CN107104084A - 用于对半导体模块进行水下冷却的装置 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于对半导体模块进行水下冷却的装置。装置包括箱。箱填充有介电流体。装置包括至少一个半导体模块。至少一个半导体模块被置于箱中。至少一个半导体模块中的每个半导体模块包括半导体子模块并且被附接至热沉。半导体子模块产生热，由此引起介电流体通过自然对流循环。热沉包括具有从半导体模块到介电流体的第一热阻的第一部分。热沉包括具有从半导体模块到介电流体的第二热阻的第二部分。第二热阻高于第一热阻。热沉被定向为使得当装置被安装时，第一部分被配置成沿竖直方向高于第二部分。

Description

用于对半导体模块进行水下冷却的装置
技术领域
本发明涉及冷却装置，并且特别地涉及用于对半导体模块进行水下冷却的装置。
背景技术
一般来说，电气水下设施和装置通常要求关于耐久性、长期功能和操作期间的独立性的高标准。诸如水下转换器等的需要在操作期间被冷却的电气水下设施要求其部件的自主且耐久的冷却。已知使用诸如例如油等的介电流体(也称作液体电介质)作为冷却流体。一般情况下，电气水下设施需要用介电流体加压，因此优选为液体的所述流体应该至少几乎不可压缩。一般来说，介电流体因此用来提供不可压缩的介质并且另外地用作置于电气设施中的诸如功率电子建造块(power electronics building blocks，PEBB)等的部件的电气绝缘介质。
油可以因此用于水下转换器的电气与电子部件的冷却和用于电气绝缘两者。由于所要求的高可靠性，水下转换器冷却系统可以是无源的，即，不需要泵来实现冷却。转换器箱中(和任何油-海水热交换器中)的油可以因此仅通过自然对流而移动。冷却油-海水热交换器的海水也可以仅通过自然对流而移动。结果，冷却效率受到限制，并且经济的冷却系统的设计可能具有挑战性。
因此，仍然存在有对于用于对电子部件进行水下冷却的改进的机构的需要。
发明内容
本文中的实施例的目的是提供用于对电子部件进行水下冷却的高效的机构。
根据第一方面，提出了一种用于对半导体模块进行水下冷却的装置。装置包括箱。箱填充有介电流体。装置包括至少一个半导体模块。至少一个半导体模块被置于箱中。至少一个半导体模块中的每个半导体模块包括半导体子模块并且被附接至热沉。半导体子模块产生热，由此引起介电流体通过自然对流循环。热沉包括具有从半导体模块到介电流体的第一热阻的第一部分。热沉包括具有从半导体模块到介电流体的第二热阻的第二部分。第二热阻高于第一热阻。热沉被定向为使得第一部分配置成沿竖直方向高于第二部分。
有利地，这提供了对半导体模块的高效的水下冷却。
根据第二方面，提出了一种用于提供用于对半导体模块进行水下冷却的装置的方法。装置通过如下步骤来提供：提供箱并用介电流体填充箱；并且将至少一个半导体模块置于箱中。至少一个半导体模块中的每个半导体模块包括半导体子模块并且被附接至热沉。半导体子模块产生热，由此引起介电流体通过自然对流循环。热沉包括具有从半导体模块到介电流体的第一热阻的第一部分。热沉包括具有从半导体模块到介电流体的第二热阻的第二部分。第二热阻高于第一热阻。热沉被定向为使得第一部分配置成沿竖直方向高于第二部分。
需要注意的是，第一和第二方面的任何特征可以应用于任何其他方面，只要合适。同样，第一方面的任何优点可以同样适用于第二方面，并且反之亦然。所公开的实施例的其他目的、特征和优点将从以下详细公开、从所附从属权利要求以及从附图中明显看出。
一般地，权利要求所使用的所有术语都应根据其在本技术领域中的普通含义来解释，除非本文另有明确限定。对“一/一个/该元件、设备、部件、装置、步骤等等”的所有引用都应开放地解释为是指元件、设备、部件、装置、步骤等等中的至少一个实例，除非另有明确指出。本文所公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行，除非明确指出。
附图说明
现在参照附图通过示例的方式来描述本发明，在附图中：
图1示意性地图示出根据目前技术水平的用于对半导体模块进行水下冷却的装置；
图2至图3示意性地图示出根据实施例的用于对半导体模块进行水下冷却的装置；以及
图4是图示出根据实施例的方法的流程图。
具体实施方式
现在将在下文中参照其中示出本发明的某些实施例的附图更充分地描述本发明。然而本发明可以以许多不同的形式来体现并且不应该被解释为限于本文中所阐述的实施例；而是，这些实施例是通过示例的方式提供的，使得本公开将是彻底且完整的，并且会将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。相似的附图标记贯穿该描述是指相似的元件。
诸如功率转换器、变速驱动器或高压直流(HVDC)阀等的功率电子设备可以有利地被浸没在填充有充当电气绝缘和冷却介质的介电流体(诸如矿物油、天然酯等等)的箱中。该益处对于安装在水下的功率电子设备而言特别大，因为介电流体可以与压力补偿系统一起使用，以实现接近或等于外部压力的内部压力。
图1示意性地图示出根据目前技术水平的用于对半导体模块4进行水下冷却的传统装置1。装置1包括箱2。箱2填充有介电流体3。装置1进一步包括半导体模块10。半导体模块10被置于箱2中。半导体模块10因此被浸没在填充有介电流体3的箱2中。
半导体模块10可以包括许多半导体子模块4。半导体子模块4可以包括许多半导体元件5，也表示为芯片。每个半导体模块10可以包括多个半导体子模块4，并且每个半导体子模块4可以包括多个半导体元件5。在图1的示例中，半导体模块10包括六个半导体子模块4并且每个半导体子模块4包括六个半导体元件5。
为了确保可靠性，半导体元件5的温度应该低于某一限值，并且横跨半导体模块10均匀分布。半导体模块10的热通量密度典型地如此高，以致于其表面不足以将热传递至介电流体3。为了增加该表面，半导体模块10被附接至由诸如铝或铜等的高传导性材料制成的热沉6。
热沉6可以具有许多冷却翅片或冷却销，介电流体3可以围绕这些冷却翅片或冷却销流动。冷却翅片的合适的长度取决于翅片材料的材料性质、介电流体3的材料性质和在半导体模块10中产生且传递至热沉的热损失。
归因于当半导体模块10的冷却是基于自然对流时的介电流体3的低流动速度，介电流体3的温度将随着介电流体3横穿热沉6而显著地增加。每个半导体子模块4的温度取决于对局部流体温度的热阻。为此原因，利用诸如在图1的装置1中的常规热沉装置，较高竖直高度处的半导体子模块4的温度将显著地高于较低竖直高度处的半导体子模块4的温度。
根据本文中所呈现的实施例，热沉6的热性能被设计成使得从半导体模块10到局部介电流体3的热阻在热沉6的下部分中被增加。这将增加对于热沉6的下部分中的半导体子模块4的温度，而仅略微增加热沉6的上部分的半导体子模块4的温度。以该方式，横跨所有半导体子模块4和半导体元件5的温度分布更均匀并且提高了可靠性。两个这样的装置的实施例11a、11b分别示出在图2和图3中。
现在对示意性地图示出用于对半导体模块10进行水下冷却的装置11a、11b的图2和图3进行并行参考。
每个装置11a、11b包括箱2。箱2填充有介电流体3。
每个装置11a、11b进一步包括半导体模块10。半导体模块10被置于箱2中。半导体模块10因此被浸没在填充有介电流体3的箱2中。半导体模块10包括半导体子模块4。每个半导体子模块4包括半导体元件5。功率电子装置可以包括多个这样的半导体模块10，并且每个半导体模块10可以包括多个半导体子模块4，并且每个半导体子模块4可以包括多个半导体元件5。
半导体模块10在使用中产生热，由此引起介电流体3通过自然对流循环。半导体模块10因此被附接至热沉6。
热沉6包括第一部分6a和第二部分6b。在图2和图3中，上部分6a和下部分6b通过想象的水平线7彼此分开。热沉6的第一部分6a具有从半导体元件5到介电流体3的第一热阻。第二部分6b具有从半导体元件5到介电流体3的第二热阻。第二热阻高于第一热阻。热沉6被定向为使得当装置11a、11b被正确地安装(例如在海床处)时，第一部分6a沿竖直方向高于第二部分6b。装置11a、11b的正确的安装定向可以被标记在该装置上，或者它可以以其他方式显而易见，例如从该装置的设计上。如上面所公开的，这使得横跨所有半导体子模块4的温度分布能够更均匀，并且由此与装置1相比提高了装置11a、11b的可靠性。
现在将公开用于其中第二热阻高于第一热阻的热沉6的特定实施例。
根据一些实施例，热沉6具有如下的形状：使得第二热阻高于第一热阻。根据图2的实施例，第二部分6b包括锥形部8。因此，在这方面热沉6在第一部分6a处比在第二部分6b处厚。获得这样的热沉的一个方式是斜切立方体形状的热沉6的第二部分6b，以提供具有锥形部8的第二部分6b。根据图3的实施例，第二部分6b包括凹部9。提供具有这样的凹部9的第二部分6b减少了第二部分6b的表面。根据进一步的实施例，第一部分6b中使用的材料与第二部分6b中使用的材料不同；或者材料从第一部分6a到第二部分6b逐渐改变，或者第一部分6a和第二部分6b由两种完全不同的材料制成并被接合到一起。特别地，根据该进一步的实施例，第二部分6b具有比第一部分6a低的热传导率。
根据一些实施例，热沉6包括翅片。现在将公开用于包括翅片且其中第二热阻高于第一热阻的热沉6的特定实施例。例如，较高热阻可以通过具有较短的翅片来实现。在这方面翅片可以在它们延伸所在的任何方向上较短。因此，根据实施例，第二部分6b的翅片比第一部分6a的翅片短。存在有使第二部分6b的翅片比第一部分6a的翅片短的不同方式。例如，可以使翅片逐渐变短。因此，在一些方面，翅片沿着从第一部分6a到第二部分6b的方向逐渐变短。这被图示在图2的装置11a中。例如可以使翅片台阶式地变短。因此，在一些方面，翅片沿着从第一部分6a到第二部分6b的方向台阶式地变短。例如较高的热阻可以通过每面积单位降低数量的翅片来实现。因此，在一些方面，第二部分6b的每面积单位的翅片数量低于第一部分6a的每面积单位的翅片数量。换言之，第二部分6b可以包括比第一部分6a少的翅片。例如，在第二部分6b中每隔一个翅片或者每隔三个翅片可以省略。
如技术人员理解的，上面所公开的用于其中第二热阻高于第一热阻的热沉6(具有或没有翅片)的实施例中的任一个可以容易地组合。例如，图2的装置11a包括具有锥形翅片的热沉6(即，其中热沉6包括翅片并且其中第二部分6b是锥形的，因此造成在第二部分6b中比在第一部分6a中逐渐变短的翅片)。
在图2和图3的图示中，每个装置11a、11b包括具有六个半导体子模块4的一个半导体模块10。一般地，装置11a、11b中的任一个可以包括多个半导体模块10，每个半导体模块包括多个半导体子模块4，其中所有半导体模块10被附接至同一热沉6。备选地，每个半导体模块10被附接至至少两个热沉6中的一个。
存在有可以是半导体子模块4的一部分的不同种类的半导体元件5。例如，半导体元件5可以包括二极管和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。存在有将二极管和IGBT置于半导体元件5中的不同方式。例如，可以将二极管置于IGBT的上方。因此，根据实施例，半导体元件5被布置为使得当装置11a、11b被安装时，二极管在至少一个半导体子模块4中沿竖直方向高于IGBT被定位。有利地，二极管被设计成具有比IGBT低的损耗，使得在局部流体温度上的温升较低。由于介电流体3在向上移动的时候升温，所以如果二极管在每个半导体子模块中沿竖直方向高于IGBT被定位，则二极管和IGBT将具有更均匀分布的温度。备选地，所有半导体元件5包括二极管或者IGBT。
现在对图示出用于提供用于对半导体模块4进行水下冷却的装置11a、11b的方法的图4进行参考。装置11a、11b是通过如下执行的步骤S102和S104来提供的：
S102：提供箱2并用介电流体3填充箱2。
S104：将至少一个半导体模块10置于箱2中。如上面所公开的，至少一个半导体模块10中的每个半导体模块被附接至热沉6并且包括半导体子模块4，该半导体子模块进而包括半导体元件5。至少一个半导体子模块4被配置成在使用中产生热，由此引起介电流体3通过自然对流循环。
如上面所公开的，热沉6包括第一部分6a和第二部分6b。热沉6的第一部分6a具有从半导体元件5到介电流体3的第一热阻。第二部分6b具有从半导体元件5到介电流体3的第二热阻。第二热阻高于第一热阻。
在步骤S102和S104中提供装置11a、11b，使得热沉6被定向成使得当装置11a、11b被正确地安装时，第一部分6a沿竖直方向高于第二部分6b。
如上面所公开的，获得其中第二热阻高于第一热阻的热沉6的一个方式是斜切立方体形状的热沉6的第二部分6b,以提供具有锥形部8的第二部分6b，或者提供具有凹部9的第二部分6b。因此，根据实施例，因此从热沉6上切除材料以实现在下部分6b中的较高热阻。因此，根据可选步骤S104a，从第二部分6b去除材料以便给予第二部分6b比第一部分6a高的热阻。可选步骤S104a作为步骤S104的一部分来执行。
根据可选步骤S106，将装置11a、11b的箱2安装在海床上。优选地，步骤S102和S104(和可选步骤S104a)在步骤S106之前执行。
上面参照几个实施例主要描述了本发明。然而，如本领域技术人员容易领会的，除上面所公开的那些外的其他实施例同样可能在如由所附专利权利要求所限定的本发明的范围内。此外，如技术人员理解的，与本文所公开的用于对半导体模块4进行水下冷却的装置11a、11b相关联的任何特征也可以与本文所公开的用于提供用于对半导体模块10进行水下冷却的装置11a、11b的方法相关联。例如，本文所公开的装置11a、11b有利地用于具有模块化多电平转换器(MMC)中压驱动拓扑或级联H桥(CHB)中压驱动拓扑的中压驱动器，而不认为限于这些拓扑或该应用。

Claims (14)

1.一种用于对半导体模块(10)进行水下冷却的装置(11a，11b)，所述装置(11a，11b)包括：
箱(2)，所述箱(2)填充有介电流体(3)；以及
置于所述箱(2)中的至少一个半导体模块(10)，所述至少一个半导体模块(10)中的每个半导体模块包括半导体子模块(4)并且被附接至热沉(6)，
其中所述半导体子模块(4)产生热，由此引起所述介电流体(3)通过自然对流循环，
其中所述热沉(6)包括第一部分(6a)和第二部分(6b)，所述第一部分(6a)具有从所述半导体模块(10)到所述介电流体(3)的第一热阻，所述第二部分(6b)具有从所述半导体模块(10)到所述介电流体(3)的第二热阻，
其中所述第二热阻高于所述第一热阻，并且
其中所述第一部分(6a)被配置成沿竖直方向高于所述第二部分(6b)。
2.根据权利要求1所述的装置(11a，11b)，其中所述第二部分(6b)包括锥形部(8)。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的装置(11a，11b)，其中所述第二部分(6b)包括凹部(9)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的装置(11a，11b)，其中所述第二部分(6b)具有比所述第一部分(6a)低的热传导率。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的装置(11a，11b)，其中所述热沉(6)包括翅片，并且其中所述第二部分(6b)的所述翅片比所述第一部分(6a)的所述翅片短。
6.根据权利要求5所述的装置(11a，11b)，其中所述翅片沿着从所述第一部分(6a)到所述第二部分(6b)的方向逐渐变短。
7.根据权利要求5所述的装置(11a，11b)，其中所述翅片沿着从所述第一部分(6a)到所述第二部分(6b)的方向台阶式地变短。
8.根据权利要求5所述的装置(11a，11b)，其中所述第二部分(6b)的每面积单位的翅片数量低于所述第一部分(6a)的每面积单位的翅片数量。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的装置(11a，11b)，其中所述装置(11a，11b)包括多个半导体模块(10)，其中的所有半导体模块都被附接至所述热沉(6)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的装置(11a，11b)，其中所述半导体子模块(4)包括半导体元件(5)，并且其中每个半导体元件包括二极管和绝缘栅双极型晶体管IGBT。
11.根据权利要求10所述的装置(11a，11b)，其中所述二极管被配置成在所述半导体子模块(4)中沿竖直方向高于所述IGBT被定位。
12.一种用于提供用于对半导体模块(10)进行水下冷却的装置(11a，11b)的方法，其中所述装置(11a，11b)通过如下步骤来提供：
提供(S102)箱(2)，并且用介电流体(3)填充所述箱(2)；和
将至少一个半导体模块(10)置于(S104)所述箱(2)中，所述至少一个半导体模块(10)中的每个半导体模块包括半导体子模块(4)并且被附接至热沉(6)，
其中所述半导体子模块(4)产生热，由此引起所述介电流体(3)通过自然对流循环，
其中所述热沉(6)包括第一部分(6a)和第二部分(6b)，所述第一部分(6a)具有从所述半导体模块(10)到所述介电流体(3)的第一热阻，所述第二部分(6b)具有从所述半导体模块(10)到所述介电流体(3)的第二热阻，
其中所述第二热阻高于所述第一热阻，并且
其中所述第一部分(6a)被配置成沿竖直方向高于所述第二部分(6b)。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
从所述第二部分(6b)去除(S104a)材料，以便给予所述第二部分(6b)比所述第一部分(6a)高的热阻。
14.根据权利要求12或13所述的方法，进一步包括：
将所述装置(15a,15b,15c,15d)的所述箱(10)安装(S106)在海床处。
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