CN116741725A - 一种功率模块的自冷式近结热管理结构 - Google Patents
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Abstract
一种功率模块的自冷式近结热管理结构，包括热电结构和冷却结构，热电结构与冷却结构相连，热电结构包括从上至下依次排布的上陶瓷层、上导电层、热电半导体结构、下导电层和下陶瓷层，上陶瓷层作为热电结构的热端，下陶瓷层作为热电结构的冷端，冷却结构用于对下陶瓷层进行降温，保持热电结构冷热两端的温差，热电结构将功率模块产生的热量转换成电能，产生的电能为冷却结构提供驱动力。本发明可根据功率模块损耗情况，自适应调节驱动能量的大小，在低损耗阶段，提供较小的驱动能量，在高损耗阶段，提供较大的驱动能量。
Description
技术领域
本发明涉及功率器件的近结热管理结构，具体涉及一种功率模块的自冷式近结热管理结构。
背景技术
功率器件通常用于电力系统、工业控制、电动汽车、通信设备等领域。作为承受和控制较大电流、电压的半导体器件，运行过程中的功率损耗转换成的热量是巨大的，需要冷却结构将热量及时导出，防止芯片以及其他部件失效或减小使用寿命。
传统的冷却方式一般使用风冷和冷板的方式，但是其冷却上限低，而水作为冷却介质，其潜力更大。为了更好的利用水的冷却能力，微通道式的冷却结构可以将热管理系统集成到更靠近热源的地方，从而极大的降低热阻，提高散热能力，减小功率器件的失效可能性和延长使用寿命。
但与所有的主动冷却系统类似，系统的驱动需要额外的驱动，而且随着功率器件损耗的升高，需要的驱动能量也将提高以保持稳定工作温度，但在低损耗阶段，需要的驱动能量也应随之减小。这种与功率器件工作状态匹配的冷却功率也增加了模块运行的复杂性。这严重阻碍了功率模块在实际中的应用。
因此开发一种无需外部能量消耗的、可自适应调节的冷却结构对于功率器件是必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种功率模块的自冷式近结热管理结构，可根据功率模块损耗情况，自适应调节驱动能量的大小。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种功率模块的自冷式近结热管理结构，包括热电结构和冷却结构，热电结构与冷却结构相连，热电结构包括从上至下依次排布的上陶瓷层、上导电层、热电半导体结构、下导电层和下陶瓷层，上陶瓷层作为热电结构的热端，下陶瓷层作为热电结构的冷端，冷却结构用于对下陶瓷层进行降温，保持热电结构冷热两端的温差，热电结构将功率模块产生的热量转换成电能，产生的电能为冷却结构提供驱动力。
进一步，所述冷却结构包括外部被动散热装置、内部散热结构、微泵和流体管道，微泵设于流体管道上，内部散热结构通过流体管道与外部被动散热装置连通，热电结构的引出线一端焊接在下导电层上，另一端与微泵连接。
进一步，所述内部散热结构包括微通道结构和歧管结构，微通道结构设于下铜层上，歧管结构设于基板上，微通道结构与歧管结构相对垂直并相连通，歧管结构通过流体管道与外部被动散热装置连通。
进一步，所述流体管道包括流体流入管道和流体流出管道，流体流入管道、外部被动散热装置、流体流出管道、内部散热结构、流体流入管道依次连通，形成管道循环结构，冷却流体在该管道循环结构内循环流动。
进一步，所述外部被动散热装置采用翅片散热结构，翅片散热结构内嵌有蛇形布局的管道，流体流入管道与流体流出管道之间通过蛇形布局的管道连接。
进一步，所述流体管道包括流体流入管道和流体流出管道，外部被动散热装置包括储水池和散热池，流体流入管道一端与储水池连接，另一端与内部散热结构连接，流体流出管道一端与内部散热结构连接，另一端与散热池连接。
进一步，所述基板上设有两个歧管连接通道，一个歧管连接通道与歧管结构的进水口相连通，另一个歧管连接通道与歧管结构的出水口相连通；流体流入管道一端与外部被动散热装置连接，另一端与一个歧管连接通道连接，流体流出管道一端与外部被动散热装置连接，另一端与另一个歧管连接通道连接。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明在原封装结构的基础上，将热电结构导电层和热电半导体结构嵌入到陶瓷层中，形成热电结构，在不改变功率模块整体封装工艺的前提下实现自冷却的热管理设计；可根据功率模块损耗情况，自适应调节驱动能量的大小，在低损耗阶段，提供较小的驱动能量，在高损耗阶段，提供较大的驱动能量。
附图说明
图1是本发明实施例1自冷式近结热管理结构的结构示意图。
图2是图1所示实施例的功率模块外观三轴图。
图3是图1所示实施例的功率模块内部三轴图。
图4是图1所示实施例的功率模块内部俯视图。
图5是图1所示实施例的功率模块封装结构单边主视图。
图6是图1所示实施例的热电结构的局部剖面图。
图7是图1所示实施例的下铜层的结构示意图。
图8是图1所示实施例的基板的结构示意图。
图9是图1所示实施例的外部被动散热结构的三轴图。
图10是图1所示实施例的外部被动散热结构的俯视图。
图11是发明实施例2自冷式近结热管理结构的结构示意图。
图中：1、功率模块，2、外部被动散热结构，1a、翅片散热结构，3、微泵，4-1、储水池，4-2、散热池，5、流体管道，5a、流体流入管道，5b、流体流出管道，6、外引线，7、热电结构的引出线，9、封装外壳，11、基板，11a、歧管结构，11b、歧管连接通道，13、防水双面胶，14、下铜层，14a、微通道结构，15-1、上陶瓷层，15-2、下陶瓷层，16a、上导电层，16b、下导电层，17、热电半导体结构，17a、P型半导体，17b、N型半导体，18、上铜层，19、焊料层，20、芯片。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例功率模块1的封装结构为：从上至下依次为芯片20、焊料层19、上铜层18、上陶瓷层15-1、上导电层16a、热电半导体结构17、下导电层16b、下陶瓷层15-2、下铜层14、防水双面胶13、基板11，功率模块1的封装结构外设有封装外壳9。
本实施例自冷式近结热管理结构包括热电结构和冷却结构，上导电层16a和下导电层16b构成热电结构导电层，上陶瓷层15-1、上导电层16a、热电半导体结构17、下导电层16b、下陶瓷层15-2组成热电结构，承担热电转换的功能，上陶瓷层15-1作为热电结构的热端，下陶瓷层15-2作为热电结构的冷端，热电半导体结构17包括P型半导体17a和N型半导体17b，电子从N型半导体17b向P型半导体17a移动。热电结构的引出线7一端焊接在下导电层16b上，另一端引出到封装外壳9，通过外引线6与微泵3连接。
本实施例冷却结构包括外部被动散热装置、内部散热结构、微泵3和流体管道5，微泵3设于流体管道5上，内部散热结构包括微通道结构14a和歧管结构11a，微通道结构14a设于下铜层14上，微通道结构14a是微米尺寸的平行通道，歧管结构11a设于基板11上，微通道结构14a与歧管结构11a相对垂直并相连通；歧管结构11a通过流体管道5与外部被动散热装置连通。基板11上设有两个歧管连接通道11b，一个歧管连接通道11b与歧管结构11a的进水口相连通，另一个歧管连接通道11b与歧管结构11a的出水口相连通。
具体加工工艺为：在下铜层14贴上防水双面胶13，利用激光切割出若干平行贯通的微通道结构14a，粘贴在基板11的歧管结构11a相对应的位置。将上铜层18和热电结构导电层的上导电层16a通过直接覆铜工艺分别附在上陶瓷层15-1的上下两端，并将热电结构导电层的下导电层16b和带微通道结构14a的下铜层14分别附在下陶瓷层15-2的上下两端。然后利用焊接工艺将上陶瓷层15-1和下陶瓷层15-2分别焊接在热电结构导电层的上下两端，其中上导电层16a与热电半导体结构17上端相连接，下导电层16b与热电半导体结构17下端相连接。
本实施例冷却结构为闭环冷却，流体管道5包括流体流入管道5a和流体流出管道5b，流体流入管道5a、外部被动散热装置、流体流出管道5b、内部散热结构、流体流入管道5a依次连通，形成管道循环结构，冷却流体在该管道循环结构内循环流动。
流体流入管道5a一端与外部被动散热装置连接，另一端与一个歧管连接通道11b连接，流体流出管道5b一端与外部被动散热装置连接，另一端与另一个歧管连接通道11b连接。
本实施例中，外部被动散热装置采用翅片散热结构1a，翅片散热结构1a内嵌有蛇形布局的管道，流体流入管道5a与流体流出管道5b之间通过蛇形布局的管道连接。
当功率模块1工作时，电流通过芯片20产热，热量依次通过焊料层19、上铜层18，然后传递到上陶瓷层15-1，而此时由于热电结构的冷端温度低于热端，两端的温差促使热电半导体结构17中P型半导体17a、N型半导体17b的电子和空穴进行定向移动，于是产生电流，将转换的电能通过热电结构的引出线7和外引线6供给微泵3为冷却流体的循环提供动力。但热端的热量一部分转化为电能，一部分则继续通过上导电层16a、热电半导体结构17、下导电层16b传递到下陶瓷层15-2，为了保持热电结构冷热两端的温差，需要对下陶瓷层15-2进行降温，本发明采用冷却结构对下陶瓷层15-2冷却降温，再经由冷却结构中流动的冷却流体将热量带到环境中。
其中闭环冷却路径为：冷却流体充满整个管道循环结构，首先由微泵3的驱动，经流体流入管道5a进入基板11的一个歧管连接通道11b，然后进入与之相连通的歧管结构11a的进水口，冷却流体在歧管结构11a内流动的过程中，冷却流体被导入与歧管结构11a垂直的微通道结构14a内，冷却流体经微通道结构14a吸收热量后，再流入歧管结构11a，冷却流体经另一个歧管连接通道11b流入流体流出管道5b，然后流入外部被动散热装置，将热量逸散到环境中，降温后的冷却流体在微泵3作用下又流入内部散热结构，整个形成相连通的闭环通路。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于冷却结构不同，具体为冷却结构的外部被动散热装置不同，本实施例冷却结构为开环冷却。本实施例的外部被动散热装置包括储水池4-1和散热池4-2，流体流入管道5a一端与储水池4-1连接，另一端与内部散热结构连接，流体流出管道5b一端与内部散热结构连接，另一端与散热池4-2连接。其余同实施例1。
本实施例中，冷却流体由储水池4-1提供，冷却流体经流体流入管道5a流入内部散热结构，吸收内部散热结构的热量后，再经流体流出管道5b流入散热池4-2散热，无需返回原路径，内部散热结构内冷却流体的流动路径同实施例1。
在具体的实际应该中，内部散热结构可只包括微通道结构14a，微通道结构14a设于下铜层14上，微通道结构14a是微米尺寸的平行通道，微通道结构14a通过流体管道5与外部被动散热装置连通。
本发明在原封装结构的基础上，将热电结构导电层和热电半导体结构17嵌入到陶瓷层中，形成热电结构，在不改变功率模块整体封装工艺的前提下实现自冷却的热管理设计。
当功率模块损耗升高，热源（芯片20）产热较多，会使上陶瓷层15-1的热端和下陶瓷层15-2的冷端产生较大温差，而较大的温差会促使热电半导体结构17中P型半导体17a、N型半导体17b的电子和空穴进行快速的移动，从而产生较多的电能作为微泵3的驱动力，微泵3得到较高的驱动力后将高速驱动冷却流体的流动，从而实现高速冷却。当功率模块在低损耗阶段，热源（芯片20）产热较少，会使上陶瓷层15-1的热端和下陶瓷层15-2的冷端产生较小温差，而较小的温差会促使热电半导体结构17中P型半导体17a、N型半导体17b的电子和空穴进行低速的移动，从而产生较少的电能作为微泵3的驱动力，微泵3得到较少的驱动力后将低速驱动冷却流体的流动，从而实现低速冷却。可根据功率模块损耗情况，自适应调节驱动能量的大小，在低损耗阶段，提供较小的驱动能量，在高损耗阶段，提供较大的驱动能量。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种功率模块的自冷式近结热管理结构，其特征在于：包括热电结构和冷却结构，热电结构与冷却结构相连，热电结构包括从上至下依次排布的上陶瓷层、上导电层、热电半导体结构、下导电层和下陶瓷层，上陶瓷层作为热电结构的热端，下陶瓷层作为热电结构的冷端，冷却结构用于对下陶瓷层进行降温，保持热电结构冷热两端的温差，热电结构将功率模块产生的热量转换成电能，产生的电能为冷却结构提供驱动力。
2.如权利要求1所述的功率模块的自冷式近结热管理结构，其特征在于：所述冷却结构包括外部被动散热装置、内部散热结构、微泵和流体管道，微泵设于流体管道上，内部散热结构通过流体管道与外部被动散热装置连通，热电结构的引出线一端焊接在下导电层上，另一端与微泵连接。
3.如权利要求2所述的功率模块的自冷式近结热管理结构，其特征在于：所述内部散热结构包括微通道结构和歧管结构，微通道结构设于下铜层上，歧管结构设于基板上，微通道结构与歧管结构相对垂直并相连通，歧管结构通过流体管道与外部被动散热装置连通。
4.如权利要求3所述的功率模块的自冷式近结热管理结构，其特征在于：所述流体管道包括流体流入管道和流体流出管道，流体流入管道、外部被动散热装置、流体流出管道、内部散热结构、流体流入管道依次连通，形成管道循环结构，冷却流体在该管道循环结构内循环流动。
5.如权利要求4所述的功率模块的自冷式近结热管理结构，其特征在于：所述外部被动散热装置采用翅片散热结构，翅片散热结构内嵌有蛇形布局的管道，流体流入管道与流体流出管道之间通过蛇形布局的管道连接。
6.如权利要求3所述的功率模块的自冷式近结热管理结构，其特征在于：所述流体管道包括流体流入管道和流体流出管道，外部被动散热装置包括储水池和散热池，流体流入管道一端与储水池连接，另一端与内部散热结构连接，流体流出管道一端与内部散热结构连接，另一端与散热池连接。
7.如权利要求4或6所述的功率模块的自冷式近结热管理结构，其特征在于：所述基板上设有两个歧管连接通道，一个歧管连接通道与歧管结构的进水口相连通，另一个歧管连接通道与歧管结构的出水口相连通；流体流入管道一端与外部被动散热装置连接，另一端与一个歧管连接通道连接，流体流出管道一端与外部被动散热装置连接，另一端与另一个歧管连接通道连接。
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