CN113453516A - 一种双面液冷散热功率模块及其散热结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双面液冷散热功率模块及其散热结构设计方法，包括散热器模块，其包括第一散热器、进水管、第二散热器，以及出水管；功率模块，所述功率模块包括设置于第一散热器和第二散热器之间的至少一个封装模块，以及设置于封装模块两侧的若干个扰流柱；所述第一散热器和第二散热器分别与扰流柱基板两侧端面形成有回流冷却水道，且回流冷却水道一端连接于所述进水管，另一端连接于所述出水管。本发明通过在封装模块设置若干个扰流柱，再利用散热器模块进行两侧防漏密封形成回流冷却水道。从而实现与传统功率模块，如单面扰流柱的平板散热相比，能够取得更好的散热效果。同时通过优化散热器的机构形式，解决了传统复杂的安装程序。

Description

一种双面液冷散热功率模块及其散热结构设计方法

技术领域

本发明涉及电能转换控制功率模块技术领域，特别涉及一种双面液冷散热功率模块及其散热结构设计方法。

背景技术

电机控制器、DCDC、OBC(车载充电机)等零部件作为新能源汽车的核心部件，随着第三代半导体的研发与应用，这些部件都离不开能够实现电能转换和控制的功率模块。功率模块在新能源汽车行业应用非常广泛，作为逆变器中重要的组成部分，功率模块在不断的升级换代，芯片升级进化后，功率模块作用到逆变器中时还需考虑到散热效率。高电压、高电流带来的热积累，可能导致功率器件被击穿或烧毁。如何提升散热效率，从而减小功率器件失效的可能性，散热器的结构设计也起到至关重要的作用。

发明内容

本发明的目的克服现有技术存在的不足，为实现以上目的，采用一种双面液冷散热功率模块及其散热结构设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

一种双面液冷散热功率模块，包括：

散热器模块，所述散热器模块包括第一散热器、设置于第一散热器外侧的进水管、设置第一散热器底端的第二散热器，以及设置于所述第二散热器外侧的出水管；

功率模块，所述功率模块包括设置于第一散热器和第二散热器之间的至少一个封装模块、设置于封装模块两侧的扰流柱基板，以及设置于封装模块两侧的若干个扰流柱；

所述第一散热器和第二散热器分别与封装模块两侧端面形成有回流冷却水道，且回流冷却水道一端连接于所述进水管，另一端连接于所述出水管。

作为本发明的进一步的方案：所述第一散热器和第二散热器与扰流柱基板采用焊接、密封圈、塑封或胶封的密封方式。

作为本发明的进一步的方案：所述第一散热器和第二散热器之间设置有用于连通回流冷却水道的回流管。

作为本发明的进一步的方案：所述封装模块周向设置有若干个功率端子和若干个信号端子。

作为本发明的进一步的方案：所述扰流柱基板采用的是单一金属或合金材料。

一种包括如上任一项所述的一种双面液冷散热功率模块的散热结构设计方法，具体步骤包括：

步骤一：首先根据功率模块的数量确定并设计第一散热器和第二散热器的结构；

步骤二：将第一散热器和第二散热器之间与扰流柱基板两侧端面形成有回流冷却水道利用回流管的结构设置形成冷却液回流，且对第一散热器的进水端和第二散热器出水端分别设置进水管和出水管；

步骤三：再将第一散热器和第二散热器分别从扰流柱基板的两侧进行防漏密封的固定连接操作。

作为本发明的进一步的方案：所述步骤一的具体步骤包括：

步骤1.1、首先确定基础参数，设定功率模块的长度为L₁，宽度为L₂，并确定扰流柱的半径r，设置水流方向的法向方向上，相邻扰流柱之间的距离为s₁，水流方向上相邻扰流柱之间的距离为s₂；

步骤1.2、根据功率模块的长度确定扰流柱的数量n；

确定在功率模块的宽度方向，扰流柱的数量为：

确定在功率模块的长度方向，扰流柱的数量为：

则得到绕流柱的数量为n＝n₁*n₂；

步骤1.3、确定扰流柱的散热量；

首先根据步骤1.1的参数，可以得到扰流柱与冷却液之间的表面对流换热系数为：

式中，Re为雷诺数，Prf为冷却介质在平均温度下的普朗特数，Prw为冷却介质在壁面温度下的普朗特数，λ为冷却液的导热系数；

得到扰流柱的散热量为：

式中，H为扰流柱的高度，Δt为壁面温度与冷却液的温度差。

步骤1.4、确定扰流柱的高度H；

根据步骤1.3中公式进行求解最大值，可以得到当扰流柱的高度H满足下列条件时，扰流柱的散热量最大，散热效果最好；

式中，C为常数系数，Q为冷却液的流量。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

通过采用上述的技术方案，利用散热性较好的单一金属或合金材料的扰流柱基板，包括封装模块和设置于单个封装模块两侧的若干个扰流柱。再进一步的利用散热器模块设置于封装模块两侧，利用散热器模块固定焊接与封装模块两侧面，并设置回流管，从而形成回流冷却水道。通过进水管和出水管进行冷却液的注入和导出，对功率模块进行高性能散热。且通过单位面积上设置有的若干个扰流柱，增加散热性能。解决了现有功率模块的散热性能和效率低的问题，同时利用焊接等防漏密封方式，摒除了传统安装固件的复杂方式，优化了散热器模块的结构。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1为本申请公开的一些实施例的双面液冷散热功率模块的剖视图；

图2为本申请公开的一些实施例的双面液冷散热功率模块的主视图；

图3为本申请公开的一些实施例的两个功率模块的双面液冷散热功率模块的剖视图；

图4为本申请公开的一些实施例的三个功率模块的双面液冷散热功率模块的剖视图；

图5为本申请公开的一些实施例的第二散热器的侧视图；

图6为本申请公开的一些实施例的第二散热器与扰流柱基板的接触面的示意图；

图7为本申请公开的一些实施例的第一散热器的侧视图；

图8为本申请公开的一些实施例的第一散热器与扰流柱基板的接触面的示意图；

图9为本申请公开的一些实施例的功率模块安装于第二散热器的示意图；

图10为本申请公开的一些实施例的双面液冷散热功率模块安装完的效果图。

图中：1、散热器模块；11、第一散热器；12、进水管；13、第二散热器；14、出水管；2、功率模块；20、封装模块；21、扰流柱基板；22、扰流柱；23、功率端子；24、信号端子；3、回流冷却水道；4、回流管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，本发明实施例中，一种双面液冷散热功率模块，包括：

散热器模块1，所述散热器模块1包括用于向下密封的第一散热器11、设置于第一散热器11外侧用于导入冷却液的进水管12、设置第一散热器11正对的底部端用于向上密封的第二散热器13，以及设置于所述第二散热器13外侧用于导出冷却液的出水管14；

功率模块2，所述功率模块2包括设置于第一散热器11和第二散热器13之间的至少一个封装模块20、设置于封装模块20两侧的扰流柱基板21，以及设置于封装模块20两侧的若干个扰流柱22，与封装模块20配合形成双面扰流柱22的结构，增大了散热面积，更利于整个功率模块2的散热，散热能力是决定功率模块2的功率大小重要的因素，在此结构上功率模块2的功率能够大大提高，同时功率密度得到提升。

如图1、图3和图4所示，图示出散热器模块1中能够设置一个或多个功率模块2，同时散热器模块1的尺寸及规格也统一匹配，从而增加总体散热效率。

具体实施方式中，所述第一散热器11和第二散热器13与扰流柱基板21采用焊接、密封圈、塑封或胶封的密封方式。减小了散热器模块1的体积，简化了安装步骤，同时提高了可靠性。且所述封装模块20周向设置有若干个功率端子23和若干个信号端子24。

相比于传统的功率组件模块封装，一般四周都由包塑件组成。本发明的功率模块2的上下表面均为整体的金属封装模块20，采用的是单一金属或者合金材料，不限于某一种材质，封装模块20上设置扰流柱基板21，扰流柱基板21分布一定数量的扰流柱22。上表面的扰流柱22浸入上部散热器的冷却水道中，下表面的扰流柱22浸入下部散热器的冷却水道中，能够最大程度的提高功率模块2的散热性能。

所述第一散热器11和第二散热器13分别与扰流柱基板21两侧端面形成有回流冷却水道3，且回流冷却水道3一端连接于所述进水管12，另一端连接于所述出水管14。

具体实施方式中，如图2所示，图示为双面液冷散热功率模块2的主视图，所述第一散热器11和第二散热器13之间设置有用于连通封装模块20两侧回流冷却水道3的回流管4，从而形成整体回流，导入冷却液进行导温散热。

一种包括如上任一项所述的一种双面液冷散热功率模块2的散热结构设计方法，具体步骤包括：

步骤一：首先根据功率模块2的数量确定并设计第一散热器11和第二散热器13的结构；具体步骤中，如图5和图6所示，图示分别为第二散热器13的侧视图，以及与封装模块20上的扰流柱基板21的接触面的示意图。如图7和图8所示，图示分别为第一散热器11的侧视图，以及与封装模块20上的扰流柱基板21的接触面的示意图。通过将第二散热器13向上密封封装模块20上的下部扰流柱基板21，并在图中所示的接触面位置进行密封。同时也将第一散热器11向下密封封装模块20上部扰流柱基板21。则所述第一散热器11和第二散热器13分别与扰流柱基板21两侧端面形成有回流冷却水道3，并通过一侧的回流管4形成回流。

如图9所示，图示为第二散热器13向上密封功率模块2的局部示意图。

所述步骤一的具体步骤包括：

步骤1.1、首先确定基础参数，设定功率模块2的长度为L₁，宽度为L₂，并确定扰流柱22的半径r，设置水流方向的法向方向上，相邻扰流柱22之间的距离为s₁，水流方向上相邻扰流柱22之间的距离为s₂；

步骤1.2、根据功率模块2的长度确定扰流柱22的数量n；

确定在功率模块2的宽度方向，扰流柱22的数量为：

确定在功率模块2的长度方向，扰流柱22的数量为：

则得到绕流柱的数量为n＝n₁*n₂；

步骤1.3、确定扰流柱22的散热量；

首先根据步骤1.1的基础参数，可以得到扰流柱22与冷却液之间的表面对流换热系数为：

式中，Re为雷诺数，Prf为冷却介质在平均温度下的普朗特数，Prw为冷却介质在壁面温度下的普朗特数，λ为冷却液的导热系数；

得到扰流柱22的散热量为：

式中，H为扰流柱22的高度，Δt为壁面温度与冷却液的温度差。

步骤1.4、确定扰流柱22的高度H；

根据步骤1.3中公式进行求解最大值，可以得到当扰流柱22的高度H满足下列条件时，扰流柱22的散热量最大，散热效果最好；

式中，C为常数系数，Q为冷却液的流量。

步骤二：将第一散热器11和第二散热器13之间与封装模块20两侧端面形成有回流冷却水道3利用回流管4的结构设置形成冷却液回流，进行循环散热。且对第一散热器11的进水端和第二散热器13出水端分别设置进水管12和出水管14，分别用于对冷却液进行导入导出的流动操作。

步骤三：再将第一散热器11和第二散热器13分别从扰流柱基板21的两侧进行防漏密封的固定连接操作。如图10所示，图示为形成密封状态的效果图。通过进水管12导入冷却液在散热器模块1中流动并回流至出水管14，进而带走热能，进行高效散热。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双面液冷散热功率模块，其特征在于，包括：

散热器模块(1)，所述散热器模块包括第一散热器(11)、设置于第一散热器外侧的进水管(12)、设置第一散热器底端的第二散热器(13)，以及设置于所述第二散热器外侧的出水管(14)；

功率模块(2)，所述功率模块包括设置于第一散热器和第二散热器之间的至少一个封装模块(20)、设置于封装模块两侧的扰流柱基板(21)，以及设置于扰流柱基板的若干个扰流柱(22)；

所述第一散热器和第二散热器分别与扰流柱基板两侧端面形成有回流冷却水道(3)，且回流冷却水道一端连接于所述进水管，另一端连接于所述出水管。

2.根据权利要求1所述一种双面液冷散热功率模块，其特征在于，所述第一散热器和第二散热器与扰流柱基板采用焊接、密封圈、塑封或胶封的密封方式。

3.根据权利要求2所述一种双面液冷散热功率模块，其特征在于，所述第一散热器和第二散热器之间设置有用于连通回流冷却水道的回流管(4)。

4.根据权利要求2所述一种双面液冷散热功率模块，其特征在于，所述封装模块周向设置有若干个功率端子(23)和若干个信号端子(24)。

5.根据权利要求2所述一种双面液冷散热功率模块，其特征在于，所述扰流柱基板采用的是单一金属或合金材料。

6.一种包括如权利要求1至5任一项所述的一种双面液冷散热功率模块的散热结构设计方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤一：首先根据功率模块的数量确定并设计第一散热器和第二散热器的结构；

步骤二：将第一散热器和第二散热器之间与扰流柱基板两侧端面形成有回流冷却水道利用回流管的结构设置形成冷却液回流，且对第一散热器的进水端和第二散热器出水端分别设置进水管和出水管；

步骤三：再将第一散热器和第二散热器分别从扰流柱基板的两侧进行防漏密封的固定连接操作。

7.根据权利要求6所述一种双面液冷散热功率模块的散热结构设计方法，其特征在于，所述步骤一的具体步骤包括：

步骤1.1、首先确定基础参数，设定功率模块的长度为L₁，宽度为L₂，并确定扰流柱的半径r，设置水流方向的法向方向上，相邻扰流柱之间的距离为s₁，水流方向上相邻扰流柱之间的距离为s₂；

步骤1.2、根据功率模块的长度确定扰流柱的数量n；

确定在功率模块的宽度方向，扰流柱的数量为：

确定在功率模块的长度方向，扰流柱的数量为：

则得到绕流柱的数量为n＝n₁*n₂；

步骤1.3、确定扰流柱的散热量；

首先根据步骤1.1的参数，可以得到扰流柱与冷却液之间的表面对流换热系数为：

式中，Re为雷诺数，Prf为冷却介质在平均温度下的普朗特数，Prw为冷却介质在壁面温度下的普朗特数，λ为冷却液的导热系数；

得到扰流柱的散热量为：

式中，H为扰流柱的高度，Δt为壁面温度与冷却液的温度差；

步骤1.4、确定扰流柱的高度H；

根据步骤1.3中公式进行求解最大值，可以得到当扰流柱的高度H满足下列条件时，扰流柱的散热量最大，散热效果最好；

式中，C为常数系数，Q为冷却液的流量。

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