CN114156249A - 相变冷却的igbt模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及IGBT模块制造及应用的技术领域，具体提供一种相变冷却的IGBT模块。为解决现有IGBT模块不能安全并高效的得到冷却的问题，本发明的相变冷却的IGBT模块包括：IGBT主体和密闭的外壳，IGBT主体为电力换流及控制装备的主体器件，在IGBT模块的外壳内部分填充相变换热工质，相变换热工质为绝缘的液体材质，并且相变换热工质是在IGBT主体的工作温度下能够实现沸腾的材质,外壳与相变换热工质之间还设置有气态换热空间，IGBT主体固定设置在外壳的内部，并且浸泡在相变换热工质内，并且IGBT主体通过线路穿过外壳后与外部连通。本发明的相变冷却的IGBT模块可以安全并高效地对IGBT模块进行冷却,另外,本发明的相变冷却的IGBT模块为模块化封装，可以灵活的进行装配。

Description

相变冷却的IGBT模块

技术领域

本发明涉及IGBT模块(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)制造的技术领域，具体提供一种相变冷却的IGBT模块。

背景技术

IGBT模块作为高压大容量电力换流及控制装备的核心器件，广泛应用于柔性直流换流阀、直流断路器、无功补偿装置、电力电子变压器、可再生能源发电、电动汽车驱动、电力轨道牵引等各个领域。现阶段，IGBT模块的散热多采用水冷散热，随着设备容量增长、集成化程度提高，IGBT模块功率密度不断提升，加之安装空间紧凑，水冷散热效率不足以及巨大的耗水问题逐渐凸显，IGBT模块因过热故障导致设备可靠性降低的问题亟需解决。此外，水作为冷却介质其导电性成为危及设备安全运行的重要隐患，且强迫水冷系统结构复杂，控制系统繁杂，维护困难。

相应地，本领域需要一种新的IGBT模块的冷却装置解决现有IGBT模块不能安全并高效的得到冷却的问题。

发明内容

本发明旨在解决上述技术问题，即，解决现有IGBT模块不能安全并高效的得到冷却的问题。

在第一方面，本发明提供一种相变冷却的IGBT模块，包括IGBT主体和密闭的外壳，在所述外壳内还部分填充有相变换热工质，所述IGBT主体固定设置在所述外壳的内部，并且浸泡在所述相变换热工质内，并且所述IGBT主体通过线路穿过所述外壳后与外部连通，所述外壳与所述相变换热工质之间还设置有气态换热空间；

其中，所述IGBT主体为电力换流及控制装备的主体器件，所述相变换热工质为绝缘的液体材质，并且在所述IGBT主体的工作温度下能够实现沸腾的材质。

在上述相变冷却的IGBT模块的优选技术方案中，所述气态换热空间的压强≤标准大气压强。

在上述相变冷却的IGBT模块的优选技术方案中，在所述外壳上还设置有散热翅片。

在上述相变冷却的IGBT模块的优选技术方案中，所述外壳内还设置有固定支架，所述IGBT主体通过所述固定支架悬空设置在所述相变换热工质内。

在上述相变冷却的IGBT模块的优选技术方案中，所述外壳上还设置有功率转换接头和信号转换接头，所述IGBT主体通过所述功率转换接头和所述信号转换接头穿过所述外壳后与外部连通。

在上述相变冷却的IGBT模块的优选技术方案中，在所述外壳上还设置有压力表和调压阀，所述压力表设置成能够检测所述气态换热空间的压力值，所述调压阀设置成能够用于调节所述气态换热空间的压力值。

在上述相变冷却的IGBT模块的优选技术方案中，所述压力表和/或所述调压阀与所述外壳可拆卸连接。

在上述相变冷却的IGBT模块的优选技术方案中，所述外壳上还设置有排液阀；并且/或者，

所述外壳的材质为绝缘材质；并且/或者，

所述外壳的内侧还涂敷有绝缘层。

在上述相变冷却的IGBT模块的优选技术方案中，所述相变换热工质为FC-72氟化液、FC-770氟化液。

在上述相变冷却的IGBT模块的优选技术方案中，所述相变换热工质的沸点的取值范围为30℃至70℃。

本领域技术人员能够理解的是，在本发明的技术方案中,介绍了一种相变冷却的IGBT模块，IGBT模块包括IGBT主体和密闭的外壳，IGBT主体是电力换流及控制装备的主体器件，在IGBT模块的外壳内还部分填充着相变换热工质，相变换热工质为绝缘的液体材质，并且相变换热工质是在IGBT主体的工作温度下能够实现沸腾的材质，IGBT主体固定设置在外壳的内部，并且浸泡在相变换热工质内，并且IGBT主体通过线路穿过外壳后与外部连通，外壳与相变换热工质之间还设置有气态换热空间，外壳上还设置有散热翅片。

在采用上述技术方案的情况下，本发明的相变冷却的IGBT模块采用全浸式相变液冷方案，将IGBT本体直接浸入到液态相变换热工质中，相变换热工质从IGBT本体散热基板及芯片表面直接带走热量，液态相变换热工质吸热后温度升高，升高的温度达到沸点时由液态相变换热工质变成气态相变换热工质上升至外壳的顶部，散热翅片吸收其气态相变换热工质的热量后使气态相变换热工质液化并重新滴落到液态相变换热工质的区域内，在热量传递的过程中无中间传热环节，系统散热效率高，冷却效果好，同时由于相变换热工质为高绝缘的液体，所以不用担心发生水冷散热时水泄露导电而引发安全隐患的问题。

附图说明

下面结合附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：

图1是本发明的相变冷却的IGBT模块的整体结构示意图；

图2是本发明的相变冷却的IGBT模块的内部结构示意图；

图3是本发明的相变冷却的IGBT模块的组装立体图。

附图标记列表：

1、IGBT主体；11、固定支架；2、外壳；3、相变换热工质；31、气泡；4、气态换热空间；5、功率转换接头；51、功率端子；6、信号转换接头；61、信号端子；7、散热翅片；8、排液阀；9、压力表；10、调压阀。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。例如，本方案的相变冷却的IGBT模块在外壳内部可以布置单个IGBT本体，但是相变冷却的IGBT模块可依据具体的电路结构在外壳内部布局单个IGBT本体、多个IGBT本体甚至基本电路单元，以最大限度利用设备安装空间，提高设备容量，只要该IGBT本体依旧是电力换流及控制装备的主体器件即可。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“底部”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图3所示，为解决现有的IGBT模块不能安全并高效的得到冷却的问题，本发明的相变冷却的IGBT模块包括IGBT主体1和密闭的外壳2，IGBT主体1为电力换流及控制装备的主体器件，密闭的外壳2内中的一部分填充着相变换热工质3，相变换热工质3为绝缘的液体材质，并且相变换热工质3在IGBT主体1的工作温度下能够实现沸腾，IGBT主体1固定设置在外壳2的内部并浸泡在相变换热工质3内，IGBT主体1一般通过单面进行散热或通过双面进行散热，通过双面进行散热的IGBT主体1可直接浸入相变换热工质3中，通过单面进行散热的IGBT主体1需将上盖打开，去除IGBT主体1内部硅胶，使得IGBT主体1内部芯片裸露后浸入到相变换热工质3中，此时IGBT主体1上方芯片及下方散热基板均与相变换热工质3充分直接接触，通过单面进行散热的IGBT主体1也可实现IGBT主体1的双面散热，为了让IGBT主体1散热更加充分，需要提高IGBT主体1的散热面积，通过在外壳2内底部设置固定支架11，IGBT主体1通过固定支架11悬空设置在相变换热工质3内来实现增大IGBT主体1的散热面积，固定支架11的设置使IGBT主体1能够更加充分的得到散热。由于本发明的IGBT模块与外部没有液体循环交换，因此可以单独进行装配。本发明的IGBT主体1需要与外部线路进行连通，IGBT主体1在外壳2上设置功率转换接头5和信号转换接头6，IGBT主体1的功率端子51通过铜排连接到功率转换接头5上，IGBT主体1的信号端子61通过柔性短导线连接到信号转换接头6上，功率转换接头5和信号转换接头6穿过外壳2后与外部连通。另外，在外壳2与液态的相变换热工质3之间还设置有气态换热空间4，根据实际的散热需求在外壳2的相应位置上设置有散热翅片7，优选地，在外壳2顶部即气态换热空间4的上部设置有散热翅片7(如图1所示)。

当系统工作时，密闭的外壳2内的相变换热工质3与IGBT主体1的发热部件即散热基板及芯片发生直接接触，IGBT主体1工作时所散发的热量直接传递给相变换热工质3。IGBT主体1运行初期，IGBT主体1散热通过相变换热工质3吸收显热及自然对流带走热量，与IGBT主体1相邻的相变换热工质3首先吸热升温，使相变换热工质3中的温度分布不均匀，不均匀的温度场造成不均匀的密度场，从而产生浮力使临近发热面的相变换热工质3与周围相变换热工质3产生热对流，使密闭的外壳2内的相变换热工质3主流温度上升，直至相应压力下的饱和温度。

随后，相变换热工质3由自然对流工况进入大容器饱和核态沸腾工况，IGBT主体1则通过相变换热工质3相变吸热带走热量。随着IGBT主体1发热部件表面过热度的增加，IGBT主体1发热部件表面汽化核心处开始产生气泡31，随后气泡31从IGBT主体1发热部件表面脱离进入到相变换热工质3的主流，并在运动过程中不断长大，直至逃逸出相变换热工质3的液面进入到外壳2内上方的气态换热空间4内。高温气态相变换热工质(图中未示出)不断上升至外壳2的顶部，在外壳2的顶部将热量传递给散热翅片7，散热翅片7吸收气态相变换热工质的热量后气态相变换热工质液化成液态的相变换热工质3，液态的相变换热工质3滴落至相变换热工质3的区域内。如此周而复始，形成了一个自循环的密闭式相变液冷系统。散热翅片7吸收的热量通过自然对流或依靠电气装备原有风扇形成强迫对流传递至周围空间，散热翅片7在自然对流散热无法满足冷却需求而周围又无可以利用的风扇装置时，可以在散热翅片7上方安装风扇实现强迫风冷，或在散热翅片7中增加热管，提高本冷却装置的散热效果。另外，相变换热工质3的热容量同时可以通过外壳2的壁面向外散发。

上述设置方式的优点在于：将IGBT主体1与冷却散热装置设置成一体式的IGBT模块，可以使IGBT模块边工作边散热冷却，无需额外增加散热装置，另外，由于相变冷却的IGBT模块集IGBT主体1的工作性能与冷却为一体并且为模块化封装，所以IGBT模块可以灵活地进行布局；本系统采用全浸式相变液冷方案，本发明的相变冷却的IGBT模块针对单面散热的IGBT主体1及双面散热的IGBT主体1都能实现直接双面散热；将IGBT主体1直接浸入到相变换热工质3中，相变换热工质3从IGBT主体1散热基板及芯片表面直接带走热量，没有中间的传热环节，相变换热工质3的沸腾状态及系统自循环速度可依据IGBT主体1的发热功率自动调节，即，当IGBT主体1发热功率较大时，相变换热工质3温度升高的更快，则相变换热工质3由液态转变为气态的速度更快，气态相变换热工质上升到外壳2内的上方经散热翅片7吸收热量后液化滴落回液态的相变换热工质3的区域内的速度也变得更快，系统的散热效率得到了提高，当IGBT主体1发热功率较小时，则与IGBT主体1发热功率较大时相反，此时系统的散热循环速度降低，本发明的相变冷却的IGBT模块依据IGBT主体1的发热功率实现了散热系统循环速度的自适应、自调节，散热效率高的同时冷却效果好；IGBT主体1的功率端子51通过铜排连接至功率转换接头5，与外部功率电路相连，IGBT主体1的信号端子61通过柔性短导线连接至信号转换接头6，与控制电路相连，如有额外的温度、压力及其他监测需求，相应传感器均可通过信号转换接头6与外部监测系统相连，对IGBT主体1的运行状态进行实时监测；IGBT主体1的固定支架11起到对IGBT主体1的支撑和固定作用，为IGBT主体1的四周留有足够的换热空间；依据IGBT主体1的发热功率及具体的应用场景，对IGBT模块的外壳2及散热翅片7的散热方式可以做相应调整，一般情况下，散热翅片7吸收的热量通过自然对流或依靠电气装备原有风扇形成强迫对流传递至周围空间，当散热翅片7在自然对流散热无法满足冷却需求而周围又没有可以利用的风扇装置时，可以在散热翅片7上方安装风扇实现强迫风冷，或在散热翅片7中增加热管，提高本冷却装置的散热效果。

下面进一步参照图1，对本发明的相变冷却的IGBT模块进行详细描述。

如图1所示，在一种可能的实施方式中，相变换热工质3优选为FC-72氟化液，相变换热工质3的沸点的取值范围为30℃至70℃，气态换热空间4的压强小于或等于1个标准大气压。

上述设置方式的优点在于：选择FC-72氟化液作为相变换热工质3，因为FC-72氟化液具有高绝缘、沸点适中、物理化学性能稳定、流动性能良好、环保等性质，同时FC-72氟化液的汽化潜热较高并与IGBT主体1具有良好的材料兼容性，所以FC-72氟化液作为冷却液可以高效的对IGBT主体1进行冷却散热，同时因为FC-72氟化液具有高绝缘性，无需担心因为冷却液泄露导电从而引发安全事故的问题；相变换热工质3的沸点温度可依据IGBT主体1的最佳工作温度来选择，一般选取相变换热工质3的沸点在30-70摄氏度，沸点在30-70摄氏度属于低沸点，低沸点可以使散热系统的换热效率更高，当相变换热工质3吸收热量达到沸点之后，相变换热工质3汽化并通过气态相变换热工质带走IGBT主体1产生的热量，防止液态的相变换热工质3由于沸点温度过高而不能及时汽化带走热量从而影响IGBT主体1的散热；将气态换热空间4的压强设置成略小于或等于1个标准大气压强，当气态换热空间4的压强略小于标准大气压时，气态换热空间4处于负压状态，负压状态下液态的相变换热工质3沸点降低，而降低沸点可以提高散热系统的换热效率，同时气态换热空间4的压强略小于标准大气压时不会给IGBT主体1施加太大的压力从而不会使IGBT主体1因为负压受损。

如图1所示，在一种可能的实施方式中，IGBT模块的外壳2上还设置有压力表9和调压阀10，压力表9设置成能够检测气态换热空间4的压力值，调压阀10设置成能够用于调节气态换热空间4的压力值，压力表9和/或调压阀10与外壳2可拆卸连接，外壳2上还设置有排液阀8，另外，外壳2材质可以选为绝缘材质，也可以在外壳2的内侧涂敷有绝缘层。

上述设置方式的优点在于：IGBT模块的外壳2上方安装有压力表9和调压阀10，压力表9和调压阀10可以对外壳2内部上方的气态换热空间4的压力值进行监测和调节。当IGBT模块的气态换热空间4即使为真空也不会对IGBT主体1及外壳2造成损伤时，可以在IGBT模块工作前将IGBT模块的外壳2内的气态换热空间4通过压力表9和调压阀10调为真空，调节完成之后若无监测需求，可以将压力表9和调压阀10拆除；当IGBT模块的气态换热空间4内气压过低会对IGBT主体1及外壳2造成损伤时，依据设计计算，在IGBT模块工作前通过压力表9和调压阀10将气态换热空间4内的气压调节为小于或等于1个标准大气压的设计值，当IGBT模块在工作过程中产生热量使气态换热空间4气压增大到高出1个标准大气压从而使相变换热工质3的沸点升高而影响IGBT模块的散热效率时，需要通过压力表9和调压阀10对气态换热空间4的气压进行监测和调节，调节完成且无监测需求后可以将压力表9和调压阀10拆卸。外壳2上的排液阀8用于相变换热工质3的排出。将外壳2材质选为绝缘材质或者在外壳2的内侧涂敷有绝缘层可以增加IGBT模块的运行可靠性，以防止IGBT模块内部导电而引发安全问题。

综上所述，将IGBT主体1与冷却散热装置设置成一体式的相变冷却的IGBT模块，可以使IGBT模块边工作边散热冷却，通过定制化设计成集成一体式的相变冷却的IGBT模块可以与电气装备原有冷却相结合，无需额外增加风扇，最大限度降低能耗，减少噪声污染，另外，由于相变冷却的IGBT模块集IGBT主体1的工作性能与冷却为一体并且为模块化封装，所以相变冷却的IGBT模块可以灵活地进行布局。上述的相变冷却的IGBT模块利用相变换热工质3汽化潜热吸收IGBT主体1的热量，其冷却效率远高于强迫水冷依靠冷却水比热吸热的冷却方式。IGBT主体1的散热基板及芯片与相变换热工质3充分直接的接触，相变换热工质3从IGBT主体1的散热基板及芯片表面直接带走热量，没有中间传热环节，系统冷却效率更高，上述的IGBT模块的IGBT主体1温升低，温度分布均匀，无局部过热点，内部热应力小，从而使IGBT主体1工作的可靠性更高。相变换热工质3的沸腾状态及系统自循环速度可依据IGBT主体1的发热功率自适应、自调节，系统散热效率高，冷却效果好。冷却IGBT主体1的整个循环过程无需外部提供动力，系统能耗低，整体能效高。依靠相变换热工质3完成冷却，工质绝缘性能良好，从根本上解决了水冷散热系统冷却水泄漏的隐患，系统可靠性高，无需现有冷却方案中复杂的冷却管路系统、水泵及水处理装置，系统结构简单，可靠性高，维护方便。集成一体式的相变冷却的IGBT模块的IGBT主体1通过相变换热工质3及外壳2与外界隔离，使得IGBT主体1免受外界恶劣环境的影响，运行环境清洁无尘。相变换热工质3及外壳2为IGBT主体1提供独立的冷却空间，外壳2内表面做绝缘处理，减小因为导电而引发安全性问题的风险。外壳2上安装有压力表9和调压阀10，压力表9和调压阀10可以对外壳2内部的压力进行监测和调节，如无监测需求，系统中压力表9、调压阀10等外部监测系统均可去除。依据IGBT主体1的发热功率及具体的应用场景，对IGBT模块的外壳2及散热翅片7的散热方式可做相应调整，一般情况下，散热翅片7吸收的热量通过自然对流或依靠电气装备原有风扇形成强迫对流传递至周围空间，当散热翅片7在自然对流散热无法满足冷却需求而周围又没有可以利用的风扇装置时，可以在散热翅片7上方安装风扇实现强迫风冷，或在散热翅片7中增加热管，提高本冷却装置的散热效果。冷却装置突破了水冷方式在模块封装形式上的限制，对单面散热IGBT主体1及双面散IGBT主体1都能实现直接双面散热。

需要说明的是，上述实施方式仅仅用来阐述本发明的原理，并非旨在限制本发明的保护范围，在不偏离本发明原理的条件下，本领域技术人员能够对上述结构进行调整，以便本发明能够应用于更加具体的应用场景。

例如，在一种可替换的实施方式中，相变换热工质不仅局限于FC-72氟化液，还可以替换成其他的液态氟化制冷剂，例如：氟化液FC-770、HFE7000、HFE7100、VXF-4310等，只要该液态氟化制冷剂为具有本申请所限定的相变换热工质的高绝缘、低沸点、物理化学性能稳定、流动性能良好、环保的性质并具有较高汽化潜热的液体即可，这些都不偏离本发明的原理，因此都将落入本发明的保护范围之内。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相变冷却的IGBT模块，其特征在于，所述IGBT模块包括IGBT主体和密闭的外壳，在所述外壳内还部分填充有相变换热工质，所述IGBT主体固定设置在所述外壳的内部，并且浸泡在所述相变换热工质内，并且所述IGBT主体通过线路穿过所述外壳后与外部连通，所述外壳与所述相变换热工质之间还设置有气态换热空间；

其中，所述IGBT主体为电力换流及控制装备的主体器件，所述相变换热工质为绝缘的液体材质，并且在所述IGBT主体的工作温度下能够实现沸腾的材质。

2.根据权利要求1所述的相变冷却的IGBT模块，其特征在于，所述气态换热空间的压强≤标准大气压强。

3.根据权利要求1所述的相变冷却的IGBT模块，其特征在于，在所述外壳上还设置有散热翅片。

4.根据权利要求1所述的相变冷却的IGBT模块，其特征在于，所述外壳内还设置有固定支架，所述IGBT主体通过所述固定支架悬空设置在所述相变换热工质内。

5.根据权利要求1所述的相变冷却的IGBT模块，其特征在于，所述外壳上还设置有功率转换接头和信号转换接头，所述IGBT主体通过所述功率转换接头和所述信号转换接头穿过所述外壳后与外部连通。

6.根据权利要求1所述的相变冷却的IGBT模块，其特征在于，在所述外壳上还设置有压力表和调压阀，所述压力表设置成能够检测所述气态换热空间的压力值，所述调压阀设置成能够用于调节所述气态换热空间的压力值。

7.根据权利要求6所述的相变冷却的IGBT模块，其特征在于，所述压力表和/或所述调压阀与所述外壳可拆卸连接。

8.根据权利要求1所述的相变冷却的IGBT模块，其特征在于，所述外壳上还设置有排液阀；并且/或者，

所述外壳的材质为绝缘材质；并且/或者，

所述外壳的内侧还涂敷有绝缘层。

9.根据权利要求1所述的相变冷却的IGBT模块，其特征在于，所述相变换热工质为氟化液FC-72、FC-770、HFE7000、HFE7100、VXF-4310。

10.根据权利要求1所述的相变冷却的IGBT模块，其特征在于，所述相变换热工质的沸点的取值范围为30℃至70℃。

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