CC BY
294
УДК 621.314.632.032.42
С. А. Панфилов
ЭФФЕКТИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ НОВЫХ ВЫСОКОМОЩНЫХ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Аннотация. Представлены конструкции и параметры воздушных, водяных и термосифонных охлаждающих систем для высокомощных силовых полупроводников приборов с диаметрами структур 76-101 мм, показаны перспективы разработок высокоэффективных систем охлаждения. Значения предельных токов и мощностей тепловых потерь высокомощных силовых полупроводниковых приборов с воздушным и водяным охлаждением публикуются впервые.
Ключевые слова: охлаждающая система, силовой полупроводниковый прибор, двухсторонний охладитель.
Abstract. The article introduces constructions and parameters of air, water and thermosiphon cooling systems, for powerful semiconductor power devices with structure diameters of 76-101 mm., showing perspective developments in high-perfomance cooling systems. The values of limiting currents and heat loss power of semiconductor power devices with air and water cooling are published for the first time.
Key words: cooling system, semiconductor power device, two-sided cooler.
В настоящее время в ОАО «Электровыпрямитель» разработан и освоен в производстве широкий ряд высокомощных силовых полупроводниковых приборов (СИЛ) - диодов и тиристоров таблеточной конструкции с диаметрами структур 76, 90, 101 мм с номинальными средними токами в открытом состоянии 1250-8000 А - диоды и 630-5000 А - тиристоры.
Эти приборы предназначены для установок электролиза цветных металлов, электрохимии, индукционного нагрева, электроприводов постоянного тока, преобразователей для питания тяговых двигателей магистральных и карьерных электровозов и других мощных источников постоянного тока (низковольтное применение); для преобразователей линий электропередач постоянного тока, мощных высоковольтных статических компенсаторов реактивной энергии, выпрямителей систем возбуждения мощных генераторов, электроприводов высоковольтных электродвигателей постоянного и переменного тока, преобразователей тяговых подстанций, высоковольтных ключей переменного тока и т.д. (высоковольтное применение). Данные силовые полупроводниковые приборы при номинальных токовых нагрузках выделяют мощности тепловых потерь от 1500 до 10000 Вт. В целях эффективной безотказной работы приборов эти мощности необходимо интенсивно отводить от приборов, т.е. охлаждать их.
Для сравнения эффективности систем охлаждения высокомощных силовых полупроводниковых приборов с диаметрами структур 76-101 мм были выбраны по два прибора каждого типа: в высоковольтном исполнении с относительно низкими рабочими токами и в низковольтном исполнении с высокими рабочими токами.
Параметры этих приборов, определяющие нагрузочную способность, приведены в табл. 1 (маркировка этих приборов состоит из первых трех цифр,
которые определяют конструктивные особенности приборов, последующие цифры определяют значение номинального тока) [1, 2].
Таблица 1
Электрические, тепловые и конструктивные параметры исследуемых СПП
Тип СПП Dcпп, мм UDRM, В Пто, В гт, тО т 1 /тах? °С Я^с, °С/Вт °С/Вт ^, кЫ
Б273-2000 6200-6500 1,0 0,25 150 0,010
Т173-1000 5000-6000 1,3 0,45 125 0,012
Б173-6300 200-1000 0,73 0,025 175 0,010
Т173-5000 200-800 0,85 0,042 125 0,01
Б283-2500 6200-6500 1,0 0,2 150 0,008
Т183-1600 5400-6000 1,3 0,33 125 0,009
Б183-6300 1200-2200 0,77 0,04 175 0,008
Т183-4000 800-1600 0,86 0,055 125 0,008
Б293-3200 6200-6500 1,0 0,135 150 0,0065
Т193-2000 4000-6000 1,32 0,19 125 0,0065
Б193-8000 1200-2200 0,77 0,023 175 0,0065
Т193-4000 800-1600 0,86 0,048 125 0,0065
В табл. 1 Оспп - диаметр полупроводниковых структур приборов, мм; ПоЯм - максимально допустимое повторяющееся импульсное напряжение приборов в обратном направлении, В; гт - дифференциальное сопротивление приборов, тО; ито - пороговое напряжение приборов, В; Т/тах - максимально допустимая температура ^-«-переходов, °С; - установившееся значение
теплового сопротивления «переход - корпус прибора», °С/Вт; ЯЛс}1 - установившееся значение теплового сопротивления «корпус прибора - контактная поверхность охладителя», °С/Вт; ^ - усилие сжатия приборов с охладителями, кЫ.
Для этих приборов разработаны и разрабатываются высокоэффективные системы охлаждения воздушного, водяного и испарительного типов специалистами Научно-инженерного центра силовых полупроводниковых приборов ОАО «Электровыпрямитель» и Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева.
Разработанные системы охлаждения удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к современным полупроводниковым компонентам, спроектированы с учетом оптимизации характеристик и эффективности теплосъема при естественном и принудительном воздушном, водяном и термосифонном способах охлаждения. Для приборов с диаметрами структур 76 мм разработан двухсторонний цельнометаллический охладитель воздушной системы охлаждения О273 на основе прессованного профиля БК224, для приборов с диаметрами структур 90-101 мм - двухсторонний охладитель 0193 из прессованного профиля БК1512. Прессованные цельнометаллические профили БК224 и БК1512 выполнены из прочного алюминиевого сплава АД-31 (AlMgSi), обладающего высокой коррозионной стойкостью и хорошей теплопроводностью .
В охладителях 0273 и 0193 используются двухсистемные прижимные устройства, обеспечивающие усилие сжатия приборов с охладителями до 100 кН. Массогабаритные и теплофизические параметры этих охладителей приведены в табл. 2 [3, 4], конструкция показана на рис. 1.
Таблица 2
Параметры двухсторонних воздушных охладителей
Тип охлади- теля Габариты А х В х С, мм х мм х мм V, м3 М, кг СЧ м - с( °С/Вт N kN
= 0 м/с ЖсГ=6 м/с
0273 200 х 250 х 195 0,01 13,0 1,15 0,185 0,065 45
0193 300 х 300 х 275 0,025 29,0 2,4 0,1 0,030 80
0193-1 300 х 300 х 240 0,023 24,0 4,0 0,08 0,017 80
В табл. 2: А х В х С - габаритные размеры охладителей (без учета токосъемных шин), мм; V - габаритный объем охладителя, м3; М - масса охладителя, кг; £ - площадь оребренной теплоотдающей поверхности, м2; Яии - с/ -установившееся тепловое сопротивление «контактная поверхность охладителя - охлаждающий воздух», °С/Вт; Жс/ - скорость охлаждающего воздуха в межреберных пространствах охладителей, м/с; N - осевое усилие сжатия приборов с охладителями, kN.
Рис. 1. Конструкция двухсторонних воздушных охладителей О273 и 0193
В табл. 3 приведены значения предельных токов и мощностей тепловых потерь всех вышеуказанных приборов с воздушным естественным и принудительным охлаждением с наиболее мощными двухсторонними цельнометаллическими охладителями 0273 и 0193. Эти значения показывают, что при естественном воздушном охлаждении данные приборы имеют значения предельных токов не более 25-30 % от номинальных значений; при принудительном воздушном охлаждении при скорости охлаждающего воздуха в меж-реберных каналах охладителей 6 м/с - не более 56-60 % от номиналов.
Дальнейшее увеличение габаритных размеров и масс цельнометаллических охладителей не приводит к заметному снижению тепловых сопротивлений и, соответственно, увеличению теплоотводящих способностей. Так,
например, увеличение габаритных размеров 0193 в два раза приведет к снижению теплового сопротивления на 10-15 %
Таблица 3
Предельные параметры исследуемых СПП с воздушным охлаждением
Тип СПП Тип охладителя = 0 м/с У^ = 6 м/с
^, А PAV, Вт IAV, А PAV, Вт
Б273-2000 0173 441 562 1000 1625
Т173-1000 269 431 613 1220
Б173-6300 778 606 2280 1989
Т173-5000 482 434 1273 1252
Б283-2500 0193 732 1000 1543 2733
Т183-1600 519 897 1175 2666
Б183-6300 1352 1224 3099 3346
Т183-4000 795 771 1882 2105
Б293-3200 794 1007 1790 2871
Т193-2000 503 784 1179 2216
Б193-8000 1459 1245 3600 3517
Т193-4000 819 784 2011 2214
В табл. 3: 1'АУ - предельные токи исследуемых СПП, А; РАУ - предельные значения мощностей тепловых потерь исследуемых СПП, Вт.
В настоящее время разработана новая технология изготовления прессованных профилей, заключающаяся в том, что основания профилей и ребра прессуются отдельно, затем ребра запрессовываются в основание. Этот процесс позволяет изготавливать прессованные профиля любых геометрических размеров по ширине профилей, высоте и толщине ребер, величине межребер-ных расстояний, что практически невозможно при изготовлении цельнометаллических профилей.
0дна из конструкций профиля с запрессованными ребрами представлена на рис. 2.
Рис. 2. Алюминиевый профиль с запрессованными ребрами
На рис. 3 представлена возможная конструкция двухстороннего цельнометаллического охладителя на основе алюминиевого профиля с встроенными запрессованными ребрами для силовых полупроводниковых приборов с диаметрами структур 90 и 101 мм - 0193-1. Расчетные параметры этого охладителя приведены в табл. 2.Такая конструкция прессованного профиля (и
охладителя в целом) значительно снижает значение теплового сопротивления по сравнению с охладителем 0193, но, тем не менее, не решает в полной мере проблемы повышения эффективности охлаждения высокомощных силовых полупроводниковых приборов.
,400
Рис. 3. Двухсторонний воздушный охладитель 0193-1 с запрессованными ребрами
Более эффективны охладители воздушной системы охлаждения на основе двухфазных термосифонов с использованием жидких легкокипящих диэлектрических промежуточных теплоносителей. Они состоят из трех функциональных зон: зона кипения и испарения промежуточного теплоносителя (испаритель), зона конденсации паров промежуточного теплоносителя (внутренняя поверхность конденсатора), зона конвективного теплообмена с охлаждающим воздухом (внешнее оребрение конденсатора).
Эффект охлаждения достигается за счет интенсивной теплопередачи мощности тепловых потерь полупроводникового прибора к испарителю, в герметичном объеме которого закипает и испаряется промежуточный теплоноситель с высоким коэффициентом теплоотдачи, конденсации паров кипящего теплоносителя внутри конденсатора и конвективного обмена между внешней, оребренной поверхностью двухфазного термосифона и воздухом, причем температура оснований всех ребер практически одинакова и близка к температуре кипения и конденсации промежуточного теплоносителя, тогда как у цельнометаллических охладителей существует значительный градиент температур между контактной поверхностью охладителя и основаниями отдаленных от этой контактной поверхности ребер. Исследования показали, что оптимальную эффективность воздушные охладители на основе двухфазных термосифонов имеют при выполнении двух следующих основных соотношений, предложенных авторами статьи:
[Т/ + (25 - 30) °С] < Т« < [Тс + (20 25) °С]; (1)
йип. = (0,20 0,25)5ЮВД = (0,013 0,020) «V (2)
где Т/ - температура охлаждающего воздуха, °С; Т« - температура насыщения промежуточного теплоносителя, °С; Тс - температура корпуса прибора, °С; £кип - площадь внутренней поверхности испарителя, на которой происхо-
дит кипение промежуточного теплоносителя, м2; «конд - площадь внутренней поверхности конденсатора, м2; «ор - площадь внешнего оребрения конденсатора, м2.
Соотношение (1) справедливо для термосифонов, у которых в качестве проме^точного теплоносителя используется жидкий диэлектрик - пер-фтортриэтиламин - МД-3Ф.
Соотношение (2) справедливо для термосифонов, у которых среднеповерхностный коэффициент теплоотдачи промежуточного теплоносителя МД-3Ф составляет 3000^000 Вт/м2 °С при градиенте температур между поверхностью кипения и жидкостью 20-25 °С; коэффициент теплоотдачи при конденсации паров МД-3Ф на внутренних поверхностях вертикальных каналов составляет 700-800 Вт/м2 °С при соотношении высоты каналов и их диаметра 25-50; коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене между оре-бренной поверхностью и охлаждающим воздухом составляет 40-50 Вт/м2 °С при скорости охлаждающего воздуха 6 м/с.
В настоящее время разрабатывается серия мощных охладителей воздушных систем охлаждения на основе двухфазных термосифонов с использованием в качестве оребренных конденсаторов стандартных радиаторов, изготовленных в серийном производстве.
Разработан и испытывается первый охладитель - термосифон из этой серии на основе радиатора типа 2108-8101060. Испаритель данного охладителя термосифона выполнен из алюминиевого сплава АД31 с вертикальными каналами кипения и испарения. Испаритель заполнен жидким легкокипящим диэлектриком - перфтортриэтиламином - МД-3Ф, температура насыщения которого составляет 70 °С. Данный охладитель ОТС-1 предназначен для силовых полупроводниковых приборов с диаметром структур 56 мм (рис. 4) [5-8].
Рис. 4. Одна половина двухстороннего охладителя ОТС-1 на основе двухфазных термосифонов
В настоящее время разрабатываются двухсторонние охладители воздушных систем охлаждения на основе двухфазных термосифонов: ОСТ-2 для приборов с диаметром 76 мм, ОСТ-3 для приборов с диаметром 90 мм, ОСТ-4 для приборов с диаметром 101 мм. Предварительные (расчетные) параметры
приведены в табл. 4. Ожидаемые значения тепловых сопротивлений этих охладителей при скорости 6 м/с 0,009; 0,007; 0,005 °С/Вт позволяют предполагать, что предельные токи высокомощных силовых полупроводниковых приборов с диаметрами структур 76-101 мм будут соответствовать (или даже несколько превышать) номинальным значениям, указанным в табл. 1 [9-12].
Таблица 4
Расчетные параметры двухсторонних охладителей на основе двухфазных термосифонов
Тип охладителя Габариты, мм X мм X мм М, кг V, м3 с ^ кцп? м2 с ‘-,конд? м2 Сор, м ^Исф, °С/Вт М, кМ
ОТС-1 170 х 150 х 350 4,0 8,9 0,06 0,25 4,9 0,02 24
ОТС-2 300 х 200 х 350 12,0 21,7 0,15 0,60 10,5 0,009 45
ОТС-3 420 х 200 х 350 16,0 29,4 0,18 0,85 14,0 0,007 60
ОТС-4 500 х 200 х 350 21,0 35 0,22 1,1 18,5 0,005 80
В табл. 4: <Скцп - площадь внутренней поверхности кипения испарителя, м2; ^ковд - площадь внутренней поверхности конденсатора, м2; £ор - площадь внешнего оребрения конденсатора, м2.
В ОАО «Электровыпрямитель» разработаны высокоэффективные двусторонние водяные охладители с внутренними разветвленными поверхностями охлаждения, выполненные по технологии сверления и фрезерования.
Водяной двухсторонний охладитель ОМ 109 предназначен для силовых полупроводниковых приборов таблеточного типа с диаметрами структур 76 мм, ОМ207 - для приборов с диаметрами структур 90 мм, ОМ209 - для приборов с диаметром структур 101 мм.
Массогабаритные и теплофизические параметры этих охладителей приведены в табл. 5 [3, 4], конструкция двухсторонних охладителей показана на рис. 5.
Таблица 5
Параметры двухсторонних водяных охладителей
Тип охладителя Габариты А х в х С, мм х мм х мм V, м3 М, кг С, м2 - ф °С/Вт
ОМ109 200 х 245 х 235 0,012 14,0 0,018 0,011
ОМ207 200 х 120 х 110 0,008 10,0 0,021 0,0095
ОМ209 200 х 245 х 235 0,012 14,0 0,025 0,0085
В табл. 5: С - площадь внутренних теплоотводящих поверхностей водяных охладителей, м2; для охладителей ОМ109, ОМ207, и ОМ 209 приведены величины суммарных площадей двух единичных охладителей.
В табл. 6 приведены значения предельных токов и мощностей тепловых потерь, исследуемых высокомощных силовых полупроводниковых приборов с водяным охлаждением.
Использование водяных охладителей ОМ 109, ОМ207 и ОМ209 для таблеточных диодов и тиристоров позволяет практически полностью реализовать номинальные уровни токовых загрузок, что невыполнимо с использованием цельнометаллических воздушных охладителей. Однако широко исполь-
зовать водяные охладители для охлаждения силовых полупроводниковых приборов таблеточного типа не позволяют два существенных недостатка, присущие данным охладителям: высокая температура замерзания теплоносителя - воды, и ее низкие диэлектрические свойства.
Рис. 5. Конструкция двухсторонних водяных охладителей
Таблица 6
Предельные параметры исследуемых СПП с водяным охлаждением
Тип СПП Тип охладителя 0, л/мин IAV, А PAV, Вт
Б273-2000 ОМ109 3 2136 4988
Т173-1000 1180 3100
Б173-6300 5560 5991
Т173-5000 3430 4150
Б283-2500 ОМ207 4 2500 5625
Т183-1600 1610 4231
Б183-6300 5220 6744
Т183-4000 3270 4282
Б293-3200 ОМ209 5 3255 6831
Т193-2000 2050 4702
Б193-8000 7680 9305
Т193-4000 3290 4129
Разработана программа автоматизированного расчета тепловых сопротивлений и оптимизации воздушных и водяных охладителей. С этой целью создана математическая модель охладителя, и на ее основе разработан пакет прикладных программ для оптимизации параметров охладителей. Пакет программ предназначен для поиска оптимальных параметров охладителей с различными режимами охлаждения:
- принудительное воздушное охлаждение;
- принудительное водяное охлаждение;
- естественное воздушное охлаждение.
Данная программа позволяет на стадии проектирования системы охлаждения и охладителя выбрать оптимальные размеры охладителя и получить расчетное значение теплового сопротивления, подобрать нужные размеры и параметры охладителя, зная максимальное значение теплового сопротивления. Кроме того, по данной программе можно спроектировать и подобрать охладитель под конкретный силовой полупроводниковый прибор, зная его размеры. Предусмотрена возможность исследования вариантов исполнения охладителей других конструкций путем ввода переходных формул и коэффициентов. В этом случае при всех перечисленных вариантах охлаждения охладитель рассчитывается конструктивно с использованием имеющихся переходных формул и коэффициентов. Программа разработана и написана в среде объектно-ориентированного программирования Вог1аМ Бе1рЫ версии 7, состоит из одного исполняемого файла RrSO.exe и предназначена для работы в среде ОС Windows. Требования к работоспособности программы ограничиваются требованиями к операционным системам [13, 14].
Список литературы
1. Полупроводниковые приборы силовой электроники : краткий каталог. - Саранск, 2007. - 195 с.
2. Новые высокомощные диоды и тиристоры для промышленности, транспорта и энергетики / В. А. Мартыненко, Г. Д. Чумаков // Силовая электроника. - 2005. -№ 1. - С. 64-66.
3. Охлаждающие системы. Прижимные устройства. Изоляторы : краткий каталог. -Саранск, 2006. - 27 с.
4. Сравнительный анализ отечественных и зарубежных систем охлаждения мощных силовых полупроводниковых приборов / В. М. Каликанов, С. А. Панфилов, Ю. А. Фомин и др. // Наука и инновации в Республике Мордовия : материалы VI респ. науч.-практ. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2007. - С. 432-433.
5. Разработка сверхмощных термосифонных охладителей на отводимые мощности 5-7 кВт / В. М. Каликанов, С. А. Панфилов, Ю. А. Фомин и др. // Наука и инновации в Республике Мордовия : материалы VI Респ. науч.-практ. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2007. - С. 434-435.
6. Испарительное охлаждение высокомощных силовых полупроводниковых приборов / В. М. Каликанов, С. А. Панфилов, Ю. А. Фомин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сб. науч. тр. VIII Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2010. -С. 196-198.
7. Пат. 108884 Российская Федерация, МПК 7 Н 01 Ь 23/34. Термосифон / Каликанов В. М., Панфилов С. А., Фомин Ю. А. и др. ; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Электровыпрямитель». - № 2011116724/28 ; заявл. 27.04.2011 ; опубл. 27.09.2011, Бюл. № 27. - 4 с.
8. Пат. 2213921 Российская Федерация, МПК 7 Б 28 Б 15/02. Способ заливки и ваку-умизации охладителей термосифонов / Каликанов В. М., Фомин Ю. А., Пуза-ков В. И. ; заявитель и патентообладатель Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева. - № 2001107955/6 ; заявл. 26.03.2001 ; опубл. 10.10.2003, Бюл. № 28. - 5 с.
9. О результатах испытаний двухфазного термосифона для охладителя полупроводниковых приборов с диаметром кремневых структур 101 мм / С. А. Панфилов,
В. М. Каликанов, Ю. А. Фомин и др. // Светотехника и источники света. : сб. науч.-метод. тр. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2011. - С. 87-89.
10. Пат. 2156012 Российская Федерация, МПК 7 Н 01 Ь 23/34. Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов / Каликанов В. М., Фомин Ю. А.,
Бартанов А. Б. и др. ; заявитель и патентообладатель Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева. - № 98117203 ; заявл. 16.09.1998 ; опубл. 15.11.1999, Бюл. № 17. - 5 с.
11. Пат. 2201014 Российская Федерация, МПК 7 Н 01 Ь 23/34, 23/36. Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов / Каликанов В. М., Фомин Ю. А., Пузаков В. И. ; заявитель и патентообладатель Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева. - № 2000101109/28 ; заявл. 12.01.2000 ; опубл. 20.03.2003, Бюл. № 8. - 4 с.
12. Пат. 96446 Российская Федерация, МПК 7 Н 01 Ь 23/34. Термосифон для охлаждения силовых полупроводниковых приборов / В. М. Каликанов, С. А. Панфилов, Ю.А. Фомин и др. ; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Электровыпрямитель». - № 2010108761 ; заявл. 09.03.2010 ; опубл. 21.09.2010, Бюл. № 15. - 4 с.
13. Программа автоматизированного расчета тепловых сопротивлений охладителей СПП. Зарегистрирована в отраслевом фонде алгоритмов и программ, г. Москва, под № 50200701555. Свидетельство № 8776 от 17.07.2007.
14. Автоматизированное проектирование охладителя СПП с воздушной системой охлаждения. Зарегистрирована в отраслевом фонде алгоритмов и программ, г. Москва, под № 50200702107. Свидетельство № 9107 от 27.09.2007.
Панфилов Степан Александрович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и общей электротехники, Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева (г. Саранск)
E-mail: panphilovsa@gmail.ru
Panfilov Stepan Alexandrovich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of theoretical and general electrical engineering, Mordovia State University named after N. P. Ogaryov (Saransk)
УДК 621.314.632.032.42 Панфилов, С. А.
Эффективное охлаждение новых высокомощных силовых полупроводниковых приборов / С. А. Панфилов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 4 (24). -
С.57-66.
