CC BY
61
УДК 62-71; 621.314; 621.382
И. Г. Киселев, С. В. Урушев, И. А. Иванов, Ю. О. Водопьянова
ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ С ИСПАРИТЕЛЬНО-ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
Дата поступления: 21.11.2017 Решение о публикации: 28.1 1.2017
Аннотация
Цель: Увеличить надежность и долговечность полупроводниковых приборов за счет оптимизации процессов теплообмена установок с испарительно-воздушным охлаждением. Методы: Применен анализ конструктивных особенностей охладительных установок. Результаты: Описаны особенности конструкции «двухфазного термосифона» для силовых полупроводниковых приборов. Проведено экспериментальное исследование силовых блоков полупроводниковых преобразовательных установок с охладителями типа «двухфазный термосифон». Получены значения предельного допустимого тока при возможных компоновках приборов таблеточного типа с такими охладителями. Практическая значимость: Применение испарительно-воздушных охладителей типа двухфазного термосифона позволит улучшить массогабаритные показатели преобразовательных установок.
Ключевые слова: Силовые полупроводниковые приборы таблеточного типа, охладитель типа «двухфазный термосифон».
Igor G. Kiselev, D. Sci. Eng., professor, [email protected]; Sergey V. Urushev, D. Sci. Eng., professor, head of a chair, [email protected]; Igor A. Ivanov, D. Sci. Eng., professor, [email protected]; *Yulia O. Vodopyanova, postgraduate student, [email protected] (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) HEAT EXCHANGE PROCESSES IN POWER SEMICONDUCTOR CONVERTER INSTALLATIONS WITH EVAPORATIVE AIR COOLING
Summary
Objective: To improve reliability and endurance of semiconductor devices by means of heat exchange processes optimization of installations with evaporative air cooling. Methods: Design features analysis of cooling installations was applied. Results: The structural features of "a two-phase thermal siphon" for power semiconductor devices were described. Experimental research of power blocks of semiconductor converter installations with "two-phase thermal siphon" coolers was conducted. The values of maximum permissible currents upon the application of possible button-type instrument configurations with such coolers were obtained. Practical importance: Application of "two-phase thermal siphon" evaporative air coolers will make it possible to improve weight-size parameters of converter installations.
Keywords: Button-type power semiconductors, "two-phase thermal siphon" cooler.
Нагрузочная способность, надежность и долговечность силовых полупроводниковых устройств в значительной мере определяется их тепловым режимом, который формирует система охлаждения. Конструкция охлаждающих элементов и вся система охлаждения определяет массогабаритные показатели устройства в целом.
Достоинством этих охлаждающих устройств являются высокая тепло-передающая способность и улучшенные массогабаритные характеристики по сравнению с цельнометаллическими охладителями [8-10].
Конструкция двухфазного термосифона, предназначенного для отвода теплоты от мощных полупроводниковых приборов таблеточного типа с диаметром кремниевого диска 40-56 мм, показана на рис. 1.
Рис. 1. Конструкция термосифона: 1 - испаритель; 2 - конденсатор; 3 - продольные канавки; 4 - перемычки; 5 - паровой коллектор; 6 - жидкостный коллектор
Наружная поверхность его конденсатора выполнена оребрённой, форма рёбер трапециевидная. На внутренней поверхности конденсатора напротив каждого наружного ребра имеются продольные канавки, в которые стекает конденсат промежуточного теплоносителя. Для этого использован хладон-113, который способствует уменьшению средней толщины пленки конденсата промежуточного теплоносителя и интенсифицирует теплообмен при конденсации. При наибольших тепловых нагрузках давление паров может достигать 0,2-0,3 МПа, поэтому во внутренней полости конденсатора имеются перемычки, повышающие жесткость конструкции и предотвращающие вздутие конденсатора под действием этого внутреннего давления. Кроме того, наличие таких рёбер в испарителе повышает жесткость конструкции,
которая необходима для реализации больших усилий сжатия (10-25 кН), прикладываемых при сборке.
Кипение хладона в испарителе, особенно при малых тепловых нагрузках, имеет динамичный взрывообразный характер, поэтому возможны значительные выбросы жидкости в конденсатор, что может снизить интенсивность теплоотдачи при конденсации. Для предотвращения этого явления пар при кипении поступает сначала в паровой коллектор, образованный местным расширением внутренней полости между испарителем и конденсатором, где происходят торможение потока и сепарация пара от жидкости. В зону кипения испарителя хладон-113 поступает из жидкостного коллектора, который является дополнительным резервуаром, обеспечивающим равномерное распределение жидкости по парогенерирующим каналам. Оптимальный уровень хладона-113 во внутренней полости охладителя при его рабочем положении соответствует верхнему краю контактной поверхности полупроводникового прибора [11, 12].
Такими охладителями были оснащены преобразователи опытного трех-вагонного поезда метрополитена с асинхронным приводом. На рис. 2 приведена конструкция модуля этих преобразователей [13].
Полупроводниковый модуль является фазой инвертора и содержит главные 1 и коммутирующие 2 тиристоры типа ТБ253-1000, а также обратные диоды 5 типа ДЧ143-1000. Все полупроводниковые приборы расположены
Рис. 2. Полупроводниковый модуль: 1 - главные тиристоры; 2 - коммутирующие тиристоры; 3 - конденсатор охладителя; 4 - защитный корпус; 5 - обратные диоды; 6 - испаритель охладителя; 7 - блок размещения схемы управления; 8 - фальшпанель; 9 - плата; 10 - размещение элементов
R-C-C цепей; 11 - стяжное устройство
на одной оси, проходящей через их центры, и соединены по противопарал-лельной схеме. Пары полупроводниковых приборов находятся в тепловом и электрическом контакте с охладителями 6 типа «двухфазный термосифон». Охладители и полупроводниковые приборы сжаты одним стяжным устройством 11 и расположены в корпусе 4 таким образом, что конденсаторы 3 охладителей находятся вне корпуса, что исключает попадание пыли на тиристоры и диоды.
Дополнительно в модуле на шарнирно закрепленной плате 9 установлены элементы R-C-C цепи 10 и схемы 7 управления тиристорами. В корпусе модуля имеется фальшпанель 8 с сигнальными лампами и клеммами контрольных точек режимов работы модуля.
Технические характеристики модуля:
Номинальный ток 400 А
Номинальное напряжение 1000 В
Диапазон рабочих частот 0-400 Гц
Диапазон рабочих температур, -60.. .+50 °C
Масса 28 кг
Габаритные размеры 450 х 280 х 370 мм.
В отличие от аналогов с цельнометаллическими охладителями, данный модуль имеет в 2,5 раза меньшую массу и в 1,5 раза меньший объем.
В принципе силовые полупроводниковые блоки можно компоновать в разных вариантах. С этой целью были испытаны пять вариантов компоновок полупроводниковых приборов (П) с охладителями (О):
1) О-П-О;
2) О-П-О-П-О;
3) О-П;
4) О-П-П-О;
5) П-О-П.
Результаты испытаний с тиристорами Т353-800 и охладителями типа «двухфазный термосифон» приведены на рис. 3, где приняты следующие обозначения:
IT - предельный ток тиристора;
Vf - средняя скорость охлажденного воздуха между ребрами конденсатора;
tcf - температура охлаждающего воздуха.
Полученные нагрузочные характеристики отражают допустимые эксплуатационные токовые нагрузки тиристоров при разных вариантах компоновки приборов.
Применение испарительно-воздушных охладителей типа «двухфазный термосифон» позволяет улучшить массогабаритные показатели преобразовательных установок в 2-2,5 раза по сравнению с использованием в системах охлаждения цельнометаллических охладителей [14, 15].
Рис. 3. Зависимость допустимого тока тиристоров Т 353-800 с охладителями типа «двухфазный термосифон» от температуры перехода: 1 - О-П-О; 2 - О-П-О-П-О; 3 - О-П; 4 - О-П-П-О; 5 - П-О-П
Библиографический список
1. Панфилов С. А. Эффективное охлаждение новых высокомощных силовых полупроводниковых приборов / С. А. Панфилов // Изв. вузов. Приволжский район. Технические науки. - 2012. - № 4 (24). - С. 57-66.
2. Тимофеев А. А. Силовые полупроводниковые блоки транспортного преобразователя с модулями типа IGBT / А. А. Тимофеев // Труды молодых ученых, аспирантов и докторантов. - 2001. - Вып. 5. - С. 34-36.
3. Kiselev I. Coolers for power semiconductor modules of IGBT type / I. Kiselev, A. Bu-yanov, A. Timofeev // Fifth int. conf. inconv, entional electromechanical and electrical systems. -Szchezin (Poland), 2001, Sept. 05-08. - P. 639-642.
4. Буянов А. Б. Двухфазные термосифоны для модулей IGBT вспомогательного электропривода электровоза ЭП200 / А. Б. Буянов, А. А. Тимофеев // Тез. докл. междунар. симп. «Eltrans-2001, электрификация и развитие железнодорожного транспорта России. Традиции, современность, перспективы». - СПб. : ПГУПС, 2001. - С. 115.
5. Пат. на полезную модель 30464 (Россия). Силовой полупроводниковый блок / Тимофеев А. А., Киселев И. Г., Буянов А. Б., Хохлов А. А. // Бюл. - 2003. - № 18. - 5 с.
6. Киселев И. Г. Технология изготовления охладителей для модулей IGBT вспомогательного электропривода электровоза / И. Г. Киселев, А. Б. Буянов, А. А. Тимофеев // Тез. докл. 2-го междунар. симп. «Eltrans-2003, электрификация и научно-технический прогрес на железнодорожном транспорте». - СПб. : ПГУПС, 2003. - С. 98.
7. Пат. на полезную модель 41388 (Россия). Охладитель для полупроводниковых приборов / Буянов А. Б., Тимофеев А. А., Суслова И. Н., Митрофанова И. В. // Бюл. - 2004. -№ 29. - 5 с.
8. Киселев И. Г. Полупроводниковые преобразовательные устройства с испари-тельно-воздушным охлаждением для ж.-д. т. / И. Г. Киселев, А. Б. Буянов, Д. В. Никольский // Инженер путей сообщения. - 1999. - № 8. - С. 32-34.
9. Исакеев А. И. Алюминиевый охладитель силовых полупроводниковых приборов / А. И. Исакеев, И. Г. Киселев, А. Б. Буянов и др. // Изв. вузов СССР. Электромеханика. - 1986. - № 7. - С. 84-87.
10. Буянов А. Б. Полупроводниковый модуль для реверсивного преобразователя электропривода / А. Б. Буянов, П. Л. Жуков, В. Г. Болдырев // Изв. вузов СССР. Энергетика. - 1989. - № 12. - С. 40 -41.
11. Киселев И. Г. Расчеты нагрева и охлаждения полупроводниковых преобразовательных установок железнодорожного транспорта / И. Г. Киселев, А. Б. Буянов. - СПб. : ПГУПС, 2001. - 80 с.
12. Буянов А. Б. Внутренние процессы теплообмена в двухфазном термосифоне / А. Б. Буянов, И. В. Митрофанова // Теплообмен в энергетических установках подвижного состава железных дорог и метрополитенов. - СПб. : ПГУПС, 1993. - С. 28-39.
13. Киселев И. Г. Тепловые режимы силового оборудования опытного трехвагонно-го поезда с асинхронным приводом / И. Г. Киселев, П. В. Ефимов, А. Б. Буянов и др. // Теплообмен в энергетических установках подвижного состава железных дорог и метрополитенов. - СПб. : ПГУПС, 1993. - С. 51-62.
14. Буянов А. Б. Сравнение технических показателей различных систем охлаждения силовых преобразователей локомотивов / А. Б. Буянов, В. П. Янов, И. И. Талья и др. // Электровозостроение. - 1991. - Т. 32. - С. 197-208.
15. Киселев И. Г. Тяговые полупроводниковые преобразователи с испарительно-воздушным охлаждением / И. Г. Киселев, А. Б. Буянов // Тр. 2-й междунар. научн.-техн. конф. - Щецин (Польша), 1996. - С. 91-97.
References
1. Panfylov S. A. Effective cooling of the new high power semiconductors [Effektyvnoye okhlazhdeniye novykh vysokomoshnykh sylovykh poluprovodnykovykh pryborov]. Izvesti-ya vysshykh uchebnykh zavedeniy. Pryvolzhskiy rayon. Proc. higher educational establishments. Volga region. Eng. sci. [Tekhnicheskiye nauky], 2012, no. 4 (24), pp. 57-66. (In Russian)
2. Timofeyev A. A. Power semiconductor blocks of transport converter with IGBT type modules [Syloviye poluprovodnikoviye bloky transportnogo preobrazovatelya s modulyamy typa IGBT]. Proc. young scholars, postgraduates and doctoral students [Trudy molodykh uchenykh, aspirantov i doktorantov], 2001, is. 5, pp. 34-36. (In Russian)
3. Kiselev I., Buyanov A. & Timofeev A. Coolers for power semiconductor modules of IGBT type. Fifth int. conf. unconventional electromechanical and electrical systems, Poland, Sept. 05-08, 2001, pp. 639-642.
4. Buyanov A. B. & Timofeyev A.A. Two-phase thermal siphons for IGBT modules of an auxiliary electric drive of EP200 electric locomotive [Dvukhfazniye termosyfony dlya moduley IGBT vspomogatelnogo elektropryvoda elektrovoza EP200]. Tezysy dokladov mezhdunarodnogo symposium "Eltrans - 2001, elektryfykatsiya i razvitiye zheleznodorozhnogo transporta Rossii. Traditsii, sovremennost, perspektyvy" [Abstracts of the Int. acad. conf. „Eltrans - 2001, electrification and the development of railroad transport in Russia. Heritage, modern times, prospects"]. St. Petersburg, PGUPS, 2001, 115 p. (In Russian)
5. Timofeyev A. A., Kiselev I. G., Buyanov A. B. & Khohlov A.A. Useful model patent 30464 (Russia) power-operated solid-state block. Bull., 2003, no. 18, 5 p. (In Russian)
6. Kiselev I. G., Buyanov A. B. & Timofeyev A.A. Manufracturing process of coolers for IGBT modules of electric locomotive auxiliary electric drive [Tekhnologiya izgotovleniya okhladyteley dlya moduley IGBT vspomogatelnogo elektropryvoda elektrovoza]. Abstracts of the 2nd Int. acad. conf. „Eltrans - 2001, electrification and scientific and technical progress on the railroad transport" [Tezysy dokladov 2-go mezhdunarodnogo symposiuma "Eltrans-2003, elektryfykatsiya i nauchno-tekhnicheskiy progress na zheleznodorozhnom transporte. Traditsii, sovremennost,perspektyvy"]. St. Petersburg, PGUPS, 2003, 98 p. (In Russian)
7. Buyanov A. B., Timofeyev A.A., Suslova I. N. & Mitrofanova I. V. Useful model patent 41388 (Russia) Cooler for semiconductor devices. Bull., 2004, no. 29, 5 p. (In Russian)
8. Kiselev I. G., Buyanov A. B. & Nikolskiy D. V. Semiconductor converter installations with evaporative air cooling for railroad transport [Poluprovodnikoviye preobrazovatelniye ustroystva s isparytelno-vozdushnym okhlazhdeniyem dlya zheleznodorozhnogo transporta]. Railway engineer [Inzhenerputey soobsheniya], 1999, no. 8, pp. 32-34. (In Russian)
9. Isakeyev A. I., Kiselev I. G., Buyanov A. B., Frolov V. V. & Noskov A. V. Aluminum cooler of power semiconductor devices [Alyuminiyeviy okhladytel sylovykh poluprovodnykovykh pryborov]. News of higher educational institutions of USSR Electromechanics [Izvestiya vuzov SSSR. Elektromekhanika], 1986, no. 7, pp. 84-87. (In Russian)
10. Buyanov A. B., Zhukov P. L. & Boldyrev V. G. A semiconductor module for reversible converter of an electric drive [Poluprovodnikoviy modul dlya reversyvnogo preobrazovatelya elektropryvoda]. News of higher educational institutions of USSR. Energetics [Izvestiya vuzov SSSR. Energetika], 1989, no. 12, pp. 40-41. (In Russian)
11. Kiselev I. G. & Buyanov A. B. Heat and cooling calculations of semiconductor converter installations for railroad transport [Raschety nagreva i okhlazhdeniya poluprovodnikovykh preobrazovatelnykh ustanovok zheleznodorozhnogo transporta]. St. Petersburg, PGUPS, 2001, 80 p. (In Russian)
12. Buyanov A. B. & Mitrofanova I. V. Internal heat exchange processes in a two-phase thermal siphon [Vnutrenniye protsessy teploobmena v dvukhfaznom termosifone]. Heat exchange in electric power installations of the railway and underground rolling stock [Teploobmen v energeticheskich ustanovkah podvizhnogo sostava zheleznych dorog i metropolitenov]. St. Petersburg, PGUPS, 1993, pp. 28-39. (In Russian)
13. Kiselev I. G., Yefimov P. V., Buyanov A. B. et al. Thermal conditions of power facilities of a test three-car train with induction-motor drive [Teploviye rezhymy sylovogo oborudovaniya opytnogo trekhvagonnogo poyezda s asynkhronnym pryvodom]. Heat exchange in electric
power installations of the railway and underground rolling stock [Teploobmen v energeticheskich ustanovkah podvizhnogo sostava zheleznych dorog i metropolitenov]. St. Petersburg, PGUPS, 1993, pp. 51-62. (In Russian)
14. Buyanov A. B., Yanov V. P., Talya I. I., Suslova K. N. et al. The comparison of different cooling systems performance of locomotive power converters [Sravneniye tekhnicheskykh pokazateley razlychnykh system okhlazhdeniya sylovykh preobrazovateley lokomotivov]. Electric locomotive building [Elektrovozostroyeniye], 1991, vol. 32, pp. 197-208. (In Russian)
15. Kiselev I. G. & Buyanov A. B. Tyagoviye poluprovodnykoviye preobrazovately s isparytelno-vozdushnym okhlazhdeniyem [Tractive semiconductor converters with evaporative air cooling]. Proc. 2ndInt. res. tech. conf. [Trudy 2 mezhdunarodnoy nauchnoy tekhnicheskoy konferentsii]. Poland, Shepyn, 1996, pp. 91-97. (In Russian)
КИСЕЛЕВ Игорь Георгиевич - доктор техн. наук, профессор, [email protected]; УРУШЕВ Сергей Викторович - доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, tehmet_pgups@ mail.ru; ИВАНОВ Игорь Александрович - доктор техн. наук, профессор, ivanov_1_7@mail. ru; *ВОДОПЬЯНОВА Юлия Олеговна - аспирант, [email protected] (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
