(21), (22) Заявка: 2002103776/28, 11.02.2002
(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
11.02.2002
(43) Дата публикации заявки: 20.10.2003
(45) Опубликовано: 10.11.2004
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске:
RU 2142660 С1, 10.12.1999. SU 1699015 A1, 15.12.1991. SU 1534558 A1, 07.01.1990. US 5168919 А, 08.12.1992. DE 4338277 A1, 19.01.1995.
Адрес для переписки:
430000, Мордовия, г.Саранск, ул. Большевистская, 68, Мордовский госуниверситет им. Н.П. Огарева, отдел патентов и стандартов
|
(72) Автор(ы):
Каликанов В.М. (RU), Фомин Ю.А. (RU), Пузаков В.И. (RU)
(73) Патентообладатель(и):
Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева (RU)
|
(54) СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУЛЬ С ИСПАРИТЕЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
(57) Реферат:
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.
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)PAV,
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 PAV для перфтортриэтиламина;
FOV=(1,5:2,0)10-3 PAV для перфтордибутилового эфира;
FOV=(1,1:1,2)10-3 PAV для перфтордиамилового эфира;
При Wcf=6 м/с:
FOV=(8,1:10)10-4 РAV для перфтортриэтиламина;
FOV=(4:5)10-4 РAV для перфтордибутилового эфира;
FOV=(2,5:3)10-4 PAV для перфтордиамилового эфира.
При Wcf=12 м/с:
FOV=(7:8)10-4 РAV для перфтортриэтиламина;
FOV=(3:4)10-4 PAV для перфтордибутилового эфира;
FOV=(2:2,5)10-4 PAV для перфтордиамилового эфира,
где FOV – площадь поверхности внешнего оребрения;
PAV – 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 РAV. 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 Tfmax=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 PAV , скоростью охлаждающего воздуха Wcf и типом промежуточного теплоносителя следующим образом:
При Wcf = 0 м/с:
FOV=(3:3,5)10-3 PAV для перфтортриэтиламина;
FOV=(1,5:2,0)10-3 PAV для перфтордибутилового эфира;
FOV=(1,1:1,2)10-3PAV для перфтордиамилового эфира.
При Wcf=6 м /с:
FOV=(8,1:10)10-4 PAV для перфтортриэтиламина;
FOV=(4:5)10-4 PAV для перфтордибутилового эфира;
FOV=(2,5:3)10-4 РAV для перфтордиамилового эфира.
При Wcf=12 м/с:
FOV=(7:8)10-4 PAV для перфтортриэтиламина;
FOV=(3:4 )10-4 PAV для перфтордибутилового эфира;
FOV=(2:2,5)10-4 PAV 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.
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;
PAV – 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 PAV для перфтортриэтиламинажа;
Fov=(1,5:2,0)10-3 PAV для перфтордибутилового эфира;
Fov=(1,1:1,2)10-3 PAV для перфтордиамилового эфира;
при Wcf=6 м/с:
Fov=(8,1:10)10-3 PAV для перфтортриэтиламина;
Fov=(4:5)10-3 PAV для перфтордибутилового эфира;
Fov=(2,5:3)10-3 PAV для перфтордиамилового эфира;
при Wcf=12 м/с:
Fov=(7:8)10-3 PAV для Перфтортриэтиламина;
Fov=(3:4)10-3 PAV для перфтордибутилового эфира;
Fov=(2:2,5)10-3 PAV для перфтордиамилового эфира;
где Fov – площадь поверхности внешнего оребрения;
PAV – 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.
РИСУНКИ
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Извещение опубликовано: 20.07.2007 БИ: 20/2007
|