CN116326229A - 发热体冷却结构以及电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发热体冷却结构。发热体冷却结构具备：发热体；水路构件，其内部流过制冷剂；以及热传导层，其覆盖所述水路构件的外表面，所述热传导层由比所述水路构件的热传导率高的材料形成，所述热传导层具有：第1区域，其形成于配置有所述发热体的一侧的所述水路构件的所述外表面；以及第2区域，其形成于与配置有所述发热体的一侧相反的一侧的所述水路构件的所述外表面，所述热传导层的所述第1区域和所述第2区域连续形成。

Description

发热体冷却结构以及电力变换装置
技术领域
本发明涉及一种发热体冷却结构以及电力变换装置。
背景技术
通过半导体元件的开关动作进行电力变换的电力变换装置由于变换效率高，所以被广泛用于民用、车载用等。由于该半导体元件因开关动作而发热，所以对电力变换装置要求高的冷却性能。
在专利文献1中，公开了一种半导体装置，其具备接合了半导体元件和散热器的半导体模块、和冷却半导体模块的冷却器，冷却器具有与半导体模块金属接合的上表面以及与上表面连接、形成导入冷却介质的流路的散热片。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2016-15466号公报。
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1的技术中，无法提高电力变换装置的冷却性能。
解决问题的技术手段
本发明的发热体冷却结构具备：发热体；水路构件，其内部流过制冷剂；以及热传导层，其覆盖所述水路构件的外表面，所述热传导层由比所述水路构件的热传导率高的材料形成，所述热传导层具有：第1区域，其形成于配置有所述发热体的一侧的所述水路构件的所述外表面；以及第2区域，其形成于与配置有所述发热体的一侧相反的一侧的所述水路构件的所述外表面上，所述热传导层的所述第1区域和所述第2区域连续形成。
发明的效果
根据本发明，能够提高冷却性能。
附图说明
图1是半导体模块的电路构成图。
图2是半导体模块的外观图。
图3是半导体模块的截面图。
图4是电力变换装置的外观立体图。
图5是电力变换装置的分解立体图。
图6是电力变换装置的横截面图。
图7是单面冷却型的电力变换装置的横截面图。
图8是电力变换装置的纵截面图。
图9是说明热传导层的形成过程的图。
图10是第2实施方式的电力变换装置的横截面图。
图11是第3实施方式的电力变换装置的纵截面图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。在用于说明本发明的例示中，为了使说明明确，以下的说明和附图适当进行了省略和简化。本发明也可以以其他各种方式实施。只要没有特别限定，各构成要素可以是单数也可以是复数。
为了便于理解本发明，附图所示的各构成要素的位置、大小、形状、范围等有时不表示实际的位置、大小、形状、范围等。因此，本发明不限于附图中公开的位置、大小、形状、范围等。
在存在多个相同或具有同样功能的构成要素的情况下，有时对相同的符号附加不同的下标来进行说明。但是，在不需要区别这些多个构成要素的情况下，有时省略下标来进行说明。
[第1实施方式]
图1是半导体模块300的电路构成图。
半导体模块300具备半导体元件321U、321L、322U、322L。半导体元件321U和321L是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅型双极晶体管)。半导体元件322U和322L是二极管。另外，半导体元件321U、321L、322U、322L也可以是FET(Field EffectTransistor：场效应晶体管)。
半导体模块300由上臂300U和下臂300L构成，上臂300U由半导体元件321U和二极管322U构成，下臂300L由半导体元件321L和二极管322L构成。另外，上臂300U具有直流正极端子311和信号端子314，下臂300L具有直流负极端子312和信号端子315。
直流正极端子311和直流负极端子312与电容器等连接，从外部向半导体模块300供给电力。信号端子314、315与省略图示的控制基板连接，控制半导体元件321U、321L的开关动作。上臂300U和下臂300L的连接点是交流端子313，从交流端子313向半导体模块300的外部输出交流电流。在半导体元件321U、321L的开关动作时，半导体模块300发热，成为发热体。
图2是半导体模块300的外观图。
半导体模块300由密封树脂330密封，在两面具有热传导构件350。直流正极端子311、直流负极端子312、交流端子313、信号端子314、315从密封树脂330露出。
图3是半导体模块300的截面图。该截面图是图2的A-A线的截面图。
半导体元件321U、321L、322U、322L的主面(图示下表面)通过第1接合材料345与第1散热板341接合。半导体元件321U、321L、322U、322L的与主面相反的一侧的副面通过第2接合材料346与第2散热板342接合。第1接合材料345、第2接合材料346是焊料或烧结材料。第1散热板341、第2散热板342是铜或铝等金属或具有铜配线的绝缘基板等。
密封树脂330密封半导体元件321U、321L、322U、322L、第1散热板341、第2散热板342、第1接合材料345和第2接合材料346。第1散热板341具有第1散热面343，第1散热面343位于与第1接合构件345接合的面的相反面上。而且，第1散热面343从密封树脂330露出。
第2散热板342具有第2散热面344，第2散热面344位于与第2接合构件346接合的面的相反面上。而且，第2散热面344从密封树脂330露出。
热传导构件350与半导体模块300的两面紧密接触。热传导构件350是具有绝缘性能的树脂或陶瓷，在是陶瓷的情况下，热传导构件350通过润滑脂或焊料等与后述的第1水路101及第2水路102紧密接触。另外，在半导体模块300的内部并且在半导体模块300的两面具有绝缘基板或树脂绝缘构件的构成的情况下，热传导构件350是润滑脂。
半导体模块300是发热体，发热体的热通过与两面紧密接触的热传导构件350传导到设置在半导体模块300的两面的后述的第1水路101和第2水路102而冷却。本实施方式的发热体冷却结构以电力变换装置100为例，参照图4以下进行说明。
图4是电力变换装置100的外观立体图。
电力变换装置100包含三个半导体模块300而构成。三个半导体模块300例如对应于3相逆变器的U相、V相、W相。另外，电力变换装置100也可以搭载升压用的半导体模块。另外，电力变换装置100也可以搭载多个3相逆变器用的半导体模块300。
电力变换装置100在作为发热体的半导体模块300的两面具有第1水路101和第2水路102。即，半导体模块300被第1水路101和第2水路102夹持，与第1水路101和第2水路102热连接。第1水路101和第2水路102通过在其内部流过制冷剂来冷却从半导体模块300传导的热。
第1水路101的一个端部与第1集管103连接，制冷剂从与第1集管103连接的外部流入。
第1水路101的另一个端部与连接水路105连接。第2水路102的另一个端部也连接到连接水路105。第2水路102的一个端部与第2集管104连接。从外部流入到第1集管103的制冷剂依次流过第1水路101、连接水路105、第2水路102、第2集管104。另外，制冷剂的流动路径也可以相反。
电力变换装置100通过凸缘106固定在壳体等上，从外部向第1集管103供给制冷剂。
图5是电力变换装置100的分解立体图。
半导体模块300在其两面通过热传导构件350与第1水路101紧密接触，通过热传导构件350与第2水路102紧密接触。在热传导构件350为焊料的情况下，由于焊接结合第1水路101和第2水路102，所以接触热阻变小，散热性良好。
第1水路101与集管凸缘112的集管凸缘开口207接合。集管凸缘112与第1集管箱113的第1集管箱外表面209接合。
第1集管箱113具有第1集管开口203和第3集管开口210。第1集管开口203位于与第3集管开口210相对的位置，第3集管开口210由第1集管盖114堵塞。
第2集管箱115具有第2集管开口204和第4集管开口211。第2集管开口204位于与第4集管开口211相对的位置，第2集管开口204与第2水路102接合。第4集管开口211由第2集管盖116堵塞。
凸缘106具有第1凸缘开口205和第2凸缘开口206。第1凸缘开口205与第1集管箱113的与设置有第1集管开口203的面垂直的面连接。第2凸缘开口206与第2集管箱115的与设置有第2集管开口204的面垂直的面连接。
第1凸缘开口205使制冷剂通过第1集管开口203流入第1水路101。第2凸缘开口206使制冷剂通过第2集管开口204流入第2水路102。
连接水路凸缘109具有连接水路凸缘开口213。连接水路凸缘开口213与第1水路101连接。连接水路105由连接水路基座107和连接水路盖108构成。连接水路基座107具有第1连接水路开口201和第2连接水路开口202。第1连接水路开口201与连接水路凸缘开口213连接。第2连接水路开口202与第2水路102连接。
图6是电力变换装置100的截面图。该截面图是图4的B-B线的横截面图。
第1水路101和第2水路102分别由在内部流过制冷剂的水路构件120和覆盖水路构件120的外表面的热传导层122构成。在水路构件120的内部设置有散热片121，散热片121与在水路构件120的内部流动的制冷剂进行热交换。水路构件120和散热片121通过挤压成形而形成，水路构件120和散热片121为一体。另外，散热片121也可以与水路构件120分体设置并与水路构件120钎焊而形成。散热片121是与制冷剂的流动方向平行的笔直的散热片，但也可以将板弯曲而成形为波状并钎焊在水路构件120的内部。
热传导层122由比水路构件120的热传导率高的材料形成。为了容易进行散热片121的成形，所以水路构件120优选铝或铝合金。热传导层122优选为导热率高的铜或铜合金，但也可以是银或金等高热传导率的金属或碳、SiC等碳化合物。
热传导层122具有：第1区域123，其形成于配置有作为发热体的半导体模块300的一侧的水路构件120的外表面；以及第2区域124，其形成于与配置有半导体模块300的一侧相反的一侧的水路构件120的外表面。热传导层122的第1区域123和第2区域124以覆盖水路构件120的方式连续形成。即，在通过半导体模块300并与水路构件120的长度方向垂直的截面中，热传导层122覆盖水路构件120的外表面的整周。
在半导体模块300中产生的热，除了从自第1区域123直接通过水路构件120的传热路径来散热之外，还能够从自第1区域123经过第2区域124、自第2区域124通过水路构件120的传热路径来散热。因此，与仅在第1区域123中设置热传导层122的情况相比，可以提高冷却性能。
热传导层122优选为线膨胀系数比水路构件120小的材质的组合。例如，热传导层122由以铜为主要成分的材料构成，水路构件120由以铝为主要成分的材料构成。第1水路101和第2水路102使水路构件120因热而膨胀变形，而热传导层122抑制水路构件120的变形。因此，由于能够降低由于水路构件120的变形而施加在热传导构件350上的应力或变形，所以提高了电力变换装置100的产品寿命。另外，在高温时，由于热传导层122使水路构件120向压缩方向变形，所以相互的接触热阻变小，散热性提高。
在图6的例子中，表示了夹持半导体模块300、而冷却两面的两面冷却型的电力变换装置100的例子，但在使用第1水路101或第2水路102中的某一方而冷却单面的结构中也能够得到同样的效果。图7表示夹持半导体模块300而冷却单面的单面冷却型电力变换装置100’的例子。在该例子中，是使用第2水路102进行冷却的结构。对与图6相同的部位标注相同的符号并省略其说明。在这种情况下，热传导层122的第1区域123和第2区域124以覆盖水路构件120的方式连续形成。
此外，图6和图7中所示的热传导层122包含与图5中所示的多个半导体模块300的散热面重叠的区域，沿着水路构件120的长度方向延伸。
图8是电力变换装置100的截面图。该截面图是图4的C-C线的纵截面图。
如图8所示，在水路构件120的长度方向端部具有未形成热传导层122的水路露出部125。水路露出部125形成于水路构件120的制冷剂入口侧和出口侧，与第1集管103、连接水路105、第2集管104接合。第1集管103、连接水路105、第2集管104是与水路构件120相同的主要成分的金属。例如，如果水路构件120是铝或铝合金，则优选第1集管103、连接水路105、第2集管104也是铝或铝合金。通过设置水路露出部125，采用与水路构件120相同的主要成分的金属，能够钎焊第1集管103、连接水路105、第2集管104。
图9是说明热传导层122的形成过程的图。
热传导层122通过拉拔加工形成于水路构件120的外表面。首先，水路构件120插入到热传导层122中。接着，如图9所示，将水路构件120与热传导层122一起通过模具126，沿箭头P方向拉拔。由此，能够使热传导层122与水路构件120的外表面紧贴而一体地形成。
通过拉拔加工进行成形，能够一边压缩水路构件120一边形成热传导层122，能够减小水路构件120和热传导层122的接触热阻而提高散热性。
[第2实施方式]
图10是第2实施方式的电力变换装置100A的横截面图。除了横截面图以外，与已经说明的第1实施方式相同，所以省略其说明。
在第1实施方式中，在通过半导体模块300并与水路构件120的长度方向垂直的截面中，热传导层122是覆盖水路构件120的外表面的整周的构成。与此相对，在第2实施方式中，在通过半导体模块300并与水路构件120的长度方向垂直的截面中，在热传导层122A的第2区域124A的一部分上设有未形成热传导层122A的开放区域127A。
如图10所示，热传导层122A具有第1区域123A和第2区域124A。第2区域124A具有水路构件120一部分露出的开放区域127A。该开放区域127A通过半导体模块300并在水路构件120的长度方向上形成为带状。
根据本实施方式，通过将第2区域124A的一部分开放，在参照图9说明的成形、即在水路构件120A上成形热传导层122A时，更容易进行基于拉拔加工的成形。即，在将第2区域124A的一部分开放的情况下，在将热传导层122A插入水路构件120A的工序中，能够以较小的力制造。
[第3实施方式]
图11是第3实施方式的电力变换装置100B的纵截面图。除了纵截面图以外，与已经说明的第1实施方式相同，因此省略其说明。
在第1实施方式中，热传导层122包含与多个半导体模块300的散热面重叠的区域，沿着水路构件120的长度方向延伸。与此相对，在第3实施方式中，热传导层122B形成于与多个各半导体模块300的散热面重叠的区域，而不形成于多个各半导体模块300之间的开放区域128B。
如图11所示，电力变换装置100B搭载有多个半导体模块300。热传导层122B形成于与对应于多个半导体模块300的散热面重叠的区域。并且，在多个半导体模块300之间的开放区域128B中，以水路构件120露出的方式形成热传导层122B。
根据本实施方式，可以通过减少热传导层122B的使用量来以低成本提供产品，而不会显著损害冷却性能。
根据以上说明的实施方式，能够得到以下的作用效果。
(1)发热体冷却结构(电力变换装置100、100A、100B)具备：发热体(半导体模块300)；水路构件120，其内部流过制冷剂；以及热传导层122，其覆盖水路构件120的外表面，热传导层122由比水路构件120的热传导率高的材料形成，热传导层122具有：第1区域123、123A，其形成于配置有发热体的一侧的水路构件120的外表面；以及第2区域124、124A，其形成于与配置有发热体的一侧相反的一侧的水路构件120的外表面，热传导层122的第1区域123、123A和第2区域124、124A连续形成。由此，能够提高冷却性能。
本发明不限于上述实施方式，只要不损害本发明的特征，在本发明的技术思想的范围内考虑的其他方式也包含在本发明的范围内。另外，也可以是组合了上述各实施方式的构成。
符号说明
100、100’、100A、100B…电力变换装置，101…第1水路，102…第2水路，103…第1集管，104…第2集管，105…连接水路，106…凸缘，107…连接水路基座，109…连接水路凸缘，112…集管凸缘，113…第1集管箱，114…第1集管盖，115…第2集管箱，116…第2集管盖，120…水路构件，121…散热片，122…热传导层，123、123A…第1区域，124、124A…第2区域，127A、128B…开放区域，201…第1连接水路开口，202…第2连接水路开口，203…第1集管开口，204…第2集管开口，205…第1凸缘开口，206…第2凸缘开口，207…集管凸缘开口，209…第1集管箱外表面，210…第3集管开口，211…第4集管开口，213…连接水路凸缘开口，300…半导体模块，300U…上臂，300L…下臂，311…直流正极端子，312…直流负极端子，314、315…信号端子，321U、321L、322U、322L…半导体元件，330…密封树脂，341…第1散热板，342…第2散热板，343…第1散热面，344…第2散热面，345…第1接合材料，346…第2接合材料，350…热传导构件。

Claims (11)

1.一种发热体冷却结构，其特征在于，具备：
发热体；
水路构件，其内部流过制冷剂；以及
热传导层，其覆盖所述水路构件的外表面，
所述热传导层由比所述水路构件的热传导率高的材料形成，
所述热传导层具有：
第1区域，其形成于配置有所述发热体的一侧的所述水路构件的所述外表面；以及
第2区域，其形成于与配置有所述发热体的一侧相反的一侧的所述水路构件的所述外表面，
所述热传导层的所述第1区域和所述第2区域连续形成。
2.根据权利要求1所述的发热体冷却结构，其特征在于，
所述热传导层的线膨胀系数比所述水路构件的线膨胀系数小。
3.根据权利要求2所述的发热体冷却结构，其特征在于，
所述热传导层由以铜为主要成分的材料构成，
所述水路构件是由以铝为主要成分的材料构成。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的发热体冷却结构，其特征在于，
由热传导层覆盖所述外表面的所述水路构件设置在所述发热体的两面。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的发热体冷却结构，其特征在于，
由热传导层覆盖所述外表面的所述水路构件设置在所述发热体的单面。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的发热体冷却结构，其特征在于，
在通过所述发热体并与所述水路构件的长度方向垂直的截面中，所述热传导层覆盖所述水路构件的外表面的整周。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的发热体冷却结构，其特征在于，
在通过所述发热体并与所述水路构件的长度方向垂直的截面中，在所述热传导层的所述第2区域的一部分设置有未形成所述热传导层的开放区域。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的发热体冷却结构，其特征在于，
所述热传导层不形成于所述水路构件的长度方向端部。
9.一种电力变换装置，其特征在于，其具备权利要求1～3中任一项所述的发热体冷却结构，
所述发热体是具备进行电力变换的半导体元件的半导体模块，
所述半导体模块的散热面通过热传导构件与所述热传导层热接触。
10.根据权利要求9所述的电力变换装置，其特征在于，
设置多个所述半导体模块，
所述热传导层包含与所述多个半导体模块的所述散热面重叠的区域，沿着所述水路构件的长度方向延伸。
11.根据权利要求9所述的电力变换装置，其特征在于，
设置多个所述半导体模块，
所述热传导层形成于与多个各所述半导体模块的所述散热面重叠的区域，不形成于多个各所述半导体模块之间的区域。
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