Спосіб охолодження напівпровідникових приладів силової електроніки

Спосіб охолодження напівпровідникових приладів силової електроніки, що включає охолодження рідиною, яка відбирає від них тепло, який відрізняє ться тим, що як охолоджуючу рідину використовують ту ж саму рідину, яка є робочим тілом нагрівального апарата, що керується цими напівпровідниковими приладами силової електроніки і підігрівається цим же нагрівальним апаратом. (19) (21) u200804408 (22) 07.04.2008 (24) 27.10.2008 (46) 27.10.2008, Бюл.№ 20, 2008 р. (72) ШАПОВАЛОВ ВАЛЕНТИН ДМИТРІЙОВИЧ, UA, БІГВАВА ВІТАЛІЙ АНТОНОВИЧ, U A (73) НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ТА ПРОЕКТНОКОНСТРУКТОРСЬКИЙ ІНСТИТУТ "ІСКРА", U A 3 36288 джувачах в навколишнє середовище, без урахування потужності вентилятора склали 765Вт, при охолодженні модулів зворотною водою опалювальної системи все тепло що було відібране від них пішло на підігрів цієї води, тобто за прямим призначенням. Отже, корисна модель, що заявляється, характеризується тим, що забезпечує досить простий і ефективний спосіб охолодження потужних приладів силової електроніки і дозволяє утилізувати тепло що відбирається від приладів, які охолоджуються. Далі слід відмітити те що таке рішення дозволяє використовувати його в системах о холодження потужних напівпровідникових приладів силової електроніки будь-яких перетворювачах електричної енергії, які застосовуються для керування підігрівом рідини до температур нижчих ніж максимально припустима температура переходу напівпровідника. Спосіб охолодження потужних приладів силової електроніки електричних опалювальних котлів за допомогою гарячої води-теплоносія, яка підігрівається цим же котлом, можна реалізувати таким чином: стінку частини трубопроводу зворотної подачі води, або стінку частини корпусу самого котла виконують у вигляді пластини з міді, одна сторона котрої омивається теплоносієм (водою), а до протилежної сторони прикріплюються через теплопровідну пасту прилади силової електроніки (наприклад модулі гібридні оптосимисторні, які управляють цім же котлом МГТСО8/18-320), таким же чином, як вони кріпляться до стандартних охолоджувачів (наприклад охолоджувачів ОР344240). При такій конструкції тепловідводу, тепло яке виділяється на напівпровідниковому переході симисторів, через корпуси оптосимисторних модулів, шар теплопровідної пасти і мідні стінки зворотного трубопроводу, або котла відводиться водою, що підігрівається цим же котлом і утилізується опалювальною системою за своїм прямим призначенням, підвищуючи цим економічність системи опалення. Ефективність такої системи охолодження приладів силової електроніки електричних опалювальних котлів, можна показати на прикладі наступного простого розрахунку відводу тепла від модулів гібридних оптосимисторних МГТСО8/18320. зворотною водою опалювальної системи: Максимальний припустимий діючий струм модуля у відкритому стані дорівнює: макс lMAX TН.П.Переходу - Т середи 0,8UOC * R ТК -С , де: Т макс Н.П.Переходу - максимально припустима температура напівпровідникового переходу, яка дорівнює 383 K; Тсереди - температура охолоджувальної середи, якою в даному разі є теплоносій опалювальної системи, максимальна температура його повинна бути не вище 85°С, тобто температура охолоджувальної середи може дорівнювати або бути меншою за 358К; 4 UОС - динамічне падання напруги на напівпровідниковому переході у відкритому стані, що дорівнює для модулів гібридних оптосімисторних типу МГТСО8/18-320 1,65В. RТК-С - тепловий опір ділянки теплового ланцюга „напівпровідниковий кристал" -„середа що охолоджує", який дорівнює. У свою чергу тепловий опір цієї ділянки теплового ланцюга дорівнює: RTК-C =RTП-К +RT_пасти + RT_міді + RT_мідь-вода, де: RTП-К внутрішній тепловий опір ділянки теплового ланцюга перехід-корпус, у модулів гібридних оптосімисторних типу МГТСО8/18-320 він перевищує 0, 09 К/Вт; RT_пасти - тепловий опір на ділянці теплового ланцюга між поверхнею модуля що відводе тепло й мідною стінкою трубопроводу зворотної води, через шар теплопровідної пасти КПТ-8. При скріпленні модуля із трубопроводом за допомогою болтів через шар теплопровідної пасти КПТ-8, коефіцієнт теплопередачі а, такої ділянки буде дорівнювати 22000 Вт/м K. Площа поверхні модуля що відводе тепло дорівнює S=0,0031m 2, таким чином внутрішній тепловий опір на цій ділянці дорівнює 1 1 RТ _ пасти = = = 0,015К / Вт a * S 22000* 0,0031 RT_міді - тепловий опір мідної стінки трубопроводу зворотної води. Довжина теплового потоку в мідній стінці lміді дорівнює товщині цієї стінки, наприклад 3мм, що достатньо при тиску в опалювальних системах, в яких застосовуються електричні опалювальні котли. Коефіцієнт теплопровідності міді lмідіи становить 401Вт/м К. Площадь сечения теплового потока через медь Sміді также как и в предыдущем случае равна також як й у попередньому випадку приблизно дорівнює S=0,0031м 2. Звідціля маємо: Іміді 0,003 RТ _ міді = = = 0,002К / Вт lмідіи* Sміді 401* 0,0031 RТ_мідь-вода - тепловий опір на границі мідь охолоджуюча середа (зворотна вода з температурою 85°C). Ефективна площа перетину теплового потоку через границю мідна стінка - потік води, дорівнює перетину теплового потоку через мідну стінку, тобто як в попередніх випадках S=0,0031м 2. Коефіцієнт теплопередачі a для границі розділення фаз мідь-вода, навіть при самих несприятливих умовах: швидкість води не більше 0,1 м/с, і режим плину - ламінарний, буде становити порядку 18000 Вт/м 2 ·К. Таким чином тепловий опір на границі мідь - охолоджуюча середа буде дорівнювати: R T _ мідь- вода = 1 1 = = 0,0529 К / Вт aграниці *S 18000 * 0,00105 А повний тепловий опір теплового ланцюга „напівпровідниковий кристал - охолоджувальну середовище" дорівнює: RTК -С = åRT=0,09+0,015+0,002+0,0529=0,1599 К/Вт 5 36288 Таким чином максимально припустимий діючий струм модуля у відкритому стані буде становити: макс TН.П.Переходу - Тсереди 383 - 358 lMAX = = 118 A 0,8UOC * R ТК - С 0,8 *1,65 * 0,1599 Якщо додатково, в частині трубопроводу зворотної води, в тому місці де буде змонтована мідна теплопровідна пластина з симисторами, встановити пристрої що турбулізують потік, можна підвищити коефіцієнт теплопередачі на границі мідь - охолоджуюча середа, а за цей рахунок знизити тепловій опір всього теплового ланцюга і ще додатково, значно підвищити максимально припустимий діючий струм модуля. Для порівняння - максимально припустимий діючий струм модулів оптосимисторних типу Комп’ютерна в ерстка Л. Купенко 6 МГТСО 8/18-320 у відкритому стані, при використанні рекомендованих виробником повітряних охолоджувачів ОР344-240, становить 94 А. Теплова потужність яка утилізується при використанні теплоносія ля охолодження даних модулів становить 195 Вт на один модуль або 584 Вт при трифазному живленні. Економія електроенергії складе майже 5100 кВт*годин на рік. Висновки: Використання для охолодження потужних приладів силової електроніки теплоносіїв що мають температуру близьку до критичної температури переходу, більш ефективно чим повітряного охолодженням із застосуванням серійних повітряних охолоджувачів, де шевше у виготовленні й дає економію електроенергії за рахунок утилізації тепла виділюваного на переході. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601