DE2704781A1 - COOLING OF SEMICONDUCTOR RECTIFIER ELEMENTS - Google Patents
COOLING OF SEMICONDUCTOR RECTIFIER ELEMENTSInfo
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Description
Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Prankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Prankfurt / Main, Theodor-Stern-Kai 1
Cg/ka B 76/37Cg / ka B 76/37
Die Erfindung betrifft die Kühlung von Leistungshalbleiter-Stromrichterelementen insbesondere von Stromrichtereinheiten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to the cooling of power semiconductor converter elements in particular of converter units according to the preamble of claim 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.The characteristic of the cooling method according to the invention is that the semiconductor converter elements or the Converter units with the primary cooling liquid are located in a closed space within a container, which is partially filled with the primary coolant.
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-Further advantageous developments of the cooling method and arrangements for carrying it out are given in the further Claims. The measures according to claims 8 to 10 have proven to be particularly favorable. One The arrangement working according to this is shown in principle in FIG.
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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.posed. There you have a container 1, which has a space 4- · encloses, in its lower part, the low-boiling, electrically non-conductive primary cooling liquid of high electrical Dielectric strength and above in its vapor part 5 contains the vaporized portion of the primary cooling liquid, in which a heat exchanger 6 with the pipes 7 and 8 is arranged. In the primary coolant is located the converter unit 2, the semiconductor converter elements 3 » which generally contains thyristors, but also diodes and power transistors. Since one often, e.g. for the purpose of forming a circuit breaker for medium voltage from the converter elements, several of them must be connected in series depending on the level of the operating voltage, are in such a converter unit 2 to form a column alternately combined thyristors 3 (or diodes) and heat sinks 11 arranged therebetween - see FIG. 5 - like usually assembled by means of a jig. There can also be several such columns in a container 1 be cooled. The same applies to converter elements connected in parallel. Wiring elements are also recommended such as capacitors and resistors and control elements such as ignition transformers and ignition power amplifiers also to be arranged in the container 1 so that they are also cooled by the primary cooling liquid.
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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.The entire arrangement described above then practically represents a converter, which in turn is part of a (larger) power converter system can be. It is thus possible to provide for a defect in a converter element, for example (Thyristor) 3 replace the entire converter with a replacement unit and then repair the defective one, to have this in stock as a spare part. Ea would then recommend the converter as such to be releasably fastened in a cabinet frame.
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-As a primary coolant that is inert or at least not corrosive to the materials used in the converter, the container 1 and the cooling units 6,7,8 must be in order not to attack them chemically or electrochemically, may not be electrically conductive and must also have sufficient dielectric strength, low-boiling liquids, mainly known from refrigeration technology, are used, their boiling points are below 60 to 70 ° C. This means that the temperatures of the semiconductor converter elements are sufficiently low, provided that the heat sink 11 is dimensioned accordingly, including in the respect that the Boiling bubbles. Unhindered upwards into the steam room.
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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.genes, e.g. through vertical bores 14 (see Fig. 5) Ensure the cooling capacity of the heat exchanger 6 in order to be able to condense a sufficient amount of steam. A heat exchanger that was built on the model of automobile radiators, was excellently suited for this purpose. He was secondary with ordinary cooling water operated; however, heat exchangers operated by compressed air or oil on the secondary side are also possible. It Incidentally, it is also conceivable, if the power loss of the semiconductor converter elements is not so great, without using them to cool sufficiently by heat sinks due to the high specific cooling capacity of the cooling method according to the invention.
Als primäre Kühlflüssigkeiten erscheinen als günstig fluorierteThe primary coolants appear to be favorably fluorinated
Chlorkohlenwasserstoff-Verbindungen, im Handel als Frigene·) (z.B. hier insbesondere Frigen·) 113 und 11) und solche unterChlorinated hydrocarbon compounds, commercially available as Frigen ·) (e.g. here in particular Frigen ·) 113 and 11) and those under
den Namen Fluorcarbon*) (z.B. hier PC 78*)) bekannte Verbindungen.compounds known by the name fluorocarbon *) (e.g. here PC 78 *)).
Die mit ·) versehenen Bezeichnungen sind Warenzeichen der einschlägigen Hersteller.The names marked with ·) are trademarks of relevant manufacturer.
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 The electrical connections must be led out of the container in a sealed manner, but this does not cause any particular difficulties because of the low pressures. In fact, it is advisable in many cases to even set the pressure in the container 1 so that
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er erst bei Nennleistung des Stromrichters etwa Atmosphärendruck beträgt.it only reaches about atmospheric pressure when the converter has rated power amounts to.
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.This has the advantage that in the event of a load surge from low load to nominal load, the primary ones immediately boil Coolant is used and even when the load is reduced when the pressure drops significantly below atmospheric pressure, this is the case Continues to boil and thus always a good cooling effect is guaranteed.
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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.The arrangement described referred to the principle according to FIG. 1, which proved to be superior to those according to FIGS. 2 and 3. You can now either send the secondary coolant, for example water, in an open circuit through the heat exchanger 6 or the secondary coolant can be conducted in a closed circuit and cooled back in a second heat exchanger. Another favorable modification of this principle would be not to condense the vapor of the primary cooling liquid inside the container 1, but to connect the heat exchanger 6 provided for this purpose to the container via the pipes 7 »8 (see Fig. 4-) Practical embodiment proved to be favorable, for example, to lead all connections through a removable cover of the container and to fasten the heat exchanger and the converter unit 2 to the cover. As a result, after removing the container, if the lid is fastened in a frame, for example, the inner parts of the container would be freely accessible without having to loosen any connections. Kan could of course also attach everything to the bottom and the side walls of the container 1 and would have a freely removable lid.
Bei diesem Kühlprinzip ist es möglich,eine relativ konstante Temperatur im Behälter 1 zu erreichen, weil im LeerlaufWith this cooling principle it is possible to have a relatively constant To reach temperature in container 1 because idle
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oder bei Schwachlast die Kühlung durchor the cooling through at low load
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.that with the power loss to be dissipated in accordance with these low powers not yet or not to a great extent Hasse boiling primary coolant is not as effective, i.e. on the other hand it is perfectly adequate.
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.It is also proposed to be beneficial for the purpose of achieving a constant temperature, firstly in principle to store the converter column horizontally and the liquid level of the primary coolant so that when the arrangement is at a standstill, the heat sink only up to a fraction their height are wetted. By the leg-like boiling process caused surges of the primary cooling liquid, these are then completely at least by entrained droplets wetted and the cooling capacity is increased to the nominal cooling capacity and possibly beyond.
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, weilFrom a similar point of view, it is recommended that the liquid level also be arranged separately from the container 1 Provide heat exchanger 6 of the arrangement according to Fig. 4- so that that it is slightly above the lower edge of the cooling elements or the cooling unit when the vehicle is idle. When suddenly Laotstoss, e.g. from a standstill, the liquid level in container 1 rises slightly because
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die primäre Kühlflüssigkeit bis auf den anfangs kondensierenden Teil derselben etwa Kühlwassertemperatur mit entsprechend geringerem Dampfdruck hat.the primary coolant apart from the initially condensing one Part of the same approximately cooling water temperature with accordingly has a lower vapor pressure.
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.You can also use the cooling water, which is easiest to be used as a secondary coolant, in the closed Run a cycle and cool it down using air, for example in a second heat exchanger. Has the use of cooling water the beneficial effect as a buffer, since it can serve as a heat store. But it is also a pure secondary air cooling circuit possible.
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.It is very advantageous in the arrangements according to the invention that the primary cooling liquids are good insulators and the container 1 is potential-free when the live components are attached or guided in an isolated manner.
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 )The closed system is expediently filled with nitrogen from its at room temperature while removing the oxygen The partial pressure prevailing in air corresponds to the pressure. The same condition is set for the primary coolant. Prevents foreign molecules from diffusing in (C ^) into the container (especially through seals)
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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.so one has handy for life the entire arrangement constant heat transfer ratios, provided that the cooling capacity of the secondary Cooler stays the same.
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.The first-mentioned purpose can in particular be the training of the 3ehälters 1 serve under vacuum-technical aspects, e.g. by a circular cylindrical shape, which the difficulties of The sealing of the container lid, for example, is significantly reduced.
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.Basically the same principle as in Fig. 1 is in case from Fig. 2, only that here the condensation of the vapor may already take place within the primary cooling liquid, since the heat exchanger 6 here below the cooling liquid level is arranged and he already cools them there to a greater extent. In contrast to FIG. 1, a larger one is used here Amount of primary coolant required.
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 TrennflächeIn Ιλ1 \ of Fig. 3, an intermediate heat transfer medium is used, a cooling liquid that takes over the heat transport from the primary cooling liquid to the heat exchanger (and thus to the secondary). The heat transfer between the intermediate heat transfer medium and the primary cooling liquid takes place at an interface
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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.between the two, formed here by a partition 9 will. But it is also possible to leave out the partition, because, for example, cooling water as an intermediate heat transfer medium is specifically lighter than the above-mentioned primary cooling liquids and thus the heat transfer is easy at the liquid level takes place between the two coolants. But it was already said above that the solution according to Fig. 1 or 4 will be best for most use cases because so that the greatest heat transfer coefficients can be achieved.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OHJ | Non-payment of the annual fee |