自冷却高压脉冲开关器件的制作方法

本发明属于电力电子及脉冲功率源器件技术领域，特别是一种冷却效果好、体积小的自冷却高压脉冲开关器件。

背景技术：

高压脉冲开关器件作为脉冲功率源的关键器件，是脉冲功率调整系统工作的控制环节，并以强大的功率量级及比较大的过载能力得到广泛应用，成为脉冲功率技术领域持续的研究重点。

脉冲开关器件的参数和特性不仅是脉冲功率系统可靠运行的基础，而且对脉冲波形的上升时间、幅值等相关参数产生直接影响。因脉冲开关器件工作于脉冲回路中，流通电流大、瞬态功率高，电能在开关器件中的功率损耗大并转换为热量，使开关器件的温度升高，而脉冲功率开关器件的结温由器件的功率损耗及散热能力决定，过高的结温会改变开关器件的特性，影响器件的正常工作。开关器件的漏电流呈指数形式增大，结温达到125℃以上时会导致漏电流过大，器件失去阻断能力，产生不受门极控制的误导通，更严重的是导通后局部温度过高甚至使开关器件半导体层熔化而使器件永久失效。

高压脉冲开关器件通常包括内腔为圆筒状的陶瓷衬套、圆盘状上、下铜基座、门极组件、圆盘状管芯组件、圆盘状上、下钼片组件；上铜基座与陶瓷衬套上端密封连接，下铜基座与陶瓷衬套下端密封连接，形成一密闭腔体；管芯组件水平夹持于上、下钼片组件之间，门极组件固设于上钼片组件上表面中心位置，并通过触发线引出陶瓷衬套；夹持管芯组件的上、下钼片组件水平置于密闭腔体中部，周边与陶瓷衬套密封固定连接。

针对开关器件的热特性问题，张国强等(张国强.大功率电子器件低温差散热的理论与实验研究.浙江大学硕士学位论文，2010.)设计了回路型重力热管冷却系统，即将开关器件的晶闸管紧贴在热管的蒸发段的中心，蒸发段内工作流体吸收晶闸管热量后气化通过上升管进入热管的冷凝段散热冷凝为液体，冷凝的液体通过下降管通过重力作用回流至蒸发段，如此循环实现对开关器件的冷却。该方式虽能在一定程度上控制晶闸管的温升，实现对其热管理和温度控制，但冷却系统占据空间及体积较大，且晶闸管发热部位是通过间接接触换热，传热效率较低，特别是在脉冲工作模式下，该方式对晶闸管的热管理性能将显著下降，难以有效实现脉冲瞬态时的温度控制，将可能导致晶闸管在脉冲瞬间温升过大而性能降低或失效。

总之，现有技术存在的问题是：高压脉冲开关器件冷却效果不好，严重影响和制约了高压脉冲开关器件工作的性能与可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种自冷却高压脉冲开关器件,冷却效果好、体积小。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种自冷却高压脉冲开关器件，包括内腔为圆筒状的陶瓷衬套、圆盘状上、下铜基座、门极组件、圆盘状管芯组件、圆盘状上、下钼片组件；所述上铜基座与陶瓷衬套上端密封连接，下铜基座与陶瓷衬套下端密封连接，形成一密闭腔体()；所述管芯组件水平夹持于上、下钼片组件之间，门极组件固设于上钼片组件上表面中心位置，并通过触发线引出陶瓷衬套；所述夹持管芯组件的上、下钼片组件水平置于密闭腔体中部，周边与陶瓷衬套密封固定连接；所述密闭腔体内充有冷媒，所述冷媒以管芯组件为蒸发段，以上、下铜基座为冷凝段形成热管循环。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、冷却效果好：本发明在开关器件内充注制冷工质-冷媒，在管芯组件、上下铜块组件间构成热管回路，管芯组件作为热管的蒸发段，利用液体工质的相变换热将管芯组件的发热量快速传到至上下铜块组件，冷却效果好，从而实现对管芯组件的温度控制，而现有技术则采用导热方式将管芯组件发热量通过钼片逐层传导至上下铜块组件；作为进一步改进，上钼片组件及下钼片组件半边区域开设散热孔，使冷媒与管芯组件直接接触，将高压脉冲开关器件的管芯组件直接浸润于热管工质中，其发热量直接被热管工质吸收，换热热阻小、换热性能高，进一步改善了冷媒与管芯组件的散热；

2、承压及密封能力好：相比于现有技术采用裙边压制，本发明上下铜块组件与陶瓷衬套间采用螺母紧固密封，承压好，密封性强。

3、结构紧凑：本发明在上铜基座与下铜基座中开设冷却流道，通过热管工质在开关器件内部构成封闭的热管回路，并以铜基座作为热管的冷凝段，形成自冷却方式，有效简化了高压脉冲开关器件冷却系统的结构，显著降低开关器件冷却系统的体积，便于实现小型化；

4、电学性能好、工作可靠性高：本发明的自冷却高压脉冲开关器件，因换热效率高，可有效降低管压降、减小漏电流，显著改善了脉冲开关器件的工作性能与可靠性，提高开关器件脉冲功率调控效率；

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明自冷却高压脉冲开关器件的装配图。

图2为图1中钼片组件的结构详图。图2(a)为俯视图，图2(b)为主剖面图。

图3(a)为图1中陶瓷衬套主剖面图。

图3(b)为图1中陶瓷衬套左剖面图。

图3(c)为图1中陶瓷衬套俯视图。

图4(a)为图1中上铜基座主剖面图。

图4(b)为图1中上铜基座左剖面图。

图4(c)为图1中上铜基座俯视图。

图5(a)为图1中下铜基座主剖面图。

图5(b)为图1中下铜基座左剖面图。

图5(c)为图1中下铜基座俯视图。

图中，1-陶瓷衬套，2-上铜基座，3-下铜基座，4-门极组件，5-上钼片组件，6-管芯组件，7-下钼片组件，8-硅橡胶圈，9-密封圈，10-弹性垫圈，11-螺母，12-第一冷媒连通孔，13-第二冷媒连通孔，14-引出孔，15-紧固螺孔，16-上换热孔，161-下换热孔，17-上沉头螺孔，18-定位孔，19-冷媒，20-上铜基座冷却槽道，21-门极组件孔，22-门极触发线引出通道，23-定位桩，24-下沉头螺孔，25-下铜基座冷却槽道。

具体实施方式

如图1所示，本发明自冷却高压脉冲开关器件，包括内腔为圆筒状的陶瓷衬套1、圆盘状上、下铜基座2、3、门极组件4、圆盘状管芯组件6、圆盘状上、下钼片组件5、7；

所述上铜基座2与陶瓷衬套1上端密封连接，下铜基座3与陶瓷衬套1下端密封连接，形成一密闭腔体；

所述管芯组件6水平夹持于上、下钼片组件5、7之间，门极组件4固设于上钼片组件5上表面中心位置，并通过触发线引出陶瓷衬套1；所述夹持管芯组件6的上、下钼片组件5、7水平置于密闭腔体中部，周边与陶瓷衬套1密封固定连接；

所述密闭腔体内充有冷媒19，所述冷媒19以管芯组件6为蒸发段，以上、下铜基座2、3为冷凝段形成热管循环。

本发明采用热管循环替代现有技术中的自然对流换热，将高压脉冲开关器件的管芯组件直接浸润于热管工质中，其发热量直接被热管工质吸收，换热热阻小、换热性能高，大幅提高管芯组件6的散热效率，特别是在脉冲工作模式下，对比热控效果更显著，从而实现高压脉冲开关器件的热管理，降低开关器件的管压降。因换热效率高，可有效降低管压降、减小漏电流，显著改善了脉冲开关器件的工作性能与可靠性，提高开关器件脉冲功率调控效率。

作为一种优选方案，所述热管循环这样形成：

所述上铜基座2在陶瓷衬套1内向下延伸，直达上钼片组件5，并设置多个上铜基座冷却槽道20，所述上钼片组件5上开有多个一端与管芯组件6相通，另一端与上铜基座冷却槽道20相通的上换热孔16。

该优选择方案利用上铜基座2内流道与管芯组件间形成热管回路，通过对流或相变传热方式将管芯组件的发热量转移至上铜基座内，实现对高压脉冲开关器件的自冷却。

作为另一种优选方案，所述热管循环这样形成：

所述下铜基座3在陶瓷衬套1内向上延伸，直达下钼片组件7，并设置多个下铜基座冷却槽道25，所述下钼片组件7上开有多个一端与管芯组件6相通，另一端与下铜基座冷却槽道25相通的下换热孔161。

该优选择方案利用下铜基座3内流道与管芯组件间形成热管回路，通过对流或相变传热方式将管芯组件的发热量转移至下铜基座内，实现对高压脉冲开关器件的自冷却。

上述两种优选方案结合使用，使管芯组件间上、下两侧均形成热管循环，同时向上下两侧散热，极大加强散热效果。在上铜基座与下铜基座中开设冷却槽道，通过热管工质在开关器件内部构成封闭的热管回路，并以铜基座作为热管的冷凝段，形成自冷却方式，有效简化了高压脉冲开关器件冷却系统的结构，且由于冷却槽道是向内延伸的，不增大整个器件的外形尺寸，结构紧凑，便于实现小型化。

作为改进，所述上铜基座2设有第一冷媒连通孔12，所述第一冷媒连通孔12一端与至少一上铜基座冷却槽道20相通，另一端与外界相通。

所述下铜基座3设有第二冷媒连通孔13，所述第二冷媒连通孔13一端与至少一下铜基座冷却槽道25相通，另一端与外界相通。

所述第一冷媒连通孔12和/或第二冷媒连通孔13内可以设置单向阀芯或外接单向阀组件，用于充注制冷工质，即冷媒。同时，便于多个高压脉冲开关器件冷却系统的连通及冷却系统功能的扩展，可实现开关器件在连续高频脉冲工作或连续工作模式时连接外置冷凝段进行冷却，进一步提高冷却系统的适应性与扩展性。

优选地，所述上钼片组件5上开设的上换热孔16均位于半圆范围内，开孔率为0％～50％，开孔直径为0.5mm～3mm。

同理，所述下钼片组件7上开设的下换热孔161均位于半圆范围内，开孔率为0％～50％，开孔直径为0.5mm～3mm。

上钼片组件及下钼片组件半边区域开设散热孔，使冷媒与管芯组件直接接触，即管芯组件浸润于冷媒中，改善了冷媒与管芯组件的散热。

优选地，所述的陶瓷衬套1的两端为圆环双台型结构，在两端圆环台型端面的圆周方向均匀开设有多个对称布置的紧固螺孔15；所述上铜基座2为双台型结构，在其圆周方向均匀开设有多个与紧固螺孔15对应的上沉头螺孔17；所述下铜基座3为双台型结构，在其圆周方向均匀开设有多个与对应的下沉头螺孔24；在所述陶瓷衬套1两端的两个台型端面上各分别装设密封圈9和弹性垫圈10，并分别与上铜基座2及下铜基座3的台型端面紧密压制，并将螺母11穿过上沉头螺孔17、紧固螺孔15和下沉头螺孔24，将上铜基座2、陶瓷衬套1和下铜基座3密封连接成密闭腔体。

考虑承压和密封要求，上下铜块组件与陶瓷衬套间采用螺母紧固密封，而现有技术采用裙边压制，承压及密封能力较差。

本发明的工作原理为：以冷媒19作为载热体，在管芯组件6及上铜基座2、下铜基座3内流道间形成热管回路，将高压脉冲开关器件的发热管芯组件6浸润于冷媒19中，管芯组件6作为热管回路的蒸发段，上铜基座2、下铜基座3作为热管回路的冷凝段，冷媒19作为热管工质，在开关器件内通过冷媒的对流及相变换热将管芯组件6的发热量转移至上铜基座2、下铜基座3内，实现对高压脉冲开关器件的自冷却。