CN114630554A - 具有开关装置和液冷装置的功率电子系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有开关装置和液冷装置的功率电子系统，其中，开关装置具有板元件，在板元件的背离液冷装置的那一侧上布置有功率半导体构件，其中，液冷装置具有第一分体和第二分体，第一分体具有流入体积区域和流出体积区域，其中，在两个分体之间构造有冷却体积区域，其中，从第二分体有多个传热体探伸进入到冷却体积区域中，其中，第二分体优选完全地布置在第一分体的凹部中，并且两个分体以材料锁合且液体压力密封的方式彼此连接并且具有构成第一主面的共同的平坦的表面，并且其中，液冷装置被构造并被设置成用于被冷却液从流入体积区域经由冷却体积区域穿流向流出体积区域，并且其中，开关装置的板元件力锁合地布置在第一表面上。

Description

具有开关装置和液冷装置的功率电子系统
技术领域
本发明描述了一种具有液冷装置和开关装置的功率电子系统，其中，该功率电子系统优选被构造为功率半导体模块。
背景技术
从现有技术，例如在US 6,594,149 B2中披露地已知有一种液冷的电路设备。该电路设备包括：开关模块，开关模块具有开关回路元件和开关模块基板，开关回路元件被安置在开关模块基板上；用于容纳开关模块的开关壳体；和冷却液腔室，冷却液腔室用于导引处于与开关模块的模块基板的后侧接触的冷却液。
在这种系统中的一个经常出现的缺陷在于冷却能力不足，其中，通常由于开关装置的损耗而产生的典型的热能必须被排出给冷却介质，以便保护开关装置免于过热和因此而损坏。
发明内容
在认知了这些所述的事实下，本发明的任务在于，对功率电子系统的液冷装置进行改进，使得从功率电子系统的开关装置到冷却介质，更确切地说到冷却液的热传递得到改善。
根据本发明，该任务通过具有开关装置和液冷装置的功率电子系统来解决，其中，开关装置具有板元件，在板元件的背离液冷装置的那一侧上，在彼此电绝缘的导体迹线上布置有功率半导体结构元件并且功率半导体构件借助连接装置以符合电路设计的方式连接，其中，液冷装置具有第一分体和第二分体，第一分体具有流入体积区域和流出体积区域，其中，在两个分体之间构造有冷却体积区域，其中，从第二分体有多个传热体探伸进入到冷却体积区域中，其中，第二分体优选完全地布置在第一分体的凹部中，并且两个分体以材料锁合且液体压力密封的方式彼此连接并且具有构成第一主面的共同的平坦的表面，并且其中，液冷装置构造并设置成用于被冷却液从流入体积区域经由冷却体积区域穿流向流出体积区域，并且其中，开关装置的板元件力锁合地布置在第一表面上。
可以是有利的是，板元件被构造为基板或功率电子器件的基底。基板和功率电子器件的基底或仅该功率电子器件的基底有利地是功率半导体模块的一部分。
可以优选的是，板元件完全仅布置在第一表面的由第二分体构成的部分面上，或者其中，板元件至少在一侧与第二分体的部分面相叠并且也靠置在第一分体的部分面上。
也可以优选的是，传热体具有圆的、椭圆的、多面体式的或自由成形的基面并且尖地或变细地或不变细地构造并且优选地传热体中的至少一个传热体、优选多个传热体并且再次优选并非全部的传热体与冷却体积区域的底面机械接触。
可以特别有利的是，第一分体由第一材料构成并且第二分体由不同于第一材料的第二材料构成。两个分体也可以由铝或铝合金构成。同样优选的是，第二材料的第二热导率比第一材料的第一热导率高了至少10％，优选至少25％，并且其中，第二热导率优选至少为230W/(mK)。
优选的是，第一分体具有拱座，拱座具有拱座顶面，拱座顶面与共同的表面齐平地布置，并且拱座延伸穿过第二分体的凹部并且优选具有带内螺纹的盲孔。
此外可以有利的是，第一分体具有多个相同类型的凹部，在这些凹部中布置有相同类型的第二分体，因此构造有多个冷却体积区域，并且其中，流入体积区域和流出体积区域分别具有多个分支，以此使冷却体积区域能够被并行地穿流。在此，第二分体呈长方体形地构造并且沿着第二分体的纵向侧相邻地成排布置。由此使所配属的冷却体积区域在纵向方向上被冷却介质穿流。
此外可以有利的是，流入体积区域具有横截面变化，其中，流入体积区域的各个分支每单位时间分别被相同量的液体流过。特别有利的是，流出体积区域于是具有与流入体积区域相关的横截面变化。
可以优选的是，第一分体从第二主面出发具有另外的凹部，在另外的凹部中以材料锁合且液体压力密封的方式布置有另外的第二分体，并且其中，另外的第二分体的表面与第二主侧构成另外的共同的平坦的表面，并且其中，另外的第二分体的冷却体积区域也构造且设置成使得被从流入体积区域经由冷却体积区域穿流向流出体积区域。在此，第一和第二主面彼此平行且背对地布置。
应理解，本发明的各种设计方案可以单独地或以任意组合方式来实现，以便实现改进。尤其地，上面提到的和这里或下面将解释的特征不仅能以指定的组合来使用，而且也能以其他非排他性的组合方式或单独使用，而不背离本发明的范围。
附图说明
对本发明的进一步阐述、有利的细节和特征从以下对图1至图8中示意性示出的本发明的实施例或其各部分的描述中得知。
图1示出穿过根据本发明的功率电子系统的第一设计方案的剖面；
图2示出穿过根据本发明的功率电子系统的第二设计方案的剖面；
图3示出对该第二设计方案的液冷装置的观察；
图4示出该第二设计方案的具有开关装置的功率半导体模块的三维视图；
图5示出根据本发明的功率电子系统的液冷装置的第一设计方案的三维视图；
图6和图7示出根据本发明的功率电子系统的液冷装置的第二设计方案的三维视图；
图8示出根据本发明的功率电子系统的液冷装置的第三设计方案的三维视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的功率电子系统1的第一设计方案的剖面，示出了液冷装置3，液冷装置具有第一和第二分体30、32。第一分体30具有流入体积区域34和流出体积区域38，它们分别延伸到附图平面中并且在此分别构成通道。在流入和流出体积区域34、38之间构造有冷却体积区域36。
为了构成该冷却体积区域36，第一分体30具有凹部306，第二分体32布置在该凹部中。该第二分体32具有板状的基本形状和从其发出并探伸进入到冷却体积区域36中的传热体322。板状的基本形状在其背离冷却体积区域36的那一侧上构造有平坦的部分面320。该平坦的部分面320与第一分体30的包围的平坦的部分面302构成液冷装置3的共同的平坦的第一表面300。
在该实施方案中，第二分体32的板状的基本形状环绕地靠置在第一分体30的靠置面上。在第二分体32的边缘区域与第一分体30的相对应的内边缘之间布置有连接机构4，在此是硬钎焊料40(参见图2)。由此，第二分体32以材料锁合且液体压力密封的方式被布置在凹部306中并且冷却体积区域36被构造成使得冷却体积区域能够被冷却液从流入体积区域34穿流向流出体积区38。硬钎焊料40在此突出超过第一表面300。然而，硬钎焊料也可以相对于该第一表面回缩并因此构成沟槽。特别优选的是，硬钎焊料40在布置之后突出并且在进一步的制造步骤中被研磨成与第一表面300齐平。
作为硬钎焊连接部40的替选方案地，第一与第二分体30、32之间的材料锁合的连接部也可以被构造为焊接连接部。在优选的激光焊接连接的情况下没有布置明确的连接机构。
当第一分体30由铝或具有第一热导率的铝合金构成并且第二分体32由铝或具有更高的第二热导率的铝合金构成时，材料锁合的连接的上述两种设计方案是特别优选的。这种设计方案具有主要的优点是，第一分体30的材料可以在其机械稳定性方面被优化，而第二分体32可以在其传热特性方面被优化。因此所形成的混合型液冷装置就其整体物理特性而言与仅由一种材料制成的本领域惯用的液冷装置相比具有明显优势。
在第二分体32的部分面320上布置有具有开关装置2的功率半导体模块，开关装置具有构成板元件20的基板200。尽管未示出，但是在该基板200上布置有本领域惯用的具有功率半导体构件的功率电子器件的基底。为清楚起见，在此也未示出功率半导体模块的或开关装置的另外的必要的部件，例如电流联接元件。
尤其是在功率电子系统1的特别紧凑的设计方案中，板元件20在至少一个方向、优选两个背对的方向或者甚至是所有的方向上侧向探伸超过第二分体32或第二分体的部分面320。
图2示出穿过根据本发明的功率电子系统1的第二设计方案的剖面。第一分体30在此又分别具有流入和流出体积区域34、38和部分面302。此外，第一分体30具有在凹部306中的中央布置的拱座31，拱座具有拱座顶面310。该拱座顶面310被构造并布置成相对第一分体30的部分面302以及相对共同的表面300齐平。拱座31呈柱体形地构造并且具有带内螺纹的盲孔316。
第二分体32与根据第一设计方案的那个第二分体不同地具有与拱座31相对应的凹部324(参见图3)，拱座31穿过该凹部。当然，在拱座31与第二分体32之间也构造有材料锁合且液体压力密封的连接部4，在此再次仅示例性借助硬钎焊料42构成。
同样与第一设计方案不同的是，其中一些传热体322不仅延伸进入到冷却体积区域36中，而且延伸直至其底面360，并在那里分别构成抵抗第二分体32挠曲的支撑部。
开关装置2在此同样以本领域惯用的方式构造，但是，板元件20由开关装置2的功率电子器件的基底202构成。该开关装置还具有针对紧固装置(在此是与拱座的凹部相对应的螺接装置24)的中央的凹部216。此外还示出了开关装置2的导体迹线220、功率半导体构件222和内部连接装置224。
图3示出了对该第二设计方案的液冷装置3的观察。示出了第一分体30的部分面302和其用于布置第二分体32的凹部306。还示出了该第二分体32的部分面320和其用于第一分体30的拱座31的凹部324。两个分体的材料锁合的连接如上述构造。此外还示出了在此分别呈柱体形地构造的传热体322的位置。当然，这些传热体都布置在冷却体积区域内。
图4示出了该第二设计方案的具有开关装置2的功率半导体模块的三维视图。该功率半导体模块具有上述的带有功率电子器件的基底202的开关装置2，功率电子器件的基底具有用于布置螺接装置的中央的凹部216。还示出了本领域惯用的电的负载和辅助接触装置280、282、284。
图5示出了根据本发明的功率电子系统的液冷装置3的第一设计方案的三维视图。示出了第一分体30，其具有四个相同类型的凹部306，用以分别布置第二分体32。第一分体30又具有流入和流出体积区域34、38，它们在此被构造为两个平行的通道并且在与第一主面背对的面上被覆盖部342、382封闭。分支340、380分别从这些通道出发(也参见图2)。流入体积区域34的分支340被构造成用于使冷却液导引到各自的冷却体积区域36中。
有利地，分支340的各自的横截面被设计成使得各个冷却体积区域36每单位时间分别被相同量的液体流过。流出体积区域38的分支380与此类似地构造。替选或附加地，横截面变化可以根据流入和流出体积区域34、38来构造。
第二分体32基本上按照图1所述的方式来构造，其中，第二分体，更准确地说是它们的板状的基本形状呈长方体形地构造。第一分体30的凹部306进而第二分体32沿着它们的纵向侧相邻地成排布置。第一分体30如所述被与之匹配地构造，从而使得分别配属于第二分体32的冷却体积区域36在纵向方向上被穿流。
在材料技术上，第一和第二分体30、32如上所述由具有不同热膨胀系数的材料构成。这也适用于以下实施例。
图6和图7示出根据本发明的功率电子系统的液冷装置3的第二设计方案的三维视图。根据图6的液冷装置3示出了连贯平坦的表面300，通过该表面构成了第一和(在此是六个)第二分体30、32的部分面302、320。图7示出用于与液冷装置连接的附加的液体联接元件。
图8示出了根据本发明的功率电子系统的液冷装置3的第三设计方案的三维视图。在此多件式构成的第一分体30在这里具有从其平行于第一主面的第二主面出发的另外的凹部306。在这些另外的凹部中以材料锁合且液体压力密封的方式布置有另外的第二分体32。该液冷装置3因此被构造成用于使开关装置可以布置在两个主侧上。以这种方式构成的功率电子系统于是具有特别高的功率密度同时外部尺寸更小。

Claims (14)

1.功率电子系统(1)，所述功率电子系统具有开关装置(2)和液冷装置(3)，
其中，所述开关装置(2)具有板元件(20)，在所述板元件的背离所述液冷装置(3)的那一侧上，在彼此电绝缘的导体迹线上布置有功率半导体结构元件并且所述功率半导体结构元件借助连接装置以符合电路设计的方式连接，
其中，所述液冷装置(3)具有第一分体(30)和第二分体(32)，所述第一分体具有流入体积区域(34)和流出体积区域(38)，其中，在两个分体之间构造有冷却体积区域(36)，其中，从第二分体(32)有多个传热体(322)探伸进入到所述冷却体积区域(36)中，
其中，所述第二分体(32)布置在所述第一分体(30)的凹部(306)中，并且所述两个分体(30、32)以材料锁合且液体压力密封的方式彼此连接并且具有构成第一主面的共同的平坦的表面(300)，并且
其中，所述液冷装置(3)构造并设置成用于被冷却液从流入体积区域(34)经由所述冷却体积区域(36)穿流向流出体积区域(38)，
并且其中，所述开关装置(2)的板元件(20)力锁合地布置在所述第一表面(300)上。
2.根据权利要求1所述的功率电子系统，其中，
所述板元件(20)构造为基板(200)或功率电子器件的基底(202)。
3.根据权利要求1或2所述的功率电子系统，其中，
所述板元件(20)完全仅布置在所述第一表面(300)的由所述第二分体(32)构成的部分面(320)上，或者其中，所述板元件(20)至少在一侧与所述第二分体(32)的部分面(320)相叠并且也靠置在所述第一分体(30)的部分面(302)上。
4.根据权利要求1或2所述的功率电子系统，其中，
所述传热体(322)具有圆的、椭圆的、多面体式的或自由成形的基面并且尖地或变细地或不变细地构造，并且优选地所述传热体(322)中的至少一个传热体(322)、优选多个传热体并且再次优选并非全部的传热体与所述冷却体积区域(36)的底面(360)机械接触。
5.根据权利要求1或2所述的功率电子系统，其中，
所述第一分体(30)由第一材料构成并且所述第二分体(32)由不同于第一材料的第二材料构成。
6.根据权利要求5所述的功率电子系统，其中，
两个分体(30、32)优选由铝或铝合金构成。
7.根据权利要求5所述的功率电子系统，其中，
所述第二材料的第二热导率比所述第一材料的第一热导率高了至少10％，优选至少25％，并且其中，所述第二热导率优选至少为230W/(mK)。
8.根据权利要求1或2所述的功率电子系统，其中，
所述第一分体(30)具有拱座(31)，所述拱座具有拱座顶面(310)，所述拱座顶面与共同的表面(300)齐平地布置，并且所述拱座(31)延伸穿过所述第二分体(32)的凹部(324)并且优选具有带内螺纹的盲孔(316)。
9.根据权利要求1或2所述的功率电子系统，其中，
所述第一分体(30)具有多个相同类型的凹部(306)，在所述凹部中布置有相同类型的第二分体(32)，因此构造有多个冷却体积区域(36)，并且其中，所述流入体积区域(34)和所述流出体积区域(38)分别具有多个分支(340、380)，以此使所述冷却体积区域(36)能够被并行地穿流。
10.根据权利要求9所述的功率电子系统，其中，
所述第二分体(32)呈长方体形地构造并且沿着所述第二分体的纵向侧相邻地成排布置，由此使所配属的冷却体积区域(36)在纵向方向上被穿流。
11.根据权利要求9所述的功率电子系统，其中，
所述流入体积区域(34)具有横截面变化，其中，所述流入体积区域(34)的各个分支(340)每单位时间分别被相同量的液体流过。
12.根据权利要求11所述的功率电子系统，其中，
所述流出体积区域(38)具有与所述流入体积区域(34)相关的横截面变化。
13.根据权利要求9所述的功率电子系统，其中，
所述第一分体(30)从第二主面出发具有另外的凹部，在所述另外的凹部中以材料锁合且液体压力密封的方式布置有另外的第二分体(32)，并且其中，所述另外的第二分体的表面与第二主侧构成另外的共同的平坦的表面，并且其中，所述另外的第二分体的冷却体积区域也构造且设置成使得被从流入体积区域(34)经由冷却体积区域(36)穿流向流出体积区域(38)。
14.根据权利要求13所述的功率电子系统，其中，
第一和第二主面彼此平行且背对地布置。
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