一种功率单元的散热结构及机柜的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及变流器或变频器的冷却【技术领域】，尤其是涉及一种功率单元的散热结构及机柜，包括功率单元框架、以及设置在该功率单元框架上的功率单元和水冷散热器；所述功率单元包括半导体器件和直流支撑电容；所述半导体器件设置在所述水冷散热器上，所述直流支撑电容与所述功率单元框架之间设有功率单元循环散热风道。本实用新型提供的功率单元的散热结构及机柜，在功率单元内设置功率单元循环散热风道，有效冷却直流支撑电容；进一步，将功率单元循环散热风道与机柜循环散热风道连接配合成为一体式风道，既提高了机柜的散热效率，又节省了机柜的制造成本。
【专利说明】一种功率单元的散热结构及机柜
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及变流器或变频器的冷却【技术领域】，尤其是涉及一种功率单元的散热结构及机柜。
【背景技术】
[0002]变流器或变频器中的功率单元是其正常工作的核心部件，也是主要的发热部件。功率单元的主要发热器件为:绝缘栅双极型晶体管(111811131:6(1 6^1:6 011)0181-1^211181001'，简称模块、可控硅等半导体器件以及直流支撑电容。直流支撑电容器，又称电容器。直流支撑电容器，属于无源器件的一种。直流支撑电容器，现主要采用聚丙烯薄膜介质直流支撑电容器，其具有耐电压高、耐电流大、低阻抗、低电感、容量损耗小、漏电流小、温度性能好、充放电速度快、使用寿命长(约10万小时)、安全防爆稳定性好、无极性安装方便等优点。被广泛应用于电力电子行业。
[0003]高温不但会导致功率单元运行不稳，使用寿命缩短，甚至有可能使某些部件烧毁。单个大功率单元的1(^81模块在工作中发热量最大即可达到2鼎以上。1(^81中核心温度在达到150° (新型175° )时将被烧毁，甚至爆炸。功率单元的散热是否良好直接影响变流器或变频器是否稳定运行。
[0004]现有功率单元的散热主要有以下几种方案:
[0005]风冷散热。将1(^81、可控硅等半导体器件贴装在风冷散热器上，直流支撑电容自然冷却或借用半导体器件的散热风道散热。风冷散热器作为区别于水冷散热器的一个主流产品类别，除了散热器本身之外，离不开散热风扇的强大作用，散热风扇近年来有很多不同的种类，最好的如包胶风扇，静音首选；然后如120灯风扇等等。
[0006]水冷散热。将1(^81、可控硅等半导体器件贴装在水冷散热器上。直流支撑电容底部也贴装在水冷散热器上散热或专门给直流支撑电容加装独立的风扇散热。水冷散热系统一般包含以下部件:水冷块、循环液、水泵、管道、水箱、换热器等。水冷块是一个内部留有水道的金属块，由铜或铝制成，与元器件接触并将吸收元器件内的热量。循环液由水泵的作用在循环的管路中流动，如果液体是水，就是我们俗称的水冷系统。吸收了元器件热量的液体就会从元器件上的水冷块中流走，而新的低温的循环液将继续吸收元器件的热量。水管连接水泵、水冷块和水箱，其作用是让循环液在一个密闭的通道中循环流动而不外漏，让液冷散热系统正常工作。
[0007]上述水冷的散热技术中，存在的技术问题在于:功率单元内直流支撑电容的散热效果不佳，需要加大水冷散热板面积或独立的冷却风扇，增加成本。
实用新型内容
[0008]本实用新型的目的在于提供一种功率单元的散热结构及机柜，以解决现有技术中存在的机柜内功率单元散热效果差，并且制造成本高的技术问题。
[0009]本实用新型通过以下技术方案实现:
[0010]一种功率单元的散热结构，包括功率单元框架、以及设置在该功率单元框架上的功率单元器件和水冷散热器；所述功率单元器件主要包括半导体器件和直流支撑电容；所述半导体器件设置在所述水冷散热器上，所述直流支撑电容与所述功率单元框架之间设有功率单元循环散热风道。
[0011]其中，所述直流支撑电容与所述功率单元框架之间设有间隙；所述功率单元循环散热风道设置在所述间隙内。该技术方案的技术效果在于，在直流支撑电容与所述功率单元框架之间间隙内设置功率单元循环散热风道，既方便又节省成本。
[0012]进一步，所述直流支撑电容上设有电容壳体，所述电容壳体与所述功率单元框架之间形成半封闭空间，该半封闭空间形成功率单元循环散热风道。该技术方案的技术效果在于，通过半封闭空间形成功率单元循环散热风道，节省成本又能保证直流支撑电容的散热效果。
[0013]本实用新型还提供一种机柜，包括柜体和机柜循环散热风道，该机柜还包括如上所述的功率单元的散热结构；其中，所述功率单元循环散热风道与所述机柜循环散热风道连接。
[0014]进一步，所述机柜还包括水冷装置和水风换热器；所述机柜循环散热风道通过所述水风换热器与所述水冷装置连接。该技术方案的技术效果在于，通过与水冷装置的水风换热器连接，保证了机柜整体的水冷散热效果的基础上，还能实现功率单元的冷却。
[0015]其中，所述水风换热器包括柜体内散热风扇。该技术方案的技术效果在于，保证了水冷装置的散热效果。
[0016]其中，所述机柜循环散热风道上设有冷却驱动单元，所述冷却驱动单元设置在所述柜体侧部，与外界空气连通。该技术方案的技术效果在于，冷却驱动单元与外界空气连通，保证功率单元的冷却效果的稳定性。
[0017]优选地，所述冷却驱动单元包括冷却风扇。该技术方案的技术效果在于，采用冷却风扇在保证冷却效果的同时，安装简便，节约成本。
[0018]优选地，所述柜体上在靠近所述功率单元循环散热风道的进风口位置设有柜体进风口。该技术方案的技术效果在于，提高了功率单元循环散热风道的散热效果。
[0019]进一步，所述机柜包括多个功率单元循环散热风道，分别与所述机柜循环散热风道连接。该技术方案的技术效果在于，机柜循环散热风道作为机柜的公用风道，冷却整个机柜，提高了机柜循环散热风道的利用率，节约了成本。
[0020]本实用新型的有益效果:
[0021]本实用新型提供的功率单元的散热结构及机柜，在功率单元内设置功率单元循环散热风道，有效冷却直流支撑电容；而且，将功率单元循环散热风道与机柜循环散热风道连接配合成为一体式风道，既提高了机柜的散热效率，又节省了机柜的制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本实用新型【具体实施方式】或现有技术中的技术方案，下面将对【具体实施方式】或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为本实用新型实施例提供的功率单元的立体分解图；
[0024]图2为本实用新型实施例提供的机柜的结构示意图；
[0025]图3为本实用新型另一实施例提供的机柜的结构示意图。
[0026]附图标记:
[0027]1-直流支撑电容；2-半导体器件；3-水冷散热器；4-功率单元框架；41-功率单元进风口 ；如-框架侧板；5-功率单元循环散热风道；6-机柜循环散热风道；7-柜体内散热风扇；8-水风换热器；9-元器件；10-柜体；11-冷却风扇；12-柜体进风口。
【具体实施方式】
[0028]下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
[0029]在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0030]在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0031]图1为本实用新型实施例提供的功率单元的立体分解图；图2为本实用新型实施例提供的机柜的结构示意图；图3为本实用新型另一实施例提供的机柜的结构示意图。如图1-3所示，本实施例提供的一种用于变频器或变流器中的功率单元的散热结构，包括功率单元器件、水冷散热器3和功率单元框架4，功率单元器件主要包括半导体器件2和直流支撑电容1。半导体器件2、直流支撑电容1和水冷散热器3分别安装在功率单元框架4上；半导体器件2直接贴装在水冷散热器3上，直流支撑电容1与半导体器件2并列排布。功率单元框架4由框架侧板如构成。直流支撑电容1与功率单元框架4之间设有功率单元循环散热风道5。该功率单元循环散热风道5能够对直流支撑电容1进行风冷循环散热，以解决依靠水冷散热器无法直接带走的功率单元内部热量。
[0032]其中，任何能够使直流支撑电容散热的功率单元循环散热风道结构都在本实用新型的保护范围。本实施例中，直流支撑电容1与功率单元框架4之间设有间隙。为了优化本实施例中的功率单元的结构，功率单元循环散热风道5形成在该间隙内。直流支撑电容1上设有用于固定安装直流支撑电容1的电容壳体，该电容壳体与功率单元框架4之间的间隙形成半封闭空间，该半封闭空间形成功率单元循环散热风道5。因而，该功率单元的散热结构可以利用自身的结构形成功率单元循环散热风道，无需另外增加水冷散热板面积或独立的冷却风扇，节省了成本。
[0033]具体地，功率单元的侧部设有功率单元进风口 41 ；功率单元循环散热风道5的一端与功率单元进风口 41连接，另一端可与机柜循环散热风道6连接。
[0034]其中，水冷散热器3优选采用水或防冻液作为冷却介质，既能保证水冷散热器的冷却效果，又能降低成本。
[0035]图1为本实用新型实施例提供的功率单元的立体分解图；图2为本实用新型实施例提供的机柜的结构示意图。本实施例还提供一种机柜，如图1和图2所示，包括柜体10和机柜循环散热风道6，还包括如上所述的功率单元的散热结构。其中，功率单元循环散热风道5与机柜循环散热风道6连接。机柜循环散热风道6还可与柜体内其他的元器件9的散热风道连接，直接利用机柜循环散热风道6带走功率单元循环散热风道5和其他的元器件9的散热风道中的热量，使整个柜体内形成整体式的循环冷却系统。本实施例既解决了直流支撑电容的散热问题，又不需要单独设置独立风扇等其他的循环风道驱动单元，节省成本。
[0036]进一步，机柜还包括水冷装置和水风换热器8。柜体内设置水冷装置(图中没有显示)作为该机柜的主要散热方式。水冷装置具有以下部件:水冷块、循环液、管道和水箱，其中水箱可以设置在本机柜内部，也可以设置在单独的机柜中。水冷块是一个内部留有水道的金属块，由铜或铝制成，与机柜内元器件接触并将吸收元器件的热量。循环液由外界水泵的作用在循环的管路中流动，如果液体是水，就是我们俗称的水冷系统。吸收了元器件热量的液体就会从元器件上的水冷块中流走，而新的低温的循环液将继续吸收元器件的热量。管道连接水泵、水冷块和水箱，其作用是让循环液在一个密闭的通道中循环流动而不外漏，让液冷散热系统正常工作。
[0037]而且，为了加强柜体内的散热效果，在机柜内设置水风换热器提高机柜的水冷装置的冷却效果。水风换热器就是一个类似散热片的装置，循环液将热量传递给具有大表面积的散热片。水风换热器8的冷却介质为水、防冻液或流体冷媒。机柜循环散热风道6通过水风换热器8与水冷装置连接，从而提高整个机柜内的散热效果。
[0038]其中，水风换热器8包括柜体内散热风扇7，柜体内散热风扇7能够将流入空气的热量带走，提高水风换热器的换热效果。
[0039]本实施例中的功率单元的散热结构及机柜，在功率单元内设置功率单元循环散热风道，有效冷却直流支撑电容；而且，将功率单元循环散热风道与机柜循环散热风道连接配合成为一体式风道，既提高了机柜的散热效率，又节省了机柜的制造成本。
[0040]图3为本实用新型另一实施例提供的机柜的结构示意图。本实用新型另一实施例提供的机柜，如图3所示，机柜循环散热风道6上设有冷却驱动单元，冷却驱动单元设置在柜体10侧部，与外界空气连通。冷却驱动单元用于整个机柜的机柜循环散热风道6的冷却驱动，为机柜循环散热风道6提供驱动动力和冷却源。
[0041〕 优选地，本实施例中，冷却驱动单元采用冷却风扇11，驱动机柜循环散热风道6的风体循环，并将柜体内的热量散入外界空气中。采用冷却风扇11，安装简便，并且所占空间小，节省成本。
[0042]冷却风扇11包括多种，如轴流风扇、离心风扇、混流风扇和贯流式风扇。轴流风扇的叶片推动空气以与轴相同的方向流动。轴流风扇的叶轮和螺旋桨有点类似，它在工作时，绝大部分气流的流向与轴平行，换句话说就是沿轴线方向。轴流风扇当入口气流是0静压的自由空气时，其功耗最低，当运转时会随着气流反压力的上升功耗也会增加。轴流风扇通常装在电气设备的机柜上，有时也整合在电机上，由于轴流风扇结构紧凑，可以节省很多空间，同时安装方便，因此得到广泛的应用。本实施例采用轴流风扇，其具有的特点为:具有较高的流率，中等风压，能够对机柜有效地散热。
[0043]离心风扇在工作时，叶片推动空气以与轴相垂直的方向(即径向)流动，进气是沿轴线方向，而出气却垂直于轴线方向。大多数情况下，使用轴流风扇就可以达到冷却效果，然而，有时候如果需要气流旋转90度排出或者需要较大的风压时，就必须选用离心风扇。风机严格而言，也属于离心风扇。其特点:有限流率，高风压。
[0044]混流风扇又称对角线流向风扇，混流风扇和轴流风扇的区别在于，混流风扇的进气是沿轴线的，然而出气却是沿轴线和垂轴线的对角线方向。这种风扇由于叶片和外罩称圆锥形，因此致使风压较高，在相同尺寸和其他可比性能下，与轴流风扇相比，离心风扇的噪声更低。其特点:高流率和相对较高的风压。
[0045]贯流式风扇能产生大面积的风流，通常用于冷却设备的大表面。这种风扇的进气和出气均垂直于轴线。贯流式风扇是使用一个比较长的圆桶状扇叶轮进行工作，这个圆桶状扇叶的口径都比较大，因为口径大，才能在保证整体空气循环量的基础上使用比较低的转速，从而，降低由于高速运转带来的噪音。本实施例中的机柜，也可采用该贯流式风扇作为冷却风扇，其具有低流速和低风压的技术效果，并且噪音较低。
[0046]进一步，该机柜循环散热风道与外界空气循环散热，同时柜体上在靠近功率单元循环散热风道的功率单元进风口 41位置设有柜体进风口 12，使外界空气进入柜体内时，首先进入功率单元循环散热风道的进风口，由于外界空气的温度比柜体内的空气温度低，快速进入功率单元内，提高了功率单元循环散热风道的散热效果。柜体进风口 12的数量可为多个，分布在柜体10上与冷却风扇11相对的另一侧，使柜体进风口 12远离冷却风扇11，进入柜体内的空气温度不会受到冷却风扇排放的较高温度气体的影响。
[0047]进一步，在柜体10内设有多个功率单元，因而柜体10内设有多个功率单元循环散热风道5。每个功率单元循环散热风道5分别与机柜循环散热风道6连通。机柜循环散热风道6作为柜体内的公用风道，冷却整个机柜，提高了机柜循环散热风道的利用率，节约了成本。
[0048]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
【权利要求】
1.一种功率单元的散热结构，包括功率单元框架、以及设置在该功率单元框架上的功率单元器件和水冷散热器；所述功率单元器件包括半导体器件和直流支撑电容；所述半导体器件设置在所述水冷散热器上，其特征在于，所述直流支撑电容与所述功率单元框架之间设有功率单元循环散热风道。
2.根据权利要求1所述的功率单元的散热结构，其特征在于，所述直流支撑电容与所述功率单元框架之间设有间隙；所述功率单元循环散热风道设置在所述间隙内。
3.根据权利要求2所述的功率单元的散热结构，其特征在于，所述直流支撑电容上设有电容壳体，所述电容壳体与所述功率单元框架之间形成半封闭空间，该半封闭空间形成功率单元循环散热风道。
4.一种机柜，包括柜体和机柜循环散热风道，其特征在于，还包括权利要求1-3任一项所述的功率单元的散热结构；其中，所述功率单元循环散热风道与所述机柜循环散热风道连接。
5.根据权利要求4所述的机柜，其特征在于，所述机柜还包括水冷装置和水风换热器；所述机柜循环散热风道通过所述水风换热器与所述水冷装置连接。
6.根据权利要求5所述的机柜，其特征在于，所述水风换热器包括柜体内散热风扇。
7.根据权利要求4所述的机柜，其特征在于，所述机柜循环散热风道上设有冷却驱动单元，所述冷却驱动单元设置在所述柜体侧部，与外界空气连通。
8.根据权利要求7所述的机柜，其特征在于，所述冷却驱动单元包括冷却风扇。
9.根据权利要求7所述的机柜，其特征在于，所述柜体上在靠近所述功率单元循环散热风道的进风口位置设有柜体进风口。
10.根据权利要求4-9任一项所述的机柜，其特征在于，所述机柜包括多个功率单元循环散热风道，分别与所述机柜循环散热风道连接。
【文档编号】H05K7/20GK204258598SQ201420795551
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】谭建军 申请人:北京合力电气传动控制技术有限责任公司