CN103094226B - 用于操作电功率转换器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及并提供一种用于可再生功率源的电功率转换器，该电功率转换器包括联接至外部AC功率装置的至少一个交流（AC）管道和联接至外部DC功率装置的至少一个直流（DC）管道。该转换器还包括至少一个浸入结构和多个半导体装置，至少一个浸入结构中限定了至少一个浸入腔。半导体装置包括衬底，衬底定位在浸入腔内。衬底上限定了多个传热表面。半导体装置还包括至少一个半导体芯片，该至少一个半导体芯片联接至衬底、AC管道、和DC管道。该转换器进一步包括液体，液体至少部分地填充浸入腔，使得半导体芯片完全浸入液体中并且与液体直接接触。半导体装置中所产生的热引起液体的相变。还进一步提供了相关操作方法。

Description

用于操作电功率转换器的系统和方法
技术领域
本发明总体涉及控制电功率转换器的操作，并且更具体地，涉及从半导体装置去除热。
背景技术
许多已知的半导体装置被用于电功率转换，例如整流器和逆变器。大多数已知的整流器用于将交流（AC）转换成直流（DC），并且大多数已知的逆变器用于将DC电流转换成AC电流。这些整流器和逆变器中的一些整流器和逆变器集成到用于可再生电发电设施中的全功率转换组件（即，功率转换器）中，所述可再生电发电设施包括太阳能发电厂和风力涡轮机发电厂。然而，例如太阳强度以及风向和风速的变化通常产生电压和/或频率变化的电功率。功率转换器可以联接在发电设施中的电发电装置与公用电网之间。每个功率转换器都从相关发电装置接收所产生的电功率并且对具有固定的电压和频率的电力进行传输，以用于通过变压器进一步传输至公用电网。变压器可以联接至与电发电设施相关联的多个功率转换器。
已知的半导体装置包括绝缘栅双极晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）、硅控整流器（SCR）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、双极结型晶体管（BJT）、和二极管。当投入使用时，这种IGBT和GTO产生热。许多已知的用于这种半导体的除热系统包括具有高热阻的热流动路径，由此因半导体装置中特定量的功率损失而产生高工作结温。例如，用于许多IGBT模块的冷却路径包括半导体芯片，该半导体芯片焊接到电绝缘衬底（例如，氮化铝）的一侧上，由此在其上形成电气联结。大部分由IGBT所产生的热从电绝缘衬底的联结侧通过衬底被引导至相对侧。许多这种已知的衬底包括位于联结的相对侧上的传热机构。该传热机构被典型地称作单侧冷却。
总体而言，这种电绝缘衬底具有相对较高的热阻，并且该热阻使衬底的联结侧上的半导体芯片温度比具有传热机构的衬底的相对侧高。此外，典型地，通向传热机构的热路径包括具有高热阻的其它材料层。这些材料包括电绝缘衬底下方的一层焊料、一层铜、散热器（heatsink）、和IGBT模块与散热器之间的硅脂界面，其中这些热阻还阻碍从IGBT传递热。
发明内容
在一个方面中，提供一种用于可再生功率源的电功率转换器。该电功率转换器包括联接至外部AC功率装置的至少一个交流（AC）管道和联接至外部DC功率装置的至少一个直流（DC）管道。该转换器还包括至少一个浸入结构和多个半导体装置，至少一个浸入结构中限定了至少一个浸入腔。该半导体装置包括衬底，衬底定位在浸入腔内。衬底上限定了多个传热表面。该半导体装置还包括至少一个半导体芯片，该至少一个半导体芯片联接至衬底、AC管道、和DC管道。该转换器进一步包括液体，液体至少部分地填充浸入腔，使得半导体芯片完全浸入液体中并且与液体直接接触。半导体装置中所产生的热引起液体的相变。
在另一个方面中，提供一种用于至少一个半导体装置的除热系统。该半导体装置包括衬底和至少一个半导体芯片，衬底上限定了多个传热表面，至少一个半导体芯片联接至衬底。该除热系统包括至少一个浸入结构，该至少一个浸入结构中限定了至少一个浸入腔。该除热系统还包括液体，液体至少部分地填充浸入腔，使得半导体芯片完全浸入液体中并且与液体直接接触。衬底上的传热表面的两侧的至少一部分也浸入液体中并且与液体直接接触。半导体装置中所产生的热引起液体的相变。
在又一个方面中，提供一种对用于电功率转换器的除热系统进行操作的方法。该电功率转换器包括至少一个半导体装置和至少一个浸入结构，该至少一个浸入结构中限定了至少一个浸入腔。该半导体装置定位在浸入腔内，并且半导体装置包括衬底。该半导体装置还包括至少一个半导体芯片，该至少一个半导体芯片联接至衬底的第一侧和衬底的第二侧。浸入腔至少部分地填充有液体，使得半导体芯片完全浸入液体中并且与液体直接接触，并且衬底的两侧的至少一部分浸入液体中并且与液体直接接触。该方法包括为至少一个半导体装置通电。该方法还包括在半导体芯片中产生热并且将至少一部分热传递至衬底的第一侧和衬底的第二侧。该方法进一步包括从半导体芯片以及衬底的第一侧和第二侧的至少一部分去除热。该方法还包括引起液体的相变。
附图说明
图1是示例性发电系统的示意图。
图2是示例性半导体装置的示意图，该示例性半导体装置包括联接至衬底的单个半导体芯片。
图3是使用图2中所示的半导体装置的自然循环流动的示意图。
图4是示例性半导体装置的示意图，该示例性半导体装置包括联接至衬底的多个半导体芯片。
图5是使用图4中所示的半导体装置的自然循环流动的示意图。
图6是可以与图2和图4中所示的半导体装置一起使用的示例性备选除热系统的示意图。
图7是组装用于功率转换器的除热系统的示例性方法的流程图，该功率转换器包括图2和图4中所示的半导体装置。
图8是对用于功率转换器的除热系统进行操作的示例性方法的流程图，该功率转换器包括图2和图4中所示的半导体装置。
具体实施方式
如本文中所使用的，术语“叶片”意在代表能够在相对于周围流体运动时提供反作用力的任何装置。如本文中所使用的，术语“风力涡轮机”意在代表能够从风能产生旋转能量的任何装置，并且更具体地代表能够将风的动能转化成机械能的任何装置。如本文中所使用的，术语“风力涡轮发电机”意在代表能够由从风能所产生的旋转能量产生电功率的任何风力涡轮机，并且更具体地代表能够将由风的动能转化而来的机械能转化为电功率的任何风力涡轮机。
本文中所描述的方法、装置、和系统的技术效果包括以下技术效果中的至少一个：（a）通过使用从衬底的表面双侧传热来提高从电功率转换器内的半导体装置的传热速率；（b）通过将装置浸入介电流体内以及促进直接冷却和双相传热来提高从电功率转换器内的半导体装置的传热速率；（c）由于从装置的除热速率的提高而促进电功率转换器内的每一个半导体装置的功率转换能力的提高；（d）通过去掉其中的多个不必要的材料层（每层都具有热阻）来促进在半导体中所引起的热应力的减小；（e）由于在装置上所引起的热应力的减小而促进电功率转换器内的每一个半导体装置的可靠性的提高；（f）促进从半导体装置的除热而不依赖强制冷却装置，由此促进除热而无需考虑对于辅助冷却设备的电功率可用性；以及（g）由于半导体装置中材料层的数量和差异的减少而降低功率转换电路的电阻抗、提高装置的开关速率、并且改进从装置传输的功率品质。
本文中所描述的方法、装置、和系统有利于提高电功率转换器的功率转换率和可靠性。如本文中所描述的，通过使用从衬底表面双侧传热以及将装置浸入介电流体中以促进直接冷却和双相传热来提高从电功率转换器内的半导体装置的传热速率，进而促进这种功率转换率的提高。此外，如本文中所描述的，通过去掉其中的多个不必要的材料层，由此减小装置与除热流体之间的总体热阻，进而促进这种可靠性的提高。热阻的减小有利于改进从装置除热，从而有利于降低其标称操作温度和温度变化率，由此减小在半导体装置中所引起的热应力的大小。此外，本文中所描述的方法、装置、和系统的实施例中的至少一些实施例依赖浮力来促进自然循环。因此，促进了从半导体装置的除热而无需依赖强制冷却装置，由此促进除热而不用考虑对于辅助冷却设备的电功率可用性。此外，减少半导体装置中的材料层的数量和差异有利于降低功率转换电路的电阻抗、加快装置开关、并且改进功率品质。
图1是示例性发电系统100的示意图，该示例性发电系统100包括多个发电单元，例如形成至少一个太阳能电池阵列102的多个太阳能电池板（未示出）。备选地，发电系统100包括任何合适数量和类型的发电单元，例如多个风力涡轮机、燃料电池、地热发电机、水力发电机、以及/或者能够由可再生和/或不可再生能源产生功率的其它装置。
在示例性实施例中，发电系统100和/或太阳能电池阵列102包括任何数量的太阳能电池板，以有利于以期望的功率输出对发电系统100进行操作。在一个实施例中，发电系统100包括以串并联构造联接在一起的多个太阳能电池板和/或太阳能电池阵列102，以有利于从发电系统100产生期望的电流和/或电压输出。在一个实施例中，太阳能电池板包括一个或多个光伏板、太阳能集热器、或者将太阳能转化成电能的任何其它装置。在示例性实施例中，每一个太阳能电池板都是由于太阳能照射太阳能电池板而产生基本直流（DC）功率的光伏板。
在示例性实施例中，太阳能电池阵列102联接至将DC功率转换成交流（AC）功率的功率转换组件104，即，功率转换器104。AC功率传输至配电网106，或“电网”。在示例性实施例中，功率转换器104将转换所得的AC功率的电压和/或电流的幅值调节成适于配电网106的幅值，并且所提供的AC功率的频率和相位与配电网106的频率和相位基本相等。此外，在示例性实施例中，功率转换器104向配电网106提供三相AC功率。备选地，功率转换器104向配电网106提供单相AC功率或任何其它数量相位的AC功率。
在示例性实施例中，由太阳能电池阵列102产生的DC功率通过联接至功率转换器104的转换器导体108传输。在示例性实施例中，例如如果发电系统100内出现错误或故障，那么保护装置110将太阳能电池阵列102与功率转换器104电气断开。如本文中所使用的，术语“断开”和“拆开”可以互换使用，并且术语“连接”和“联接”可以互换使用。电流保护装置110是电路断路器、熔丝、接触器、和/或使得太阳能电池阵列102能够可控地与功率转换器104断开的任何其它装置。DC滤波器112联接至转换器导体108，以用于对从太阳能电池阵列102接收到的输入电压和/或电流进行滤波。
在示例性实施例中，转换器导体108联接至第一输入导体114、第二输入导体116、和第三输入导体118，使得输入电流在第一输入导体114、第二输入导体116、和第三输入导体118之间分流。备选地，输入电流可以传输至单个导体（例如，转换器导体108），以及/或者传输至使得发电系统100能够如本文中所描述地起作用的任何其它数量的导体。至少一个升压电感器120联接至第一输入导体114、第二输入导体116、和/或第三输入导体118中的每一个输入导体。升压电感器120用于对从太阳能电池阵列102接收到的输入电压和/或电流进行滤波。此外，从太阳能电池阵列102接收到的能量中的至少一部分暂时储存在每一个升压电感器120中。
在示例性实施例中，第一输入电流传感器122联接至第一输入导体114，第二输入电流传感器124联接至第二输入导体116，并且第三输入电流传感器126联接至第三输入导体118。第一输入电流传感器122、第二输入电流传感器124、和第三输入电流传感器126分别测量流过第一输入导体114、第二输入导体116、和第三输入导体118的电流。
在示例性实施例中，功率转换器104包括通过DC总线132联接在一起的DC-DC、或“升压”转换器128和逆变器130。在示例性实施例中，升压转换器128通过第一输入导体114、第二输入导体116、和第三输入导体118联接至太阳能电池阵列102并且从太阳能电池阵列102接收DC功率。此外，升压转换器128对接收到的DC功率的电压和/或电流幅值进行调节。在示例性实施例中，逆变器130是将从升压转换器128接收到的DC功率转换成AC功率以用于传输至配电网106的DC-AC逆变器。备选地，对于包括能够产生可变AC频率和电压的发电装置（例如但不限于风力涡轮机）的那些实施例而言，可以通过电整流装置来代替或补充升压转换器128，使得功率转换器104将是全功率转换组件。此外，在示例性实施例中，DC总线132包括至少一个电容器134。备选地，DC总线132包括多个电容器134以及/或者包括使得功率转换器104能够如本文中所描述地起作用的任何其它的电功率储存装置。随着电流传输通过功率转换器104，在DC总线132两侧产生电压并且能量储存在电容器134内。
在示例性实施例中，升压转换器128针对功率转换器104所产生的电功率的每一个相位包括两个转换器开关136，所述两个转换器开关136以串联布置联接在一起。在示例性实施例中，转换器开关136是半导体装置，例如，绝缘栅双极晶体管（IGBT）。备选地，转换器开关136是任何其它合适的晶体管或者任何其它合适的开关装置，其中包括但不限于门极可关断晶闸管（GTO）。此外，用于每一个相位的每对转换器开关136都与用于每一个其它相位的每对转换器开关136并联联接。这样一来，对于三相功率转换器104而言，升压转换器128包括与第二转换器开关140串联联接的第一转换器开关138、与第四转换器开关144串联联接的第三转换器开关142、以及与第六转换器开关148串联联接的第五转换器开关146。串联的第一转换器开关138和第二转换器开关140与串联的第三转换器开关142和第四转换器开关144并联联接，并且与串联的第五转换器开关146和第六转换器开关148并联联接。备选地，升压转换器128可以包括以任何合适构造布置的任何合适数量的转换器开关136。
在示例性实施例中，逆变器130针对功率转换器104所产生的电功率的每一个相位包括两个逆变器开关150，所述两个逆变器开关150以串联布置联接在一起。在示例性实施例中，逆变器开关150是半导体装置，例如IGBT。备选地，逆变器开关150是任何其它合适的晶体管或者任何其它合适的开关装置，其中包括但不限于GTO。此外，用于每一个相位的每对逆变器开关150都与用于每一个其它相位的每对逆变器开关150并联联接。这样一来，对于三相功率转换器104而言，逆变器130包括与第二逆变器开关154串联联接的第一逆变器开关152、与第四逆变器开关158串联联接的第三逆变器开关156、和与第六逆变器开关162串联联接的第五逆变器开关160。串联的第一逆变器开关152和串联的第二逆变器开关154与第三逆变器开关156和串联的第四逆变器开关158并联联接，并且与第五逆变器开关160和第六逆变器开关162并联联接。备选地，逆变器130可以包括以任何合适构造布置的任何合适数量的逆变器开关150。
功率转换器104包括控制系统164，控制系统164包括转换器控制器166和逆变器控制器168。转换器控制器166联接至升压转换器128并且对升压转换器128的操作进行控制。更具体地，在示例性实施例中，转换器控制器166对升压转换器128进行操作，以使从太阳能电池阵列102接收到的功率最大化。逆变器控制器168联接至逆变器130并且对逆变器130的操作进行控制。更具体地，在示例性实施例中，逆变器控制器168对逆变器130进行操作，以调整DC总线132两侧的电压并且/或者将来自逆变器130的功率输出的电压、电流、相位、频率、和/或任何其它特征调节成与配电网106的特性基本匹配。
在示例性实施例中，控制系统164、转换器控制器166、和/或逆变器控制器168包括至少一个处理器并且/或者通过至少一个处理器实施。如本文中所使用的，处理器包括任何合适的可编程电路（例如但不限于一个或多个系统以及微型控制器）、微型处理器、精简指令集电路（RISC）、专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑电路（PLC）、现场可编程门阵列（FPGA）、以及/或者能够执行本文中所描述的功能的任何其它电路。上述示例仅仅是示例性的，因此并不期望以任何方式限制术语“处理器”的定义和/或意义。此外，控制系统164、转换器控制器166、和/或逆变器控制器168包括至少一个存储装置（未示出），该至少一个存储装置能够存储计算机可执行指令和数据，例如操作数据、参数、设定值、阈值、以及/或者使得控制系统164能够如本文中所描述地起作用的任何其它数据。
在示例性实施例中，转换器控制器166从第一输入电流传感器122、第二输入电流传感器124、和/或第三输入电流传感器126接收电流测量结果。此外，转换器控制器166从多个输入电压传感器（未示出）接收第一输入导体114、第二输入导体116、和/或第三输入导体118的电压的测量结果。在示例性实施例中，逆变器控制器168从第一输出电流传感器170、第二输出电流传感器172、和/或第三输出电流传感器174接收电流测量结果。此外，逆变器控制器168从多个输出电压传感器（未示出）接收来自逆变器130的电压输出的测量结果。在示例性实施例中，转换器控制器166和/或逆变器控制器168从DC总线电压传感器（未示出）接收DC总线132的电压的电压测量结果。
在示例性实施例中，逆变器130通过第一输出导体176、第二输出导体178、和第三输出导体180联接至配电网106。此外，在示例性实施例中，逆变器130通过第一输出导体176向配电网106提供AC功率的第一相位、通过第二输出导体178向配电网106提供AC功率的第二相位、并且通过第三输出导体180向配电网106提供AC功率的第三相位。第一输出电流传感器170联接至第一输出导体176，以用于测量流过第一输出导体176的电流。第二输出电流传感器172联接至第二输出导体178，以用于测量流过第二输出导体178的电流，并且第三输出电流传感器174联接至第三输出导体180，以用于测量流过第三输出导体180的电流。
至少一个电感器182联接至第一输出导体176、第二输出导体178、和/或第三输出导体180中的每一个输出导体。电感器182有利于对从逆变器130接收到的输出电压和/或电流进行滤波。此外，在示例性实施例中，AC滤波器184联接至第一输出导体176、第二输出导体178、和/或第三输出导体180，以用于对从导体176、178、和180接收到的输出电压和/或电流进行滤波。
在示例性实施例中，至少一个接触器186和/或至少一个断开开关188联接至第一输出导体176、第二输出导体178、和/或第三输出导体180。例如如果发电系统100内出现错误或故障，那么接触器186和断开开关188将逆变器130与配电网106电气断开。此外，在示例性实施例中，通过控制系统164对保护装置110、接触器186和断开开关188进行控制。备选地，通过使得功率转换器104能够如本文中所描述地起作用的任何其它系统对保护装置110、接触器186和/或断开开关188进行控制。
功率转换器104还包括总线充电器190，总线充电器190联接至第一输出导体176、第二输出导体178、第三输出导体180，并且联接至DC总线132。在示例性实施例中，至少一个充电器接触器192联接至总线充电器190，以用于将总线充电器190与第一输出导体176、第二输出导体178、和/或第三输出导体180电气断开。此外，在示例性实施例中，通过控制系统164对总线充电器190和/或充电器接触器192进行控制，以用于将DC总线132充电至预定电压。
在示例性实施例中，在操作期间，太阳能电池阵列102产生DC功率并且将DC功率传输至升压转换器128。转换器控制器166对转换器开关136的开关进行控制，以调节升压转换器128的输出。更具体地，在示例性实施例中，转换器控制器166对转换器开关136的开关进行控制，以调节从太阳能电池阵列102接收到的电压和/或电流，使得从太阳能电池阵列102接收到的功率增大和/或最大化。
在示例性实施例中，逆变器控制器168对逆变器开关150的开关进行控制，以调节逆变器130的输出。更具体地，在示例性实施例中，逆变器控制器168使用合适的控制算法（例如脉宽调制（PWM））和/或任何其它控制算法，以将从升压转换器128接收到的DC功率变换成三相AC功率信号。备选地，逆变器控制器168使逆变器130将DC功率变换成单相AC功率信号或者变换成使得功率转换器104能够如本文中所描述地起作用的任何其它信号。
在示例性实施例中，通过AC滤波器184对AC功率的每一个相位进行滤波，并且将经过滤波的三相AC功率传输至配电网106。在示例性实施例中，三相AC功率还通过总线充电器190从配电网106传输至DC总线132。在一个实施例中，例如在功率转换器104的启动和/或关闭顺序期间，总线充电器190使用AC功率将DC总线132充电至合适的电压幅值。
对比由太阳能电池阵列102产生的DC功率，发电系统100的备选实施例包括能够产生AC功率的其它发电装置，例如风力涡轮机。总体而言，风力涡轮机包括转子，转子包括可旋转的毂组件，可旋转的毂组件具有多个叶片。叶片将风能转化成机械旋转转矩，该机械旋转转矩通过转子驱动一个或多个发电机。当与风力涡轮机的恒速操作相比时，风力涡轮机的变速操作有利于提高对能量的捕获。然而，风力涡轮机的变速操作所产生的电功率具有变化的电压和/或频率。更具体地，由变速风力涡轮机产生的电功率的频率与转子的转速成比例。典型地，全功率转换组件（即，包括电整流装置的功率转换器104的备选实施例）可以联接在风力涡轮机的发电机与配电网106之间。全功率转换组件从风力涡轮发电机接收电功率并且传输具有固定的电压和频率的电力，以用于进一步传输至配电网106。
在这些备选实施例中，全功率转换组件包括整流器，以用于将由风力涡轮发电机产生的AC转换成DC功率。此外，这种全功率转换组件包括通过DC总线网络联接至整流器的逆变器（与逆变器130基本相似），以将DC功率转换成AC功率。此外，这种全功率转换组件中的整流器和逆变器包括与升压转换器128内的转换器开关136和逆变器130内的逆变器开关150相似的多个半导体装置。此外，这种整流器、逆变器130、和升压转换器128是完全可扩展的，以用于任何尺寸、任何电压、任何数量的相位、和任何频率的电功率转换应用。
在风力涡轮机的一些备选实施例中，使用双馈感应发电机（DFIG）。这种构造包括DFIG转换器，所述DFIG转换器包括通过DC环节联接的两个三相AC-DC转换器。一个AC-DC转换器连接至电网和发电机的定子，并且另一个AC-DC转换器连接至发电机的转子。如果发电机转子以低于同步转速的速度转动，那么DFIG转换器将通过无功功率来激励转子。转子接着将趋向于相对于定子以同步转速转动，并且定子将产生期望（同步频率）的功率。如果发电机转子以同步转速转动，那么DFIG转换器将通过DC功率来激励转子，并且定子将产生期望（同步频率）的功率。如果发电机转子以高于同步速度的速度转动，那么DFIG转换器将通过无功功率来激励转子，而同时从转子提取有功功率。转子接着将趋向于相对于定子以同步转速转动，并且定子将产生期望（同步频率）的功率。从转子提取到的功率的频率将转换成同步频率并且增加至由定子产生的功率。
图2是示例性半导体装置200的示意图，示例性半导体装置200包括联接至衬底204的单个半导体芯片202。在示例性实施例中，半导体装置200与升压转换器128内的转换器开关136和逆变器130内的逆变器开关150（全部示于图1中）相似，即，半导体装置200是IGBT。半导体芯片202主要由硅形成。然而，半导体芯片202可以是使得半导体装置200能够如本文中所描述地进行操作的任何芯片。半导体芯片202焊接到一片衬底204的第一侧、或者表面206上。衬底204由导电和导热的材料（如金属，例如铜）形成，由此在其上形成电气联结208。备选地，衬底204由使得半导体装置200能够如本文中所描述地进行操作的任何导电和导热的材料形成。衬底204还限定了与表面206相对的第二侧、或表面207。
衬底204联接至底板210以形成底部电气连接212，即IGBT集电器接触。底部电气连接212有利于牢固地安装半导体芯片202并且将其保持在功率转换器104内的期望位置处。备选地，使用使得半导体装置200能够进行操作的任何固定衬底204的方法。多条键合线214联接至芯片202，以限定顶部电气连接216，即，IGBT门和发射极接触。键合线214在固定安装和连接217处终止并联接至标准布线215。备选地，除了使用三个电气连接的半导体装置（其中那些连接中的一个连接用于装置控制，例如IGBT），一些实施例使用具有两个电气连接（即，不具有装置控制的阳极和阴极）的半导体装置（例如，二极管）。此外，由于控制连接所产生的热并不像功率连接那样多，因此这种控制连接不必浸入并且可以在与功率连接分开的位置处联接至衬底204。此外，在示例性实施例中，衬底204限定了多个开口218，所述多个开口218可以用于安装和/或形成电气连接。
在示例性实施例中，功率转换器104包括除热系统220，除热系统220包括至少一个浸入结构222。浸入结构222包括底板210和顶板224的至少一部分。浸入结构222还包括至少一个壁（未示出）。浸入结构222限定了浸入腔226，浸入腔226至少部分地填充有液体228。顶板224在液体228的表面230的上方延伸，以限定表面230与顶板224之间的孔洞232。充足的液体228被引导至浸入腔226中，以将表面230定位成使得半导体芯片202完全浸入液体228中并且与液体228直接接触。键合线214的至少一部分类似地浸入。液体228是在芯片202、衬底204、和/或键合线214的表面温度由于其中所产生的热而达到预定温度时能够从液体相变成蒸汽的任何物质、或者物质的组合，其中包括但不限于制冷剂R-134A。
在一些备选实施例中，除热系统220包括至少一个蒸汽引导管道233（仅有一个示于图2的剖视图中），该至少一个蒸汽引导管道233包括热管或热销。蒸汽引导管道233定位成靠近半导体芯片202和键合线214，其中芯片202和键合线214传输电功率并且产生功率转换器104内的大部分热。在这些备选实施例中的一些实施例中，蒸汽引导管道233是从靠近底板210的位置延伸至靠近顶板224的位置的固体管道。这种固体管道有利于其中的液体相变成蒸汽。在其它的备选实施例中，蒸汽引导管道233由多孔材料制成，该多孔材料能够接收由芯片202和键合线214产生的汽泡中的至少一些汽泡。
此外，在示例性实施例中，除热系统220包括顶板外表面234，其中液体228中的热传递至顶板224，并且热通过表面234从功率转换器104传递。在一些实施例中，除热系统220还包括至少一个外部换热装置236（仅有一个示于图2中），该至少一个外部换热装置236通过被限定在顶板224中的开口238、浸入腔离开管道240、和至少一个液体返回管道242（例如管芯（wick）（仅有一个示于图2中））以与浸入腔226流动连通的方式联接。顶板224成形并且开口238定位成有利于蒸汽收集在孔洞232内并且将蒸汽引导至管道240中以用于从浸入腔226去除。外部换热装置236有利于帮助顶板224从浸入腔226传热并且受到空气冷却，以有利于从功率转换器104传热。备选地，使用从换热装置236传热的任何装置，其中包括但不限于开放或闭合的冷却水回路。
此外，在示例性实施例中，除热系统220包括半导体装置200，其中装置200的尺寸、取向、定位方法、和材料是预定的，以有利于从其除热。装置200定位成使得其并不干扰冷却流动路径（下文中进一步讨论）。此外，在示例性实施例中，一个半导体装置200位于一个浸入腔226中。备选地，任何数量的装置200都可以定位在使得除热系统220能够如本文中所描述地进行操作的任何浸入腔226中，其中包括但不限于功率转换器104的所有装置220。如果选定的相变冷却液体具有高电阻（即，例如制冷剂R-134A的介电流体），那么多个半导体装置200可以安装到具有普通冷却液体228的单个浸入腔226中。此外，备选地，功率转换器104可以包括使得除热系统220能够如本文中所描述地进行操作的任何数量的浸入腔。在一些实施例中，衬底204可以具有能够提高安装和冷却的特征，例如孔218、弯曲部、和/或翅片（弯曲部和翅均未示出）。
图3是使用半导体装置200的自然循环流动244的示意图。参照图2和图3，在操作中，半导体装置200通电。随着装置200的芯片202和键合线214产生热，芯片202、表面206和207、以及键合线214的温度上升，由此将热传递至液体228，其中包括从表面206和207双侧传热。一旦初始预热完成，则半导体装置200和除热系统220基本等温。具体而言，随着液体228达到与预定的半导体芯片操作温度相关的预定温度（即，液体的沸点），液体228沸腾并且相变成多个汽泡，以形成液体228中的蒸汽流246。与液体228相比，蒸汽流246的低密度有利于浮力驱动自然循环流动244。在至少一些实施例中，至少一个蒸汽引导管道233有利于向上引导蒸汽流246。蒸汽引导管道233还可以有利于在管道233内的热界面处（典型地处于非常低的压力下）形成蒸汽流246，并且与管道233的导热固体表面相接触的液体228通过从该表面吸收热而变为蒸汽。
蒸汽246收集在孔洞232中并且一些蒸汽246通过顶板224传递热248（示于图3中），其中当潜热被去除时，蒸汽246从蒸汽246相变成液体250。在一些实施例中，一些蒸汽246通过开口238和浸入腔离开管道240进入外部换热装置236。热248从蒸汽246被去除并且传输至周围环境中的空气。随着潜热被去除，蒸汽246冷凝，由此重新形成为液体250。液体250通过毛细管作用和/或浮力作用经由液体返回管道242被引导至浸入腔226的下部，由此完成自然循环流动244。
图4是示例性半导体装置300的示意图，示例性半导体装置300包括联接至衬底304的多个半导体芯片302。在示例性实施例中，半导体装置300与升压转换器128内的转换器开关136和逆变器130内的逆变器开关150（全部示于图1中）相似，即，半导体装置300是IGBT。半导体芯片302主要由硅形成。然而，半导体芯片302可以是使得半导体装置300能够如本文中所描述地进行操作的任何芯片。半导体芯片302焊接到一片衬底304的第一侧、或者表面306上。衬底304由导电和导热的材料（如金属，例如铜）形成，由此形成其上的电气联结308。备选地，衬底304由使得半导体装置300能够如本文中所描述地进行操作的任何导电和导热的材料形成。衬底304还限定了与表面306相对的第二侧、或表面307。
衬底304联接至底板310，以形成底部电气连接312，即IGBT集电器接触。底部电气连接312有利于牢固地安装半导体芯片302并且将其保持在功率转换器104内的期望位置处。备选地，使用使得半导体装置300能够进行操作的任何固定衬底304的方法。多条键合线314联接至每一个芯片302，以限定顶部电气连接316，即，IGBT门和发射极接触。键合线314在固定的安装和连接317处终止并联接至标准布线315。备选地，除了使用三个电气连接的半导体装置（例如，IGBT），一些实施例使用具有两个电气连接（即，阳极和阴极）的半导体装置（例如，二极管）。此外，由于控制连接所产生的热不像功率连接那样多，因此这种控制连接不必浸入并且可以在与功率连接分开的位置处联接至衬底304。此外，在示例性实施例中，衬底304限定了可以用于安装和/或形成电气连接的多个开口318。
在示例性实施例中，功率转换器104包括除热系统320，除热系统320包括至少一个浸入结构322。浸入结构322包括底板310和顶板324的至少一部分。浸入结构322还包括至少一个壁（未示出）。浸入结构322限定了浸入腔326，浸入腔326至少部分地填充有液体328。顶板324在液体328的表面330的上方延伸，以限定表面330与顶板324之间的孔洞332。充足的液体328被引导至浸入腔326中，以将表面330定位成使得半导体芯片302完全浸入液体328中并且与液体328直接接触。至少一部分键合线314类似地浸入。液体328是当芯片302和/或衬底304的表面温度由于其中所产生的热而达到预定温度时从液体相变成蒸汽的任何物质、或者物质的组合，其中包括但不限于制冷剂R-134A。
此外，在示例性实施例中，除热系统320包括顶板外表面334，其中液体328中的热传递至顶板324，并且通过表面334从功率转换器104传热。对比除热系统220（示于图2中），除热系统320并不包括与外部换热装置236（示于图2中）相似的装置。然而，系统320的备选实施例可以包括这种装置。此外，对比除热系统220，除热系统320并不包括与蒸汽引导管道233和液体返回管道242（都示于图2中）相似的装置。然而，系统320的备选实施例可以包括这种管道。顶板324成形成有利于蒸汽收集在孔洞332内。顶板外表面334受到空气冷却，以有利于从功率转换器104传热。备选地，使用从表面334传热的任何装置，其中包括但不限于开放或闭合的冷却水回路。
此外，在示例性实施例中，除热系统320包括半导体装置300，其中装置300的尺寸、取向、定位方法、和材料是预定的，以有利于从其除热。装置300定位成使得其并不干扰冷却流动路径（下文中进一步讨论）。此外，在示例性实施例中，一个半导体装置300位于一个浸入腔326中。备选地，任何数量的装置300都可以定位在使得除热系统320能够如本文中所描述地进行操作的任何浸入腔326中，其中包括但不限于功率转换器104的所有装置320。如果选定的相变冷却液体具有高电阻（即，例如制冷剂R-134A的介电流体），那么多个半导体装置300可以安装到具有普通冷却液体328的单个浸入腔326中。此外，备选地，功率转换器104可以包括使得除热系统320能够如本文中所描述地进行操作的任何数量的浸入腔。在一些实施例中，衬底304可以具有能够提高安装和冷却的特征，例如孔318、弯曲部、和/或翅片（弯曲部和翅片均未示出）。
图5是使用半导体装置300的自然循环流动344的示意图。参照图4和图5，在操作中，半导体装置300通电。随着装置300的芯片302和键合线314产生热，芯片302、表面306和307、以及键合线314的温度上升，由此将热传递至液体328，其中包括从表面306和307双侧传热。一旦初始预热完成，则半导体装置300和除热系统320基本等温。具体而言，随着液体328达到与预定的半导体芯片操作温度相关的预定温度（即，液体的沸点），液体328沸腾并且相变成蒸汽，以形成液体328中的蒸汽流346。与液体328相比，蒸汽流346的低密度有利于浮力驱动自然循环流动344。蒸汽346收集在孔洞332中并且与顶板324接触。潜热348从蒸汽流346被去除并且传输至周围环境中的空气。随着潜热被去除，蒸汽流346冷凝，并且蒸汽流346重新形成为液体350。由于相比较热的液体328和蒸汽流346，经过冷却的液体的密度较大，因此液体350被引导至浸入腔326的下部，由此完成自然循环流动344。
图6是可以与半导体装置200和300一起使用的示例性备选的除热系统420的示意图。在该备选实施例中，系统420包括强制流动装置425，强制流动装置425包括但不限于泵和压缩机。强制流动装置425定位成与外表面234、334和/或外部换热装置236中的至少一个以及半导体装置200、300流体连通，并且位于外表面234、334和/或外部换热装置236中的至少一个以及半导体装置200、300之间。强制流动装置425从表面/装置234/236/334在液体450上施加吸力，并且增大液体450的压力以形成加压液体452，由此在浸入腔226/326内引起强制循环流动454。加压液体452使液体228/328的流动穿过半导体装置200/300，其中如上文所描述地形成汽泡446。强制循环流动454引起汽泡446朝向表面/装置234/236/334的移动，其中热448被去除并且汽泡446冷凝，以形成液体450。
在该备选实施例中，强制流动装置425定位在浸入腔226/326的下部中，从而有利于为装置425提供充足的净正吸力压头（head），以降低潜在的气穴现象并且至少部分地使用浮力来引起通过自然循环的流动从而有助于强制循环流动454。因此，在强制流动装置425电功率损失的情况下，自然循环将有利于至少部分冷却剂在浸入腔226/326内流动，由此有利于从半导体装置200/300至少部分地除热。此外，在其它实施例中，强制流动装置425保持备用状态，直到浸入腔226/326内的状况能够保证从半导体装置200/300额外传热。在这种情况下，强制流动装置425可以用于促进额外的除热，由此提高和/或补充自然循环流动并且有利于提高功率转换器104的功率转换能力。
图7是组装用于电功率转换器104（示于图1、图2和图4中）的除热系统200和300（分别示于图2和图4中）的示例性方法500的流程图，电功率转换器104包括半导体装置200和300（分别示于图2和图4中）。在示例性实施例中，步骤502提供至少一个浸入结构222/322（分别示于图2和图4中），该至少一个浸入结构222/322包括至少一个底板210/310（分别示于图2和图4中）。浸入结构222/322限定了至少一个浸入腔226/326（分别示于图2和图4中）。步骤504对至少一个半导体装置200/300进行组装，包括将至少一个半导体芯片202/302（分别示于图2和图4中）联接至衬底204/304（分别示于图2和图4中）。
此外，在示例性实施例中，步骤506，将半导体装置200/300联接至底板210/310。步骤508，液体228/328（分别示于图2和图4中）被引导至浸入腔226/326中，由此至少部分地填充浸入腔226/326，使得半导体芯片202/302完全浸入液体228/328中并且与液体228/328直接接触，其中由半导体装置200/300产生的热引起液体228/328的相变。步骤510半导体装置200/300在浸入腔226/326内定向成使得能够建立形成在液体228/328中的用于通过蒸汽246/346/446（分别示于图2和图4中）除热的流动路径244/344/454（分别示于图2和图4中）。
图8是对用于电功率转换器104（示于图1、图2和图4中）的除热系统200和300（分别示于图2和图4中）进行操作的示例性方法600的流程图，电功率转换器104包括半导体装置200和300（分别示于图2和图4中）。半导体装置200/300包括联接至半导体装置200/300的衬底204/304（分别示于图2和图4中）的第一侧206/306（分别示于图2和图4中）的至少一个半导体芯片202/302（分别示于图2和图4中）。半导体装置200/300还包括与第一侧206/306相对的第二侧207/307（分别示于图2和图4中）。半导体装置200/300定位在至少一个浸入结构222/322（分别示于图2和图4中）内，从而在其中限定至少一个浸入腔226/326（分别示于图2和图4中）。浸入腔226/336至少部分地填充有液体228/328（分别示于图2和图4中），使得半导体芯片202/302完全浸入液体228/328中并且与液体228/328直接接触，并且衬底204/304的两侧206/207/306/307的至少一部分浸入液体228/328中并且与液体228/328直接接触。
在示例性实施例中，步骤602，至少一个半导体装置200/300通电。步骤604，在半导体芯片202/302中产生热248/348（分别示于图2和图4中），并且热248/348的至少一部分传递至衬底204/304的第一侧206/306和衬底204/304的第二侧207/307。步骤606，从半导体芯片202/302以及衬底204/304的第一侧206/306和第二侧207/307的至少一部分去除热248/348。步骤608，引起液体228/328的相变。
上述实施例有利于提高电功率转换器的功率转换率和可靠性。具体而言，本文中所描述的除热装置和系统使用从衬底表面双侧传热和将装置浸入介电流体内来促进直接冷却和双相传热。此外，具体而言，去掉了半导体装置的产生热的部分与传热表面之间的多个不必要的材料层，由此降低了装置与除热流体之间的总体热阻。通过降低其标称操作温度和温度变化率，由此降低了在半导体装置中所引起的热应力的大小，使这种改进的从半导体装置的传热提高了有效的功率转换率和装置可靠性。此外，本文中所描述的方法、装置、和系统的实施例中的至少一些实施例依赖浮力来促进自然循环。因此，促进了从半导体装置传热而无需依赖强制冷却装置，由此促进传热而无需考虑对于辅助冷却设备的电功率可用性。此外，减少半导体装置中材料层的数量和差异有利于降低功率转换电路的电阻抗、加快装置开关、并且改进功率品质。
上文对电发电设施、电功率转换装置、和半导体装置除热系统、及其组装方法的示例性实施例进行了详细描述。所述方法、设施、系统、和装置不限于本文中所描述的具体实施例，相反，本文中所描述的设施、系统、和装置的部件、以及/或者方法的步骤可以相对于其它部件和/或步骤独立和单独地使用。例如，功率转换器、除热系统、以及方法还可以结合其它的功率转换装置和方法使用，并且不限于仅通过如本文中所描述的功率系统实施。相反，能够结合许多其它的电功率转换应用来实施和利用示例性实施例。
尽管本发明的各实施例的具体特征可能会示于一些附图中而未示于其它附图中，但这仅仅是为了方便起见。根据本发明的原理，一幅附图中的任何特征都可以结合任何其它附图的任何特征进行参考以及/或者要求保护。
本书面描述使用示例对本发明进行了公开（其中包括最佳模式），并且还使本领域技术人员能够实施本发明（其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法）。本发明的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的示例。如果这种其它的示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这种其它的示例落入权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种用于可再生功率源的电功率转换器，所述电功率转换器包括：
至少一个交流（AC）管道，所述至少一个交流（AC）管道联接至外部AC功率装置；
至少一个直流（DC）管道，所述至少一个直流（DC）管道联接至外部DC功率装置；
至少一个浸入结构，所述至少一个浸入结构中限定了至少一个浸入腔；
多个半导体装置，所述半导体装置包括：
衬底，所述衬底定位在所述浸入腔内，所述衬底上限定了多个传热表面；以及
至少一个半导体芯片，所述至少一个半导体芯片联接至所述衬底、所述AC管道、和所述DC管道；
除热系统，连接到所述至少一个浸入结构，其包括：
位于浸入腔内的蒸汽引导管道；
位于浸入腔内的液体返回管道；以及
与所述蒸汽引导管道和所述液体返回管道流体连通的浸入腔离开管道，以及
液体，所述液体至少部分地填充所述浸入腔，使得所述半导体芯片完全浸入所述液体中并且与所述液体直接接触，其中所述半导体装置中所产生的热引起所述液体的相变。
2.根据权利要求1所述的电功率转换器，其特征在于，所述衬底包括由导热和导电的材料形成的至少一片。
3.根据权利要求1所述的电功率转换器，其特征在于，所述浸入结构包括换热上表面，所述换热上表面在所述浸入腔的上方延伸。
4.根据权利要求3所述的电功率转换器，其特征在于，所述液体部分地填充所述浸入腔，使得孔洞被限定在所述液体的表面与所述换热上表面之间。
5.根据权利要求3所述的电功率转换器，其特征在于，所述换热上表面包括所述浸入结构的顶板，所述顶板在所述液体的所述表面的上方延伸并且部分地限定所述浸入腔。
6. 根据权利要求1所述的电功率转换器，其特征在于，所述浸入结构进一步包括：
顶板，所述顶板构造成与所述液体的表面配合，以收集由所述液体的相变所产生的蒸汽；以及
至少一个换热表面，所述至少一个换热表面定位在所述浸入腔的外部。
7.一种用于至少一个半导体装置的除热系统，所述半导体装置包括衬底和至少一个半导体芯片，所述衬底上限定了多个传热表面，所述至少一个半导体芯片联接至所述衬底，所述除热系统包括：
至少一个浸入结构，所述至少一个浸入结构中限定了至少一个浸入腔；
位于浸入腔内的蒸汽引导管道；
位于浸入腔内的液体返回管道；
与所述蒸汽引导管道和所述液体返回管道流体连通的浸入腔离开管道，以及
液体，所述液体至少部分地填充所述浸入腔，使得所述半导体芯片完全浸入所述液体中并且与所述液体直接接触，并且所述衬底上的所述传热表面的两侧的至少一部分浸入所述液体中并且与所述液体直接接触，其中所述半导体装置中所产生的热引起所述液体的相变。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述浸入结构包括换热上表面，所述换热上表面在所述浸入腔的上方延伸。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述液体部分地填充所述浸入腔，使得孔洞被限定在所述液体的表面与所述换热上表面之间。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述换热上表面包括所述浸入结构的顶板，所述顶板在所述液体的所述表面的上方延伸并且部分地限定所述浸入腔。
11. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述浸入结构进一步包括：
顶板，所述顶板构造成与所述液体的表面配合，以收集由所述液体的相变所产生的蒸汽；以及
至少一个换热表面，所述至少一个换热表面定位在所述浸入腔的外部。
12.一种对用于电功率转换器的除热系统进行操作的方法，所述电功率转换器包括至少一个半导体装置和至少一个浸入结构，所述至少一个浸入结构中限定了至少一个浸入腔，所述半导体装置定位在所述浸入腔内，所述半导体装置包括衬底和至少一个半导体芯片，所述至少一个半导体芯片联接至所述衬底的第一侧和所述衬底的第二侧，所述浸入腔至少部分地填充有液体，使得所述半导体芯片完全浸入所述液体中并且与所述液体直接接触，并且所述衬底的两侧的至少一部分浸入所述液体中并且与所述液体直接接触，所述方法包括以下步骤：
为所述半导体装置通电；
在所述半导体芯片中产生热并且将至少一部分热传递至所述衬底的所述第一侧和所述第二侧；以及
从所述半导体芯片以及所述衬底的所述第一侧和所述第二侧的至少一部分去除热，包括引起所述液体的相变；
于一个位于浸入腔内的蒸汽引导管道中引导蒸汽流通；
将蒸汽除热并冷却为液体；
将液体经一个液体返回管道传输回到浸入腔。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，引起所述液体的相变包括引起所述浸入腔内的自然循环流动。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，引起所述液体的相变包括引导多个汽泡离开所述半导体芯片中的每一个半导体芯片以及所述衬底的两侧。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，引起所述液体的相变包括将多个汽泡引导至至少一个传热装置，所述至少一个传热装置构造成能够从所述电功率转换器去除热。
16. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，引起所述液体的相变包括：
通过管道引导多个汽泡离开所述半导体芯片以及所述衬底的所述第一侧和所述第二侧的至少一部分；以及
通过管道将由冷凝汽泡所形成的液体从传热装置引导至靠近所述浸入结构的底板的区域。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，从传热装置引导由冷凝汽泡所形成的液体包括以下步骤中的至少一个步骤：
收集靠近所述浸入结构的顶板的汽泡；
引导汽泡以形成蒸汽流；以及
通过定位在所述浸入腔外部的换热器来引导所述蒸汽流。
18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在所述浸入腔内引起强制流体流动，由此实现至少部分代替和至少部分提高自然循环流动中的至少一项。
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