一种功率模块的散热系统及其控制方法与流程

本发明涉及散热，具体涉及一种功率模块的散热系统及其控制方法。

背景技术：

1、随着4g的大量应用以及5g的逐渐普及，各种数据处理设备的发热量越来越大，数据中心对空调设备的制冷量和节能性要求也越来越高。

2、采用过渡季节和寒冷冬季的室外自然冷源对数据中心进行冷却，能大幅度降低空调设备的运行费用，常见的是采用氟泵空调，在冬季启用氟泵模式，停止压缩机的运行利用氟泵驱动制冷剂实现热管制冷运行，极大地降低了设备的运行费用。

3、由于数据中心热负荷的变化以及室外环境温度的变化，导致数据中心机房空调的制冷能力输出需要进行相应的智能调节控制，以便适应数据中心对空气调节恒温恒湿的要求，目前主流的变能力输出制冷系统多数都是采用变频控制，比如采用变频压缩机、直流调速风机等。

4、复合了氟泵循环的变频压缩制冷循环系统，通常有一个发热量比较大的ipm智能功率模块。随着智能功率模块的发热量越来越大，对其散热系统的要求也越来越高，市面上的智能功率模块的横向热扩散性能差，热容量小，智能功率模块在瞬间开始工作的时候，功率芯片(如igbt芯片、frd芯片或mos芯片等)会产生较大的热量，会导致igbt芯片、frd芯片或mos芯片的温度骤增而损坏功率芯片。智能功率模块的发热量经常发生变化，但很多时候在设计时没有对冷却流体进行精准的控制，导致智能功率模块的工作温度波动比较大，容易出现超温或者表面温度低于空气露点温度，表面温度低于空气露点温度时容易在散热器表面形成凝露水，这对控制器造成严重的安全威胁。

5、氟泵循环因为用电功率比压缩制冷循环的用电功率要小得多，因此功率模块的发热量也比较小，相应地功率模块的冷却流体的流量可以小得多；甚至在氟泵循环时功率模块不参与工作运行，即无需进行冷却。但在室外环境温度非常低的时候，氟泵抽吸的室外液体制冷剂温度非常低，低温冷量容易通过铜管等传导到ipm智能功率模块的散热器上，进而发生凝露现象。

6、由于现有技术中的ipm模块的散热系统在利用氟泵空调系统对ipm模块进行冷却时会存在氟泵模式下易导致ipm智能功率模块发生凝露，进而引起安全性等技术问题，因此本发明研究设计出一种功率模块的散热系统及其控制方法。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的ipm模块的散热系统在利用氟泵空调系统对ipm模块进行冷却时会存在氟泵模式下易导致ipm智能功率模块发生凝露的缺陷，从而提供一种功率模块的散热系统及其控制方法。

2、为了解决上述问题，本发明提供一种功率模块的散热系统，其包括：

3、氟泵空调系统、热管系统、功率模块和可调导热模块，所述热管系统包括蒸发段和冷凝段，所述冷凝段能与所述氟泵空调系统中的制冷剂换热以将热量释放给所述制冷剂，所述蒸发段能与所述功率模块换热以对所述功率模块进行吸热冷却，所述可调导热模块设置于所述蒸发段与所述功率模块之间，所述可调导热模块能够在所述氟泵空调系统运行在氟泵制冷模式下增大传热热阻，减小或阻止所述功率模块与所述蒸发段之间的换热。

4、在一些实施方式中，所述可调导热模块还能够在所述氟泵空调系统运行在压缩制冷模式下减小传热热阻，增大或开启所述功率模块与所述蒸发段之间的换热；

5、所述可调导热模块还能够在所述氟泵空调系统停机时增大传热热阻，减小或阻止所述功率模块与所述蒸发段之间的换热。

6、在一些实施方式中，所述可调导热模块包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体的一端与所述蒸发段连接，所述第一壳体的另一端能与所述第二壳体连接，所述第二壳体的远离所述第一壳体的一端与所述功率模块连接，所述第一壳体与所述第二壳体之间能够相对运动，且所述第一壳体和/或所述第二壳体的内部设置有导热材料，所述导热材料的导热系数分别大于所述第一壳体的导热系数和所述第二壳体的导热系数；当所述氟泵空调系统运行在氟泵制冷模式下或停机时，所述第一壳体与所述第二壳体之间相背运动；当所述氟泵空调系统运行在压缩制冷模式下，所述第一壳体与所述第二壳体之间相向运动。

7、在一些实施方式中，当所述第一壳体与所述第二壳体相向运动时，所述第一壳体能够套设于所述第二壳体的外周或所述第二壳体能够套设于所述第一壳体的外周，当所述第一壳体与所述第二壳体相背运动时，所述第一壳体逐渐脱离与所述第二壳体之间的套接。

8、在一些实施方式中，所述可调导热模块还包括驱动机构，所述驱动机构能够驱动所述第一壳体与所述第二壳体相向运动或相背运动；所述导热材料为导热硅脂，所述第一壳体和所述第二壳体的材料均为塑料；所述第一壳体与所述第二壳体之间设置有限位结构，以能使所述第一壳体与所述第二壳体相背运动时二者不至于完全脱离连接。

9、在一些实施方式中，所述热管系统还包括第一管道、第二管道和控制阀，所述第一管道连通于所述蒸发段的一端与所述冷凝段的一端之间，所述第二管道连通于所述蒸发段的另一端与所述冷凝段的另一端之间，所述控制阀设置于所述第一管道和/或所述第二管道上。

10、在一些实施方式中，所述第一管道和所述第二管道均为绝热管道，所述控制阀为能够控制管道关闭的电磁阀，或所述控制阀为能够控制流量大小改变的电子膨胀阀；所述第一管道和所述第二管道中通入冷媒，所述冷媒与所述制冷剂为相同或不同的物质。

11、在一些实施方式中，所述功率模块上设置有温度传感器，所述控制阀能够根据所述功率模块的温度高低而控制冷媒的流通量的大小进行变化，当所述功率模块的温度上升时，所述控制阀被控制增大开度，当所述功率模块的温度下降时，所述控制阀被控制减小开度，当所述功率模块不工作时，所述控制阀关闭。

12、在一些实施方式中，当所述氟泵空调系统运行在氟泵制冷模式下或停机状态下时，所述功率模块不工作；当所述氟泵空调系统运行在压缩制冷模式下时，所述控制阀打开并根据所述功率模块的温度高低控制冷媒的流通量的大小。

13、在一些实施方式中，所述氟泵空调系统包括压缩机和冷凝器，所述冷凝段设置在所述冷凝器的出口与所述压缩机的吸气口之间的位置，以与所述冷凝器的出口与所述压缩机的吸气口之间的管路或部件进行换热。

14、在一些实施方式中，所述氟泵空调系统还包括储液罐和氟泵，所述储液罐设置于所述冷凝器的出口与所述氟泵之间，所述冷凝段设置于所述储液罐的内部，以能与所述储液罐中的制冷剂进行换热。

15、在一些实施方式中，所述氟泵空调系统还包括蒸发器、节流阀、单向阀a、单向阀b、气液分离器、内风机和外风机，所述压缩机的吸气口连通所述气液分离器，所述单向阀b并联设置在所述压缩机与所述气液分离器串联连通后的两端，所述单向阀a并联设置在所述氟泵的两端，所述节流阀设置在所述氟泵与所述蒸发器之间，所述内风机对所述蒸发器吹风或吸风，所述外风机对所述冷凝器吹风或吸风。

16、本发明还提供一种如前述的功率模块的散热系统的控制方法，其包括：

17、判断步骤，判断所述氟泵空调系统是否运行，以及运行时其运行模式；

18、控制步骤，当判断出所述氟泵空调系统为停机状态时，控制所述可调导热模块增大传热热阻；当判断出所述氟泵空调系统运行且运行模式为氟泵制冷模式时，控制所述可调导热模块增大传热热阻；当判断出所述氟泵空调系统运行且运行模式为压缩制冷模式时，控制所述可调导热模块减小传热热阻。

19、在一些实施方式中，当所述可调导热模块包括第一壳体和第二壳体，以及所述第一壳体和/或所述第二壳体的内部设置有导热材料时：

20、控制步骤，当判断出所述氟泵空调系统为停机状态时，控制所述第一壳体与所述第二壳体相背运动以使得导热材料不充满所述第一壳体与所述第二壳体围成的内部空间；当判断出所述氟泵空调系统运行且运行模式为氟泵制冷模式时，控制所述第一壳体与所述第二壳体相背运动以使得导热材料不充满所述第一壳体与所述第二壳体围成的内部空间；当判断出所述氟泵空调系统运行且运行模式为压缩制冷模式时，控制所述第一壳体与所述第二壳体相向运动以使得导热材料充满所述第一壳体与所述第二壳体围成的内部空间。

21、在一些实施方式中，当所述热管系统还包括第一管道、第二管道和控制阀，且所述功率模块上设置有温度传感器时：

22、所述控制步骤中，当判断出所述氟泵空调系统为停机状态时，控制所述控制阀关闭；当判断出所述氟泵空调系统运行且运行模式为氟泵制冷模式时，控制所述控制阀关闭。

23、在一些实施方式中，当判断出所述氟泵空调系统运行且运行模式为压缩制冷模式时：

24、所述控制方法还包括检测步骤，通过所述温度传感器检测所述功率模块的温度；

25、所述判断步骤，判断所述功率模块的温度是否低于预设温度；

26、所述控制步骤，当所述功率模块的温度低于所述预设温度时，控制所述控制阀的开度减小；当所述功率模块的温度高于所述预设温度时，控制所述控制阀的开度增大。

27、本发明提供的一种功率模块的散热系统及其控制方法具有如下有益效果：

28、1.本发明通过设置氟泵空调系统、热管系统、功率模块和可调导热模块，使得热管系统被有效地连接在功率模块与氟泵空调系统之间，能够有效利用氟泵空调系统中制冷剂的冷量而对功率模块进行有效冷却和散热；并且通过功率模块与蒸发段之间设置的可调导热模块能够根据氟泵空调系统的不同模式或是停机状态选择性地增大传热热阻或减小传热热阻，尤其是在氟泵制冷模式下选择控制可调导热模块增大传热热阻，从而减小或阻止功率模块与蒸发段之间的换热，进而有效防止低温冷量传导在功率模块处形成的凝露现象，避免引起安全性的问题；通过分离式热管系统连接ipm智能功率模块散热板与氟泵空调的制冷剂管道，能够将低温或者常温制冷剂的冷量传导到ipm智能功率模块的散热板上，从而对ipm模块进行冷却降温；通过可调导热模块分离热管与ipm模块，防止ipm模块不工作时被传导至低温产生凝露；还通过可调导热模块调节热管蒸发段与ipm模块之间的距离从而降低热传导，防止ipm模块不工作时被传导至低温产生凝露水；

29、2.本发明还通过在功率模块上设置温度传感器，以及在热管系统上设置控制阀，利用温度传感器检测的功率模块的温度对控制阀进行控制，从而实现对功率模块的温度的精准控制，防止功率模块出现温度过低或温度过高的情况，保证功率模块的安全可靠的运行；ipm模块不工作时关闭控制阀同时调节ipm模块与热管蒸发段的距离减小导热，阻隔热管的热量传递，防止低温冷量传导到ipm模块，从而杜绝凝露水的出现。