大功率晶闸管的冷却技术

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1、能源研究与信息第17卷第3期EnergyResearchandInformationVol.17No.32001文章编号1008-8857(2001)03-0178-09大功率晶闸管的冷却技术蔡静曹惠玲孙会来(河北工业大学天津300130)摘要简要介绍了晶闸管各种冷却方式的特点、原理及其发展现状。认为浸泡式蒸发冷却具有不可比拟的优越性和很好的发展前途。由于浸泡式蒸发冷却采用完全密闭形式，导致系统内部压力在真空到0.3MPa之间波动。而大型冷却容器作为压力容器受到法律限制，因此严重影响了它的发展。鉴于此，提出了恒压浸

2、泡式蒸发冷却系统，并对其特点及原理做了简单分析。关键词晶闸管;冷却方式;蒸发冷却中图法分类号TK172文献标识码A1晶闸管冷却技术的发展现状随着电力系统容量的增大，元件功率密度不断增大，晶闸管的功率损耗亦不断增大，从而必须采用更为有效的冷却技术。目前，晶闸管的冷却方式主要有自冷、风冷、液冷(包括水冷和油冷）、相变冷却等。1.1自冷自冷是通过空气自然对流及辐射作用将热量带走的散热方式。这种方式散热效果很差，但结构简单、维护方便、噪音小，适用于额定电流较小的器件或简单装置中的较大电流器件。1.2风冷风冷散热器主要应用于

3、额定电流值在50A~500A的器件，它的冷却能力是自冷散热方式的2倍~4倍。在风冷装置内部的冷却风速通常小于额定风速6m/s。强制风冷是目前国内功率为数百到数千瓦的电力电子装置普遍采用的散热方式。国内外学者对风冷进行了深入细致的研究，主要有以下几个方面。(1)风道设计对于强制风冷而言，降低热阻、提高对流换热的途径有：①加大散热器尺寸或增加散热器翅片的数量，以增大散热器的散热面积；②采用尺寸更大或转速更高的风机，提高空气流动速度，以增大换热系数；③在流场中引入紊流，增加局部对流，以增大换热系数。收稿日期：2001-0

4、4-20作者简介：蔡静(1976-)，女，河北工业大学热能动力系研究生，研究方向为强化传热与节能。第3期蔡静等：大功率晶闸管的冷却技术179但是，散热面积不可能无限制的增加，它受到装置体积和重量及散热器效率等方面的限制。第二种方案固然可行，但会增加成本，而且会带来寿命降低和噪音增大的问题。因此，第三种方案最具发展前途。它是通过改善风道而实现的。最具代表性的两种如图1[1]所示。这可以通过在风道中加入各种阻挡物实现，实验表明，这两种风道设计可以将散热器到环境的热阻减少10%~20%，使散热器的温升降低5℃~8℃(原温

5、升为30℃~60℃)。图1两种不同的散热系统Fig.1Twodifferentcoolingsystems(2)利用晶闸管阴阳极侧结壳热阻的差异，采取不同的材质和冷却方式晶闸管阳极结壳热阻大于阴极结壳热阻，考虑阳极侧采用导热系数较高的铜型材-2-1-2-1(l=398W·m·℃)散热器，而阴极侧采用铝型材(l=236W·m·℃)散热器，从而既提高了效率又优化了结构。实验表明，这种散热器结构及冷却条件完全满足地铁机车运行工[2]况下GTO组件的冷却要求。这种散热器已安装在北京地铁上运行几万km，状况良好。风冷散热虽在

6、我国应用最为广泛，但其具有很大的局限性。主要在于：增加散热器的尺寸并不能无限制的增加功率处理能力，反而造成散热器效率的降低(散热器的有效面积随总体面积的增加日趋减缓)。这是因为散热器本身有热阻，使得与晶闸管离得较远的散热翅片的温度降低，温差减小，散热量必然减小，而且温差的降低必然导致压差的降低，这些最终必将导致流速的降低，影响散热效率。强制风冷的散热效率难以逾越这个极限。1.3液冷(1)水冷与强制空冷散热器相比，水冷散热器的冷却效率极高，其对流换热系数为空气自然对流换热系数的150倍以上。这种散热器一般适用于电流容

7、量在500A以上的器件。电化学用整流器采用的就是这种冷却方式。水冷系统示意图如图2所示。在水冷系统中，可以将晶闸管安装在冷却单元上，热量通过冷却单元传递给流动的水。用水作为冷却介质，是因为能够有效的传递出能量，但水容易结冰和引起电化学腐蚀，这两个问题可以用内热式加热器、抗冻剂、抗腐剂或纯水加以解决。由于水是电解质，因此不能采用全浸没式。且冷却设备和晶闸管组件带电部位以及带电部位相互之间，应采用绝缘管路，一般要求不同电位点之间的绝缘水管长度不少于1m，装置和水循环系统之间的绝缘长度不少于1.5m。水冷方式适用于大电流

8、且水源充足的场所。另外，当180能源研究与信息2001年第17卷空气湿度较大、冷却水温较低、与环境的温度差较大时，被冷却的导体上往往会出现凝雾，破坏电极之间的绝缘而导致故障。因此，对冷却水的进口温度应该加以控制。图2晶闸管的水冷系统Fig.2Watercoolingsystemforthyristors(2)油冷油冷散热器的效率在水冷散热器和风冷散热器之间，