CN115424991A - 功率模组、逆变器与车辆 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种功率模组、逆变器与车辆。该功率模组包括芯片、导热层和散热组件，导热层的导热系数大于或等于200W/mK；散热组件包括散热壳体，散热壳体围设形成一容纳空间，芯片和导热层设于容纳空间内；其中，散热壳体的至少部分为中空壳体，芯片的至少一侧通过导热层与中空壳体接触；中空壳体内填充有用于对导热层进行冷却的冷却介质，冷却介质为绝缘的流体介质。本申请的功率模组，利用散热壳体和具有绝缘性质的冷却介质实现芯片的绝缘和密封，无需额外设置陶瓷层作为绝缘层，可显著降低该功率模组的热阻，提高功率模组的散热性能以及可靠性。

Description

功率模组、逆变器与车辆
技术领域
本申请涉及功率器件，具体涉及一种功率模组、逆变器与车辆。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)功率模组是电动汽车直流交流转换的核心器件。近年来，随着电动汽车的蓬勃发展，对IGBT功率模组的性能提出了更高的要求，例如更高的电能转换效率、更小的体积与质量、能适应车规苛刻要求的更高的可靠性。
针对功率器件的可靠性，现有封装方案是利用陶瓷层实现芯片与外界的绝缘设置，然后利用设置在陶瓷层外部的散热组件对芯片进行散热。该封装方案中，陶瓷层为芯片提供绝缘的封装空间，散热组件对芯片进行散热。其中，陶瓷层与散热组件之间可通过硅酯材料实现连接，这样，芯片产生的热量需通过陶瓷层和硅酯层传导至散热组件进行散热。由于陶瓷层的导热性能较差，而功率组件其经常需要瞬时高压-低压的转换，产生的热量较高，往往无法及时将芯片产生的热量传递至外部，易于会导致芯片的损毁，进而降低功率模组的可靠性。
发明内容
本申请提供了一种功率模组、逆变器与车辆，以提高功率模组的可靠性。
第一方面，本申请提供一种功率模组，该功率模组包括芯片、导热层和散热组件，导热层的导热系数大于或等于200W/mK；散热组件包括散热壳体，散热壳体围设形成一容纳空间，芯片和导热层设于所述容纳空间内；其中，散热壳体的至少部分为中空壳体，芯片的至少一侧通过导热层与中空壳体接触；中空壳体内填充有用于对导热层进行冷却的冷却介质，冷却介质为绝缘的流体介质。
本申请的功率模组，芯片和导热层设于散热壳体形成的容纳空间内，由于采用导热系数大于或等于200W/mK的导热层，相对于陶瓷层，可使该导热层具有超高的传热效率，芯片产生的热量可通过该导热层迅速传递至散热组件。同时，本申请的功率模组中，散热组件的散热壳体至少部分为中空壳体，在中空壳体中填充有绝缘的流体介质作为冷却介质，该冷却介质除可及时吸收自导热层传递至散热壳体的热量外，还可为芯片提供绝缘的封装环境，增加芯片与外部环境器件的绝缘性，从而提高功率组件的可靠性。由此，本申请的功率模组，利用散热壳体和具有绝缘性质的冷却介质实现芯片的绝缘和密封，无需额外设置陶瓷层作为绝缘层，由此可消除传统作为绝限层的陶瓷层的热阻，进而可显著降低该功率模组的热阻，提高功率模组的散热性能。
此外，本申请功率模组所用的冷却介质，可为油冷介质，可与油冷电机共用一套冷却系统，进而可解决水冷系统与油冷电机无法深度融合的问题。
在一种可选的实现方式中，中空壳体设有入口和出口，冷却介质可自入口流入中空壳体内部，并可从出口流出。冷却介质可为流动介质，可循环使用。
在一种可选的实现方式中，中空壳体内设有散热齿，冷却介质能够流经散热齿之间的空隙。通过设置散热齿，可增大散热面积，提高散热效率。
在一种可选的实现方式中，中空外壳的外部设有散热齿。通过设置散热齿，可增大散热面积，提高散热效率。
在一种可选的实现方式中，中空壳体包括封装板和盖板，封装板靠近芯片设置，盖板设于封装板的背离芯片的一侧。在一种可选的实现方式中，盖板的朝向封装板的一侧设有凹槽。在另一种可选的实现方式中，封装板的朝向盖板的一侧设有凹槽。
在一种可选的实现方式中，芯片的热膨胀系数与导热层的热膨胀系数之差小于或等于50％。采用与芯片的热膨胀系数相类似的导热层，可减少芯片与导热层之间的热应力，可进一步提高芯片和导热层之间连接的可靠性。
在一种可选的实现方式中，导热层的厚度大于或等于2mm，且小于或等于5mm。针对功率模组的瞬态工况，例如在高压-低压转换过程中，采用较厚的导热层，可以起到有效的均温作用，增大整个模组的热容，降低功率模组在瞬态工况下的结温。
在一种可选的实现方式中，导热层的材质选自铜、铝或金刚石中的至少一种。
在一种可选的实现方式中，流体介质包括冷却油。
第二方面，本申请还提供一种逆变器，该逆变器可包括辅助组件和本申请的功率模组。
其中，辅助组件包括但不限于开关、电容、电流传感器以及交流接线座等。
第三方面，本申请还提供一种车辆，该车辆可包括本申请的逆变器。该车辆可为新能源车。
上述第二方面和第三方面可以达到的技术效果，可以参照上述第一方面中的相应效果描述，这里不再重复赘述。
其中，本申请上述各可能实现方式中的数据，例如导热层的导热系数、导热层的厚度等数据，在测量时，工程测量误差范围内的数值均应理解为在本申请所限定的范围内。
附图说明
图1为一种现有IGBT功率模组结构示意图；
图2为一种实施例的功率模组的结构示意图；
图3为一种实施例的功率模组的爆炸结构示意图；
图4为一种实施例的功率模组的截面结构示意图；
图5为本申请另一种实施例功率模组的结构示意图；
图6为本申请一种实施例的车辆的连接结构示意图。
附图标记：
10-功率模组；11-芯片；12-散热组件；121-散热壳体；122-中空壳体；1221-封装板；
1222-盖板；123-散热齿；13-绝缘层；14-导热层；15-功率端子；16-信号端子；
17-支撑层；18-焊料；19-粘结层；20-密封件；
100-车辆；101-动力电池；102-逆变器；103-发动机；104-动力组件。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。
在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
图1为一种现有IGBT功率模组结构示意图，其封装结构中，芯片11与散热组件12之间一般设有绝缘层13，例如陶瓷层，以实现芯片11与外部的绝缘，而绝缘层13与散热组件12之间通常通过粘结层19连接，粘结层19可为硅酯材料层，以实现绝缘层13和散热组件12之间的充分接触。其中，芯片11和绝缘层13之间还可设置支撑层17，以避免绝缘层13与芯片11直接接触影响芯片的连接。IGBT功率模组在工作过程中，芯片11产生的热量可依次经支撑层17、绝缘层13和粘结层19传导至散热组件12。该封装结构中，由于绝缘层13的导热系数较低，导致芯片11至散热组件12的热阻较高，无法及时排出芯片11产生的热量，进而影响芯片11运行的可靠性。
为解决上述问题，本申请提供一种功率模组10，图2为一种实施例的功率模组10的结构示意图，图3为一种实施例的功率模组10的爆炸结构示意图。如图2和图3所示，该功率模组10包括芯片11、导热层14和散热组件12，散热组件12用于封装芯片11和导热层14。如图3所示，在一个功率模组10中可包括多个芯片11，多个芯片11之间可相互连接，芯片11可通过功率端子15和信号端子16实现信号的输入和输出。
图4为一种实施例的功率模组10的截面结构示意图。如图4所示，本申请实施例的功率模组10中，芯片11的至少一侧设有导热层14，其中，导热层14与芯片11之间可设置支撑层17，该支撑层17的一端与芯片11连接，另一端与导热层14连接。支撑层17与芯片11之间可通过焊料18焊接，支撑层17的面积小于通过芯片11的表面积。设置支撑层17，可在芯片11的厚度方向为芯片11提供防护空间，防止导热层14直接与芯片11接触对芯片11造成挤压，另外，该防护空间还可为芯片11之间的连接提供便利，方便安装连接电路板或导线。
继续参照图4，以图4所示方向为例，在本申请一种实施例中，芯片11的上方可设置导热层14，导热层14可通过支撑层17与芯片11连接，且导热层14的远离芯片11的一侧表面与散热组件12直接接触连接。这样，芯片11运行过程中产生的热量可先通过支撑层17传导至导热层14，然后再通过导热层14传导至散热组件12，并通过散热组件12向外传输。本申请实施例中，导热层14的导热系数大于或等于200W/mK，这样，可利用导热层14实现热量的快速传递，以将芯片11产生的热量及时传导至散热组件12。
图5为本申请另一种实施例功率模组10的结构示意图，如图5所示，导热层14除可设置在芯片11的上方外，还可设置在芯片11的下方。除此之外，导热层14还可同时设置于芯片11的上方和下方，在此，本申请不对导热层14具体的设置位置做出限定，可根据功率模组的安装部位以及散热环境进行导热层14的调整。
其中，导热层14的热膨胀系数与导热层14的热膨胀系数之差可小于或等于50％。由此，可减少芯片11与导热层14之间的热应力，避免因热膨胀系数差异过大造成芯片11和导热层14之间的连接出现开裂，进而可提高芯片11与导热层14之间连接的可靠性。示例性地，用作导热层14的材料可选自铜、铝或金刚石中的至少一种。
在一种实施例中，导热层14的厚度大于或等于2mm，且小于或等于5mm。针对功率模组10的瞬态工况，例如在高压-低压转换过程中，采用较厚的导热层14，可以起到有效的均温作用，增大整个模组的热容，降低功率模组10在瞬态工况下的结温。
一并参照图2至图5，本申请实施例的功率模组10中，散热组件12包括散热壳体121，散热壳体121可围设形成芯片11和导热层14的容纳空间(图4和图5仅示出部分散热壳体121，未示出全部散热壳体121)，芯片11和导热层14位于该容纳空间内，散热组件12可对芯片11和导热层14起到封装保护的作用。其中，与芯片11连接的功率端子15和信号端子16可伸出至散热壳体121的外部，以实现和外部电路的连接。
一并参照图4和图5，在本申请一种实施例中，散热壳体121的至少部分为中空壳体122，其中，中空壳体122可填充冷却介质以对导热层14进行冷却。冷却介质可为能够流通的冷却介质。例如，可在中空壳体122的不同位置设置冷却介质的入口和出口，以用于冷却介质的流入和流出。冷却介质自中空壳体122流出后可进入外部的冷却器，以对冷却介质进行冷却。
在设置中空壳体122的位置时，可根据功率模组10的散热部位进行设置。如图4所示，芯片11的上部和下部均可设置中空壳体122，芯片11产生的热量向上传递时，可通过支撑层17和导热层14传输至中空壳体122进行散热；芯片11产生的热量向下传递时，可将热量直接传递至中空壳体122进行散热。其中，设置导热层14可实现快速均温的作用，因此，相对于下方的散热路径，上方的散热路径可有效防止热量在某一部位的积聚。另外，如图5所示，中空壳体122还可单独设置在芯片11的下部，芯片11产生的热量通过下方设置的导热层14将传导至散热组件12进行散热。本申请对中空壳体122的具体设置位置不做特殊限定，只要能够对芯片11起到有效散热即可。
如图4和图5所示，散热组件12还可包括设于中空壳体122的内部的散热齿123，冷却介质在中空壳体122内流通时，散热齿123可增大冷却介质与中空壳体122的接触面积，进而可提高散热效果。除此之外，散热齿123还可设置在中空壳体122的外部，当在中空壳体122的外部设置散热齿123时，可提高中空壳体122与外部环境的接触面积，进而可提高散热效果。
继续参照图4和图5，在本申请的一种实施例中，中空壳体122可为一体成型结构，也可为分体结构。当中空壳体122为分体结构时，其可包括封装板1221和盖板1222，其中，封装板1221用于与导热层14接触，盖板1222盖合在封装板1221的表面。盖板1222的面相封装板1221的一侧设有凹槽，这样，当盖板1222盖合在封装板1221后，可在封装板1221和盖板1222之间形成一个中空的腔体，以用于填充冷却介质。其中，当中空壳体122由封装板1221和盖板1222组成时，封装板1221和盖板1222之间可设置密封件20，例如密封条，以实现封装板1221和盖板1222之间的密闭连接，防止冷却介质渗漏。
其中，本申请实施例的功率模组10中，中空壳体122内通入的冷却介质为绝缘的流体介质。作为示例性说明，冷却介质例如可选为油。在中空壳体122内通入的绝缘的冷却介质，可作为散热组件的绝缘层，实现功率模组的绝缘效果。该封装方式中，可不用再单独设置绝缘层，从而可达到简化功率模组结构的效果。同时，选用油作为冷却介质，当功率模组用于电动汽车中时，例如可用电机的冷却油作为冷却介质，进而可实现与电动汽车的电机系统深度融合。
与图1所示水冷结构的功率模组的结构相比，本申请的功率模组具有如下优势：
1)低热阻高热容：测试结果表明，当冷却介质进口流速为5lpm时，图4所示结构的双面冷却的功率模组热阻为0.083℃/W，与图1所示的同等的双面硅脂水冷功率模组相比，热阻降低1/3。对于瞬态波动损耗输入下的工况，仿真结果表明在较为低频输入损耗下，相比图1所示结构的双面硅脂的水冷功率模组，本申请的功率模组最高结温降低近30℃，该结果表明本申请的功率模组的热容明显提升。
2)本申请的冷却介质为绝缘介质，采用散热性能优良的绝缘介质作为冷却介质可提升整个功率模组散热性能的同时也起到了整个功率模组绝缘的作用。经测试，本申请的功率模组，运行安全可靠，为与电动汽车的电机系统深度融合创造可能。
基于同样的技术构思，本申请提供一种逆变器，该逆变器可包括本申请实施例的功率模组。其中，功率模组的数量可为多个，多个功率模组之间可通过同步信号接口并联。除此之外，本申请的逆变器还可包括连接组件，其中，连接组件包括但不限于开关、电容、电流传感器以及交流接线座等中的至少一种。其中，开关、电容、电流传感器以及交流接线座等组件可分别与功率模组的接线端子电连接。
基于同样的技术构思，本申请提供一种车辆，图6为本申请一种车辆的连接结构示意图，如图6所示，该车辆100可包括本申请实施例的逆变器102，除此之外，还可包括动力电池101、发动机103和动力组件104。其中，动力电池101通过逆变器102与发动机103连接，逆变器102用于将动力电池101的直流电转变为交流电，并向发动机103供电；发动机103与动力组件104连接，用于驱动动力组件104运转。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种功率模组，其特征在于，包括芯片、导热层和散热组件，所述导热层的导热系数大于或等于200W/mK；
所述散热组件包括散热壳体，所述散热壳体围设形成一容纳空间，所述芯片和所述导热层设于所述容纳空间内；
其中，所述散热壳体的至少部分为中空壳体，所述芯片的至少一侧通过所述导热层与所述中空壳体接触；所述中空壳体内填充有用于对所述导热层进行冷却的冷却介质，所述冷却介质为绝缘的流体介质。
2.根据权利要求1所述的功率模组，其特征在于，所述芯片的热膨胀系数与所述导热层的热膨胀系数之差小于或等于50％。
3.根据权利要求1或2所述的功率模组，其特征在于，所述导热层的厚度大于或等于2mm，且小于或等于5mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的功率模组，其特征在于，所述导热层的材质选自铜、铝或金刚石中的至少一种。
5.根据权利要求1-4任一项所述的功率模组，其特征在于，所述流体介质包括冷却油。
6.根据权利要求1-5任一项所述的功率模组，其特征在于，所述中空壳体设有入口和出口，所述冷却介质自所述入口流入所述中空壳体内部，并从所述出口流出。
7.根据权利要求6所述的功率模组，其特征在于，所述中空壳体内设有散热齿，所述冷却介质能够流经所述散热齿之间的空隙。
8.根据权利要求1-7任一项所述的功率模组，其特征在于，所述中空外壳的外部设有散热齿。
9.根据权利要求1-8任一项所述的功率模组，其特征在于，所述中空壳体包括封装板和盖板，所述封装板靠近所述芯片设置，所述盖板设于所述封装板的背离所述芯片的一侧。
10.根据权利要求9所述的功率模组，其特征在于，所述盖板的朝向所述封装板的一侧设有凹槽。
11.根据权利要求9所述的功率模组，其特征在于，所述封装板的朝向所述盖板的一侧设有凹槽。
12.一种逆变器，其特征在于，所述逆变器包括辅助组件和如权利要求1-11任一项所述的功率模组，所述辅助组件和所述功率模组连接。
13.一种车辆，其特征在于，包括动力电池、发动机和如权利要求12所述的逆变器，所述逆变器设于所述动力电池和所述发动机之间。
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