CN101764110A - 用于电动汽车或混合动力汽车的igbt模块散热器 - Google Patents

Abstract

一种用于电动汽车或混合动力汽车的IGBT模块散热器，其特征在于IGBT模块(1)固定于液冷散热底板(2)的表面；液冷散热底板上开有内侧M形流道(11)和外侧M形流道(10)，外侧M形流道(10)包裹内侧M形流道(11)，形成内外嵌套的M形结构。每条M形流道内安装有竖直向下的肋片，肋片之间形成平行于流道方向的槽道；液冷散热底板(2)上还开有密封槽(9)，密封槽(9)内安装密封圈，密封盖板(3)与液冷散热底板(2)密封；内侧和外侧M形流道出入口处安装有连接头连接外部管路。

Description

用于电动汽车或混合动力汽车的IGBT模块散热器

技术领域

本发明涉及大功率IGBT模块的一种散热器。

背景技术

目前，电动汽车/混合动力汽车所使用的大功率变流器多采用IGBT元件。大功率IGBT器件工作时所产生的热量，将导致芯片温度升高，如果没有适当的散热措施，就可能使芯片的温度超过所允许的最高结温，从而导致器件性能的恶化以致损坏。因此，IGBT散热技术成为相关技术人员急于解决的问题。

国内外目前使用的功率电子设备散热技术主要集中于四个方向，分别是风冷、液冷、微通道冷却以及热管冷却。对于电动汽车或混合动力汽车而言，需要综合考量体积，重量，散热效率等问题，因而多采用低温液冷(相对于发动机冷却系统)，目前国内外主要采用的散热器多存在体积重量较大，生产过程复杂，成本较高，散热效率较低的问题。

目前正在使用的电动汽车/混合动力汽车大功率IGBT模块散热器的专利及论文采用的散热器一般选择水或乙二醇水溶液作为冷却工质，结构上以直通式或蛇形流道为主，多采用圆形或椭圆形针翅加强换热，具有代表性的Semikron公司SKADS系列IGBT模块散热器采用50％乙二醇水溶液作为冷却工质，散热器内设置椭圆形针翅加强换热，流道为直通式，进水口和出水口分别位于散热器两侧，在15L/min流量下，该种IGBT模块散热器热阻在0.121K/W至0.189K/W之间。从结构和热学分析上看，该种形式的散热器液体温度沿流道逐渐升高，出水口处冷却液和液冷散热底板温差较小，换热不充分，散热器的IGBT模块安装面上温度分布不均匀，导致散热器热阻较高。同时，由于采用针翅结构，加工难度较大，成本较高。目前电动汽车/混合动力汽车IGBT模块散热器方面尚无与本发明更接近的逆流结构形式。对于结构类似本发明的IGBT迷宫式散热器，虽然同样有助于IGBT模块与散热器接触面的温度均匀，但该种结构形式的散热器重量体积较大，不适宜于在电动汽车/混合动力汽车中使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有电动汽车/混合动力汽车IGBT模块散热器存在的不足，尽可能减小散热器体积和重量，提高散热器冷却工质温度和散热器效率。本发明提出了一种液冷散热器。本发明所采用M形双股逆流流道设计，极大提高了散热器换热效率，降低了散热器热阻，并使用并排的紧凑设计减小了散热器的体积和重量，降低了加工难度和生产成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明冷散热器由液冷散热底板，密封圈，密封盖板，外流道出水口连接头，内流道进水口连接头，内流道出水口连接头和外流道进水口连接头组成。其结构特征是：IGBT模块用螺钉固定于液冷散热底板的表面，IGBT模块和液冷散热底板的接触面之间涂以导热硅脂，以降低接触热阻。

所述的散热器其特征还在于在液冷散热底板上还开有密封槽，密封槽内安装密封圈，使用螺钉将密封盖板与液冷散热底板固定并将液冷散热底板密封。

所述的散热器，其特征还在于散热器使用铝合金作为液冷散热底板及密封盖板材料。

所述的散热器，其特征还在于液冷散热底板内部加工有两条M形流道，分别为内侧M形流道和外侧M形流道，外侧M形流道包裹内侧M形流道，形成内外M形嵌套。

所述的液冷散热器，其特征还在于散热器中使用体积浓度50％的乙二醇水溶液作为冷却液，冷却液分为两股，两股冷却液分别从M形外侧流道与M形内侧流道以相反方向通过散热器。

所述的散热器，其特征还在于冷却液流量≤8L/min。

所述的散热器，其特征还在于每条M形流道内安装有竖直向下的肋片，肋片之间形成平行于流道方向的槽道。

所述的散热器，其特征还在于肋片由导流肋片，直道肋片和弯道肋片构成，其中导流肋片位于液体进出口处，弯道肋片位于流道转弯处，直道肋片位于导流肋片和弯道肋片之间。

所述的散热器，其特征还在于，所述的散热器侧面安装有外流道进水口连接头，外流道出水口连接头，内流道进水口连接头与内流道出水口连接头。

在本发明中，冷却液采用电动汽车或混合动力汽车内用来冷却发动机/电动机的50％乙二醇水溶液，冷却液通过分流在散热器内部达到流动均匀，并在逆流和肋片的综合作用下使换热更为充分，液冷散热底板IGBT模块安装面温度均匀，从而提高了换热效率。由于IGBT模块与液冷散热底板接触面呈长方形，本发明采用M形流道，较好适应了IGBT模块的形状特征，有助于缩小散热器体积，减轻散热器重量。

本发明的有益效果是，采用50％乙二醇水溶液作为冷却液，M形流道双股逆流以及肋片结构大幅降低了散热器热阻，提高了散热器换热效率和液冷散热底板的IGBT模块安装面温度均匀度。该散热器可使用来自电动汽车/混合动力汽车内部冷却发动机/电动机后的高温度(≥90℃)冷却液，从目前已知资料中来看，尚无采用温度超过90℃冷却液用于电动汽车/混合动力汽车IGBT模块冷却的记录，采用高温冷却液，可以使IGBT模块散热器冷却工质的循环与发动机/电动机冷却循环结合，减少散热环节，有助于电动汽车/混合动力汽车的生产和开发。由于冷却液流量≤8L/min，循环过程可采用体积重量较小的直流泵提供循环动力，并且直流泵可直接使用车内直流电源。同时，本发明采用6061铝合金作为液冷散热底板和密封盖板材料，用相对简单的结构形式降低散热器加工难度，减小散热器体积和重量，具有高性能，低成本的特点。

本发明适用于使用IGBT元件的电力电子变流器，尤其适用于重量体积和散热性能要求比较苛刻的电动汽车/混合动力汽车IGBT电力电子变流器。

附图说明

图1是本发明的散热器总成图；

图2是本发明的液冷散热底板结构图；

图3a和图3b是本发明的散热底板流道结构与液体流向图；

图4是本发明的散热器肋片位置示意图；

图5是本发明的散热器热阻-冷却液流量关系图；

图6是本发明的IGBT模块功率-液冷散热底板IGBT模块安装面最高温度关系图；

图中，1IGBT模块，2液冷散热底板，3密封圈，4密封盖板，5外侧M形流道出水口连接头，6内侧M形流道进水口连接头，7内侧M形流道出水口连接头，8外侧M形流道进水口连接头，9密封槽，10外M流道，11内M流道，12导流肋片，13直道肋片，14弯道肋片，15分隔筋。

具体实施方式

本发明包括液冷散热底板，密封盖板，外侧M形流道出水口连接头5，内侧M形流道进水口连接头6，内侧M形流道出水口连接头7，外侧M形流道进水口连接头8。IGBT模块1用螺钉固定于液冷散热底板2的表面，IGBT模块1和液冷散热底板2的接触面涂以导热硅脂，以降低接触热阻。液冷散热底板2内部加工有两条M形流道，分别为内侧M形流道和外侧M形流道，外侧M形流道包裹内侧M形流道，形成内外M形嵌套。每条M形流道内安装有竖直向下的肋片，肋片之间形成平行于流道方向的槽道。液冷散热底板上还开有密封槽9，密封槽9内安装密封圈3，使用螺钉将密封盖板4与液冷散热底板2密封固定。在内、外侧M形流道出入口处安装有连接头以连接外部管路。

图1所示为本发明的总成实例。如图1所示，几个IGBT模块1安装于液冷散热底板2的表面上，IGBT模块1与液冷散热底板2的接触面涂以导热硅脂，以减小接触热阻。密封圈3安装于液冷散热底板2四周的密封槽9内。液冷散热底板2与密封盖板4间采用螺钉固定，使散热器密封。外侧M形流道出水口连接头5安装于液冷散热底板2的左侧。

如图2所示，本发明的液冷散热底板2上开有内外嵌套的两条M形流道。外侧M形流道出水口5、内侧M形流道进水口6、内侧M形流道出水口7、外侧M形流道进水口8沿液冷散热底板2的左侧依次顺序安装。外侧M形流道进水口8，外侧M形流道出水口5，内侧M形流道进水口6，内侧M形流道出水口7与液冷散热底板间以螺纹配合紧固密封。

图3所示是液冷散热底板2的流道结构。外侧M形流道10和内侧M形流道11在液冷散热底板2的左侧并排布置，经3次转折后外侧M形流道包裹内侧M形流道，形成内外嵌套的M形结构。冷却液体在流道内的流动方向如图3所示，自外侧M形流道10的冷却液从外侧M形流道进水口8沿M形流道流向外侧M形流道出水口5，自内侧M形流道11的冷却液从内侧M形流道进水口6沿M形流道流向外侧M形流道出水口7，两股冷却液的流动方向相反，促进了冷却液与液冷散热底板之间的热交换。用于加强换热的肋片布置于内外侧M形流道内，肋片按照作用和外形分为导流肋片12，直道肋片13，弯道肋片14。其中导流肋片12位于冷却液进出口处，起到对冷却液均匀分流的作用；弯道肋片14位于流道转弯处，对冷却液起导流作用；直道肋片13位于导流肋片12和弯道肋片14之间，是加强换热的主体部分。

图4所示为肋片位置示意图，其中13为直道肋片，15为分隔筋，以每隔两个直道肋片13布置一个分隔筋15的方式排列。

图5所示为IGBT模块发热功率1.4kW时，不同流量qv下热阻Rw的实验结果曲线，如图5所示，该散热器尤其适宜于在8L/min流量下使用。在8L/min流量下散热器热阻Rw≤0.0070K/W。

图6所示为冷却液入口温度为90℃，流量8L/min时，散热器中液冷散热底板表面最高温度T随IGBT模块发热功率P的实验结果曲线。在最高温度达到最高115℃时，该液冷散热底板可承受的损耗功率为2.78kW。

本发明采用的双股逆流M形流道，充分利用换热原理，加大了冷却液体与换热表面之间的温差，促进热交换效果，并采用了肋片作为进一步加强换热的手段，使散热器热阻降低，性能显著提高。在此种高性能散热器的支持下，IGBT模块可密集安装，较大缩减了IGBT模块和散热器整体的体积和重量。同时由于散热器具有低热阻的特点，可采用较高温度的换热工质，如在电动汽车或混合动力汽车中，发动机或电动机冷却系统出口的冷却液温度较高，采用该种散热器则可以直接将该出口的高温冷却液用于IGBT芯片冷却，减少中间散热环节，节约空间和成本。

本发明的有益效果是，采用50％乙二醇水溶液作为冷却液，M形流道双股逆流以及肋片结构大幅降低了散热器热阻，提高了散热器换热效率和液冷散热底板的IGBT模块安装面温度均匀度，从而该散热器可使用来自电动汽车/混合动力汽车内部冷却发动机/电动机后的高温度(≥90℃)冷却液。目前已知资料中来看，尚无采用温度超过90℃冷却液用于电动汽车/混合动力汽车IGBT模块冷却的记录，采用高温冷却液，可以使IGBT模块散热器冷却工质的循环与发动机/电动机冷却循环结合，减少散热环节，有助于电动汽车/混合动力汽车的生产和开发。由于冷却液流量≤8L/min，循环过程可采用体积重量较小的直流泵提供循环动力，并且直流泵可直接使用车内直流电源。同时，本发明采用6061铝合金作为液冷散热底板和密封盖板材料，用相对简单的结构形式降低散热器加工难度，减小散热器体积和重量，具有高性能，低成本的特点。

Claims (3)

1.一种用于电动汽车或混合动力汽车的IGBT模块散热器，其特征在于所述的散热器包括液冷散热底板(2)，密封盖板(3)，外侧M形流道出水口(5)，内侧M形流道进水口(6)，内侧M形流道出水口(7)，外侧M形流道进水口(8)；IGBT模块(1)固定于液冷散热底板(2)的表面；液冷散热底板(2)内部开有内侧M形流道(11)和外侧M形流道(10)；M形流道内安装有竖直向下的肋片，肋片之间形成平行于流道方向的槽道；液冷散热底板(2)上还开有密封槽(9)，密封槽(9)内安装有密封圈；密封盖板(3)通过螺钉与液冷散热底板(2)固定，使所述的散热器密封；内侧和外侧M形流道出入口处安装有连接头连接外部管路；外侧M形流道出水口(5)、内侧M形流道进水口(6)、内侧M形流道出水口(7)和外侧M形流道进水口(8)沿液冷散热底板(2)的左侧依次安装；外侧M形流道进水口(8)、外侧M形流道出水口(5)、内侧M形流道进水口(6)和内侧M形流道出水口(7)与散热底板(2)之间密封。

2.如权利要求1所述的用于电动汽车或混合动力汽车的IGBT模块散热器，其特征在于所述的外侧M形流道(10)和内侧M形流道(11)在液冷散热底板(2)的左侧并排布置，经三次转折后，外侧M形流道(10)包裹内侧M形流道(11)，形成内外嵌套的M形结构；自外侧M形流道(10)的冷却液从外侧M形流道进水口(8)沿M形流道流向外侧M形流道出水口(5)，自内侧M形流道(11)的冷却液从内侧M形流道进水口(6)沿M形流道流向外侧M形流道出水口(7)，两股冷却液的流动方向相反。

3.如权利要求1所述的用于电动汽车或混合动力汽车的IGBT模块散热器，其特征在于所述的内外侧M形流道内布置有导流肋片(12)、直道肋片(13)和弯道肋片(14)，导流肋片(12)位于冷却液进出口处，起到对冷却液均匀分流的作用；弯道肋片(14)位于流道转弯处，对冷却液起导流作用；直道肋片(13)位于导流肋片(12)和弯道肋片(14)之间，每隔两个直道肋片(13)布置一个分隔筋(15)。

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