CN114530646A - 一种温度一致的功率模块及其散热器设计方法 - Google Patents

一种温度一致的功率模块及其散热器设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及新能源汽车领域，公开了一种温度一致的功率模块及其散热器设计方法，包括基板、多个由芯片组成并沿冷却液流动方向依次安装在基板一侧的功率半桥；散热器与基板的另一侧固定连接；散热器远离基板的一侧排布有扰流柱；沿冷却液的流动方向，每个功率半桥对应的扰流柱的总散热面积依次增加，使各功率半桥的温度保持一致。

Description

一种温度一致的功率模块及其散热器设计方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车领域，具体涉及一种温度一致的功率模块及其散热器设计方法。
背景技术
在半导体器件的应用中，为了增加芯片的过流能力，通常采用多个芯片并联的方式组成功率半桥，与此同时，功率模块通常由三个以上的功率半桥组成，在这种情况下，冷却液流经的路径较长，随着冷却液的流动，冷却液的温度从入水口至出水口逐渐上升，这导致了靠近出水口的芯片散热条件不如靠近入水口的芯片，从而引发芯片温度由入水口至出水口逐渐增加的现象。在功率模块中，温度不均是普遍存在的现象，但器件的热承载能力取决于温度最高的芯片，温度不均将使功率模块高温部分率先失效，引起功率模块整体失效。
本发明旨在通过散热器的结构设计来抑制芯片内部的局部热点，对提高功率模块的使用寿命具有积极意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种温度一致的功率模块及其散热器设计方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种温度一致的功率模块，需要通过散热器进行降温，包括基板、多个由芯片组成并沿冷却液流动方向依次安装在基板一侧的功率半桥；散热器与基板的另一侧固定连接；散热器远离基板的一侧排布有扰流柱；沿冷却液的流动方向，每个功率半桥对应的扰流柱的总散热面积依次增加，使各功率半桥的温度保持一致。
进一步地，所述基板为覆铜陶瓷板；覆铜陶瓷板的一侧设置有与散热器相连的散热器连接层，另一侧设置有芯片焊接层；所述散热器连接层为整体金属层，所述芯片焊接层蚀刻有电路图形，芯片的引脚焊接在芯片焊接层的电路图形上。
进一步地，沿冷却液的流动方向，下一个功率半桥区域对应的扰流柱间距小于上一个功率半桥区域对应的扰流柱间距。
进一步地，沿冷却液的流动方向，下一个功率半桥区域对应的扰流柱直径大于上一个功率半桥区域对应的扰流柱直径。
一种温度一致的功率模块的散热器设计方法，扰流柱呈叉排形式排布，X向两个相邻扰流柱的中心距为S2，Y向两个相邻扰流柱的中心距为S1，扰流柱的直径为d，每个功率半桥在X向的尺寸为L2且在Y向的尺寸为L1，通过减小S2来降低功率半桥温度：
每个功率半桥单位时间内的发热量为Q，冷却液流经每个功率半桥的对流换热量等于功率半桥的发热量，计算得到冷却液流经每个功率半桥时的温升
Figure BDA0003483163490000021
其中，q为冷却液在单位时间内的质量流量，c表示冷却液的比热容；
计算冷却液每流经一个功率半桥导致温度增加后，下一个功率半桥要达与上一个功率半桥相同温度，所需增加的散热面积
Figure BDA0003483163490000022
其中h为对流换热系数，Tw为与冷却液接触的壁面温度，Tf为冷却液温度；
在L1范围内扰流柱的数量为n1，L2范围内扰流柱的数量为n2，扰流柱高度为H；冷却液流经每一个功率半桥后，下一个功率半桥的S2需要减小的尺寸为ΔS2，则有
Figure BDA0003483163490000023
则可计算得到冷却液流经每一个功率半桥后，下一个功率半桥的S2需要减小的尺寸
Figure BDA0003483163490000024
一种温度一致的功率模块的散热器设计方法，扰流柱呈叉排形式排布，X向两个相邻扰流柱的中心距为S2，Y向两个相邻扰流柱的中心距为S1，每个功率半桥在X向的尺寸为L2且在Y向的尺寸为L1，散热器在Y向的尺寸为L，在L1范围内扰流柱的数量为n1，L2范围内扰流柱的数量为n2,通过增加扰流柱直径d来增加散热面积，同时加快冷却液流动速度，进而降低功率半桥温度：
每个功率半桥单位时间内的发热量为Q，冷却液流经每个功率半桥的对流换热量等于功率半桥的发热量，计算得到冷却液流经每个功率半桥时的温升
Figure BDA0003483163490000025
其中，q为冷却液在单位时间内的质量流量，c表示冷却液的比热容；
扰流柱直径增大后冷却液流经的横截面积S＝(L-n1*(d+Δd))*H，其中Δd为扰流柱增加的直径；
计算冷却液流速
Figure BDA0003483163490000031
计算雷诺数
Figure BDA0003483163490000032
其中v为冷却液的运动粘度，H为扰流柱的高度；
计算对流换热系数
Figure BDA0003483163490000033
其中，Prf为冷却液侧的普朗特数，Prw为散热器侧的普朗特数；
计算功率半桥所需的散热面积
Figure BDA0003483163490000034
其中，λ为冷却液的导热系数，Tw为与冷却液接触的壁面温度，Tf为冷却液温度；
计算增加尺寸后的扰流柱直径
Figure BDA0003483163490000035
式中，
Figure BDA0003483163490000036
ζ2＝Hn1n2λπ；
可计算得到，下一个功率半桥区域对应的扰流柱需要比上一个功率半桥区域对应的扰流柱增加的直径Δd。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
本发明能够通过改变散热器扰流柱的参数，补偿由于冷却液温度上升导致的芯片温度上升，使芯片组成的功率半桥温度达到一致，有利于改善功率半桥的输出性能。本发明通过改善冷却系统末端的散热能力来达到温度均衡的效果，能够抑制功率器件的局部热点，防止高温对功率模块产生破坏，提高功率模块的可靠性。
本发明中的功率模块散热器设计方法，从基础理论分析出发，通过减小扰流柱X向间距，或者通过增加扰流柱直径的方法，增加下游功率半桥的散热性能，使功率半桥的温度达到一致。
附图说明
图1为本发明功率模块的结构示意图；
图2为本发明功率模块内部的结构示意图；
图3为本发明散热器的结构示意图；
图4为本发明按照设计方法一设计的散热器结构示意图；
图5为本发明按照设计方法二设计的散热器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
图3中的X向即冷却水的流动方向，Y向为与X向垂直的方向。
如图1、2、3所示，本发明中的功率模块，包括芯片14、基板13、导热凝胶、壳体12、端子11。
基板13、芯片14均位于壳体12内，端子11安装在壳体12外。
所述基板13由覆铜陶瓷板构成，一侧为散热器20连接层，该层为整体金属层；另一侧为芯片焊接层，该层为蚀刻有电路图形的金属层，芯片14的引脚焊接在芯片焊接层的电路图形上。
多个芯片14组成一个功率半桥15，本发明包括多个功率半桥15，多个功率半桥15沿X向依次安装在基板13的一侧，基板13的另一侧与散热器20接触，导热凝胶位于基板13与散热器20之间。
散热器上设置有固定孔22和定位孔23，定位孔23与定位凸台24配合定位，并通过固定孔与功率模块固定。
散热器20包括扩热板22以及若干数量的扰流柱21，本实施例中，扰流柱21以叉排形式排布：即奇数排的扰流柱21呈矩阵式排列，偶数排的扰流柱21呈矩阵式排列，但相邻的两排扰流柱21之间不对齐；或者可以解释为：奇数列的扰流柱21呈矩阵式排列，偶数列的扰流柱21呈矩阵式排列，但奇数列和偶数列不对齐，具体参考图3；也可以采用其他排列形式，例如呈矩阵式排列、菱形排列、波浪形排列或者不规则排列。
冷却系统中，对流换热量Φ＝hA(Tw-Tf)；Φ＝hA(Tw-Tf)为对流换热系数，A为对流换热面积，Tw为与冷却液接触的壁面温度，Tf为冷却液温度。在功率模块使用中，冷却系统的对流换热量等于功率模块发热量，假设功率模块发热量恒定，即Φ为不变值，想要降低器件温度Tw，则必须增加对流换热系数h或者对流换热面积A。
如图4所示，设计方法一：保持其他参数不变，通过减小S2来增加散热面积，以实现强化散热。
步骤1：功率模块中每个功率半桥15单位时间内的发热量Q，则功率模块在单位时间内的总发热量Φ为功率半桥15的数量N与单个功率半桥15单位时间内的发热量Q的乘积NQ，计算得到冷却液流经每个功率半桥时的温升
Figure BDA0003483163490000051
其中，q为冷却液在单位时间内的质量流量，c表示冷却液的比热容；
步骤2：计算冷却液每流经一个功率半桥15导致温度增加后，下一个功率半桥15要达与上一个功率半桥15相同温度，所需增加的散热面积
Figure BDA0003483163490000052
步骤3：在L1范围内一列扰流柱21的数量为n1，L2范围内一排扰流柱21的数量为n2，扰流柱21高度为H，冷却液流经每一个功率半桥后，下一个功率半桥的S2需要减小的尺寸为ΔS2，则有
Figure BDA0003483163490000053
则可计算得到冷却液流经每一个功率半桥后，下一个功率半桥的S2需要减小的尺寸
Figure BDA0003483163490000054
如图5所示，设计方法二：维持其他参数不变，通过增加扰流柱21直径d以增加换热面积，同时加快冷却液流动速度，以此实现强化散热。
步骤1：功率模块中每个功率半桥15单位时间内的发热量Q，则功率模块在单位时间内的总发热量Φ为功率半桥15的数量N与单个功率半桥15单位时间内的发热量Q的乘积NQ，计算得到冷却液流经每个半桥时的温升
Figure BDA0003483163490000055
其中，q为冷却液在单位时间内的质量流量，c表示冷却液的比热容；
步骤2：扰流柱21直径增大后冷却液流经的横截面积S＝(L-n1*(d+Δd))*H，其中Δd为扰流柱21增加的直径；
步骤3：计算冷却液流速V、普朗特数Pr、雷诺数Re，计算冷却液流速
Figure BDA0003483163490000056
其中a为热扩散系数；雷诺数
Figure BDA0003483163490000057
Figure BDA0003483163490000058
其中v为冷却液的运动粘度，H为扰流柱21的高度；
步骤4：计算对流换热系数
Figure BDA0003483163490000061
其中，Prf为冷却液侧的普朗特数，Prw为散热器20侧的普朗特数；
步骤5：计算功率半桥15所需的散热面积
Figure BDA0003483163490000062
其中，λ为冷却液的导热系数；
步骤6：计算增加尺寸后的扰流柱直径
Figure BDA0003483163490000063
式中，
Figure BDA0003483163490000064
ζ2＝Hn1n2λπ；
可计算得到，下一个功率半桥15区域对应的扰流柱21需要比上一个功率半桥15区域对应的扰流柱21增加的直径Δd。
本发明通过改善冷却系统末端的散热能力来达到温度均衡的效果，能够抑制功率模块的局部热点，防止高温对功率模块产生破坏，提高可靠性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种温度一致的功率模块，需要通过散热器进行降温，其特征在于：包括基板、多个由芯片组成并沿冷却液流动方向依次安装在基板一侧的功率半桥；散热器与基板的另一侧固定连接；散热器远离基板的一侧排布有扰流柱；沿冷却液的流动方向，每个功率半桥对应的扰流柱的总散热面积依次增加，使各功率半桥的温度保持一致。
2.根据权利要求1所述的温度一致的功率模块，其特征在于：所述基板为覆铜陶瓷板；覆铜陶瓷板的一侧设置有与散热器相连的散热器连接层，另一侧设置有芯片焊接层；所述散热器连接层为整体金属层，所述芯片焊接层蚀刻有电路图形，芯片的引脚焊接在芯片焊接层的电路图形上。
3.根据权利要求1所述的温度一致的功率模块，其特征在于：沿冷却液的流动方向，下一个功率半桥区域对应的扰流柱间距小于上一个功率半桥区域对应的扰流柱间距。
4.根据权利要求1所述的温度一致的功率模块，其特征在于：沿冷却液的流动方向，下一个功率半桥区域对应的扰流柱直径大于上一个功率半桥区域对应的扰流柱直径。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述温度一致的功率模块的散热器设计方法，其特征在于：扰流柱呈叉排形式排布，X向两个相邻扰流柱的中心距为S2，Y向两个相邻扰流柱的中心距为S1，扰流柱的直径为d，每个功率半桥在X向的尺寸为L2且在Y向的尺寸为L1，通过减小S2来降低功率半桥温度：
每个功率半桥单位时间内的发热量为Q，冷却液流经每个功率半桥的对流换热量等于功率半桥的发热量，计算得到冷却液流经每个功率半桥时的温升
Figure FDA0003483163480000011
其中，q为冷却液在单位时间内的质量流量，c表示冷却液的比热容；
计算冷却液每流经一个功率半桥导致温度增加后，下一个功率半桥要达与上一个功率半桥相同温度，所需增加的散热面积
Figure FDA0003483163480000012
其中h为对流换热系数，Tw为与冷却液接触的壁面温度，Tf为冷却液温度；
在L1范围内扰流柱的数量为n1，L2范围内扰流柱的数量为n2，扰流柱高度为H；冷却液流经每一个功率半桥后，下一个功率半桥的S2需要减小的尺寸为ΔS2，则有
Figure FDA0003483163480000021
则可计算得到冷却液流经每一个功率半桥后，下一个功率半桥的S2需要减小的尺寸
Figure FDA0003483163480000022
6.一种如权利要求1-4中任一项所述温度一致的功率模块的散热器设计方法，其特征在于：扰流柱呈叉排形式排布，X向两个相邻扰流柱的中心距为S2，Y向两个相邻扰流柱的中心距为S1，每个功率半桥在X向的尺寸为L2且在Y向的尺寸为L1，散热器在Y向的尺寸为L，在L1范围内扰流柱的数量为n1，L2范围内扰流柱的数量为n2，通过增加扰流柱直径d来增加散热面积，同时加快冷却液流动速度，进而降低功率半桥温度：
每个功率半桥单位时间内的发热量为Q，冷却液流经每个功率半桥的对流换热量等于功率半桥的发热量，计算得到冷却液流经每个功率半桥时的温升
Figure FDA0003483163480000023
其中，q为冷却液在单位时间内的质量流量，c表示冷却液的比热容；
扰流柱直径增大后冷却液流经的横截面积S＝(L-n1*(d+Δd))*H，其中Δd为扰流柱增加的直径；
计算冷却液流速
Figure FDA0003483163480000024
计算雷诺数
Figure FDA0003483163480000025
其中v为冷却液的运动粘度，H为扰流柱的高度；
计算对流换热系数
Figure FDA0003483163480000026
其中，Prf为冷却液侧的普朗特数，Prw为散热器侧的普朗特数；
计算功率半桥所需的散热面积
Figure FDA0003483163480000027
其中，λ为冷却液的导热系数，Tw为与冷却液接触的壁面温度，Tf为冷却液温度；
计算增加尺寸后的扰流柱直径
Figure FDA0003483163480000028
式中，
Figure FDA0003483163480000031
ζ2＝Hn1n2λπ；
可计算得到，下一个功率半桥区域对应的扰流柱需要比上一个功率半桥区域对应的扰流柱增加的直径Δd。
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CN116544118A (zh) * 2023-06-05 2023-08-04 赛晶亚太半导体科技(北京)有限公司 一种igbt模块并联式水冷散热器及制备方法
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