混合歧管及方法
【專利摘要】一種冷卻功率變換設(shè)備中的電力組的方法和冷卻系統(tǒng)。該液體冷卻系統(tǒng)(80)包括：第一冷卻級(82)，其包括第一冷卻構(gòu)件，其中第一冷卻構(gòu)件相連接以形成并聯(lián)的冷卻支路(86a，86b)；混合歧管(84)，該混合歧管構(gòu)造成流體地連接到并聯(lián)的冷卻支路上，使得來自并聯(lián)的冷卻支路的冷卻液體流在混合歧管中混合；以及第二冷卻級(86)，其包括第二冷卻構(gòu)件，且第二冷卻級依照流經(jīng)冷卻系統(tǒng)的冷卻液體而與第一冷卻級串聯(lián)地連接。
【專利說明】混合歧管及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文公開的主題的實(shí)施例大體上涉及方法和系統(tǒng)，且更具體地涉及用于更有效地冷卻電氣構(gòu)件的機(jī)構(gòu)和技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]功率變換器廣泛用于各種應(yīng)用范圍以控制能量流或變換連接到馬達(dá)或發(fā)電機(jī)上或與公用電網(wǎng)對接所需的電壓、電流或頻率。那些應(yīng)用中的一些包括用于油和氣、金屬、水、采礦和海洋工業(yè)的馬達(dá)驅(qū)動器，以及用于可再生能源(風(fēng)能、太陽能)和電力工業(yè)的功率/頻率變換器。
[0003]功率變換器(或變頻驅(qū)動器，其為驅(qū)動電動馬達(dá)的特殊類型的功率變換器)的芯構(gòu)件中的一些為功率半導(dǎo)體開關(guān)。功率半導(dǎo)體開關(guān)在它們的操作期間，即，傳導(dǎo)電流和開關(guān)電流期間產(chǎn)生功率損耗。那些功率半導(dǎo)體開關(guān)的示例包括但不限于集成柵整流晶閘管(IGCT)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、注入增強(qiáng)柵晶體管(IEGT)、晶閘管(ETT或LTT)、緊壓包裝(冰球狀陶瓷殼體的硅片)中的二極管或IGBT、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、塑料模塊包裝中的二極管等。這些功率半導(dǎo)體開關(guān)的能力、性能及可靠性由于如在更高的結(jié)點(diǎn)溫度下的減小的關(guān)閉能力的原因而對它們的結(jié)點(diǎn)溫度敏感，由于集中的電流傳導(dǎo)而對局部熱點(diǎn)敏感，等等。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)此類開關(guān)的冷卻和為了使它們的結(jié)點(diǎn)溫度保持在它們的操作極限內(nèi)，液體冷卻是用于在功率開關(guān)操作期間移除由功率損耗產(chǎn)生的熱的有效方法。液體冷卻(例如，水冷卻)使用液體流來從附接于電氣構(gòu)件(例如，功率半導(dǎo)體開關(guān))上的冷卻構(gòu)件(例如，散熱器或冷板)中移除熱。由于冷卻構(gòu)件與電氣構(gòu)件的表面之間的直接接觸，故熱從具有更高溫度的元件(電氣構(gòu)件)轉(zhuǎn)移到具有更低溫度的元件(冷卻構(gòu)件)。液體提供在冷卻構(gòu)件周圍和/或經(jīng)過冷卻構(gòu)件，以分散轉(zhuǎn)移到冷卻構(gòu)件上的熱。然后將液體流帶到遠(yuǎn)離電氣構(gòu)件的待冷卻的位置。此類位置可為將熱消散到冷卻塔或環(huán)境空氣中的水到水或水到空氣的熱交換器。
[0005]將注意的是，對于功率模塊，基板與功率半導(dǎo)體開關(guān)的電極電隔離開，而對于緊壓包裝裝置，功率半導(dǎo)體開關(guān)的極面電性地連接到功率半導(dǎo)體開關(guān)的電極上。該布置表明為了避免電氣短路，如果液體冷卻回路將不同的電氣構(gòu)件連接在一起，則去離子的水需要用于緊壓包裝開關(guān)的散熱器。
[0006]圖1中示出了冷卻系統(tǒng)10的示例。冷卻系統(tǒng)10包括各種冷卻構(gòu)件。冷卻構(gòu)件可為散熱器、管道、閥、歧管等。冷卻構(gòu)件中的一些與電力組(power stack) 12的三柱組件的電氣構(gòu)件相關(guān)聯(lián)。柱可包括冷卻構(gòu)件和電氣構(gòu)件的組合。三柱式電力組12包括各種電氣構(gòu)件的三柱12a到12c。電氣構(gòu)件在具有三柱式電力組時可為功率半導(dǎo)體開關(guān)，而且還在具有其它功率變換裝置時可為電阻器、電感器、電容器及絕緣體。三個柱可為相同的或?yàn)椴煌?。?2a可包括功率半導(dǎo)體開關(guān)14和對應(yīng)的散熱器16。功率半導(dǎo)體開關(guān)的數(shù)目和它們的連接取決于電路布局。冷卻系統(tǒng)的布局可沿用電力組的布局或可為不同的。第一絕緣體18和第二絕緣體20將柱與電力組的金屬框架電性地隔離。
[0007]為了形成用于給定數(shù)目的液體冷卻的電氣構(gòu)件的液體冷卻回路，與電氣構(gòu)件接觸或?yàn)殡姎鈽?gòu)件的一部分的冷卻構(gòu)件流體地連接到彼此上。圖1中示出了示例性的冷卻布局。冷卻系統(tǒng)10設(shè)計成使得液體沿包括第一液體入口歧管30、并聯(lián)的冷卻支路35和第一液體出口歧管32的第一路徑流動，且還沿包括第二液體入口歧管31、串聯(lián)的支路37和第二液體出口歧管33的第二路徑流動。入口歧管具有構(gòu)造成在壓力下接收液體的入口 34。該壓力由泵提供。
[0008]并聯(lián)支路35可包括進(jìn)入管道20、壓力補(bǔ)償器36、散熱器16、另一個壓力補(bǔ)償器40以及流出管道22。串聯(lián)支路37可包括進(jìn)入管道38、多個散熱器16、連接管道42以及流出管道44。將注意的是，串聯(lián)支路包括串聯(lián)地聯(lián)結(jié)的兩個或多個的散熱器或等同裝置。因此，冷卻系統(tǒng)10包括各種類型的連接，如，串聯(lián)或并聯(lián)或串聯(lián)連接與并聯(lián)連接的組合。
[0009]針對所有冷卻構(gòu)件的串聯(lián)的液體連接具有比并聯(lián)連接更少的總液體流，但具有更高的壓降。因此，這將導(dǎo)致泵具有更大的壓頭且在冷卻構(gòu)件具有更高的應(yīng)力。這使得液體冷卻回路由于更高的壓力而易于泄漏。針對串聯(lián)的液體環(huán)路的另一個負(fù)面因素在于冷卻環(huán)路的下游的溫度在熱從一個冷卻級到另一個冷卻級累積時持續(xù)增大。該熱使針對冷卻環(huán)路下游中的構(gòu)件的冷卻作用退化。因此，所期望的是，放置具有更高消散功率且對液體冷卻環(huán)路上游的結(jié)點(diǎn)溫度更敏感的功率半導(dǎo)體開關(guān)。
[0010]針對所有冷卻構(gòu)件的并聯(lián)的液體連接導(dǎo)致比串聯(lián)的液體連接更小的壓降。然而，并聯(lián)的液體連接具有更高的總液體流，即，需要更大量的液體。針對該布置的重要的限制因素在于，由于所有的并聯(lián)冷卻支路必須具有相同的ΛΡ(壓降)，故針對各個支路的合成的液體流可能不為所需的值。為了解決該問題，需要復(fù)雜的設(shè)計，通過引入附加的ΛΡ平衡元件(如，線圈36或40)或仔細(xì)地設(shè)計各個并聯(lián)的冷卻支路的直徑。作為備選，可人工地控制節(jié)流閥以調(diào)整流動分布，用以確保針對各個并聯(lián)的液體支路實(shí)現(xiàn)適合的流動量。
[0011]回到圖1，取決于三柱式電力組12的確切結(jié)構(gòu)，有可能的是，柱12a中的電氣構(gòu)件具有比柱12b和12c中的電氣構(gòu)件更高的操作溫度。因此，來自柱12a的電氣構(gòu)件的冷卻液體具有高溫。
[0012]對于該特殊布置，來自柱12a的散熱器的流出管道22直接連接到第一水出口歧管32上，使得高溫液體不會再用于柱12b和12c的冷卻元件。然而，由于來自連接管道42的冷卻液體的溫度不高，故在向第二水出口歧管33提供冷卻液體之前，該冷卻液體用于冷卻柱12c的冷卻構(gòu)件。
[0013]然而，圖1的冷卻布置具有的缺點(diǎn)在于，需要用于各種支路的壓力補(bǔ)償裝置(36和40)，且還在于需要四個水歧管(兩個入口和兩個出口)來用于冷卻三柱式電力組12。
[0014]圖2中示出了另一個冷卻布置。圖2示出了使用單個液體入口歧管52、單個液體出口歧管54和多個管道56以用于將冷卻液體從第一散熱器58帶到第二散熱器60以及帶到第三散熱器62的冷卻系統(tǒng)50。然而，該方法具有以下缺點(diǎn)。假定功率半導(dǎo)體開關(guān)66以比與散熱器60和58相關(guān)聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)63和64更高的溫度操作。在該情況下，來自散熱器58和60的已經(jīng)被加熱的冷卻液體不會充分冷卻功率半導(dǎo)體開關(guān)66的散熱器62。因此，未充分冷卻的功率半導(dǎo)體開關(guān)66易于過早損壞，這是非期望的。避免圖2中示出的布置的該缺點(diǎn)的另一個布置將提供用于識別到的熱功率半導(dǎo)體開關(guān)的專用冷卻環(huán)路。然而，該最后的布置需要更復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)和更多管道，這也是非期望的。
[0015]因此，將期望的是，提供避免前述問題和缺點(diǎn)的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]根據(jù)一個例性實(shí)施例，存在一種用于功率變換設(shè)備的液體冷卻系統(tǒng)。液體冷卻系統(tǒng)包括:第一冷卻級，該第一冷卻級包括功率變換設(shè)備的第一冷卻構(gòu)件，其中該冷卻構(gòu)件連接來形成并聯(lián)的冷卻支路；混合歧管，該混合歧管構(gòu)造成流體地連接到并聯(lián)的冷卻支路上，使得來自并聯(lián)的冷卻支路的冷卻液體流在混合歧管中混合；以及第二冷卻級，該第二冷卻級包括第二冷卻構(gòu)件，且第二冷卻級依照流經(jīng)冷卻系統(tǒng)的冷卻液體而與第一冷卻級串聯(lián)地連接。來自第一冷卻級的冷卻液體流在被傳送到第二冷卻級之前在混合歧管中混合在一起。
[0017]根據(jù)另一個示例性實(shí)施例，存在功率變換設(shè)備，其包括:電力組，該電力組包括第一電氣構(gòu)件和第二電氣構(gòu)件；入口歧管，該入口歧管流體地連接到功率變換設(shè)備的第一冷卻級上且構(gòu)造成向第一冷卻級提供冷卻流體，以用于使與第一冷卻級相關(guān)聯(lián)的第一電氣構(gòu)件冷卻；混合歧管，該混合歧管流體地連接到第一冷卻級上且構(gòu)造成:(i)從第一冷卻級接收具有不同溫度的加熱的冷卻液體流，(?)混合加熱的冷卻液體流以實(shí)質(zhì)具有單個溫度，以及(iii)向功率變換設(shè)備的第二冷卻級提供混合的冷卻液體流，以用于使與第二冷卻級相關(guān)聯(lián)的第二電氣構(gòu)件冷卻；以及出口歧管，該出口歧管流體地連接到功率變換設(shè)備的第二冷卻級上且構(gòu)造成接收來自第二冷卻級的混合的冷卻液體流。 [0018]根據(jù)又一個7]^例性實(shí)施例,存在一種冷卻功率變換設(shè)備的方法。該方法包括向入口歧管提供冷卻液體；將來自入口歧管的冷卻液體轉(zhuǎn)移到功率變換設(shè)備的第一冷卻級的散熱器，其中散熱器設(shè)在并聯(lián)的冷卻支路上；冷卻第一冷卻級的散熱器；在混合歧管處接收來自第一冷卻級的并聯(lián)的冷卻支路的具有不同溫度的加熱的冷卻液體流；在混合歧管中混合加熱的冷卻液體流；向功率變換設(shè)備的第二冷卻級的散熱器提供混合的冷卻液體流；以及在連接到第二冷卻級上的出口歧管處收集來自第二冷卻級的混合的冷卻液體流。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]在并入說明書中且構(gòu)成說明書的一部分的所附附圖中示出了一個或多個實(shí)施例，且與描述一起闡釋這些實(shí)施例。在附圖中:
圖1為具有冷卻系統(tǒng)的常規(guī)電力組裝置的示意圖；
圖2為具有冷卻系統(tǒng)的常規(guī)電力組裝置的另一個示意圖；
圖3為根據(jù)示例性實(shí)施例的用于使功率變換設(shè)備冷卻的歧管系統(tǒng)的示意圖；
圖4為根據(jù)示例性實(shí)施例的用于使多柱式電力組冷卻的歧管系統(tǒng)的示意圖；
圖5為用于冷卻的歧管系統(tǒng)的散熱器的示意圖；
圖6為根據(jù)另一個示例性實(shí)施例的用于使多柱式電力組冷卻的歧管系統(tǒng)的示意圖；
圖7至圖9示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的水混合歧管的各種形狀；
圖10為根據(jù)示例性實(shí)施例的用于使多柱式電力組冷卻的歧管系統(tǒng)的又一個示意圖；
以及
圖11為根據(jù)示例性實(shí)施例示出了用于使多柱式電力組冷卻的方法的流程圖。【具體實(shí)施方式】
[0020]示例性實(shí)施例的以下描述參照所附附圖。不同附圖中的相同參考標(biāo)號表示相同或類似的元件。以下詳細(xì)描述不限制本發(fā)明。相反，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。為簡單起見，以下實(shí)施例參考水冷式三柱電力組的用語和結(jié)構(gòu)來描述。然而，接下來論述的實(shí)施例不限于這些電力組，而是可適用于具有需要冷卻的構(gòu)件的其它組或功率變換裝置。
[0021]在整個說明書中參照〃 一個實(shí)施例〃或〃實(shí)施例〃意思是結(jié)合實(shí)施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特點(diǎn)包括在所公開的主題的至少一個實(shí)施例中。因此，在整個說明書的不同位置出現(xiàn)的短語〃在一個實(shí)施例中〃或〃在實(shí)施例中〃不必參照相同的實(shí)施例。此外，可以以一個或多個實(shí)施例中的任何適合的方式組合具體的特征、結(jié)構(gòu)或特點(diǎn)。
[0022]根據(jù)示例性實(shí)施例，存在用于使多柱式電力組冷卻的歧管冷卻系統(tǒng)。歧管冷卻系統(tǒng)包括液體入口歧管、液體出口歧管以及液體混合歧管。冷卻構(gòu)件流體地連接歧管以用于使冷卻液體循環(huán)通過歧管。如稍后限定的，冷卻構(gòu)件集合成并聯(lián)和串聯(lián)支路。電氣構(gòu)件附接有或設(shè)有一些冷卻構(gòu)件。液體混合歧管收集來自并聯(lián)支路的冷卻液體流，使它們混合且然后向剩余的支路提供混合的冷卻液體以用于冷卻。
[0023]接下來論述的新穎的冷卻系統(tǒng)有利地提供了在液體環(huán)路下游的被冷卻的功率半導(dǎo)體開關(guān)的一致且更均勻的熱力性能而不管操作條件。此類操作條件包括未均勻地分布在需要由冷卻液體環(huán)路冷卻的功率半導(dǎo)體開關(guān)處的功率損耗，以及時間相關(guān)，即，取決于電路操作原理、電源(如，電網(wǎng))和/或負(fù)載(如，馬達(dá)和壓縮機(jī))情況的功率損耗。在這些條件下，期望的是，具有用于液體環(huán)路上游和下游的功率半導(dǎo)體開關(guān)的更有效的冷卻系統(tǒng)，利用了一些裝置在并聯(lián)的液體冷卻布置中消散比其它裝置更少的熱的事實(shí)。通過在冷卻并聯(lián)支路之后且在將液體傳送到下游的功率半導(dǎo)體開關(guān)之前混合冷卻液體，其允許液體溫度被平均成比來自最高功率消散支路的最大液體溫度的液體溫度更低的值。
[0024]此外，接下來論述的示例性實(shí)施例提供了解決并聯(lián)的冷卻支路間潛在的不匹配的ΔΡ的簡潔方法。在這方面，新穎的實(shí)施例中不需要附加的ΛΡ平衡元件。此外，不必仔細(xì)設(shè)計各個并聯(lián)的冷卻支路的直徑或提供節(jié)流閥來調(diào)整流動分布，以確保針對各個并聯(lián)的液體支路實(shí)現(xiàn)適合的流動量。
[0025]根據(jù)圖3中示出的示例性實(shí)施例，存在用于使功率變換設(shè)備的多個電氣構(gòu)件冷卻的冷卻系統(tǒng)80，其中多個電氣構(gòu)件與冷卻構(gòu)件相關(guān)聯(lián)。在論述圖3的細(xì)節(jié)之前，相信引入幾個構(gòu)想是合適的。功率變換設(shè)備可為具有一個或多個柱、功率模塊或柱與功率模塊的組合的功率變換設(shè)備。因此，新穎的實(shí)施例所適用的功率變換設(shè)備中的一些可不具有柱。電氣構(gòu)件指的是功率半導(dǎo)體開關(guān)、電感器、電容器、電阻器、母線或絕緣體中的一個或多個。功率半導(dǎo)體開關(guān)可為主動開關(guān)，例如，IGCT、IGBT、MOSFET等，或?yàn)楸粍娱_關(guān)，例如，二極管。針對電氣構(gòu)件的冷卻可整體結(jié)合為構(gòu)件(例如，水冷式電感器、水冷式電阻器)的一部分，或其需要附接于電氣構(gòu)件上的單獨(dú)的冷卻構(gòu)件。冷卻構(gòu)件為散熱器、混合歧管、入口歧管、出口歧管、合成射流、水管道、水管、壓力補(bǔ)償裝置、螺旋水管、調(diào)壓閥、變化直徑的水管道/管，或熱交換器中的一個或多個。
[0026]回到圖3，冷卻系統(tǒng)80可包括第一冷卻級82，該第一冷卻級82可部分或全部流體地連接到液體混合歧管84上，其繼而部分或全部流體地連接到第二冷卻級86上。液體混合歧管84收集來自第一冷卻級82的多個冷卻并聯(lián)支路86a-n的冷卻液體流。并聯(lián)支路的數(shù)目η為兩個或多個。液體混合歧管84混合來自多個冷卻支路86a-n的加熱的冷卻液體流，且向第二冷卻級86的串聯(lián)的冷卻支路88a-m提供該混合的冷卻液體，其中m為I或更大。串聯(lián)的冷卻支路88a-m可包括P個散熱器，其中P為I或I更大。將注意的是，并聯(lián)支路86的數(shù)目不必等于串聯(lián)支路88的數(shù)目。
[0027]還可提供液體入口歧管90和液體出口歧管92，以用于分別提供和移除來自冷卻系統(tǒng)的冷卻液體。因此，并聯(lián)支路將液體入口歧管90流體地連接到混合歧管84上,且串聯(lián)支路將混合歧管84流體地連接到液體出口歧管92上。此外，將注意的是，一些支路87a-k將入口歧管90流體地連接到出口歧管92上而沒有連接到混合歧管84上，其中k為等于或大于零的數(shù)目。
[0028]圖3中示出的實(shí)施例包括各種冷卻構(gòu)件。例如，冷卻支路86a包括管道94a和散熱器94b。對于第一冷卻級和第二冷卻級的剩余冷卻支路來說同樣如此。散熱器可與電氣構(gòu)件相關(guān)聯(lián)。此類電氣構(gòu)件94c可接觸冷卻構(gòu)件且與冷卻構(gòu)件交換熱。冷卻構(gòu)件和電氣構(gòu)件的數(shù)目在級與級之間可不同，如附圖中示出，且甚至在支路與支路之間可不同，如附圖中還示出。圖3為說明性附圖且不旨在示出支路或構(gòu)件等的確切數(shù)目。出于該原因，接下來的實(shí)施例和附圖提供了用于更好地理解示例性實(shí)施例的更明確的冷卻系統(tǒng)。然而，以下附圖不應(yīng)被解釋為將本發(fā)明限制到這些附圖中示出的柱或冷卻區(qū)段的數(shù)目。
[0029]在圖4中示出的示例性實(shí)施例中，功率變換設(shè)備100包括冷卻系統(tǒng)102和三柱式電力組150。如上所述，該新穎的特征也適用于具有更少的柱或不具有柱的功率變換設(shè)備。然而，出于示例性的目的，接下來論述三柱式電力組。因此，三柱式電力組不應(yīng)被解釋為限制該新穎特征的適用性。冷卻系統(tǒng)102包括第一冷卻級104和第二冷卻級106。各個冷卻級均具有多個冷卻支路。第一冷卻級104具有并聯(lián)的冷卻支路104a-n，其中η為等于或大于2的預(yù)先確定的整數(shù)。第二冷卻級106包括串聯(lián)的冷卻支路106a-m，其中m為等于或大于一的預(yù)先確定的整數(shù)。N和m可為相等的或不同的。
[0030]圖4示出了分別具有散熱器160的并聯(lián)的冷卻支路104a_n。如上所述，其它構(gòu)造也是可能的，即，每個并聯(lián)支路有更少或更多的散熱器。如稍后將論述的，散熱器160具有對應(yīng)的電氣構(gòu)件158。冷卻系統(tǒng)102還可包括液體入口歧管108、液體出口歧管110以及液體混合歧管112。三柱式電力組(該示例性實(shí)施例還可適用于多柱式電力組或無柱式功率變換設(shè)備)150包括多個電氣構(gòu)件，例如，功率半導(dǎo)體開關(guān)158。三柱式功率變換設(shè)備100包括半導(dǎo)體裝置的第一柱152、第二柱154以及第三柱156。如上所述，可以利用冷卻系統(tǒng)來冷卻更多或更少的柱。圖4示出的是，各個柱均具有介入多個散熱器160之間的多個功率半導(dǎo)體開關(guān)158?？纱嬖谄渌姎鈽?gòu)件或冷卻構(gòu)件。
[0031]散熱器160可為具有由如圖5中所示的通道166連接到彼此上的入口 162和出口164的金屬塊。允許水進(jìn)入入口 162，穿過通道166而通過出口 164離開。圖5中示出了具有過分簡單化的形狀的導(dǎo)管166。然而，通道166可包括復(fù)雜的或簡單的形狀。此類導(dǎo)管也為冷卻構(gòu)件，且該通道不僅可與散熱器相關(guān)聯(lián)，而且例如，可與水冷式電感器相關(guān)聯(lián)。通道166的目的在于便于熱從散熱器或其它冷卻構(gòu)件轉(zhuǎn)移到流經(jīng)通道的流體。
[0032]還參考圖4，液體入口歧管108構(gòu)造成在入口 113處接收冷卻液體。冷卻液體具有用于冷卻電氣構(gòu)件的適當(dāng)?shù)臏囟?。液體分布到將冷卻液體傳送到第一冷卻級104的散熱器160的一組進(jìn)入管道114中。進(jìn)入管道114并聯(lián)地連接在液體入口歧管108與混合歧管112之間。從此開始，冷卻液體進(jìn)入散熱器且移除熱，在此之后，冷卻液體進(jìn)入將加熱的冷卻液體帶到液體混合歧管112中的流出管道116。
[0033]將注意的是，混合歧管112可接收來自第一柱152的所有散熱器160的加熱的冷卻液體流。因此，如果第一柱152的一個或多個功率半導(dǎo)體開關(guān)以比相同柱的另外的功率半導(dǎo)體開關(guān)更高的溫度操作，則來自這些構(gòu)件的冷卻液體流在混合歧管112中混合在一起，從而在分布到串聯(lián)支路106a-m之前將冷卻液體引到實(shí)質(zhì)恒定的溫度。換言之，具有不同溫度的冷卻液體流在第一冷卻級104中混合在一起，以向第二冷卻級106的支路提供具有實(shí)質(zhì)均勻溫度的冷卻液體。
[0034]在示例性實(shí)施例中，機(jī)構(gòu)118可提供在液體混合歧管112內(nèi)部或連接到液體混合歧管112上，以用于增強(qiáng)冷卻液體流的混合。例如，此類機(jī)構(gòu)118可為合成射流。合成射流可以以一定數(shù)目的方式實(shí)施，如，用電磁驅(qū)動器、壓電驅(qū)動器，或甚至機(jī)械驅(qū)動器，如，活塞。各個驅(qū)動器使膜片或隔膜每秒上下移動多次，將周圍的流體吸入室中而然后將其排出。
[0035]液體混合歧管112取決于功率變換設(shè)備100中的柱的機(jī)械布置可具有不同的形狀。圖4示出了具有U形形狀的液體混合歧管112。對于該歧管，還可使用V形形狀或直線形狀。然而，所觀察到的是，U形形狀提供了來自第一柱的各種液體流的更好且更快的混合。液體混合歧管112可連接(直接地或間接地)到各種長度和直徑的管道114，116，120，122和124上。該管道可由抗腐蝕、高溫和/或電絕緣材料制成，如，不銹鋼或塑料或復(fù)合材料。
[0036]在混合了從第一冷卻級104的散熱器中收集的液體流之后，液體混合歧管112可將該混合的冷卻液體傳送到另一組進(jìn)入管道120。進(jìn)入管道120將液體混合歧管112連接到第二冷卻級106和第二柱154的散熱器上。如稍后論述，進(jìn)入管道120可與其它管道串聯(lián)地連接。由于柱154和156的功率半導(dǎo)體開關(guān)可以以比柱152的開關(guān)更低的溫度操作，故來自與第二柱154的電氣構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的散熱器的冷卻液體經(jīng)由中間管道122提供到與第三柱156的電氣構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的散熱器。從此開始，一組流出管道124 (與進(jìn)入管道120和中間管道122串聯(lián)地連接)將加熱的冷卻液體帶到液體出口歧管110。加熱的冷卻液體可通過熱交換器(未示出)冷卻且回到液體入口歧管108或被排出。
[0037]圖4中示出的實(shí)施例在三個柱中可具有各種類型的電氣構(gòu)件。該電氣構(gòu)件可包括功率半導(dǎo)體開關(guān)。例如，柱152中的功率半導(dǎo)體開關(guān)可為具有比被動開關(guān)(如，二極管)更高的功率損耗的IGCT或IEGT或緊壓包裝的IGBT，而柱154和156中的開關(guān)可為二極管。如將由本領(lǐng)域中的技術(shù)人員認(rèn)識到的，功率半導(dǎo)體開關(guān)的其它組合是可能的。
[0038]圖4中示出的實(shí)施例假定三柱式電力組具有一個柱152，柱152具有帶有比其它兩個柱的元件更高的損耗且對溫度下降更敏感的元件。然而，如果兩個柱具有帶有更高損耗的電氣構(gòu)件，則圖6示出了其中冷卻系統(tǒng)200包括設(shè)在第二柱154與第三柱156之間(即，第二冷卻級106分開以具有第二冷卻級106’和第三冷卻級106’ ’)的附加的液體混合歧管202的實(shí)施例。對于該布置，需要補(bǔ)充的管道204和206組，以用于將第二冷卻級和第三冷卻級的散熱器(或其他冷卻構(gòu)件)流體地連接到附加的液體混合歧管202上。其中使用了更多的柱和附加的液體混合歧管的其它布置是可能的。
[0039]如之前論述的，液體混合歧管可具有如圖7中所示的V形形狀或如圖8中所示的直線形狀或如圖9中所示的圓形形狀。圖7中的液體混合歧管300具有進(jìn)入管道302和流出管道304,液體混合歧管400具有進(jìn)入管道402和流出管道404,且圖9的液體混合歧管500具有進(jìn)入管道502和流出管道504。
[0040]在另一個示例性實(shí)施例中，并非冷卻區(qū)段的所有散熱器(或其它冷卻構(gòu)件)都連接到液體混合歧管上。例如，圖10示出了其中冷卻系統(tǒng)600包括液體入口歧管602、液體混合歧管604以及液體出口歧管606的此類實(shí)施例。然而，第一冷卻級616的散熱器608連接到液體混合歧管604上，且然后連接到第二冷卻區(qū)段618的散熱器610上，而第一冷卻組616的另一個散熱器612直接連接到第二冷卻級618的散熱器614上。散熱器與液體混合歧管之間的連接的其它排列是可能的，且旨在由示例性實(shí)施例覆蓋。
[0041]以上論述的一個或多個新穎的示例性實(shí)施例有利地向針對功率半導(dǎo)體開關(guān)的冷卻而供應(yīng)的液體流提供了均勻的溫度分布。此外，這些實(shí)施例中的一個或多個在各個柱的開關(guān)元件以不同溫度加熱時提供了液體流的更好分布和/或減少了冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
[0042]根據(jù)示例性實(shí)施例，對于功率變換設(shè)備，可實(shí)施以下規(guī)則。對于并聯(lián)支路，放置在針對高損耗、溫度敏感(例如，載流和關(guān)閉能力、故障等)的電氣構(gòu)件的并聯(lián)連接中具有相等壓降的冷卻構(gòu)件(例如，散熱器)。并聯(lián)的冷卻構(gòu)件的最大數(shù)目由冷卻系統(tǒng)的最大可允許的流速限制。針對最溫度敏感且高損耗的電氣構(gòu)件的冷卻構(gòu)件并聯(lián)地放置在冷卻系統(tǒng)的第一冷卻級中，隨后連接到混合歧管的入口上。
[0043]對于串聯(lián)支路，具有不同壓降冷卻構(gòu)件和附接于更少的溫度敏感電氣構(gòu)件上的那些冷卻構(gòu)件可串聯(lián)地放置，以減小流速?？纱?lián)地連接的冷卻構(gòu)件的最大數(shù)目由最后的級的總的可允許的壓降和最大入口溫度限制。冷卻構(gòu)件的多個串聯(lián)支路(優(yōu)選為根據(jù)電路布局而構(gòu)造，如，串聯(lián)連接的階段A，B, C構(gòu)件)可并聯(lián)地連接。
[0044]至于混合歧管的使用，如果附接于并聯(lián)的冷卻構(gòu)件上的那些電氣構(gòu)件的損耗取決于操作條件而變化，則冷卻液體流在將冷卻液體進(jìn)一步傳送到下游的冷卻構(gòu)件之前在混合歧管中混合。
[0045]混合歧管可由鋁、銅、不銹鋼、聚四氟乙烯或硅橡膠軟管制成。
[0046]根據(jù)圖11中示出的示例性實(shí)施例，存在用于冷卻功率變換設(shè)備的方法。該方法包括在液體入口歧管中提供冷卻液體的步驟1100 ;將冷卻液體從液體入口歧管轉(zhuǎn)移到功率變換設(shè)備的第一冷卻級的散熱器的步驟1102 ;冷卻第一冷卻級的散熱器的步驟1104 ;在液體混合歧管處接收來自第一冷卻級的具有不同溫度的加熱的冷卻液體流的步驟1106 ;在液體混合歧管中混合加熱的液體流的步驟1108 ;向功率變換設(shè)備的第二冷卻級的散熱器提供混合的液體流的步驟1110 ;以及在液體出口歧管處收集來自第二冷卻級的冷卻液體流的步驟1112。
[0047]所公開的示例性實(shí)施例提供了用于更好地冷卻多柱式電力組和/或具有多個冷卻支路的功率變換器的系統(tǒng)和方法。應(yīng)理解的是，該描述不旨在限制本發(fā)明。相反，該示例性實(shí)施例旨在覆蓋包括在如由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍中的備選方案、變型和等同物。此外，在示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述中闡述了許多具體細(xì)節(jié)，使得提供所請求的發(fā)明的全面理解。然而，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解的是，可在沒有此類具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐各種實(shí)施例。
[0048]盡管在實(shí)施例中以具體的組合描述了本示例性實(shí)施例的特征和要素，但各個特征或要素可在沒有實(shí)施例的其它特征和要素的情況下單獨(dú)使用或以具有或沒有本文公開的其它特征和要素的各種組合使用。
[0049]所撰寫的描述使用公開的主題的示例，來用以使得本領(lǐng)域中的任何技術(shù)人員都能夠?qū)嵺`本主題，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)并執(zhí)行并入的任何方法。本主題的可取得專利的范圍由權(quán)利要求限定，且可包括由本領(lǐng)域中的技術(shù)人員想到的其它示例。此類其它示例旨在在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于功率變換設(shè)備的液體冷卻系統(tǒng)，所述液體冷卻系統(tǒng)包括: 第一冷卻級，所述第一冷卻級包括所述功率變換設(shè)備的第一冷卻構(gòu)件，其中所述冷卻構(gòu)件相連接以形成并聯(lián)的冷卻支路； 混合歧管，所述混合歧管構(gòu)造成流體地連接到所述并聯(lián)的冷卻支路上，使得來自所述并聯(lián)的冷卻支路的冷卻液體流在所述混合歧管中混合；以及 第二冷卻級，所述第二冷卻級包括第二冷卻構(gòu)件，且所述第二冷卻級依照流經(jīng)所述冷卻系統(tǒng)的冷卻液體而與所述第一冷卻級串聯(lián)地連接， 其中，來自所述第一冷卻級的所述冷卻液體流在被傳送到所述第二冷卻級之前在所述混合歧管中混合在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述第一冷卻級中的所述并聯(lián)的冷卻支路中的至少一個支路包括多個冷卻構(gòu)件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述多個冷卻構(gòu)件為流體地串聯(lián)地連接的冷卻管道和散熱器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述第一冷卻構(gòu)件或所述第二冷卻構(gòu)件的冷卻構(gòu)件具有直接與電氣構(gòu)件的面接觸的面或者所述冷卻構(gòu)件與所述電氣構(gòu)件整體構(gòu)建。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述液體冷卻系統(tǒng)還包括: 第一電氣構(gòu)件，所述第一電氣構(gòu)件構(gòu)造成由所述第一冷卻級的所述第一冷卻構(gòu)件冷卻；以及 第二電氣構(gòu)件，所述第二電氣構(gòu)件構(gòu)造成由所述第二冷卻級的所述第二冷卻構(gòu)件冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的液體冷卻系統(tǒng),其特征在于,所述第一電氣構(gòu)件或所述第二電氣構(gòu)件包括電阻器、電感器、電容器或功率半導(dǎo)體開關(guān)中的一個或多個。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的液體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，功率半導(dǎo)體開關(guān)為緊壓包裝的IGCT、緊壓包裝的IGBT、緊壓包裝的IEGT、SCR、IGBT模塊、MOSFET或緊壓包裝的二極管中的一者。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述液體冷卻系統(tǒng)還包括: 與所述第二冷卻級串聯(lián)地連接且包括一個或多個冷卻支路的至少一個第三冷卻級。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述第一冷卻級與包括功率半導(dǎo)體開關(guān)的柱相關(guān)聯(lián)，且所述第二冷卻級與包括功率半導(dǎo)體開關(guān)的兩個柱相關(guān)聯(lián)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述液體冷卻系統(tǒng)還包括: 液體入口歧管，所述液體入口歧管流體地連接到所述第一冷卻級的所述并聯(lián)的冷卻支路上; 所述混合歧管構(gòu)造成:(i)從所述第一冷卻級接收具有不同溫度的所述加熱的液體冷卻流，(?)混合所述加熱的冷卻液體流以實(shí)質(zhì)具有單個溫度，以及(iii)向所述第二冷卻級的所述第二冷卻構(gòu)件提供所述混合的冷卻液體流；以及 液體出口歧管，所述液體出口歧管流體地連接到所述第二冷卻級的所述第二冷卻構(gòu)件上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的液體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述第一冷卻級還包括:連接在所述液體入口歧管與所述第一冷卻級的散熱器之間的進(jìn)入管道；以及 連接在所述第一冷卻級的所述散熱器與所述混合歧管之間的流出管道， 其中，所述第一冷卻級的所述散熱器與電氣構(gòu)件的第一柱相關(guān)聯(lián)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的液體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述第二冷卻級還包括: 在所述混合歧管和與電氣構(gòu)件的第二柱相關(guān)聯(lián)的所述第二冷卻級的散熱器之間的進(jìn)入管道； 在與所述第二柱相關(guān)聯(lián)的所述第二冷卻級的所述散熱器和與電氣構(gòu)件的第三柱相關(guān)聯(lián)的所述第二冷卻級的散熱器之間的中間管道；以及 在與所述第三柱相關(guān)聯(lián)的所述第二冷卻區(qū)段的所述散熱器和所述液體出口歧管之間的流出管道， 其中，所述進(jìn)入管道、所述中間管道以及所述流出管道串聯(lián)地連接在所述液體混合歧管與所述液體出口歧管之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述混合歧管具有U形形狀。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述混合歧管具有V形形狀、直線形狀或圓形形狀。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的液體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述液體冷卻系統(tǒng)還包括: 混合機(jī)構(gòu)，其連接到所述混合歧管上以便于所述冷卻液體流的混合。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述液體冷卻系統(tǒng)還包括: 連接在所述第二冷卻級與第三冷卻級之間的附加的混合歧管。
17.—種功率變換設(shè)備，包括: 電力組，所述電力組包括第一電氣構(gòu)件和第二電氣構(gòu)件； 入口歧管，所述入口歧管流體地連接到所述功率變換設(shè)備的第一冷卻級上且構(gòu)造成向所述第一冷卻級提供冷卻流體，以用于使與所述第一冷卻級相關(guān)聯(lián)的所述第一電氣構(gòu)件冷卻； 混合歧管，所述混合歧管流體地連接到所述第一冷卻級上且構(gòu)造成:(i)從所述第一冷卻級接收具有不同溫度的加熱的冷卻液體流，(?)混合所述加熱的冷卻液體流以實(shí)質(zhì)具有單個溫度，以及(iii)向所述功率變換設(shè)備的第二冷卻級提供所述混合的冷卻液體流，以用于使與所述第二冷卻級相關(guān)聯(lián)的第二電氣構(gòu)件冷卻；以及 出口歧管，所述出口歧管流體地連接到所述功率變換設(shè)備的所述第二冷卻級上且構(gòu)造成接收來自所述第二冷卻級的混合的冷卻液體流。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的功率變換設(shè)備，其特征在于，所述混合歧管具有U形形狀。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的功率變換設(shè)備，其特征在于，所述功率變換設(shè)備還包括: 冷卻支路，所述冷卻支路將所述入口歧管直接連接到所述出口歧管上。
20.一種冷卻功率變換設(shè)備的方法，所述方法包括: 向入口歧管提供冷卻液體； 將所述冷卻液體從所述入口歧管轉(zhuǎn)移到所述功率變換設(shè)備的第一冷卻級的散熱器，其中所述散熱器設(shè)在并聯(lián)的冷卻支路上； 冷卻所述第一冷卻級的所述散熱器； 在混合歧管處接收來自所述第一冷卻級的所述并聯(lián)的冷卻支路的具有不同溫度的加熱的冷卻液體流； 在所述混合歧管中混合所述加熱的冷卻液體流； 向所述功率變換設(shè)備的第二冷卻級的散熱器提供所述混合的冷卻液體流；以及在連接到所述第二冷卻級上的出口歧管處收集來自所述第二冷卻級的混合的冷卻液體流 。
【文檔編號】H01L23/46GK103733332SQ201180072871
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月15日
【發(fā)明者】張帆, 張小丹, R.S.張, 盛軍鋒 申請人:諾沃皮尼奧內(nèi)有限公司