CN207354068U - 一种igbt功率模块及包含其的功率模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种IGBT功率模块，包括多个IGBT功率模块子模块和两个冷却基板，多个IGBT功率模块子模块沿冷却基板的长度方向按照预定间隔布置并通过封装体封装在两个冷却基板之间，冷却基板包括第一冷却基板和第二冷却基板，第一冷却基板和第二冷却基板在不与IGBT功率模块子模块接触的表面上形成有由多个突起构成的冷却部，并且第一冷却基板和第二冷却基板分别在两端开设有相互连通以分别构成第一导水口和第二导水口的开口。本实用新型还提供一种包含该IGBT功率模块的功率模组。本实用新型采用双面直接冷却提高散热效率，与冷却液均匀接触，降低过热失效风险，提高功率模块输出电性能。

Description

一种IGBT功率模块及包含其的功率模组

技术领域

本实用新型涉及一种IGBT功率模块及包含其的功率模组，具体涉及一种在新能源车辆的逆变器中使用的功率模块及包含其的功率模组。

背景技术

随着人们对环境保护、节能减排意识的不断提高，新能源汽车已成为世界各大车企及相关机构争相研制的热点。车用逆变器作为新能源车关键零部件之一，其关键核心部件是IGBT功率模块或IGBT功率模组。

车用逆变器中的IGBT功率模块或IGBT功率模组具有高性能、高紧凑性及高可靠性等要求。高性能要求IGBT模块或IGBT功率模组在有限的布置空间输出更高的电性能；高紧凑性要求IGBT功率模块或IGBT功率模组体积小、功率密度高；高可靠性要求IGBT功率模块或IGBT功率模组应具有强散热性能，具有尽可能大的功率半导体的散热面积，提高散热效率和散热能力，同时保证散热装置密封可靠。为了达到以上要求，IGBT功率模块或IGBT功率模组必须在散热结构、与冷却器集成、以及多模块集成方面强化和改进。

前期车用IGBT功率模块在冷却结构上普遍采用单面水冷或双面水冷，通过与散热器结合实现冷却散热，形成功率模组。现有功率模组虽有改进，但仍存在不足，特别在模块冷却效率、模块与冷却器集成方面存在不足，如单面水冷冷却效率低，在有限空间很难有输出性能的进一步提升。双面水冷多采用多个独立的IGBT功率模块组合工作，各独立功率模块间存在大量臃余空间，模块整体尺寸较大。双面冷却方式有双面翅针构型，采用水槽式冷却散热器，这种结构只易实现模组与其它部件单面连接，且模块加工工艺较复杂，生产成本较高；双面水冷的另一种方式是双面平板构型，采用叠压冷却器方式，但这种方式是间接水冷，冷却效率低，同时叠压冷却器无法有效保证与模块均匀紧密接触，从而导致产生非一致热阻，影响模块内部散热均匀性，降低模块寿命。

专利文献1(申请号：200510076308.5；实用新型名称：功率堆)描述了一种集成冷却器的IGBT功率模块结构，IGBT模块采用间接双面水冷，冷却器采用叠压冷却器方式，该结构由于非直接水冷，冷却效率低，同时叠压冷却器需要紧密与IGBT接触，以保证低接触热阻，但专利中通过叠压冷却器的压紧方式无法保证压紧力均匀，这样就存在接触热阻不一致导致模块局部发热失效的风险；需要提供汇流条与IGBT模块主电流端子连接，且存在许多必须焊接的部分，另外，由于汇流条与每个主电流端子之间的电流路径较长，因此电流路径具有较大的感抗；而且冷却机构冷却效果较为单一，无法对其他发热件 (如直流母线电容)进行冷却。

专利文献2(申请号：200980105222.7；实用新型名称：功率模块、电力转换装置以及电动车)描述了一种功率模块以及使用该功率模块的电力转换装置，该装置在一面具有开口部的有底的筒形壳体内收容具有半导体元件的半导体电路部分，进而该半导体电路部隔着用于确保电绝缘的绝缘性部件被所述筒形壳体的内壁夹着支撑，采用双面水冷单面密封方式。该结构的筒形壳体由两张对置基体板和外周弯曲部组成，当撤去外侧压紧半导体电路部的力后，对置基体板不同位置受到外周弯曲部张紧力不同，这将导致半导体与筒型壳体底部和顶部压紧力不一致，无法有效保证与筒形壳体均匀紧密接触。另外，由于半导体电路部被筒形壳体内壁隔着绝缘性部件夹紧，绝缘性部件为一独立部件，无法有效保证绝缘性部件与半导体电路部、绝缘性部件与筒形壳体间无空气间隙。以上两点都很难保证半导体部与筒形壳体均匀紧密接触，而非均匀性接触导致非一致热阻，从而影响模块内部散热的均匀性，而非紧密接触又会导致导热率降低，进而引发模块局部发热失效的风险。

专利文献3(公开号：CN103904911A；实用新型名称：散热片集成式双面冷却的功率模块)描述了一种散热片集成式双面冷却的功率模块，其中通过采用利用挤压方法制成散热片的双面直接冷却方法，散热片布置在功率模块的上部和下部，直接键合材料(DBMs)沉积在上部散热片与下部散热片之间通过焊剂彼此粘合，并且芯片和直接键合材料的整个周边通过模塑部进行最后封装。几个模块间采用模块连接器连接，通过栓销紧固的方式，模块间水道连接处漏水风险较大，且由于中间过渡部分模块连接器的存在，模块整体尺寸较大，不利于实现功率模块的小型化；冷却水道采用矩形箱体形式，与外界冷却液传送通道连接机构设计较为复杂。

因此，新能源车用新型封装结构的IGBT功率模块和基于模块的散热装置成为迫切的需求。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供一种IGBT功率模块及包含其的功率模组，采用双面直接冷却提高散热效率，与冷却液均匀接触，降低过热失效风险，提高功率模块输出电性能。

本实用新型采用的技术方案为：

本实用新型实施例提供一种IGBT功率模块，包括多个IGBT功率模块子模块和两个冷却基板，所述多个IGBT功率模块子模块沿所述冷却基板的长度方向按照预定间隔布置并通过封装体封装在所述两个冷却基板之间；所述冷却基板包括第一冷却基板和第二冷却基板，所述第一冷却基板和所述第二冷却基板在不与所述IGBT功率模块子模块接触的表面上形成有由多个突起构成的冷却部，并且所述第一冷却基板和所述第二冷却基板分别在两端开设有相互连通以分别构成第一导水口和第二导水口的开口。

可选地，所述IGBT功率模块包括3个IGBT功率模块子模块；所述IGBT 功率模块子模块包括两个衬板和夹持在所述两个衬板之间的芯片，以及与所述芯片接触的直流端子、信号端子和交流端子。

可选地，所述衬板采用覆铜或者覆铝陶瓷制成。

可选地，所述冷却基板采用高导热材料制成；所述突起形成为下述结构中的任何一种：翅针、散热条、翅片。

可选地，所述封装体为通过高压注塑形成的树脂压铸体。

本实用新型另一实施例提供一种IGBT功率模组，包括前述的IGBT功率模块和冷却装置；所述冷却装置包括上盖体和下盖体，所述上盖体和所述下盖体分别与第一冷却基板和第二冷却基板连接并彼此固定连接在一起；所述上盖体上形成有冷却水道和安置上盖体冷却水道密封件的上盖体冷却水道密封件安置槽；所述下盖体上形成有进水口、出水口、下盖体冷却水道、安置下盖体冷却水道密封件的下盖体冷却水道密封件安置槽和安置出水口密封件的出水口安置槽；其中，冷却液通过所述进水口流入，通过所述下盖体冷却水道而在所述第二冷却基板的突起之间流动，以冷却所述IGBT功率模块的一面，然后通过第一导水口流入所述上盖体冷却水道以在所述第二冷却基板的突起之间流动，以冷却所述IGBT功率模块的另一面，最后通过所述第二导水口流入所述出水口并通过所述出水口流出。

可选地，所述上盖体和所述下盖体采用高导热材料制成。

可选地，所述上盖体和所述下盖体通过螺栓进行固定连接。

可选地，所述上盖体冷却水道密封件、所述下盖体冷却水道密封件和所述出水口密封件为密封圈或者密封胶。

本实用新型实施例提供的IGBT功率模块将多个IGBT功率模块子模块沿同一平面封装在两个冷却基板之间，构成双面冷却的功率模块本体，该功率模块本体上设计有导水口并整体通过密封件密封在两个冷却装置之间，以构成 IGBT功率模组，因此，该功率模组具有以下优点：采用双面直接冷却提高了散热效率，与冷却液均匀接触，降低过热失效风险，提高功率模块输出电性能；采用了满足所需功能一体化设计，省去多独立单体功率模块组合的中间过渡部分(如模块连接器或单体模块臃余边界)，使得功率模块较为紧凑且节省材料，这样可在原有电性能需求下实现功率模块的小型化设计；采用在功率模块本体上设计导水口，减少密封面数量，提高密封可靠性，无需散热装置额外增开导流通道，使得散热装置设计简单，降低生产成本，同时极大有助于实现功率模组的小型化设计；布置规整，可与其他发热部件共用冷却水道，提高散热器利用率。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的IGBT子功率模块的结构示意图；

图2为沿图1A-A方向的剖视图；

图3为本实用新型实施例提供的IGBT功率模块的结构示意图；

图4为沿图3B-B方向的剖视图；

图5为本实用新型实施例的IGBT功率模块的部分组装工序示意图；

图6为本实用新型实施例的IGBT功率模组的结构示意图；

图7为本实用新型实施例的IGBT功率模组的爆炸示意图。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

图1为本实用新型实施例提供的IGBT子功率模块的结构示意图；图2为沿图1A-A方向的剖视图；图3为本实用新型实施例提供的IGBT功率模块的结构示意图；图4为沿图3B-B方向的剖视图；图5为本实用新型实施例的 IGBT功率模块的部分组装工序示意图；图6为本实用新型实施例的IGBT功率模组的结构示意图；图7为本实用新型实施例的IGBT功率模组的爆炸示意图。

如图1至图5所示，本实用新型实施例提供一种IGBT功率模块100，包括多个IGBT功率模块子模块50和两个冷却基板，所述多个IGBT功率模块子模块50沿所述冷却基板的长度方向按照预定间隔布置并通过封装体封装在所述两个冷却基板之间，所述冷却基板包括第一冷却基板9A和第二冷却基板 9B，所述第一冷却基板和所述第二冷却基板在不与所述IGBT功率模块子模块接触的表面上形成有由多个突起构成的冷却部5，并且所述第一冷却基板9A 和所述第二冷却基板9B分别在两端开设有相互连通以分别构成第一导水口4 和第二导水口6的开口。

具体地，如图1和图2所示，IGBT功率模块子模块50包括两个衬板10A 和10B和夹持在所述两个衬板之间的芯片11，以及与所述芯片接触的直流端子1、信号端子2和交流端子3。直流端子1、信号端子2、交流端子3和芯片 11可通过连接部件(包括焊剂及其他辅助部件如高导热材料)12等组成。衬板10A和10B可由覆铜或者覆铝陶瓷制成，所述芯片11插在覆铜或者覆铝陶瓷衬板10A、10B之间，并通过连接部件12使芯片11两面分别与覆铜或者覆铝陶瓷衬板10A、10B紧密结合，同时通过焊剂将IGBT功率模块信号端子2、 IGBT功率模块功率直流端子1、IGBT功率模块功率交流端子3等牢固结合在覆铜或者覆铝陶瓷衬板上，其中芯片11A、信号端子2和功率直流端子1、功率交流端子3及其他辅助部件可根据需要布置成全桥电路拓扑。所述IGBT 功率模块功率直流端子1、IGBT功率模块信号端子2和IGBT功率模块功率交流端子3可采用铜等高导电材料，具体规格视端子载流需求设定。

如图3和图4所示，在本实用新型的一个实施例中，IGBT功率模块100 包括3个夹持在冷却基板9A和9B之间的IGBT功率模块子模块50，具体地，在两个冷却基板内侧的合适位置夹持三个IGBT功率模块子模块50，IGBT功率模块子模块50通过焊剂分别与两个冷却基板紧密牢固结合，两个冷却基板内侧全部空间通过一次高压注塑形成树脂压铸体(封装体)8，确保IGBT功率模块100整体的密封性及绝缘性能。

本实用新型中的冷却基板9A和9B，采用高导热材料例如铝合金等金属材料，用于冷却的突起可根据不同散热需求设定对应形状，例如，所述突起可形成为下述结构中的任何一种：翅针、散热条、翅片，当前并不局限于此，以可以是其他合适的形式。

可根据实际散热需求在封装体8和冷却基板9A、9B的合适位置处开设第一导水口4和第二导水口6，导水口形状、尺寸根据散热需求设定。需要注意的是，也可以不在冷却基板上开设导水口，而是在对本实施例的功率模块进行冷却的冷却装置(随后介绍)中设计专门的连接水道来供冷却液流通。

本实施例中，由于IGBT功率模块子模块50通过树脂压铸体封装在冷却基板上，所以可通过该树脂压铸体形成IGBT功率端子凸台，凸台规格根据 IGBT功率端子尺寸及所需保证最小电气间隙及最小爬电距离决定。

图5是本实用新型实施例的IGBT功率模块部分组装工序简图。如图5所示，首先将三个IGBT功率模块子模块50放置在第一冷却基板9A内侧合适的位置，并通过焊剂使覆铜或者覆铝陶瓷衬板10A外侧面与9A内侧面紧密、可靠的结合。然后将第二冷却基板9B内侧面对应位置通过焊剂与功率模块子模块覆铜或者覆铝陶瓷衬板外侧面紧密、可靠结合。最后通过一次高压注塑塑封料将两冷却基板9A、9B内部空间填满，形成树脂压铸体8，从而确保其密封及绝缘性能，同时提高功率模块100的强度和导热性能。

本实用新型另一实施例提供一种IGBT功率模组200，如图6和图7所示，该IGBT功率模组200包括前述实施例的IGBT功率模块和冷却装置。所述冷却装置包括上盖体15和下盖体14，所述上盖体15和所述下盖体14分别与第一冷却基板和第二冷却基板连接并彼此固定连接在一起；所述上盖体15上形成有冷却水道(未图示)和安置上盖体冷却水道密封件18B的上盖体冷却水道密封件安置槽(未图示)。所述下盖体14上形成有进水口22、出水口19、下盖体冷却水道16、安置下盖体冷却水道密封件18A的下盖体冷却水道密封件安置槽17和安置出水口密封件21的出水口安置槽20。其中，冷却液通过所述进水口22流入，通过所述下盖体冷却水道16而在所述第二冷却基板的突起之间流动，以冷却所述IGBT功率模块的一面，然后通过第一导水口4流入所述上盖体冷却水道以在所述第二冷却基板的突起之间流动，以冷却所述 IGBT功率模块的另一面，最后通过所述第二导水口6流入所述出水口并通过所述出水口19流出。

在本实施例中，所述上盖体和所述下盖体采用高导热材料制成例如铝合金等高导热材料，并且所述上盖体和所述下盖体可通过螺栓进行固定连接，如此，可在上盖体15上形成紧固螺栓通孔和在下盖体14上形成紧固螺栓通孔13。这样，IGBT功率模块可通过螺栓结构和密封件结构而夹持在上盖体和下盖体之间，从而实现对功率模块的密封与冷却。然而，本实用新型并不局限于此，也可以将上盖体、下盖体直接与冷却基板焊接一体构成或通过其他合理的工艺来实现。

本实施例的进水口22和出水口19的规格及形状可根据散热需求设定。所述上盖体冷却水道密封件18B、所述下盖体冷却水道密封件18A和所述出水口密封件21可根据需求采用合适的材料及密封形式，例如可为密封圈或者密封胶等。

以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种IGBT功率模块，其特征在于，包括多个IGBT功率模块子模块和两个冷却基板，所述多个IGBT功率模块子模块沿所述冷却基板的长度方向按照预定间隔布置并通过封装体封装在所述两个冷却基板之间；所述冷却基板包括第一冷却基板和第二冷却基板，所述第一冷却基板和所述第二冷却基板在不与所述IGBT功率模块子模块接触的表面上形成有由多个突起构成的冷却部，并且所述第一冷却基板和所述第二冷却基板分别在两端开设有相互连通以分别构成第一导水口和第二导水口的开口。

2.根据权利要求1所述的IGBT功率模块，其特征在于，所述IGBT功率模块包括3个IGBT功率模块子模块；

所述IGBT功率模块子模块包括两个衬板和夹持在所述两个衬板之间的芯片，以及与所述芯片接触的直流端子、信号端子和交流端子。

3.根据权利要求2所述的IGBT功率模块，其特征在于，所述衬板采用覆铜或者覆铝陶瓷制成。

4.根据权利要求1所述的IGBT功率模块，其特征在于，所述冷却基板采用高导热材料制成；

所述突起形成为下述结构中的任何一种：翅针、散热条、翅片。

5.根据权利要求1所述的IGBT功率模块，其特征在于，所述封装体为通过高压注塑形成的树脂压铸体。

6.一种IGBT功率模组，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的IGBT功率模块和冷却装置；

所述冷却装置包括上盖体和下盖体，所述上盖体和所述下盖体分别与第一冷却基板和第二冷却基板连接并彼此固定连接在一起；

所述上盖体上形成有冷却水道和安置上盖体冷却水道密封件的上盖体冷却水道密封件安置槽；

所述下盖体上形成有进水口、出水口、下盖体冷却水道、安置下盖体冷却水道密封件的下盖体冷却水道密封件安置槽和安置出水口密封件的出水口安置槽；

其中，冷却液通过所述进水口流入，通过所述下盖体冷却水道而在所述第二冷却基板的突起之间流动，以冷却所述IGBT功率模块的一面，然后通过第一导水口流入所述上盖体冷却水道以在所述第二冷却基板的突起之间流动，以冷却所述IGBT功率模块的另一面，最后通过所述第二导水口流入所述出水口并通过所述出水口流出。

7.根据权利要求6所述的IGBT功率模组，其特征在于，所述上盖体和所述下盖体采用高导热材料制成。

8.根据权利要求6所述的IGBT功率模组，其特征在于，所述上盖体和所述下盖体通过螺栓进行固定连接。

9.根据权利要求6所述的IGBT功率模组，其特征在于，所述上盖体冷却水道密封件、所述下盖体冷却水道密封件和所述出水口密封件为密封圈或者密封胶。