CN107017214B - 被冷却的电力电子组件 - Google Patents

Abstract

一种被冷却的电力电子组件，该电力电子组件包括合并有多个半导体电力电子开关部件的电力电子模块，电力电子模块包括基板，具有多个冷凝管的蒸汽室，该多个冷凝管与蒸汽室流体连通，蒸汽室和该多个冷凝管形成封闭的体积并且包围工作流体，具有用于容纳蒸汽室的凹口以及用于容纳该多个冷凝管的多个孔的安装板，其中，电力电子模块附着至安装板以将热从电力电子模块的基板传递至蒸汽室，并且其中，该电力电子组件包括利用一个或更多个连接管相连接的至少两个蒸汽室，并且该至少两个蒸汽室中的每个蒸汽室包括多个冷凝管，该至少两个蒸汽室、该一个或更多个连接管和该多个冷凝管形成封闭的体积并且包围工作流体。

Description

被冷却的电力电子组件

技术领域

本发明涉及电力电子组件，具体地，涉及带有冷却的电力电子组件。

背景技术

电力电子模块是被广泛使用的部件，其中多个电力电子开关或器件被放置在单个模块中。以规定的方式将电力电子模块的开关连线于模块之内，使得电力电子模块可以被用在不同的电路结构中。这样的电路结构是例如不同电力转换器的功率级。出于该目的，电力电子模块可以包括不同的半桥、全桥或其他桥式拓扑，其中可控开关部件与功率二极管在内部连接。电力电子模块还包括使模块能够连接至其他所需电路以及可能连接至其他模块的端子例如控制端子和功率端子。

电力电子模块之内的部件通常安装在衬底上，所述衬底热连接至模块的基板。基板是集成至模块的底部的金属片，并且其意在附着至冷却构件例如热沉的表面。当操作开关时，模块之内的半导体开关产生热。被开关的电流可以在数百或甚至数千安培以上，并且模块的电力半导体的电压阻隔能力为数千伏。还在数千赫兹的相对高的频率下操作这些半导体开关。

适当的热设计对于电力电子模块的可靠操作是至关紧要的。违反温度额定值可能导致安全操作范围减小，从而导致突然的器件失效，或者导致操作寿命减少。例如，IEC60747-9给出了IGBT的温度额定值如保持温度、外壳温度和虚拟结温的范围。为了将模块的温度保持在可容忍的范围，已经知道将模块附着至热沉。这通过将基板的或衬底的平坦表面附着至热沉的对应平坦表面来执行。通过使用热界面材料(TIM)来增强模块的底表面与热沉之间的热传递。这样的材料或层放置在基板和热沉的表面之间，或者如果模块没有基板，则放置在衬底和热沉的表面之间。

两个表面之间的热连接依赖于包括其表面粗糙度(Ra)和表面的平坦度的若干性质。在实践中，两个表面的接触是不完美的，并且在它们之间存在填充有空气的间隙。因为空气是不良的热导体，所以可以通过使接触表面完美光滑和平坦(非常昂贵)和/或通过用更好的导热物质替换空气来减小接触热阻(Rth)。

如所提到的，电力电子模块的热损耗主要经由其基板来耗散，所述基板必须与冷却器件如空气冷却式热沉、液体冷板或热虹吸热沉处于良好的热连接。显然，必须根据PE模块及其使用简档二者来设计冷却器件的热特性。

由于较高的开关频率，高速电机驱动器具有增大的电力电子模块的热损耗。于是，大功率循环应用在电力电子模块内具有较高的热诱导应力。常规的铝热沉的热特性是公知的，并且也被颇为良好地利用。然而，显然，电力电子模块的增大的加热功率密度(W/cm²)需要更高效的冷却解决方案。此外，常见的铝热沉的时间常数对于大功率循环应用而言是不充足的。需要更快的响应来避免过大的结温和实现长的使用寿命。

已经开发了特定的热沉设计来同时减小热阻和增强其电力循环响应。这些热沉的改进涉及例如用于增强的表面面积和/或增强的热传递系数的特殊的冷却片设计、不同构造材料的组合(Al+Cu)、以及使用两相构造部如用于热沉内增大的热扩散的热管。特别地，两相热沉被证明在许多热要求苛刻的应用中工作良好。

常见的热沉设计问题涉及冷却片的效率不足。铝是相对便宜的材料并且易于制造，但是其导热率(k～200W/mK)常常不足。因此，通常考虑铜片或基板插入件(k～380W/mK)，但是这显著地增加了总的重量和成本。

可以用不同的材料来制造热沉，但是铝合金和铜是最常见的。有许多制造技术，并且还可以对这些技术进行组合。一些常见的技术包括挤压型材、挤压薄片、冲压热沉、压铸热沉、车削翅片热沉、折叠翅片热沉、铣过的/机械加工的热沉、波纹翅片热沉、结合翅片热沉(胶合)、钎焊翅片热沉(焊接)和锻造热沉。

将热管和热虹吸管组合成热沉以在热沉内实现较高的热传递和扩散。常见的热管热沉设计包括以下：热沉基板中的枪钻的直的或U形的热管、使用胶体、粘合剂或焊锡嵌入热沉基板表面的热管以及塔式热管。

虽然用于冷却电力半导体模块的多种变型是可行的，但是仍需要较大的热传递能力和对循环荷载的较快的响应时间以确保电力半导体模块的可靠操作。

发明内容

本发明的目的是提供电力电子组件和制造所述组件的方法，以便解决以上问题。通过根据本发明的实施例的电力电子组件和方法来实现本发明的目的。还公开了本发明的优选实施例。

本发明基于使用以下结构：其中，使用具有一个或更多个冷凝管的蒸汽室来去除来自电力半导体模块的基板的热，所述冷凝管从蒸汽室延伸。冷凝管附着至蒸汽室，使得蒸汽室和多个冷凝管限定用于所述结构之内的工作流体的公共体积。蒸汽室连同多个冷凝管一起还被支撑在安装板中。安装板使电力半导体模块能够附着在组件中，使得将来自电力半导体部件的热被可靠地传递至蒸汽室。电力电子组件包括利用一个或更多个连接管相连接的至少两个蒸汽室，并且该至少两个蒸汽室中的每个蒸汽室包括多个冷凝管，该至少两个蒸汽室、该一个或更多个连接管和该多个冷凝管形成封闭的体积并且包围工作流体。

本发明的电子组件的优点是，与现有结构相比，组件的热传递能力(W/cm^2和W/cm^3)增大。此外，由于组件的流体蒸发部可以做成大的，对循环热负荷的响应增大。从电力半导体模块至环境的热阻也低，从而实现了高效热传递。此外，本发明的组件具有相对低的材料和制造成本。

附图说明

下面将参照附图，通过优选实施例来更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了本发明的一个实施例的横截面；

图2示出了图1的实施例的透视图；

图3示出了本发明的另一实施例的截面图；

图4示出了图3的实施例的透视图；以及

图5示出了本发明的另一实施例的截面图。

具体实施方式

图1是本发明的一个实施例的横截面。图1示出了具有电力电子模块11的电力电子组件。电力电子模块具有嵌入在该模块中的多个电力电子开关部件。电力电子模块还包括基板12，来自电力电子开关部件的热主要通过基板12被去除。

图1还示出了具有一个或更多个冷凝管14、15的蒸汽室13，冷凝管14、15与蒸汽室13流体连通。蒸汽室13和冷凝管14、15流体连通，使得蒸汽室和冷凝管14、15形成封闭的体积，也就是说，蒸汽室之内的工作流体可以在由蒸汽室和冷凝管限定的体积之内运动。

图1还示出了安装板16，安装板16具有用于容纳蒸汽室的凹口或凹部以及用于容纳冷凝管的合适的孔。电力电子模块附着至安装板，使得来自电力半导体模块的基板的热被传递至蒸汽室。

在图1的实施例中，冷凝管14、15位于安装板之内，并且在该实施例中，安装板充当冷却元件，并且冷凝管向安装板释放热。根据图1的实施例，安装板还包括增强热从安装板的去除的冷却片。

如图1中所示，蒸汽室被放置在设置在安装板中的凹部中。在该实施例中，蒸汽室的底表面和安装板的底表面处于同一水平。因此，当蒸汽室位于安装板的凹部中时，蒸汽室和安装板的底表面形成基本上平的表面。

电力电子模块的基板具有附着到蒸汽室的表面。这些配合表面具有基本上相等的面积，这意味着蒸汽室的底表面与电力电子模块的热传递表面几乎一样大。蒸汽室与基板之间的大的接触面积确保了热被有效地传递。

使用螺钉、螺栓或任何其他类似的机械紧固装置将电力电子模块11机械地附着至安装板16。当该模块紧紧地附着至安装板时，蒸汽室13既被挤压到安装板16也被挤压到电力电子模块的基板12。为了用穿透电力电子模块的螺钉或螺栓将电力电子模块附着至安装板，该模块的面积必须略大于蒸汽室的面积。

图2示出了图1的实施例的透视图。从透视图中可以看出，该实施例包括在安装板之内延伸的四个冷凝管14、15、17、18。此外，在图2中，为了简单起见，蒸汽室的形状被示出为矩形棱柱，并且形状可以是能够放置在安装板的对应形状的凹部中的任何其他合适的形状。

由于蒸汽室和附着至蒸汽室的冷凝管是单个实体，因此必须将安装板加工成容纳具有冷凝管的蒸汽室。参照图1的实施例，这意味着安装板包括设置至安装板的底表面的用于容纳冷凝管以及蒸汽室的凹槽或孔。换言之，安装板被加工成使得由蒸汽室和冷凝管形成的实体与安装板相配。如图1中所示，冷凝管不位于安装板的表面中。优选地，用树脂或其他合适的物质来填充冷凝管与安装板的底表面之间的体积。然而，冷凝管也可以位于安装板的底表面中，使得组件的制造更简单。

图3示出了本发明的另一实施例。在图3的实施例中，如图1的实施例中那样，蒸汽室31类似地附着在电力电子模块的基板32与安装板33之间。也就是说，凹部形成至安装板33。凹部被定尺寸为容纳蒸汽室31，使得蒸汽室的底表面可以与电力电子部件的基板32的底部的平坦表面相接触。蒸汽室的底表面和安装板的表面基本上处于同一水平。

在图3的实施例中，一个或更多个冷凝管34、35、36穿过安装板33而延伸并且在安装板之外延伸。由于冷凝管在相对于蒸汽室的顶表面的垂直方向上，因此蒸汽室连同冷凝管至组件的安装是直接的。用于冷凝管的洞或孔被钻到安装板以校正位置，并且一个或更多个冷凝管被引导穿过洞，使得蒸汽室也被定位至安装板的凹部。然后，电力电子模块被紧固至安装板以产生紧密的热耦合。

在图3中示出了具有冷却片37的安装板，但是由于冷凝管穿过安装板而延伸从而在安装板之外去除热，所以电力电子模块的冷却不需要冷却片。根据图3的实施例，一个或更多个冷凝管配备有附着至一个或更多个冷凝管34、35、36的冷却片38。冷却片帮助将热从管去除，从而增大从电力电子模块的热去除。优选地结合冷却片使用强制空气冷却，虽然自然空气冷却也是选项。用强制空气冷却，使用鼓风机或风扇来使空气移动通过冷却片，从而增大从冷却片至周围的热传递。

附着至一个或更多个冷凝管的冷却片38可以包括用于液体冷却的流动通道。当使用液体来将热从冷凝管去除时，增大了来自电力电子模块的热传递。

图4示出了图3的实施例的透视图，以更好地理解该实施例的结构。

根据本发明的另一实施例，蒸汽室位于安装板的上表面中。在这样的实施例中，电力电子模块的基板与安装板的底表面紧密接触，并且安装板将热从电力电子模块的基板传递至蒸汽室。安装板传递并且扩散来自基板的热，并且将基板保持在基本上均匀的温度。

在图1的实施例中，冷凝管被示出在安装板之内，然而，在图3的实施例中，冷凝管在安装板之外延伸。在另一实施例中，至少一个冷凝管位于安装板之内，并且至少一个冷凝管在安装板之外延伸。因此，使冷凝管在安装板之内、在安装板之外延伸或者前述二者是设计选项。

虽然材料的选择不限于铜，但是本发明的蒸汽室和冷凝管优选地由铜形成。还可以使用其他金属或金属合金。本发明的安装板优选地由铝形成。

由蒸汽室和一个或更多个冷凝管形成的实体将工作流体保持在由所述蒸汽室和一个或更多个冷凝管限定的体积之内。工作流体可以是水或者任何其他合适的流体，当被加热和被冷却时所述流体能够将其的相从液体变为气体以及从气体变为液体。蒸汽室中的液相流体受来自电力电子模块的热的影响而蒸发。被蒸发的流体流至封闭件之内的较冷位置，并且冷凝回液体，从而将热从封闭件去除。液相流体流回至蒸汽室，并且继续热的去除过程。当冷凝管配备有冷却片时，管的冷凝区域保持在较低的温度。蒸发区域与冷凝区域之间的增大的温差增大了热传递率。

蒸汽室充当在来自电力电子模块的热的辅助下将流体的相从液体变为气体的蒸发器。另一方面，一个或更多个冷凝管充当将热释放至冷凝管的周围的冷凝器。

蒸汽室的内表面可以是增大了蒸汽室之内的流体的蒸发的多孔吸液芯结构。一个或更多个冷凝管的内表面可以包括例如铜粉烧结的凹槽结构或者铜网。可以基于设计和预期的用途来进行蒸汽室的吸液芯和一个或更多个冷凝管的选择。

根据图5的实施例，用一个或更多个连接管将一个蒸汽室连接至另一蒸汽室。以与本发明的冷凝管类似的方式制造将蒸汽室相连接的连接管。

此外，在该实施例中，多个电力电子模块嵌入在安装板64中，并且每个电力电子模块用相应的蒸汽室来冷却。该实施例还包括用于以上述方式释放热的冷凝管。在图5中示出了该实施例的示例，其中，用具有一个或更多个冷凝管71、72、73、74、75、76、77、78、79的蒸汽室61、62、63来冷却三个电力电子模块51、52、53。连接蒸汽室61、62、63的连接管54、55将蒸汽室和冷凝管的内体积相连接。由于工作流体可以在由蒸汽室、连接管和冷凝管形成的实体之内移动，因此这三个单独的电力电子模块基本上以均一的方式来冷却。图5的三个单独的电力电子模块中的每个电力电子模块可以例如包括一个相输出的电力电子开关。在这样的情况下，输出开关被保持在基本上相等的温度。

根据本发明的实施例，热界面材料(TIM)被设置在电力电子模块的基板的顶部上。当电力电子模块附着至安装板时，TIM被挤压到毗邻表面并且增强热从基板的传递。由于蒸汽室可以位于安装板的顶表面或底表面中，因此TIM被放置在基板与蒸汽室之间或者基板与安装板之间。在每种情况下，TIM减小了来自基板的热阻。

热界面材料优选地呈可以安装在热释放基板与热接收蒸汽室或安装板之间的单独的层的形式。TIM层优选为碳基材料层。碳基材料层适于除了将半导体电力电子开关部件所产生的热传递至冷却装置之外还扩散所述热。

碳基材料优选地呈具有从75μm至250μm的范围的厚度的软层的形式。碳基材料优选为天然石墨、热解石墨或者合成石墨。

碳基材料的软度和厚度使得其能够在模块附着至毗邻表面期间适应并且充分填充电力电子模块的基板与蒸汽室或安装板的表面之间的间隙。

安装板在该实施例中被用于附着电力电子模块。如上面所提到的，电力电子模块牢固地附着至安装板以便确保紧密接触，以增大热从电力电子模块的基板的传递。安装板也可以充当冷却元件并且可以包括冷却片。此外，其他电气部件可以附着至安装板以便紧固所述部件和冷却所述部件。

安装板还可以被用在具有电力电子组件的电力电子装置中以支撑该装置的机械结构。安装板可以例如在电力电子装置之内在该装置的内壁之间延伸从而对机械结构给予支撑。此外，安装板可以分隔该装置之内的不同隔间从而产生例如较热的和较冷的隔间或者清洁空气和脏空气隔间。

本发明提供呈紧凑尺寸的具有冷却的电力电子组件。由于使用具有冷凝管的蒸汽室将热从电力电子组件的基板中有效地去除，因此不一定需要热沉。通常，热沉已经是具有冷却片的相当大的铝块。在本公开内容中，设置用于容纳蒸汽室的安装板，并且安装板可以仅比蒸汽室略厚。

本发明还涉及制造电力电子组件的方法，该方法包括设置具有一个或更多个冷凝管的蒸汽室，所述冷凝管与蒸汽室流体连通。该方法还包括设置具有用于容纳蒸汽室的凹口或者凹部的安装板以及用于容纳该一个或更多个冷凝管的一个或更多个孔的安装板。此外，在该方法中，具有一个或更多个冷凝管的蒸汽室附着至安装板，并且包括基板的电力电子模块附着至蒸汽室或安装板的表面，使得基板与基板的或蒸汽室的配合表面相接触。该方法制造本发明的组件。

本发明还涉及包括电力电子组件的特征的转换器装置。以高效的方式来冷却具有电力电子组件的转换器装置。在转换器装置中，主开关设置有电力电子模块，并且由此主开关以上述方式来冷却。更具体地，转换器装置是逆变器装置。本公开内容的电力电子组件使得能够制造紧凑尺寸的转换器装置。

对本领域技术人员而言将明显的是，由于技术的进步，可以以不同的方式来实现本发明的构思。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内进行变化。

Claims (11)

1.一种电力电子组件，所述电力电子组件包括合并有多个半导体电力电子开关部件的电力电子模块，所述电力电子模块包括基板，

蒸汽室，所述蒸汽室具有与所述蒸汽室流体连通的多个冷凝管，所述蒸汽室和所述多个冷凝管形成封闭的体积并且包围工作流体，

安装板，所述安装板在其配合表面中形成有用于容纳所述蒸汽室的凹部以及用于容纳所述多个冷凝管的多个孔，

其中，所述电力电子模块的所述基板附着至所述安装板使得所述基板与所述安装板的配合表面接触，所述基板由此包围所述凹部以将热从所述电力电子模块的所述基板传递至所述蒸汽室，并且

其中，所述电力电子组件包括利用一个或更多个连接管相连接的至少两个蒸汽室，并且所述至少两个蒸汽室中的每个蒸汽室包括多个冷凝管，所述至少两个蒸汽室、所述一个或更多个连接管和所述多个冷凝管形成封闭的体积并且包围工作流体。

2.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中，所述多个冷凝管被布置在所述安装板之内。

3.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中，所述多个冷凝管被布置成在所述安装板之外延伸。

4.根据权利要求3所述的电力电子组件，其中，所述多个冷凝管被布置成穿过所述安装板而延伸。

5.根据权利要求3所述的电力电子组件，其中，冷却片附着至所述冷凝管。

6.根据权利要求5所述的电力电子组件，其中，所述冷却片用液体冷却或者用自然或强制空气来冷却。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的电力电子组件，其中，所述电力电子模块的所述基板附着到所述蒸汽室的表面。

8.根据权利要求1至6中的任一项所述的电力电子组件，其中，所述电力电子模块的所述基板附着到所述安装板的表面。

9.根据权利要求1至6中的任一项所述的电力电子组件，其中，热界面材料被设置在所述基板与所述蒸汽室的配合表面之间以增强从所述基板至所述蒸汽室的热传递。

10.根据权利要求9所述的电力电子组件，其中，所述热界面材料是碳基层。

11.一种转换器装置，所述转换器装置包括根据权利要求1至10中的任一项所述的电力电子组件。