CN212783426U - 一种轨道交通用散热结构及igbt功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种轨道交通用散热结构及IGBT功能模块，该轨道交通用散热结构包括用于换热的底板，底板上连接有若干个Pin‑Fin针，Pin‑Fin针嵌入在液态金属中。IGBT功能模块包括上述的散热结构。本实用新型中，具有Pin‑Fin结构的底板能够增加散热面积，进而增强传热效果，极大地提高了散热效率，且Pin‑Fin针嵌入到液态金属中，能够增加散热效率，进一步增强散热性能，最终实现高效的散热，具有结构简单、散热效果好等优点，是一种性价比高的新型散热结构，可广泛用于轨道交通行业，能够满足高功率等级和高集成度IGBT功率模块的散热要求，有着很高的使用价值和很好的应用前景。

Description

一种轨道交通用散热结构及IGBT功率模块

技术领域

本实用新型涉及一种轨道交通用散热结构及IGBT功率模块，具体涉及一种基于Pin-Fin结构和液态金属的轨道交通用散热结构及IGBT功率模块。

背景技术

随着轨道交通行业(轨交行业)车载设备的小型化和轻量化，IGBT功率模块的功率等级和集成度也越来越高。然而，现有液冷散热方式已经难以满足高功率等级和高集成度IGBT功率模块的散热需求。

目前，轨交领域典型的IGBT功率模块的液冷散热方式中，芯片的散热路径主要为：芯片-第一焊接层-衬板-第二焊接层-基板-导热油脂-冷却板。一方面，现有轨交行业IGBT功率模块液冷散热方式的散热路径太长，不利于将芯片产生的热量快速传导出去，且散热路径中采用的导热油脂是一种散热性能非常差(导热系数不到0.6W/(m.K))的导热界面材料，这也会阻碍热量的传导，使得功率模块的散热性能大打折扣，另一方面，现有轨交行业IGBT功率模块液冷散热方式采用的冷却介质是掺有无水乙醇的水，其导热性能太低(导热系数约为0.6W/(m.K))，非常不利于散热。因此，有必要获得一种结构简单、散热效果好的轨道交通用散热结构及传热路径短、散热效果好的轨道交通用IGBT功率模块，这对于实现轨道交通行业中车载设备小型化和轻量化具有十分重要的意义。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、散热效果好的轨道交通用散热结构，还提供了一种包括上述轨道交通用散热结构的具有传热路径短、散热效果好的轨道交通用散热结构IGBT功率模块。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种轨道交通用散热结构，所述轨道交通用散热结构包括用于换热的底板，所述底板上连接有若干个Pin-Fin针，所述Pin-Fin针嵌入在液态金属中。

上述的轨道交通用散热结构，进一步改进的，所述液态金属通过底板密封在槽壳体中。

上述的轨道交通用散热结构，进一步改进的，所述槽壳体上还连通有循环换热器；所述循环换热器包括位于液态金属内部的循环换热管，所述循环换热管上连接有冷却器；所述冷却器位于槽壳体的外部。

上述的轨道交通用散热结构，进一步改进的，所述Pin-Fin针通过焊接的方式固定在底板上形成一体化结构。

上述的轨道交通用散热结构，进一步改进的，所述底板的表面设置有若干个用于连接Pin-Fin针的凹孔；所述Pin-Fin针与凹孔通过螺纹一一对应连接，或，所述Pin-Fin针与凹孔通过胶水一一对应粘接，或，所述Pin-Fin针与凹孔通过一一对应插接。

上述的轨道交通用散热结构，进一步改进的，所述底板的材质为铜或碳化硅铝；所述液态金属的热导率≥36W·m^-1·K^-1；所述液态金属的熔点为10℃～20℃。

上述的轨道交通用散热结构，进一步改进的，所述液态金属为镓、镓合金、铋基合金中的至少一种。

上述的轨道交通用散热结构，进一步改进的，所述镓合金为镓铟合金或镓铟锡合金；所述铋基合金为铋铟锡合金。

作为一个总的技术构思，本实用新型还提供了一种轨道交通用IGBT功率模块，所述轨道交通用IGBT功率模块包括上述的轨道交通用散热结构。

上述的轨道交通用IGBT功率模块，进一步改进的，所述轨道交通用IGBT功率模块还包括由二极管和IGBT构成的芯片，所述芯片连接有第一焊接层，所述第一焊接层连接有衬板，所述衬板连接有第二焊接层；所述第二焊接层通过焊接连接在底板上。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

(1)本实用新型提供了一种轨道交通用散热结构，包括用于热交换的底板，底板上连接有若干个Pin-Fin针，Pin-Fin针嵌入在液态金属中。本实用新型中，以具有Pin-Fin结构的底板为热交换冷却板，由于底板上集成了Pin-Fin针，因而能够增加散热面积，进而增强传热效果，极大地提高了散热效率；同时，通过将Pin-Fin针嵌入到液态金属中，由于液态金属具有优异的导热性能(是传统冷却介质的几十到上百倍)，因而液态金属作为Pin-Fin针的冷却介质，能够增加Pin-Fin针的散热效率，并进一步增强Pin-Fin针的散热性能，最终实现高效的散热。本实用新型轨道交通用散热结构，具有结构简单、散热效果好等优点，是一种基于Pin-Fin结构和液态金属的性价比高的新型散热结构，可广泛用于轨道交通行业，能够满足高功率等级和高集成度IGBT功率模块的散热要求，有着很高的使用价值和很好的应用前景。

(2)本实用新型轨道交通用散热结构中，液态金属通过底板密封在槽壳体中构成了集成化冷却板，该集成化冷却板的使用、维修和更换均更加方便快捷，同时安全性更高。

(3)本实用新型轨道交通用散热结构中，槽壳体上还连通有循环换热器，其中循环换热器包括位于液态金属内部的循环换热管，用于与液态金属换热，降低液态金属的温度，促进了散热效果；同时，循环换热管上连接有冷却器，用于冷却循环换热管内部的冷却介质，从而使得液态金属的热量传递到外部，进一步提高了散热效果；更为重要的是，该循环换热器，可实现液态金属的热量连续的向外传递，避免了温度过热问题的产生。

(4)本实用新型轨道交通用散热结构中，采用的液态金属是一类安全无毒的低熔点金属材料，且该材料的热导率高，有利于增强散热性能。

(5)本实用新型还提供了一种轨道交通用IGBT功率模块，包括由二极管和IGBT构成的芯片，芯片连接有第一焊接层，第一焊接层连接有衬板，衬板连接有第二焊接层，且第二焊接层通过焊接连接在上述轨道交通用散热结构的底板上。本实用新型轨道交通用IGBT功率模块，去掉了常规的基板和导热油脂，缩短了传热路径，使得整个系统的热阻减小50％以上，且传热路径的大幅缩短，显著提高了模块的传热/散热效率；同时，通过将衬板焊接在上述的基于Pin-Fin结构和液态金属的轨道交通用散热结构的底板上，利用轨道交通用散热结构优异的散热性能，也能够进一步极大的提高模块的整体散热效果。本实用新型轨道交通用IGBT功率模块，具有传热路径短、散热效果好等优点，能够显著降低IGBT结温，进而提高模块的工作性能，是一种基于Pin-Fin结构和液态金属的性价比高的新型IGBT功率模块，有利于实现轨道交通行业车载设备的小型化和轻量化，有着很高的使用价值和很好的应用前景。

附图说明

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1为本实用新型实施例1中轨道交通用散热结构的截面结构示意图。

图2为本实用新型实施例2中轨道交通用IGBT功率模块的截面结构示意图。

图3为现有常规轨道交通用IGBT功率模块的截面结构示意图。

图例说明：

1、二极管；2、IGBT；3、第一焊接层；4、衬板；5、第二焊接层；6、基板；7、导热油脂层；8、冷却板；9、掺有无水乙醇的水；10、底板；11、Pin-Fin针；12、液态金属；13、槽壳体。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。

实施例1

如图1所示，一种轨道交通用散热结构，包括用于换热的底板10，底板10上连接有20个Pin-Fin针11，Pin-Fin针11嵌入在液态金属12中。

本实用新型中，以具有Pin-Fin结构的底板为热交换冷却板，由于底板上集成了Pin-Fin针，因而能够增加散热面积，进而增强传热效果，极大地提高了散热效率；同时，通过将Pin-Fin针嵌入到液态金属中，由于液态金属具有优异的导热性能(是传统冷却介质的几十到上百倍)，因而液态金属作为Pin-Fin针的冷却介质，能够增加Pin-Fin针的散热效率，并进一步增强Pin-Fin针的散热性能，最终实现高效的散热。本实用新型轨道交通用散热结构，具有结构简单、散热效果好等优点，是一种基于Pin-Fin结构和液态金属的性价比高的新型散热结构，可广泛用于轨道交通行业，能够满足高功率等级和高集成度IGBT功率模块的散热要求，有着很高的使用价值和很好的应用前景。

本实施例中，液态金属12通过底板10密封在槽壳体13中，液态金属通过底板密封在槽壳体中构成了集成化冷却板，该集成化冷却板的使用、维修和更换均更加方便快捷，同时安全性更高。

本实施例中，槽壳体13上还连通有循环换热器，其中循环换热器包括位于液态金属12内部的循环换热管，用于与液态金属12换热，降低液态金属12的温度，促进了散热效果；同时，循环换热管上连接有冷却器，冷却器位于槽壳体13的外部，用于冷却循环换热管内部的冷却介质，从而使得液态金属12的热量传递到外部，进一步提高了散热效果；更为重要的是，该循环换热器，可实现液态金属12的热量连续的向外传递，避免了温度过热问题的产生。本实用新型中，循环换热器为能够用于实现液态金属12降温的常规换热器。

本实施例中，底板10的表面设置有若干个用于连接Pin-Fin针11的凹孔，其中Pin-Fin针11与凹孔通过螺纹一一对应连接。本实用新型中，也可以将Pin-Fin针11与凹孔通过胶水一一对应粘接，同时也可以将Pin-Fin针11与凹孔通过一一对应插接。另外，本实用新型中，还可以将Pin-Fin针11通过焊接的方式固定在底板10上形成一体化结构。

本实施例中，底板10可以为铜或碳化硅铝，具体为铜板。

液态金属12可以为镓、镓合金、铋基合金。本实施例中，具体为Ga₆₈In₂₀Sn₁₂，热导率为39W·m^-1·K^-1，熔点温度为10.7℃。

实施例2

如图2所示，一种轨道交通用IGBT功率模块，包括实施例1中的轨道交通用散热结构，具体为：包括由二极管1和IGBT2构成的芯片，芯片连接有第一焊接层3，所述第一焊接层3连接有衬板4，衬板4连接有第二焊接层5，第二焊接层5通过焊接连接在底板10上，从而构成传热路径为芯片-第一焊接层-衬板-第二焊接层-基于Pin-Fin结构和液态金属的散热结构的轨道交通用IGBT功率模块。

图3为现有常规轨道交通用IGBT功率模块的截面结构示意图。如图3所示，芯片-第一焊接层-衬板-第二焊接层-基板-导热油脂-冷却板。结合图2可知，本实用新型轨道交通用IGBT功率模块，去掉了常规的基板和导热油脂，缩短了传热路径，使得整个系统的热阻减小50％以上，且传热路径的大幅缩短，显著提高了模块的传热/散热效率；同时，通过将衬板焊接在上述的基于Pin-Fin结构和液态金属的轨道交通用散热结构的底板上，利用轨道交通用散热结构优异的散热性能，也能够进一步极大的提高模块的整体散热效果，具有传热路径短、散热效果好等优点，能够显著降低IGBT结温，进而提高模块的工作性能，是一种基于Pin-Fin结构和液态金属的性价比高的新型IGBT功率模块，有利于实现轨道交通行业车载设备的小型化和轻量化，有着很高的使用价值和很好的应用前景。

以上实施例仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种轨道交通用散热结构，其特征在于，所述轨道交通用散热结构包括用于换热的底板(10)，所述底板(10)上连接有若干个Pin-Fin针(11)，所述Pin-Fin针(11)嵌入在液态金属(12)中。

2.根据权利要求1所述的轨道交通用散热结构，其特征在于，所述液态金属(12)通过底板(10)密封在槽壳体(13)中。

3.根据权利要求2所述的轨道交通用散热结构，其特征在于，所述槽壳体(13)上还连通有循环换热器；所述循环换热器包括位于液态金属(12)内部的循环换热管，所述循环换热管上连接有冷却器；所述冷却器位于槽壳体(13)的外部。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的轨道交通用散热结构，其特征在于，所述Pin-Fin针(11)通过焊接的方式固定在底板(10)上形成一体化结构。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的轨道交通用散热结构，其特征在于，所述底板(10)的表面设置有若干个用于连接Pin-Fin针(11)的凹孔；所述Pin-Fin针(11)与凹孔通过螺纹一一对应连接，或，所述Pin-Fin针(11)与凹孔通过胶水一一对应粘接，或，所述Pin-Fin针(11)与凹孔通过一一对应插接。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的轨道交通用散热结构，其特征在于，所述底板(10)的材质为铜或碳化硅铝；所述液态金属(12)的热导率≥36W·m^-1·K^-1；所述液态金属(12)的熔点为10℃～20℃。

7.根据权利要求6所述的轨道交通用散热结构，其特征在于，所述液态金属(12)为镓、镓合金、铋基合金中的至少一种。

8.根据权利要求7所述的轨道交通用散热结构，其特征在于，所述镓合金为镓铟合金或镓铟锡合金；所述铋基合金为铋铟锡合金。

9.一种轨道交通用IGBT功率模块，其特征在于，所述轨道交通用IGBT功率模块包括原权利要求1～8中任一项所述的轨道交通用散热结构。

10.根据权利要求9所述的轨道交通用IGBT功率模块，其特征在于，所述轨道交通用IGBT功率模块还包括由二极管(1)和IGBT(2)构成的芯片，所述芯片连接有第一焊接层(3)，所述第一焊接层(3)连接有衬板(4)，所述衬板(4)连接有第二焊接层(5)；所述第二焊接层(5)通过焊接连接在底板(10)上。

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