CN107452699B - 一种基于液流槽并联的igbt模块液冷板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液流槽并联的IGBT模块液冷板及其制造方法，所述IGBT模块液冷板包括：基板；所述基板上端并联设置有供冷却液流通对所述IGBT模块进行冷却的多个液流槽；所述液流槽冷却液入口处均设置有若干个用于控制冷却液集中在发热芯片正下方的多通道区域来增大换热效率的导流片；所述液流槽两端分别连通设置有一进液流道及出液流道；所述基板上方设置有一对IGBT模块进行密封的密封圈；所述基板上方设置有一将所述基板和密封圈进行盖合的盖板。本发明通过所述IGBT模块液冷板使每个IGBT模块下面的通道流量分布均匀，液冷板表面具有良好的均温性，进出口压降控制在合理范围内，散热功率高，整体密封性好。

Description

一种基于液流槽并联的IGBT模块液冷板及其制造方法
技术领域
本发明涉及电子器件散热技术，尤其涉及的是一种基于液流槽并联的IGBT模块液冷板及其制造方法。
背景技术
随着电子器件封装的热流密度越来越大，单一通道的冷板结构很难满足其散热要求，对于中尺度的冷板结构设计，多通道冷板结构越来越受研究者的青睐。随着新能源行业的发展，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管或者大功率开关器件）作为大功率的开关器件逐渐得到广泛的使用，IGBT模块主要是对一系列芯片的封装，内部的芯片为IGBT芯片和二极管芯片，在实际工作过程中经常伴有高的热流密度，因此IGBT模块的失效主要是过热失效，IGBT模块内部的热量及时的散出是当前解决的关键性问题。由于冷板结构简单，结构紧凑，效率高，热载荷范围广，但随着芯片的热流密度不断扩大，单一通道冷板结构不再满足其散热要求。
传统的IGBT模块冷板结构多为并联S型单通道冷板结构或多通道冷板结构，即流道的主要拓扑结构为S型，通常只针对特定的IGBT模块数进行冷板结构设计。传统流道存在以下缺点：（1）S型并联的单通道或多通道结构中，进出口压力沿程损失较大，会引起较大的压降，因此对液冷系统循环泵的功率要求高，所需要的成本相应增大（2）传统冷板结构对于进出口流道过长的情况容易引起冷板表面较大的温差，容易导致热应力分布不均而失效；（3）传统冷板结构只是针对一定数量的IGBT模块设计，当模块数量增加或减少，需要再重新设计冷板结构，没有很好的通用性。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于液流槽并联的IGBT模块液冷板及其制造方法，旨在通过所述IGBT液冷板使每个IGBT模块下面的通道流量分布均匀，液冷板表面具有良好的均温性，进出口压降控制在合理范围内，散热功率高，对于其它数目的IGBT模块冷板结构设计有很好的通用性，使整个流道结构加工方便，整体密封性好。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其中，所述IGBT模块液冷板包括：
设置于IGBT模块下端面的基板；
所述基板上端并联设置有供冷却液流通对所述IGBT模块进行冷却的多个液流槽；
所述液流槽冷却液入口处均设置有若干个用于控制冷却液集中在发热芯片正下方的多通道区域来增大换热效率的导流片；
所述导流片至少包括第一导流片、第二导流片以及第三导流片，所述第一导流片和第三导流片以所述第二导流片为中心呈一定角度对称设置，所述第二导流片水平设置；
所述液流槽两端分别连通设置有一进液流道及出液流道；
所述基板上方设置有一对IGBT模块进行密封的密封圈；
所述基板上方设置有一将所述基板和密封圈进行盖合的盖板。
优选方案中，所述的基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其中，所述进液流道与所述出液流道设置为对称结构。
优选方案中，所述的基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其中，所述液流槽中部设置有多个间距相同的翅片，所述翅片用于将流经所述液流槽的冷却液分为多个通道。
优选方案中，所述的基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其中，所述导流片数量为7个，分别为第一导流片、第二导流片、第三导流片、第四导流片、第五导流片、第六导流片以及第七导流片，所述第三导流片、第四导流片、第五导流片、第六导流片以及第七导流片连续两个导流片的间距相同且与多通道中翅片的间距相等。
优选方案中，所述的基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其中，所述液流槽在放置所述IGBT模块的进口部位设置一用于调节IGBT模块之间流量分布不均匀、并增加液冷板表面均温性的倒角。
优选方案中，所述的基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其中，所述基板上端面在所述IGBT模块的芯片布置区域设置有若干个局部扰流结构，以增加基板对流动于液流槽内流体的扰流性能。
优选方案中，所述的基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其中，所述局部扰流结构包括：圆形结构、方形结构或者菱形结构。
优选方案中，所述的基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其中，所述基板和盖板之间通过螺钉进行连接。
优选方案中，所述的基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其中，所述基板和盖板采用高导热系数的铝板、铜铝复合板或铝合金型材加工而成。
一种如上任意一项所述的基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其中，所述制造方法包括：将盖板及基板分别加工完成后，所述IGBT模块设置在所述液流槽上方，并在所述基板上设置密封圈，再通过螺钉将所述盖板固定在所述基板上。
与现有技术相比，本发明所提供的一种基于液流槽并联的IGBT模块液冷板及其制造方法，所述IGBT模块液冷板包括：设置于IGBT模块下端面的基板；所述基板上端并联设置有供冷却液流通对所述IGBT模块进行冷却的多个液流槽；所述液流槽冷却液入口处均设置有若干个用于控制冷却液集中在发热芯片正下方的多通道区域来增大换热效率的导流片；所述液流槽两端分别连通设置有一进液流道及出液流道；所述基板上方设置有一对IGBT模块进行密封的密封圈；所述基板上方设置有一将所述基板和密封圈进行盖合的盖板。本发明通过所述IGBT模块液冷板使每个IGBT模块下面的通道流量分布均匀，液冷板表面具有良好的均温性，进出口压降控制在合理范围内，散热功率高，整体密封性好。
附图说明
图1是本发明基于液流槽并联的IGBT模块液冷板较佳实施例的基板上液流槽并联组合结构示意图。
图2是本发明基于液流槽并联的IGBT模块液冷板较佳实施例的流道结构和热源分布结构示意图。
图3是本发明基于液流槽并联的IGBT模块液冷板较佳实施例的基板上扰流柱及热源集中区结构示意图。
图4是本发明基于液流槽并联的IGBT模块液冷板较佳实施例的基板上三种形状的扰流柱结构示意图。
图5是本发明基于液流槽并联的IGBT模块液冷板较佳实施例的基板内部流道结构示意图。
图6是本发明基于液流槽并联的IGBT模块液冷板较佳实施例的导流片最佳结构示意图。
图7是本发明基于液流槽并联的IGBT模块液冷板较佳实施例的导流片具体角度分析示意图。
图8是本发明基于液流槽并联的IGBT模块液冷板较佳实施例的整个液冷板组成结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，如图1所示，所述IGBT模块液冷板包括：设置于IGBT模块下端面的基板10；所述基板10上端并联设置有供冷却液流通对所述IGBT模块进行冷却的多个液流槽11，本发明液流槽数量优选为4个（当然液流槽还可以为其他数量），本发明优选四个液流槽11并联组成整个液冷板的降温结构；所述液流槽11大小、形状以及结构均相同，所述液流槽11冷却液入口处均设置有若干个用于控制冷却液集中在发热芯片正下方的多通道区域来增大换热效率的导流片14（如图5和图6所示），所述导流片14至少包括第一导流片141、第二导流片142以及第三导流片143，所述第一导流片141和第三导流片143以所述第二导流片142为中心呈一定角度对称设置，所述第二导流片142水平设置，克服了冷却液产生局部涡流区；所述液流槽11两端分别连通设置有一进液流道12及出液流道13，即所述液流槽11一端的进液口均连接进液流道12，所述液流槽11一端的出液口均连接进液流道13；如图8所示，所述基板10上方设置有一对IGBT模块进行密封的密封圈17；所述基板10上方设置有一将所述基板10和密封圈17进行盖合的盖板19。
图1中，4个所述液流槽11一端同时连通进液流道12，4个所述液流槽11另一端同时连通出液流道13；由于所述进液流道12与所述出液流道13设置为对称结构，所以液流槽11任意一端连通出液流道13，另外一端连通进液流道12也可，只需满足一进一出规则即可，增强了互换性。
如图2或者图5所示，4个液流槽11中部均设置有多个翅片15，所述液流槽11中部设置的多个翅片15间距相同，本发明中所述翅片15的数量优选为15个（将4个所述液流槽11均分为16个通道），所述翅片15用于将流经所述液流槽11冷却液分为多个通道。
进一步地，将所述翅片15优选设置为直翅片结构，是因为直翅片采用密排方式进行排列设置，该结构特点在于密排的直翅片可以与液流槽配合形成多通道流道结构，从而可以在很大程度上减小流道沿程阻力。还可以将翅片15设置为波纹型，即波纹型结构，波纹型结构的设计与直翅片结构同理，在此不进行过多赘述。密排的直翅片还可以替换为若干个圆柱体，以增加基板10对流动于液流槽内流体的扰流性能。
本发明进一步较佳实施例中，如图2所示，在所述IGBT模块（IGBT(Insulated GateBipolar 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。）的芯片布置区域设置有若干个局部扰流结构。
 IGBT模块主要是对一系列芯片的封装，内部的芯片为IGBT芯片和二极管芯片，如图2所示，本发明的IGBT模块主要是对IGBT芯片1和二极管芯片2的封装，在1个IGBT模块液冷板结构中，芯片主要是布置在中间多通道区域的正上方，流体域3充分填充中间的多通道区域。所述进液流道12与所述出液流道13设置为对称结构，能够增强单个IGBT模块液冷板之间的互换性。
其中，流体域3在中间区域为截面扩大(横向和纵向)，从进口到中间区域过渡的结构设计采用渐扩式，从中间区域到出口的结构设计采用渐缩式，中间区域可以设计为多通道直翅片结构；如图3所示，所述基板10上端面在所述IGBT模块的芯片布置区域4（即热源集中区域）设置有若干个局部扰流结构，以增加基板对流动于液流槽内流体的扰流性能；如图4所示，布置的局部扰流结构可为圆形结构5、方形结构6或者菱形结构7，其中所述的菱形结构7能够克服圆形结构5破坏速度边界层弱的缺点，也克服了方形结构6与流体域接触不充分的缺点，具有局部换热效率高的优势。
本发明进一步较佳实施例中，如图5和图8所示，由于所述IGBT模块中的芯片分布在中间多通道区域的正上方，4个所述液流槽11进液端均设置有若干个导流片14，所述导流片14用于控制冷却液集中在发热芯片正下方的多通道区域来增大换热效率。本发明中所述导流片14数量优选为为7个，如图6所示，分别为第一导流片141、第二导流片142、第三导流片143、第四导流片144、第五导流片145、第六导流片146以及第七导流片147，本发明最佳导流片的结构为：所述第一导流片141和第三导流片143以所述第二导流片142为中心呈一定角度对称设置，所述第二导流片142水平设置，所述第三导流片143、第四导流片144、第五导流片145、第六导流片146以及第七导流片147连续两个导流片的间距相同且与多通道中翅片15的间距相等，克服了冷却液产生局部涡流区，这样能够有效的让流体主要集中在多通道区域中间6个小通道里，使模块内部小通道流量分布呈正态分布趋势，也是发热芯片正下方的区域（芯片布置区域4），中间区域的散热效果更好，能够有效的增大换热效率。图7为7个导流片的具体结构（角度）的示意图，图7中7个导流片的角度如下表：
倾斜角 tanA1 tanA2 tanA3 tanA4 tanA5 tanA6 tanA7
7导流片 -0.3 0 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
从上表中可以看出每一个导流片的倾斜角度和位置分布关系（其中tanA1、tanA2、tanA3、tanA4、tanA5、tanA6以及tanA7分别表示第一导流片141、第二导流片142、第三导流片143、第四导流片144、第五导流片145、第六导流片146以及第七导流片147的正切值）。
本发明中导流片14的结构还可以采用7个导流片全部平行且间距相等（倾角也相同）的设计，即所述导流片14的间距相同且与多通道中翅片15的间距相等，也能达到增大换热效率的效果。
本发明进一步较佳实施例中，如图5所示，所述液流槽在放置所述IGBT模块的进口部位设置一用于调节IGBT模块之间流量分布不均匀、并增加液冷板表面均温性的倒角16。本发明提出了单个IGBT模块进口部位增加倒角结构，可以有效的控制相邻IGBT模块之间的流量分布比例，能够有效的IGBT调节模块之间流量分布不均匀问题，增加液冷板表面的均温性。
本发明进一步较佳实施例中，如图8所示，所述基板10和盖板19之间通过螺钉18（不同位置的螺钉型号根据需要进行设置）进行连接，且所述基板10和所述盖板19之间还设置有一密封圈17，所述密封圈17能够有效的控制整个冷板结构的密封性；另外，所述基板10和盖板19采用高导热系数的铝板、铜铝复合板或铝合金型材（铝板或铝挤型材）过搅拌摩擦焊工艺焊接组成。
优选地，，进液流道12及出液流道13优选采用圆柱形结构，一方面保证冷却液在其内的流动流畅性，另一方面便于进液口与接头的连接（接头指冷却液液源与基板10之间的接头），再一方面可使多个液流槽进口处流量分布均匀。而单个液流槽则优选为六边形结构，其使液流槽流道宽度由进口到中间区域逐渐增大，从而使冷却液充分接触中间区域的部分的同时，防止进口处冷却液过于分散，导致流动不均匀。液流槽11和进液流道12、出液流道13之间采用过渡的连接方式，这样可以使液流槽11的进口很小，在进液流道12中2个进口部分的表面积相对整个进液流道12的表面积很小，这样可以使进液流道12中的冷却液充分接触2个液流槽进口部分，能很大程度上提高每个并联液流槽之间流量分布的均匀性，出液流道13的设计原理相同。
一种如上任意一项所述的基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其中，所述制造方法包括：将盖板19及基板10分别加工完成后，所述IGBT模块设置在所述液流槽上方，并在所述基板10上设置密封圈17，再通过螺钉18将所述盖板19固定在所述基板10上。
同时，本发明采用液冷板结构实为模块化结构，其市场前景好，装配和拆卸方便，液冷板的密封性好。而且由于整个液冷板的基板10采用对称结构，进口和出口的位置可以对调，只需要改变盖板安装的方向即可。
该结构的液冷板既克服了单一通道流阻过大和多通道流量分配不均问题，使得整个液冷板具有均温性好，进出口压降较低，调节盖板翅片结构可以有效改变整个冷板的散热能力，基板10和盖板19结构制造工艺成熟，简单。
本发明的目的是克服传统流道结构设计思路的缺点，提出一种冷板结构的模块化设计，本发明的优点是在满足所需要的性能指标前提下，找出综合散热性能最好的流道拓扑连接结构，即本发明四个液流槽进行并联的方式，所优选的结构进出口压降小，结构紧凑，该结构设计为模块化，模块之间互换性好，液冷板的安装与拆卸灵活方便，散热功率大。
综上所述，本发明提供了一种基于液流槽并联的IGBT模块液冷板及其制造方法，所述IGBT模块液冷板包括：设置于IGBT模块下端面的基板；所述基板上端并联设置有供冷却液流通对所述IGBT模块进行冷却的多个液流槽；所述液流槽冷却液入口处均设置有若干个用于控制冷却液集中在发热芯片正下方的多通道区域来增大换热效率的导流片； 所述液流槽两端分别连通设置有一进液流道及出液流道；所述基板上方设置有一对IGBT模块进行密封的密封圈；所述基板上方设置有一将所述基板和密封圈进行盖合的盖板。本发明通过所述IGBT模块液冷板使每个IGBT模块下面的通道流量分布均匀，液冷板表面具有良好的均温性，进出口压降控制在合理范围内，散热功率高，整体密封性好。
在本发明提出的具体实施例中，存在多种可替代方案，如4个液流槽替代方案可以为其他数量（例如3个或者5个）液流槽并联组成；圆柱形进液流道12及出液流道13与六边形腔体流道（即液流槽的内部形状）过渡的连接方式，替代方案可为四边形进出口流道和四边形腔体过渡连接等。替代方案可为中间直翅片结构为V形结构、顺排叉排结构、波纹型结构等；多通道液冷板中倒角部分可替换为局部模块进口尺寸增大，导流片的数量和间距设计可以不按中间区域翅片间距来约束等；入口处增加了导流片14，替代方案可为平板型加翅片结构，而导流片14形状可换圆柱扰流柱等。本发明中所采用的分离模块式设计，替换方案可为在现有基础上的整体式设计。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其特征在于，所述IGBT模块液冷板包括：设置于IGBT模块下端面的基板；
所述基板上端并联设置有供冷却液流通对所述IGBT模块进行冷却的多个液流槽；
所述液流槽冷却液入口处均设置有若干个用于控制冷却液集中在发热芯片正下方的多通道区域来增大换热效率的导流片；
所述液流槽中部设置有多个间距相同的翅片，所述翅片用于将流经所述液流槽的冷却液分为多个通道；
所述液流槽两端分别连通设置有一进液流道及出液流道；
所述基板上方设置有一对IGBT模块进行密封的密封圈；
所述基板上方设置有一将所述基板和密封圈进行盖合的盖板；
所述导流片数量为7个，分别为第一导流片、第二导流片、第三导流片、第四导流片、第五导流片、第六导流片以及第七导流片，所述第一导流片和第三导流片以所述第二导流片为中心呈一定角度对称设置，所述第二导流片水平设置，所述第三导流片、第四导流片、第五导流片、第六导流片以及第七导流片连续两个导流片的间距相同且与多通道中翅片的间距相等；
所述液流槽在放置所述IGBT模块的进口部位设置一用于调节IGBT模块之间流量分布不均匀、并增加液冷板表面均温性的倒角；
所述基板上端面在所述IGBT模块的芯片布置区域设置有若干个局部扰流结构，以增加基板对流动于液流槽内流体的扰流性能。
2.根据权利要求1所述的基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其特征在于，所述进液流道与所述出液流道设置为对称结构。
3.根据权利要求1所述的基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其特征在于，所述局部扰流结构包括：圆形结构、方形结构或者菱形结构。
4.根据权利要求1所述的基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其特征在于，所述基板和盖板之间通过螺钉进行连接。
5.根据权利要求1所述的基于液流槽并联的IGBT模块液冷板，其特征在于，所述基板和盖板采用高导热系数的铝板、铜铝复合板或铝合金型材加工而成。
6.一种如权利要求1至5中任意一项所述的基于液流槽并联的IGBT模块液冷板的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：将盖板及基板分别加工完成后，所述IGBT模块设置在所述液流槽上方，并在所述基板上设置密封圈，再通过螺钉将所述盖板固定在所述基板上。
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