CN113412523A - 功率半导体的冷却 - Google Patents

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彼得罗·凯罗利
金弘来
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卢卡·拉西蒂
达维德·莱奥尼
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Abstract

公开了用于固态断路器的冷却布置。在一种布置中，MOV设置在两个脉动热管之间。IGCT设置在每个脉动热管的远离MOV的另一侧上。在另一布置中，汇流条与设置在脉动热管与IGCT之间的散热器成一体。

Description

功率半导体的冷却
背景技术
本发明总体上涉及功率半导体及其冷却。
功率半导体会散发大量热量，这些热量必须被去除以将器件保持在合理工作温度(即，125℃)。传统上，这是通过笨重的散热器或液体冷却来实现的。一些产品使用Cothex的基于两相热虹吸管的冷却来提供比没有液体冷却所需要的辅助泵的散热器更高的功率密度。不幸的是，功率半导体的几何形状(例如，IGCT的圆形)与这些两相冷却系统的基板不同，因此它们必须以效率较低的热点配置操作。散热器也常用于电力电子冷却。散热器的一些示例是热界面垫(例如，石墨垫)、铜或铝板、带有嵌入式热管的铜板、和蒸汽室(如二维热管)。将热量散布到基板的整个区域是可取的，但是如果不增加成本和复杂性，这并不容易实现。
发明内容
描述了一种用于在重复操作中操作固态断路器的新配置。当断路器需要在故障之后进行多次重合闸动作时，这一点尤其重要。现有技术涉及电涌放电器的自然对流冷却。如图1(图表中的顶线)所示，自然对流冷却允许电涌放电器在重复操作中稳定地升高温度。电涌放电器在使用之后可能需要30分钟以上才能冷却。同样，如图1(图表中的底线)所示，所描述的配置允许以3秒间隔重复关闭和打开，而不会使电涌放电器组件的尺寸过大。还描述了功率半导体与冷却元件基板之间的金属散热器(例如，铜、铝或两相器件)。汇流条和散热器可以组合成同一元件，使得附加部件数量、成本和复杂性最小化，同时通过降低热阻来增强冷却系统的性能。
附图说明
通过结合附图阅读以下描述，可以更全面地理解本发明，在附图中：
图1是示出MOV在重复操作期间的主动冷却和自然对流的图表；
图2是用于固态断路器的电涌放电器的双侧冷却配置的前视图；
图3是MOV的单侧冷却配置的前视图；
图4是固态断路器的示意图；
图5是示出散热器相对于没有散热器的PHP的性能的图表；
图6A-6B是固态断路器的一种配置的视图；
图6C-6D是固态断路器的另一配置的视图；
图7A-7B是具有散热器和没有散热器的温度模拟；
图8是主动冷却系统的一侧的透视图；以及
图9是主动冷却系统的另一侧的透视图，其示出了抵靠主动冷却系统的汇流条。
具体实施方式
本文中描述的布置的益处包括：
1.用于固态断路器中的电涌放电器的重复操作的双面冷却配置。
2.启用了用于固态断路器的重复操作和重合闸功能。
3.最小化了电涌放电器的要求和体积。
4.增加了功率密度。
在所提出的配置中，MOV 10(金属氧化物变阻器)放置在具有冷却MOV 10和简化汇流条布局的双重效果的堆叠18中。所提议的配置的图示在图2中示出。如图所示，MOV 10位于断路器18的中心，并且主动冷却系统12(例如，PHP)位于MOV 10的每一侧上。功率半导体14(例如，IGCT)位于每个PHP 12的另一侧上。IGCT 14与PHP 12相对并且PHP 12与MOV 10相对，使得它们之间没有活动组件。一些脉动热管(PHP)12配置是“单面”配置，其中该器件仅被设计为从与IGCT 14接触的面提供冷却。但是，仍然从具有略微增加的热阻的另一面提供主动冷却。绝缘体16设置在叠层18的外端。应当理解，其他类型的功率半导体可以用于IGCT14，包括晶闸管、A-IGCT、RB-IGCT、GTO等。其他类型的冷却器也可以用于PHP 12，包括两相冷却器、PHP、Cothex、混合Cothex等。
如图3所示，也可以将MOV 10插入堆叠18中并且仅从一侧进行冷却。然而，这减少了MOV 10可用的冷却，并且为MOV 10的汇流条布局增加了一些附加复杂性。
图4中示出了固态断路器18的示意图。
上述配置可以用于固态断路器，该固态断路器的特征在于超快断开速度、高操作次数、重复操作、重合闸功能和高功率密度。
冷却布置的典型电压范围是50V到2,000V和100A到5,000A。然而，冷却布置也可以用于更高的电压和电流要求。
上述冷却布置克服的问题包括：
1.在固态断路器的重复操作期间电涌放电器的高温和不良冷却。
2.由于在固态断路器的重复操作和重合闸动作期间的多个功率脉冲，电涌放电器的尺寸过大。
上述冷却布置的优点包括：
1.启用了用于固态断路器的重复操作和重合闸功能。
2.最小化了电涌放电器的要求和体积。
3.增加了功率密度。
因此，冷却布置使得固态断路器能够以更高的功率密度、更小的尺寸、更高的电流容量和更低的成本执行重复操作和重合闸功能。
图5示出了所描述的散热器(底线)相对于独立PHP(顶线)的性能。图示数据适用于干触点(无导热膏)和R245fa作为工作流体。注意，最大差异约为10％。
在图6A-6D中，示出了可以通过铜板实现10％的热阻降低的脉动热管(PHP)冷却元件12。通过优化板厚和热界面，可以实现进一步的减少。图6A-6B中示出了具有PHP 12的DC固态断路器18的一种配置，示出了汇流条20的布局。图6A的单个IGCT 14在图6B中示出。图6C-6D示出了可以通过铜板实现10％的热阻降低的改进的散热器汇流条22。在图6C-6D的实施例中，汇流条22夹在脉动热管12与IGCT 14之间以跨汇流条22的厚度从IGCT 14向脉动热管12传导热量。优选地，汇流条22是金属的并且可以由铜或铝制成。汇流条22是在脉动热管12与IGCT 14之间形成散热板并且至少部分延伸超出脉动热管12和IGCT 14的外圆周以提供暴露连接器24的一体组件。
基于模拟(图7A-7B)，铜板使基板上的温度分布均匀，但不会大大降低结温。图7A示出了IGCT的外壳温度，其中6.3mm的铜散热器安装到Cothex冷却元件，整个磁盘上的温度变化为6K，图7B示出了没有铜散热器的同一器件的外壳温度，示出了9K变化。结果是类似器件额定值，但所施加的热应力较小，因此可靠性更高。在一种情况下，在使用PHP以2kA电流(～2kW热损失)冷却的IGCT器件的表面上测得的最大温差为26K。同样的PHP器件也用铜加热器进行测试，该铜加热器具有与IGCT相同的接触面积，并且在相同的边界条件下测得的最大温差为17K。由于铜加热器表示“理想”的IGCT器件，可以实现最佳扩散(在IGCT封装中也有钼作为材料)，因此这些结果表明，IGCT温度分布还有改进空间。
如果进一步提高基板的热导率(例如，使用蒸汽室)，则对于相同的热负载，结温可以降低6K，同时温度分布被均匀化。
上述布置的优点包括：
1.基板温度被均匀化以减少半导体上的热应力并且使可靠性更好。
2.由于热传播更好，所以可以更好地利用冷却元件的基板。
3.低成本的解决方案(铜板或铝板)。
4.如果使用铝板，则其可以在冷却器制造过程中钎焊(也可以钎焊镀铜镍板)。
5.由于触点而不会增加附加电阻。
6.在串联堆叠若干功率半导体器件的情况下，可以更好地利用仅从一侧接收热量的堆叠的外部冷却元件。
7.在所添加的界面处可以使用导热膏或其他热接触介质，因为该界面将不导电。
8.汇流条/散热器的较高导电率将略微降低AC或DC操作中的局部损耗。
优选布置可以包括用于功率半导体堆叠的散热器(例如，由镀镍铜制成)，其也是汇流条。凭借其机械布局的布置也可以仅通过一个界面传导电流并且通过两个界面传导热量，从而减少由于附加接触电阻引起的电损耗。该布置也可以由与冷板元件相同(铝)或更高(铜)导电率的材料制成，从而最小化该元件中的AC/DC电损耗。
可以通过以下方式修改所描述的布置以提高性能：使用铝铜包覆作为冷却单元基板的材料，向散热器/汇流条添加热管，将蒸汽室结合到汇流条中，或者由具有不同材料特性、较高导电性或导热性的材料层来制造散热器。
如图6C-6D所示，汇流条22夹在主动冷却系统12与功率半导体14之间。由于汇流条20是金属的，由功率半导体14生成的热量通过汇流条22的厚度从功率半导体14向主动冷却系统12被传导30离开。汇流条22的一部分还延伸超出主动冷却系统12和功率半导体14的外边缘以提供暴露电连接器24。汇流条22可以是主动冷却系统12与功率半导体14之间的铜板22。如图6C所示，暴露的电连接器24可以是穿过汇流条22的孔24。
如图6D所示，单独的汇流条22优选地抵靠功率半导体14的每一侧(即，相对侧)。电导体26也可以连接到每个汇流条22的电连接器24。在使用中，不同电压电位被施加到电导体26中的每个(例如，正电位和地)。结果，电流28从一个导体26，流过所附接的汇流条22，流过功率半导体14的对应侧，流过功率半导体14，从功率半导体14的另一侧流出，流过另一汇流条22，并且流到另一电导体26。如所理解的，通过功率半导体14的电流28由可以从功率半导体14向外延伸的栅极驱动器32控制。因此，栅极驱动器32打开和关闭功率半导体14以允许电流28通过和阻止电流28。与电连接器24可以附接到主动冷却系统12(例如，图6B)的其他布置不同，电流28不流过主动冷却系统12。即便如此，由导体26施加的电压电位也可能偶然地被施加到主动冷却系统12，其中汇流条22和主动冷却系统12之间的接触由于希望通过汇流条22将热量传递到主动冷却系统12而没有绝缘。
如图2和6A所示，断路器18可以在两个功率半导体14之间的中心具有电涌放电器10(参见图4)。在这种布置中，主动冷却系统12可以位于每个功率半导体14与电涌放电器10的相对侧之间。每个功率半导体14可以在其相对侧具有主动冷却系统12，其中在每个主动冷却系统12与功率半导体14的每一侧之间具有汇流条22，如上所述。断路器18还可以包括位于断路器18的相对端的夹具34和夹紧构件36，以将电涌放电器10、主动冷却系统12、功率半导体14和绝缘体16抵靠一起成为堆叠。
如图6C所示，每个主动冷却系统12可以具有蒸发器部分38和冷凝器部分40。蒸发器部分38抵靠汇流条22以从其接收热量。冷凝器部分40延伸超出汇流条22和功率半导体14的外边缘以散热。优选地，可以提供风扇42以将空气44吹过冷凝器部分40以将热量传递到空气44中。
如图6C和8-9所示，主动冷却系统12可以包括填充有工作流体的多个管道46。管道46延伸穿过蒸发器部分38和冷凝器部分40。如图8所示，金属散热器48可以设置在管道46之间以将热量输送到蒸发器部分38中。翅片50也可以设置在冷凝器部分40中的管道46之间，以将热量传递给在管道46之间穿过的空气44。优选地，蒸发器部分38中的金属散热器48由铝制成。如图9所示，汇流条22可以抵靠金属散热器48以将热量从汇流条22传递到蒸发器部分38。尽管可以在汇流条22与蒸发器部分38之间使用干配合或导热膏，但是优选地，将汇流条22钎焊到金属散热器48。例如，金属钎焊材料可以沉积到金属散热器48和/或汇流条22上，并且汇流条22可以抵靠金属散热器48，其中在其之间具有钎焊材料。所制成的主动冷却系统12和汇流条22然后放置在烘箱中以熔化钎焊材料以将汇流条22钎焊到金属散热器48。
虽然已经描述了本发明的优选实施例，但是应当理解，本发明不限于此，并且可以在不脱离本文中的本发明的情况下进行修改。虽然本文中描述的每个实施例可以仅是指某些特征并且可以不具体地指代关于其他实施例而描述的每个特征，但是应当认识到，除非另有说明，否则本文中描述的特征是可互换的，即使没有提及特定的特征。还应当理解，上述优点不一定是本发明的唯一优点，并且不一定期望通过本发明的每个实施例来实现所有上述优点。本发明的范围由所附权利要求限定，并且在权利要求的含义内的所有器件和方法(无论是字面上的还是等效的)都旨在被包含在其中。

Claims (20)

1.一种固态断路器，包括：
第一功率半导体；
第一主动冷却系统；以及
第一汇流条，设置在所述第一主动冷却系统与所述第一功率半导体之间，所述第一汇流条夹在所述第一主动冷却系统与所述第一功率半导体之间以通过所述第一汇流条的厚度从所述第一功率半导体向所述第一主动冷却系统传导热量，所述第一汇流条是金属的并且延伸超出所述第一主动冷却系统和所述第一功率半导体至少一部分以提供第一暴露电连接器。
2.根据权利要求1所述的固态断路器，其中所述第一主动冷却系统包括抵靠所述第一汇流条的蒸发器部分以及延伸超出所述第一汇流条和所述第一功率半导体的冷凝器部分。
3.根据权利要求2所述的固态断路器，还包括将空气吹过所述冷凝器部分的风扇。
4.根据权利要求2所述的固态断路器，其中所述第一主动冷却系统包括填充有工作流体的多个管道，所述多个管道延伸穿过所述蒸发器部分和所述冷凝器部分，所述蒸发器部分包括在所述管道之间延伸的金属散热器，所述第一汇流条抵靠所述金属散热器。
5.根据权利要求4所述的固态断路器，其中所述第一汇流条被钎焊到所述金属散热器。
6.根据权利要求5所述的固态断路器，其中所述金属散热器包括铝。
7.根据权利要求1所述的固态断路器，其中所述第一汇流条包括夹在所述第一主动冷却系统与所述第一功率半导体之间的铜板，所述第一暴露电连接器形成在所述铜板的一部分中。
8.根据权利要求1所述的固态断路器，其中所述第一暴露电连接器包括延伸穿过所述第一汇流条的孔。
9.根据权利要求1所述的固态断路器，还包括连接到所述第一暴露电连接器的第一电导体，所述第一电导体向所述第一汇流条施加第一电压电位，并且所述第一汇流条向所述第一功率半导体的第一侧施加所述第一电压电位。
10.根据权利要求9所述的固态断路器，其中所述第一电压电位还通过所述第一汇流条被施加到所述第一主动冷却系统。
11.根据权利要求9所述的固态断路器，还包括第二主动冷却系统和第二汇流条，
其中所述第一汇流条抵着所述第一功率半导体的所述第一侧设置，并且所述第二汇流条抵着所述第一功率半导体的与所述第一侧相对的第二侧设置，
所述第二汇流条设置在所述第二主动冷却系统与所述第一功率半导体之间，所述第二汇流条夹在所述第二主动冷却系统与所述第一功率半导体之间以通过所述第二汇流条的厚度从所述第一功率半导体向所述第二主动冷却系统传导热量，所述第二汇流条是金属的并且延伸超出所述第二主动冷却系统和所述第一功率半导体至少一部分以提供第二暴露电连接器，
第二电导体，连接到所述第二暴露电连接器，所述第二电导体向所述第二汇流条施加第二电压电位，并且所述第二汇流条向所述第一功率半导体的所述第二侧施加所述第二电压电位，
电流由此从所述第一电导体通过所述第一汇流条、所述第一功率半导体的所述第一侧、所述第一功率半导体、所述第一功率半导体的所述第二侧和所述第二汇流条流到所述第二电导体。
12.根据权利要求1所述的固态断路器，其中所述第一主动冷却系统是脉动热管、Cothex或混合Cothex。
13.根据权利要求1所述的固态断路器，其中所述第一功率半导体包括IGCT、晶闸管、A-IGCT、RB-IGCT或GTO。
14.根据权利要求1所述的固态断路器，还包括：
电涌放电器，设置在所述固态断路器的中心内；
抵着所述电涌放电器的一侧设置的所述第一主动冷却系统、以及抵着所述电涌放电器的相对侧设置的第二主动冷却系统；以及
在与所述电涌放电器相对的一侧上抵着所述第一主动冷却系统设置的所述第一功率半导体、以及在与所述电涌放电器相对的一侧上抵着所述第二主动冷却系统设置的第二功率半导体。
15.根据权利要求1所述的固态断路器，其中所述第一汇流条包括夹在所述第一主动冷却系统与所述第一功率半导体之间的铜板，所述第一暴露电连接器形成在所述铜板的一部分中，并且所述固态断路器还包括连接到所述第一暴露电连接器的第一电导体，所述第一电导体向所述第一汇流条施加第一电压电位，并且所述第一汇流条向所述第一功率半导体的第一侧施加所述第一电压电位。
16.根据权利要求15所述的固态断路器，其中所述第一主动冷却系统包括抵靠所述第一汇流条的蒸发器部分以及延伸超出所述第一汇流条和所述第一功率半导体的冷凝器部分。
17.根据权利要求16所述的固态断路器，还包括将空气吹过所述冷凝器部分的风扇，其中所述第一主动冷却系统包括填充有工作流体的多个管道，所述多个管道延伸穿过所述蒸发器部分和所述冷凝器部分，所述蒸发器部分包括在所述管道之间延伸的金属散热器，所述第一汇流条抵靠所述金属散热器。
18.根据权利要求17所述的固态断路器，其中所述第一暴露电连接器包括延伸穿过所述第一汇流条的孔，并且所述第一电压电位还通过所述第一汇流条被施加到所述第一主动冷却系统。
19.根据权利要求18所述的固态断路器，还包括第二主动冷却系统和第二汇流条，
其中所述第一汇流条抵着所述第一功率半导体的所述第一侧设置，并且所述第二汇流条抵着所述第一功率半导体的与所述第一侧相对的第二侧设置，
所述第二汇流条设置在所述第二主动冷却系统与所述第一功率半导体之间，所述第二汇流条夹在所述第二主动冷却系统与所述第一功率半导体之间以通过所述第二汇流条的厚度从所述第一功率半导体向所述第二主动冷却系统传导热量，所述第二汇流条是金属的并且延伸超出所述第二主动冷却系统和所述第一功率半导体至少一部分以提供第二暴露电连接器，
第二电导体，连接到所述第二暴露电连接器，所述第二电导体向所述第二汇流条施加第二电压电位，并且所述第二汇流条向所述第一功率半导体的所述第二侧施加所述第二电压电位，
电流由此从所述第一电导体通过所述第一汇流条、所述第一功率半导体的所述第一侧、所述第一功率半导体、所述第一功率半导体的所述第二侧和所述第二汇流条流到所述第二电导体。
20.根据权利要求19所述的固态断路器，还包括：
电涌放电器，设置在所述固态断路器的中心内；
抵着所述电涌放电器的一侧设置的所述第一主动冷却系统、以及抵着所述电涌放电器的相对侧设置的第三主动冷却系统；以及
在与所述电涌放电器相对的一侧上抵着所述第一主动冷却系统设置的所述第一功率半导体、以及在与所述电涌放电器相对的一侧上抵着所述第三主动冷却系统设置的第二功率半导体。
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