CN110534488A - 一种用于igbt散热的磁流体泵装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于IGBT散热相关领域，提供一种用于IGBT散热的磁流体泵装置及测试方法。本发明所设计的磁流体泵装置采用液态金属作为冷却剂，比普通的水冷装置能够吸收更多的热量，更好的为IGBT芯片散热。通过温度传感器和压力传感器可以实时监测磁流体泵进口管道和出口管道内温度和压力变化，通过热成像仪可以实时观察IGBT芯片的温度变化。本发明所提出的用于IGBT散热的磁流体泵装置的测试方法简单易行，在磁场的作用下给磁流体泵内的正负电极通电可以驱动磁流体流动，水冷设备可以为磁流体泵内的磁流体散热。本发明所提出的测试方法可以测试不同流速的磁流体对不同功率下的IGBT芯片的散热效果，为IGBT芯片的正常工作提供保障。
Description
技术领域
本发明属于IGBT散热相关领域，涉及一种用于IGBT散热的磁流体泵装置及测试方法。
背景技术
海上风电、海底钻井和铁路等相关领域需要具有高可靠性的电力转换***，IGBT作为电力转换***的核心部件，其寿命的长短对于***的正常运行是至关重要的。大多数电力电子设备的失效都是由于温度过高导致的，目前已有的散热***大多都是基于水冷散热的。随着电力电子技术的功率密度不断增加，水冷技术无法消散多余的热量，寻找一种新型的导热性高的冷却剂用于散热具有重要意义。液态金属具有比水更好的导热性，能够吸收更多的热量，但目前很少有液态金属作为冷却剂的散热装置。
温度是影响IGBT寿命的重要因素，如何利用液态金属作为冷却剂对IGBT进行充分散热，使其保持在合适的工作温度下具有十分重要的意义。因此，需要发明一种用于IGBT散热的磁流体泵装置及测试方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于IGBT散热的磁流体泵装置及测试方法。本发明设计的用于IGBT散热的磁流体泵装置比传统的水冷散热装置吸收热量更多，散热效果更好。本发明所提出来的用于IGBT散热的磁流体泵装置的测试方法操作简单，能够很好的对IGBT进行散热，可以测试IGBT在不同温度下不同流速的液态金属对IGBT芯片的散热效果。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于IGBT散热的磁流体泵装置，该磁流体泵装置用于为IGBT芯片组散热，所述的IGBT芯片组包括IGBT芯片A8、IGBT芯片B22、IGBT芯片C24和IGBT底板23。所述的IGBT芯片A8、IGBT芯片B22和IGBT芯片C24通过焊锡焊接在IGBT底板23上，IGBT芯片组设置在磁流体泵上。所述的磁流体泵装置包括磁流体泵、水冷散热装置、压力测量装置、温度测量装置和数据采集***。
所述的磁流体泵包括磁流体泵上壳体7、磁流体泵下壳体2、磁流体泵管道3、磁体S极A9、磁体N极A10、磁体S极B11、磁体N极B12、正电极A18、负电极A19、负电极B39和正电极B40。所述的磁体S极A9、磁体N极A10、磁体S极B11、磁体N极B12、正电极A18、负电极A19、负电极B39和正电极B40均嵌在磁流体泵上壳体7内，从左至右依次是磁体S极A9、磁体N极A10、磁体S极B11、磁体N极B12，正电极A18和负电极B39位于磁流体泵上壳体7前面，负电极A19和正电极B40位于磁流体泵上壳体7后面。所述的磁流体泵下壳体2通过磁流体泵进水管道1和磁流体泵出水管道16与水冷散热装置连接。所述的磁流体泵上壳体7和磁流体泵下壳体2之间通过连接螺栓A6和连接螺栓B13连接。所述磁体S极A9和磁体N极A10产生磁场，正电极A18和负电极A19产生电场，液态金属具有导电性和导磁性，在同时受到电场和磁场的作用下会产生向上的洛伦兹力，因此液态金属向上运动。同理在磁体S极B11、磁体N极B12形成的磁场和负电极B39、正电极B40形成的电场作用下会产生方向向下的洛伦兹力，因此液态金属向下运动。
所述的IGBT底板23和磁流体泵上壳体7之间设有环形凹槽，环形凹槽内设有环形密封圈20用于密封，并通过连接螺栓C21和连接螺栓D25连接；所述磁流体泵管道3与磁流体泵上壳体7之间通过螺纹连接。磁流体泵进水管道1与磁流体泵下壳体2之间通过法兰连接，通过连接螺栓E26和连接螺栓F27紧固，磁流体泵出水管道16与磁流体泵下壳体2之间通过法兰连接，通过连接螺栓G28和连接螺栓H29紧固，法兰连接处均设有密封圈用于端面密封。
所述的水冷散热装置为水冷设备17，与磁流体泵进水管道1和磁流体泵出水管道16连接，为磁流体泵内的液态金属散热。具体为：磁流体泵出水管道16和水冷设备17之间通过法兰连接，两法兰通过连接螺栓I30和连接螺栓J31紧固，磁流体泵进水管道1和水冷设备17之间也通过法兰连接，两法兰通过连接螺栓K32和连接螺栓L33紧固，法兰连接处均设有密封圈用于端面密封。
所述的压力测量装置为压力传感器A4和压力传感器B14，设置在磁流体泵进水管道1和磁流体泵出水管道16上，用于测量磁流体泵进水管道1和磁流体泵出水管道16内的压力。具体为：压力传感器A4与压力传感器A底座35之间通过螺纹连接，压力传感器A底座35与磁流体泵进水管道1之间通过螺纹连接，所有连接处均设有密封圈，压力传感器B14的安装方式与此相同。
所述的温度测量装置为温度传感器A5、温度传感器B15和热成像仪36，设置在磁流体泵进水管道1、磁流体泵出水管道16和IGBT芯片组上，用于测量磁流体泵进水管道1、磁流体泵出水管道16和IGBT芯片组的温度。具体为：温度传感器A5与温度传感器A底座34之间通过螺纹连接，温度传感器A底座34与磁流体泵进水管道1之间通过螺纹连接，所有连接处均设有密封圈，温度传感器B15的安装方式与此相同，热成像仪36与IGBT芯片A8、IGBT芯片B22、IGBT芯片C24距离30cm，用于测量芯片的温度变化。
所述的数据采集***为工控机38，用于控制外电路给IGBT芯片A8、IGBT芯片B22、IGBT芯片C24加热至某一温度，和采集压力传感器A4、压力传感器B14、温度传感器A5、温度传感器B15、热成像仪36的数据信息，与各传感器之间电连接。
一种用于IGBT散热的磁流体泵装置的测试方法，包括以下步骤：
第一步、启动***，开启水冷设备17，调节适当的流量和压力为磁流体泵散热，通过工控机38采集压力传感器A4、压力传感器B14、温度传感器A5和温度传感器B15的数据信息，实时监测磁流体泵的散热情况。控制外电路给IGBT芯片A8、IGBT芯片B22、IGBT芯片C24加热，通过热成像仪36观察芯片的温度，使芯片加热至某一温度。
第二步、通过工控机38控制外电路给正电极A18、负电极A19、负电极B39和正电极B40供电，液态金属在电场和磁场作用下产生洛伦兹力从而流动进行散热。通过控制两对电极电压的大小，可以控制液态金属的流动速度。热成像仪36采集IGBT芯片A8、IGBT芯片B22、IGBT芯片C24表面的温度后，上传至工控机38进行数据的处理。
第三步、通过对比IGBT芯片A8、IGBT芯片B22、IGBT芯片C24散热前和散热后的温度变化，分析磁流体泵装置的散热效果。判断测试是否完成，如果测试没有完成，那么继续控制外电路加热IGBT芯片A8、IGBT芯片B22、IGBT芯片C24至另一温度或者调节电极电压的大小来控制液态金属的流动速度。如果测试完成，那么结束关闭***。
所述的液态金属为GaInSn合金材料，其中(68％Ga，22％In和10％Sn，质量分数)，该材料密度为6400kg/m3，电导率为3.46×106S/m，导热系数为16.5W/(m℃)，具有比水更好的导热性。
本发明技术方案的优点主要体现在：
(1)本发明所提出的用于IGBT散热的磁流体泵装置比普通的水冷装置散热效果更好，采用GaInSn液态金属作为冷却剂能够比水吸收更多的热量，更好的为IGBT芯片散热。
(2)本发明所提出的用于IGBT散热的磁流体泵装置通过温度传感器和压力传感器可以实时监测磁流体泵进口管道和出口管道内的温度和压力变化，通过热成像仪可以实时监测IGBT芯片的散热效果。
(3)本发明所提出的用于IGBT散热的磁流体泵装置的测试方法简单易行，在磁场的作用下给磁流体泵内的正负电极通电可以驱动液态金属流动，水冷设备可以为磁流体泵内的液态金属散热。本发明所提出的测试方法可以测试IGBT在不同温度下不同流速的磁流体对IGBT芯片的散热效果。
附图说明
图1磁流体泵装置的总体结构图；
图2液态金属流动的原理图；
图3磁流体泵上壳体与IGBT底板连接示意图；
图4磁流体泵上壳体与环形密封圈密封示意图；
图5磁流体泵下壳体与进水管道和出水管道连接示意图；
图6水冷设备与进水管道和出水管道连接示意图；
图7温度传感器和压力传感器与管道安装示意图；
图8用于IGBT散热的磁流体泵装置的信号流向图；
图9用于IGBT散热的磁流体泵装置的测试方法流程图。
图中：1磁流体泵进水管道；2磁流体泵下壳体；3磁流体泵管道；4压力传感器A；5温度传感器A；6连接螺栓A；7磁流体泵上壳体；8IGBT芯片A；9磁体S极A；10磁体N极A；11磁体S极B；12磁体N极B；13连接螺栓B；14压力传感器B；15温度传感器B；16磁流体泵出水管道；17水冷设备；18正电极A；19负电极A；20环形密封圈；21连接螺栓C；22IGBT芯片B；23IGBT底板；24IGBT芯片C；25连接螺栓D；26连接螺栓E；27连接螺栓F；28连接螺栓G；29连接螺栓H；30连接螺栓I；31连接螺栓J；32连接螺栓K；33连接螺栓L；34温度传感器A底座；35压力传感器A底座；36热成像仪；37电源电路；38工控机；39负电极B；40正电极B。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更详细的描述：
磁流体泵装置的总体结构如图1、图2和图3所示，IGBT芯片组包括IGBT芯片A8、IGBT芯片B22、IGBT芯片C24和IGBT底板23，磁流体泵包括磁流体泵上壳体7、磁流体泵下壳体2、磁流体泵管道3、磁体S极A9、磁体N极A10、磁体S极B11、磁体N极B12、正电极A18、负电极A19、负电极B39和正电极B40。IGBT芯片组设置在磁流体泵上，磁流体泵通过磁流体泵进水管道1和磁流体泵出水管道16与水冷设备17连接，磁流体泵上壳体7和磁流体泵下壳体2之间通过连接螺栓A6和连接螺栓B13连接。
液态金属流动的原理如图2所示，由磁体S极A9和磁体N极A10产生磁场，正电极18和负电极19产生电场，液态金属在同时受到电场和磁场的作用下会产生洛伦兹力，根据左手定则，洛伦兹力的方向向上，因此液态金属向上运动。同理在磁体S极B11、磁体N极B12形成的磁场和负电极B39、正电极B40形成的电场作用下产生方向向下的洛伦兹力，液态金属向下运动。
磁流体泵上壳体7与IGBT底板23连接示意图如图3和图4所示，IGBT芯片A8、IGBT芯片B22和IGBT芯片C24通过焊锡焊接在IGBT底板23上，IGBT底板23和磁流体泵上壳体7之间设有环形凹槽，环形凹槽内设有环形密封圈20用于密封，并通过连接螺栓C21和连接螺栓D25连接，磁流体泵管道3与磁流体泵上壳体7之间通过螺纹连接。
磁流体泵下壳体2与磁流体泵进水管道1和磁流体泵出水管道16连接示意图如图5所示，磁流体泵进水管道1与磁流体泵下壳体2之间通过法兰连接，通过连接螺栓E26和连接螺栓F27紧固，磁流体泵出水管道16与磁流体泵下壳体2之间通过法兰连接，通过连接螺栓G28和连接螺栓H29紧固，法兰连接处均设有密封圈用于端面密封。
水冷设备17与磁流体泵进水管道1和磁流体泵出水管道16连接示意图如图6所示，磁流体泵出水管道16和水冷设备17之间通过法兰连接，两法兰通过连接螺栓I30和连接螺栓J31紧固连接，磁流体泵进水管道1和水冷设备17之间也通过法兰连接，两法兰通过连接螺栓K32和连接螺栓L33紧固连接，法兰连接处均设有密封圈用于端面密封。
温度传感器A5和压力传感器A4与磁流体泵进水管道1连接示意图如图7所示，温度传感器A5与温度传感器A底座34之间通过螺纹连接，温度传感器A底座34与磁流体泵进水管道1之间通过螺纹连接，压力传感器A4与压力传感器A底座35之间通过螺纹连接，压力传感器A底座35与磁流体泵进水管道1之间通过螺纹连接，所有连接处均设有密封圈，压力传感器B14和温度传感器B15的安装方式与此相同。
用于IGBT散热的磁流体泵装置的信号流向如图8所示，电源电路37为IGBT芯片A8、IGBT芯片B22、IGBT芯片C24、温度传感器A5、温度传感器B15、压力传感器A4和压力传感器B14供电，热成像仪36采集IGBT芯片A8、IGBT芯片B22、IGBT芯片C24温度信息后传给工控机38，温度传感器A5、温度传感器B15、压力传感器A4和压力传感器B14的数据信息直接传至工控机38进行处理。
用于IGBT散热的磁流体泵装置的测试方法流程如图9所示，首先启动***，开启水冷设备17，并调节压力为0.1MPa和流量为0.5m3/min，通过工控机38采集压力传感器A4、压力传感器B14、温度传感器A5和温度传感器B15的数据信息。控制外电路给IGBT芯片A8、IGBT芯片B22、IGBT芯片C24加热至80℃，通过热成像仪36反馈加热的温度。通过工控机38控制外电路将正电极18、负电极19、负电极39和正电极40的电压调至12V，驱动液态金属流动进行散热。热成像仪36采集IGBT芯片A8、IGBT芯片B22、IGBT芯片C24表面的温度后，上传至工控机38进行处理。通过对比IGBT芯片A8、IGBT芯片B22、IGBT芯片C24散热前和散热后的温度变化，分析磁流体泵装置的散热效果。判断测试是否完成，如果测试没有完成，那么继续控制外电路加热IGBT芯片A8、IGBT芯片B22、IGBT芯片C24至100℃，或者调节电极电压至24V来改变液态金属的流动速度继续测试。如果测试完成，那么结束关闭***。
本说明书仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应该局限于实施例所述的具体形式，还应该涉及本领域技术人员根据本发明构思所能想到的同等技术手段。
Claims (6)
1.一种用于IGBT散热的磁流体泵装置，该磁流体泵装置用于为IGBT芯片组散热，IGBT芯片组包括IGBT芯片A(8)、IGBT芯片B(22)、IGBT芯片C(24)和IGBT底板(23)，所述IGBT芯片A(8)、IGBT芯片B(22)和IGBT芯片C(24)通过焊锡焊接在IGBT底板(23)上，IGBT芯片组设置在磁流体泵上；其特征在于，所述的磁流体泵装置包括磁流体泵、水冷散热装置、压力测量装置、温度测量装置和数据采集***；
所述的磁流体泵内设有液态金属，磁流体泵包括磁流体泵上壳体(7)、磁流体泵下壳体(2)，及上下壳体内的磁流体泵管道(3)，及磁流体泵上壳体(7)内从左至右依次设置的磁体S极A(9)、磁体N极A(10)、磁体S极B(11)、磁体N极B(12)，磁流体泵上壳体(7)前面设有正电极(18)和负电极(39)，磁流体泵上壳体(7)后面设有负电极(19)和正电极(40)；所述的磁流体泵上壳体(7)与下方磁流体泵下壳体(2)之间通过连接螺栓连接，与上方IGBT底板(23)之间通过连接螺栓连接；所述磁流体泵下壳体(2)通过磁流体泵进水管道(1)、磁流体泵出水管道(16)与水冷散热装置连接，其中，磁流体泵出水管道(16)与磁流体泵下壳体(2)之间通过法兰连接，磁流体泵进水管道(1)与磁流体泵下壳体(2)之间通过法兰连接；所述磁流体泵管道(3)与磁流体泵上壳体(7)之间通过螺纹连接；所述磁体S极A(9)和磁体N极A(10)产生磁场，正电极(18)和负电极(19)产生电场，在同时受到电场和磁场的作用下液态金属向上运动；同理在磁体S极B(11)、磁体N极B(12)形成的磁场和负电极(39)、正电极(40)形成的电场作用下，液态金属向下运动；
所述的水冷散热装置为水冷设备(17)，为磁流体泵内的液态金属散热；所述水冷设备(17)与磁流体泵进水管道(1)、磁流体泵出水管道(16)之间均通过法兰连接；
所述的压力测量装置为压力传感器A(4)和压力传感器B(14)，分别设置在磁流体泵进水管道(1)和磁流体泵出水管道(16)上，用于测量磁流体泵进水管道(1)和磁流体泵出水管道(16)内的压力；
所述的温度测量装置为温度传感器A(5)、温度传感器B(15)和热成像仪(36)，分别设置在磁流体泵进水管道(1)、磁流体泵出水管道(16)和IGBT芯片组上，用于测量磁流体泵进水管道(1)、磁流体泵出水管道(16)和IGBT芯片组的温度；
所述的数据采集***为工控机(38)，用于控制外电路给IGBT芯片A(8)、IGBT芯片B(22)、IGBT芯片C(24)加热至某一温度，并采集压力传感器A(4)、压力传感器B(14)、温度传感器A(5)、温度传感器B(15)、热成像仪(36)的数据信息，与各传感器之间电连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于IGBT散热的磁流体泵装置，其特征在于，所述的磁流体泵上壳体(7)与IGBT底板(23)之间设有环形凹槽，环形凹槽内设有环形密封圈(20)用于密封。
3.根据权利要求1所述的一种用于IGBT散热的磁流体泵装置，其特征在于，所述的法兰连接处均设有密封圈用于端面密封。
4.根据权利要求1所述的一种用于IGBT散热的磁流体泵装置，其特征在于，所述的热成像仪(36)与IGBT芯片A(8)、IGBT芯片B(22)、IGBT芯片C(24)距离30cm，用于测量芯片的温度变化。
5.根据权利要求1所述的一种用于IGBT散热的磁流体泵装置，其特征在于，所述的液态金属为GaInSn合金材料，包括质量分数为68％的Ga、22％的In、10％的Sn。
6.根据权利要求1-5任一所述的用于IGBT散热的磁流体泵装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、启动***，开启水冷设备(17)，调节适当的流量和压力为磁流体泵散热；通过工控机(38)采集压力传感器A(4)、压力传感器B(14)、温度传感器A(5)和温度传感器B(15)的数据信息，实时监测磁流体泵的散热情况；控制外电路给IGBT芯片A(8)、IGBT芯片B(22)、IGBT芯片C(24)加热，通过热成像仪(36)观察芯片的温度，使芯片加热至某一温度；
第二步、通过工控机(38)控制外电路给正电极(18)、负电极(19)、负电极(39)和正电极(40)供电，洛伦兹力驱动液态金属流动进行散热；通过控制两对电极电压的大小，控制液态金属的流动速度；热成像仪(36)采集IGBT芯片A(8)、IGBT芯片B(22)、IGBT芯片C(24)表面的温度后，上传至工控机(38)进行数据的处理；
第三步、通过对比IGBT芯片A(8)、IGBT芯片B(22)、IGBT芯片C(24)散热前和散热后的温度变化，分析磁流体泵装置的散热效果；判断测试是否完成，如果测试没有完成，那么继续控制外电路加热IGBT芯片A(8)、IGBT芯片B(22)、IGBT芯片C(24)至另一温度或者调节电极电压的大小来控制液态金属的流动速度；如果测试完成，那么结束关闭***。
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