CN112752478B - 一体式双面风冷散热功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功率模块以及功率模块的散热器结构，具体为一体式双面风冷散热器及简统化功率模块，一体式双面风冷散热器包括两个散热基板和热管散热器组件；热管散热器组件包括第一相变热管、第二相变热管、第一储液盒、第二储液盒、传热工质和密封盖；第一储液盒和第二储液盒之间连接相变热管，第一相变热管、第二相变热管按照传热工质的流动方向分为蒸发段、绝热段和冷凝段；第一储液盒固定在左侧第一散热基板上，第二储液盒固定在右侧第二散热基板上，解决了不同桥臂之间等温性与均流性效果不理想的问题。简统化功率模块采用双面对称结构，双面器件分别关于中间风道对称，每面各有4只IGBT均匀布置在散热基板表面上，实现多种不同电路拓扑的功能。

Description

一体式双面风冷散热功率模块

技术领域

本发明涉及功率模块以及功率模块的散热器结构，具体为一体式双面风冷散热功率模块。

背景技术

随着铁路列车变流技术的快速发展，功率模块的集成度越来越高，功率密度相应增加，因此，功率模块需要更加高效的散热能力及更加可靠的工作性能。

功率模块散热方式主要有风冷和水冷两种方式。由于功率模块的高度集成，功率密度大，通常选用水冷方式进行散热，并且，水冷散热器的功率器件可以单面安装，也可以双面安装，对高热流密度散热是很好的选择。但是水冷系统较为复杂，成本较高。

而风冷散热分为风冷翅片散热方式及风冷热管散热方式，翅片散热是应用翅片的热传导及空气的热对流特性进行散热；热管散热除了热传导及热对流外，还增加了传热工质的汽、液两相变化散热，也称相变散热，常用的相变散热形式有重力热管、相变U型热管、相变平板热管等。

当前风冷翅片散热器通常用于辅助功率模块中，其散热功率小，比较容易实现。散热功率小，无法满足牵引功率模块的大功率散热要求。

单面风冷热管相变散热有两种形式，一种是沿风道前后布置，一种是在风道同一截面布置。当前较大功率的风冷模块应用较多的是风冷热管散热器。在同一个风道里，沿风道方向，依次安装几个单面散热的功率模块。其缺点是：1)功率模块在风道里前后布置，前侧模块的出风作为后侧模块的进风，布置越靠后风温越高，冷却效果越差。2)冷却效果差异无法满足功率模块主电路对几个单面散热的功率模块必须具备同等散热效果的要求。而在同一个风道里，同一个风道截面上安装几个单面散热的功率模块。单面散热的热管散热器，热量都是随着传热工质从一个热点出发，经过“蒸发-冷凝”再回到这个热点来，通过不断的循环往复进行散热。在实际运行中，必须确保所有并联模块散热均匀。由于功率器件IGBT的饱和电压和正向导通压降受温度的影响，所以散热不均会导致某个模块或部分模块偏移静态工作点，从而影响均流，大大降低功率模块的工作性能。几个单面散热的功率模块各自进行散热无法保证并联IGBT的等温性。

高速动车组、重载机车、混合动力内燃车等各种车型对功率密度要求越来越高，功率模块的热管相变散热技术逐渐成为非液冷方式的主流散热方式，而且，当前功率模块种类较多，不同功能的功率模块从设计到生产，占用大量的时间成本、采购成本，并造成很大的库存压力，因此，需要一种具有通用功能的简统化功率模块实现多种功率模块的功能，从而减少备品备件种类和数量，降低库存压力。

发明内容

本发明提供了一种一体式双面风冷散热功率模块，具有以下技术特点：

1)相变热管双面交叉式环路散热方式：采用双蒸发段、双冷凝段的环路散热方式，通过相变热管对双面安装的功率器件(IGBT)交叉换热，保证双面功率器件(IGBT)的温度均衡，满足并联功率模块的均流性和等温性要求；

2)一体式双面散热的热管散热器结构：双面散热基板与相变热管组成一体式结构，解决了当前高速动车、重载机车、混合动力内燃车等各种车型中非水冷散热器均为单面散热器的短板，首次应用一体式双面风冷热管相变散热器的简统化功率模块具有功率密度高、热流密度大的优点；

3)一体式热管散热器同时具有一次散热部分(交叉式环路热管)和二次散热部分(散热片)，且散热片上带有波纹状加强筋设计，既增加散热面积，又增强散热片的稳定性；

4)自带风道。由双面散热基板和顶板、底板相互组合，构成一个密封的通道，安装到车体上成为通道的一部分，安装方便，并有效降低风损；

5)标准化电路布局设计：散热器双面各布置4只IGBT器件，对称设置，构成一种具有通用功能的简统化功率模块结构，可以应用于DC/ACH桥逆变、AC/DC四象限整流、DC/AC三相逆变、DC/DC制动斩波、AC/DC三相不控整流、双向DC/DC充放电斩波等多种不同功能的电路。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一体式双面风冷散热功率模块，一体式双面风冷散热器包括左右两个散热基板和热管散热器组件；热管散热器组件包括第一相变热管、第二相变热管、第一储液盒、第二储液盒、传热工质和密封盖；第一储液盒和第二储液盒上都盖有密封盖，第一储液盒通过第一相变热管和第二储液盒连接，第二储液盒通过第二相变热管和第一储液盒连接，第一储液盒、第二储液盒内都有传热工质，第一相变热管、第二相变热管按照传热工质的流动方向分为蒸发段、绝热段和冷凝段；第一储液盒固定在左侧第一散热基板上，第二储液盒固定在右侧第二散热基板上。

散热原理为：发热的功率器件安装在左右两侧散热基板上，当基板上的功率器件工作时，第一散热基板受热产生热点1，第二散热基板受热产生热点2，第一储液盒和第二储液盒内的传热工质(工作介质)吸收热量发生相变，由液体成为蒸汽，蒸汽分别通过第一相变热管和第二相变热管从蒸发段向冷凝段移动，蒸汽在移动过程中与热管进行热交换，冷凝为液态后分别回流到第一储液盒和第二储液盒，如此循环。由于两侧的功率器件同时工作，因此，第一相变热管和第二相变热管的相变换热过程是同步进行的，保证了两侧功率器件的等温性与均流性。

上述的一体式双面风冷散热功率模块，热管散热器组件还包括散热片，散热片设置在第一相变热管、第二相变热管上的蒸发段和冷凝段。

上述的一体式双面风冷散热功率模块，散热片上带有波纹状加强筋，既增加散热面积，又增强散热片的稳定性。

上述的一体式双面风冷散热功率模块，密封盖上有开孔，其作用是注液与抽真空，操作完成后由密封塞进行密封。

上述的一体式双面风冷散热功率模块，根据功率器件工作时产生的功率损耗，在左右两个散热基板之间安装合适数量的热管散热器组件以满足散热需求，一组热管散热器组件内选择合适数量的第一相变热管、第二相变热管以满足散热需求。

上述的一体式双面风冷散热功率模块，一体式双面风冷散热器还包括用于固定两个散热基板的支撑结构顶板组件和底板组件，顶板组件包括顶板和上导向管；底板组件包括底板、下导向管；顶板组件和底板组件上都有铆螺母或安装孔，用于和第一散热基板、第二散热基板的紧固连接及强度支撑，上导向管、下导向管分别固定在顶板、底板上；第一散热基板、第二散热基板、顶板组件、底板组件组成“口”字型风道。

上述的一体式双面风冷散热功率模块，口”字型风道的进、出风口分别粘贴有密封条，用于一体式双面风冷散热器与车体风道的对接密封；在出风口焊接有导风口，导风口为凸台型不锈钢框体结构，冷却风从散热器出来通过导风口收缩截面积后进入车体主风道；车体主风道在散热器进风口侧也带有导风口，主风道的导风口插入功率模块散热器中，在主风道的冷却风通过导风口收缩截面积后进入功率模块散热器中。在风道顶板上方可布置支撑电容、驱动控制箱、电抗器、滤波器等变流器常用器件，从而可以组成新的功率模块。

上述的一体式双面风冷散热功率模块，底板的一端向外延伸有搭接面，搭接面上固定有L型筋形成L型搭接台，L型搭接台上还固定有块，L型搭接台与第一散热基板、第二散热基板上的L型缺口组装后的热管散热器形成一个整体的L型结构。这个整体的L型结构的创造性在于风道及功率模块与车体安装时，有水平和竖直两个面与车体的凸台相匹配安装，使得安装效果更加稳固、可靠。

上述的一体式双面风冷散热功率模块，在散热器进风口和出风口的中间位置各有一个支撑梁，上下两端分别与顶板组件、底板组件焊接，对散热器的相变热管绝热段起到挡风作用，并使散热器结构更加稳固。

上述的一体式双面风冷散热功率模块，简统化功率模块采用双面对称结构，双面器件分别关于中间风道对称，每面各有4只IGBT均匀布置在散热基板表面上，构成功率模块的两相桥臂，每两相桥臂或是逆变功能，或是斩波功能，或是整流功能，或是以上不同功率变换功能的组合。

本发明技术方案带来的有益效果如下：

1)同一种功率器件布局的总体结构方案，通过安装到特定的位置接受和反馈不同的控制信号，可以实现多种不同电路拓扑的功能，因此，减少了备品、备件的数量，降低了采购成本和库存压力；

2)简统化设计理念使得功率模块产品标准化、货架化，即取即用，缩短了生产周期，降低了长周期采购风险；

3)双面同时交叉换热的方案解决了不同桥臂之间等温性与均流性效果不理想的问题，提高了产品性能与系统可靠性。

附图说明

图1为双面热管散热器相变换热原理图。

图2为热管散热器组件与散热基板的组装结构图。

图3为热管散热器组件图，其中图3a为热管组件图，图3b为去掉部分散热片的热管组件分解图，图3c为去掉全部散热片的热管组件分解图，图3d为热管组件俯视投影图，图3e为热管组件正视投影图。

图4为顶板组件的结构示意图。

图5为底板组件结构图，其中图5a为底板结构示意图，图5b为块结构示意图，图5c为筋结构示意图，图5d为底板组件示意图。

图6为导风口应用方式示意图。

图7为一体式双面风冷相变热管散热器示意图。

图8为简统化功率模块适用的多种主电路原理图；图8a为DC/AC三相逆变+DC/DC制动斩波或AC/DC三相不控整流+DC/DC制动斩波电路原理图，图8b为AC/DC四象限整流电路原理图，图8c为DC/ACH桥逆变或DC/DC双向充放电斩波电路原理图。

图9为简统化功率模块总体结构图。

图中：1-第一相变热管；2-第一储液盒；3-密封盖；4-孔；5-密封塞；6-第二相变热管；7-第二储液盒；8-功率器件；9-第一散热基板；10-第二散热基板；11-工作介质；12-散热片；13-加强筋；14-顶板；15-上定位管；16-顶板组件；17-底板组件；18-底板；19-下定位管；20-筋；21-块；22-支撑梁；23-导风口；24-密封条；25-紧固片；26-热管散热器组件；27-左复合母排；28-右复合母排；29-驱动板组件；30-左框架；31-右框架；32-盖板。

具体实施方式

本发明方案包括两部分，一是一体式双面相变热管散热器，二是简统化功率模块。

1)一体式双面相变热管散热器方案

一体式双面相变热管散热器包括两个散热基板和热管散热器组件。热管散热器组件包括储液盒、一次散热结构(相变热管)和二次散热结构(散热片)。其传热效率高，散热基板表面温度分布更加均匀，其工作原理如图1所示。功率器件8安装在散热基板上，当基板上的功率器件8工作时，第一散热基板9受热产生热点1，第二散热基板10受热产生热点2，第一储液盒2和第二储液盒7内的传热工质(工作介质)吸收热量发生相变，由液体成为蒸汽，蒸汽分别通过第一相变热管1和第二相变热管6从蒸发段向冷凝段移动，蒸汽在移动过程中与热管及热管上的散热片进行热交换，冷凝为液态后分别回流到第一储液盒2和第二储液盒7，如此循环。由于两侧的功率器件同时工作，因此，第一相变热管1和第二相变热管6的相变换热过程是同步进行的，保证了两侧功率器件的等温性与均流性。

如图3所示，第一相变热管1、第二相变热管6、第一储液盒2、第二储液盒7、传热工质11(工作介质)、散热片12、密封盖3、密封塞5等组成一组热管散热器组件。散热片12上带有波纹状加强筋设计，既增加散热面积，又增强散热片的稳定性；密封盖3上有开孔，其作用是注液与抽真空，操作完成后由密封塞5进行密封，组成一个封闭的热交换回路。

根据功率器件工作时产生的功率损耗，选择合适数量的热管组件以满足散热需求。热管的长度及尺寸都可以根据实际需要进行调整。选定的热管散热器组件26焊接于第一基板9和第二基板10之间，如图2，对散热基板的热量进行高效传导。

一体式双面相变热管散热器，还包括用于固定两个散热基板的支撑结构——顶板组件16和底板组件17。顶板组件16如图4所示，包括顶板14和上导向管15。底板组件17如图5所示，包括底板18、下导向管19、筋20和块21。顶板组件16和底板组件17上都有铆螺母或安装孔，用于和第一散热基板9、第二散热基板10的紧固连接及强度支撑。

顶板14、底板18分别由整张3mm厚的不锈钢板折弯而成，折弯后强度满足散热器及功率模块强度要求。上导向管15、下导向管19均为内径15mm、外径18mm的型材空心钢管，用于散热器及功率模块与车体的紧固长螺栓定位导向。上导向管15、下导向管19分别焊接在顶板14、底板18上。筋20用于底板组件的焊接加强支撑作用。块21厚度较大，用于散热器及功率模块与车体的搭接紧固，能承受较大紧固力矩及满足冲击振动要求。筋20和块21上均有方槽，用于紧固长螺栓的穿插通过。

第一散热基板9、第二散热基板10、顶板组件16、底板组件17组成的“口”字型风道的进、出风口分别粘贴有密封条24，用于功率模块风冷热管散热器与车体风道的对接密封。

一体式双面相变热管散热器，在出风口焊接有导风口23，导风口23是一个框型带凸台不锈钢框架，冷却风从散热器出来通过导风口23收缩截面积后进入车体主风道。同理，车体主风道在散热器进风口侧也带有导风口，主风道的导风口插入功率模块散热器中，在主风道的冷却风通过导风口收缩截面积后进入功率模块散热器中。导风口是两个平面对插时的中间过渡装置，起到对接定位作用，并可防止冷却风的泄露与损耗。其安装位置见图6。

一体式双面相变热管散热器，在散热器进风口和出风口的中间位置各有一个支撑梁22，上下两端分别与顶板组件16、底板组件17焊接，对散热器的相变热管绝热段起到挡风作用，并使散热器结构更加稳固。

一体式双面相变热管散热器，在进风口侧的底板组件17上焊接有紧固片25，紧固片25上对称开有两个14*29mm的长圆孔，作为功率模块与车体底板的安装固定接口。风道的进风口和出风口的安装面上分别粘贴有密封条24，用于风道与车体主风道对接时的密封作用，防止冷却风泄露。

一体式双面风冷相变热管散热器，风道底板18的特殊折弯设计与筋20、块21共同焊接形成一个L型搭接台，这个L型搭接台与第一散热基板9、第二散热基板10上的L型缺口组装后的热管散热器形成一个整体的L型设计(见图7)，这个整体的L型设计的创造性在于风道及功率模块与车体安装时，有水平和竖直两个面与车体的凸台相匹配安装，使得安装效果更加稳固、可靠。

2)简统化功率模块方案

简统化功率模块是将多种不同电路拓扑的三维结构进行统型，设计为一种适用于多种主电路的功率模块总体结构，其适用的多种主电路原理图如图8。图中两个虚线框分别表示简统化功率模块的双面不同电路原理。图8-a，表示一面为三相逆变或三相不控整流电路的其中两相(输出端分别为U相、V相)，另一面表示三相逆变电路或三相不控整流的第三相(输出端为W相)以及斩波电路(输出端为C相)；图8-b，表示每面各为四象限整流电路的其中一个桥臂，并且每个桥臂的上、下管分别为两只IGBT的两两并联电路(一侧输出端为A1，另一侧输出端为A2)；图8-c，表示每面各为一个H桥逆变功率模块的两相，双面共实现两个H桥逆变功率模块的主电路功能，其中一个H桥逆变电路的输出端分别为H1、H2，另一个H桥逆变电路的输出端分别为B1、B2，或者，表示每面各为一个双向DC/DC充放电斩波电路，双面共实现两个充电机斩波功率模块的主电路功能。。

功率模块采用双面对称结构，双面器件分别关于中间风道对称，层叠式结构布局。每面各有4只IGBT均匀布置在散热基板表面上，构成功率模块的两相桥臂，如图8，每两相桥臂或是逆变功能，或是斩波功能，或是整流功能，或是以上不同功能的组合。散热器采用一体式双面相变热管散热器方案，工作时双面的功率器件同时进行热交换，提高了双面对称桥臂的等温性，保证主电路系统的均流性。

根据图8所示多种主电路电气原理图，在风冷散热器两侧的第一散热基板9和第二散热基板10上均布置有4只功率器件8——IGBT；左侧IGBT通过左复合母排27进行电气连接，右侧IGBT通过右复合母排28进行电气连接；左复合母排27和右复合母排28的外侧分别安装有驱动板组件29，驱动板用于接收和反馈系统的控制信号，控制功率器件IGBT的开通和关断；第一散热基板9上安装有左框架30，第二散热基板10上安装有右框架31,左框架30和右框架31分别用于功率模块的支撑以及对功率器件和复合母排、驱动板组件等零部件的保护；左框架30和右框架31的外侧安装有盖板32，用于对驱动板组件的保护以及对其它电气部件的防尘作用。

根据图9所示简统化功率模块总体结构图，本申请的简统化功率模块总体结构与车体的机械连接点有前后方向和竖直方向接口。前后方向的接口分别是位于风道顶板组件16上的两根上定位管15和位于风道底板组件17上的两根下定位管19，两根上定位管15和两根下定位管19分别位于风道组件的左上、右上、左下、右下四个角，并且对称设置，关于功率模块中心及重心对称，保证功率模块的稳固。竖直方向的接口是位于风道进风口方向的紧固片25上的两个长圆孔，这连个长圆孔亦关于风道及功率模块中心对称。

风道的进风口和出风口方向分别粘贴有密封条24，用于功率模块风道与车体主风道安装对接时密封应用，防止冷却风的泄露降低风压。

功率模块两侧对称布局。每侧的上方和下方各有两个高压端子通过绝缘子固定在散热基板上，根据不同的主电路拓扑功能，高压端子可以分别为简统化功率模块的直流输入端和交流输出端，也可以是简统化功率模块的交流输入端和直流输出端。

Claims (6)

1. 一体式双面风冷散热功率模块，其特征在于：一体式双面风冷散热器包括左右两个散热基板和热管散热器组件；热管散热器组件包括第一相变热管（1）、第二相变热管（6）、第一储液盒（2）、第二储液盒（7）、传热工质（11）和密封盖（3）；第一储液盒（2）和第二储液盒（7）上都盖有密封盖（3），第一储液盒（2）通过第一相变热管（1）和第二储液盒（7）连接，第二储液盒（7）通过第二相变热管（6）和第一储液盒（2）连接，第一储液盒（2）、第二储液盒（7）内都有传热工质，第一相变热管（1）、第二相变热管（6）按照传热工质的流动方向分为蒸发段、绝热段和冷凝段；第一储液盒（2）固定在左侧第一散热基板（9）上，第二储液盒（7）固定在右侧第二散热基板（10）上，热管散热器组件还包括散热片（12），散热片（12）设置在第一相变热管（1）、第二相变热管（6）上的蒸发段和冷凝段，左右两个散热基板与相变热管组成一体式结构；一体式双面风冷散热器还包括用于固定两个散热基板的支撑结构顶板组件（16）和底板组件（17），顶板组件（16）包括顶板（14）和上导向管（15）；底板组件（17）包括底板（18）、下导向管（19）；顶板组件（16）和底板组件（17）上都有铆螺母或安装孔，用于和第一散热基板（9）、第二散热基板（10）的紧固连接及强度支撑，上导向管（15）、下导向管（19）分别固定在顶板（14）、底板（18）上；第一散热基板（9）、第二散热基板（10）、顶板组件（16）、底板组件（17）组成 “口”字型风道，“口”字型风道的进、出风口分别粘贴有密封条（24），用于一体式双面风冷散热器与车体风道的对接密封；在出风口焊接有导风口（23），导风口（23）为凸台型不锈钢框体结构，冷却风从散热器出来通过导风口（23）收缩截面积后进入车体主风道；车体主风道在散热器进风口侧也带有导风口，主风道的导风口插入功率模块散热器中，在主风道的冷却风通过导风口收缩截面积后进入功率模块散热器中；底板（18）的一端向外延伸有搭接面，搭接面上固定有L型筋（20）形成L型搭接台，L型搭接台上还固定有块（21），L型搭接台与第一散热基板（9）、第二散热基板（10）上的L型缺口组装后的热管散热器形成一个整体的L型结构。

2.根据权利要求1所述的一体式双面风冷散热功率模块，其特征在于：散热片（12）上带有波纹状加强筋，既增加散热面积，又增强散热片的稳定性。

3.根据权利要求1或2所述的一体式双面风冷散热功率模块，其特征在于：密封盖（3）上有开孔，其作用是注液与抽真空，操作完成后由密封塞（5）进行密封。

4.根据权利要求1或2所述的一体式双面风冷散热功率模块，其特征在于：根据功率器件工作时产生的功率损耗，在左右两个散热基板之间安装合适数量的热管散热器组件以满足散热需求，一组热管散热器组件内选择合适数量的第一相变热管（1）、第二相变热管（6）以满足散热需求。

5.根据权利要求1或2所述的一体式双面风冷散热功率模块，其特征在于：在散热器进风口和出风口的中间位置各有一个支撑梁（22），上下两端分别与顶板组件（16）、底板组件（17）焊接，对散热器的相变热管绝热段起到挡风作用，并使散热器结构更加稳固。

6.根据权利要求1或2所述的一体式双面风冷散热功率模块，其特征在于：简统化功率模块采用双面对称结构，双面器件分别关于中间风道对称，每面各有4只IGBT均匀布置在散热基板表面上，构成功率模块的两相桥臂，每两相桥臂或是逆变功能，或是斩波功能，或是整流功能，或是以上不同功能的组合。