一种水冷散热一体化的晶闸管及晶闸管串联模块

技术领域

本发明属于晶闸管散热技术领域，更具体地，涉及一种水冷散热一体化的晶闸管及晶闸管串联模块。

背景技术

脉冲电源能够输出瞬时超高功率脉冲，是实现很多极端物理条件的前提，在国防领域和基础学科领域都有广泛的应用，如雷达、电磁发射、强磁场、可控核聚变和大功率激光等。脉冲电源的整体储能密度是衡量其性能的重要指标。半导体开关(晶闸管和二极管)作为脉冲电源的大功率器件，占据了电源相当的体积，对其进行小型化研究，是脉冲电源获得更高储能密度的最直接有效的途径之一。

当晶闸管处于重复频率工作状态下，强脉冲电流通过使得晶闸管本身产生的损耗大增并引起晶闸管硅片的结温升高，影响晶闸管的运行性能及使用寿命，因此需要专门对晶闸管进行散热设计，使其温升控制在较为理想的水平。

现有技术中，常用的有自冷式散热器、风冷式散热器、水冷式散热器和热管散热器等。在脉冲功率领域，综合考虑散热效率、电气绝缘性能以及结构设计等多方面因素，普遍采用在上下铜基座之间用紧固件外接水冷散热器，散热器内部通入循环的冷却水将晶闸管产生的热量带走。但由于散热器本身体积较大，外接时用紧固件与铜基座相连，接触热阻较大，导致散热效率低。同时，这种散热结构的附件很多，装配繁琐，整个器件体积很大，会导致脉冲电源的储能密度较低。并且，现有的这种散热设计会导致晶闸管之间的串接非常困难，即便能够串接，也会使得器件体积很大，降低脉冲电源的储能密度及散热效率。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种水冷散热一体化的晶闸管及晶闸管串联模块，其目的在于减小晶闸管的体积及提升散热效率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种水冷散热一体化的晶闸管，包括硅片、两个钼片、两个铜基座、门级触发线及散热组件；

所述硅片夹在所述两个钼片中间，所述两个钼片固定在所述两个铜基座之间，所述门级触发线与硅片连接，并穿过其中一个铜基座引出，所述散热组件设置在另一个铜基座内。

进一步地，所述散热组件包括散热通道和水嘴，所述散热通道的两端分别为进水口和出水口，所述水嘴与出水口相连，并与设置在所述铜基座外部。

进一步地，所述散热通道内设置有刻槽。

进一步地，所述刻槽为对称的折线形。

进一步地，所述水嘴与散热通道可拆卸式连接。

进一步地，两个铜基座之间通过陶瓷衬套封装。

按照本发明的另一个方面，提供了一种水冷散热一体化的晶闸管串联模块，包括外部框架以及设置在外部框架内的多个如第一方面任意一项所述的晶闸管，多个所述的晶闸管之间串联连接。

进一步地，所述外部框架包括压紧轴、上轭、下轭和引出铜排；

所述压紧轴垂直设置在所述上轭与下轭之间，所述串联连接的晶闸管放置在所述上轭与下轭之间，所述引出铜排设置在所述串联连接的晶闸管内。

进一步地，在所述压紧轴上设置有调节螺母。

进一步地，所述上轭与下轭分别与晶闸管接触的表面设置有垫块。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明通过将水冷散热组件设置在晶闸管的铜基座内，不需要另外压装外接散热器，实现了晶闸管本体与散热组件的一体化设计，减小了晶闸管的体积和重量；同时，由于一体化设计后，不需要在晶闸管的铜基座之间压装外接水冷散热器，解决了水冷散热器与晶闸管的接触问题，不存在接触热阻，相比现有技术，不仅具有更好的机械性能，而且能起到更好的散热效果。

(2)进一步地，在本发明设计的水冷散热一体化的晶闸管结构的基础上，多个晶闸管串联形成模块化结构，能够解决现有技术中多个晶闸管之间串接困难的问题；并且，本发明设计单面散热结构，能够进一步减小多个晶闸管单元串联模块的体积，同时还能够实现较好的散热效果，一个晶闸管内的散热组件不仅能够给当前的晶闸管散热，还能够给相邻的晶闸管散热，进一步提升了脉冲电源的储能密度及散热效率；并且，这样的设计还能够保证晶闸管的电气绝缘可靠性。

(3)作为优选，本发明中散热通道采用对称的折线形结构，一方面增大了冷却水与铜基座之间的接触面积，进一步提升晶闸管的散热能力，另一方面也能避免使晶闸管中温度分布不均匀导致的热应力破损。

总而言之，本发明减小了晶闸管的体积，并提升了散热效率，同时能够减小多个晶闸管单元串联模块的体积，提升了脉冲电源的储能密度及散热效率，还减少了散热器的设计和成本。

附图说明

图1为本发明的水冷散热一体化晶闸管的结构示意图。

图2为散热通道的结构示意图。

图3为本发明的水冷散热一体化晶闸管串联模块的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1-压紧轴，2-调节螺母，3-上轭，4-下轭，5-垫块，6-引出铜排，7-晶闸管，8-硅片，9-上钼片，10-下钼片，11-上铜基座，12-下铜基座，13-散热通道，14-水嘴，15-门级触发线，16-陶瓷衬套，17-刻槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的水冷散热一体化晶闸管，主要包括硅片8、上钼片9、下钼片10、上铜基座11、下铜基座12、门级触发线15及散热组件；

硅片8被夹在上钼片9和下钼片10中间，上钼片9和下钼片10则被固定在上铜基座11和下铜基座12座之间，门级触发线与硅片连接，穿过上铜基座引出，散热组件设置在下铜基座内，与晶闸形成一体化结构。在其它实施例中，门级触发线也可以穿过下铜基座引出，散热组件设置在上铜基座内。散热组件与门级触发线分别设置在不同的铜基座之中，保证了晶闸管的电气绝缘可靠性。

具体的，本实施例中，散热组件包括散热通道13和水嘴14，其中，散热通道13设置在下铜基座内，散热通道的一端作为入水口外接水冷机构时，冷却水通过入水口流入散热通道，对硅片进行冷却，然后通过作为出水口的散热通道的另一端排出。水嘴14设置在下铜基座外部并与散热通道13的出水口相连。作为优选，水嘴14与散热通道13为可拆卸式连接，便于组装、拆卸与更换，安装在铜基座外部也降低了漏水风险。

作为优选，如图2所示，在散热通道13内设置有刻槽17，刻槽17为折线形，增大了冷却水与铜基座之间的接触面积，进一步提升了晶闸管的散热能力。

优选的，刻槽17为在散热通道内为对称的结构，能够使整个散热通道13在下铜基座12中分布均匀对称，使上下钼片与硅片上的温度分布对称，削弱了晶闸管本体中的热应力。

作为优选，在上、下铜基座之间通过陶瓷衬套16封装，材料为环氧陶瓷，具有优良的导热性能和密封性能。

本发明的这种水冷一体化结构去除了外接压装的散热器结构，不仅可以提高散热效果，还减小了晶闸管的体积。

如图3所示，本发明在上述晶闸管单元的基础上，还提供了一种水冷散热一体化的晶闸管串联模块，主要包括外部框架以及上述的多个串联连接的晶闸管7；多个串联连接的晶闸管设置在外部框架内。具体的，外部框架包括压紧轴1、上轭3、下轭4和引出铜排6；在上轭与下轭之间排布多个串联连接的晶闸管，压紧轴1垂直设置在上轭与下轭之间，通过旋拧设置在压紧轴1上的调节螺母2使上、下轭与串联连接的晶闸管紧固连接。同时压紧轴还起到定位多个串联连接的晶闸管的作用。在多个串联连接的晶闸管之间设有引出铜排，用作晶闸管的电极引线。

作为优选，本实施例中，设置四个晶闸管本体串联连接，每两个晶闸管本体共用一个引出铜排。

作为优选，在上、下轭分别与晶闸管接触的表面设置有垫块5，用于增大上、下轭与串联连接的晶闸管之间的压紧力。

优选的，所述晶闸管本体与散热组件之间相互重叠，下铜基座12是二者的公共部分，铜基座既作为晶闸管的引出电极，同时也承担了水冷散热的功能，采用单面冷却结构大幅度降低了模块的高度和外形体积。

在水冷散热一体化晶闸管串联模块的设计过程中，热阻、流阻和有效散热面积是具有相互关联性的矛盾体，设计时需要协调热阻、流阻和有效散热面积三个变量，进行优化组合，使水冷散热结构满足设计要求，在本发明实例中热阻、流阻和有效散热面积三个变量的调节，可以通过调整散热通道中刻槽的走向与深度，冷却水的入口速度与温度来实现。本实施中，通过ANSYS专业仿真软件建模对一体化晶闸管串联模块的散热效果进行评估。同时，晶闸管整体的电气绝缘强度与机械强度也是需要考核的指标，这保证了晶闸管的运行可靠性与结构稳定性。

通过仿真，在晶闸管本体结构与散热通道中冷却水的流量相同时，与外接散热器相比，本发明的设计方法能够将整体晶闸管串联模块体积减小50％，并且，当刻槽深度为15mm时，散热能力提升46％。

本发明通过将水冷散热组件设置在晶闸管的铜基座内，不需要另外压装外接散热器，实现了晶闸管本体与散热组件的一体化，不仅整体体积小、重量轻，且具有现有技术的晶闸管和散热器的双重功能，集成度高；并且，还减少了散热器的设计和成本。

同时，由于一体化后，不需要在晶闸管的铜基座之间压装外接水冷散热器，解决了水冷散热器与晶闸管的接触问题，不存在接触热阻，冷却水从铜基座内的散热通道流过，相比外接散热器散热，不仅具有更好的机械性能，而且能起到更好的散热效果。

进一步地，通过本发明设计的水冷散热一体化的晶闸管结构，能够解决现有技术中多个晶闸管之间的串接非常困难的问题，还大大简化了晶闸管串联模块的组装。并且，本发明在一个铜基座里面设计散热组件，一方面是为了保证晶闸管的电气绝缘可靠性，另一方面也是为了能够进一步减小多个晶闸管单元串联模块的体积，从而提升脉冲电源的储能密度及散热效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。