大功率开关器件短时脉冲性能提升的局部制冷装置及方法

1.本发明涉及柔性直流输电领域，特别是涉及一种大功率开关器件短时脉冲性能提升的局部制冷装置及方法。


背景技术：

2.近年来，柔性直流输电技术发展迅速，已有很多工程陆续投入运行。特别随着国内舟山五端、厦门工程以及豫鄂柔性直流输电工程顺利投运，将柔性直流输电技术又推向一个新的应用台阶。由于直流系统的阻尼相对较低，相比于交流系统，直流系统的故障发展更快，控制保护难度更大。因此为快速限制并切断故障电流，以维持直流电网安全稳定运行并保护电网中的关键设备，高压直流断路器成为有效甚至唯一技术手段。分断速度快、分断电流大以及智能重合闸等优点，是高压直流断路器的研究热点。
3.直流断路器的核心部件igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)，是典型的大功率开关器件，在许多工程中，由于igbt的通流能力在特定情况下有限，所以以并联的形式提升通流能力，即提升退饱和电流。结合张北柔直工程对直流断路器整体的技术要求，转移支路阀组需要承受和关断电流高达25ka，持续时间约3ms，关断过电压达到800kv。但是常规igbt的可关断能力远远不能达到转移支路阀组对igbt的关断能力要求。当前直流断路器处于的环境温度大约为50℃左右，由于igbt受环境温度影响，环境温度的升高会使得通态退饱和电流值减小，降低短时脉冲性能。而现有技术大多数是通过门极电压去提升igbt的短时脉冲性能，而这种技术极大可能会降低igbt的寿命，从而影响直流断路器的使用。且当前对于igbt等大功率开关器件的降温现状大多数为水冷和自然冷却，而大规模的水冷会导致制造成本的提高，自然冷却也只能降温到室温，降温效果不显著。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种大功率开关器件短时脉冲性能提升的局部制冷装置及方法，在保证直流断路器使用寿命的基础上，通过降低大功率开关器件的结温来提升直流断路器的短时脉冲性能。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种大功率开关器件短时脉冲性能提升的局部制冷装置，所述局部制冷装置包括：大功率器件连接装置、半导体制冷片、热端散热器、第一温度传感器和控制器；
7.大功率开关器件与所述大功率器件连接装置的iegt散热器连接；
8.热端散热器与所述iegt散热器连接，半导体制冷片设置于热端散热器和iegt散热器之间，半导体制冷片的热端与热端散热器贴合，半导体制冷片的冷端与iegt散热器贴合；第一温度传感器设置在iegt散热器上；
9.第一温度传感器的信号输出端与控制器的输入端连接，控制器的输出端与半导体制冷片的输入电压控制端连接；所述控制器用于根据第一温度传感器测量的大功率开关器
件温度，调节半导体制冷片的输入电压，使大功率开关器件的温度下降，实现大功率开关器件的局部制冷。
10.可选的，所述局部制冷装置还包括：第二温度传感器和散热风扇；
11.第二温度传感器设置在热端散热器上；散热风扇的风向与热端散热器翅片的方向平行；
12.第二温度传感器的信号输出端与控制器的输入端连接，散热风扇的输入电压控制端与控制器的输出端连接；
13.所述第二温度传感器用于测量半导体制冷片热端温度；所述控制器用于根据所述半导体制冷片热端温度控制散热风扇的输入电压，调节散热风扇的风冷气流，降低半导体制冷片的热端温度。
14.可选的，所述局部制冷装置还包括：第三温度传感器；
15.第三温度传感器的信号输出端与控制器的输入端连接，所述第三温度传感器用于测量环境温度。
16.可选的，所述局部制冷装置还包括：导热硅脂；
17.所述半导体制冷片的热端和冷端均涂覆导热硅脂。
18.可选的，所述局部制冷装置还包括：供能装置；
19.供能装置分别与半导体制冷片、第一温度传感器、第二温度传感器和控制器连接。
20.可选的，半导体制冷片、热端散热器和散热风扇的数量均至少为三个。
21.可选的，所述大功率器件连接装置包括：两个iegt散热器和多个母排；
22.大功率开关器件设置在两个iegt散热器之间；每个iegt散热器的一侧面与至少一个热端散热器连接，每个iegt散热器的另一侧面与一个母排连接。
23.可选的，所述iegt散热器的一侧面和热端散热器上均开设m3螺纹底孔，所述iegt散热器的另一侧面开设m8螺纹底孔，所述iegt散热器的顶面开设凹槽，所述iegt散热器的底面与大功率开关器件连接；
24.所述iegt散热器的m3螺纹底孔和热端散热器上开设的m3螺纹底孔通过m3尼龙螺丝连接；所述iegt散热器通过m8螺纹底孔与母排连接；所述凹槽用于放置第一温度传感器。
25.一种大功率开关器件短时脉冲性能提升的局部制冷方法，所述局部制冷方法包括：
26.测量当前环境温度下的大功率开关器件温度，并预设器件理想温度；
27.当大功率开关器件温度与器件理想温度的差值大于温度阈值时，逐渐增大半导体制冷片的输入电压，直至相邻采样时刻的大功率开关器件温度的变化值大于变化阈值；
28.逐渐降低半导体制冷片的输入电压，直至相邻采样时刻的大功率开关器件温度的变化值等于零，记录此时的输入电压，并将此时的输入电压作为最优输入电压；
29.以最优输入电压控制半导体制冷片，当实时测量的大功率开关器件温度等于器件理想温度或预设时间段内实时测量的大功率开关器件温度保持不变时，判定当前环境温度下大功率开关器件的温度下降至稳定，完成当前环境温度下的大功率开关器件局部制冷。
30.可选的，所述当大功率开关器件温度与器件理想温度的差值大于温度阈值时，逐渐增大半导体制冷片的输入电压，直至相邻采样时刻的大功率开关器件温度的变化值大于变化阈值，之后还包括：
31.控制散热风扇的输入电压增大至最大电压。
32.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
33.本发明公开一种大功率开关器件短时脉冲性能提升的局部制冷装置及方法，使用半导体制冷片来实现局部制冷和器件运行前的预制冷，将半导体制冷片冷端产生的冷量降低大功率开关器件温度，从而降低器件结温，达到提升大功率器件短时脉冲性能的效果，本发明无需提升门极电压，无需使用水冷，解决了直流断路器的寿命问题，并降低了成本，其装置结构简单并且提高了运行可靠性。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本发明提供的局部制冷装置的简易结构示意图；
36.图2为本发明提供的局部制冷装置的详细结构示意图；
37.图3为本发明实施例提供的大功率器件连接装置的结构示意图；
38.图4为本发明实施例提供的iegt散热器的结构示意图；
39.图5为本发明实施例提供的热端散热器的结构示意图；
40.图6为本发明实施例提供的半导体制冷片的结构示意图。
41.符号说明：1-热端散热器，2-iegt散热器，3-半导体制冷片，4-母排，5-大功率开关器件，6-传感器放置处，7-法兰，8-环氧拉杆，9-锁紧螺母，10-顶压导杆，11-顶压座，12-碟簧垫片，13-m3螺纹底孔，14-m8螺纹底孔，15-定位销放置处，16-凹槽。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.本发明的目的是提供一种大功率开关器件短时脉冲性能提升的局部制冷装置及方法，在保证直流断路器使用寿命的基础上，通过降低大功率开关器件的结温来提升直流断路器的短时脉冲性能。
44.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
45.本发明提供了一种大功率开关器件短时脉冲性能提升的局部制冷装置，如图1和2所示，局部制冷装置包括：大功率器件连接装置、半导体制冷片3、热端散热器1、第一温度传感器和控制器。
46.大功率开关器件5与大功率器件连接装置的iegt散热器2连接。热端散热器1与iegt散热器2连接，半导体制冷片3设置于热端散热器1和iegt散热器2之间，半导体制冷片3的热端与热端散热器1贴合，半导体制冷片3的冷端与iegt散热器2贴合。第一温度传感器设
置在iegt散热器2上。第一温度传感器的信号输出端与控制器的输入端连接，控制器的输出端与半导体制冷片3的输入电压控制端连接。控制器用于根据第一温度传感器测量的大功率开关器件温度，调节半导体制冷片3的输入电压，使大功率开关器件5的温度下降，实现大功率开关器件5的局部制冷。
47.本发明的总体思路是在不改变环境温度的前提下，即环境温度恒定，仅对大功率器件进行制冷，即所述的局部制冷，局部制冷的关键部件为半导体制冷片3，在受环境温度的影响下，通过半导体制冷片3的制冷量，传导至大功率器件，使得大功率器件的温度降低，相对于整个系统而言，只有大功率器件以及所连接的部分结构的温度降低，所以叫局部制冷。如图1所示，就是在空气和大功率器件连接装置之间加入半导体制冷片3为主体的半导体制冷装置，以实现大功率器件的局部制冷。
48.在一个示例中，控制器是以单片机为核心的控制板，附有外设采样模块以及输出信号模块。半导体制冷片3的结构如图6所示，半导体制冷片3上有字的为冷端，无字的为热端，半导体制冷片3的红色连接线连接供能装置的正极，黑色连接线连接供能装置的负极。
49.局部制冷装置还包括：第二温度传感器和散热风扇。第二温度传感器设置在热端散热器1上。散热风扇的风向与热端散热器1翅片的方向平行。第二温度传感器的信号输出端与控制器的输入端连接，散热风扇的输入电压控制端与控制器的输出端连接。第二温度传感器用于测量半导体制冷片热端温度。控制器用于根据半导体制冷片热端温度控制散热风扇的输入电压，调节散热风扇的风冷气流，降低半导体制冷片3的热端温度。散热风扇以强制风冷形式散热抑制热端温度上升过快。
50.局部制冷装置还包括：第三温度传感器。第三温度传感器放置在空气中，第三温度传感器的信号输出端与控制器的输入端连接，第三温度传感器用于测量环境温度。
51.局部制冷装置还包括：导热硅脂。半导体制冷片3的热端和冷端均涂覆导热硅脂。导热硅脂选用导热系数较高的物质，保证热传导的有效性。冷端和热端都涂以导热硅脂，保证传热良好。
52.局部制冷装置还包括：供能装置。供能装置分别与半导体制冷片3、第一温度传感器、第二温度传感器和控制器连接。供能装置主要以开关电源组成，供能装置应为输出电压可调且稳定的直流电源装置。
53.在一个示例中，半导体制冷片3、热端散热器1和散热风扇的数量均至少为三个。参照图3，大功率器件连接装置包括：两个iegt散热器2和多个母排4。大功率开关器件5设置在两个iegt散热器2之间。每个iegt散热器2的一侧面与至少一个热端散热器1连接，每个iegt散热器2的另一侧面与一个母排4连接。如图4所示，iegt散热器2的一侧面和热端散热器1上均开设m3螺纹底孔13，iegt散热器2的另一侧面开设m8螺纹底孔14，iegt散热器2的顶面开设凹槽16，iegt散热器2的底面与大功率开关器件5连接。iegt散热器2的m3螺纹底孔13和热端散热器1上开设的m3螺纹底孔13通过m3尼龙螺丝连接。iegt散热器2通过m8螺纹底孔14与母排4连接。凹槽16用于放置第一温度传感器。图4中，iegt散热器2的顶面中心设置定位销放置处15，用于放置定位销。
54.大功率器件连接装置还包括：法兰7、锁紧螺母9、碟簧垫片12、环氧拉杆8、顶压座11和顶压导杆10等结构，具体连接方式如图3所示。
55.本发明使用半导体制冷片3来实现局部制冷和器件运行前的预制冷，将半导体制
冷片冷端产生的冷量，用于降低器件温度，从而降低器件结温，达到提升大功率器件短时脉冲性能的效果，本发明无需提升门极电压，无需使用水冷，解决了直流断路器的寿命问题，并降低了成本，其装置结构简单并且提高了运行可靠性。
56.以大功率器件iegt(injection enhanced gate transistor)为例，本发明的局部制冷装置的使用安装步骤为：
57.s1：提供半导体制冷装置、大功率器件连接装置、供能装置、控制器以及温度感应模块。所述半导体制冷装置包括半导体制冷片3、散热器、风扇以及导热硅脂；所述半导体制冷片3均包括冷端和热端，散热器和风扇用于热端散热；所述大功率器件连接装置大功率开关器件5的连接。所述供能装置用于半导体制冷装置、控制器和温度感应模块的运行，主要以开关电源组成；所述控制器主要以控制板组成，主要作用是接收输入信号和控制输出信号。所述温度感应模块主要由温度传感器组成。
58.s2：大功率器件连接装置采用传统的压接装置，将压接装置按照图3的方式所连接，其中iegt散热器2的m3螺纹孔和热端散热器1的m3孔用m3尼龙螺丝连接，半导体制冷片3夹于iegt散热器2和其热端散热器1之间，它的热端与热端散热器1贴合，冷端和iegt散热器2贴合产生冷量，并且冷端和热端都涂以导热硅脂，保证传热良好，其热端散热器1的结构如图5所示。iegt的m8螺纹孔与母排4所连接，其连接后的结构图如图2所示。
59.s3：安装散热风扇。半导体热端散热器1主要是以散热风扇风冷的形式给热端进行散热，散热风扇风向是与热端散热器1翅片的方向所平行。
60.s4：安装温度传感器，将温度传感器安装至iegt散热器2的凹槽16之中，部位如图4所示，另外一个放置在热端散热器1表面的传感器放置处6，部位如图2所示，还有一个放置在空气之中，并且三个温度传感器都连接至控制器的采样模块之中。
61.s5：连接供能装置，将半导体制冷片3、散热风扇、温度传感器、控制器的供电线连接至各个开关电源之中，保持供电，保证装置正常运行。
62.s6：开启供能装置，各个装置正常工作。
63.本发明还提供了一种大功率开关器件短时脉冲性能提升的局部制冷方法，局部制冷方法包括：
64.步骤1，测量当前环境温度下的大功率开关器件温度，并预设器件理想温度。
65.步骤2，当大功率开关器件温度与器件理想温度的差值大于温度阈值时，逐渐增大半导体制冷片3的输入电压，直至相邻采样时刻的大功率开关器件温度的变化值大于变化阈值。
66.步骤2之后，为了防止热端的温度不会因为半导体制冷片3的输入电压的增大而上升，导致冷端制冷量不足，控制器控制散热风扇的输入电压增大至最大电压。
67.步骤3，逐渐降低半导体制冷片3的输入电压，直至相邻采样时刻的大功率开关器件温度的变化值等于零，记录此时的输入电压，并将此时的输入电压作为最优输入电压。
68.步骤4，以最优输入电压控制半导体制冷片3，当实时测量的大功率开关器件温度等于器件理想温度或预设时间段内实时测量的大功率开关器件温度保持不变时，判定当前环境温度下大功率开关器件5的温度下降至稳定，完成当前环境温度下的大功率开关器件5局部制冷。
69.本发明的局部制冷方法的原理为：
70.用温度感应模块去测量空气温度t1、大功率器件温度t2以及半导体制冷片热端温度t3，确保t1、t2和t3相近，并将传感器的输出信号传输至控制器，以t1、t2和t3为基础做处理。开启供能装置，使得半导体制冷装置正常运行，开始制冷后，对t1、t2和t3这些温度量进行处理。半导体制冷片3是由p型和n型半导体材料所组成，从冷端吸收的热量、从热端传导的热量和因为电流所产生的焦耳热最终会达到一个热平衡，可以得到热平衡方程：qc＝αit2+k(t
2-t3)-0.5i2r。根据欧姆定律u＝ir，可以通过调整半导体制冷片3输入电压u
tec
来调整qc，从而来调整温度t2。式中：qc为半导体制冷片冷端吸收的热量，单位：w；α为半导体器件的塞贝克系数，单位：v/w；k为半导体器件总的导热系数，单位：w/k；i为回路电流，单位：a；r为半导体器件的内阻，单位：ω。
71.控制器接受温度感应模块所输出的温度信号，主要是对iegt器件温度t2进行控制，主要步骤如下：
72.s7.1：设定一个理想的器件最终温度t4，并测量空气温度t1、iegt器件温度t2以及半导体制冷片热端温度t3。
73.s7.2：当t
2-t4大于一定阈值时，则说明此时冷端温度和预设温度差距过大，所以半导体制冷装置需要更多的制冷量，即qc要大于阈值，由此计算温度条件，此时半导体制冷片3的输入电压u
tec
要增大，并且此时半导体热端散热器1风扇的电压u
fan
也增大，使得热端的温度t3不会因为u
tec
的增大而上升，导致冷端制冷量不足，增大u
tec
和u
fan
的过程由控制器所实现。
74.s7.3：根据热平衡方程，qc＝αit2+k(t
2-t3)-0.5i2r，可知在u
tec
增大的过程中，由于半导体制冷片3本身的焦耳热的存在，若不断增大u
tec
，会导致冷端的吸收的热量会减小，则冷端温度会上升，所以在一定范围内，有一个最优的u
tec
的值，使得qc达到一个最大值。所以半导体输入电压u
tec
逐渐增大时，δt2小于0代表半导体制冷装置仍然在制冷，还未到达最优的u
tec
，直到δt2大于0时，开始每隔一段时间记录当前时刻的u
tec
，并且δt2大于一定阈值时，停止上升电压，将电压降回至δt2等于0时的电压u
tec
，那一时刻的u
tec
为最优值。
75.s7.4：在最优的u
tec
的情况下继续运行，当t2＝t4或者t2保持不变了一段时间后，则完成了环境温度t1下的大功率器件局部制冷，认为在环境温度t1下，大功率器件的温度t2下降至稳定。
76.本发明还可以利用加热装置改变环境温度t1，增加半导体制冷片3的数量，重复局部制冷方法的操作，可以实现不同环境温度t1下完成大功率器件局部制冷。
77.与现有技术相比，本发明是在栅极电压与现有工程相同，保证直流断路器使用寿命的基础上，通过降低大功率器件的结温来提升其短时脉冲性能，无需使用水冷，实现起来方便，成本小。
78.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
79.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。