DE2704781A1

DE2704781A1 - Kuehlung von halbleiter-stromrichterelementen

Info

Publication number: DE2704781A1
Application number: DE19772704781
Authority: DE
Inventors: Peter Ing Grad Heinemeyer; Detlef Dipl Ing Knuth; Monika Steinweg
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1977-02-02
Filing date: 1977-02-02
Publication date: 1978-08-03
Also published as: SE7800998L; FR2379912A1

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Prankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1

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Kühlung von Halbleiter-Stromrichterelementen

Die Erfindung betrifft die Kühlung von Leistungshalbleiter-Stromrichterelementen insbesondere von Stromrichtereinheiten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Kennzeichen des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens besteht darin, daß sich die Halbleiter-Stromrichterelemente bzw. die Stromrichtereinheiten mit der primären Kühlflüssigkeit in einem geschlossenen Raum innerhalb eines Behälters befinden, der teilweise mit der primären Kühlflüssigkeit gefüllt ist.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen des Kühlverfahrens und Anordnungen zu dessen Durchführung gehen aus den weiteren Ansprüchen hervor. Dabei haben sich als besonders günstig die Maßnahmen nach den Ansprüchen 8 bis 10 erwiesen. Eine danach arbeitende Anordnung ist prinzipiell in Fig. 1 dar-

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gestellt. Man hat dort einen Behälter 1, der einen Raum 4-· umschließt, der in seinem unteren Teil die niedrig siedende, elektrisch nicht leitende primäre Kühlflüssigkeit hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit und darüber in seinem Dampfteil 5 den verdampften Anteil der primären Kühlflüssigkeit enthält, in welchem ein Wärmetauscher 6 mit den Leitungsrohren 7 und 8 angeordnet ist. In der primären Kühlflüssigkeit befindet sich die Stromrichtereinheit 2, die Halbleiter-Stromrichterelemente 3» welche im allgemeinen Thyristoren, aber auch Dioden und Leistungstransistoren sind enthält. Da man vielfach, z.B. zu dem Zweck einen Leistungsschalter für Mittelspannung aus den Stromrichterelementen zu bilden, mehrere von ihnen je nach Höhe der Betriebsspannung in Reihe schalten muß, sind in einer solchen Stromrichtereinheit 2 zu einer Säule abwechselnd vereinigte Thyristoren 3 (oder Dioden) und jeweils dazwischen angeordnete Kühlkörper 11 - siehe Fig. 5 - wie üblich mittels einer Spannvorrichtung zusammengebaut. Es können in einem Behälter 1 auch mehrere solcher Säulen gekühlt werden. Ähnliches gilt für parallelgeschaltete Stromrichterelemente. Es empfiehlt sich auch Beschaltungselemente wie Kondensatoren und Widerstände und Steuerungselemente wie Zündübertrager und Zündleistungsverstärker ebenfalls mit in dem Behälter 1 anzuordnen, so daß sie auch durch die primäre Kühlflüssigkeit gekühlt werden.

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Die gesamte oben beschriebene Anordnung stellt dann praktisch einen Stromrichter dar, der wiederum Bestandteil einer (größeren) Stromrichteranlage sein kann. Es ist damit möglich vorzusehen, bei Defekt z.B. eines Stromrichterelements (Thyristor) 3 den gesamten Stromrichter durch eine Ersatzeinheit auszuwechseln und dann den defekten wieder instandzusetzen, um diesen als Ersatzteil vorrätig zu haben. Ea würde sich dann empfehlen, den Stromrichter als solchen lösbar in einem Schrankgestell zu befestigen.

Als primäre Kühlflüssigkeit,die inert oder zumindest nicht korrosiv gegenüber den im Stromrichter, den Behälter 1 und die Kühlaggregate 6,7,8 verwendeten Materialien sein muß, um diese nicht chemisch oder elektrochemisch anzugreifen, elektrisch nicht leitfähig sein darf, sowie auch genügende elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweisen muß, werden niedrig siedende, überwiegend schon von der Kältetechnik her bekannte Flüssigkeiten verwendet, deren Siedepunkte unter 60 bis 70° C liegen. Dadurch erhält man genügend geringe Temperaturen der Halbleiter-Stromrichterelemente, sofern man die Kühlkörper 11 entsprechend dimensioniert, und zwar auch in der Hinsicht, daß die Siedebläschen.unbehindert nach oben in den Dampfraum stei-

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gen können, also z.B. durch senkrechte Bohrungen 14 (siehe Fig. 5)· Selbstverständlich muß man auch für eine genügende Kühlleistung des Wärmetauschers 6 sorgen, um eine ausreichende Menge Dampf kondensieren zu können. Ein Wärmetauscher, der nach dem Muster von Kraftfahrzeugkühlern gebaut war, eignete sich für diesen Zweck ausgezeichnet. Er wurde sekundärseitig mit gewöhnlichem Kühlwasser betrieben; aber auch sekundärseitig druckluft- oder ölbetriebene Wärmetauscher sind möglich. Es ist übrigens auch denkbar, bei nicht so großen Verlustleistungen der Halbleiter-Stromrichterlemente diese ohne die Verwendung von Kühlkörpern ausreichend aufgrund der hohen spezifischen Kühlleistung des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens zu kühlen.

Als primäre Kühlflüssigkeiten erscheinen als günstig fluorierte

Chlorkohlenwasserstoff-Verbindungen, im Handel als Frigene·) (z.B. hier insbesondere Frigen·) 113 und 11) und solche unter

den Namen Fluorcarbon*) (z.B. hier PC 78*)) bekannte Verbindungen.

Die mit ·) versehenen Bezeichnungen sind Warenzeichen der einschlägigen Hersteller.

Die elektrischen Anschlüsse müssen abgedichtet aus dem Behälter herausgeführt werden, was aber wegen der geringen Drücke keine besonderen Schwieringkeiten bereitet. Es empfiehlt sich nämlich, vielfach sogar den Druck in dem Behälter 1 so einzustellen, daß

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er erst bei Nennleistung des Stromrichters etwa Atmosphärendruck beträgt.

Hierbei hat man den Vorteil, daß bei einem Laststoß von Schwachlast auf Nennlast unverzüglich Sieden der primären Kühlflüssigkeit einsetzt und auch bei Lastabnahme bei erheblich unter Atmosphärendruck sinkendem Druck sich das Sieden weiter fortsetzt und somit immer gute Kühlwirkung gewährleistet ist.

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Die beschriebene Anordnung bezog sich auf das Prinzip nach Fig. 1, das sich denen nach Fig. 2 und Fig. 3 als überlegen erwies. Man kann nun entweder das sekundäre Kühlmittel,also z.B. Wasser,im offenen Kreislauf durch den Wärmetauscher 6 schicken oder das sekundäre Kühlmittel in einem geschlossenen Kreislauf führen und in einem zweiten Wärmetauscher zurückkühlen. Eine weitere günstige Abwandlung dieses Prinzips wäre, den Dampf der primären Kühlflüssigkeit nicht innerhalb des Behältern 1 zu kondensieren, sondern den dafür vorgesehenen Wärmetauscher 6 über die Rohrleitungen 7» 8 an den Behälter anzuschliessen (siehe Fig. 4-), Es hat sich auch als praktische Ausführung günstig erwiesen, alle Anschlüsse z.B. durch einen abnehmbaren Deckel des Behälters zu führen und den Wärmetauscher und die Stromrichtereinheit 2 an dem Deckel zu befestigen. Dadurch wären dann nach Entfernen des Behälters, sofern man den Deckel z.B. in einem Gestell befestigt, die inneren Teile des Behälters, ohne dass man irgendwelche Anschlüsse lösen musste, frei zugänglich. Kan könnte natürlich auch alles am Boden und den Seitenwandungen des Behälters 1 befestigen und hätte einen frei abnehmbaren Deckel.

Bei diesem Kühlprinzip ist es möglich,eine relativ konstante Temperatur im Behälter 1 zu erreichen, weil im Leerlauf

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oder bei Schwachlast die Kühlung durch

das bei der entsprechend diesen geringen Leistungen abzuführenden Verlustleistung noch nicht oder nicht in starkem Hasse siedende primäre Kühlmittel nicht so effektiv ist, d.h. andererseits aber vollkommen ausreichend ist.

Es wird auch zu dem Zweck, eine konstante Temperatur zu erreichen, als günstig vorgeschlagen, erstens grundsätzlich die Stromrichtersäule horizontal zu lagern und den Flüssigkeitsstand des primären Kühlmittels so einzustellen, daß im Stillstand der Anordnung die Kühlkörper nur bis zu einem Bruchteil ihrer Höhe benetzt sind. Durch das beinpieftigen Siede^vorgang hervorgerufene Aufwallen der primären Kühlflüssigkeit werden diese dann vollständig zumindest durch mitgerissene Tröpfchen benetzt und die Kühlleistung wird auf die Nennkühlleistung und u.U. darüber hinaus gesteigert.

Unter einem ähnlichen Gesichtspunkt empfiehlt es sich, den Flüssigkeitsstand zusätzlich im getrennt vom Behälter 1 angeordneten Wärmetauscher 6 der Anordnung nach Fig. 4- so vorzusehen, daß er im Stillstand sich etwas über der Unterkante der Kühlelemente bzw. des Kühlaggregats befindet. Bei plötzlichem Laotstoss, z.B. aus dem Stillstand heraus, steigt dann kurzzeitig der Flüssigkeitsspiegel im Behälter 1 etwas an, weil

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die primäre Kühlflüssigkeit bis auf den anfangs kondensierenden Teil derselben etwa Kühlwassertemperatur mit entsprechend geringerem Dampfdruck hat.

Man kann zweckmässig auch das Kühlwasser, das am einfachsten als sekundäres Kühlmittel zu verwenden ist, im geschlossenen Kreislauf führen und durch Luft beispielsweise in einem zweiten Wärmetauscher zurückkühlen. Die Verwendung von Kühlwasser hat die günstige Wirkung als Puffer, da es als Wärmespeicher dienen kann. Aber auch ein reiner sekundärer Luftkühlkreis ist möglich.

Sehr vorteilhaft bei den erfindungsgemässen Anordnungen ist, dass die primären Kühlflüssigkeiten gute Isolatoren sind und der Behälter 1 potentialfrei ist, wenn die spannungsführenden Bauteile diesem gegenüber isoliert befestigt bzw. geführt sind.

Man füllt zweckmässig unter Entfernung des Sauerstoffs das geschlossene System mit Stickstoff von seinem bei Raumtemperatur in Luft herrschenden Partialdruck aatsprechenden Druck. Die gleiche Bedingung wird für die primäre Kühlflüssigkeit eingestellt. Verhindert man das Hineindiffundieren von Fremdmolekülen (C^) in den Behälter (insbesondere durch Dichtungen )

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so hat man praktisch für die Lebensdauer der gesamten Anordnung konstante Wärmeübertragungsverhältnisse, vorausgesetzt, daß die Kühlleistung der sekundären Kühler die gleiche bleibt.

Den erstgenannten Zweck kann insbesondere die Ausbildung des 3ehälters 1 unter vakuuratechnischen Gesichtspunkten dienen, z.B. durch eine kreiszylindrösche Form, die die Schwierigkeiten der Abdichtung des Behälterdeckels z.B. wesentlich herabsetzt.

Ia Grunde das gleiche Prinzip wie bei Fig. 1 liegt in Fall von Fig. 2 vor, nur daß hier die Kondensation des Dampfes u.U. schon innerhalb der primären Kühlflüssigkeit erfolgt, da der Wärmetauscher 6 hier unterhalb des Kühlflüssigkeitsspiegels angeordnet ist und er diese dort bereits in stärkerem Maße kühlt. Unterschiedlich zu Fig. 1 wird hier eine grössere Menge der primären Kühlflüssigkeit benötigt.

Im Ιλ1\ von Fig. 3 wird ein Zwischenwärmeträger benutzt, eine Kühlflüssigkeit, die den Wärmetransport von der primären Kühlflüssigkeit zum Wärmetauscher (und damit an die sekundäre) übernimmt. Der Wärmeübergang zwischen dem Zwischenwärmeträger und der primären Kühlflüssigkeit erfolgt an einer Trennfläche

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zwischen beiden, die hier durch eine Trennwand 9 gebildet wird. Es ist aber auch möglich,die Trennwand wegzulassen, da z.B. Kühlwasser als Zwischenwärmeträger spezifisch leichter als die oben genannten primären Kühlflüssigkeiten ist und somit der Wärmeübergang einfach an dem Flüssigkeitsspiegel zwischen den beiden Kühlflüssigkeiten erfolgt. Es war aber schon oben gesagt worden, daß die Lösung nach Fig.1 bzw.4 für die meisten Anwendungsfälle die beste sein wird, weil damit die grössten Wärmeübergangszahlen erreicht werden.

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Claims

I nachqerooht) Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1 CgAa B 76/37 Patentansprüche

1. Kühlung von Leistungshalbleiter-

Stromrichterelementen, insbesondere von einen Lastschalter für Kittelspannung bildenden Stromrichtereinheiten, die aus Leistungshalbleiter-Stromrichterelementen und den notwendigen Steuerungs- und Schutzkomponenten aufgebaut sind, mittels einer (inerten,) elektrisch nicht leitenden, niedrig sie.', en den primären Kühlflüssigkeit ausreichend guter Spannungsdurchschlagsfestigkeit, die sich zumindest durch, die bei Nennbelastung der Halbleiterstron^richterelemente von diesen abzuführende Verlustwärme im Siedezustand befindet, mit Rückkühlung der primären Kühlflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Halbleiter-Stromrichterelemente (3) oder die Stromrichterein-

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heit (2) mit der primären Kühlflüssigkeit in einem geschlossenen Raum (4) innerhalb eines Behälters (1) befinden, der teilweise mit der primären Kühlflüssigkeit gefüllt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem geschlossenen Raum (4) so eingestellt ist, daß er sich bei Nennbelastung der Halbleiter-Stromrichterelemente (3) etwa um Atmosphärendruck einstellt.

3· Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (6) nur als Kondensator und nur im Dampfteil (5) des geschlossenen Raumes außerhalb der primären Kühlflüssigkeit angeordnet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß allein ein sekundärer Wärmetauscher (6) innerhalb der primären Kühlflüssigkeit angeordnet ist.

5- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abführung der Verlustwärme über einen mit dem primären Kühlmittel an einer Trennfläche des geschlossenen Raumes (4) in Wärmeleitungskontakt stehenden flüssigen Zwischenwärmeträger erfolgt.

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6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Trennfläche von einer Trennwand (9) gebildet ist.

7. Verfahren bzw. Anordnung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (6) in dem Zwischenwärmeträger angeordnet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Wärmetauscher (6) nur außerhalb des Behälters (1) befindet und mittels Rohrleitungen an diesem angeschlossen ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Wärmetauscher (6) mehreren Behältern (1) zugeordnet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 3, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Wärmetauscher im Kreislauf des sekundären Kühlmittels des Kondensators (6) außerhalb des Behälters (1) vorgesehen ist.

11. Anordnung nach Anspruch 8,9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsspiegel des primären Kühl-

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mittels im Stillstand so eingestellt ist, daß er nur bis zu einem Bruchteil der Kühlkörperhöhe reicht.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsspiegel des primären Kühlmittels im Stillstand bis knapp über die Unterkante der Kühlelemente bzw. des Kühlaggregats (12) des Wärmetauschers (6) reicht.

13· Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromrichtereinheit (2) aus zu einer Säule abwechselnd vereinigte Dioden oder Thyristoren (3) und jeweils dazwischen angeordneten Kühlkörpern(11)aufgebaut ist.

14. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) nach vakuumtechnischen Gesichtspunkten ausgebildet ist und das geschlossene System mit Stickstoff mit seinem etwa bei Raumtemperatur in atmosphärischer Luft herrschenden Partialdruck entsprechendem Druck aufgefüllt ist.

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