CN117596827A - 包含s-单元的冷板 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及包含S‑单元的冷板。描述了包括具有冷板的电力电子设备组合件的电力电子系统。一种冷板包括S‑单元，所述S‑单元具有包括石墨或石墨复合材料的主体。所述主体限定电力设备凹槽。所述S‑单元被布置在所述冷板的空腔内。所述冷板还包括将所述S‑单元结合到所述空腔的基底壁的结合材料。
Description
技术领域
本说明书一般涉及电力电子组合件，更具体地，涉及用于电力电子组合件的冷却设备。
背景技术
由于电子设备在车辆中的使用越来越多，因此需要使电子系统更加紧凑。这些电子系统的一个部件是用作逆变器中的开关的电力电子设备。由于产生的热量，电力电子设备具有很大的冷却要求。
另外，传统上由硅组成的电力电子设备现在有由碳化硅组成的趋势。碳化硅的使用导致更大的热通量，因为它定义了更小的设备占地面积。由于这些原因以及更多原因，需要在保持紧凑的封装尺寸的同时改进电力电子设备的冷却。
发明内容
在一个方面，一种冷板包括S-单元(S-Cel l)，所述S-单元具有包括石墨或石墨复合材料的主体。所述主体限定电力设备凹槽。所述S-单元被布置在所述冷板的空腔内。所述冷板还包括将所述S-单元结合到所述空腔的基底壁的结合材料。
在又一方面，一种电力电子设备组合件包括限定空腔的冷板和电力电子设备。所述冷板包括布置在所述冷板的空腔内的S-单元。所述S-单元具有包括石墨或石墨复合材料的主体。所述主体限定电力设备凹槽。所述冷板还包括将所述S-单元结合到所述空腔的基底壁的结合材料。所述电力电子设备嵌入所述S-单元的电力设备凹槽内。
在另一个方面，一种电力电子系统包括电路板组合件和耦接到所述电路板组合件的电力电子设备组合件。所述电力电子设备组合件包括限定空腔的冷板和电力电子设备。所述冷板包括布置在所述冷板的空腔内的S-单元。所述S-单元具有包括石墨或石墨复合材料的主体。所述主体限定电力设备凹槽。所述冷板还包括将S-单元结合到所述空腔的基底壁的结合材料。所述电力电子设备嵌入所述S-单元的电力设备凹槽内。
鉴于下面的详细描述，结合附图，将更充分地理解本文中描述的各个方面和实施例所提供的这些特征以及附加特征。
附图说明
附图中陈述的各个方面和实施例本质上是说明性和示例性的，并不打算限制权利要求所限定的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解说明性实施例的以下详细描述，附图中相同的结构用相同的附图标记指示，并且附图中：
图1示意地描绘按照本文中描述和例示的一个或多个实施例的例证性电力电子系统的透视图；
图2示意地描绘按照本文中描述和例示的一个或多个实施例的图1中图解所示的电力电子系统的分解透视图；
图3示意地描绘按照本文中描述和例示的一个或多个实施例的说明性电力电子系统的横截面视图；
图4示意地图解说明按照本文中描述和例示的一个或多个实施例的说明性S-单元的横截面视图；
图5示意地图解说明按照本文中描述和例示的一个或多个实施例的图4的S-单元的透视图；和
图6示意地图解说明按照本文中描述和例示的一个或多个实施例的示例性冷板的顶部分解透视图，所述冷板具有嵌入其中的多个S-单元。
具体实施方式
本文中描述的实施例一般涉及具有电路板组合件的电力电子系统，所述电路板组合件耦接到电力电子设备组合件，所述电力电子设备组合件包括包含S-单元的冷板。电力电子设备可以嵌入S-单元内和/或电路板组合件内。S-单元具有特殊的尺寸和形状，以确保特定的热导率，用于迁移电力电子设备所产生的热量。
本公开的电力电子设备组合件包括固定到安装基板的电力电子设备，所述安装基板在本文中称为S-单元。如下面更详细所述，S-单元包括使电力电子设备的底部电极与电力电子设备组合件的其他部件电绝缘的电绝缘层。例如，S-单元的集成电绝缘层使得能够去除印刷电路板和冷板之间的电绝缘层，因为电气隔离是由S-单元本身提供的。
如下面更详细所述，归因于促进热通量流向冷板的石墨层，本公开的S-单元提供了增强的热性能。本文中描述的S-单元包括紧凑封装中的堆叠的金属、石墨和一个或多个电绝缘层。由于本文中所述的S-单元中的石墨不具有等温轮廓，因此为了确保充分的热扩散，本文中所述的S-单元具有特殊的形状和尺寸。更具体地，S-单元的沿着两个轴延伸的部分可以相对于S-单元的沿着第三个轴延伸的具有相对低热导率的部分限定高热导率的区域。S-单元的最终形状(例如，矩形)可以允许热量沿着高热导率轴而不是低热导率轴扩散，从而改善S-单元内的整体热扩散和/或减少向相邻S-单元的热扩散，从而避免电力电子系统中的集中式S-单元过热的问题。
本文中所述的冷板、电力电子设备组合件、电路板组合件、电力电子系统等可用于电动车辆，比如但不限于纯电动车辆、混合动力电动车辆、任何电动机、发电机、工业工具、家用电器等。本文中所述的各种组合件可以电耦接到电动机和/或电池，并且可被配置为可操作以将直流(DC)电力转换为交流(AC)电力的逆变器电路。
本文中使用的“电力电子设备”意味着用于将直流电力转换为交流电力，反之亦然的任何电气部件。实施例也可以用于AC-AC转换器和DC-DC转换器应用。电力电子设备的非限制性例子包括功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、晶闸管和功率晶体管。
本文中使用的短语“完全嵌入”意味着部件的每个表面被基板包围。例如，当电力电子设备组合件完全嵌入电路板基板时，意味着电路板基板的材料覆盖电路板基板的每个表面。当部件的一个或多个表面露出时，该部件被“部分嵌入”。
本文中使用的“S-单元”是一种安装基板，所述安装基板可操作以固定到电力电子设备，插入冷板的空腔内，并且包括金属层、石墨层和电绝缘层中的一个或多个。
下面详细描述电力电子设备组合件、电力电子系统和冷板的各种实施例。只要可能，在整个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。
现在参见图1和图2，图中分别以装配视图和分解视图图解说明了示例电力电子系统100。图1和图2图解所示的电力电子系统100包括冷板102和电路板组合件106。虽然未在图1和图2中示出，但是在一些实施例中，在冷板102和电路板组合件106之间可以布置结合层或导热油脂层。冷板102可以是能够从电力电子设备140(参见图3)去除热通量的任何设备，电力电子设备耦接到冷板102的空腔103或嵌入冷板102的空腔103内和/或耦接到电路板组合件106的基板材料或嵌入电路板组合件106的基板材料内。冷板102的非限制性例子包括散热器、单相液体冷却、两相液体冷却和蒸汽室。图1和图2图解说明冷板102被构造为单相液体冷却设备。冷板102包括流体耦接到冷板102内的流体室115的流体入口132和流体出口134。虽然图1和图2将流体入口132和流体出口134描绘为在冷板102的同一侧，但是本公开不限于这样的实施例。即，在其他实施例中，流体入口132和流体出口134可以位于其他表面上。例如，图6描绘了在第一表面上的流体入口132和在与第一表面相对的第二表面上的流体出口134。简要参考图3，来自储存器(未示出)的冷却流体(描绘为移动的箭头135)通过流体入口132流入流体室115，并通过流体出口134流出流体室115，在流体出口134，冷却流体比如在流过热交换器(未示出)以从冷却流体移除热量之后返回到储存器。尽管未示出，但是可以在流体室115中设置翅片阵列，以提供用于向冷却流体135进行热传递的额外表面积。
再次参见图1和图2，电路板组合件106耦接(例如，固定)到冷板102的第一表面107。图1和图2图解说明电路板组合件106通过穿过冷板102的通孔105和电路板组合件106的通孔109布置的紧固件101(例如，螺栓和螺母)固定到冷板102的第一表面107。当使用紧固件101时，布置在冷板102和电路板组合件106之间的结合层可以是导热油脂层，以降低电路板组合件106和冷板102之间的热阻。应注意的是，作为导热油脂层构成的这种结合层将不具有专用通孔。应当意识到的是，尤其是当附加的电气部件130(参见图3)被耦接到冷板102时，可以使用如图1和图2中所示的此类实施例。如果不包括这样的部件，则可以省略通孔105、109和紧固件101，如下所述。
在其他实施例中，电路板组合件106通过结合层耦接(例如，固定)到冷板102第一表面107，所述结合层布置在电路板组合件106和冷板102的第一表面107之间，并且是作为焊料层构成的。例如，电路板组合件106的底面可以包括金属层，该金属层使电路板组合件106能够通过焊料层耦接(例如，固定)到冷板102的第一表面107。在不脱离本公开的范围的情况下，也可以使用其他结合方法。
在另外的其他实施例中，电路板组合件106可以是直接3D打印在冷板102上(例如，3D打印在冷板102的第一表面107上)的3D打印层。应意识到的是，在此类实施例中，电路板组合件106的3D打印层降低了总热阻。用于将电路板组合件106固定到冷板102的其他增材制造工艺也可以考虑并包括在本公开的范围内。
在另外的其他实施例中，电路板组合件106可以被层压到冷板102的第一表面107。另外，可以使用激光钻孔在电路板组合件106的各个部件和电力电子设备组合件120(图3)之间进行过孔连接。即，将过孔穿过层压电路板组合件106钻至每个导电层的顶面和电力电子设备组合件120的电力设备。然后通过电镀方法用铜填充过孔，以在部件之间建立电连接。
现在参考图3，图中图解说明示例电力电子系统100的横截面视图。在图解所示的实施例中，附加的电气部件130耦接(例如，固定)到冷板102的第二表面。作为非限制性例子，附加的电气部件130例如可以是逆变器电路的电容器。应当理解的是，在其他实施例中，附加的电气部件130可以不固定到冷板102。
电路板组合件106包括由电绝缘材料制成的基板111。电绝缘材料可以是用于制备印刷电路板的材料，比如但不限于FR-4。电路板组合件106还包括嵌入的导电层110、多个过孔112(导电过孔和热过孔两者)。在一些实施例中，电路板组合件106还可以包括完全或部分嵌入其中的多个电力电子设备组合件120。然而，图3中所示的实施例示出了嵌入S-单元121内的电力电子设备组合件120，S-单元121布置在冷板102的空腔103内，如本文中更详细所述。
作为非限制性例子，冷板102可以在其中包括6个空腔103，用于接纳6个S-单元121和用于电动车辆的逆变器电路的6个电力电子设备组合件120。然而，应当理解的是，取决于应用，可以利用任何数量的S-单元和电力电子设备组合件。
每个电力电子设备组合件120包括接纳在冷板102的空腔103内的S-单元121和耦接(例如，固定)到S-单元121的电力电子设备140。如上所述，S-单元121是电力电子设备140结合到的基板。S-单元121提供导电表面积以连接到电力电子设备140的底面上的电极。S-单元121还提供热扩散功能以及电隔离。然而，在一些实施例中，在S-单元121和冷板102的空腔103的基底壁104之间可以插入额外的电绝缘层180，以提供额外的电隔离，如本文中进一步详细所述。
作为非限制性例子，对于总共6个S-单元121，可以在冷板的6个空腔103中的每个中布置S-单元121。此外，对于总共6个电力电子设备组合件120，可以在6个S-单元121中的每个中嵌入电力电子设备组合件120。在常规布置中，常规S-单元的形状和尺寸导致从每个S-单元的均匀热扩散，这导致S-单元之间的热扩散，尤其是在位于中心的S-单元中，从而降低冷板的整体冷却性能。因而，本公开的S-单元121具有特殊的形状和尺寸，以确保以避免热量向相邻的S-单元扩散的方式引导热通量，如下所述。
图4和图5分别以横截面视图和顶部透视图图解说明了示例S-单元121。S-单元121包括由多个堆叠层形成的主体131。特别地，图4和图5图解所示的S-单元121包括主体131，主体131包括第一金属层122、石墨层124和第二金属层126。第二金属层126包括面向石墨层的第一面125和与第一面125相对的第二面128，第二面具有凹槽127，凹槽127的尺寸被确定为在其中接纳电力电子设备140。如图4和图5中所示，第一金属层122和第二金属层126至少部分围绕石墨层124。本文中使用的术语“石墨复合材料”意味着包含这样一种结构，其中石墨至少部分被金属包围，如图4和图5中所示，并在下文中进一步详细所述。还如下面更详细所述，第二金属层126提供导电表面，导电过孔可以与该导电表面接触，以与电力电子设备140的底面上的电极形成电连接。应意识到的是，图4和图5中所示的S-单元121的各层仅仅是说明性的。即，例如，S-单元121可以具有至少部分被金属部分(例如，一个或多个金属层、金属壳、金属外壳等)包围的一个或多个石墨层。在另外的其他例子中，S-单元121可以包括一个或多个石墨层，这些石墨层完全被金属部分包围，使得金属部分将所述一个或多个石墨层封装在其中。这些例子中的任何一个都被本文中使用的术语“石墨复合材料”涵盖。
作为非限制性例子，S-单元的各层可以通过形成结合层129(即，活性金属钎焊层)的高温活性金属钎焊方法结合在一起。然而，应当理解的是，可以使用其他已知的以及尚未开发的技术来结合各层。
注意，图4和图5的实施例中图解所示的S-单元121包括石墨层124和一对金属层(即，第一金属层122和第二金属层126)，以提供沿着图5中所示的坐标轴中的z轴对称的S-单元。S-单元121的对称性质在高温结合处理期间平衡了S-单元上的力。由于第一金属层122和第二金属层126以及石墨层124具有不同的热膨胀系数，因此可能可取的是具有对称的基板堆叠以在结合处理期间平衡热感应应力。
第一金属层122和第二金属层126可以由任何合适的金属或合金制成。作为非限制性例子，铜和铝可以用作第一金属层122和第二金属层126。应进一步理解的是，如本文中所讨论的用于至少部分或完全围绕石墨层的金属部分也可以是任何合适的金属或合金，比如(但不限于)铜和/或铝。
提供在图5的实施例中所示的石墨层124，以促进跨越S-单元121以及朝向冷板102(图3)的热扩散。石墨的结晶结构为石墨提供了高热导率，使其有助于向冷板102传导热通量。然而，石墨不具有等温轮廓。相反，石墨具有沿着两个轴具有高热导率而在第三个轴上具有低热导率的非等温轮廓。考虑到石墨的非等温轮廓，S-单元121被设计为矩形形状，使其长度尺寸大于其宽度尺寸。参见图5，石墨层124沿着图5中所示的坐标轴中的x轴和z轴具有高热导率。因此，S-单元121被设计为使得其沿着x轴的尺寸大于其沿着y轴的尺寸。即，S-单元121的宽度w通常对应于坐标轴中的y轴，S-单元121的长度l通常对应于坐标轴中的x轴，而S-单元121的深度d通常对应于S-单元121的z轴。长度l和宽度w通常限定给予S-单元121如本文所述的矩形形状的平面，并且通常进一步限定了凹槽127定向于其中的横向平面。深度d通常限定S形单元121的厚度，并且通常进一步限定了凹槽127定向于其中的垂直平面。
归因于S-单元的矩形形状和石墨的特性，S-单元121的长度l和深度d限定了相对高热导率的方向，而S-单元121的宽度w限定了相对低热导率的方向。在非限制性例子中，S-单元121在沿着x轴和z轴的方向上的热导率约为1500W/(mK)，而S-单元121在沿着y轴的方向上的热导率约为10W/(mK)。在另一个非限制性例子中，S-单元121在沿着x轴和z轴的方向上相对于y轴的热导率的比率约为100:1、约为150:1或者大于约150:1的值。结果，相对于y轴，热通量更容易沿着x轴和z轴传播，因此更有可能沿着S-单元121的长度l和深度d沿着x轴和z轴传播。热通量的这种移动确保了热通量不太可能沿着y轴传播到相邻的S-单元121，从而避免了相邻的S-单元121使彼此过热的问题。如在本文中更详细所述，可以沿着x轴在S-单元的边缘处设置热过孔，以接收热通量并将其朝向冷板102移动。热通量也将沿着z轴朝向冷板102传播。
S-单元121的第二金属层126具有在其第二面128中形成的凹槽127。凹槽127可以通过例如化学蚀刻来形成。凹槽127具有接纳电力电子设备140(例如参见图3和图6)的尺寸和形状。第二面128通常可以是第二金属层126的与第一面125(它被配置为第二金属层126的第一主面或表面)相对的第二主面或表面。即，第二金属层126可以是平面层，由此第一面125面向石墨层124，而相对的第二面128面向电力电子设备140和电路板组合件106(图3)。
图6图解说明包括电力电子设备140和包括S-单元121的冷板102的电力电子设备组合件146的局部分解视图。图6描绘了电力电子设备140和相对于S-单元121的凹槽127的结合层143。结合层143例如可以是焊料层。作为另一个例子，结合层143可以是瞬态液相结合层143。电力电子设备140包括在其顶面上的多个电极141、142。大电极141可以是电力电极，而小电极142可以是信号电极。注意，尽管在图6中不可见，但是电力电子设备140还包括在其底面上的一个或多个电极。通过将电力电子设备140放置到凹槽127中，电力电子设备的底面上的一个或多个电极电连接到第二金属层126。因此，通过第二金属层126可以实现与电力电子设备140的底部电极的电连接。
同样参见图3，通过多个过孔112可以实现与多个电极141、142和第二金属层126的电连接。这些过孔112可以向电力电子设备140提供驱动信号，以及提供用于开关电流的电流路径。注意，在一些实施例中，一些过孔112可以被配置为不传导驱动信号或开关电流的热过孔。另外，冷板102的空腔103内的S-单元布置允许经由S-单元从电力电子设备140到冷板的通量移动，如本文中所述。以这种方式，最佳地引导热通量离开电力电子设备140并经由S-单元121引导到冷板102。如图3中所示，冷的冷却流体135通过流体入口132进入冷板102，流过流体室115，并作为加热的冷却流体离开流体出口134。
仍然参见图3和图6，冷板102的空腔103的形状和/或尺寸可以被设置为接收电力电子设备140嵌入其中或与之耦接的S-单元121，如本文中所述。结合材料180可以布置在S-单元121和冷板102的空腔103的一个或多个壁之间。例如，可以通过将结合材料180施加到空腔103的基底壁104和/或一个或多个侧壁，将S-单元121结合在空腔103内，以将S-单元固定在空腔121内。结合材料180通常不受本公开的限制，并且通常可以是提供结合性能的任何材料。在一些实施例中，结合材料180可以是充当电绝缘体的材料，例如电介质。在另一个例子中，结合材料180可以是IMS介电材料。然而，具有电绝缘性的其他材料也可以考虑并包括在本公开的范围内。
现在应当理解的是，本公开的实施例涉及具有耦接到电力电子设备组合件的电路板组合件的电力电子系统，所述电力电子设备包括包含S-单元的冷板。电力电子设备可以嵌入S-单元内和/或电路板组合件内。S-单元由石墨或石墨复合材料形成，并且具有特殊的尺寸，使得S-单元的热导率导致热通量在一些方向上朝向冷板移动并远离相邻的S-单元。这样的电力电子系统是紧凑的，在保持使S-单元电绝缘的能力的同时，提供了增大的热导率，从而提高了从S-单元到冷板的热通量，从而相对于传统封装提高了PCB的热扩散和冷却性能。
注意，用语“基本上”和“大约”在本文中可用于表示可归因于任何定量比较、值、测量或其他表示的固有不确定性程度。本文中还利用这些用语来表示定量表示可能与所述参考文献不同而不会导致所讨论的主题的基本功能发生变化的程度。
虽然本文中已经例示和描述了特定的实施例，但是应当理解的是，在不脱离要求保护的主题的范围的情况下，可以进行各种其他变更和修改。此外，尽管本文中描述了要求保护的主题的各个方面，但是这些方面不需要组合使用。于是，所附权利要求书旨在覆盖在要求保护的主题的范围内的所有此类变更和修改。
对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离要求保护的主题的范围的情况下，可以对本文中描述的实施例进行各种修改和变化。因此，本说明书旨在覆盖在本文中描述的各个实施例的修改和变化，只要此类修改和变化在所附权利要求及其等同物的范围内。
Claims (20)
1.一种冷板，包括：
S-单元，所述S-单元具有包括石墨或石墨复合材料的主体，所述主体限定电力设备凹槽，其中所述S-单元被布置在所述冷板的空腔内；和
结合材料，所述结合材料将所述S-单元结合到所述空腔的基底壁。
2.按照权利要求1所述的冷板，其中所述S-单元的主体包括长度、宽度和深度，其中相对于所述S-单元的宽度，所述S-单元的长度和深度具有高热导率。
3.按照权利要求1所述的冷板，其中所述S-单元的主体包括长度和宽度，其中所述长度大于所述宽度。
4.按照权利要求1所述的冷板，其中所述S-单元的主体的石墨复合材料包括石墨和至少部分围绕所述石墨的金属部分。
5.按照权利要求4所述的冷板，其中所述金属部分完全围绕所述石墨。
6.按照权利要求4所述的冷板，其中所述金属部分由铜或含铜材料形成。
7.按照权利要求1所述的冷板，其中所述结合材料包括隔热材料。
8.按照权利要求7所述的冷板，其中所述隔热材料为介电材料。
9.按照权利要求8所述的冷板，其中所述介电材料为绝缘金属基板材料。
10.按照权利要求1所述的冷板，还包括流体室、流体入口和流体出口，其中所述流体入口和所述流体出口热耦接到所述流体室。
11.一种电力电子设备组合件，包括：
限定空腔的冷板，所述冷板包括：
布置在所述冷板的空腔内的S-单元，所述S-单元具有包括石墨或石墨复合材料的主体，所述主体限定电力设备凹槽，和
结合材料，所述结合材料将所述S-单元结合到所述空腔的基底壁；和
电力电子设备，所述电力电子设备嵌入所述S-单元的所述电力设备凹槽内。
12.按照权利要求11所述的冷板，其中所述电力电子设备被烧结到所述电力设备凹槽的一个或多个表面。
13.按照权利要求11所述的电力电子设备组合件，其中所述S-单元的主体包括长度、宽度和深度，其中相对于所述S-单元的宽度，所述S-单元的长度和深度具有高热导率。
14.按照权利要求11所述的电力电子设备组合件，其中所述S-单元的主体包括长度和宽度，其中所述长度大于所述宽度。
15.按照权利要求11所述的电力电子设备组合件，其中所述S-单元的主体还包括金属部分，所述金属部分至少部分地围绕所述石墨或石墨复合材料。
16.按照权利要求11所述的电力电子设备组合件，其中所述结合材料包括绝缘金属基板材料。
17.一种电力电子系统，包括：
电路板组合件；和
耦接到所述电路板组合件的电力电子设备组合件，所述电力电子设备组合件包括：
限定空腔的冷板，所述冷板包括：
布置在所述冷板的空腔内的S-单元，所述S-单元具有包括石墨或石墨复合材料的主体，所述主体限定电力设备凹槽，和
结合材料，所述结合材料将所述S-单元结合到所述空腔的基底壁；和
电力电子设备，所述电力电子设备嵌入所述S-单元的所述电力设备凹槽内。
18.按照权利要求17所述的电力电子系统，其中：
所述冷板在其第一表面耦接到所述电路板组合件；和
电容器耦接到所述冷板的与所述第一表面相对的第二表面。
19.按照权利要求17所述的电力电子系统，其中所述S-单元的主体包括长度、宽度和深度，其中相对于所述S-单元的宽度，所述S-单元的长度和深度具有高热导率。
20.按照权利要求17所述的电力电子系统，其中所述S-单元的主体包括长度和宽度，其中所述长度大于所述宽度。
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