CN1326238C - 液体冷却的功率半导体器件热沉 - Google Patents

Abstract

一种用于冷却电子元件的冷板(10)，包括：基部，具有将至少一个电子元件放置于其上的顶面；形成在所述基部顶部并在该顶部敞开的冷却井(20)；形成于基部内、用来接收流入冷却井(20)的流体的供送通道(12)；形成在基部内、用来将冷却流体从冷却井(20)带走的排出通道(13)；形成于所述冷却井(20)内、并分别与供送通道(12)和排出通道(13)连通的冷却井入口(21)和出口(22)。所述进料和排出通道(12、13)相对于井(20)和冷却井入口和出口(21、22)的尺寸和流动特性来说足够大，从而当冷却流体流过该装置时，经过供送通道(12)的压降比经过井(20)的压降小很多。

Description

液体冷却的功率半导体器件热沉

技术领域

本发明总的来说涉及用来冷却功率电子器件的热沉，特别是用来冷却向HVAC系统中的感应电动机提供电力的器件的热沉。更具体地说，本发明涉及一种热沉，借此冷却流体经过该器件安装于其上方的通道和井的系统而与要被冷却的器件直接接触。

背景技术

通常，功率电子器件，如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和可控硅整流器(SCR)，通过将该器件安装在一个固定到热沉或“冷板”上的壳体中而得到冷却。冷板通常由导热性高的材料，如铝或铜制成，使得该冷板能够将器件产生的热迅速地从器件传导到外界。通常，该热量由冷板传导到一个构件上，该构件设计用来通过传导和对流将热量传递给周围空气。

现有技术的冷板的缺点在于：由于热量在其到达冷板之前必须通过器件封装入其中的壳体的基板并且穿过基板与冷板之间的接触面，因此来自于功率电子器件的热传递有了某种程度的减少。穿过基板-冷板接触面的热传递对配合面的紧密度依赖性很高，而紧密度又取决于配合面的平整度以及由将器件固定到冷板上的紧固件所产生的接触压力。结果，会在基板和冷板上出现局部热点，并且功率电子器件承受较高的工作温度。为了减轻这种影响，通常利用更大和更厚的基板来更好地分布穿过基板-冷板接触面的热量。尤其是在一个以上的功率电子器件安装在单个冷板的场合，还需要更厚的冷板来提供更大的热沉质量。不幸地，由增加的基板和冷板厚度引起的附加重量常常是不合需要的，特别是对于在汽车工业和航空航天工业中的应用尤其如此。另外，较厚的冷板还增加热阻，于是提高了电子仪器的工作温度。

将热量传递给流经冷板的流体也是公知的。再者，通常使用导热金属冷板，但只在该冷板中形成一个或多个通道。如前所述，热量通过流经通道的冷却流体而从器件传导到外界。尽管用流体冷却的冷板能够增强传热，然而这种冷板与更传统的现有技术冷板同样有着上面指出的缺点。具体地说，由于热量在到达冷板之前必须通过该器件的基板并穿过基板与冷板之间的接触面，因此来自于功率电子器件的热传递减小了。因此，由流体冷却的冷板冷却的功率电子器件也经受较高的工作温度。

当前的流体冷却冷板的其他缺点在于它们在冷却方面的有效性，并且它们难于制造。目前，这些流体冷却冷板通常分为两类。第一类利用在基板上切出的沟槽，将管子，通常是铜管，安置于沟槽中。接着，将导热环氧树脂涂在管子之上以便将其固定就位，并提供管子和基板之间的热界面。然后将冷却流体引入管子，以便将热量从电子元件处带走。铜管的利用使得该板本身可以用铝制造，这可以减轻重量并容易生产，但是从液体通过管子、环氧树脂进入该器件本身的热传递不是最佳的。

另一种技术利用由铜或其它的合适的材料制成的基板，在基板中钻出冷却流体流动用的通道。这种类型的基板也有一些缺点。由于流体流过板子本身，因此其材料，如铜，常常很重，并导致基板的重量相当大。另外，通道常常必须从边缘开钻，并且然后需要对孔进行铜焊，以便制成一个密封的内部室。另一个缺点在于由于钻取弯角存在难度，如果不是不可能，这些孔常常转向90度直角。这种类型的通道导致流动能力的减小。另外，类似于利用铜管的基板，热沉的冷却能力必须通过基板传递，然后进入电子器件本身。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种用来冷却电子元件的冷板，包括：基部，具有将至少一个电子元件安装于其上的顶面；形成在所述基部顶部并在该顶面敞开的冷却井；形成于基部内的供送通道，用来接收要被引导到冷却井中的冷却流体；形成在基部内的排出通道，通过它将冷却流体从冷却井带走；形成于所述冷却井中、并与所述供送通道连通的冷却井入口；以及与所述冷却井入口相对地形成于所述冷却井中、并与所述排出通道连通的冷却井出口；其中所述供送通道、排出通道相对于所述冷却井和冷却井入口和出口的尺寸和流动特性来说足够大，从而当冷却流体流过冷却装置时，经过供送通道的压降与经过井的压降相比小很多。

根据本发明的另一方面，提供一种用于冷却高速电子开关的冷板，包括：基部，具有将至少三个高速电子开关安装于其上的顶面；至少三个形成在所述基部的顶面上并在该顶面敞开的冷却井，其中每口井接纳一个高速电子开关；形成于基部中的供送通道，用来接收要被引导至冷却井中的冷却流体；形成在基部中的排出通道，通过它将冷却流体从冷却井带走；冷却井入口，形成于所述冷却井中，并与所述供送通道连通；以及冷却井出口，与所述冷却井入口相对地形成于所述冷却井中，并与所述排出通道连通。

本发明的其他目的和优点的一部分将在后面的描述中阐明，一部分将由于该描述而变得显然，或者可由本发明的实践获知。本发明的目的和优点可以通过在附加的权利要求中特别指明的元件和组合来实现和达到。

应该理解的是：前面总的描述和后面的详细描述仅是示例性的和解释性的，而不象权利要求一样是对本发明的限制。

包含在本说明书中、并组成说明书的一部分的附图显示出本发明的实施例，并与文字描述一起用来解释本发明的原理。

附图说明

图1是包含本发明的冷板的典型的变速感应电动机驱动系统的三维分解视图；

图2是根据本发明的冷板的平面图；

图3是图2的冷板通过A-A线的横截面视图；

图4是图2的冷板通过B-B线的横截面视图；

图5是显示出图2的冷板的井和O形圈的平面图；

图6是显示出图2的冷板的井和O形圈的第二实施例的平面图；

图7示意性地显示出连接至一个带有热交换器的冷却系统的本发明的冷板。

具体实施方式

现在将详细讨论本发明的本实施例，其例子显示在附图中。只要可能，在整个附图中，将用相同的附图标记来表示相同的或类似的部件。

图1显示出具有多个置于冷板10上方的开关2的变速感应电动机驱动器1。尽管这种驱动器可用来为用于不同应用的电动机提供所需的动力，然而在一个优选实施例中，驱动器1被用来驱动HVAC系统中的感应电动机。例如，这种电动机可以驱动制冷系统的压缩机。

电动机驱动器1的开关2被描述为含有3个IGBT的EUPEC模块，但是需要冷却来最佳运行的其它半导体器件或者其它电子元件也可以用这个冷板来冷却。冷却流体管3、4分别连接至供送通道12和排出通道13，以便将冷却流体引入冷板10。如图7所示，管3和4连接至冷却系统，该系统提供了冷却流体流至冷板10的连续流动。冷却流体，如冷却水应用于管3，如下所述流经冷板，并通过管4流出。

多种不同的冷却流体，包括水和已知的制冷剂，可被引导到冷板中，并用来冷却电子元件。此外，多种不同的冷却系统，如已知的热交换器，可被用来冷却应用于冷板并从冷板流出的冷却流体。

在本发明冷板的优选实施例和应用中，冷板冷却至少三个用来给HVAC系统的感应电动机提供动力的电子开关。电子开关，单个地或者作为一个单元，以密封的关系固定到冷板上。应用于冷板的冷却流体最好是流过冷板和如图7所示的闭合环路中的热交换器的水。热交换器在水被再次引入冷板之前冷却该水。优选地，热交换器是管壳式换热器，其中来自于HVAC系统中冷却塔的水用来冷却应用于冷板的水。

如图2所示，设置了冷板10，在其上可安装电子元件或模块，优选地包括多个高速开关。图2中所示冷板具有安装孔11。这些孔可以带有螺纹，以便接收与电子元件接合并将其固定就位的螺钉和螺栓。尽管本发明显示成用安装孔来将电子元件固定到基板上，然而本领域已知的其它紧固装置也可用来将电子元件紧固到冷板上。仅仅作为示例，元件可以通过夹紧装置、粘结剂、焊接等等固定到或定位到冷板上。

两个主流体通道12和13通过机加工或以其它方法形成在冷板10中，借此冷却流体可通过供送通道12引入该板中，并可通过排出通道13流出该板。在所示的实施例中，这些通道是沿着冷板的长度延伸的相对较大的圆柱形槽。这些通道被确定尺寸和设计，以便沿着它们的长度具有相对较低的压降。

在冷板的顶部制有一系列凹井20。在优选实施例中，井20被O形圈槽31围绕，O形圈可放置在O形圈槽中。然后，通过安装孔11或其它装置或手段，要被冷却的电子器件定位在井上方的适当位置并紧固，借此在器件的基部和冷板10之间形成不透水密封。优选地，每个要被冷却的单独的电子开关或器件有单独的井。电子器件优选定位在井的正上方，从而其底部被设置成与冷却流体直接接触。

井优选具有与要冷却的电子元件的宽度、长度和形状相匹配的宽度、长度和形状。例如，在电子元件是开关的HVAC应用中，井具有约1.5英寸的宽度和3英寸的长度。冷却流体通过形成于井中的进入口21从供送通道12进入井，流过该井，然后从出口22流出并进入排出通道13。这些通道又连接到用来冷却从通道13流出的冷却流体的热交换器。

冷板及其元件设计成以高效和经济的方式来提供在冷却流体与电子元件之间的最佳热传递。看来，利用这样的井可以得到最佳结果，该井具有在0.02至0.20英寸范围内的深度、0.05至0.20英寸之间的水力直径、并具有将冷却流体以约90°的角度施加到置于该井上方的电子元件表面上的为90°喷嘴的入口。于是，该井的水力直径通常由下述方程来确定：水力直径＝4×横截面面积/(2×井深+2×井宽)。喷嘴优选位于井的末端，如图所示，从而有效的冷却流体从电子元件的表面以及邻近喷嘴的井壁弹回。

喷嘴由于冷却流体撞击到电子元件的表面上而促进了高度的湍流度。该湍流度通过对井深和水力直径的最佳选择而维持。较浅的井深或较小的水力直径倾向于使流动再层流化，由此对传热的强化作用减小了一些。另一方面，由于邻近表面的流体速度的降低，较深的井深或较大的水力直径倾向于减小传热的强化作用。

冷板及其元件优选也设计成这样，即经过供送通道12长度上的压降比经过井的压降小很多。这可通过相对于井及其进口和出口的尺寸、形状和流动特性而增加至少供送通道的尺寸来实现，以便得到这种相对关系。优选地，经过供送通道长度上的压降不大于经过单个井的压降的1/10。优选地，每口井具有相同的尺寸、形状和流体流动特性。

如图所示，在本发明的优选实施例中，井的入口和出口的形状为长缝形。这些入口缝具有一定的宽度、长度和深度。所形成的狭缝被设计成用作使冷却流体冲向电子元件底面的喷嘴。与通道12和13相比，端口21和22足够小，从而在冷却流体流入每口井20时经过通道13不会有可测得的显著压降。如图6所示，入口和出口的另一个实施例在其中示出，其中入口和出口实际上是形成于井20两端上的多个开口25。

通道12和13如此设计，以便在两通道的整个长度上提供基本相等的压力，结果每口井20可“观察到”相同的入口压力和压差，并具有相等的流量，于是具有相同的冷却能力。具有这些所需特性的通道的利用使得在已有技术的装置中所发生的每一随后井中的流量减小的问题最小化，优选避免了该问题。

举例来说，当井的宽度约为1.291英寸、长度约4.033英寸、深度约0.05英寸，并且当冷板包括三个井时，已经发现直径0.563英寸的通道12和13可具有所需的流量和压降特性。在该例子中，端口21和22优选基本上沿着井的整个宽度延伸，并且所述端口具有约0.094英寸的喷嘴宽度、约0.906英寸的长度、和至少0.125英寸的深度。

如图3中的部分所示，端口优选地形成为从井的底部向下延伸至通道12和13的长缝。这些狭缝优选地垂直于冷板的表面。这种组合实现了可强化传热而不会显著影响压降的更加紊乱的流动。与具有不同深度的井或者需要使用置于流路内的障碍物以便增强紊流的其他相关装置相比，井、入口和通道的简单形状使得制造更容易。

并且，通过与使冷却流体顺序地从第一井流动至最后一口井相反地将每个井20直接连接至入口13，新鲜冷却剂可供给至每口井，这样使所有井的冷却能力最大化。类似的现有技术装置利用单独的冷却剂路径，从而在冷却剂到达下一口井时，前面的每口井已将热量传递给了冷却剂。在冷却剂如此顺序流至最后一口井时，冷却剂的冷却能力大大地减少了。

尽管本领域普通技术人员会理解该冷板可由多种合适的材料中的任何一种制成，然而诸如铝这样的材料将是优选的，以便使冷板的重量最轻。另外，对冷板与冷却剂接触的部分进行阳极氧化处理以便减小受腐蚀的可能性也是较为理想的。用于这种冷却装置的另一种可取的材料是铜。

可以预料的是也可将附加的电子元件固定在冷板上与具有敞口井的表面相反的表面上。这样将以与现有技术装置中通过元件将热量传递给冷板、然后传递给液体类似的方式来冷却这些元件。这种配置可以得到非常紧凑的整体封装。

另外，根据本发明的冷板中，经过供送通道的压降不超过经过井的压降的七分之一。

根据本发明的冷板中，经过每口井的压降大致相同，并且经过供送通道的压降不大于经过井的压降的七分之一。

根据本发明的冷板中，每个冷却井入口是长缝，该长缝基本上延伸了冷却井的最接近供送通道的侧边的整个长度。

根据本发明的冷板中，多个冷却井中的每个在井的底部设置有圆角，井的剩余部分的深度基本上相同。

根据本发明的冷板中，冷却入口和出口是窄的长缝，这些缝分别延伸了该井离供送通道和排出通道最近的侧边的基本上整个长度。

根据本发明的冷板中，冷却入口和出口包括分别形成在该井离供送通道和排出通道最近的侧边的一系列孔。

根据本发明的冷板中，流过所述供送通道的冷却剂流与流过多个冷却井的冷却剂流基本上相垂直。

对于考察了说明书、并实践了此处公开的本发明的本领域普通技术人员来说，本发明的其他实施例将变得显然。说明和例子应看作仅仅是示例性的，本发明的真正的范围和精神应由后面的权利要求来表明。

Claims (28)

1、一种用于冷却电子元件的冷板，包括：

基部，该基部具有将至少一个电子元件安装于其上的顶面；

形成于所述基部顶面上、并在该顶面敞开的冷却井；

形成于基部中的供送通道，用来接收要引导至冷却井中的冷却流体；

形成在基部中的排出通道，通过它将冷却流体从冷却井带走；

冷却井入口，形成于所述冷却井中，并与所述供送通道连通；以及

冷却井出口，与所述冷却井入口相对地形成于所述冷却井中、并与所述排出通道连通；

其中，所述供送通道相对于所述冷却井和冷却井入口和出口的尺寸和流动特性来说足够大，从而当冷却流体流过冷却装置时，经过供送通道的压降与经过井的压降相比小很多。

2、如权利要求1所述的冷板，其中所述冷板包括沿所述供送通道和所述排出通道的长度间隔开的多口井，每口井被确定尺寸和成形，以便冷却电子元件或其附属部分。

3、如权利要求1所述的冷板，其中经过供送通道的压降不超过经过井的压降的七分之一。

4、如权利要求1所述的冷板，其中经过供送通道的压降不大于经过井的压降的十分之一。

5、如权利要求1所述的冷板，其中每口所述井的水力直径在0.05至0.20英寸之间。

6、如权利要求2所述的冷板，其中每口所述冷却井的深度在0.020至0.20英寸范围之内。

7、如权利要求6所述的冷板，其中经过每口井的压降大致相同，并且经过供送通道的压降不大于经过井的压降的七分之一。

8、如权利要求6所述的冷板，其中每个冷却井入口包括喷嘴，该喷嘴设计成可使冷却流体直接冲向放置在各个冷却井上方的电子元件的表面。

9、如权利要求8所述的冷板，其中所述井入口是喷嘴，该喷嘴以大约90°角将冷却流体引导至电子元件的表面。

10、如权利要求9所述的冷板，其中每个井入口定位在各个冷却井中离所述供送通道最近的端部上，从而使来自该入口的冷却流体直接冲向电子元件的表面，并且还从所述冷却井的端壁弹回并弹向冷却井出口。

11、如权利要求10所述的冷板，其中每个冷却井入口是长缝，该长缝延伸了冷却井的最接近供送通道的侧边的整个长度。

12、如权利要求11所述的冷板，其中所述冷却井出口是形成于所述冷却井中与冷却井入口位置相对的端部处的长缝。

13、如权利要求2所述的冷板，还包括一个机械系统，用来将电子元件以密封关系连接至所述冷板上。

14、如权利要求13所述的冷板，其中所述机械系统包括冷板中的多个孔、以及多个用来与所述孔及电子元件接合的紧固件。

15、如权利要求14所述的冷板，还包括围绕每个冷却井的周边形成的、O形圈可置于其中的O形圈槽。

16、如权利要求2所述的冷板，其中所述冷板包括至少三个冷却井以及相关的冷却井入口和出口。

17、如权利要求2所述的冷板，其中所述冷板由铝制成。

18、如权利要求2所述的冷板，其中冷板与冷却流体接触的所有部分都经过阳极氧化处理。

19、如权利要求2所述的冷板，其中冷却装置由铜制成。

20、如权利要求9所述的冷板，其中流过所述供送通道的冷却剂流与流过多个冷却井的冷却剂流相垂直。

21、如权利要求9所述的冷板，其中多个冷却井中的每个在井的底部设置有圆角，井的剩余部分的深度相同。

22、如权利要求2所述的冷板，其中冷却入口和出口是窄的长缝，这些缝分别延伸了该井离供送通道和排出通道最近的侧边的整个长度。

23、如权利要求2所述的冷板，其中冷却入口和出口包括分别形成在该井离供送通道和排出通道最近的侧边的一系列孔。

24、如权利要求2所述的冷板，其中冷却流体是水。

25、一种用于冷却高速电子开关的冷板，包括：

基部，具有将至少三个高速电子开关安装于其上的顶面；

至少三个形成在所述基部的顶面上并在该顶面敞开的冷却并，其中每口井接纳一个高速电子开关；

形成于基部中的供送通道，用来接收要被引导至冷却井中的冷却流体；

形成在基部中的排出通道，通过它将冷却流体从冷却井带走；

冷却井入口，形成于所述冷却井中，并与所述供送通道连通；以及

冷却井出口，与所述冷却井入口相对地形成于所述冷却井中，并与所述排出通道连通。

26、如权利要求25所述的冷板，其中所述井入口是喷嘴，该喷嘴设计成使冷却流体以约90°的角度直接冲向电子开关的表面。

27、如权利要求25所述的冷板，其中所述冷却流体在闭环系统中利用热交换器得到冷却。

28、如权利要求25所述的冷板，其中相对于所述冷却井和冷却井入口和出口的尺寸和流动特性来说，所述供送通道和排出通道足够大，从而当冷却流体流过冷却装置时，经过供送通道的压降比经过井的压降小很多。

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