CN109585394A - 功率半导体器件的散热器组件和散热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施方式公开了功率半导体器件的散热器组件和散热系统。功率半导体器件的散热器组件，包括：散热本体(1)，包括内环基板(11)、外环基板(12)和多个散热片(13)，其中所述外环基板(12)包围所述内环基板(11)，所述多个散热片(13)布置在所述内环基板(11)与所述外环基板(12)之间，所述内环基板(11)的内周面上具有一或多个的功率半导体器件第一布置位(14)，所述外环基板(12)的外周面上布置有一或多个的功率半导体器件第二布置位(15)；风扇组件(2)。本发明实施方式可以节约空间、降低成本和提高散热效率，并避免多风机之间的干扰问题。

Description

功率半导体器件的散热器组件和散热系统
技术领域
本发明涉及功率半导体(power semiconductor)技术领域，特别是涉及功率半导体器件的散热器组件和散热系统。
背景技术
功率变换器广泛应用于变频电机驱动、输变电和可再生能源等领域。在这些领域中，变频电机驱动是最成熟的应用之一。功率变换器可以使电机运行在不同的工作速度。功率变换器通常包含绝缘栅双极型晶体管(Insulated-Gate-Bipolar Transistor,IGBT)、功率二极管、金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，MOSFET)等功率半导体器件。功率半导体器件在工作时会产生显著热量，需要良好散热以保证工作性能。
目前，通常采用特定的冷却技术实现功率半导体器件的散热。散热方式可以包括金属散热器的自然冷却、金属散热器和风扇的组合强制空气冷却或液体冷却，等等。对于价格敏感的通用工业变换器，空气冷却是最广泛接受的方法。
在现有技术中，通常将功率半导体器件布置在具有平面基板的散热器上，利用基板上部或下部的多个风扇吸空气或吹空气，以带走功率半导体器件产生的热量。然而，平面布置的散热器导致散热结构并不紧凑，占用了较多空间。而且，多个风扇之间还会有气流干扰。
现有技术中，通常还采用水冷方式冷却功率半导体器件。
图1为现有技术中水冷方式的散热系统的结构示意图。在图1中，功率半导体器件30、功率半导体器件31和功率半导体器件32布置在包含内室35的冷却板38上。冷却水经由冷却水路入口33被泵36吸入冷却板38的内室35。冷却水吸收功率半导体器件30、功率半导体器件31和功率半导体器件32产生的热量，并经由冷却水路出口34到达换热器37后被降温。
然而，冷却功率半导体器件的水冷系统具有较大的尺寸和复杂的结构。
发明内容
本发明实施方式提出功率半导体器件的散热器组件和散热系统。
本发明实施方式的技术方案如下：
功率半导体器件的散热器组件，包括：
散热本体，包括：
内环基板、
外环基板，其中所述外环基板包围所述内环基板、和
多个散热片，其布置在所述内环基板与所述外环基板之间，
其中所述内环基板的内周面上具有一或多个的功率半导体器件第一布置位，所述外环基板的外周面上布置有一或多个的功率半导体器件第二布置位；
风扇组件。
可见，本发明实施方式提出一种环形结构的散热器组件，相比平面布置的散热器和水冷散热系统具有更紧凑的结构，可以显著节约空间和降低成本，并且提高了冷却效率。
在一个实施方式中：
所述功率半导体器件第一布置位沿着所述内环基板的内周面均匀布置；和/或
所述功率半导体器件第二布置位沿着所述外环基板的外周面均匀布置。
本发明实施方式沿着内环基板的内周面均匀布置功率半导体器件第一布置位，使得内环基板的内周面上的功率半导体器件散热均匀。而且，本发明实施方式沿着外环基板的外周面均匀布置功率半导体器件第二布置位，使得外环基板的外周面上的功率半导体器件散热均匀。
在一个实施方式中：
所述风扇组件和所述散热本体沿所述散热本体的轴向方向布置，并且所述风扇组件的出风面或入方面朝向所述散热本体。
可见，本发明实施方式的风扇组件具有多种部署位置，可以基于应用现场的具体需求灵活布置风扇组件。
在一个实施方式中，所述散热本体的主风道与所述风扇组件的流场相匹配。
可见，本发明实施方式采用的环形结构的散热器组件与风扇组件提供的气流更加适配，从而提高了散热效率。而且，本发明实施方式可以只采用单个的风扇组件，并由此避免多个风机间的气流干扰问题。
在一个实施方式中，所述多个散热片具有沿所述散热本体的径向方向等间隔布置的辐射状样式。
因此，等间隔辐射状样式的散热片可以高效率散热，并且便于工业制造。
在一个实施方式中，所述功率半导体器件第一布置位为棱面形状或弧面形状；和/或
所述功率半导体器件第二布置位为棱面形状或弧面形状。
因此，通过将功率半导体器件第一布置位和功率半导体器件第二布置位设置为棱面形状，便于安装通常具有平面基板的功率半导体器件。通过将功率半导体器件第一布置位和功率半导体器件第二布置位设置为弧面形状，可以更密切地将功率半导体器件与内环基板或外环基板相接触，从而提高散热效率。
在一个实施方式中：
所述内环基板为菱形环，所述外环基板为圆形环；或
所述内环基板为圆形环，所述外环基板为菱形环；或
所述内环基板和所述外环基板都为圆形环；或
所述内环基板和所述外环基板都为菱形环；或
所述内环基板为菱形环，所述外环基板为椭圆形环；或
所述内环基板为椭圆形环，所述外环基板为菱形环；或
所述内环基板和所述外环基板都为椭圆形环；或
所述内环基板为圆形环，所述外环基板为椭圆形环；或
所述内环基板为椭圆形环，所述外环基板为圆形环。
可见，本发明实施方式的内环基板和外环基板的具体形状具有多种实施形态，适用于各种类型的应用现场。
功率半导体器件的散热系统，包括：
散热本体，包括内环基板、外环基板和多个散热片，其中所述外环基板包围所述内环基板，所述多个散热片布置在所述内环基板与所述外环基板之间，所述内环基板的内周面上具有一或多个的功率半导体器件第一布置位，所述外环基板的外周面上布置有一或多个功率半导体器件第二布置位；
风扇组件；
第一功率半导体器件，布置在至少一个的功率半导体器件第一布置位上；
第二功率半导体器件，布置在至少一个功率半导体器件第二布置位上。
可见，本发明实施方式提出一种利用环形结构的散热器的散热系统，相比平面布置的散热器和水冷散热系统具有更紧凑的结构，可以显著节约空间和降低成本，并且提高了冷却效率。
在一个实施方式中，
所述第一功率半导体器件包含绝缘栅双极型晶体管、功率二极管、晶闸管或金属-氧化物半导体场效应晶体管；或
所述第二功率半导体器件包含绝缘栅双极型晶体管、功率二极管、晶闸管或金属-氧化物半导体场效应晶体管。
因此，本发明实施方式适用于多种类型的功率半导体器件，适用范围广泛。
在一个实施方式中，所述功率半导体器件第一布置位为棱面形状，所述第一功率半导体器件包含与所述棱面形状相适配的平面基板；或
所述功率半导体器件第一布置位为弧面形状，所述第一功率半导体器件包含与所述弧面形状相适配的弧面基板；或
所述功率半导体器件第二布置位为棱面形状，所述第二功率半导体器件包含与所述棱面形状相适配的平面基板；或
所述功率半导体器件第二布置位为弧面形状，所述第二功率半导体器件包含与所述弧面形状相适配的弧面基板。
因此，通过将功率半导体器件第一布置位和功率半导体器件第二布置位设置为棱面形状，便于安装通常具有平面基板的功率半导体器件。通过将功率半导体器件第一布置位和功率半导体器件第二布置位设置为弧面形状，可以更密切地将功率半导体器件与内环基板或外环基板相接触，从而提高散热效率。
附图说明
图1为现有技术中水冷方式的散热系统的结构示意图。
图2为根据本发明实施方式的功率半导体器件的散热器组件的示范性结构图。
图3为根据本发明实施方式的风扇组件的示范性结构图。
图4为根据本发明实施方式的功率半导体器件的散热系统的示范性结构图。
其中，附图标记如下：
标号 含义
30-32 功率半导体器件
33 冷却水路入口
34 冷却水路出口
35 内室
36 泵
37 换热器
38 冷却板
1 散热本体
2 风扇组件
11 内环基板
12 外环基板
13 散热片
14 功率半导体器件第一布置位
15 功率半导体器件第二布置位
21 风机
22 叶片
23 风扇底座
24 固定件
141 第一功率半导体器件
151 第二功率半导体器件
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以阐述性说明本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本发明的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本发明的方案。但是很明显，本发明的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本发明的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。
鉴于现有技术中平面布置的散热器结构和水冷散热系统不紧凑的缺点，本发明实施方式提出一种用于功率半导体器件的散热器组件，具有更紧凑的结构及更好的冷却效率。
图2为根据本发明实施方式的功率半导体器件的散热器组件的示范性结构图。
如图2所示，该散热器组件包括：
散热本体1；
风扇组件2；
其中散热本体1包括内环基板11、外环基板12和多个散热片13，外环基板12包围内环基板11，多个散热片13布置在内环基板11与外环基板12之间，内环基板11的内周面上具有一或多个的功率半导体器件第一布置位14，外环基板12的外周面上布置有一或多个的功率半导体器件第二布置位15。
散热本体1构成了散热器组件的主要部分，用于承载需要被散热的功率半导体器件；风扇组件2用于为散热本体1提供空气流动以带走功率半导体器件产生的热量。
在一个实施方式中，风扇组件2和散热本体1沿散热本体1的轴向方向布置，并且风扇组件2的出风面或入方面朝向散热本体1。
比如，如图2所示，风扇组件2布置在散热本体1的下部，出风面朝向散热本体1，用于从下向上吹空气。在一个可选实施方式中，风扇组件2还可以布置在散热本体1的上部，入方面朝向散热本体1，用于从下向上吸空气。
内环基板11可以实施为多种类型的环形，外环基板12也可以实施为多种类型的环形。而且，内环基板11和外环基板12优选都由易于导热的金属材质制成。
比如，内环基板11可以实施为菱形环，外环基板12可以实施为圆形环。或，内环基板11可以实施为圆形环，外环基板可以实施为12菱形环。或，内环基板11和外环基板12都可以实施为圆形环。或，内环基板11和外环基板12都可以实施为菱形环。或，内环基板11可以实施为菱形环，外环基板12可以实施为椭圆形环。或，内环基板11可以实施为椭圆形环，外环基板可以实施为12菱形环。或，内环基板11和外环基板12都可以实施为椭圆形环。或，内环基板11可以实施为圆形环，外环基板12可以实施为椭圆形环。或，内环基板11可以实施为椭圆形环，外环基板可以实施为12圆形环，等等。
以上示范性描述了内环基板11和外环基板12的具体类型，本领域技术人员可以意识到，这种描述仅是示范性的，并不用于限定本发明实施方式的保护范围。
在内环基板11的内周面上有一或多个用于布置功率半导体的功率半导体器件第一布置位14。需要被散热的功率半导体器件可以通过粘合或螺纹固定的方式布置在功率半导体器件第一布置位14上。比如，在一个功率半导体器件第一布置位14上对应布置一个功率半导体。功率半导体器件第一布置位14可以实施为棱面形状或弧面形状。当功率半导体器件第一布置位14实施为棱面形状时，布置在该功率半导体器件第一布置位14上的功率半导体器件包含与该棱面形状相适配的平面基板。当功率半导体器件第一布置位14实施为弧面形状时，布置在该功率半导体器件第一布置位14上的功率半导体器件包含与该棱面形状相适配的弧面基板。
类似地，在外环基板12的外周面上有一或多个用于布置功率半导体的功率半导体器件第二布置位15。需要被散热的功率半导体器件可以通过粘合或螺纹固定的方式布置在功率半导体器件第二布置位15上。比如，在一个功率半导体器件第二布置位15上对应布置一个功率半导体。功率半导体器件第二布置位15可以实施为棱面形状或弧面形状。当功率半导体器件第二布置位15实施为棱面形状时，布置在该功率半导体器件第二布置位15上的功率半导体器件包含与该棱面形状相适配的平面基板。当功率半导体器件第二布置位15实施为弧面形状时，布置在该功率半导体器件第二布置位15上的功率半导体器件包含与该棱面形状相适配的弧面基板。
在内环基板11与外环基板12之间具有多个散热片13。优选的，散热片13具有沿散热本体1的径向方向等间隔布置的辐射状样式。散热片13两端分别接触内环基板11和外环基板12。比如，散热片13可以实施为散热翅片或散热鳍片。
布置在功率半导体器件第一布置位14上的功率半导体器件所产生的热量，经过内环基板11的均温作用后被传递到散热片13。布置在功率半导体器件第二布置位15上的功率半导体器件所产生的热量，经过外环基板12的均温作用后被传递到散热片13。然后，风扇组件2提供的空气流动为散热片13降温，从而为布置在功率半导体器件第一布置位14和功率半导体器件第二布置位15上的功率半导体器件执行散热降温。
可见，本发明实施方式提出一种环形结构的散热器组件，相比平面布置的散热器和水冷散热系统具有更紧凑的结构，可以显著节约空间。而且，本发明实施方式的环形散热器组件，既可以为外环基板12的外周面上的功率半导体器件散热，还可以为内环基板11的内周面上的功率半导体器件散热，提高了散热效率。
另外，由于环形结构的散热器组件与风扇组件提供的气流更加适配，因此可以只采用一个风扇组件，并由此避免多个风机间的气流干扰问题。
基于上述描述，本发明实施方式可以采用多种类型的风扇组件。
图3为根据本发明实施方式的风扇组件的示范性结构图。
在图2中，风扇组件包括：
风机21；
叶片22，其中叶片22的数目可以为多个；
风扇底座23，用于容纳风机21和叶片22。
在一个实施方式中，风扇组件还可以包括固定件24，用于将风扇组件与图1中的散热本体1装配成整体。优选的，散热本体1的主风道与风扇组件21的流场相匹配。
基于上述描述，本发明实施方式还提出了一种功率半导体器件的散热系统。
图4为根据本发明实施方式的功率半导体器件的散热系统的示范性结构图。
如图4所示，该系统包括：
散热本体1，包括内环基板11、外环基板12和多个散热片13，外环基板12包围内环基板11，多个散热片13布置在内环基板11与外环基板12之间，内环基板11的内周面上具有一或多个的功率半导体器件第一布置位，外环基板12的外周面上布置有一或多个的功率半导体器件第二布置位；
风扇组件2；
多个第一功率半导体器件141，分别布置在相对应的功率半导体器件第一布置位上；
多个第二功率半导体器件151，分别布置在相对应的功率半导体器件第二布置位上。
其中，功率半导体器件第一布置位和功率半导体器件第二布置位均为弧面形状，因此第一功率半导体器件141和第二功率半导体器件151分别包含与该棱面形状相适配的弧面基板。
布置在功率半导体器件第一布置位上的第一功率半导体器件141产生的热量，经过内环基板11的均温作用后被传递到散热片13。布置在功率半导体器件第二布置位15上的第二功率半导体器件151所产生的热量，经过外环基板12的匀温作用后被传递到散热片13上。然后，风扇组件2提供的空气流动为散热片13降温，从而为第一功率半导体器件141和第二功率半导体器件151执行散热降温。
优选的，第一功率半导体器件141和第二功率半导体器件151分别可以实施为IGBT、功率二极管、晶闸管或MOSFET，等等。
以上示范性描述了第一功率半导体器件141和第二功率半导体器件151的典型实例，本领域技术人员可以意识到，这种描述仅是示范性的，并不用于限定本发明实施方式的保护范围。
综上所述，在本发明实施方式中，功率半导体器件的散热器组件，包括散热本体1和风扇组件2。散热本体包括内环基板11、外环基板12和多个散热片13，外环基板12包围内环基板11，多个散热片13布置在内环基板11与外环基板12之间，内环基板11的内周面上具有一或多个的功率半导体器件第一布置位14，外环基板12的外周面上布置有一或多个的功率半导体器件第二布置位15。可见，本发明实施方式提出一种环形结构的散热器组件，相比平面布置的散热器和水冷散热系统具有更紧凑的结构，可以显著节约空间和降低成本，还可以提高散热效率。
而且，由于环形结构的散热器组件与风扇组件提供的气流更加适配，因此可以只采用一个风扇组件，并由此避免多个风机间的气流干扰问题。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.功率半导体器件的散热器组件，其特征在于，包括：
散热本体(1)，包括：
内环基板(11)、
外环基板(12)，其中所述外环基板(12)包围所述内环基板(11)、和
多个散热片(13)，其布置在所述内环基板(11)与所述外环基板(12)之间，
其中所述内环基板(11)的内周面上具有一或多个的功率半导体器件第一布置位(14)，所述外环基板(12)的外周面上布置有一或多个的功率半导体器件第二布置位(15)；
风扇组件(2)。
2.根据权利要求1所述的功率半导体器件的散热器组件，其特征在于，
所述功率半导体器件第一布置位(14)沿着所述内环基板(11)的内周面均匀布置；和/或
所述功率半导体器件第二布置位(15)沿着所述外环基板(12)的外周面均匀布置。
3.根据权利要求1所述的功率半导体器件的散热器组件，其特征在于，
所述风扇组件(2)和所述散热本体(1)沿所述散热本体(1)的轴向方向布置，并且所述风扇组件(2)的出风面或入方面朝向所述散热本体(1)。
4.根据权利要求1所述的功率半导体器件的散热器组件，其特征在于，所述散热本体(1)的主风道与所述风扇组件(2)的流场相匹配。
5.根据权利要求1所述的功率半导体器件的散热器组件，其特征在于，所述多个散热片(13)具有沿所述散热本体(1)的径向方向等间隔布置的辐射状样式。
6.根据权利要求1所述的功率半导体器件的散热器组件，其特征在于，
所述功率半导体器件第一布置位(14)为棱面形状或弧面形状；和/或
所述功率半导体器件第二布置位(15)为棱面形状或弧面形状。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的功率半导体器件的散热器组件，其特征在于，
所述内环基板(11)为菱形环，所述外环基板(12)为圆形环；或
所述内环基板(11)为圆形环，所述外环基板为(12)菱形环；或
所述内环基板(11)和所述外环基板(12)都为圆形环；或
所述内环基板(11)和所述外环基板(12)都为菱形环；或
所述内环基板(11)为菱形环，所述外环基板(12)为椭圆形环；或
所述内环基板(11)为椭圆形环，所述外环基板为(12)菱形环；或
所述内环基板(11)和所述外环基板(12)都为椭圆形环；或
所述内环基板(11)为圆形环，所述外环基板(12)为椭圆形环；或
所述内环基板(11)为椭圆形环，所述外环基板为(12)圆形环。
8.功率半导体器件的散热系统，其特征在于，包括：
散热本体(1)，包括内环基板(11)、外环基板(12)和多个散热片(13)，其中所述外环基板(12)包围所述内环基板(11)，所述多个散热片(13)布置在所述内环基板(11)与所述外环基板(12)之间，所述内环基板(11)的内周面上具有一或多个的功率半导体器件第一布置位(14)，所述外环基板(12)的外周面上布置有一或多个功率半导体器件第二布置位(15)；
风扇组件(2)；
第一功率半导体器件(141)，布置在至少一个的功率半导体器件第一布置位(14)上；
第二功率半导体器件(151)，布置在至少一个功率半导体器件第二布置位(15)上。
9.根据权利要求8所述的功率半导体器件的散热系统，其特征在于，
所述第一功率半导体器件(141)包含绝缘栅双极型晶体管、功率二极管、金属-氧化物半导体场效应晶体管或晶闸管；或
所述第二功率半导体器件(151)包含绝缘栅双极型晶体管、功率二极管、金属-氧化物半导体场效应晶体管或晶闸管。
10.根据权利要求8所述的功率半导体器件的散热系统，其特征在于，
所述功率半导体器件第一布置位(14)为棱面形状，所述第一功率半导体器件(141)包含与所述棱面形状相适配的平面基板；或
所功率半导体器件第一布置位(14)为弧面形状，所述第一功率半导体器件(141)包含与所述弧面形状相适配的弧面基板；或
所述功率半导体器件第二布置位(15)为棱面形状，所述第二功率半导体器件(151)包含与所述棱面形状相适配的平面基板；或
所述功率半导体器件第二布置位(15)为弧面形状，所述第二功率半导体器件(151)包含与所述弧面形状相适配的弧面基板。
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