CN106714514A - 一种用于电动汽车的逆变器冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电动汽车的逆变器冷却系统，属于汽车配件技术领域；系统包括相互层叠的多个冷却模块；每个冷却模块分别包括第一基板、第二基板和相位模块；相位模块焊接在第一基板和第二基板之间，第二基板位于第一基板的下方；每个冷却模块中的第一基板分别通过一第一热脂层接触一第一水冷板；每个冷却模块中的第二基板分别通过一第二热脂层接触一第二水冷板；在位于相互层叠的多个冷却模块的最上方的第一水冷板和位于相互层叠的多个冷却模块的最下方的第二水冷板之间开设一水冷管道。上述技术方案的有益效果是：解决传统电动汽车中冷却器因绑定线和冷却处理方式导致冷却能力较差和电流能力被限制的问题。
Description
技术领域
本发明涉及汽车配件技术领域，尤其涉及一种用于电动汽车的逆变器冷却系统。
背景技术
在现有技术的汽车逆变器冷却领域，常规的冷却处理方式是将面积大，厚度小的扁平状模块平铺到水冷板上，这样的冷却方案将长或宽方向的跨接会导致半桥模块正负母线，相输出线间隔很远。为方便客户接线，通常要求逆变器三相出线相邻，模块相出线需较长走线并弯折才可实现。半桥模块需要较大面积的水冷板覆盖，常规水冷板厚重，使逆变器的功率密度受限。半桥模块水道串联，经过前两相模块加热，水流经过第半桥模块时，水温已大幅上升，使电流能力下降。
发明内容
有鉴于此，本发明提出的一种用于电动汽车的逆变器冷却系统的技术方案，以解决传统电动汽车中冷却器因绑定线和冷却处理方式导致冷却能力较差和电流能力被限制的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于电动汽车的逆变器冷却系统，其中，包括相互层叠的多个冷却模块；
每个所述冷却模块分别包括第一基板、第二基板和相位模块；
所述相位模块焊接在所述第一基板和所述第二基板之间，所述第二基板位于所述第一基板的下方；
每个所述冷却模块中的所述第一基板分别通过一第一热脂层接触一第一水冷板；
每个所述冷却模块中的所述第二基板分别通过一第二热脂层接触一第二水冷板；
在位于相互层叠的多个所述冷却模块的最上方的所述第一水冷板和位于相互层叠的多个所述冷却模块的最下方的所述第二水冷板之间开设一水冷管道，以供水冷散热使用。
优选的，该逆变器冷却系统，其中，每个所述相位模块分别包括：
上半桥晶圆，所述上半桥晶圆的集电极与所述第二基板焊接，以形成所述相位模块的T+区域；
下半桥晶圆，所述下半桥晶圆的发射极与所述第二基板焊接，以形成所述相位模块的T-区域；
所述上半桥晶圆的发射极分别与所述下半桥晶圆的集电极和所述第一基板焊接，以形成所述相位模块的相输出区域。
优选的，该逆变器冷却系统，其中，所述上半桥晶圆和所述下半桥晶圆均为半桥型的绝缘栅双极型晶体管或为金氧半场效晶体管。
优选的，该逆变器冷却系统，其中，于所述第二基板的表面覆盖铜镀层，所述上半桥晶圆和所述下半桥晶圆之间设置一绝缘区域，以供所述T+区域和所述T-区域之间跨接缓冲电容，降低封装寄生电感。
优选的，该逆变器冷却系统，其中，采用第一螺钉贯穿每个所述相位模块的所述T+区域；以及
采用第二螺钉竖直贯穿每个所述相位模块的所述T-区域。
优选的，该逆变器冷却系统，其中，所述第一水冷板和所述第二水冷板均为金属板。
优选的，该逆变器冷却系统，其中，所述水冷管道包括设置于相互层叠的多个所述冷却模块的最上方的所述第一水冷板上的进水孔，以及设置于相互层叠的多个所述冷却模块的最下方的所述第二水冷板上的出水孔；进出水孔位置不限，如出水孔可设置于第一冷板上。
所述进水孔和所述出水孔均以O形圈密封。
优选的，该逆变器冷却系统，其中，在所述第一水冷板朝向所述第一基板的一面设置有褶皱或者突起；
在所述第二水冷板朝向所述第二基板的一面设置有褶皱或者突起。
优选的，该逆变器冷却系统，其中，所述第一水冷板与所述第二水冷板均通过多个第三螺钉固定。
上述技术方案的有益效果是：提供一种逆变器冷却系统，能够解决传统电动汽车中冷却器因绑定线和冷却处理方式导致冷却能力较差和电流能力被限制的问题。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术中半桥型IGBT器件的电路连接示意图；
图2为现有技术中包括半桥型IGBT器件的整体模块示意图；
图3-4为本发明的较佳的实施例中，一种逆变器冷却系统的侧视图；
图5为本发明的较佳的实施例中，逆变器冷却系统中上下半桥晶圆的连接示意图；
图6为本发明的较佳的实施例中，一种逆变器冷却系统的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
传统电动汽车的逆变器冷却系统中，其包括由两个半桥型的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)器件组成的半桥模块，该两个IGBT器件的连接方式如图1所示，其中上半桥的IGBT器件A的发射极(E极)连接下半桥的IGBT器件B的集电极(C极)，两个IGBT器件A和B的门极(G极)均接地。IGBT器件A的C极为整个半桥模块的T+区域，IGBT器件B的E极为整个半桥模块的T-区域。
图2中，IGBT器件A和IGBT器件B通过绑定线21连接，整个半桥模块被焊接在基板22上，该基板22为陶瓷覆铜板(Direct copper Bonded，DCB)。具体地，IGBT器件A的下表面(C极)与基板22焊接，成为上述T+区域，IGBT器件B的下表面(C极)与基板22焊接，为相输出区，并且通过绑定线21连接T-区域。上述基板22通过热脂层23接触水冷板24，水冷板24下方为翅片25。
上述如图2中所示的冷却结构，在实际应用中存在以下几个问题：
1)上述结构中，半导体芯片占了IGBT器件成本的50％以上，常规模块为单面散热，其散热效率较低、热阻高、热容低，为了保证足够的电流能力，还需要保证使用大面积的半导体芯片，从而使得制造成本上升；
2)上述结构中，采用绑定线连接各个IGBT器件，绑定线在通流发热时会因膨胀对半导体芯片以及DCB基板产生应力，从而导致模块的失效，因此绑定线技术通常会成为应用在电动汽车中逆变器的冷却技术的技术瓶颈。同时，绑定线容易导致模块的寄生电感较大，外部的母线电容无法短路模块功率引脚的寄生电感，从而使得开关时的di/dt(单位时间内的电流变化)耦合导致较大的电压尖峰，非常容易损坏IGBT器件。现有技术中，为了解决上述问题，通常需要限制IGBT器件的开关速度，从而会导致开关损耗，因此会降低逆变器的效率和电流能力。
3)现有技术中，由于DCB基板表面和水冷板表面的面积都较大，而DCB基板的绝缘层又比较薄，因此会导致整个冷却系统的寄生电容较大，正常工作时产生的脉冲电压会对地造成较大的共模干扰电流，电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)较强。对于上述问题，常规的冷却处理方法是将面积较大、厚度较小的扁平状模块平铺到水冷板上，这样会导致长方向或宽方向的跨接，从而使得半桥模块正负母线相隔很远。为了便于使用者接线，通常会要求逆变器三相出线相邻，则对于如图2中所示的上述系统而言，模块相出线需要较长的走线并且弯折才能够实现上述接线目的。而较长走线会使得逆变器内腔的温度上升，使得其中电子元器件的工作环境恶化。并且，上述半桥模块的正负母线相隔太远，需要三对引脚的母线电容相接才能够保证寄生电感较小，因此会导致连接工序较多、生产复杂失效率较高等问题。而且，上述半桥模块需要较大面积的水冷板覆盖才能达到水冷散热的目的，而常规的水冷板比较厚重，会使得逆变器的密度受限。半桥模块与水冷管道串联，则在经过半桥模块中前两相模块的加热之后水流经过第三相模块时，其水温大幅上升，因此会导致第三相模块的电流能力下降。
基于现有技术中存在的上述诸多问题，现提供一种应用于电动汽车的逆变器冷却系统的技术方案。该逆变器冷却系统的具体结构如图3-4所示，其中包括相互层叠的多个冷却模块31(图3中仅对一个冷却模块31做附图标记，该附图标记31表示由虚线框体框住的冷却模块)。图4中示出了一个冷却模块31的示意图。
每个冷却模块31分别包括第一基板311、第二基板312和相位模块313；
相位模块313焊接在第一基板311和第二基板312之间，第二基板312位于第一基板311的下方；
每个冷却模块31中的第一基板311分别通过一第一热脂层314接触一第一水冷板315；
每个冷却模块31中的第二基板312分别通过一第二热脂层316接触一第二水冷板317；
在位于相互层叠的多个冷却模块31的最上方的第一水冷板315和位于相互层叠的多个冷却模块31的最下方的第二水冷板317之间开设一水冷管道(图3中以虚线箭头表示水冷管道的水流方向)，以供水冷散热使用。
具体地，上述实施例中，上述逆变器冷却系统中包括多个从上至下相互层叠的冷却模块31(在图3中以虚线框出)。图3中示出三个冷却模块31，该三个冷却模块31组成一个三相模块(图3中示出A相、B相和C相三个对应的相输出区域)。该三相模块中，每相晶圆都由水冷板双面夹装固定，因此做到了三相模块中每相晶圆的双面冷却，提升了水冷效果。
同时，上述逆变器冷却系统中，上述冷却模块31采用相互层叠的设置方式，其中装配的铜线可以就近走线，从而使得走线距离较短，出线更为简单。
上述实施例中，上述每个冷却模块31中均包括一个第一基板311和一个第二基板312，以及包括一个相输出模块313。上述第一基板311位于第二基板312上方，并且上述相位模块313焊接在第一基板311和第二基板312之间。上述第一基板311和第二基板312均为DCB基板。因此，采用在相位模块313的上方也焊接DCB基板的方式可以代替传统逆变器冷却系统中的绑定线形成相输出，从而形成一个包括第一基板311、相位模块313和第二基板312的“三明治结构”，使得相位模块313远离了水冷板，其等效寄生电容降低，对地共模干扰电流也因此降低，同时，双面DCB焊接芯片以及双面水冷的设置，有利于整个逆变冷却系统提升水冷效果。
上述实施例中，上述第一基板311通过一第一热脂层314接触一第一水冷板315。具体地，由于第一基板311位于上述相位模块313上方，因此上述第一水冷板315位于相位模块313的上方。相应地，上述第二基板312通过一第二热脂层316接触第二水冷板317，则上述第二水冷板317位于相位模块313的下方。因此，在上述相位模块313的上下两侧均可以通过热脂层接触水冷板从而形成双面散热的结构，使得相位模块313的热阻仅为单面散热系统的一半。上述水冷板进一步地可以为薄铝板，以代替现有技术中较为厚重的水冷板。
上述实施例中，在位于相互层叠的多个冷却模块31的最上方的第一水冷板315和位于相互层叠的多个冷却模块31的最下方的第二水冷板317之间开设一水冷管道，以供水冷散热使用。具体地，如图2中所示，上述水冷管道并不是通孔，即水冷管道的进口和出口不在同一直线上(具体在下文中会说明)。
上述实施例中，相位模块313的层叠结构会导致上下相邻的两个相位模块313共用一块水冷板，即上一个相位模块313的第二水冷板317与下一个相位模块313的第一水冷板315为同一块水冷板。则在图3中只标注第二水冷板317，对于共用的第一水冷板315不做标注，以避免混淆。
综上所述，本发明技术方案中，可以通过构成基板→相位模块→基板的三明治结构取代绑定线，并且采用双面水冷的散热方式提升散热效率，保证逆变器的电流能力。
本发明的较佳的实施例中，每个相位模块313分别包括：
上半桥晶圆3131，上半桥晶圆3131的集电极C与第二基板312焊接，以形成相位模块313的T+区域；
下半桥晶圆3132，该下半桥晶圆3132的发射极E与第二基板312焊接，以形成相位模块313的T-区域；
上半桥晶圆3131的发射极E分别与下半桥晶圆的集电极C和第一基板311焊接，以形成相位模块313的相输出区域。
如上文中所述，在现有技术中，上述IGBT器件A和B的C极均与DCB基板。而在本发明中，上半桥晶圆(优选的为IGBT器件)的C极与DCB基板连接，以及下半桥晶圆(优选的为IGBT器件)的E级与DCB基板连接，并且在DCB基板表面镀铜，同时在上述上半桥晶圆3131和下半桥晶圆3132之间设置一个绝缘区域3133。此时由于上述T+区域和T-区域处于DCB基板(第二基板312)的统一表面，则可以采用低感钽电容跨越上述绝缘区域3133，并分别跨接于T+区域和T-区域表面焊接。这种做法可以使得内部缓冲电容在最大限度上短路掉IGBT器件引脚的电感，使其仅剩半导体芯片的自身电感，因此相较于现有技术可允许相位模块313实现较大的开关速度和较低的开关损耗。
则相应地，上述上半桥晶圆3131的E极与第一基板311焊接，以及上述下半桥晶圆3132的C极与上半桥晶圆3131的E极焊接。
上文中所述的上下半桥晶圆与基板之间的连接示意图如图4中所示。
本发明的较佳的实施例中，如上文中所述，上述上半桥晶圆3131和下半桥晶圆3132均为半桥型的IGBT器件。本发明的其他实施例中，上述上下半桥晶圆还可以为其他适合的半导体晶圆器件。
本发明的较佳的实施例中，仍然如图3所示，采用一第一螺钉3134贯穿每个相位模块313的T+区域；以及采用一第二螺钉3135垂直贯穿每个相位模块313的T-区域。上述做法可以贯通多个相位模块313的引脚，实现T+区域和T-区域的短接。
本发明的较佳的实施例中，如图3-4所示，上述水冷管道包括设置于相互层叠的多个冷却模块31的最上方的第一水冷板315上的进水孔3181，以及设置于相互层叠的多个冷却模块31的最下方的第二水冷板317上的出水孔3182；
上述进水孔3181和出水孔3182均以O形圈3183密封(如图6所示)。
图3中，以贯穿最上方的第一水冷板315至最下方的第二水冷板317的虚线箭头，以及横贯每个水冷板的虚线箭头表示并联的水冷管道。
具体地，本发明的较佳的实施例中，上述水冷管道中包括的进水孔3181和出水孔3182位于不同的垂直面上，具体如图3中所示，进水孔3181位于第一块第一水冷板315上相对于相位模块313的左侧，而出水孔位于最后一块第二水冷板317上相对于相位模块313的右侧，则从进水孔到达最下方的相位模块313并转到出水孔3182以形成一个水冷管道。本发明的其他实施例中，上述进水孔3181和出水孔3182还可以被设置在不同于图3中的位置，例如将出水孔3182设置在第一块第一水冷板315上。
本发明的较佳的实施例中，在第一水冷板朝向第一基板的一面设置有褶皱或者突起；以及在第二水冷板朝向第二基板的一面设置有褶皱或者突起，从而增大了散热面积。上述水冷板还可通过两块内部有褶皱的铝板经过接缝处焊接或O型圈密封。
本发明的较佳的实施例中，如图6所示，上述第一水冷板315与第二水冷板317均通过多个第三螺钉41固定。1/2/3/4冷却板均通过多个螺钉贯穿固定。
本发明的较佳的实施例中，上述第一水冷板315和第二水冷板317均为金属板。
综上，以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于电动汽车的逆变器冷却系统，其特征在于，包括相互层叠的多个冷却模块；
每个所述冷却模块分别包括第一基板、第二基板和相位模块；
所述相位模块焊接在所述第一基板和所述第二基板之间，所述第二基板位于所述第一基板的下方；
每个所述冷却模块中的所述第一基板分别通过一第一热脂层接触一第一水冷板；
每个所述冷却模块中的所述第二基板分别通过一第二热脂层接触一第二水冷板；
在位于相互层叠的多个所述冷却模块的最上方的所述第一水冷板和位于相互层叠的多个所述冷却模块的最下方的所述第二水冷板之间开设一水冷管道，以供水冷散热使用。
2.如权利要求1所述的逆变器冷却系统，其特征在于，每个所述相位模块分别包括：
上半桥晶圆，所述上半桥晶圆的集电极与所述第二基板焊接，以形成所述相位模块的T+区域；
下半桥晶圆，所述下半桥晶圆的发射极与所述第二基板焊接，以形成所述相位模块的T-区域；
所述上半桥晶圆的发射极分别与所述下半桥晶圆的集电极和所述第一基板焊接，以形成所述相位模块的相输出区域。
3.如权利要求2所述的逆变器冷却系统，其特征在于，所述上半桥晶圆和所述下半桥晶圆均为半桥型的绝缘栅双极型晶体管或为金氧半场效晶体管。
4.如权利要求2所述的逆变器冷却系统，其特征在于，于所述第二基板的表面覆盖铜镀层，所述上半桥晶圆和所述下半桥晶圆之间设置一绝缘区域，以供所述T+区域和所述T-区域之间跨接缓冲电容，降低封装寄生电感。
5.如权利要求2所述的逆变器冷却系统，其特征在于，采用第一螺钉贯穿每个所述相位模块的所述T+区域；以及
采用第二螺钉竖直贯穿每个所述相位模块的所述T-区域。
6.如权利要求1所述的逆变器冷却系统，其特征在于，所述第一水冷板和所述第二水冷板均为金属板。
7.如权利要求1所述的逆变器冷却系统，其特征在于，所述水冷管道包括设置于相互层叠的多个所述冷却模块的最上方的所述第一水冷板上的进水孔，以及设置于相互层叠的多个所述冷却模块的最下方的所述第二水冷板上的出水孔；
所述进水孔和所述出水孔均以O形圈密封。
8.如权利要求1所述的逆变器冷却系统，其特征在于，在所述第一水冷板朝向所述第一基板的一面设置有褶皱或者突起；
在所述第二水冷板朝向所述第二基板的一面设置有褶皱或者突起。
9.如权利要求1所述的逆变器冷却系统，其特征在于，所述第一水冷板与所述第二水冷板均通过多个第三螺钉固定。
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