专利名称：大功率交流牵引换流器的冷却的制作方法
技术领域：
本发明涉及电推进牵引车辆，特别是用于这类牵引车辆的大功率半导体的冷却系统。
牵引车辆(诸如机车)利用牵引电动机来驱动此车辆的轮子。在这类车辆里，电动机是交流(AC)电动机，其速度和功率由向电动机供电的交流电源变化的频率和电流控制。通常，供给车辆系统的某些部件的电源是直流电，随后被变换成频率和幅值可控的交流电源。电功率可以由被内燃机驱动的车载交流发电机发出或者从路边电源如第三轨道或架空线来获得。
典型的是，电功率在包括多个半导体器件诸如二极管及闸门电路断开晶闸管(GTO)的固态换流器中被变换而成。在机车、大的越野车或过境运输车辆等应用中，牵引电动机可能发展到单台电机为1000马力，因此要求配属的换流器有很高的功率控制能力。这随之要求半导体开关器件能够控制这样大的功率以及能够散发由于半导体器件的内阻而在其中产生的大量的热量。
在现有的系统中，将半导体器件装在诸如散热器之类的传热装置上，传热装置用于把半导体器件的热量散走从而防止器件被热损坏。对这些大功率半导体器件要求使用通常是空芯的散热器，冷却用空气通过空芯强制把积累的热量带走。每一散热器被装到供风系统上，冷却空气经散热器吹到半导体所处的电路区域内。电路区域可以包括各种控制和计时电路，其中有大量用于控制电力半导体器件的开关的小功率半导体器件。
在机车中冷却空气通常是由风机抽取机车顶上方的空气来获得。抽来的空气常常含有包括内燃机烟雾和灰尘之类的杂质。旋转过滤器或惯性过滤器被用来至少部分地清洁此冷却空气。然而，并非所有这类杂质都能被除去，因此，造成杂质在电路区域上堆积。这样的杂质妨碍传热也能导致电路中绝缘间隙的电击穿。因此，要求尽量减少在这些电路上堆积杂质。
用于大型交流电动机的换流器通常包括六个如GTO之类的大功率半导体器件，需要散热器和强迫空气冷却。每一个这种器件一般都是压成在用于所述大功率时要求双边冷却的整体件。因此通常的结构中每台换流器需要十二个散热器。一台六轴机车上单换流器就包括72个需要冷却空气的散热器。这样的散热器数目需要大量冷却空气并伴随着增加惯性过滤器的能力。所以需要提供一种方法和装置以减少冷却空气的需求量，同时能保持合适的半导体器件的冷却。
以上和其他所要求的性能在用于电牵引电动机车辆的功率变换系统的一种方式中得到实现，该车辆中，多个大功率半导体器件被连接在带有至少一台牵引电动机以用来控制输给电动机的功率的电路中。每一个半导体器件与一对通常是空芯的散热器之间保持热接触，冷却空气通过散热器空芯带走热量。器件的阳极端接到散热器对中的一个上，器件的阴极端与散热器对的另一个相连。每个散热器以悬臂式地安装到构成车辆电路区的一面壁的公共供风系统上。一对散热器的各末端同一气体导管连在一起连同起和止于包括供气系统的表面的一对散热器形成连续的空气通路。一对散热器中一个的端头，最好是耦合于阴极端的散热器的一个端头被接到排气管上。然后，将冷却空气导入另一散热器的端头，使其通过上述散热器并从排气管排出。这种方式中，冷却空气保持在封闭的伸入电路区的路径中，杂质就不会沉积在电气元件上。所需的冷却空气量也明显地减少，因为省掉了一半冷却空气路径。串联连接的散热器的压降要高些，因而所需气压增加，但更合适于车辆上的旋转装置。悬臂安装可使用一个墙面进行机械连接和电气连接，因而降低了校正的严格要求并使密封垫容易压紧。
为了更好理解本发明，参阅下面的详细说明和附图，附图有
图1是使用本发明教导的机车的简化的、局部示意图;
图2是用于牵引车辆的电力电路简图;
图3是使用本发明的系统之放大的简图。
参阅图1，该图示出了以机车为例的电牵引车辆10的简化的局部横向剖面图，该机车使用了本发明。机车10包括多个牵引电动机，图上看不到但位于驱动轮12之后并驱动轴14。电动机最好是交流(AC)电动机，机车还包括多个用于控制供给电动机的功率的换流电路。当然本发明可以被应用于任何强迫空气冷却电力换流器中整装的半导体器件。它也能被用于其他类型的车辆或典型的工业驱动之中。
现在简单看一下图2，它简化地示出了用于机车10的电源系统，它包括一台由诸如柴油机(未示出)这类的内燃机驱动的交流发电机16。交流发电机16的功率输出以公知的方法由标号为GTO方块18的磁场激磁控制来调节。从交流发电机16发出的电功率经整流，方块20，并接到换流器22上。换流器22将整流后的功率变换成可变频率、可变幅值的用于AC电动机24的功率。
再看图1，电源各电路至少有部分装在设备车厢26内。用于换流器22、磁场控制18以及其他电子部件的控制电子设备以惯用的方式装成整体放在车厢26同固定于支架上的电路台上。在车厢26顶上安装的一对吹风机28A，28B从机车上方将空气抽来吹到需要强迫空冷的选定的设备上。对于本发明，吹风机28A将空气向下吹进配气区或供风系统30。供风系统30的一边由电气设备的壁32所限定，该壁一般是垂直取向的，并将车厢26和供风系统30分开。壁32上事先开有多个安排好的供冷却空气通过供风系统30和车厢26之间的孔。从风机28A来的空气在进入供风系统30时要通过一个旋转的或惯性的过滤器34。
在车厢26内，大功率半导体器件被装在用空气冷却的散热器36上，散热器36以悬臂状贴到设备壁32上。散热器36一般是空芯的形式，带有多个散热片，它们位于纵向限定引导空气从这端到那端的通道的相面对的侧壁之间。散热器36在本实施例中是成对布置，每对的二个末端用空气导管38连在一起。壁32上散热器的端部密封地安装到事先选好的穿过壁32的孔中间的几个上。在壁32靠供风系统一侧，若干选定的孔连到排气管40，后者引出供风系统30之外。这样布置使冷却空气从供风系统30流进一对散热器之一的一端，并通过该对散热器的另一端排出。
图3是散热器36中的一对的放大示意图，其中一对表示为一个二极管和一个GTO的半导体器件42压紧地安装在散热器相对的面44、46之间。器件42通常被压装成整体并有夹紧器件(未表示)用来把散热器36互相以预定的压紧力压紧。用于这类器件安装的各种各样夹紧方式是现有技术中熟知的。在所提出的悬臂安装中，散热器对的外表面48，50可以贴到壁32上或者包括有支撑结构件52，54，后者可用螺栓连到壁32上，以密封地将散热器36端头压在壁32的孔上。导管38可用螺杆或其他办法固定到车厢26中的散热器36的端头上。标号为58的一块面积代表散热器36A上被切掉处或加工面积，以便适应不同的各种半导体器件整件在高度上的变化。二极管整体件一般要比GTO整体件短，通常只要求在一个端面上冷却。面积58允许有一个空间用于一夹紧件(未表示)来夹紧二极管42使之顶在散热器36B上并与散热器36A脱离接触。
如所示，来自供风系统30的空气被强迫通过第一个散热器36A，经导管38，然后通过散热器36B，经排出导管40排出。所有电源系统中的连接的部件，包括电力半导体器件42，可以放在车厢26内附在壁32上。然而，遭到沾染的冷却空气被封在散热器36内。借使用串联连结的散热器36，空气可以首先用于GTO器件的阳极端，此端散出较多热量而要求更多的冷量，此后再加到GTO的阴极端和二极管的一端。单端空气进口使有清洁空气的车厢26的组装和维护容易。此外，串联连接散热器的冷却所要求的高压力和低流量更符合系统的交流发电机和电动机的冷却要求。散热器36可用各种已知方式电绝缘，通常，导管38可用非导电材料构成以求电绝缘。
图4表示了一种替换的安排，其中散热器36A的入口端连到加压供风系统60，散热器36B的排出端连到排气室62。很清楚，多套散热管可在气室60和气室62之间安置成并联连接。
上面用优选的方式对本发明进行了描述，其意图是希望能在所附权利要求书的全部精神和范围内理解本发明。
权利要求
1.牵引车辆用直流交流电力换流系统，其特征是包括直流(DC)电源；换流器，包括多个接在带所述DC电源的电路中的较大的功率的半导体器件，变换DC电功率为交流(AC)电功率；吹风装置，用于提供冷却空气流；多个空芯的空气冷却的散热器，选定的一些所述半导体器件与相应的一些散热器保持热接触；将冷却空气从所述的吹风装置引入所述散热器的装置；导管装置，连接至少二个所述散热器成为一个串联的气流路径，使空气依次地流经所述的至少二个散热器；以及排出装置，连接所述至少二个散热器中出口的那一个，使冷却空气从所述的半导体器件处排走。
2.根据权利要求1的系统，其特征是所述的选定的一些半导体器件包括其压紧成的整体件，在预先压紧之下使之保持在所述至少二个散热器的相对的面之间。
3.根据权利要求2的系统，其特征是所述的导管装置包括一U形导管，把所述散热器中一个的出口端连到所述散热器中另一个的入口端。
4.根据权利要求3的系统，其特征是所述半导体器件所选定的一些中的每一个之阳极端被耦合于所述散热器中的一个，而半导体器件所选定的一些中的每一个之阴极端被耦合于所述散热器中的另一个。
5.根据权利要求4的系统，其特征是每一个所述散热器安装在公共的、通常是垂直走向的支撑物上作悬臂式布置，冷却空气通过此支撑物进入散热器及从散热器排出。
6.用于电力半导体的冷却系统，至少一些半导体阳极端和阴极端均需要冷却，其特征是该系统包括一般是空芯的第一散热器，它耦合于至少一个半导体的阳极;一般是空芯的第二散热器，它耦合于所述至少一个半导体的阴极;导管装置，将所述第一散热器的一端与所述第二散热器的一端相连，形成连续的、一般是空芯的通路;以及将冷却空气导入所述空芯通路的装置。
7.根据权利要求6的系统，其特征是所述第一和第二散热器的每一个被悬臂式地安装在共同支撑物上。
8.根据权利要求7的系统，其特征是所述冷却空气穿过所述支撑物进入散热器并排出所述散热器，所述半导体穿过所述支撑物在电气上被接到电路中。
9.一种减少冷却电源系统中电力半导体所需的冷却空气量的方法，该半导体与通常是空芯的散热器保持热接触，散热器用于通过冷却空气来冷却该半导体，其特征是包括以下步骤让空气通过耦合于半导体中选定的一个的第一电端子的第一散热器;以及引导通过第一散热器的空气进入另一散热器，该散热器耦合于半导体中选定的一个的第二电端子，使该选定的半导体的每一个端子由同一空气流冷却。
全文摘要
多个大功率半导体器件接在至少一个牵引电动机电路中作控制供给电动功率之用。每一器件均与空芯的一对散热器之间保持热接触。器件的阳极端和阴极端各耦合于一对散热器中的一个，每个散热器以悬臂方式装到构成车辆电路区一壁面的公共供风系统上。而其末端由导管连起来形成经过一对散热器的连续空气通路，该通路起止于包括供气系统的表面。散热器对中最好是贴阴极的那个散热器的一端接到排气管上。
文档编号H01L25/18GK1085854SQ93106748
公开日1994年4月27日 申请日期1993年4月30日 优先权日1992年4月30日
发明者R·B·贝利, R·F·格里贝尔 申请人:通用电气公司