CN106057754A - 一种功率器件单管及其冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率器件单管，尤其涉及一种高效的功率器件单管及其冷却装置应用。本发明提供如下技术方案：一种功率器件单管，所述功率器件单管本体的散热底板表面设置有绝缘层。

Description

一种功率器件单管及其冷却装置

技术领域

本发明涉及一种功率器件单管，尤其涉及一种高效的功率器件单管及其冷却装置应用。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

目前，IGBT单管（或称IGBT分立器件）大多具有裸露的散热底板（或称金属基板）表面，该散热底板表面是IGBT的C极（集电极），为带电部件。IGBT单管常用于高电压电控部件（如水冷式PTC电加热器的控制器、水泵控制器），经常出现过温问题，或者其是热设计的一个瓶颈所在。现有的冷却技术是，在IGBT单管下面设置一个绝缘硅胶垫片或陶瓷垫片，然后用螺丝将IGBT单管紧固于主板（或称冷却板或隔板）上。传热路径是：IGBT管芯所发的热量通过C极传给绝缘垫片，然后再传给主板，然后再传递给冷却液。由于绝缘垫片界面上难免存在气隙或空隙，故其传热效率较低，IGBT单管的冷却效果较差，导致常出现IGBT单管过温报警或烧坏的问题。

另外，还有一种塑封的IGBT单管，其散热底板表面被塑封了，但由于塑封层较厚，导热能力较差，且塑料与主板之间也易产生较大的接触热阻，故其冷却效果也不理想。

由此可见，目前的IGBT单管液冷均为间接液冷式，其传热路径较长，中间热阻较多且较大，故导致传热效率低，热管理问题频现。

当然，上述情况和问题也常出现在采用MOSFET单管作为功率器件的用电器上。

发明内容

针对IGBT单管（或称IGBT分立器件）和MOSFET单管冷却所存在的以上缺陷，本发明提供一种高传热效率的绝缘材料和结构，且可浸泡于冷却液中，直接与冷却液换热的技术方案。本发明提供如下技术方案：一种功率器件单管，所述功率器件单管本体的散热底板表面设置有绝缘层。其中，本发明所述功率器件单管包括IGBT单管和MOSFET单管等，也包括硅基、碳化硅基或氮化镓基等功率器件单管。这些功率器件本体上通常具有裸露的散热底板表面，这些散热底板表面通常也是散热层，比如IGBT单管的底面是裸露C极散热底板，IGBT的管芯所发的热量主要通过该散热底板向外散发。

进一步的，所述绝缘层的设置方法为涂覆、或包裹。本发明所谓涂覆，也可称涂敷，是指胶粘剂或涂料施工工艺的一种统称。

进一步的，所述涂覆方法为喷涂、或浸涂、或刷涂、或辊涂、或丝网印。其中，更为优选为采用喷涂或浸涂。绝缘材料通过喷涂或浸涂的方式能够高效均匀地附着于所述散热底板表面上。

进一步的，所述绝缘层的材质为耐冷却液浸泡的绝缘材料。所谓耐冷却液浸泡的绝缘材料，是指该绝缘材料浸泡在冷却液中仍能保持良好的电绝缘功能。现有的乘用车用换热液体通常为乙二醇型水基防冻液，而乙二醇对一般的绝缘硅胶有明显的溶胀作用，从而导致绝缘硅胶的绝缘防护功能失效，所以耐换热液体浸泡的绝缘材料主要特征之一就是抗乙二醇溶胀功能，这种绝缘硅胶比如是抗乙二醇型防冻液溶胀的氟硅橡胶等等。另外，本发明中耐换热液体浸泡的绝缘材料可以是单一材料、或者复合材料、或者多种材料组合，其能够同时起到绝缘和耐冷却液浸泡功能。

进一步的，所述耐冷却液浸泡的绝缘材料为硅胶、或者塑料热熔胶、或者绝缘陶瓷涂料。比如瓦克绝缘硅胶Elastosil RT 728 A/B、或者志盛威华ZS-1091耐高温绝缘陶瓷涂料、或者特氟龙。

进一步的，所述硅胶可添加绝缘导热填料，如AlN陶瓷粒子填料，可提高绝缘层的导热系数。

进一步的，所述冷却液为水基冷却液，所谓水基冷却液是指该冷却液的基体成分为水；更为优选为主要成分是水和乙二醇的防冻冷却液。比如汽车上常用的防冻冷却液为约50%水+约50%的乙二醇混合液，另还有其他一些防腐剂、缓蚀剂等添加剂。

另外，本发明提供一种功率器件单管的冷却装置，所述功率器件单管的冷却装置包括冷却液以及以上所述任意一种功率器件单管，所述功率器件单管的本体浸泡于冷却液中。

进一步的，所述功率器件单管的冷却装置还包括主板（或称隔板），所述功率器件单管的本体位于所述主板的一侧，所述功率器件单管的管脚下部或全部位于所述主板的另一侧，并在所述管脚与所述主板之间进行密封处理。这样，当管脚与外部进行电连接并工作发热时，主板下方充满冷却液，该单管本体全部浸泡在冷却液中进行高效冷却，单管的管脚与冷却液隔离确保电绝缘。

进一步的，所述功率器件单管的冷却装置还包括集液腔或外套壳，所述集液腔或所述外套壳与所述主板密封构成冷却液容纳空腔，所述功率器件单管的本体位于所述冷却液容纳空腔中，所述集液腔或所述外套壳上设置有进液口和出液口。比如，所述集液腔或所述外套壳可以是液体PTC电加热器的下外壳体或水泵的蜗壳。

进一步的，所述的功率器件单管的冷却装置的所述冷却液为水基冷却液，更为优选为主要成分是水和乙二醇的防冻冷却液。

通过以上技术方案，可达到如下有益技术效果：将功率器件单管（如IGBT单管或MOSFET单管）原来裸露的散热底板表面涂覆（喷涂或浸涂）绝缘层（如绝缘硅胶），该绝缘层既能对裸露散热底板表面进行密封防水，又能保证电绝缘。故该散热底板表面涂覆有绝缘层的IGBT单体，可以将其本体浸泡于冷却液中实现与冷却液直接换热。这种绝缘结构和冷却方式的传热路径是：IGBT管芯所发的热量通过散热底板传递到绝缘层上，然后通过绝缘层直接传递给冷却液。由此可见，新结构的传热路径更短，而且由于绝缘层采用涂覆的方式，绝缘层与散热底板附着性好，避免了气隙的存在，故几乎没有接触热阻；而且绝缘层选用耐冷却液浸泡的绝缘材料，绝缘层直接浸泡在冷却液中，其整体传热热阻更小，传热效率非常高。并且，绝缘层施工工艺是通过涂覆的方式，其批量生产时生产效率非常高。

附图说明

图1 现有技术下IGBT单管的冷却结构；

图2 一种IGBT单管的正面视图；

图3 散热底板表面涂覆有绝缘层的IGBT单管的侧面视图；

图4 一种IGBT单管的背面视图；

图5 本实施例做好绝缘处理后的IGBT单管的冷却装置示意图；

其中，1、管脚，1a、管脚上部，1b、管脚下部，2、耳部，3、安装孔，4、本体，5、散热底板，61、绝缘垫片，62绝缘层，7、主板，8、冷却液。

具体实施方式

为了更加清楚完整地说明本发明技术方案，介绍如下具体实施方式。

图1为现有技术下IGBT单管的冷却结构，在IGBT单管背面的散热底板5下面垫一绝缘垫片61，并用螺丝（未示出）通过安装孔3将IGBT单管紧贴到主板7上面，该主板7下面有冷却液8流动，车用的冷却液通常是主要由水和乙二醇组成的防冻冷却液。如图2至图4所示，提供一种IGBT单管，该IGBT单管具有裸露的散热底板5（或称金属基板），该散热底板5与IGBT管芯的集电极（C极）电连通，同时该散热底板5也是散热层，IGBT管芯所发的热量主要通过该散热底板5向外散发。将IGBT单管的3个管脚1包裹好，然后将IGBT单管的本体4全部浸渍（即浸涂）于耐冷却液浸泡的绝缘硅胶中，以便均匀涂覆绝缘层62；优选地，仅将管脚1的下部1b包裹好，而管脚1的上部1a不包裹，并与IGBT单管的本体4一起做绝缘处理。或者，采用喷枪向IGBT单管的本体4上散热底板5（若有耳部2等本体上其他裸露金属表面，则包括耳部2等本体上其他裸露金属表面）所有裸露表面均匀喷涂耐冷却液浸泡的绝缘硅胶，固化后即可使用。

另外，一些IGBT单管还存在如图2所示的耳部2，该耳部2也存在裸露的金属表面，故也需要做绝缘处理。

上述IGBT单管的散热底板5（包括耳部2）外露表面均匀附着有耐冷却液浸泡的绝缘硅胶，该硅胶附着力强，密封防水性好，且绝缘强度高。如图5所示，在IGBT单管冷却装置应用中，管脚与外部进行电连接并工作发热，可将做好上述绝缘处理的IGBT单管的本体4全部浸泡于冷却液8（冷却液8为主要由水与乙二醇组成的防冻液）中进行冷却，将管脚1伸出于主板7之上，并在管脚1与主板7之间接触处做密封处理（如用膏状硅胶密封）。

本发明IGBT单管冷却装置的传热路径是：IGBT管芯所发的热量通过散热底板5传递到绝缘层62上，然后通过绝缘层62直接传递给冷却液8。另外，本体4的其他几面也可以直接传热给冷却液8。由此可见，新冷却装置的传热路径更短，而且由于绝缘层62采用涂覆的方式，绝缘层62与散热底板5的附着性好，避免了气隙的存在，故几乎没有接触热阻；而且绝缘层62选用耐冷却液浸泡的绝缘材料，绝缘层62直接浸泡在冷却液8中，其整体传热热阻更小，传热效率非常高。

同样，MOSFET单管等其他功率器件单管也可做类似上述的绝缘处理，并采用相同的冷却装置。

以上实施例仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变、修改、以及等效替换，但都将落入本发明的保护范围内。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种功率器件单管，其特征在于，所述功率器件单管的本体的散热底板表面设置有绝缘层；

其中，

所述绝缘层的设置方法为涂覆、或包裹；

所述绝缘层的材质为耐冷却液浸泡的绝缘材料；其中，所述冷却液为主要成分是水和乙二醇的防冻冷却液。

2.根据权利要求1所述功率器件单管，其特征在于，所述涂覆方法为喷涂、或浸涂、或刷涂、或辊涂、或丝网印。

3.根据权利要求1所述功率器件单管，其特征在于，所述耐冷却液浸泡的绝缘材料为硅胶、或者塑料热熔胶、或者绝缘陶瓷涂料。

4.一种功率器件单管的冷却装置，其特征在于，所述功率器件单管的冷却装置包括冷却液以及权利要求1至3任一项所述的功率器件单管，所述功率器件单管的本体浸泡于所述冷却液中。

5.根据权利要求4所述的功率器件单管的冷却装置，其特征在于，所述功率器件单管的冷却装置还包括主板，所述功率器件单管的本体位于所述主板的一侧，所述功率器件单管的管脚下部或全部位于所述主板的另一侧，并在所述管脚与所述主板之间进行密封处理。

6.根据权利要求4或5所述的功率器件单管的冷却装置，其特征在于，所述功率器件单管的冷却装置还包括集液腔或外套壳，所述集液腔或所述外套壳与所述主板密封构成冷却液容纳空腔，所述功率器件单管的本体位于所述冷却液容纳空腔中，所述集液腔或所述外套壳上设置有进液口和出液口。

7.根据权利要求4或5所述的功率器件单管的冷却装置，其特征在于，所述冷却液为主要成分是水和乙二醇的防冻冷却液。