CN102779799B - 液体冷却元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液体冷却元件，提供了一种用于冷却包括功率半导体单元的多个功率半导体模块的冷却元件，该冷却元件包括由导热材料制成的板。板包括用于运送冷却液体流的通道。通道包括沿液体流动的方向会聚的主供给通道、沿液体流动的方向分叉的主排出通道、从主输入通道分支的多个供给通道分支、合并至主排出通道的多个排出通道分支、以及连接供给通道分支和排出通道分支的多个功率半导体单元冷却通道。每个功率半导体单元冷却通道布置成冷却一个功率半导体单元。板包括用于使功率半导体模块彼此热分离的开口。<pb pnum="1" />

Description

液体冷却元件
技术领域
本发明涉及功率半导体的冷却，并且具体地涉及功率半导体模块的液体冷却。
背景技术
由于现有功率半导体不理想，它们产生作为副产品的热。同时，为了使半导体起作用，其温度必须保持在给定范围内。因此，通常需要冷却半导体。
有许多用于冷却半导体的方法，通常包括传导热使热远离半导体的冷却元件。例如，冷却元件可以是通过气流冷却的散热器。气流可以是引力作用的或机械地产生的。
气冷式散热器足以用于较低功率的应用。随着最大传输功率的增加，消散的热的量也增加。空气具有有限的热容量，并且因此，需要的空气冷却元件在某种程度上可能变得非常庞大且昂贵以至于空气冷却是不实用的。
某些液体如水具有大于空气的热容量。它们可以更有效地从半导体传输热。但是，液体冷却通常需要循环系统，循环系统比开放系统如空气冷却更复杂。由于液体可能是导电的并且在待冷却的布置中引起短路，因此，为了避免泄漏，必须额外当心。
图1示出了用于平行布置在冷却板10上的三个功率半导体模块的液体冷却布置。冷却板10由导热材料制成。半导体模块可以包括多个功率半导体单元。例如，半导体单元可以包括二极管、晶体管或者二极管和晶体管两者。通常，功率半导体单元包括与二极管平行的IGBT(绝缘栅双极型功率管)，并且功率半导体模块包括这些功率半导体单元中的一个或更多个功率半导体单元。
冷却板10包括冷却液体可以在其中流动的通道。主供给通道11分支成多个冷却通道12。在图1中，两个冷却通道12在每个模块下面延伸，以冷却功率半导体单元。之后，冷却通道12接合至主排出通道13。例如，可以通过钻孔并堵塞钻孔入口中的某些钻孔入口来产生通往冷却板10的通道11、12和13。
与使用空气冷却相比，使用液体冷却可以更有效地冷却半导体模块。但是，热分布可能不均匀。由于半导体模块的温度最高点决定模块的最大负荷，因此，这是有问题的。不均匀的热分布还可能引起功率半导体模块的机械应变。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法和一种用于实现该方法的装置，以缓解以上缺点。本发明的目的通过以独立权利要求中陈述的内容为特征的方法和装置来获得。从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。
根据本发明的冷却元件包括冷却板，冷却板包括用于运送冷却液体流的通道。用于冷却液体的主供给通道分成供给通道分支。这些分支进一步分成冷却通道。冷却板可以在每个功率半导体单元下面具有单个冷却通道或多个冷却通道。冷却板可以在功率半导体模块之间具有开口，使得功率半导体模块彼此不加热。
在功率半导体单元下面的冷却通道彼此平行，并且因此，一个功率半导体单元的冷却不影响另外的功率半导体单元的冷却。冷却通道重组成排出通道分支，排出通道分支又重组成主排出通道。
为了增加热交换，通道和通道分支可以设置有叶片。主供给通道可以形成为沿液体流动的方向会聚，并且主排出通道可以形成为沿液体流动的方向分叉。以这种方式，可以在供给通道分支和排出通道分支中获得相等的流。供给通道分支和排出通道分支可以形成为会聚和分叉，以在冷却通道中获得均匀的流。
附图说明
下面，将参考附图通过优选实施方式来更详细地描述本发明，其中，
图1示出了液体冷却布置；
图2a、2b和2c示出了本公开内容的示例性实施方式；以及
图3a和3b示出了根据本公开内容的示例性冷却板的等距视图。
具体实施方式
图2a、2b和2c示出了根据本公开内容的示例性实施方式。用于冷却包括功率半导体单元的多个功率半导体模块21的冷却元件20包括由导热材料制成的板22。在图2a中，使用了三个模块21。图2b示出了用于冷却图2a的模块21中的一个模块的细节。图2c示出了在功率半导体模块21内部的功率半导体单元211的示例性定位。
例如，功率半导体单元可以包括二极管、晶体管或者二极管和晶体管两者。通常，功率半导体单元包括IGBT和二极管。在图2c中，每个功率半导体单元211包括二极管(较小的正方形)和IGBT(较大的正方形)。也可以使用功率半导体单元和模块的其他半导体和/或配置。
冷却板22适于热连接到功率半导体模块21。图2a中，功率半导体模块21在冷却板22上布置成彼此紧挨着。例如，模块21可以通过螺钉附接到冷却板22以确保充分的热连接。
冷却板22包括用于运送冷却液体流的通道。通道形成循环系统。通道包括冷却液体被馈送到其中的主供给通道23以及将被功率半导体单元加热的冷却液体丢弃的主排出通道24。例如，具有通道的冷却板22可以由块来机器制成，并且使用紧密配合的盖子密封。
主供给通道23分成从主输入通道23分支的多个供给通道分支25。主排出通道24以类似的方式分成分支。在图2a中，多个排出通道分支26合并至主排出通道24。
如图2b中所示，多个功率半导体单元冷却通道27连接供给通道分支25和排出通道分支26。每个功率半导体单元冷却通道27可以布置成冷却一个功率半导体单元。
但是，功率半导体单元可以具有冷却功率半导体单元的多于一个冷却通道27。每个半导体单元的冷却通道27的数量取决于功率半导体模块21的配置。图2c示出了每个功率半导体单元211两个冷却通道。
冷却通道27彼此平行。与图1的冷却元件相比，一个功率半导体单元的冷却不会影响另外的功率半导体单元的冷却。功率半导体模块21中的每个功率半导体单元相等地接收冷的冷却液体，并且因此可以使功率半导体单元之间的温差最小化。因此，功率半导体模块21可以承受较高的电流。由于由模块21产生的热被更均匀地分布，因此，功率半导体模块21也可以经历较小的机械应变。
图1中，主供给通道11和主排出通道13都具有关于它们的长度一致的横截面。这可以使冷却通道12具有不均匀的流。由于冷却通道使主供给通道11分支，流动的液体的量减少，因此，使得随后的冷却通道中的流具有较高的速度。同时，通过冷却更靠近出口处的通道，使距离排出通道出口处较远的冷却通道中的流速度降低。
如图2a中所示，在根据本公开内容的冷却元件中，主供给通道可以形成为沿液体流动的方向会聚，并且主排出通道可以形成为沿液体流动的方向分叉。因此，可以在供给通道分支和排出通道分支中获得更相等的流(和压力)。
供给通道分支也可以布置成沿液体流动的方向会聚，并且，排出通道分支也可以布置成沿液体流动的方向分叉。
如图2b中所示，为了增加热交换，通道可以设置有叶片29，从而在液体流中产生湍流并且增加冷却液体与通道的壁之间的表面积。
总体上，如果冷却板由导热材料制成，则由功率半导体模块产生的热可以引起另外的功率半导体模块中的温度的上升。如图2a中所示，为了避免功率半导体模块之间的热交换，板可以包括用于使功率半导体模块彼此热分离的开口28。
图3a示出了功率半导体单元之间具有热分隔的示例性冷却板30的等距视图。冷却板30由通过螺钉紧固在一起的顶部金属板31和底部金属板32装配。金属板31和32由铝制成。但是，也可以使用其他导热材料，例如铜。
顶部金属板31包括用于运送冷却液体流的通道。通道用底部金属板32密封。可以在图3a的左下角看到用于主供给通道的入口33。可以在图3a的右下角找到用于主排出通道的出口34。
顶部金属板31配置成容置三个功率半导体模块。顶部金属板31中的两个开口35使三个功率半导体模块热分离。在图3a中，开口35向板中突出一定深度。但是，在一些实施方式中，开口可以一直穿过冷却板。
图3b示出了其上安装有三个功率半导体模块36的同一冷却板30的等距视图。在没有开口35的情况下，由于侧面的模块会对中间的模块加热，因此，在图3b中的中间的功率半导体模块可以以高于侧面的功率半导体模块的温度的温度来操作。
在一些实施方式中，供给通道分支可以在相同的位置处从主供给通道开始，和/或排出通道分支可以在相同的位置处合并到主排出通道中。可替换地，主供给通道可以设置有使供给通道分支的液体流分离的隔离壁，并且主排出通道可以设置有使排出通道分支的液体流分离的隔离壁。在这两种情况下，分支的流可以彼此分离。因此，每个分支的流速近似相同。
本领域技术人员将明白可以以各种方式来实施发明的概念。本发明及其实施方式不局限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (5)

1.一种用于冷却包括功率半导体单元的多个功率半导体模块的冷却元件，其中，所述冷却元件包括由导热材料制成的板，其中，所述板适于热连接到所述功率半导体模块并且包括用于运送冷却液体流的通道；
其中，所述通道包括：
主供给通道，所述主供给通道沿液体流动的方向会聚，
主排出通道，所述主排出通道沿液体流动的方向分叉，
多个供给通道分支，所述多个供给通道分支从主输入通道分支，
多个排出通道分支，所述多个排出通道分支合并至所述主排出通道，以及
多个功率半导体单元冷却通道，所述多个功率半导体单元冷却通道连接所述供给通道分支和所述排出通道分支；
其中，每个功率半导体单元冷却通道布置成冷却一个功率半导体单元；并且
其中，所述板包括用于使所述功率半导体模块彼此热分离的开口。
2.根据权利要求1所述的冷却元件，其中，所述通道设置有用于在液体流中产生湍流的叶片。
3.根据权利要求1或2所述的冷却元件，其中，所述主供给通道设置有使所述供给通道分支的液体流分离的隔离壁。
4.根据权利要求1或2所述的冷却元件，其中，所述主排出通道设置有使所述排出通道分支的液体流分离的隔离壁。
5.根据权利要求1或2所述的冷却元件，其中，所述供给通道分支沿液体流动的方向会聚，并且所述排出通道分支沿液体流动的方向分叉。
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