一种控制风电变流器IGBT结温波动的热管理系统

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一种控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统
技术领域
1.本发明主要涉及风电变流器技术领域，具体涉及一种控制风电变流器igbt 结温波动的热管理系统。

背景技术：

2.我国越来越多的风电场将相继建成并投入运行,风电在电网中的比例将进一步大幅增大，风电正由补充型能源发展为主力型能源。风电变流器是控制风电机组平稳高效输出功率至电网的核心环节，然而由于风电大型化、海洋化，风电机组容量的不断增大，同时由于面临海上风电其离岸距离较远、海上环境恶劣等状况，导致其能量转换单元持续承受剧烈的热应力冲击，是风电机组故障率最高的部件之一。因此风电系统对风电变流器的可靠性提出了越来越高的要求。
3.风电变流器的可靠性取决于igbt模块、控制板、主电路断路器等各个组件的可靠性。igbt模块是各组件中最容易发生失效的组件。导致igbt模块失效的重要原因是在运行过程中因热应力循环冲击所引发的疲劳损伤累积失效。本专利申请人发现igbt模块失效前热循环次数随着结温波动幅值的升高是逐渐降低的。也就是说，而当器件的平均结温不超过额定工作温度时，温度波动幅度则成为影响器件预期使用寿命的主要因素，起支配作用。因此降低结温波动幅度是延长igbt模块的使用寿命、保障风电系统稳定运行的关键。
4.为降低igbt的结温波动幅度，通常采用的冷却方式为强制风冷和液冷技术。其中，液冷技术换热系数高，冷却效果显著，但系统体积大、结构复杂、维护成本高并易出现漏液和通道堵塞问题；强制风冷成本低，结构简单且维护方便，但散热能力较低，体积大而空间利用率低。通常在工业应用中主要采用强制风冷进行散热。
5.强制风冷对于igbt结温波动幅度的控制仍存在有待提升的地方。强制风冷技术中，空气作为传热介质，其热容低且热响应速度慢，无法大量消纳热量；在风机实际运行中，会出现结温的阶跃式上升或下降，难以实现变工况下igbt 结温的平滑控制，使得igbt结温波动过大。

技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现igbt结温的平滑控制，保障风电变流器工作效率和可靠性的控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统。
7.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
8.一种控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统，包括微热管阵列、翅片和相变储能体，所述微热管阵列包括蒸发段和冷凝段，所述蒸发段和冷凝段相连通且内部设有汽液相变工质，所述相变储能体和igbt模块均安装于所述微热管阵列的蒸发段，所述翅片安装于所述微热管阵列的冷凝段；所述相变储能体内设有固液相变工质，所述固液相变工质的熔点位于igbt模块正常工作结温范围内。
9.作为上述技术方案的进一步改进：
10.所述微热管阵列呈u型，其中u型微热管阵列的底部为蒸发段，所述相变储能体位于所述微热管阵列的底部外侧，所述igbt模块位于所述微热管阵列的底部内侧；u型微热管阵列的两侧为冷凝段，所述翅片位于两侧冷凝段之间。
11.所述微热管阵列呈l型，其中l型微热管阵列的底部为蒸发段，所述相变储能体位于所述微热管阵列的底部外侧，所述igbt模块位于所述微热管阵列的底部内侧；l型微热管阵列的一侧为冷凝段，所述翅片位于冷凝段的两侧。
12.所述相变储能体包括外壳和多孔金属泡沫，所述多孔金属泡沫位于所述外壳内部，所述固液相变工质填充在所述多孔金属泡沫内部。
13.所述外壳为矩形扁状金属外壳。
14.所述多孔金属泡沫通过钎焊的方式固定在外壳内部。
15.所述固液相变工质为正三十五烷。
16.所述翅片为锯齿形折叠翅片。
17.所述微热管阵列内部的汽液相变工质为有机工质r141b或丙酮或r365mfc 中的一种或多种组合。
18.还包括风机，所述风机的出风口正对于所述翅片。
19.与现有技术相比，本发明的优点在于：
20.(1)本发明的控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统，采用微热管阵列、片和相变储能体之间的配合，能够迅速进行热响应；其中通过固液相变工质的相变过程能够抑制变工况下功率大幅度变化所带来的igbt结温波动，实现igbt结温的平滑控制，保障风电变流器工作效率和可靠性。
21.(2)本发明的微热管阵列依靠内部有机工质的汽-液相变传递热量，微热管阵列内部的有机工质从蒸发段吸收热量汽化成蒸汽，蒸汽上升到冷凝段散热并冷凝成液体，经重力作用回流到蒸发段，从而实现吸热和放热的自循环过程。上述微热管阵列的结构更利于热交换，达到将igbt快速冷却的效果。
22.(3)本发明的多孔金属泡沫和锯齿形折叠翅片具有的高孔隙率特性，使其拥有极高的比表面积，在有限体积内可大幅度提升换热面积。通过微热管阵列与锯齿形折叠翅片共同应用于igbt的热管理，大幅提升换热面积和换热系数，共同稳定igbt模块结温和结温波动幅度。通过多孔金属泡沫强化固液相变工质的传热性能，缩短固液相变工质的充、放热时间。
23.(4)本发明通过相变储能体与微热管阵列、翅片和风冷相结合来进行散热，能够简化散热系统，降低成本，提高散热效率，降低igbt结温波动幅度，延长igbt模块的使用寿命，保障风电变流器工作效率和可靠性，使风电系统更加稳定。
附图说明
24.图1为本发明的热管理系统在实施例的结构示意图(微热管阵列呈u型)。
25.图2为本发明的热管理系统在实施例的结构示意图(微热管阵列呈l型)。
26.图3为本发明中的微热管阵列在实施例的立体结构图。
27.图4为本发明中的微热管阵列在实施例的剖面图。
28.图5为本发明中的翅片在实施例的结构示意图。
29.图6为本发明中的相变储能体在实施例的结构示意图。
30.图7为本发明中的相变储能体在实施例的剖面图。
31.图例说明：1、微热管阵列；101、蒸发段；102、冷凝段；2、翅片；3、相变储能体；301、外壳；302、多孔金属泡沫；303、固液相变工质；4、igbt模块。
具体实施方式
32.以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
33.如图1所示，本发明实施例提供了一种控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统，包括微热管阵列1、翅片2和相变储能体3，微热管阵列1包括蒸发段101和冷凝段102，蒸发段101和冷凝段102相连通且内部设有汽液相变工质，相变储能体3和igbt模块4均安装于微热管阵列1的蒸发段101，翅片2 安装于微热管阵列1的冷凝段102；相变储能体3内设有固液相变工质303，固液相变工质303的熔点位于igbt正常工作结温范围内。
34.其中固液相变工质303在相变过程中具有体积变化小和潜热值大的优点，可在温度基本不变的情况下，利用相变过程可以吸收或释放大量的潜热。如在温度达到其熔点时，其溶化吸收并储存大量潜热；当其表面温度低于熔点时，冷却并将储存的热量释放出去。其中固液相变工质303的熔点位于igbt正常工作结温范围内，在后续使用时，固液相变工质303在igbt正常工作结温范围内进行相变，保障igbt工作温度的稳定性。
35.本发明的控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统，采用微热管阵列1、片和相变储能体3之间的配合，能够迅速进行热响应；其中通过固液相变工质 303的相变过程能够抑制变工况下功率大幅度变化所带来的igbt结温波动，实现igbt结温的平滑控制，保障风电变流器工作效率和可靠性。
36.如图1、图3-4所示，微热管阵列1呈u型，其中u型微热管阵列1的底部为蒸发101段，相变储能体3位于微热管阵列1的底部外侧，igbt位于微热管阵列1的底部内侧；u型微热管阵列1的两侧为冷凝段102，翅片2位于两侧冷凝段102之间。微热管阵列1依靠内部有机工质(r141b或丙酮或r365mfc 中的一种或多种组合)的汽-液相变传递热量，由于微热管阵列1是自然形成热管效应的，微热管阵列1内部的有机工质从蒸发段101吸收热量汽化成蒸汽，蒸汽上升到冷凝段102散热(通过翅片2进行散热)并冷凝成液体，经重力作用回流到蒸发段101，从而实现吸热和放热的自循环过程。上述微热管阵列1 的结构更利于热交换，达到将igbt快速冷却的效果。
37.如图2所示，在另一具体实施例中，微热管阵列1呈l型，其中l型微热管阵列1的底部为蒸发段101，相变储能体3位于微热管阵列1的底部外侧， igbt位于微热管阵列1的底部内侧；l型微热管阵列1的一侧为冷凝段102，翅片2位于冷凝段102的两侧。同样地，微热管阵列1内部的有机工质从蒸发段101吸收热量汽化成蒸汽，蒸汽上升到冷凝段102散热(通过翅片2进行散热)并冷凝成液体，经重力作用回流到蒸发段101，从而实现吸热和放热的自循环过程。
38.如图6和图7所示，相变储能体3包括外壳301和多孔金属泡沫302，多孔金属泡沫302位于外壳301内部，固液相变工质303填充在多孔金属泡沫302 内部。具体地，外壳301为矩形扁状金属外壳，多孔金属泡沫302通过钎焊的方式固定在矩形扁状金属外壳的内部。其
中多孔金属泡沫302具有的高孔隙率特性，使其拥有极高的比表面积，最高可达10000m2/m3，在有限体积内可大幅度提升换热面积，从而缩短固液相变工质的充、放热时间。
39.其中固液相变工质303为正三十五烷(c35h72)，其熔点为74.6℃，溶化潜热为257kj/kg。其熔点相较于igbt所能承受最大温度(如120℃)低40℃左右，保持该温度时igbt运行良好。在正三十五烷表面温度高于74.6℃时，其溶化吸收并储存大量潜热；当其表面温度低于74.6℃时，冷却并将储存的热量释放出去。
40.由于固液相变工质303自身导热系数较低，吸收和释放热量的速率低、用时长。如单独使用时会存在增大热阻，致使igbt芯片产生的热量无法及时导出从而温度急剧升高的风险。故本发明一方面在相变储能体3内部焊接多孔金属泡沫302，增大换热面积和有效热导率；另一方面则与微热管阵列1和翅片2 等散热方式相结合，提高其换热效率。
41.如图5所示，翅片2为锯齿形折叠翅片。锯齿形折叠翅片2所具有的高孔隙率特性使其拥有极高的比表面积，可以在有限体积内大幅度提升换热面积；另外其复杂曲折的空气流动通道能够强化空气在通道内的湍流扰动程度，以及空气间的交叉混合，实现对流换热系数的强化。
42.上述微热管阵列1与锯齿形折叠翅片2共同应用于igbt的热管理，大幅提升换热面积和换热系数，共同稳定igbt模块4结温和抑制结温波动幅度。
43.在一具体实施例中，还包括转速可调的风机(图中未示出)，风机的出风口正对于翅片2，用以进行强制对流来带走锯齿形折叠翅片2上散发出的热量。
44.安装方式：微热管阵列1与相变储能体3、锯齿形折叠翅片2和igbt发热面有三种固定方式：1.粘合法，微热管阵列1与相变储能体3、锯齿形折叠翅片2和igbt发热面表面的间隙通过导热硅胶填充，提高传热效果。2.通过自攻螺纹进行微热管阵列1与相变储能体3、锯齿形折叠翅片2和igbt发热面表面的固定，其中缝隙由导热硅胶进行填充。3.将微热管阵列1中某几个微通道制备成实心状态，再通过螺纹进行微热管阵列1与相变储能体3、锯齿形折叠翅片2和igbt发热面的固定，其中缝隙由导热硅胶进行填充。
45.本发明采用微热管阵列1和锯齿形折叠翅片2能迅速进行热响应，在有限体积内可大幅度提升换热面积，同时实现对流换热系数的强化，能对风电变流器电路板进行较大温降；相变储能体3内的固液相变工质303在igbt功率变化时，完成相应的吸热和放热过程，从而稳定变工况情况下实际所需散热量，抑制变工况下功率损耗大幅度变化所带来的结温波动的影响，实现igbt结温的平滑控制。
46.为了便于理解决上述固液相变工质303在具体应用时的相变特性，现举例来进行说明：在igbt模块4启动而进行工作时，首先通过微热管阵列1、翅片 2和相变储能体3共同工作进行散热，此时相变储能体3内部的固液相变工质 303吸收热量，但仍处于固体状态；在igbt模块4对应的功率陡增时，此时igbt 模块4对应的结温会突然增大，当超过固液相变工质303的熔点(如74.6℃) 时，固液相变工质303会溶化吸收并储存大量潜热(固液相变工质303发生相变，从固体变为液体)，从而避免igbt模块4升温过快，即避免igbt结温波动较大。
47.而在igbt模块4长时间处于大功率运行时，此时igbt结温较高(如超过 100℃)，如果此时功率陡减，此时igbt模块4对应的结温在微热管阵列1、翅片2、风机的作用下会陡减，当温度小于固液相变工质303的熔点(如74.6℃) 时，固液相变工质303会发生相变，即冷却
固化而将储存的热量释放出去，从而避免igbt模块4降温过快，即避免igbt结温波动较大。
48.本发明通过相变储能体3与微热管阵列1、翅片2和风冷相结合来进行散热，能够简化散热系统，降低成本，提高散热效率，降低igbt结温波动幅度，延长igbt模块的使用寿命，保障风电变流器工作效率和可靠性，使风电系统更加稳定。
49.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统，其特征在于，包括微热管阵列(1)、翅片(2)和相变储能体(3)，所述微热管阵列(1)包括蒸发段(101)和冷凝段(102)，所述蒸发段(101)和冷凝段(102)相连通且内部设有汽液相变工质，所述相变储能体(3)和igbt模块(4)均安装于所述微热管阵列(1)的蒸发段(101)，所述翅片(2)安装于所述微热管阵列(1)的冷凝段(102)；所述相变储能体(3)内设有固液相变工质(303)，所述固液相变工质(303)的熔点位于igbt模块(4)正常工作结温范围内。2.根据权利要求1所述的控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统，其特征在于，所述微热管阵列(1)呈u型，其中u型微热管阵列(1)的底部为蒸发段(101)，所述相变储能体(3)位于所述微热管阵列(1)的底部外侧，所述igbt模块(4)位于所述微热管阵列(1)的底部内侧；u型微热管阵列(1)的两侧为冷凝段(102)，所述翅片(2)位于两侧冷凝段(102)之间。3.根据权利要求1所述的控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统，其特征在于，所述微热管阵列(1)呈l型，其中l型微热管阵列(1)的底部为蒸发段(101)，所述相变储能体(3)位于所述微热管阵列(1)的底部外侧，所述igbt模块(4)位于所述微热管阵列(1)的底部内侧；l型微热管阵列(1)的一侧为冷凝段(102)，所述翅片(2)位于冷凝段(102)的两侧。4.根据权利要求1或2或3所述的控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统，其特征在于，所述相变储能体(3)包括外壳(301)和多孔金属泡沫(302)，所述多孔金属泡沫(302)位于所述外壳(301)内部，所述固液相变工质(303)填充在所述多孔金属泡沫(302)内部。5.根据权利要求4所述的控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统，其特征在于，所述外壳(301)为矩形扁状金属外壳。6.根据权利要求4所述的控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统，其特征在于，所述多孔金属泡沫(302)通过钎焊的方式固定在外壳(301)内部。7.根据权利要求1或2或3所述的控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统，其特征在于，所述固液相变工质(303)为正三十五烷。8.根据权利要求1或2或3所述的控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统，其特征在于，所述翅片(2)为锯齿形折叠翅片。9.根据权利要求1或2或3所述的控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统，其特征在于，所述微热管阵列(1)内部的汽液相变工质为有机工质r141b或丙酮或r365mfc中的一种或多种组合。10.根据权利要求1或2或3所述的控制风电变流器igbt结温波动的热管理系统，其特征在于，还包括风机，所述风机的出风口正对于所述翅片(2)。

技术总结

本发明公开了一种控制风电变流器IGBT结温波动的热管理系统，包括微热管阵列、翅片和相变储能体，所述微热管阵列包括蒸发段和冷凝段，所述蒸发段和冷凝段相连通且内部设有汽液相变工质，所述相变储能体和IGBT模块均安装于所述微热管阵列的蒸发段，所述翅片安装于所述微热管阵列的冷凝段；所述相变储能体内设有固液相变工质，所述固液相变工质的熔点位于IGBT模块正常工作结温范围内。本发明通过相变储能体与微热管阵列、翅片和风冷相结合来进行散热，能够简化散热系统，降低成本，提高散热效率，降低IGBT结温波动幅度，延长IGBT模块的使用寿命，保障风电变流器工作效率和可靠性，使风电系统更加稳定。风电系统更加稳定。风电系统更加稳定。