CN203085514U - 基于环路热管的igbt模块散热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于环路热管的IGBT模块散热器。本基于环路热管的IGBT模块散热器包括基板、散热底座、水冷换热器和至少2根环路热管，所述IGBT模块固定于基板的正面，所述散热底座固定于基板的背面，所述环路热管的蒸发段固定于散热底座内，所述环路热管的冷凝段固定于水冷换热器内,所述蒸发段通过环路热管的连接段与冷凝段连通；所述冷凝段位于蒸发段的上方，所述蒸发段设置第一螺旋部，且自第一螺旋部的进液口至第一螺旋部的出汽口螺旋上升。本基于环路热管的IGBT模块散热器蒸发段设置有第一螺旋部，从而增加了蒸发段与散热底座的传热面积，则提高了传热效率；同时还提高了整个散热器的稳定性。

Description

基于环路热管的IGBT模块散热器

技术领域

本实用新型涉及IGBT模块的散热装置，具体涉及一种基于环路热管的IGBT模块散热器。

背景技术

在现有的技术领域中，大功率变流装置是风能发电的关键部件，承担着电能由交流变直流、直流变交流的功能，其工作功率的范围直接制约着风力发电机的额定发电量。而IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是由BJT(双极型三极管)和MOS（绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET（金属-氧化层-半导体-场效应管）的高输入阻抗和GTR（电力晶体管）的低导通压降两方面的优点。IGBT模块是高压大功率变流装置的关键部件。在高压大功率变流装置工作时，强电流的流通必然会发生能量的损耗，这部分能耗转化为热量，传递到IGBT模块中从而提高了IGBT模块的结点温度。当IGBT模块的结点温度小于某一个数值时，IGBT模块才能正常工作，而一旦超过这个范围，那么IGBT模块的性能将明显降低，不能正常工作，甚至损坏组件，这个允许的最大结点温度称为最大结温。为了保证IGBT模块能安全工作，要求结温必须控制在最大结温以下，一般要求不要超过65℃。当IGBT模块的结温每超过10℃时，整个电子系统的可靠性能就要降低50%。

为了能让IGBT模块正常工作，人们研究IGBT模块的散热器。环路热管技术是一种新型的冷却技术，目前已有用于解决大功率IGBT模块散热问题的产品。环路热管是一种传热效率极高的换热元件，冷、热流体间的热量传递是靠热管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程来实现的，它的当量热导率可达金属的10³～10⁴倍。目前的IGBT模块的热管散热器工作原理是，热管的蒸发段的液态工作介质吸收IGBT模块传递过来的热量，发生汽化，气态工作介质沿热管流动到热管的冷凝段放热液化，液化后的液态工质在毛细芯的作用下回流到热管的蒸发段，这样使得热管内的工质不断往复地循环，而冷凝段工质放出的热量被热管外的空气或冷水带走。目前的环路热管的蒸发段设计呈U形，再将蒸发段固定于散热底座；与蒸发段连通的冷凝段也设计呈U形，且置于冷空气或冷水中散热。

这种IGBT模块的环路热管对IGBT模块的散热虽然起到一定的作用，但还是存在较大缺陷。如作用毛细芯驱动工作介质的循环，环路热管内的工作介质流动阻力较大，从而导致传热性能低。同时U形的蒸发段与散热底座的接触面各积有限，故对大功率的IGBT模块的散热需要布置很多根环路热管，从而导致散热器的面积非常庞大。而且一旦某一根环路热管出现损坏，就会导致IGBT模块的局部温度升高，影响整个电子元件系统的稳定性。同理，U形的冷凝段与冷空气或冷水的接触面积少，导致汽态的工作介质无法迅速液化，故散热效果差。

实用新型内容

本实用新型为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种体积小，散热效率高，稳定性好的基于环路热管的IGBT模块散热器。

本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：本基于环路热管的IGBT模块散热器，包括基板、散热底座、水冷换热器和至少2根环路热管，所述IGBT模块固定于基板的正面，所述散热底座固定于基板的背面，所述环路热管的蒸发段固定于散热底座内，所述环路热管的冷凝段固定于水冷换热器内,所述蒸发段通过环路热管的连接段与冷凝段连通；所述冷凝段位于蒸发段的上方，所述蒸发段设置第一螺旋部，且自第一螺旋部的进液口至第一螺旋部的出汽口螺旋上升。

所述第一螺旋部的各个管道自内向外分布，且自内向外的各个管道的旋距依次增大，所述第一螺旋部的各个出汽口在圆周上等角度分布。

所述冷凝段设置第二螺旋部，且自第二螺旋部的进汽口至第二旋部的出液口螺旋下降。

所述第二螺旋部的各个管道自内向外分布，且自内向外的各个管道的旋距依次增大，所述第二螺旋部的各个进汽口在圆周上等角度分布。

所述环路热管的数量为4根。当环路热管的数量为4根据时，各个出汽口在圆周上以90°的等角度分布，各个进汽口在圆周上以90°的等角度分布。

所述水冷换热器的冷水入口管道位于冷凝段的上方，且与第二螺旋部中旋距最小的管道具有一定的角度，所述水冷换热器的冷水出口管道位于冷凝段的下方。当冷水入口管道与与第二螺旋部中最小旋距的管道具有角度时，冷水在水冷热器内的流动为螺旋下降的流动，同时沿着冷凝段的管道的螺旋下降，这可增大冷水的流体扰动，从而强化传热。

所述环路热管使用的材料为铜；所述散热底座使用的材料为铜；所述蒸发段与散热底座一体成型。蒸发段与散热底座一体成型可以避免蒸发段与散热底座之间的接触热阻，从而提高散热器的散热效果。

所述基板为氮化硅陶瓷基板，所述氮化硅陶瓷基板的正面与IGBT模块之间设置有第一合金层，所述IGBT模块通过与第一合金层焊接固定于氮化硅陶瓷基板的正面；所述氮化硅陶瓷基板的背面与散热底座之间设置有第二合金层，所述散热底座通过与第二合金层焊接于氮化硅陶瓷基板的背面。氮化硅陶瓷是一种烧结时不收缩的无机材料，同时是一种高强度、高韧性、高传导率、耐高温、耐腐蚀、低密度的电绝缘体材料。氮化硅陶瓷基板可以允许IGBT模块的电路板采用更厚的铜层，进而大幅度提高IGBT模块的电流输出能力。

所述第一合金层为第一Ag-Cu-Ti合金层或第一Ag-Ni-Ti合金层；所述第二合金层为第二Ag-Cu-Ti合金层或第二Ag-Ni-Ti合金层。通过Ag-Cu-Ti或Ag-Ni-Ti合金在高温下与氮化硅反应，形成致密的合金层，则分别使铜材料的散热底座和IGBT模块与氮化硅陶瓷基板进行高强度连接。

上述的基于环路热管的IGBT模块散热器的制备方法，包括下述步骤：

（1）所述环路热管的冷凝段通过拉拔成型，使冷凝段设有第二螺旋部，并将冷凝段固定于冷水换热器中；

（2）所述散热底座与环路热管的蒸发段通过铸造一体成型，且散热底座内的蒸发段的管道通过砂芯实现；

（3）所述冷凝段和蒸发段都通过焊接与环路热管的连接段连接，使冷凝段的进汽口与蒸发段的出汽口连通，令冷凝段的出液口与蒸发段的进液口连通；

（4）所述氮化硅陶瓷基板的正面和背面分别设置第一合金层和第二合金层，再通过焊接分别将IGBT模块和铜材料的散热底座固定于氮化硅陶瓷的正面和背面。

本基于环路热管的IGBT模块散热器的工作原理：IGBT模块中因电流产生的热量通过氮化硅基板传递到散热底座，位于散热底座的蒸发段中的工作介质吸收这些热量而汽化，从而环路热管内的压力增大，则汽化后的工作介质从蒸发段自动上升到冷凝段。汽化后的工作介质在冷凝段因受到冷水换热器冷却作用而液化，重新变回液态的工作介质。回复液态的工作介质由于自重在冷凝段螺旋流动，再从冷凝段的出液口一直下降到蒸发段，从而使工作介质在环形热内不断的循环流动，从而对IGBT模块起到散热的作用。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点：

（1）本实用新型的基于环路热管的IGBT模块散热器通过将环路热管的蒸发段设置呈螺旋状，从而增大了蒸发段与散热底座的接触面积，即传热面积，提高了传热效果，减小了散热器的体积和质量；同时蒸发段自进液口至出汽口螺旋上升，从而使汽化后的工作介质不会滞留在环路热管的蒸发段，保证了蒸发段的传热效率。

（2）本实用新型的基于环路热管的IGBT模块散热器的多根环路热管中的螺旋部自内到外依次排列，故当其中一根环路热管出现故障时，而没有出现故障的环路热管将承担发生故障的环路热管的工作，从而不会让IGBT模块的局部温度升高的情况发生，保证了整个电子元件系统的稳定性。

（3）本实用新型的基于环路热管的IGBT模块散热器的冷凝段设置呈螺旋状，呈现多根环路热管的螺旋部自内向外分布，则冷凝段与水冷换热器中的冷水的传热面积增大，从而提高了环路热管内的工作介质的液化速度；同时冷凝段是自进汽口到出液口螺旋下降，则液化后的工作介质沿着冷凝段的管道螺旋下降流动，则这增强了液态的工作介质的扰动性，同时也增加了冷水的扰动，从而强化了液态工作介质的散热，使液态工作介质的温度迅速降低；

（4）本实用新型的基于环路热管的IGBT模块散热器通过将工作介质从液态与汽态之间的转换产生的压差作为主动力；再把冷凝段设置于蒸段的上方，令工作介质受到的重力作为辅助动力，使工作介质可以在环路热管内循环流动。这就不需要在环形热管内设置毛细芯驱动工作介质流动，从而降低了工作介质流动时受到的阻力，从而提高了环路热管的传热性能。

附图说明

图1是本实用新型的基于环路热管的IGBT模块散热器的结构示意图。

图2是本实用新型的散热底座的结构示意图。

图3是本实用新型的蒸发段的结构示意图。

图4是本实用新型的冷水换热器与冷凝段的结构示意图。

图5是本实用新型的冷凝段的结构示意图。

图6是本实用新型的实施例的4根环路热管结构示意图。本图中的图6a表示旋距最小的环路热管，即最内层的第一环路热管；而图6d表示旋距最大的环路热管，即最外层的第四环路热管；而图6b和图6c分别是在第一环路热管和第四环路热管之间的第二环路热管和第三环路热管。

图7是本实用新型的铜底座、基板和IGBT模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1至图7所示的基于环路热管的IGBT模块散热器，包括基板1、散热底座2、水冷换热器4和4根环路热管3，所述IGBT模块5固定于基板1的正面，所述散热底座2固定于基板1的背面，所述环路热管3的蒸发段31固定于散热底座2内，所述环路热管3的冷凝段33固定于水冷换热器4内,所述蒸发段31通过环路热管3的连接段32与冷凝段33连通；所述冷凝段33位于蒸发段31的上方，所述蒸发段31设置第一螺旋部311，且自第一螺旋部的进液口至第一螺旋部的出汽口312螺旋上升。

当所述环路热管3的数量为4根时，各个出汽口312在圆周上以90°的等角度分布，各个进汽口332在圆周上以90°的等角度分布。

所述第一螺旋部311的各个管道自内向外分布，且自内向外的各个管道的旋距依次增大，所述第一螺旋部311的各个出汽口312在圆周上等角度分布。

所述冷凝段33设置第二螺旋部331，且自第二螺旋部331的进汽口332至第二螺旋部的出液口螺旋下降。

所述第二螺旋部331的各个管道自内向外分布，且自内向外的各个管道的旋距依次增大，所述第二螺旋部331的各个进汽口332在圆周上等角度分布。

所述水冷换热器4的冷水入口管道41位于冷凝段33的上方，且与第二螺旋部331中旋距最小的管道具有一定的角度，所述水冷换热器4的冷水出口管道42位于冷凝段331的下方。

所述环路热管3使用的材料为铜；所述散热底座2使用的材料为铜；所述蒸发段31与散热底座2一体成型。蒸发段31与散热底座2一体成型可以避免蒸发段31与散热底座2之间的接触热阻，从而提高散热器的散热效果。考虑工作介质与铜的相容性，保证IGBT模块5能安全的正常工作，所述工作介质选用丙酮、甲醇和氟利昂-11中的任意一种。

所述基板1为氮化硅陶瓷基板，所述氮化硅陶瓷基板的正面与IGBT模块5之间设置有第一合金层7，所述IGBT模块5通过与第一合金层7焊接固定于氮化硅陶瓷基板的正面；所述氮化硅陶瓷基板的背面与散热底座2之间设置有第二合金层6，所述散热底座2通过与第二合金层6焊接于氮化硅陶瓷基板的背面。氮化硅陶瓷基板可以允许IGBT模块5的电路板采用更厚的铜层，进而大幅度提高IGBT模块5的电流输出能力。所述氮化硅基板陶瓷基板的厚度一般为1mm~3mm。本实施例优选2mm。

所述第一合金层7为第一Ag-Cu-Ti合金层或第一Ag-Ni-Ti合金层；所述第二合金层6为第二Ag-Cu-Ti合金层或第二Ag-Ni-Ti合金层。通过Ag-Cu-Ti或Ag-Ni-Ti合金在高温下与氮化硅反应，形成致密的合金层，则分别使铜材料的散热底座2和IGBT模块5与氮化硅陶瓷基板进行高强度连接。

上述基于环路热管的IGBT模块散热器的制备方法，包括下述步骤：

（1）所述环路热管3的冷凝段33通过拉拔成型，使冷凝段33设有第二螺旋部331，并将冷凝段33固定于冷水换热器4中；

（2）所述散热底座2与环路热管3的蒸发段31通过铸造一体成型，且散热底座2内的蒸发段31的管道通过砂芯实现；

（3）所述冷凝段33和蒸发段31都通过焊接与环路热管3的连接段32连接，使冷凝段33的进汽口332与蒸发段31的出汽口312连通，令冷凝段33的出液口与蒸发段31的进液口连通；

（4）所述氮化硅陶瓷基板的正面和背面分别设置第一合金层7和第二合金层6，再通过焊接分别将IGBT模块5和铜材料的散热底座2固定于氮化硅陶瓷的正面和背面。

上述具体实施方式为本实用新型的优选实施例，并不能对本实用新型进行限定，其他的任何未背离本实用新型的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于环路热管的IGBT模块散热器，包括基板、散热底座、水冷换热器和至少2根环路热管，所述IGBT模块固定于基板的正面，所述散热底座固定于基板的背面，所述环路热管的蒸发段固定于散热底座内，所述环路热管的冷凝段固定于水冷换热器内,所述蒸发段通过环路热管的连接段与冷凝段连通；其特征在于：所述冷凝段位于蒸发段的上方，所述蒸发段设置第一螺旋部，且自第一螺旋部的进液口至第一螺旋部的出汽口螺旋上升。 

2.根据权利要求1所述的基于环路热管的IGBT模块散热器，其特征在于：所述第一螺旋部的各个管道自内向外分布，且自内向外的各个管道的旋距依次增大，所述第一螺旋部的各个出汽口在圆周上等角度分布。 

3.根据权利要求2所述的基于环路热管的IGBT模块散热器，其特征在于：所述冷凝段设置第二螺旋部，且自第二螺旋部的进汽口至第二螺旋部的出液口螺旋下降。 

4.根据权利要求3所述的基于环路热管的IGBT模块散热器，其特征在于：所述第二螺旋部的各个管道自内向外分布，且自内向外的各个管道的旋距依次增大，所述第二螺旋部的各个进汽口在圆周上等角度分布。 

5.根据权利要求1所述的基于环路热管的IGBT模块散热器，其特征在于：所述环路热管的数量为4根。 

6.根据权利要求4所述的基于环路热管的IGBT模块散热器，其特征在于：所述水冷换热器的冷水入口管道位于冷凝段的上方，且与第二螺旋部中旋距最小的管道具有一定的角度，所述水冷换热器的冷水出口管道位于冷凝段的下方。 

7.根据权利要求4所述的基于环路热管的IGBT模块散热器，其特征在于：所述环路热管使用的材料为铜；所述散热底座使用的材料为铜；所述蒸发段与散热底座一体成型。 

8.根据权利要求7所述的基于环路热管的IGBT模块散热器，其特征在于：所述基板为氮化硅陶瓷基板，所述氮化硅陶瓷基板的正面与IGBT模块之间设置有第一合金层，所述IGBT模块通过与第一合金层焊接固定于氮化硅陶瓷基板的正面；所述氮化硅陶瓷基板的背面与散热底座之间设置有第二合金层，所述散热底座通过与第二合金层焊接于氮化硅陶瓷基板的背面。 

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