CN115995434A - 一种功率模块高效双层散热结构及具有该结构的功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率模块高效双层散热结构及具有该结构的功率模块，涉及散热设备技术领域。该结构包括功率模块底部安装的与之贴合的散热结构，散热结构包括自上而下依次形成的第一散热层、导向隔板和第二散热层，还包括连通至所述第二散热层内的空腔中的冷却介质入口和连通至所述第一散热层内的空腔中的冷却介质出口，同时导向板上对应芯片位置开设有至少一个导向孔；本发明将功率模块高效双层散热结构的冷却介质通过散热介质入口进入第二散热层，然后流经导向隔板进入第一散热层，通过导向隔板的导向作用，定向对功率模块芯片下方位置进行散热，各芯片下方流经的散热介质温度一致，实现对功率模块的均衡高效散热。
Description
技术领域
本发明涉及散热设备技术领域，特别是涉及一种功率模块高效双层散热结构及具有该结构的功率模块。
背景技术
电力电子技术在当今快速发展的工业领域占有非常重要的地位，电力电子功率模块作为电力电子技术的代表，已广泛应用于电动汽车、光伏发电、风力发电、工业变频等行业。随着我国工业的崛起，电力电子功率模块有着更加广阔的市场前景。
随着功率模块的需求不断增加，对功率模块高效、高功率密度等也提出更高的要求，尤其是碳化硅（SiC）模块的快速发展，相比传统硅基功率模块，功率密度得到大幅度的提升，但是芯片的工作温度目前仍未明显提升，维持在175℃附近，这就对功率模块的散热提出更高的要求；
另外，大功率模块往往需要采用多颗IGBT或者MOSFET芯片进行并联，芯片间散热条件的不一致，容易引起不均流现象，造成个别芯片过热损坏，严重影响功率模块可靠性。
现有技术中，散热结构的设计往往针对整个功率模块进行设计，如图1和图2所示，现有的散热设备中，主要是将散热结构直接置于功率模块底部，通过流通的冷却液带走热量。但对于并联的芯片冷却结构来说，不同芯片底部对应散热位置温度存在较大差异，远离冷却介质入口的位置温度更高，对应芯片散热效果越差，对不同位置的芯片无法实现均衡控制。
发明内容
本发明针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种功率模块高效双层散热结构及具有该结构的功率模块。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种功率模块高效双层散热结构及具有该结构的功率模块。
技术效果：通过设置第一散热层、导向隔板、第二散热层，将功率模块高效双层散热结构的冷却介质通过散热介质入口进入第二散热层，然后流经导向隔板进入第一散热层，通过导向隔板的导向作用，定向对功率模块芯片下方位置进行散热，各芯片下方流经的散热介质温度一致，可以设置导向隔板中导向孔的大小和位置，控制进入第一散热层的冷却介质的方向和流量，实现对功率模块的均衡高效散热。
本发明进一步限定的技术方案是：一种功率模块高效双层散热结构，包括带有若干片并联芯片的功率单元，功率单元底部安装有与之贴合的散热结构，散热结构包括自上而下依次形成的第一散热层、导向隔板和第二散热层，还包括
第一冷却介质入口，连通至第二散热层内的空腔中，用于注入冷却介质；
冷却介质出口，连通至第一散热层内的空腔中，用于排出换热后的冷却介质；
导向板上对应芯片位置开设有至少一个导向孔，用于连通第一散热层与第二散热层内的空腔。
进一步的，第一散热层上远离冷却介质出口的一侧设有连通至空腔内的第二冷却介质入口。
前所述的一种功率模块高效双层散热结构，每个导向孔的至少一侧设有垂直于冷却介质流向分布的导流板，相邻导流板之间形成对应芯片的区域。
前所述的一种功率模块高效双层散热结构，导流板的长度小于第一散热层内空腔的宽度，导流板与第一散热层内侧面之间留有供冷却介质流通的通道。
前所述的一种功率模块高效双层散热结构，导向孔的形状为圆形、椭圆形、长圆形、矩形或长条形中的任意一种。
前所述的一种功率模块高效双层散热结构，导向孔对应每个芯片区域均设有若干个，每个芯片区域中的若干个导向孔形成多孔散热集合。
本发明还提出一种具有双层散热结构的功率模块，包括功率单元以及与其相连接的双层散热结构，功率单元上设有若干个阵列设置的芯片，芯片通过设于所述功率单元上的正电极、负电极和输出电极供电；所述功率单元上还设有若干个信号电极，信号电极与所述芯片电连接；所述双层散热结构为本发明所提出的功率模块高效双层散热结构。
本发明的有益效果是：
（1）本发明中，将现有散热结构分区控制，设置第一散热层、导向隔板、第二散热层，并在导向隔板上设置导向孔；通过导向隔板的导向作用，定向对功率模块芯片下方位置进行散热，各芯片下方流经的散热介质温度一致，实现对功率模块的均衡高效散热；
（2）本发明中，可以通过设置导向隔板中导向孔的形状、大小、数量和位置，控制进入第一散热层的冷却介质的方向和流量，实现对不同大小和功率等级芯片的区分控制，提升模块散热效率；
（3）本发明中，通过在第一散热层设置导流板，使得流入第一散热层冷却介质定向流出到冷却介质出口，避免高温冷却介质重复流过芯片下方高温区域。
附图说明
图1为现有技术中散热结构的示意图；
图2为现有技术中散热结构冷却介质流向示意图；
图3为实施例1的整体外观结构图；
图4为实施例1的结构爆炸图；
图5为实施例1的冷却介质流向示意图；
图6为现有技术中散热结构的工作状态下温度分布示意图；
图7为实施例1的工作状态下温度分布示意图；
图8为实施例1中对应功率模块芯片布局图；
图9为实施例1中对应功率模块电路拓扑结构图；
图10为实施例1中功率模块上桥臂工作时电流示意图；
图11为实施例2的结构示意图；
图12为实施例2的剖面图；
图13为实施例3的剖面图；
图14为实施例3的冷却介质流向示意图；
图15为实施例4的剖面图；
图16图为实施例5的剖面图；
图17图为实施例6的剖面图。
其中：1、功率单元；11、芯片；12、正电极；13、负电极；14、输出电极；15、信号电极；2、第一散热层；21、冷却介质出口；22、第二冷却介质入口；3、导向隔板；4、第二散热层；41、第一冷却介质入口；5、导向孔；6、导流板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一元件，它可以直接在另一元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一元件，它可以是直接连接到一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本实施例提供的一种功率模块高效双层散热结构，结构如图3和图4所示，包括带有若干片并联芯片11的功率单元1，功率单元1底部安装有与之贴合的散热结构，散热结构包括自上而下依次形成的第一散热层2、导向隔板3和第二散热层4。
其中，第一散热层2与第二散热层4内均中空设置形成空腔，第二散热层4的左侧面设有第一冷却介质入口41，第一冷却介质入口41连通至第二散热层4内的空腔中，用于注入冷却介质；第一散热层2的右侧面设有冷却介质出口21，冷却介质出口21连通至所述第一散热层2内的空腔中，用于排出换热后的冷却介质。
另外，导向板上对应芯片11位置开设有至少一个导向孔5，在本实施例中为四个，用于连通所述第一散热层2与所述第二散热层4内的空腔。本实施例中导向孔5为圆形。
如此设置后，可以通过设置导向隔板3中导向孔5的形状、大小、数量和位置，控制进入第一散热层2的冷却介质的方向和流量，实现对不同大小和功率等级芯片11的区分控制，提升模块散热效率。
主要过程是：通过若干个导向孔5将第二散热层4中进入的冷却介质进行分流，分成若干股等温的冷却介质后，将每股冷却介质均匀导向对应的芯片11进行冷却，保证每个芯片11的冷却效果均相同。
如图5所示，冷却介质从第一冷却介质入口41流入第二散热层4，然后通过导向隔板3的导向孔5流入第一散热层2，通过导向孔5的导向作用定向对芯片11下方进行散热，确保芯片11下方温度的一致性，最后经冷却介质出口21流出。
如图6和图7所示，可以看出现有技术与本发明中温度变化的对比。根据热阻公式Rth=ΔT/Ptot，Rth为单芯片的热阻，Ptot为单芯片耗散功率，理论上采用相同芯片热阻与耗散功率几乎相同，ΔT为芯片的结温与对应位置散热器温度差（ΔT=Tj-Ts），散热器温度Ts越高，芯片结温Tj越高，容易造成个别芯片过早失效。在本发明中，可实现冷却介质的定向控制，使得流经多并联芯片下方的冷却介质温度TH一致，并且可控制导向孔大小与位置对流量进行调整，确保芯片下方温度的一致性。
本发明还提供一种具有双层散热结构的功率模块，如图8～10所示，包括功率单元1，功率单元1上设有若干个阵列设置的芯片11，芯片11通过设于功率单元1上的正电极12、负电极13和输出电极14供电；功率单元1上还设有若干个信号电极15，信号电极15与芯片11电连接；功率单元1连接至如上述实施例中任意一种功率模块高效双层散热结构。
功率模块正电极P及负电极N位于一侧，输出电极OUT及信号电极（G1/E1/G2/E2）位于另一侧，模块为多芯片并联半桥拓扑电路结构，上桥臂位于输出电极一侧，下桥臂位于正负电极一侧，每个桥臂由4颗MOSFET芯片组成，芯片由左往右依次排列。图8为功率模块上桥臂开通时电流示意图，两个正电极各流入I/2的电流，理想情况下每颗芯片承受电路1/4的电流，芯片参数完全一致，每颗芯片产生的耗散功率均一致。
冷却介质由入口经由散热层直接通过出口流出，冷却介质依次经过芯片CHIP1、CHIP2、 CHIP3、 CHIP4下方，由于芯片耗散功率的加热作用，冷却介质温度逐渐升高，TS1<TS2< TS3< TS4, 热阻公式Rth=ΔT/Ptot,如果芯片耗散功率相同，则结温Tj1< Tj2< Tj3< Tj4，结温长期不一致容易引发个别芯片过早失效。
本发明通过设置第一散热层2、导向隔板3、第二散热层4，将功率模块高效双层散热结构的冷却介质通过第一冷却介质入口41进入第二散热层4，然后流经导向隔板3进入第一散热层2，通过导向隔板3的导向作用，定向对功率模块芯片11下方位置进行散热，各芯片11下方流经的散热介质温度一致，可以设置导向隔板3中导向孔5的大小和位置，控制进入第一散热层2的冷却介质的方向和流量，实现对功率模块的均衡高效散热。
实施例2，一种功率模块高效双层散热结构，与实施例1的不同之处在于，如图11和图12所示，冷却介质的入口还可以同时设置在第一散热层2和第二散热层4上，即在第一散热层2上对应位置设置第二冷却介质入口22。
可以通过设置第一散热层2的第二冷却介质入口22，防止散热层局部腔体形成死水区。
实施例3，一种功率模块高效双层散热结构，与实施例2的不同之处在于，如图13所示，通过在第一散热层2设置导流板6，使得流入第一散热层2冷却介质定向流出到冷却介质出口21，避免高温冷却介质重复流过芯片11下方高温区域。
本实施例中冷却介质的流向示意图如图14所示，冷却介质通过两个冷却介质入口流向导向隔板3，通过导向隔板3中导向孔5的导流作用，定向对模块高温区进行冷却，热交换后的冷却介质，通过导流板6的导流作用分别流向冷却介质出口21。
实施例4，一种功率模块高效双层散热结构，与实施例2的不同之处在于，如图15所示，导向孔5的形状为方形。
实施例5，一种功率模块高效双层散热结构，与实施例2的不同之处在于，如图16所示，导向孔5的形状为长条状。
除上述实施例外，导向孔5的形状还可以是椭圆形、长圆形、矩形等形状。
实施例6，一种功率模块高效双层散热结构，与实施例2的不同之处在于，如图17所示，导向孔5对应每个芯片11区域均设有若干个，每个芯片11区域中的若干个导向孔5形成多孔散热集合，通过调节散热集合的位置、大小及形状，实现对模块的均衡高效散热。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种功率模块高效双层散热结构，包括带有若干片并联芯片（11）的功率单元（1），其特征在于：所述功率单元（1）底部安装有与之贴合的散热结构，散热结构包括自上而下依次形成的第一散热层（2）、导向隔板（3）和第二散热层（4），还包括
第一冷却介质入口（41），连通至所述第二散热层（4）内的空腔中，用于注入冷却介质；
冷却介质出口（21），连通至所述第一散热层（2）内的空腔中，用于排出换热后的冷却介质；
所述导向板上对应芯片（11）位置开设有至少一个导向孔（5），用于连通所述第一散热层（2）与所述第二散热层（4）内的空腔。
2.根据权利要求1所述的一种功率模块高效双层散热结构，其特征在于：所述第一散热层（2）上远离冷却介质出口（21）的一侧设有连通至空腔内的第二冷却介质入口（22）。
3.根据权利要求1所述的一种功率模块高效双层散热结构，其特征在于：每个所述导向孔（5）的至少一侧设有垂直于冷却介质流向分布的导流板（6），相邻所述导流板（6）之间形成对应芯片（11）的区域。
4.根据权利要求3所述的一种功率模块高效双层散热结构，其特征在于：所述导流板（6）的长度小于所述第一散热层（2）内空腔的宽度，所述导流板（6）与所述第一散热层（2）内侧面之间留有供冷却介质流通的通道。
5.根据权利要求1所述的一种功率模块高效双层散热结构，其特征在于：所述导向孔（5）的形状为圆形、椭圆形、长圆形、矩形或长条形中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种功率模块高效双层散热结构，其特征在于：所述导向孔（5）对应每个芯片（11）区域均设有若干个，每个芯片（11）区域中的若干个导向孔（5）形成多孔散热集合。
7.根据权利要求1所述的一种具有双层散热结构的功率模块，其特征在于：包括功率单元（1）以及与其相连接的双层散热结构，功率单元（1）上设有若干个阵列设置的芯片（11），芯片（11）通过设于所述功率单元（1）上的正电极（12）、负电极（13）和输出电极（14）供电；所述功率单元（1）上还设有若干个信号电极（15），信号电极（15）与所述芯片（11）电连接；所述双层散热结构为权利要求1～6任意一项所述的功率模块高效双层散热结构。
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| CN202211555608.1A CN115995434A (zh) | 2022-12-06 | 2022-12-06 | 一种功率模块高效双层散热结构及具有该结构的功率模块 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117878079A (zh) * | 2024-01-19 | 2024-04-12 | 派德芯能半导体(上海)有限公司 | 循环冷却系统 |
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2022
- 2022-12-06 CN CN202211555608.1A patent/CN115995434A/zh active Pending
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