CN106783766A - 一种高集成度的igbt功率模组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高集成度的IGBT功率模组，包括串接在一起的多个IGBT功率模块、多个夹持板、上盖板和下盖板。IGBT功率模块采用双面金属翅针结构，从而能够进行双面冷却，提高了散热效率，通过将IGBT功率模块依次夹持在上盖板、夹持板和下盖板之间，冷却液通过在上盖板、夹持板和下盖板之间流动来实现对IGBT功率模块的均匀冷却，同时可实现多IGBT功率模块组合，这样可在原有电性能需求下实现小型化设计，提高了紧凑性和性能的拓展。

Description

一种高集成度的IGBT功率模组
技术领域
本发明涉及功率半导体以及功率模块应用领域，特别涉及一种高集成度的IGBT功率模组。
背景技术
面对日益枯竭的石油资源以及环境保护的巨大压力，新能源车显示了巨大优势和广阔的发展前景。
新能源车的快速发展，带动了车用逆变器的快速应用。车用逆变器中的关键核心部件是IGBT((Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)功率模块，该模块通过开关动作实现电功率变换，将直流电变换为交流电，或将交流电变换为直流电。
车用逆变器中的IGBT功率模块不光有高性能的要求，还有强散热、高紧凑性和强拓展性的要求。高性能要求IGBT模块在有限的布置空间输出更高的电性能；强散热要求IGBT功率模块或IGBT功率模组模块具有更高的散热效率和散热能力；高紧凑性要求IGBT功率模块或IGBT功率模组体积小、功率密度高。拓展性要求IGBT功率模块或IGBT功率模块可通过不同组合实现不同电性能输出需求。为了达到以上要求，IGBT功率模块或IGBT功率模组必须在散热结构、与冷却器集成、以及多模块集成方面强化和改进。
前期车用IGBT功率模块在冷却结构上普遍采用单面水冷或双面水冷，通过与散热器结合实现冷却散热，形成功率模组。现有功率模组虽有改进，但仍存在不足，特别在模块冷却效率、模块与冷却器集成和模块拓展性方面存在不足，如单面水冷冷却效率低，在有限空间很难有输出性能的进一步提升；双面水冷有双面翅针构型，采用水槽式冷却散热器，这种结构只易实现模组与其它部件单面连接，无法实现其它发热部件的冷却，如电容冷却，双面水冷的另一种方式是双面平板构型，采用叠压冷却器方式，但这种方式是间接水冷，冷却效率低，同时叠压冷却器无法有效保证与模块均匀紧密接触，这将非均匀接触导致的非一致热阻会影响模块内部发热不均，降低模块寿命。
专利文献1(申请号：200510076308.5；发明名称：功率堆)描述了一种集成冷却的IGBT功率模块结构，IGBT模块采用间接双面水冷，冷却器采用叠压冷却器方式，该结构由于非直接水冷，冷却效率低，同时叠压冷却器需要紧密与IGBT接触，以保证低接触热阻，但专利中通过叠压冷却器的压紧方式无法保证压紧力均匀，这样就存在接触热阻不一致导致模块局部发热失效的风险。
专利文献2(申请号：201110195686.0；发明名称：包括相互层叠的报道提封装体的半导体装置)描述了一种包括相互层叠的半导体封装体的半导体装置，半导体装置包括相互堆叠的多个半导体封装体。半导体采用间接双面水冷，冷却器采用叠压冷却器方式，该结构由于非直接水冷，冷却效率低，同时该结构水阻大，存在冷却死区，这样存在散热不均导致模块局部发热失效的风险。
专利文献3(申请号：200980105222.7；发明名称：功率模块、电力转换装置以及电动车)描述了一种功率模块以及使用该功率模块的电力转换装置，该装置在筒型的壳体内收容具有半导体元件的半导体电路部分，进而该半导体电路部隔着用于确保电绝缘的绝缘性部件所诉壳体的内壁夹着而被支撑。半导体灌封在筒型壳体，采用双面水冷单面密封方式，该结构由于半导体需压入到筒型壳体中，这将导致半导体与筒型壳体底部和顶部压紧力不一致，存在接触热阻不一致导致模块局部发热失效的风险。
因此，集成效果佳和散热效果优良的新能源车用新型封装结构的IGBT功率模块和基于模块的IGBT功率模组成为迫切的需求。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种能够提高冷却效率的高集成度的IGBT功率模组。
本发明采用的技术方案如下：
本发明的实施例提供一种高集成度的IGBT功率模组，包括串接在一起的上盖板、多个IGBT功率模块、夹持板和下盖板，所述多个IGBT功率模块中的一个与所述上盖板连接，所述多个IGBT功率模块中的另一个与所述下盖板连接，所述多个IGBT功率模块中每两个IGBT功率模块通过所述夹持板连接；每个IGBT功率模块包括两个冷却基板、功率器件、功率端子、信号端子和封装体，所述功率器件设置在所述两个冷却基板之间，每个冷却基板包括板状的本体和突出形成在本体上的翅针结构，每个冷却基板的本体上形成有开口，所述封装体通过树脂压铸形成，用于将所述两个冷却基板固定连接在一起，并使得形成在两个冷却基板的开口配合形成前后贯通的功率模块导水槽；所述功率端子和所述信号端子从所述封装体的侧部伸出；所述下盖板上形成有容置与其相配合的冷却基板的下盖板容置空间和与所述下盖板容置空间连通的冷却液进口，所述下盖板容置空间上形成有安置密封所述下盖板容置空间的密封件的安置槽；所述上盖板上形成有容置与其相配合的冷却基板的上盖板容置空间和与所述上盖板容置空间连通的冷却液出口，所述上盖板容置空间上形成有安置密封所述上盖板容置空间的密封件的安置槽；所述夹持板的两侧分别形成有夹持板容置空间和连通两个夹持板容置空间的夹持板导水槽连通，夹持板容置空间用于容置与其相配合的冷却基板，每个夹持板容置空间上形成有安置密封所述夹持板容置空间的密封件的安置槽；所述冷却液进口与所述下盖板容置空间的连通位置、所述功率模块导水槽、所述夹持板导水槽、所述冷却液出口与所述上盖板的连通位置布置成使得经所述冷却液进口流入的冷却液以迂回的流动路径流动，所述冷却液途径所述下盖板容置空间、多个夹持板容置空间和所述上盖板容置空间对每个冷却基板进行冷却后，通过所述冷却液出口流出。
可选地，以所述冷却液进口与所述下盖板容置空间的连通位置为参考位置，所述夹持板和所述上盖板在靠近所述参考位置的端部分别形成有所述夹持板导水槽和所述冷却液出口，所述功率模块在远离所述参考位置的端部形成有所述功率模块导水槽。
可选地，所述冷却液进口与所述下盖板容置空间的连通位置、所述夹持板导水槽和所述冷却液出口与所述上盖板容置空间的连通位置分别设置在所述下盖板、所述夹持板和所述上盖板的上端，所述功率模块导水槽设置在所述功率模块的下端。
可选地，所述夹持板在上端横向延伸形成长条形的夹持板导水槽，所述功率模块在下端横向延伸形成长条形的功率模块导水槽。
可选地，所述翅针结构与所述本体一体形成，包括以预定间隔布置的多个翅针。
可选地，所述翅针为圆柱形或菱形
可选地，所述上盖板、所述冷却基板、所述夹持板和所述下盖板均由高导电材料制成。
可选地，所述上盖板、所述夹持板和所述下盖板由铝材料制成，所述冷却基板由铜材料或者铝材料制成。
可选地，所述上盖板、所述夹持板和所述下盖板通过螺栓连接而连接在一起。
可选地，所述IGBT功率模组包括3个IGBT功率模块或者6个IGBT功率模块。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：本发明的高集成度的IGBT模组的IGBT功率模块采用双面金属翅针结构，从而能够进行双面冷却，提高了散热效率，通过将IGBT功率模块依次夹持在上盖板、夹持板和下盖板之间，冷却液通过在上盖板、夹持板和下盖板之间流动来实现对IGBT功率模块的均匀冷却，同时IGBT功率模组可实现多IGBT功率模块组合，这样可在原有电性能需求下实现小型化设计，提高了紧凑性和性能的拓展。
附图说明
图1为本发明的IGBT功率模组的结构示意图。
图2为本发明的IGBT功率模组的IGBT功率模块的主视图。
图3为本发明的IGBT功率模组的IGBT功率模块的侧视图。
图4为本发明的IGBT功率模组的上盖板的结构示意图。
(附图标记说明)
1-上盖板；2-冷却液出口；3-紧固孔；4-封装体；5-A，5-B-夹持板；
6-直流功率端子；7-夹持板密封件安置槽；8-冷却基板；9-冷却液进口；
10-下盖板；11-下盖板密封件安置槽；12-A-夹持板导水槽；
12-B-夹持板导水槽；13-信号端子；14-功率模块导水槽；
15-交流功率端子；16-A-密封件；16-B-密封件；16-C-密封件；
16-D-密封件；16-E-密封件；16-F-密封件；17-上盖板密封件安置槽；
18-IGBT功率模块；19-IGBT功率模组
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
图1为本发明的IGBT功率模组的结构示意图。图2为本发明的IGBT功率模块的主视图。图3为本发明的IGBT功率模块的侧视图。图4为本发明的IGBT功率模组的上盖板的结构示意图。
本发明的一实施例提供一种高集成度的IGBT功率模组，如图1所示，包括串接在一起的上盖板1、多个IGBT功率模块18、夹持板和下盖板10，所述多个IGBT功率模块18中的一个与所述上盖板1连接，所述多个IGBT功率模块中的另一个与所述下盖板10连接，所述多个IGBT功率模块中每两个IGBT功率模块通过所述夹持板连接，这样夹持板的个数N与IGBT功率模块的个数M之间关系为N＝M-1，优选，M等于3或者6。图1示出了包括3个IGBT功率模块的IGBT功率模组的结构，如图1所示，位于前端(从图面的左向右观看)的IGBT功率模块一侧与上盖板1连接，另一侧与夹持板5-A连接，位于中间的IGBT功率模块一侧与夹持板5-A连接，另一侧与夹持板5-B连接，位于后端的IGBT功率模块一侧与夹持板5-B连接，另一侧与下盖板10连接。
首先，参考图2和图3对本发明的IGBT功率模块进行介绍。
本发明中的IGBT功率模块可包括两个冷却基板8、功率器件(未图示)、功率端子、信号端子13和封装体4，所述功率器件设置在所述两个冷却基板之间，功率器件可为单管、半桥或全桥等电路拓扑结构。每个冷却基板包括板状的本体和突出形成在本体上的翅针结构，每个冷却基板的本体上形成有开口，所述封装体通过树脂压铸形成，用于将所述两个冷却基板固定连接在一起，并使得形成在两个冷却基板的开口配合形成前后贯通的功率模块导水槽15，这样，两个冷却基板可通过在连接的边缘位置处浇注树脂进行密封连接起来，从而将功率器件封装在内部起来以构成一个树脂压铸体。所述功率端子和所述信号端子从所述封装体4的侧部伸出，功率端子和信号端子的具体设置可根据具体的电路拓扑结构来进行设置，在一示例中，如图2所示出的电路拓扑结构包括两个直流功率端子6，一个交流功率端子15和两个信号端子13，交流功率端子15、直流功率端子6和信号端子13可采用高导电材料制成，优选可采用铜材料制成铜排或者铜针的形式，具体规格视端子载流需求设定，为了增加功率端子间爬电距离，在压铸形成封装体4时，在封装体4的侧部形成有凸台20。形成的功率模块导水槽15设置在靠近翅针结构的位置，用于供冷却液流通，例如，可形成为沿冷却基板的下侧横向延伸的长条形，但并不局限于此，功率模块导水槽的形状、长宽比与翅针的距离需视散热需求设定和流体分析结果设定。本发明的功率器件为现有技术中的器件，例如中国专利申请号为201610070303.X、发明名称为一种新能源车用IGBT功率模块所公开的结构，在此省略对其的详细说明。翅针结构可与冷却基板的本体一体形成，即可使用相同的材料与本体一体形成，包括以预定间隔向往突出形成在本体上的多个翅针，如图3所示。这样，每个翅针之间形成有间隙，能够增加冷却液的流动面积，提高散热效率。冷却基板可采用高导热材料制成，优选可采用铜或铝等材料，翅针可采用圆柱、菱形柱等形状，具体结构视散热需求设定。为方便安装，翅针结构可整体形成为方形结构，但并不局限于此，也可根据需要设计成不同的形状。
本发明中使用的IGBT功率模块由于在每个冷却基板上设置有多个翅针，即在IGBT功率模块的两面均设置有翅针结构，从而增加了散热面积，提高了散热效率，进而能够对IGBT功率模块的两面进行有效地冷却，能够提高IGBT功率模块的使用寿命。本实施例中的多个IGBT功率模块可具有相同的结构，但并不局限于此，也可根据需要具有不同的结构。
接着，参考图1和图4对本发明的上盖板、夹持板和下盖板进行介绍。
如图1所示，本发明的下盖板10上形成有容置与其相配合的所述IGBT功率模块18的冷却基板(具体用于容置后冷却基板的翅针结构)的下盖板容置空间和与所述下盖板容置空间连通的冷却液进口9，所述下盖板容置空间上设置有安置密封所述下盖板容置空间的密封件16E的下盖板密封件安置槽11，即在下盖板容置空间的周围区域形成有嵌入密封件的凹槽，冷却液进口9可为突出形成在下盖板上的通道，一端与下盖板容置空间连通，另一端与提供冷却液的装置连接。这样，当将IGBT功率模块18中的一个冷却基板的翅针结构嵌入到下盖板容置空间时，通过将密封件16-E插入到下盖板密封件安置槽11中，能够将嵌入的冷却基板的翅针结构固定密封在下盖板容置空间中，使得流入下盖板容置空间中的冷却液不会从下盖板容置空间的周围溢出。密封件16-E可采用密封圈或密封胶，密封圈或密封胶的材料属性需与冷却液匹配。
所述上盖板10上形成有容置与其相配合的所述IGBT功率模块18的冷却基板(具体用于容置冷却基板的翅针结构)的上盖板容置空间和与所述上盖板容置空间连通的冷却液出口2，所述上盖板容置空间上设置有安置密封所述上盖板容置空间的密封件16-F的上盖板密封件安置槽17，冷却液出口2可为突出形成在上盖板上的通道，一端与上盖板容置空间连通，另一端与回收冷却液的装置连接。这样，当将IGBT功率模块18中的一个冷却基板的翅针结构嵌入到下盖板容置空间时，通过将密封件16-F插入到上盖板密封件安置槽17中，能够将嵌入的冷却基板的翅针结构固定密封在上盖板容置空间中，使得流入上盖板容置空间中的冷却液不会从上盖板容置空间的周围溢出。密封件16-F可采用密封圈或密封胶，密封圈或密封胶的材料属性需与冷却液匹配。
所述夹持板的两侧分别形成有夹持板容置空间和与两个夹持板容置空间连通的夹持板导水槽。每个夹持板容置空间用于容置与其相配合的IGBT功率模块的冷却基板，具体用于容置冷却基板的翅针结构，每个夹持板容置空间上形成有安置密封夹持板容置空间的密封件的夹持板密封件安置槽7。在图1所示包括3个IGBT功率模块和2个夹持板的情况下，夹持板5-A和夹持板5-B的两侧分别形成有安置与之相结合的冷却基板的夹持板容置空间和供冷却液流通的夹持板导水槽12-A和12-B，夹持板导水槽12-A和12-B可为横向形成在夹持板上端的长条形开口。夹持板的每个容置空间的周围都形成有分别安置密封件16-D，16-C，16-B和16-A的安置槽，这样，当将IGBT功率模块18的冷却基板分别插入到相应的容置空间中时，通过将密封件16-D，16-C，16-B和16-A分别插入到夹持板密封件安置槽7中，能够将嵌入的冷却基板的翅针结构固定密封在夹持板容置空间中，使得流入夹持板容置空间中的冷却液不会从夹持板容置空间的周围溢出。密封件16-D，16-C，16-B和16-A可采用密封圈或密封胶，密封圈或密封胶的材料属性需与冷却液匹配。
所述上盖板、所述夹持板和所述下盖板之间通过螺栓连接，为此，可在上盖板、夹持板和下盖板上形成相配合的紧固孔。例如，可在上盖板1的上侧、下侧形以及在侧部形成有供螺栓通过的紧固孔3，在下盖板9的上侧、下侧和侧部的相应位置形成与上盖板上的紧固孔相配合的紧固孔，由于夹持板夹持在上盖板和下盖板之间，因此，可仅在每个夹持板的上侧和下侧的相应位置形成与上盖板和下盖板上的上侧和下侧形成的紧固孔相配合的紧固孔即可。这样，当按顺序将多个IGBT功率模块的冷却基板上的翅针结构分别插入到相应地容置空间中并进行密封后，通过螺栓可实现上盖板、IGBT功率模块、夹持板和下盖板之间的固定连接起来，防止冷却液外漏。
为使得冷却液能够有效地对IGBT功率模块进行冷却，所述冷却液进口与所述下盖板容置空间的连通位置、所述功率模块导水槽、所述夹持板导水槽、所述冷却液出口与所述上盖板的连通位置布置成使得经所述冷却液进口流入的冷却液以迂回的流动路径流动，即以“波浪”型流动路径迂回前进向前流动，所述冷却液途径所述下盖板容置空间、多个夹持板容置空间和所述上盖板容置空间对每个冷却基板进行冷却后，通过所述冷却液出口流出。具体地，在以所述冷却液进口与所述下盖板容置空间的连通位置为参考位置时，所述夹持板和所述上盖板在靠近所述参考位置的端部分别形成有所述夹持板导水槽和所述冷却液出口，所述功率模块在远离所述参考位置的端部形成有所述功率模块导水槽。在一示例中，所述冷却液进口与所述下盖板容置空间的连通位置、所述夹持板导水槽和所述冷却液出口与所述上盖板容置空间的连通位置可分别设置在所述下盖板、所述夹持板和所述上盖板的上端，所述功率模块导水槽可设置在所述功率模块的下端。在另一示例中，所述冷却液进口与所述下盖板容置空间的连通位置、所述夹持板导水槽和所述冷却液出口与所述上盖板容置空间的连通位置可分别设置在所述下盖板、所述夹持板和所述上盖板的下端，所述功率模块导水槽可设置在所述功率模块的上端，但是并不局限于此，只要能够使得冷却液以迂回的流动路劲流动的任何布置方式都可以。
在对本实施例的IGBT功率模组进行冷却时，外部提供的冷却液首先通过冷却液进口9进入下盖板10的下盖板容置空间中，由于IGBT功率模块的冷却基版的翅针结构，冷却液会弥漫分散在翅针之间的间隙见进行流动，从而充分地对位于下盖板容置空间中的IGBT功率模块的一面进行冷却，之后，冷却液通过该IGBT功率模块的功率模块导水槽4流出而流入到与之相邻的夹持板容置空间中，类似地，分散的冷却液对该IGBT功率模块的另一面进行有效冷却，随后，冷却液通过夹持板导水槽流出，流入另一个夹持板容置空间中对另一个IGBT功率模块的一面进行冷却，依次类推，完成对所有串接的IGBT功率模块的冷却，最后冷却液通过上盖板的冷却液出口2流出。
在本发明的另一实施例中，提供一种IGBT功率模组，包括1个IGBT功率模块、上盖板1和下盖板10。本实施例中的IGBT功率模组与前述实施例的IGBT功率模组相类似，不同之处是只包括1个IGBT功率模块，并且没有包括夹持板，因此，为方便起见，省略对该实施例的IGBT功率模组的各结构具体介绍。
在对本实施例的IGBT功率模组进行冷却时，外部提供的冷却液首先通过冷却液进口9进入下盖板10的下盖板容置空间中，由于IGBT功率模块的后冷却基版的翅针结构，冷却液会弥漫分散在翅针之间的间隙见进行流动，从而充分地对IGBT功率模块的一面进行冷却，之后，冷却液通过功率模块导水槽4流出而流入到上盖板容置空间中，类似地，分散的冷却液对IGBT功率模块的另一面进行有效冷却，随后，冷却液通过冷却液出口2流出，完成对IGBT功率模块的双面冷却。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高集成度的IGBT功率模组，其特征在于，包括串接在一起的上盖板、多个IGBT功率模块、夹持板和下盖板，所述多个IGBT功率模块中的一个与所述上盖板连接，所述多个IGBT功率模块中的另一个与所述下盖板连接，所述多个IGBT功率模块中每两个IGBT功率模块通过所述夹持板连接；
每个IGBT功率模块包括两个冷却基板、功率器件、功率端子、信号端子和封装体，所述功率器件设置在所述两个冷却基板之间，每个冷却基板包括板状的本体和突出形成在本体上的翅针结构，每个冷却基板的本体上形成有开口，所述封装体通过树脂压铸形成，用于将所述两个冷却基板固定连接在一起，并使得形成在两个冷却基板的开口配合形成前后贯通的功率模块导水槽；所述功率端子和所述信号端子从所述封装体的侧部伸出；
所述下盖板上形成有容置与其相配合的冷却基板的下盖板容置空间和与所述下盖板容置空间连通的冷却液进口，所述下盖板容置空间上形成有安置密封所述下盖板容置空间的密封件的安置槽；
所述上盖板上形成有容置与其相配合的冷却基板的上盖板容置空间和与所述上盖板容置空间连通的冷却液出口，所述上盖板容置空间上形成有安置密封所述上盖板容置空间的密封件的安置槽；
所述夹持板的两侧分别形成有夹持板容置空间和连通两个夹持板容置空间的夹持板导水槽连通，夹持板容置空间用于容置与其相配合的冷却基板，每个夹持板容置空间上形成有安置密封所述夹持板容置空间的密封件的安置槽；
所述冷却液进口与所述下盖板容置空间的连通位置、所述功率模块导水槽、所述夹持板导水槽、所述冷却液出口与所述上盖板的连通位置布置成使得经所述冷却液进口流入的冷却液以迂回的流动路径流动，所述冷却液途径所述下盖板容置空间、多个夹持板容置空间和所述上盖板容置空间对每个冷却基板进行冷却后，通过所述冷却液出口流出。
2.根据权利要求1所述的高集成度的IGBT功率模组，其特征在于，以所述冷却液进口与所述下盖板容置空间的连通位置为参考位置，所述夹持板和所述上盖板在靠近所述参考位置的端部分别形成有所述夹持板导水槽和所述冷却液出口，所述功率模块在远离所述参考位置的端部形成有所述功率模块导水槽。
3.根据权利要求1所述的高集成度的IGBT功率模组，其特征在于，所述冷却液进口与所述下盖板容置空间的连通位置、所述夹持板导水槽和所述冷却液出口与所述上盖板容置空间的连通位置分别设置在所述下盖板、所述夹持板和所述上盖板的上端，所述功率模块导水槽设置在所述功率模块的下端。
4.根据权利要求3所述的高集成度的IGBT功率模组，其特征在于，所述夹持板在上端横向延伸形成长条形的夹持板导水槽，所述功率模块在下端横向延伸形成长条形的功率模块导水槽。
5.根据权利要求1所述的高集成度的IGBT功率模组，其特征在于，所述翅针结构与所述本体一体形成，包括以预定间隔布置的多个翅针。
6.根据权利要求5所述的高集成度的IGBT功率模组，其特征在于，所述翅针为圆柱形或菱形。
7.根据权利要求1所述的高集成度的IGBT功率模组，其特征在于，所述上盖板、所述冷却基板、所述夹持板和所述下盖板均由高导电材料制成。
8.根据权利要求7所述的高集成度的IGBT功率模组，其特征在于，所述上盖板、所述夹持板和所述下盖板由铝材料制成，所述冷却基板由铜材料或者铝材料制成。
9.根据权利要求1所述的高集成度的IGBT功率模组，其特征在于，所述上盖板、所述夹持板和所述下盖板通过螺栓连接而连接在一起。
10.根据权利要求1所述的高集成度的IGBT功率模组，其特征在于，所述IGBT功率模组包括3个IGBT功率模块或者6个IGBT功率模块。
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