Выпрямительная ячейка

О П И С А Н И Е ,955289ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советск ихСоциалистическихРеспубликпе левам изобретений н юткрмтий(72) Авторы изобретения Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт комплектного электропривода(54) ВЫПРЯМИТЕЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА 1Изобретение относится к полупроводниковой преобразовательной технике и может быть использовано при создании выпрями- тельных блоков к преобразовательным установкам тягового электропривода электровозов.Известен выпрямительный блок, содержащий охладитель, силовой полупроводниковый прибор и теплопроводящую прокладку из легкоплавкого металла, расположенную между поверхностями контакта прибора и охладителя (зона контакта) 1.Недостатком этого блока является низкая термодинамическая эффективность, обусловленная низким коэффициентом теплопроводности жидкого металла и воздушных включений в зоне контакта, появляющихся в результате вытекания расплавленного металла из зоны контакта прибора и охладителя.В связи с ростом мощности в единице силового полупроводникового прибора наряду с жесткими требованиями к габаритам и массе блока применительно к пробразовательным установкам электровозов необходимо повышение термодинамической эффективности блока и, в частности, контактной 2зоны, на которой имеют место потери температурного напора, достигающие до 20 О/О располагаемого температурного напора от поверхности прибора к охлаждающему воздуху, циркулирующему в каналах охладитез лей, Возможно повышение термодинамической эффективности зоны контакта посредством уменьшения толщины теплопроводящей прокладки. Однако уменьшение толщины прокладки ограничено микро- и макро- неровностями контактирующих поверхностей, а также непараллельностью, возникающей при установке прибора и охладителя,Известна тактике выпрямительная ячейка,содержащая силовой полупроводниковый прибор, охладители и теплопроводящую про кладку, расположенную в кольцевых канавках, выполненных на поверхности охладителя 2).Недостатком укаэанной выпрямительнойячейки является низкая термодинамическая эффективность теплопроводящей прокладки, обусловленная тем, что контакт поверхностей прибора и охладителя осуществляется лишь по части участков кольцевых выступов на охладителе, а по участкам кольцевых впадин контакт происходит через слой лег955289 выпрямительной ячейке, содержащей силовой полупроводниковый прибор, установленный между охладителями через теплопроводящие прокладки из легкоплавкого металла, указанные прокладки выполнены армированными, причем арматура выполнена из материала с высокой теплопроводностью. 15На чертеже показана выпрямительная Выпрямительная ячейка содержит силовой полупроводниковый прибор 1, охладитсли 2 и теплопроводящие прокладки 3 из 2 лсгкоплавкого материала, снабженные арматурой 4. Прокладки 3 установлены между торцами прибора 1 и охладителями 2 и скреплены прижимным устройством 5.Лрмирование теплопроводящей прокладки материалом с повышенной теплопровод ностью способствует повышению общего коэффициента теплопроводности зоны контакта, так как тепловой поток передается от силового полупроводникового прибора к охладителю по двум параллельным путям - через металл арматуры и через слой жидкого мстал,за, заполняющего ячейки между армат рой. Жидкий металл, смачивая арматуру, удерживается от вытекания из зоны конгакта за счет капиллярных сил, предотвра.цая попадание воздуха в зону контакта, что способствует поддержанию повышенного коэффициента теплопроводности независимо от нагрузки. Все это способствует повышению термодинамической эффективности выпрямительной ячейки. Й = 84/Я = 0,009 К/Вт О = 1,05 К коплавкого металла с невысокой теплопроводностью. Кроме того, зона контакта содержит воздушные прослойки, возникающие из-за микро- и макронеровностей и непараллельности поверхностей прибора и охладптел 5.Пель изобретения - повышение термодина мической эффективности вьшрямительной ячейки.Указанная цель достигается тем, что, в Вместе с тем предлагаемое техническое решение позволяет реализовать теплопередачу через слой армированной прокладки даже в случае контакта неоднородных поверхностей, например, медного вывода корпуса прибора и алюминиевого охладителя. Так, если одна из поверхностей смачивается жидким металлом, а другая не смачивается, то герметизация и удержание металла в зоне контакта затруднительны, поскольку жидкий металл при циклических тепловых нагрузках вытесняется из зоны контакта, а вместо него в зону попадает воздух, обладающий низкой теплопроводностью, что снижает термодинамическую эффективность выпрямительного блока. Применение арматуры, смачиваемой жидким металлом, способствует тому, что за счет усилия прижатия прибора и охладителя герметизация металла осуществляется в каждой отдельной 40 45 50 55 4ячейке, образованной арматурой, и попадание воздуха в зону контакта прибора и охладителя не будет иметь места даже в случае контакта поверхностей, несмачиваемых жидким металлом.В процессе работы выпрямительного блока за счет тепловыделений в приборе 1 температура прокладок 3 повышается и легкоплавкий металл переходит в жидкое состояние, заполняя ячейки, образованные арматурой 4, например ячейки сетки, выполненной из меди, и удерживаются в ячейках посредством капиллярных сил.В качестве базового объекта для сравнения принято устройство 12, в котором содержатся сведения о термодинамической эффективности выпрямительного блока. При этом толщина теплопроводящей прокладки как в известном, так и в предлагаемом устройствах принята о= 0,254 мм. Тогда, принимая по данным Р 1 теплопроводность легкоплавкого сплава А = 10 Вт/(м К), для таблетки тиристора Т 800 4 при 1 = 800 А (тепловыделения при этом Я = 1000 Вт), получим перегрев поверхности тиристора над поверхностью охладителя через зону кон- такта где Г = Пс) /4 -- площадь поверхности кон 2такта.Величина теплового сопротивления базового варианта определится по формуле В случае применения предлагаемой арматуры около 20% теплового потока будет передаваться через арматуру при Л -- =-390 Вт/(м К) 13, а 80% - через слой жидкого металла при Л 1= 10 Вт/(м К). Тогда усредненный коэффициент теплопроводности составит Л = 0,8),0,2 Л -- 86 Вт/(м К),а термический напор и сопротивление зоны контакта по предлагаемому решению принимают величины соответственно й = 0,00105 К/Вт.Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет за счет повышения термодинамической эффективности выпрямительного блока на порядок снизить термический напор на каждой контактной паре. В результате температура силового полупроводникового прибора снижается, что позволяет повысить мощность выпрями- тельного блока в тех же габаритах или же снизить габариты и массу блока путем применения более компактных охладителей.955289 ель Н. НестеренкоБойкас КорректорПодписноего комитета СССРий и открытийРаушская наб., д. 4/5жгород, ул. Проектная, 4 Состави Техред А Тираж 7 Государственнлам изобретен ква, Ж - 35,Патент, г. У диктор И.Михеевааказ 6454/65ВНИИПпо3035, МФилиал ППП Била 5Формула изобретенияВыпрямительная ячейка, содержащая силовой полупроводниковый прибор, установленный между охладителями через теплопроводящие прокладки из легкоплавкого металла, отличающаяся тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности ячейки, указанные прокладки выполнены армированными, причем арматура выполнена из материала с высокой теплопроводностью. 6Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Патент США3852803,кл. 357 - 82, 977,2. Патент США4012770,кл. Н 01 1. 23/42, 1979.3. Михеев М. А.,Михеева И. М. Основытеплопередачи. М Энергия, 1973, с. 15.4. Тиристоры Т 4 - 500, Т 630, Т 800. Информационный листок 05.04.45 - 76, Информэлектро, 1977.