CN1359152A

CN1359152A - 一种导热绝缘片式整流器件水冷方法及装置

Info

Publication number: CN1359152A
Application number: CN 01131640
Authority: CN
Inventors: 张劲松; 何多昌
Original assignee: ZHUZHOU INST OF ELECTRIC LOCOMOTIVE MINISTRY OF RAILWAYS
Current assignee: ZHUZHOU INST OF ELECTRIC LOCOMOTIVE MINISTRY OF RAILWAYS
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2002-07-17

Abstract

一种导热绝缘片式整流器件水冷方法及装置,采用直接接触的方式,将导热陶瓷片的两面分别直接贴在半导体功率元件的接线母排和散热器的外表面上,通过光滑的表面直接贴合,将半导体元件、导热陶瓷片、连接母排、散热器及压装件等组合在一起,多排排列,半导体元件采用单面冷却,其特征在于导热陶瓷片与水冷散热器及功率半导体器件连接母排是直接接触的,水冷散热器共两组,每组散热器用由三个散热器模块用管焊连接形成一个整体,在水路布置上,进出水口各一个,分为两个支路单循环冷却,这样可使整流器件所得到的冷却比较均匀。采用这种布置,能降低导热陶瓷器件本身的温度梯度,增强散热效果,同时又可缩短整个散热系统的轴向尺寸,减轻装置的重量。

Description

一种导热绝缘片式整流器件水冷方法及装置

一、技术领域

本发明属于一种功率半导体元件的冷却散热方法及装置，特别是指采用导热陶瓷片作为功率半导体元件绝缘导热体的水冷的方式及装置。

二、技术背景

随着功率半导体器件的功率等级、开关频率的提高，即器件的损耗和热流密度的不断提高，对器件的冷却要求也越来越高。按与半导体器件直接接触的散热器的冷却原理及冷却介质的不同，大致可分为空气、油、氟里昂和水等几种类型。在这些冷却型式中，各有各的特点和应用范围，根据各公司的生产、应用习惯、生产工艺及对各种冷却系统应用研究程度决定相应的冷却。如在交流传动机车中，日本多采用热管，欧洲多采用油冷、沸腾冷却和水冷，但总的目标是一致的，即使功率半导体结温在其许用值以下。采用风冷，由于其空气的导热系数较低，冷却速度慢，此外风冷装置的结构庞大，噪声大(自然风冷无噪声，但要求体积大)，因此在体积、重量要求严格，热流密度大的应用场合，基本上不采用风冷。油冷的最大特点是冷却介质不导电，且冷却效率较高，但污染环境，并有燃烧的危险，应用困难。沸腾冷却及热管冷却散热效率高，但应用比较复杂。另一种冷却方式就是水冷，水是一种优越的冷却介质，具有传热性能好，热容量大，对环境友善的特性，在汽车、能源、化工等领域有广泛的应用。目前，在功率半导体元件的散热中，水冷却散热方式，已经成为了一种发展趋势。

由于普通水能够导电，限制了水冷方式在中、高压大电流整流领域的应用。以水为介质在大功率整流器件进行冷却时，需同时解决二方面的问题，其一是水与器件的绝缘问题，其二则是传热强化的问题。近年来，在国外开始采用导热陶瓷片作为功率半导体器件的水冷导热绝缘部件。导热陶瓷片具有高导热性和高绝缘双重性能，能将功率半导体元件运行过程中产生的热量有效地传递到冷却水中，充分利用水的传热性能，又能充分利用陶瓷片的高介电性能，避开冷却水的导电特性，实现主电路与冷却水绝缘，保护操作者的人身安全。采用导热陶瓷片，能有效降低水冷整流装置的体积和重量，同时，由于取消了附加的去离子设备，既降低了对冷却水的要求，又能减少运营费用。

现有水冷整流装置的导热陶瓷片是封装在一固定器件内的，导热陶瓷片两侧用铜块压紧，封装在元件内部，这样虽对陶片虽有一定的稳固作用，压装方便，可另一方面，既增大了导热陶瓷器件的轴向尺寸，又增加了导热路径的热阻，使得整个器件的散热效果减低，导致导热陶瓷片散热性能的优势没有得到充分的发挥。此外，现有的导热陶瓷片式水冷整流装置的管路相互之间连接都是采用活动管接方式，存在泄漏的可能，另外也使得整个装置的结构尺寸偏大，所以在这些方面都有必要加以改进。

三、发明内容

本发明的目的在于针对现有导热陶瓷片式水冷装置的不足，提出一种导热陶瓷片独立作为一个绝缘传热器件的直传式导热陶瓷片式水冷方式及其装置。

根据本发明的目的所提出的技术方案是，采用直接接触的散热方式，将导热陶瓷片的两面分别直接贴在半导体功率元件的接线母排和散热器的外表面上，通过光滑的表面直接贴合，散热器和连接母排与导热陶瓷片接合面的表面光洁度为0.2-0.8μm，导热陶瓷片的表面光洁度为0.2-0.8μm，且导热陶瓷片直接安装在散热器与接线母排之间，其一面直接贴在散热器相对应的面上，另一面则直接贴在连接母排相对应的面上，从连接母排到散热器的温度梯度为3-5℃。导热陶瓷片的材料为ALN≥93％，其余为添加剂；硬度为莫氏6-7级，电阻率≥10¹⁵Ω.cm，导热系数≥80W/M·K，耐电压工频10kV，1min无击穿及闪烁现象，陶瓷片的厚度为2-3mm。采用这种布置，能降低导热陶瓷器件本身的温度梯度，增强散热效果，同时又可缩短整个散热系统的轴向尺寸，减轻装置的重量。这一点对于运动的运行设备，特别向轨道机车来说是极为重要的，根据这种直接接触的散热方式所设计的导热绝缘片式的水冷整流装置，是将半导体元件、导热陶瓷片、连接母排、散热器及压装件等组合在一起(一般是按一个桥式功能模块组合)，多排排列，半导体元件采用单面冷却，其特征在于导热陶瓷片与水冷散热器及功率半导体器件连接母排是直接接触的，水冷散热器共两组，每组散热器用由三个散热器模块用管焊连接形成一个整体，在水路布置上，进出水口各一个，分为两个支路单循环冷却，这样可使整流器件所得到的冷却比较均匀。

采用这种导热陶瓷片与散热器和整流器件直接接触的方式，可大大缩短整个散热装置的轴向尺寸，这样可使得整个装置的轴向尺寸缩小，同时由于在排与排之间采取散热器冷却管直接焊接连接，这样可以大大缩减排与排之间的距离，从而使得整个整流装置从两方面都得到缩减，这样就可大大减轻整个整流装置的体积，采用铝制散热器及压装件，散热效率高，能使得装置重量最大程度的减小。使得功率器件的小型化能得以实现，同时，由于采用了双支路单循环冷却系统，使得各器件的冷却变得更为均匀，减少了器件受热而发生变形不均匀的现象，因此本发明可在功率半导体器的冷却中得到广泛的应用。

四、附图及说明

图1为本发明冷却结构原理图；

图2为本发明具体实施结构主视图；

图3为本发明具体实施结构俯视图；

图4为本发明具体实施结构左视图。

图中：1-导热陶瓷片，2-半导体功率元器件，3-连接母排，4-散热器，5-散热器与导热陶瓷片接触面，6-母排与导热陶瓷接触面，7-冷却水出入口，8-冷却水出入口，9-安装架，10-散热器冷却连接管，11-半导体功率器件，12-半导体功率器件，13-散热器，14-散热器，15-导热陶瓷片，16-导热陶瓷片，17-固定架板，18-固定架板，19-螺栓，20-散热器，22-散热器，23-散热器，24-连接母排，25-连接母排。

五、具体实施方式

图1为本发明的原理图，根据本发明的构思所提出具体实施方式是导热陶瓷片(1)、半导体功率元器件(2)、连接母排(3)、和散热器(4)直接贴合在一起，先将导热陶瓷片的两面进行光洁处理，使其表面光洁度达到0.2-0.8μm，并将其直接安装在散热器与连接母排之间，其一面直接贴在散热器相对应的面上，另一面则直接贴在连接母排相对应的面上，使得从连接母排到散热器的温度梯度为3-5℃(散热功率1000W)。

图2，图3，图4给出了本发明的一个具体实施例，从附图中可以看出，本发明包括导热陶瓷片(1)、半导体功率元器件(2)、连接母排(3)、散热器(4)、安装架(9)和散热器冷却连接管(10)，其特征在于本发明所述的装置是将两个半导体功率器件(11)、(12)为一组轴向紧贴排列的，两个器件外侧各设置一散热器(13)、(14)，在散热器(13)、(14)与半导体功率器件连接母排(24)、(25)之间直接夹装有导热陶瓷片(15)、(16)，并根据功能模块体的设置按照两个功率器件一列，实行多列排序，而构成一个完整的带冷却装置的功能模块，再在每列的两端用固定架板(17)、(18)通过螺栓(19)将整个装置固定。导热陶瓷片的材料为ALN≥93％，其余为添加剂；硬度为莫氏6-7级，电阻率≥10¹⁵Ω.cm，导热系数≥80W/M·K，耐电压工频10kV，1min无击穿及闪烁现象，陶瓷片的厚度为2-3mm。运用本发明的原理可以将半导体功率器件组件的轴向尺寸大大缩短。对于各列散热器之间的冷却水管均采用焊接连接，而且冷却水为双循环管路冷却，其一路冷却水管的冷却顺序是由散热器的(21)到(22)再到(13)，然后从装置的下部回到出水口，另一路则是由散热器的(23)到(20)再到(14)，然后也从装置下部回到出水口。

Claims

1、一种导热绝缘片式整流器件水冷方法及装置，其特征在于所述的方法是将采用直接接触的散热方式，将导热陶瓷片的两面分别直接贴在半导体功率元件的连接母排和散热器的外表面上，通过光滑的表面直接贴合，散热器和连接母排与导热陶瓷片接合面的表面光洁度为0.2-0.8μm，导热陶瓷片的两面的表面光洁度为0.2-0.8μm，且导热陶瓷片直接安装在散热器与连接母排之间，其一面直接贴在散热器相对应的面上，另一面则直接贴在连接母排相对应的面上，从半导体功率元器件到散热器的温度梯度为3-5℃。

2、如权利要求1所述的导热绝缘片式整流器件水冷方法及装置，包括导热陶瓷片(1)、半导体功率元器件(2)、连接母排(3)、散热器(4)、安装架(9)和散热器冷却连接管(10)，其特征在于所述装置的导热陶瓷片与水冷散热器及功率半导体器件连接母排是直接接触的，将两个半导体功率器件(11)、(12)为一组轴向紧贴排列的，两个器件外侧各设置一散热器(13)、(14)，在散热器(13)、(14)与半导体功率器件连接母排(24)、(25)之间直接夹装有导热陶瓷片(15)、(16)，并根据功能模块体的设置按照两个功率器件一列，实行多列排序，而构成一个完整的带冷却装置的功能模块，再在每列的两端用固定架板(17)、(18)通过螺栓(19)将整个装置固定。

3、如权利要求1或2所述的导热绝缘片式整流器件水冷方法及装置，其特征在于导热陶瓷片的材料为ALN≥93％，其余为添加剂

4、如权利要求1或2所述的导热绝缘片式整流器件水冷方法及装置，其特征在于导热陶瓷片的硬度为莫氏6-7级，电阻率≥1015Ω.cm，导热系数≥80W/M·K，耐电压工频10kV，1min无击穿及闪烁现象，陶瓷片的厚度为2-3mm。

5、如权利要求1或2所述的导热绝缘片式整流器件水冷方法及装置，其特征在于水冷散热器共两组，每组散热器用由三个散热器模块用管焊连接形成一个整体，在水路布置上，进出水口各一个，分为两个支路单循环冷却。

6、如权利要求1或2所述的导热绝缘片式整流器件水冷方法及装置，其特征在于冷却水为双循环管路冷却，其一路冷却水管的冷却顺序是由散热器的(21)到(22)再到(13)，然后从装置的下部回到出水口，另一路则是由散热器的(23)到(20)再到(14)，然后也从装置下部回到出水口。