有安裝孔，在下基板的內表面(即下基板與上蓋板的相互接觸面)上開設槽型水道，水道 中放置有通過規律性折彎而形成的方波狀散熱翅片。 所述水道是在下基板內表面上加工出水槽，水槽中放置經過設計的散熱翅片，使 用變形小、接頭光滑美觀的真空釺焊技術，將上蓋板與下基板焊接在一起，形成密封的水 道，這樣IGBT(本裝置所述功率器件主要是指IGBT)工作時耗散的熱量通過熱傳導的方 式傳輸到散熱翅片上，再通過散熱翅片傳輸到冷卻液(循環水)，由冷卻液循環帶走，保證 IGBT結溫不超過額定結溫，達到正常工作的目的。下基板端面設置有循環水進出口 ，全部使 用快速水接頭，方便水冷散熱基板與水循環系統的連接，連接分離時具有快捷、方便、安全 的特點，快速水接頭可選用STAUBLI公司的工業水連接器。水道中的冷卻液可採用水和乙 二醇的混合液體，比例可根據功率器件使用環境的溫度進一步確定。 與現有技術相比，本發明提供的變流器功率模塊雙面水冷散熱基板具有如下有益 效果本裝置散熱基板體積更小並且可以雙面安裝功率器件進行散熱，散熱效果更好，提高 了大功率變流器功率模塊的散熱效果，使變流器能夠更加可靠的運行；同時，採用水冷卻的 散熱模式可共用變流器循環水系統進行散熱，技術上使用了特殊設計的散熱翅片， 一方面 降低了散熱基板的熱阻提高了散熱效率，另一方面降低了製作工藝的難度、減少了製作成本。


圖1為本發明所述變流器功率模塊雙面水冷散熱基板的結構示意圖； 圖2為圖1的左視圖； 圖3為圖1的俯視圖； 圖4為本發明所述水道的結構示意圖； 圖5為本發明雙面固定功率器件的結構示意圖； 圖6為圖1的A-A剖視圖； 圖7圖6中散熱翅片的放大圖； 圖8為本發明所述變流器功率模塊雙面水冷散熱基板的安裝示意圖。 圖中1-上蓋板，2-下基板，3-快速水接頭，4-散熱翅片，5-出水口 ， 6-進水口 ，
7-安裝孔，8-功率器件IGBT， 9-水道。
具體實施例方式
變流器功率模塊雙面水冷散熱基板，包括由上蓋板1和下基板2釺焊而成的散熱 基板，下基板2端面設有連接水道9和外部循環水的進水口 6和出水口 5，上蓋板1和下基 板2的外表面(根據功率部件通常的安裝位置，所述外表面是指上蓋板的上表面和下蓋板 的下表面)上開有安裝孔7，在下基板2的內表面(即下基板2與上蓋板1的相互接觸面) 上開設槽型水道9，水道9中放置有通過規律性折彎而形成的方波狀散熱翅片4。
所述水道9是在下基板2內表面上加工出水槽，水槽中放置經過設計的散熱翅片 4，使用變形小、接頭光滑美觀的真空釺焊技術，將上蓋板1與下基板2焊接在一起，形成密 封的水道，這樣IGBT(本裝置所述功率器件主要是指IGBT)工作時耗散的熱量通過熱傳導 的方式傳輸到散熱翅片4上，再通過散熱翅片4傳輸到冷卻液(循環水)，由冷卻液循環帶 走，保證IGBT結溫不超過額定結溫，達到正常工作的目的。水道9兩端連接的進水口 6和 出水口 5處接有快速水接頭3，可以更方便水冷散熱基板與水循環系統的連接，連接分離時 具有快捷、方便、安全的特點，快速水接頭可選用STAUBLI公司的工業水連接器。水道中的 冷卻液可採用水和乙二醇的混合液體，比例可根據功率器件使用環境的溫度進一步確定。
具體的，散熱基板材料為鋁合金板，允許無銅水循環，散熱基板兩側板面上(上蓋 板1的上表面和下基板2的下表面)設置嵌有鋼絲螺套的IGBT安裝孔7，以滿足安裝扭矩， 可雙面固定安裝功率器件，進行大功率功率器件的散熱。水道9中設置有至少兩片散熱翅 片4，相鄰散熱翅片4之間橫向相差半個方波寬度交錯放置(如圖7所示)，既降低了散熱 基板的製作工藝和生產成本，又降低了散熱基板的熱阻使裝置的散熱效果得到提升。所述 水道9在下基板2中呈方波型布置，使得各功率器件可以快速通過水道中的散熱翅片4和 冷卻劑散熱。 本發明所述變流器功率模塊雙面水冷散熱基板具體工作時水冷散熱基板兩側可 安裝8隻最大散熱功率為2. 5kW的IGTB(每面各4隻)，每隻IGBT與水板的接觸面積為 140 X 190mm，安裝力矩為5Nm。 下基板2中的水道設計要求冷卻液工作壓力為5bar，額定流速為40L/min，水壓
4下降不超過1. 3bar (包括快速水接頭)，每個IGBT包裝對應的水冷散熱基板區域熱阻最大 為8°C /kW。 由於熱阻主要來源於傳熱面上的流體薄層，也稱為邊界層；增加流體的流速和擾 動性，可減薄邊界層，降低熱阻。本裝置中流體(循環水)流速一定，通過增加擾動，還可使 熱阻繼續下降。具體原理是在接頭處，循環水由水道中散熱翅片交錯放置形成的縮徑處進 入擴徑處時會發生邊界層分離現象，此時在擴徑處產生循環水空白區，一部分循環水會倒 流回來填充空白區，這樣在擴徑腔內產生流向相反的兩種流體，即而形成旋渦，由於旋渦的 存在，加劇了循環水質點之間的碰撞，極大地破壞了邊界層和滯流內層，使其厚度減薄，熱 阻減少。通過對水道9和放置於其內的散熱翅片4進行這樣設計，大大降低了散熱基板的 熱阻，使水冷散熱基板的散熱效果更好。
權利要求
變流器功率模塊雙面水冷散熱基板，包括由上蓋板(1)和下基板(2)釺焊而成的散熱基板，下基板(2)端面設有連接水道(9)和外部循環水的進水口(6)和出水口(5)，其特徵在於上蓋板(1)和下基板(2)的外表面上開有安裝孔(7)，在下基板(2)的內表面上開設槽型水道(9)，水道(9)中放置有通過規律性折彎而形成的方波狀散熱翅片(4)。
2. 如權利要求l所述的變流器功率模塊雙面水冷散熱基板，其特徵在於所述水道(9) 中設置有至少兩片散熱翅片(4)，相鄰散熱翅片(4)之間橫向相差半個方波寬度交錯放置。
3. 如權利要求1或2所述的變流器功率模塊雙面水冷散熱基板，其特徵在於所述水 道(9)在下基板(2)內表面上呈方波型布置。
4. 如權利要求1或2所述的變流器功率模塊雙面水冷散熱基板，其特徵在於水道(9) 兩端連接的進水口 (6)和出水口 (5)處接有快速水接頭(3)。
5. 如權利要求3所述的變流器功率模塊雙面水冷散熱基板，其特徵在於水道(9)兩 端連接的進水口 (6)和出水口 (5)處接有快速水接頭(3)。
全文摘要
本發明涉及鐵路機車、動車組及工業控制領域，尤其涉及大功率變流器冷卻技術，具體為變流器功率模塊雙面水冷散熱基板，解決了現有大功率變流器功率模塊散熱器體積偏大、散熱效果不佳、製造成本較高的問題，裝置連接變流器循環水系統，包括由上蓋板和下基板釺焊而成的散熱基板，下基板端面設有連接水道和外部循環水的進水口和出水口，上蓋板和下基板的外表面上開有安裝孔，在下基板的內表面上開設槽型水道，水道中放置有通過規律性折彎而形成的方波狀散熱翅片。使用本裝置實現了雙面水冷散熱，一方面降低了散熱基板的熱阻提高了散熱效率，另一方面降低了製作工藝的難度、減少了製作成本。
文檔編號H05K7/20GK101697448SQ20091007581
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月24日 優先權日2009年10月24日
發明者劉革莉, 姚小強, 陳廣泰 申請人:永濟新時速電機電器有限責任公司;