CN106941770A - 一种igbt箱体及其装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGBT箱体及其装配方法，其中，所述IGBT箱体包括：所述底板上端面连接有若干个连接柱，所述连接柱背离所述底板一端连接有一液冷板，所述液冷板上端面设置有IGBT模块。本发明所提供的IGBT箱体，使得液冷板、IGBT模块及其相关器件与底板相隔开来，不仅提高了IGBT模块及其相关器件的散热效果及调整空间；而且在进行IGBT器件测试时、不必对整个IGBT进行拆卸，而仅针对有问题器件直接拆卸即可；而由于其散热效果及调整空间的提高，使得多个器件之间不必担心距离过劲不能够散热而导致损害，减小了其布置空间及整体尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及一种IGBT箱体及其装配方法，尤其涉及的是一种分体式结构的IGBT箱体及其装配方法。
背景技术
作为电力电子重要大功率主流器件之一，IGBT已经广泛应用于家用电器、交通运输、电力工程、可再生能源和智能电网等领域；在工业方面，其应用于如交通控制、功率变换、工业电机、不间断电源、风电与太阳能设备，以及用于自动控制的变频器。
在众多领域中，因为涉及保护IGBT及其他发热器件的使用效果及寿命，需要对其进行散热，传统风冷在中大功率IGBT上很难发挥其效果，使得IGBT无法处在稳定的工作状态，从而影响使用寿命及性能。
现有组合箱体大多采取将水道直接铸造成型在铸件底部，然后在水道上面安装IGBT等发热器件，最后在其开口一端加装一个盖板进行密封。
现有IGBT箱体存在诸多的弊端：1、结构庞大，内部器件因为发热大小不同及铸件导热性能的限制，所以很难在狭小空间进行布置，因此需要将水道范围做大，从而使其能够容纳更多的发热器件；2、安装测试极不方便，通常IGBT及其相关器件都会安装在一起放在离水道最近的底层，上面再加装其他规格器件，然后进行测试；但与IGBT相关的器件测试有问题的时候又必须全部拆卸才能维修更换这些底层的器件，工作量相当大从而降低组装效率；3、热传导能力有限使得重要的器件如IGBT的功能不能得以全面的发挥，使得效能低下。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种IGBT箱体及其装配方法，旨在解决现有技术中IGBT箱体结构庞大、安装测试不方便、散热效能低下及成本居高不下的问题。
本发明的技术方案如下：
一种IGBT箱体，包括底板，至少一围设于所述底板四周、并与其形成容纳腔的侧板，以及封盖于所述容纳腔的盖板，其中，所述底板上端面连接有若干个连接柱，所述连接柱背离底板一端连接有一液冷板，所述液冷板上端面用于固定IGBT模块。
优选方案中，所述的IGBT箱体，其中，所述液冷板侧面向外延伸有进水管道及出水管道。
优选方案中，所述的IGBT箱体，其中，所述进水管道及出水管道分别连接有一用于连接水源的连接管道。
优选方案中，所述的IGBT箱体，其中，两个所述连接管道与水源之间分别连接有一固定管道，所述固定管道固定于侧板。
优选方案中，所述的IGBT箱体，其中，所述侧板对应固定管道设置有两个容许其穿过的固定孔。
优选方案中，所述的IGBT箱体，其中，连接管道包括：与进水管道或出水管道连接的软管，以及与固定管道连接的管道接头；
所述连接柱为高度相对底板可调的连接螺柱；
所述液冷板通过连接螺柱调整高度，并通过软管防止受限于侧板固定孔。
优选方案中，所述的IGBT箱体，其中，所述管道接头为快插止回接头。
优选方案中，所述的IGBT箱体，其中，所述盖板与侧板之间设置有密封圈。
优选方案中，所述的IGBT箱体，其中，所述底板与侧板一体成型。
一种如上任意一项所述IGBT箱体的装配方法，首先将连接柱安装于底板上端面，然后将液冷板固定连接于连接柱上，放置好IGBT模块后，将盖板封盖于容纳腔。
与现有技术相比，本发明所提供的IGBT箱体，由于采用了在底板上端面连接若干个连接柱，在连接柱背离所述底板一端连接一液冷板，并在液冷板上端面设置有IGBT模块；使得液冷板、IGBT模块及其相关器件与底板相隔开来，不仅提高了IGBT模块及其相关器件的散热效果及调整空间；而且在进行IGBT器件测试时、不必对整个IGBT进行拆卸，而仅针对有问题器件直接拆卸即可；而由于其散热效果及调整空间的提高，使得多个器件之间不必担心距离过劲不能够散热而导致损害，减小了其布置空间及整体尺寸。
附图说明
图1 为本发明中IGBT箱体较佳实施例的结构示意图。
图2为本发明中IGBT箱体较佳实施例的连接管道结构示意图。
图3为本发明中IGBT模块液冷板较佳实施例的基板结构示意图。
图4为本发明中IGBT模块液冷板较佳实施例的基板内部流道结构示意图。
图5为本发明中IGBT模块液冷板较佳实施例的直翅片结构盖板的结构示意图。
图6为本发明中IGBT模块液冷板较佳实施例的圆柱针状结构盖板的结构示意图。
图7为本发明中IGBT模块液冷板较佳实施例的波纹翅片结构盖板的结构示意图。
图8为本发明中IGBT模块液冷板较佳实施例的液冷板与IGBT模块配合位置示意图。
具体实施方式
本发明提供一种IGBT箱体及其装配方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种IGBT箱体，包括底板100，与所述底板100一体成型或连接的侧板200，二者合围有一容纳腔（因标注易与底板100标记混淆，且文字说明已足够反应其结构，因此未标示），所述容纳腔上方设置有盖板300，所述盖板300与侧板200上端面连接；底板100上端面、容纳腔内设置有若干个连接柱400，所述连接柱400上端面连接有一液冷板500，IGBT模块的主要元器件A10固定连接于液冷板500上端面且可拆卸，而其他元器件A20设置于其下端面，具体实施时，哪些元器件固定于其上端面、哪些元器件固定于其下端面可根据需要进行调节，本发明在此不做具体限定。不过，优选IGBT的主要发热元件设置于其上端面。
本发明较佳实施例中，底板100与侧板200一体成型，当然也可以将二者分别加工成型后通过焊接等方式将其固定、且不可拆分；同理，也可以将二者通过卡接、螺纹连接等可拆卸连接的方式进行固定。其中，一体成型为优选方案，因为底板100与侧板200可以通过铸模的方式一次性成型后进行抛光打磨等工艺，并不复杂、且技术成熟造价低；而且通过这种加工方式成型的壳体（底板100加侧板200）整体性能好，包括IP等级、使用寿命及故障率低。
所述盖板300与侧板200之间设置有密封圈800，以提高其IP等级。
IP等级中IP是Ingress Protection的缩写，IP等级是针对电气设备外壳对异物侵入的防护等级。
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
液冷板500与侧板200的连接优选通过可拆卸连接，因维修维护方便。
由上述结构可以看出，与现有技术相比，本发明所提供的IGBT箱体，由于采用了在底板100上端面连接若干个连接柱400，在连接柱400背离所述底板100一端连接一液冷板500，并在液冷板500上端面设置有IGBT模块；使得液冷板500、IGBT模块及其相关器件与底板100相隔开来，不仅提高了IGBT模块及其相关器件的散热效果及调整空间；而且在进行IGBT器件测试时、不必对整个IGBT进行拆卸，而仅针对有问题器件直接拆卸即可；而由于其散热效果及调整空间的提高，使得多个器件之间不必担心距离过劲不能够散热而导致损害，减小了其布置空间及整体尺寸。
本发明进一步地较佳实施例中，液冷板500侧面向外（向侧板200方向）延伸有进水管道510及出水管道520，所述进水管道510及出水管道520分别连接有一连接管道600，两个连接管道600分别连接有一固定管道700，所述固定管道700可拆卸式固定于侧板200，其用于连接水源，具体的，与进水管道510连接的固定管道700（也可称为第一固定管道700）用于将水源内的水导流至液冷板500，而与出水管道520连接的固定管道700（也可称为第二固定管道700）用于将液冷板500内的水导流至水源，二者联合作用，使液冷板500形成完整的循环。
当然，不设置连接管道600和/或固定管道700也是可以的，直接将液冷板500的进水管道510与出水管道520贯穿侧板200后与水源连接，或者与连接管道600、固定管道700中的任意一个连接后再与水源连接；若二者皆不使用将造成液冷板500的装卸较为复杂，需要容纳腔预留出足够的空间；而若不使用连接管道600则对于液冷板500与水源连接的密封性是一个较大的考验；若不使用固定管道700则不利于通水管道的固定可靠性，在水压变化时、会造成管道的位置变化，以至于液冷板500内水流量不稳定，热交换稳定性变差。
固定管道700使用标准的快插连接头，其中部锁紧于IGBT箱体，另一端与冷却***相连；其与箱体之间加装一密封圈，提高其IP等级。
本发明进一步较佳实施例中，侧板200对应固定管道700的位置设置有两个容许其穿过的固定孔210。
毫无疑问的是，液冷板500想要完成与外界水源的流通，形成完整的水流循环，需要将通水管道穿过侧板200后与外部水源连接，而此时可以选择在底板100、侧板200或盖板300设置固定孔，又或者说在侧板200及盖板300上各设半个固定孔，使固定管道700从二者之间穿过。很显然，从前文所述结构来看，本发明去除了在底板100或盖板300上设置固定孔的方案，因其不利于整个IGBT箱体的空间利用。而让固定管道700从二者之间穿过的方案，由于其固定稳定性差也被否决。因此，在侧板200上设置固定孔210，使固定管道700从中穿过是最佳方案，不仅稳定性较好，有效利用了IGBT箱体的占用空间，而且平放的管道对于水流的流畅性无疑是最好的。
本发明进一步较佳实施例中，如图2所示，所述连接管道600包括：与进水管道510或出水管道520连接的软管610，以及与固定管道700连接的管道接头620；所述连接柱400为高度相对底板100可调的连接螺柱；所述液冷板500通过连接螺柱调整高度，并通过软管610防止受限于侧板200固定孔210。
连接螺柱下端为外螺纹柱，与之适配的底板100位置开设有内螺纹孔，通过拧动连接螺柱可调节其与底板100的相对高度，从而调整液冷板500与底板100的相对高度，设置软管610可保证液冷板500在升高或降低时，管道接头620及固定管道700不必调整位置，从而提高其通用性。连接螺柱的上端优选为内螺纹孔，而盖板300在与内螺纹孔相对应的位置设置有连接通孔，利用螺栓或螺丝等穿过连接通孔固定盖板300与连接螺柱上方，提高了其装配与拆卸方便性。
将连接螺柱的中上部外侧设置为方形或圆形，优选为方形，方便利用扳手对其进行调节。
软管610优选为胶型软管610，软管610与管道接头620之间采用采用快插连接，将管道接头620设置为快插止回接头，一是方便二者的快速连接，而是可防止液体泄漏到箱体内，损坏器件，降低IGBT箱体使用寿命。
液冷板500具体包括：基板1，如图3所示，所述基板1上端并联设置有多个液流槽13，所述液流槽13两端分别连通设置有一进液流道4及出液流道5，如图4所示；所述基板1在每个液流槽13内设置有一冷板盖板8，如图5至图7所示。
本发明较佳实施例中，IGBT模块通过电子封装，其结构如图8所示，设置有3个IGBT子模块12，如图8所示，每个IGBT子模块12对应一冷板盖板8，即所述液流槽13及冷板盖板8的数量与IGBT子模块12的数量相对应，其位置优选为IGBT子模块12的正下方。
具体实施时，所述进液流道4及出液流道5皆为一端开口，一端封闭，如图3所示，即所述基板1设置有一与进液流道4相连通的进液口2，以及一与出液流道5相连通的出液口3，所述进液口2及出液口3优选设置在冷板盖板8的同一端，以便进行冷却液的循环使用，简化液冷板500结构。
如图4所示，基板1内的内部流道包括依次连通设置的进液流道4、液流槽13流道及出液流道5，其中进液流道4及出液流道5优选采用圆形结构，一方面保证冷却液在其内的流动流畅性，另一方面便于进液口2与接头的连接（接头指冷却液液源与基板1之间的接头），再一方面可使多个液流槽13进口处流量分布均匀。而液流槽13则优选为六边形结构，其使液流槽13流道宽度由进口到中间区域逐渐增大，从而使冷却液充分接触中间区域的部分的同时，防止进口处冷却液过于分散，导致流动不均匀。液流槽13和进口流道4、出口流道5之间采用过渡的连接方式，这样可以使液流槽13的进口很小，在进口流道4中3个进口部分的表面积相对整个进口流道4的表面积很小，这样可以使进口流道4中的冷却液充分接触3个液流槽13进口部分，能很大程度上提高每个并联液流槽13之间流量分布的均匀性。
与现有技术相比，本发明所提供的IGBT模块液冷板500，由于采用了在基板1上端并联设置有多个液流槽13，而在液流槽13两端分别连通设置有一进液流道4及出液流道5；以及基板1在每个液流槽13内设置有一冷板盖板8。使得该IGBT模块液冷板500在每个冷板盖板8下面的通道流量分布均匀，冷板表面及冷却液进出口之间具有良好的均温性，而进出口压降可控制在合理范围内，散热功率高；解决了现有技术中IGBT模块液冷板500进口与出口之间压降过大，对液冷***循环泵功率要求过高，以及进口与出口之间温差过大，易引起冷板结构热应力分布不均匀的问题。
同时，本发明采用液冷板500结构实为模块化结构，其市场前景好，装配和拆卸方便，液冷板500的密封性好。而且由于整个液冷板500的基板1采用对称结构，进口和出口的位置可以对调，只需要改变冷板盖板8安装的方向即可。
该结构的液冷板500既克服了单一通道流阻过大和多通道流量分配不均问题，使得整个液冷板500具有均温性好，进出口压降较低，调节冷板盖板8翅片结构可以有效改变整个冷板的散热能力，基板1和冷板盖板8结构制造工艺成熟，简单。
本发明进一步较佳实施例中，如图3所示，所述液流槽13包括：设置于所述液流槽13底部、且与所述进液流道4及出液流道5相连通的第一槽部6；以及设置于所述第一槽部6上方、且与其相通，用于卡持所述冷板盖板8的第二槽部14；以及设置于所述第二槽部14上方、且与其相通，用于容纳所述冷板盖板8的第三槽部15。
所述第二槽部14设置有四个用于卡合所述冷板盖板8的卡合口，所述卡合口中部呈曲线型，一端呈半圆型，一端呈平面型，使得冷板盖板8安装方便、且能够精准定位，使其在第二槽部14范围内仅能够垂直移动。冷板盖板8的外形结构设计为与液流槽13第二槽部14及第三槽部15连通后相同的结构，不仅方便了冷板盖板8和基板1的配合，同时也提高了整个液冷板500的密封性。
进一步较佳实施例中，如图5所示，所述冷板盖板8下端面设置有若干个间隔设置的流道板，若干个所述流道板将所述液流槽13分割为多个并联的第一分流道。
具体实施时，可将流道板设置为直线型或波纹型，即直翅片结构9或波纹型结构11，当其设置为直翅片结构9时，其直翅片采用密排方式进行排列设置，该结构特点在于密排的直翅片可以与液流槽13配合形成多通道流道结构，从而可以在很大程度上减小流道沿程阻力，这样只争对冷板盖板8翅片结构的设计就可以解决传统多通道结构的设计。波纹型结构11的设计与直翅片结构9同理，在此不进行过多赘述。
密排的直翅片可以替换为若干个圆柱体，以增加冷板盖板8对流动于液流槽13内流体的扰流性能，所述圆柱体可以包括：行列设置的第一圆柱体16，以及行列设置、且与所述第一圆柱体16交错设置的第二圆柱体17。
本发明进一步较佳实施例中，所述冷板盖板8在靠近所述进液流道4的一端端口处设置有至少一个分流片7，如图5所示，所述分流片7将来自于进液流道4的冷却液均匀分流至液流槽13的两侧。
优选所述分流片7设置有两个，两个分流片平行设置，其与冷板盖板8入口端端面之间的角度为45°。
分流片7的设置能解决液流槽13流道入口部分冷却液只偏向于腔体的一侧流动问题，可以使整个腔体流道的流量分布更均匀。而在此基础上在冷板盖板8上已优选的直翅片结构9，能够在冷板盖板8和液流槽13配合时形成中间区域多通道结构，有效的增加了冷却液了冷板的有效接触面积，从而提高了整个冷板的换热能力；圆柱针状结构10及波纹型结构11与直翅片结构9同理。
与现有技术不同，本发明设计3个IGBT模块为并联结构，而进液流道4与出液流道5采用圆形流道，其与六边形腔体之间采用过渡连接方式，基板1每个腔体的入口面积相对进液流道4及出液流道5的表面积较小，从而让冷却液充分的接触每个腔体的进口部分，当腔体进入冷却液以后，基板1每个腔体的截面积逐渐增大，可以很大程度减少了U形多通道并联流道每条支路流量分布不均的问题。
而且，本发明为保证冷板盖板8与液冷槽之间的良好配合，将冷板盖板8中间部分设计为阶梯平台，凹下区域可以设计增加任意形状的翅片结构，改变翅片的疏密度可以改变冷板的综合散热能力，和腔体装配时形成多通道流道结构。在每个冷板盖板8对应的进水口流道部分增加一对平行的斜分流片7，可以有效的解决流体往腔体流动时只偏向于一个方向。
本发明进一步较佳实施例中，液冷板500采用高导热系数的铝合金材料（铝板或铝挤型材）基板1和高导热系数的铝板、铜铝复合板或铝合金型材的冷板盖板8通过搅拌摩擦焊工艺焊接组成；冷板盖板8与IGBT接触的平面为铜铝复合材料的铜材面，如果采用铝材则没有方向要求，冷板盖板8与水槽接触的平面采用铲齿工艺将整面加工成密集的细密水道，水道与壁厚的比例为2:1。
一种如上述实施例中任意一项所述IGBT箱体的装配方法，其首先将连接柱400安装于底板100上端面，然后将液冷板500固定连接于连接柱400上，放置好IGBT模块后，将盖板300封盖于容纳腔。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种IGBT箱体，包括底板，至少一围设于所述底板四周、并与其形成容纳腔的侧板，以及封盖于所述容纳腔的盖板，其特征在于，所述底板上端面连接有若干个连接柱，所述连接柱背离底板一端连接有一液冷板，所述液冷板上端面用于固定IGBT模块。
2.根据权利要求1所述的IGBT箱体，其特征在于，所述液冷板侧面向外延伸有进水管道及出水管道。
3.根据权利要求2所述的IGBT箱体，其特征在于，所述进水管道及出水管道分别连接有一用于连接水源的连接管道。
4.根据权利要求3所述的IGBT箱体，其特征在于，两个所述连接管道与水源之间分别连接有一固定管道，所述固定管道固定于侧板。
5.根据权利要求4所述的IGBT箱体，其特征在于，所述侧板对应固定管道设置有两个容许其穿过的固定孔。
6.根据权利要求5所述的IGBT箱体，其特征在于，连接管道包括：与进水管道或出水管道连接的软管，以及与固定管道连接的管道接头；
所述连接柱为高度相对底板可调的连接螺柱；
所述液冷板通过连接螺柱调整高度，并通过软管防止受限于侧板固定孔。
7.根据权利要求6所述的IGBT箱体，其特征在于，所述管道接头为快插止回接头。
8.根据权利要求1所述的IGBT箱体，其特征在于，所述盖板与侧板之间设置有密封圈。
9.根据权利要求1所述的IGBT箱体，其特征在于，所述底板与侧板一体成型。
10.一种如权利要求1至9任意一项所述IGBT箱体的装配方法，其特征在于，首先将连接柱安装于底板上端面，然后将液冷板固定连接于连接柱上，放置好IGBT模块后，将盖板封盖于容纳腔。
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