用于晶闸管短时结温保护的散热器及其保护时间获取方法与流程

本发明属于电力电子散热技术领域，更具体地，涉及一种用于晶闸管短时结温保护的散热器及其保护时间获取方法。

背景技术：

自上世纪九十年代以来，由于芯片的集成技术的发展应用以及运行功率的提高，电子器件的热流密度提升越来越大，散热技术面临着极大的挑战。大功率晶闸管广泛用于柔性直流输电等大功率电力电子装置中。晶闸管是决定柔直系统中换流阀运行可靠性的元件。除了器件本身的性能之外，其工作温度也是影响晶闸管运行可靠性的关键原因，过高的温度与过快的温度冲击会导致开关元件失效，研究表明由于温度引起的电子器件的失效占总失效原因的55％。因此，为了确保晶闸管的运行稳定性，延长电子器件的使用寿命，保障大功率电力电子装置的可靠运行，研究并开发一种高效实用的散热技术对提高换流阀运行可靠性具有重要的意义。

相变材料被广泛用于间歇式电子设备的冷却应用中。相变散热技术以相变材料为介质，利用其发生相变过程与外界系统进行热交换，从而达到可控储放热进行热管理的目的。所谓相变，就是相态的转变。相变过程在存在能量的变化，这种相变过程中存在的吸收或释放的热量即称为相变潜热，较显热储能而言，相变潜热储能具有储能密度大、能量吸收与释放过程可逆以及储能稳定等特点，相变过程物质自身温度可保持在相变点不变或只发生较小变化，因此可以利用这一特点进行温度的被动控制。相变储能式热管理的原理是：当被控温物体的表面温度上升到所允许的上限温度时，相变材料(pcm)熔化并吸收热量，从而延缓表面温度的上升；而当温度下降到所允许的下限温度时，pcm凝固并释放热量，从而延缓表面温度的下降。这样能有效提高电子器件抵抗高负荷热冲击的能力，保证了电子电器运行的可靠性及稳定性，同时在低温的环境中电子器件可以不经预热便能正常工作。温控原理就是利用pcm的熔化潜热来吸收电子器件在短时间内产生的大量热量。因为这一储热过程近似等温，电子器件的温度在短时间内几乎维持恒定或在规定的温度范围内。而当电子设备在不发热时，pcm有足够长的时间凝固释放热量以恢复到初始状态，为下一次相变储热做准备。对具有间歇性发热或处于波动温度环境下的电子器件，其温控原理是当电子器件处于高发热或高温环境下，pcm通过熔化储存热量，维持电子器件的温度在正常范围内，防止温度过高；而当电子器件处于低发热或低温环境下，pcm凝固并释放热量，防止电子器件的温度过低，有效控制了电子器件的温度波动。根据相变形式和相变过程，主要分为气液相变、固气相变、固液相变、固固相变储能材料，但是由于在固气相变和气液相变的过程中，均有气体存在且所占体积较大，实际应用中较少采用，然而由于有机相变材料的低导热系数，使得相变材料的应用变得十分有限。

综上所述，针对换流阀晶闸管工作可靠性的问题，需要一种为晶闸管提供短时结温保护的散热器。

技术实现要素：

本发明提出一种用于晶闸管短时结温保护的散热器，为换流阀晶闸管短路，过流等故障情况提供短时的结温保护，使柔直系统中换流阀更加安全可靠地运行。

为达到上述目的，一方面，本发明提供一种用于晶闸管短时结温保护的散热器，包括热导率满足麦克斯韦模型的相变材料、基板、外部壳体及内部翅片，所述相变材料包括相变基体和导热增强剂，所述外部壳体固定于所述基板上形成填充腔体，多个所述内部翅片间隔设于所述外部壳体内且其底部连接所述基板以将所述填充腔体分隔成多个子填充腔体，每个所述子填充腔体内填充有相变材料。

优选的，上述技术方案中，所述相变材料的热导率满足麦克斯韦模型为：

其中，kpred表示复合相变材料的导热系数，kpcm表示相变基体的导热系数，kcnt表示相变材料中导热增强剂的导热系数，φvol表示相变材料中导热增强剂的质量分数。

优选的，上述技术方案中，所述相变基体为石蜡，所述导热增强剂为石墨烯。

优选的，上述技术方案中，所述相变基体的熔点略高于晶闸管正常工作状态的壳温。

优选的，上述技术方案中，所述基板呈长方形。

为达到上述目的，另一方面，本发明提供一种上述的用于晶闸管短时结温保护的散热器的制作方法，包含如下步骤：

s1，用电子天平称取一定质量的石蜡置于试剂瓶中，将试剂瓶放置在恒温磁力搅拌器的面板上，设置恒温加热至石蜡材料至完全熔化，保持熔化状态30分钟；

s2，将质量分数为2％的石墨烯加入到石蜡基体中；

s3，将磁芯放入试剂瓶中，调节恒温磁力搅拌器，转速设定为450转每分钟，保持温度不变，将石墨烯和石蜡的复合材料的悬浮液持续搅拌3h；

s4，取出磁芯，将试剂瓶置于超声波清洗机中，超声震荡30分钟；

s5，停止震荡，将试剂瓶置于环境温度下冷却；

s6，将试剂瓶置于恒温水浴中，水浴加热复合相变材料至完全熔化，保持熔化状态10分钟；

s7，取出试剂瓶，将复合相变材料倒入外部壳体与翅片构成的子填充腔体中；

s8，将散热器置于常温中至子填充腔体内复合相变材料完全凝固。

为达到上述目的，再者，本发明还提供一种获取上述用于晶闸管短时结温保护的散热器的保护时间的方法，具体包括：

在晶闸管过流或短路故障时，相变材料为维持晶闸管结温稳定而提供的保护时间满足：

其中，t表示散热器提供的保护时间，l表示石蜡基体的相变焓值，m表示填充的相变材料质量，p表示晶闸管的功率损耗。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明与传统的风冷板翅式散热方式相比较，本发明采用被动冷却方式，在不增加额外功率与体积的情况下能够为短时结温温升提供保护，从而提供给系统足够的时间切除故障，保障系统的安全运行。且本发明中的复合材料相对于纯相变材料导热系数高，能够降低传统纯相变材料散热器的热阻，提升散热器的散热性能。

2、本发明继承了高导热率的相变材料，能够针对换流阀晶闸管的短时故障进行保护，当晶闸管壳温到达相变点时，相变材料开始熔化吸收热量，减缓晶闸管温度上升速率，抑制晶闸管结温快速增长，能够有效防止晶闸管过热失效。本发明适用于换流阀晶闸管短路或过流等故障场合。

3、本发明选用的相变材料为石墨稀/石蜡复合相变材料，相变材料基体为石蜡，其熔点可控，能够针对不同的应用场景定制不同相变温度的散热器，导热添加剂为少层石墨烯材料，具有高导热系数，能够增加基体的导热系数，加速相变材料的相变过程，提高相变材料的吸热速率，缩短了相变散热器的热响应时间。

附图说明

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的用于晶闸管短时结温保护的散热器的结构示意图。

图2为本发明实施例的用于晶闸管短时结温保护的散热器的俯视图。

图3为相变材料散热器制作及测试步骤图。

图4为相变材料熔化过程示意图。

图5为相变材料凝固过程示意图。

图6为热源温度未超过熔点时的时间-温度曲线。

图7为热源温度超过材料熔点时的时间-温度曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例进行进一步的说明，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点与特征，从而对本发明予以实施，但所举实例不作为对本发明的限定。

该实施例中，需要在相变材料基体中建立可靠的低热阻导热通道，降低相变材料内的温差，增加基体的导热性能。该实施例增加相变材料导热性能的方法为：第一，在相变散热器内部加入金属导热片，如内插翅片、加入泡沫金属、采用蜂窝结构等方法，随着内部金属结构的增加，相变材料的内部导热通道得以建立，传热速率增加，散热片的峰值温度降低，有利于pcm的热分配，从而降低散热器的峰值温度；第二，在相变材料中添加导热添加剂，如石墨烯、纳米金属粒子、碳纳米材料等，添加导热添加剂能够对相变材料的性能进行改进，调节相变潜热、比热容以及导热系数。

该实施例中进一步的，如图1-图2所示，提供一种用于晶闸管短时结温保护的散热器，包括基板1，外部壳体2，内部翅片3和相变材料4。基板1呈长方形，外部壳体固定于基板上，即基板的上端面连接外部壳体2的下端形成填充腔体，多个内部翅片3间隔设于外部壳体2内且底部连接基板1，从而将以将填充腔体分隔成多个材料子填充腔体，子填充腔体间被内部翅片3完全分隔开。

本发明中采用的相变材料为石墨烯/石蜡复合相变材料，相变基质为石蜡，导热增强剂为高导热系数的石墨烯材料，基质熔点可根据所需场合定制设计，基质的熔点略高于晶闸管正常工作状态的壳温，在晶闸管正常工作的条件下散热器中填充的相变材料不会发生变化，当晶闸管电流大于正常工作的电流时，材料将发生相变吸收大电流而产生的热量，抑制晶闸管结温上升，短时维持晶闸管温度稳定。可对功率模块的短时温升进行保护，储能温度范围适合，无毒，无化学发硬，能够反复使用相变过程且状态稳定，无团聚及过冷现象的发生。

相变材料4的热导率满足传统的麦克斯韦模型：

其中kpred表示复合相变材料的导热系数，kpcm表示相变基体的导热系数，kcnt表示相变材料中导热增强剂的导热系数，φvol表示相变材料中导热增强剂的质量分数。

该实施例中，所需的保护时间由填充的相变材料质量决定，相变材料在晶闸管过流或短路故障时，为维持晶闸管结温稳定而提供的保护时间满足：

其中t表示散热器提供的保护时间，l表示石蜡基体的相变焓值，m表示填充的相变材料质量，p表示晶闸管的功率损耗。

如图3所示，该实施例的基于相变材料的散热器的制作方法包含如下步骤：

步骤s1，用电子天平称取一定质量的石蜡置于于试剂瓶中，将试剂瓶放置在恒温磁力搅拌器面板上，设置恒温加热至石蜡材料至完全熔化，保持熔化状态30分钟；

步骤s2，保持熔化30分钟后，将质量分数为2％的石墨烯加入到石蜡基体中；

步骤s3，将磁芯放入试剂瓶中，调节恒温磁力搅拌器，转速设定为450转每分钟，保持温度不变，将复合材料悬浮液持续搅拌3h；

步骤s4，取出磁芯，将试剂置于超声波清洗机中，超声震荡30分钟；

步骤s5，停止震荡，将试剂瓶置于环境温度下冷却；

步骤s6，将试剂瓶置于恒温水浴中，水浴加热至复合相变材料至完全熔化，保持熔化状态10分钟；

步骤s7，取出试剂瓶，将复合相变材料倒入散热器外部壳体与翅片构成的子填充腔体中；

步骤s8，将散热器置于常温中至子填充腔内复合相变材料完全凝固。

接下来，对用于晶闸管短时结温保护的散热器进行测试，测试过程包含如下步骤：

(1)依次在桌子上放上fr-4环氧树脂板，陶瓷纤维纸，金属陶瓷加热片，散热器，fr4板和陶瓷纤维纸起隔热作用，防止烫坏桌面

(2)将热电偶1置于金属陶瓷加热片与散热器之间，并在mch和散热器之间涂上导热硅脂以减小热阻，在将热电偶2置于相变材料内部。

(3)分别以160分钟、120分钟、80分钟、40分钟为周期，50％脉宽的电源信号施加给mch，设定功率恒定，采集热电偶1和2的温度曲线并记录，分别记录热源的温度-时间曲线与内部相变材料的温度-时间曲线数据。

如图4所示，在相变材料熔化过程中，热量从基板开始向上传递，首先通过高导热系数的铝制外壳与内部翅片，最后传递到相变材料，内部翅片对相变材料起到了温度均匀化的作用，能够加速相变材料吸热储能。

图5为相变材料的凝固放热过程，热量由相变材料外表面向外释放，通过上表面与空气的接触面、外表面与铝制壳体和翅片的接触放热，逐渐向内凝固，最终将热量释放到环境中。

图6为热源温度未达到相变材料熔点时的时间-温度曲线，当热源温度未达到相变材料熔点时，内部材料状态为固态，热传递过程为显热吸热，对晶闸管结温不提供稳定保护。

图7为热源温度达到相变材料熔点后的时间-温度曲线，当热源温度达到相变材料熔点时，相变材料开始熔化吸热，此时的热传递过程稳潜热吸热，相变材料显现出大比热容特性，在相变过程中维持温度不变，同时吸收热源的热量，维持晶闸管结温稳定，为晶闸管提供短时结温保护，若故障不及时排除，超过散热器所提供的结温保护时间，内部相变材料将完全相变为液态，不再显现出潜热吸热的特性，温度将持续上升直到达到新的稳态或故障切除。当故障切除后，内部相变材料温度将逐渐降低，当降低到其凝固点后，材料将凝固放热，直到材料完全凝固为固态，能够循环使用。

最后要说明的是，以上实例仅用以说明本发明的技术手段，并非对本发明技术方案的限制，尽管以上实例对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员需理解，可以在形式和细节上对实例做出改变而不偏离权利要求书所限定的范围。