热管散热器在励磁系统中的应用.pdf

2013年第2期(总190期)
安微建筑
热管散热器在励磁系统中的应用
Heat Pipe Radiator in the Application of Field System
陈曦(福建省东南电化股份有限公司,福建福州350309)
摘要:随着新技术的出现和日益成熟,自冷方式的热管散热器已经
开始在功率散热方面开始应用,而且也起到了比较明显的效果,文章
主要介绍了热管散热器在励磁系统中的应用情况。
关键词:可控硅;整流桥;热管散热器
中图分类号;TU832.23
文献标识码:B
文章编号:1007-7359(2013)02-0196-03
0前言
功率部分是发电机励磁系统的重要组成部分,随着大功率
高电压硅整流元件的出现,多采用硅整流,将交流电源转换成
直流电源,以提供所需要的直流电源。在电力电子技术及生产
制造工艺日益成熟的今天,采用单只高性能的大功率整流管取
代多只申并联管构成的大功率整流柜,提高了元件的集成度,
放段
水能够较好地解决均流、均压等复杂问题,提高设备运行的安全
图1热管工作示意图
电性及可靠性。在硅元件的冷却方式上,通常采用强迫风冷。随着
暖新技术的出现和日益成熟,自冷方式的热管散热器已经开始在
热管
通功率散热方面开始应用,而且也起到了比较明显的效果。
技
散热
术
与
1概述
散热片
应
用
自然冷却的整流装置,采用先进的散热技术,大大降低了
大功率发热单元至外环境自然热传导的热阻(0.05℃/W-0.2℃
/W),实现了在自然条件下的高效散热,并保证功率器件在远低
受热端
于其极限“结温”的状态下长期额定输出。在该装置中,各功率
受热体
器件敞开安装,而无须设置密封风道,既可大大提高设备的可
维护性和电器绝缘性能,又可避免因高速冷却风吸取的粉尘在
散热器上的堆积,保证了散热器长期工作的可靠性及稳定性。
在极端恶劣的运行环境下工作时,可以在整流桥下端加装
微机高性能轴流风机辅助风冷。当在设计功率装置的1/2-2/3
退出时,即可启动小风机辅助风冷(风速0.5ms-2ms)。根据
ABB等国外公司的实际运行统计,采用自然冷却的整流装置较
图2热管散热器构示图
常规强迫风冷的整流装置,其运行可靠性要高60%
放热端
2热管
热管是由工作介质和具有特定结约的管壳组成的、依靠工
作介质的相变所吸收或释放潜热来将熱量从一端迅速传递到
安
其他部分的传热元件(见图1)
功率半导体器件用热管散热器所用的热管,属于靠重力回
建
筑
收稿日期:2013-03-05
作者简介:陈(1976-),男,福建福州人,毕业于福州大学,学士,工程
受热端
师
图3应用中热管的位
安徽建鲵
2013年第2期(总190期)
流冷凝液的热管,称为重力热管或热虹吸管。目前,绝大部分这势。这样,热管散热器的热响应性显示了该快则快,该慢则慢的
类热管是“铜一水”热管,即管壳铜质的,工质是水,由于“铜一独特优点。
水”具有极好的“相容性”。即长期不产生不凝结气体。因此,如3.4与器件接触面的温度比较均匀
果在热管制造过程中能将不凝结气体排出并做到封口可靠,
实体散热器由于结构的限制,与器件接触面中间区域的温
铜一水”热管就将具有持久的寿命,有资料介绍“铜一水”热管升比周边要高,热管散热器改变了这一点,使热管在周边与中
的相容性予以一致的肯定。
间区域均匀布置,因而各点的温升是较一致的,这实际上避免
正常的“铜一水”热管内部的压力与其所处的温度有关,温了半导体芯片结温不均匀的问题,提高了器件的可靠性,随着
度低于100℃时,管内对外是负压;大于100℃时,管内对外是器件散热面积的增大及机加工精度的提高,这方面的优势将更
正压,且随着温度的升高压力急剧增大;到180℃后时,管内对加明显。
外约有9个大气压,利用这一现象,可以检测热管在分子团量3.5可实现高耐压结构
级的泄漏,但耗时甚长。
由于热管散热器的吸热部分与散热部分与分开的,因此
由于热管内的纵向热传导是靠蒸气来完成的,适当的内部可较方便地考虑电气绝缘的问题。在吸热部分,电气绝缘取决
结构可提供足够的蒸气压力,加之水的蒸发潜热很大,因此在于管壳的耐压;在散热部分,可采取隔离措施,实现可靠电气隔
传输很大的热流时,两端并不产生很大的温降,在传热原理上离,这对高压器件的应用是极有利的
与金属的热传导有着本质的不同。在某些应用范围内热管可以3.6结构形式多样化
看成一种最佳组合的工程结构,它相当于导热率大大超过任何
满足各种应用场合的要求,使用户在安装布线及相关元件
已知金属的一种物体。
布置方面更加方便,大大节省了设计工作量,方便了施工。
国内采用的热管散热器有用于平板型器件和模块类器件
3热管散热器
两大类热管散热器。
第一类为平板型器件(主要指可控硅和整流管)用热管散
用热管制造的用于功率半导体器件散热的散热器称为功热器,分为两种,一种为风冷型,另一种为自冷型。
率半导体器件用热管散热器。
风冷型的热管散热器目前主要集中在大电流高电压的可
由于功率半导体器件的工作温区上限在“铜一水”热管的控硅上(>200V,~>1500),这类可控硅如果单桥(三相全控
工作温区之内,铜一水"热的吸热热流密度(与热管设计有关)桥出力要求100以上,大多采用强风冷或弱风冷形式,以实
可以与器件的发热热流密度匹配,冷起动(管内结冰状态下起现较大的电流出力、强风冷时噪声较大,通尘量较大,有必要采水
动)及温升尖峰问题均获得了良好的解决,实现了与实体风冷用空气过滤层以降低功率装置内的灰尘积累,定期更换空气过电
散热的热响应具有相同的适时性。因此,过去用于实体散热器滤层会使功率装置保养变得较为简单,另外控制主电室的环境暖
的一套热传输计算方法,也可以用在热管散热器上。正是由手也是很重要的措施之一良好的设计及及时保养会使功率单元技
这些重大技术问题的解决,加之对热管封口工艺及管内细微传
具有持久的寿命。
术
热过程的清楚认识,使得我国在设计制作热管散热器时有了可
强风冷指散热器进口风速低于3.5m/高于2m/s时的冷却与
靠的依据。
状况,这时散热器的流阻设计得较小,用小型轴流风机应
从结构上看,绝大部分热管散热器由热管、散热片、受热体(50W-90W)即可达到冷却的目的。这种装置特点是噪声小,通
及附件四部分(见图2)组成。其中,热管是放热器的传热部分
尘量小,无需加过滤层,长期工作无需维修,功率装置的综合技
受热体是散热器的吸热部分,散热片是散热器的散热部分,附术指标好。
件则起到紧固、安装、电气绝缘与相关部分配合等方面的作用。
自冷型的热管散热器多用于出力在500A~1500A或
与实体的风冷散热器相比热管散热器具有如下特点
1800A的可控硅三相桥及出力在800A~2000A的整流管三相
3.1具有热阻的可调整性
桥,用的可控硅多为800A~2500A,整流管多为1000A-3000A
由图可看出,串散热片那部分的热管长度是可调整的,因这种装置的特点为结构简单,装置生产厂家很容易设计结构
此可增减串片数