CN101170087A - 具有独立冷却系统的电功模块 - Google Patents

Abstract

一种半导体模块，包括其中具有空腔的壳体，以及位于所述空腔内的至少一个半导体装置。在所述壳体内的包含有冷却系统，所述冷却系统包括布置在所述壳体内的绝缘流体和布置成通过所述壳体的流动通路。所述流动通路流体地连接到所述空腔，所述冷却系统构造成使所述绝缘流体循环通过所述流动通路和所述至少一个半导体装置之上。

Description

具有独立冷却系统的电功模块

技术领域

本发明总地涉及液冷式半导体模块，更具体地，涉及适于用在电动/混合动力车辆上的具有独立冷却系统的电功模块。

背景技术

已知某些半导体模块在运行期间会产生过量的热。这对于通常在高功率电路中用作开关或整流器的电功半导体模块尤其现实。例如，配置在电动和混合动力车辆上用于向车辆电动机提供三相操作电源的功率变换器。功率逆变器和其它这种装置通常必须冷却，以确保正常的功能。为此，通常设置具有某种形式的冷却系统的电功模块来容纳这种电功装置。例如，传统的冷却系统通常使用冷却板(例如，散热片)来将热量从电功装置传递出去。散热片可包括具有平坦表面及从其延伸的多个突起(“针状翅片”)的金属本体(例如，铝、铜等)。散热片的平坦表面与装置热接触(例如，焊接至支撑电功装置的基片上)，针状翅片暴露于冷却源中，通常为空气或冷却液(例如，乙二醇水)。在装置运行期间，热量从电功装置传导入针状翅片内，通过冷却源的对流作用冷却。

上述这种简单的散热片冷却系统无法获得最佳的电功装置冷却效果。从电功装置传递到冷却板的热量通常不如冷却液与电功装置物理接触的直接接触式冷却方法有效。并且，如果使用冷却液，那么冷却液的滞流会进一步降低热散逸。利用直接接触式主动冷却系统可减轻这些限制，其中主动冷却系统利用泵来循环电功装置上的冷却液。这些系统中最有效的一种通常直接在靠近电功装置顶部的电子组件(例如，开关、二极管等)上设置绝缘冷却液。但是，直接接触式主动冷却系统也在某些方面受限制。这种冷却系统往往比较复杂，使用成本高。另外，这种冷却系统通常非独立的，因此需要在组件之间多重互联。这使得使用这种冷却系统的电功模块的联接/更换更加困难，还会产生冷却液污染和泄漏的问题。

因此，应当了解，希望提供一种热效率高、半导体模块内完全独立、避免流体污染和泄漏问题、并且利于模块的联接/更换的冷却系统。还应当了解，如果这种冷却系统复杂程度低、制造成本较低，那么是优选的。另外，结合附图及前面的技术领域和背景技术，从下面的详细描述和所附权利要求可清楚理解本发明的其它期望特征。

发明内容

一种半导体模块，包括其中具有空腔的壳体，以及位于所述空腔内的至少一个半导体装置。在所述壳体内的包含有冷却系统，所述冷却系统包括布置在所述壳体内的绝缘流体和布置成通过所述壳体的流动通路。所述流动通路流体地连接到所述空腔，所述冷却系统构造成使所述绝缘流体循环通过所述流动通路和所述至少一个半导体装置之上。

附图说明

下面结合附图描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件：

图1为根据本发明典型实施例的半导体模块的第一横截面图；

图2为图1中所示半导体模块沿线2-2的第二横截面图。

具体实施方式

下列详细描述实质上仅仅是示意性的，而不是限制本发明或者本发明的应用和使用。另外，并不对前面技术领域、背景技术、发明内容或下面详细描述中描述或暗含的理论做任何的界定。

图1为根据本发明典型实施例的半导体模块20的第一横截面图，图2为模块20沿图1中线2-2的第二横截面图。半导体模块20可为电功模块(例如，适于配置在电动或混合动力车辆上的逆变器模块)，因此这里就将其称之为电功模块。电功模块20包括壳体22，其包括模块盖子24和基板26。基板26可包括，例如冷却板。这里使用的术语冷却板为其最广泛的含义，并围绕适于从模块20移除热量的所有装置(例如，散热片)。盖子24可由适当的塑料模制而成，冷却板26可由导热金属制成，例如铝或铜。盖子24包括内表面28，冷却板26包括支撑表面30。盖子24密封地连接到冷却板26上，使得内表面28和支撑表面30在壳体22内共同限定空腔32。如本领域的技术人员所理解的，盖子24可以多种方式密封地联接到冷却板26上。例如，盖子24可通过粘合剂或多个紧固件联接到冷却板26上。可选择地，盖子24可模制而成，以包括接合支撑表面30的多个机械锁止特征，或者盖子24可简单地直接模制在冷却板26上。如果使用紧固件或机械锁止特征，那么可在内表面28与支撑表面30之间设置O形圈(未示出)，以确保在盖子24与冷却板26之间形成真空密封。

在空腔32内设有一个或多个半导体装置34(例如，电功装置，如逆变器)，半导体装置34联接到冷却板26的支撑表面30上。特别地，电功装置34由基底36支撑，并固定地联接到基底36上。基底36可直接粘合在铜基底上(例如，镀铜氧化铝或陶瓷基底)，电功装置34可焊接到基底36上；但是，应当理解，也可使用其它基底和连接装置。基底36联接到(例如，焊接)到支撑表面30上，从而将电功装置34定位成与冷却板26热连接。

在半导体模块20运行期间，电功装置34会产生热量。特别地，电子组件(例如，电力开关、二极管等)和电功装置34使用的丝焊会产生热量。因此，将冷却系统配置在壳体22内，以通过在壳体22内和电功装置34上主动循环冷却流体38来散发电功装置34产生的热量。如下面所更加详细描述的，冷却系统优选将一个或多个流体流或冷却流体的雾化喷雾直接引起到电功装置34的顶面上，以直接冷却电子组件和丝焊，从而使散热对流最大化。

冷却流体38优选为绝缘液体。如本领域的技术人员所理解的，依赖于装置的化学特征和应用来选择特定的绝缘液体。适当的绝缘流体可包括，但不限于，碳氟化合物、硅油和聚α烯烃(polyalphaolephin)。冷却流体38收集在冷却流体容器37内，而冷却流体容器37布置在空腔32内，并通常由支撑表面30和内表面28限定。如图所示，容器37部分地或全部地包装一个或多个电功装置34；但是，应当理解，冷却流体容器37内包含的流体并非必须与电功装置34的任何部分接触。实际上，优选暴露电功装置34的上表面，以允许冷却流体3 8直接作用在其上。在其它实施例中，电功装置34可整个被基本上充满空腔32的冷却流体浸没。该类实施例在提供了优于电功装置未全部被流体3 8浸没的实施例的某些优点。这些优点包括，但不限于，改善热性能和/或降低对装置方位的敏感；例如，当模块20倾斜，或者当模块20受重力时，降低半导体模块20内布置的泵(例如，下述泵42)摄入空气的可能性。

在典型实施例中，冷却板26包括具有本体部分39的散热片，其中本体部分39包括支撑表面30。本体部分39上联接有(例如，一体的)多个突起(“针式翅片”)40，突起40从本体部分30沿与支撑表面30基本相反的方向延伸。针式翅片40担架了冷却板26底部的表面积，从而利于冷却板26的对流冷却。针式翅片40以公知的方式暴露于冷却源；例如，针式翅片40可暴露于空气源，其中空气可通过风扇(未示出)直接作用在针式翅片40上。可选择地，针式翅片40可暴露于第二液体冷却剂(例如，乙二醇水)。在这种方式下，冷却板与基底36基本形成导热散热路径。也就是说，电功装置34产生的过多热量由基底36导热地吸收，并通过本体部分39传入针式翅片40。然后，应用到针式翅片40的冷却源将过多的热量对流地散发，从而冷却了冷却板26。

如上所述，冷却流体38通过电功模块20内包含的冷却系统主动地在壳体22内循环。该冷却系统包括通过壳体22的流动通路41(图1)，其具有入口和至少一个出口。另外，冷却系统还可包括流体地连接到流动通路41的泵42(图1)。在所示实施例中，流动通路41包括布置成穿过支撑表面30的容器入口44和布置成穿过内表面28的多个冲击出口46。冲击出口46优选定位成循环的冷却流体38至电功装置34的顶面；例如，各出口46可基本布置在图1和2中所示不同电功装置34的上方。冲击出口46可设为适于将流体38引导至电功装置34上的任意形式。例如，冲击出口46可各采用穿过盖子24的内表面28的一个或多个孔。但是，冲击出口46可各优选包括构造成产生冷却流体流的流体流喷嘴(示出)，或者构造成产生微粒或雾状喷雾的喷雾嘴。特定模块可依据所需的性能特征，使用流体流喷嘴、喷雾嘴、或者喷嘴与喷雾嘴的组合。相对于流体流喷嘴，喷雾嘴往往提供更加有效的热冷却。相反，流体流喷嘴有助于维持冷却流体量，并可允许泵42处于低压状态，从而降低成本，提高系统可靠性。

尽管图1和2中只示出了一个流动通路，但是应当理解，本发明的某些实施例中，半导体模块可包括多个(例如，两个)流动通路。流动通路优选形成通过冷却板的外围部分，以便基本上避免直接暴露于设在基底和冷却板内的导热路径。因此，本领域的技术人员应当理解，形成在冷却板内的流动通路部分可设为多种形状和构造(例如，蜿蜒的或格状的构造)，以提高流动通路的长度，从而使从冷却流体至冷却板的热传递最大化。

仍参考典型模块20，流动通路41包括两个流动通路部分：形成在冷却板26内的第一流动通路部分48，形成在盖子24内(例如，通过盖子24的顶部)的第二流动通路部分50。第一流动通路部分48包括容器入口44，第二部分50包括多个冲击出口46。泵42布置在壳体22内，并流体地联接在第一流动通路48与第二流动通路50之间。例如，泵42可位于盖子24的外围部分43内，并流体地联接在流动通路48的出口52与流动通路48的入口54之间。当通电时，泵42使冷却流体38循环通过流动通路4 1和电功装置34上。更具体地，在泵42的影响下，冷却流体38首先从容器37吸入流动通路48的容器入口44。然后，冷却流体38流过流动通路部分48，进入泵42。然后，泵42将冷却流体38排入流动通路部分50。排出的冷却流体38流过流动通路部分50，直至达到冲击出口46为止，然后冲击出口46将冷却流体38引导到电功装置34上。在冲击到电功装置34的上表面之后，冷却流体38返回至冷却流体容器37，重复该循环。

当冷却流体38冲击在电功装置34的上表面上时，热量从装置34传递到流体38，从而提供了热传导路径。这导致热量从装置34传递到冷却流体38。在受热了的情况下，冷却流体38流入冷却流体容器37，最后吸入容器入口44。当受热的冷却流体38流过流动通路部分48时，冷却板26使得流体38以上述方式冷却。如图1中所示，流动通路部分48优选跨越冷却板26的大部分长度，以使热散逸最大化。另外，如图2中所示，流动通路部分48的宽度优选基本小于冷却板26的宽度，以提高沿着上述导热路径的热散逸。

从上述说明可总结出，模块20设有两个分离的散热路径：上述导热冷却路径(即，通过装置34的底部、基底36、本体部分39和针式翅片40)，和对流冷却路径(即，通过装置34的顶部、循环冷却流体38和针式翅片40)。在这种方式下，充分地改进了电功电子装置34的冷却。此外，分开的散热路径提供了冗余度，这在对流冷却路径发生故障(例如，泵42发生故障、流动通路4 1出现堵塞等)时，允许电功模块20的持续运行。

考虑到上述内容，应当了解，提供了热效率高、并且完全包含在半导体模块内的冷却系统。还应当了解，该冷却系统降低了复杂度，制造成本比较低。尽管在上述说明中描述了至少一个典型实施例，但是应当理解，还存在大量的变形。还应当理解，其典型实施例仅仅是实例，并不以任何方式限制本发明的范围、应用或构造。并且，上述详细说明给本领域的技术人员提供了执行典型实施例的方便的实行方法。应当理解，在不脱离根据所附权利要求及其等效替代物的本发明范围的情况下，可对元件的功能和布置作出各种改变。

Claims (20)

1.一种半导体模块，包括：

壳体，其中具有空腔；

位于所述空腔内的至少一个半导体装置；以及

包含在所述壳体内的冷却系统，所述冷却系统包括：

流动通路，该流动通路通过所述壳体，并且流体地连接到所述空腔；以及

布置在所述壳体内的绝缘流体，所述冷却系统构造成使所述绝缘流体循环通过所述流动通路和所述至少一个半导体装置之上。

2.如权利要求1所述的半导体模块，其中所述壳体包括：

盖子；以及

密封地联接到所述盖子的冷却板。

3.如权利要求2所述的半导体模块，其中所述冷却板为散热片。

4.如权利要求2所述的半导体模块，其中所述流动通路延伸通过所述盖子和所述冷却板。

5.如权利要求4所述的半导体模块，其中所述流动通路包括形成在所述冷却板内的入口和形成在所述盖子内的至少一个出口。

6.如权利要求5所述的半导体模块，其中所述至少一个出口包括构造成向所述至少一个半导体装置上输送水流的喷嘴。

7.如权利要求5所述的半导体模块，其中所述至少一个半导体装置包括多个半导体装置，并且其中所述至少一个出口包括各形成在所述盖子内的多个出口，以便将所述绝缘流体输送至所述多个半导体装置中的不同装置上。

8.如权利要求1所述的半导体模块，其中所述冷却系统包括与所述流动通路流体连通的泵。

9.如权利要求8所述的半导体模块，其中所述泵基本上布置在所述盖子中。

10.如权利要求1所述的半导体模块，其中所述冷却系统构造成使得所述绝缘流体直接冲击在所述至少一个半导体模块的上表面上。

11.如权利要求1所述的半导体模块，还包括支撑所述至少一个半导体装置的基底，所述基底联接到所述冷却板上。

12.一种构造成在其中循环绝缘流体的电功模块，包括：

壳体，包括：

具有内表面的盖子；以及

具有支撑表面的冷却板，所述冷却板密封地联接到所述盖子上，以在所述壳体内限定构造成于其中接收所述绝缘流体的空腔；

流动通路，该流动通路形成通过所述盖子和冷却板，所述流动通路包括布置成通过所述支撑表面的入口和布置成通过所述内表面的出口；

至少一个电功装置，其位于所述空腔内，并且联接到所述支撑表面上；以及

泵，该泵布置在所述壳体内，并且与所述流动通路流体连通，所述泵构造成使所述绝缘流体循环通过所述流动通路和所述至少一个电功装置之上。

13.如权利要求12所述的电功模块，其中所述出口基本上布置在所述至少一个电功装置的上方。

14.如权利要求12所述的电功模块，其中所述流动通路形成通过所述冷却板的外围部分。

15.如权利要求12所述的电功模块，其中所述冷却板包括散热片，该散热片具有从其上沿与所述支撑表面基本相反的方向延伸的多个针式翅片。

16.如权利要求12所述的电功模块，其中所述盖子包括：

外围部分，所述泵基本位于所述外围部分内；以及

联接到所述外围部分的顶部部分，所述出口形成在所述顶部部分内。

17.如权利要求12所述的电功模块，其中所述流动通路的第一通路部分穿过所述冷却板，所述第一通路部分基本为U形。

18.如权利要求17所述的电功模块，还包括位于所述空腔内的冷却流体容器。

19.如权利要求18所述的电功模块，其中所述第一通路部分流体地联接在所述容器与所述泵之间。

20.一种电功模块，包括：

盖子，该盖子具有从其中通过的第一流动通路，所述第一流动通路包括冲击出口；

密封联接到所述盖子上的冷却板，该冷却板与所述盖子形成空腔，所述冷却板具有从其中通过的第二流动通路，所述第二流动通路包括容器入口；

至少一个电功装置，其位于所述空腔内，并且联接到所述冷却板上，所述至少一个电功装置布置成基本位于所述冲击出口的下方；

布置在所述空腔内的绝缘流体；和

泵，其基本位于所述盖子内，并且流体地联接在所述第一流动通路与所述第二流动通路之间，所述泵构造成通过所述容器入口吸取所述绝缘流体，通过所述第一和第二流动通路输送所述绝缘流体，并将所述绝缘流体通过所述冲击出口分散在所述至少一个电功装置上。

Images