DE102007050417B4 - Leistungsmodul mit einem in sich geschlossenen Kühlungssystem - Google Patents
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Abstract
Leistungsmodul (20), das ausgestaltet ist, um ein dielektrisches Fluid (38) darin zirkulieren zu lassen, umfassend:
ein Gehäuse (22), das umfasst:
eine Abdeckung (24), die eine innere Oberfläche (28) aufweist; und
eine kalte Platte (26) mit einer Tragefläche (30), wobei die kalte Platte (26) mit der Abdeckung (24) abdichtend gekoppelt ist, um einen Hohlraum (32) in dem Gehäuse (22) zu definieren, der ausgestaltet ist, um das dielektrische Fluid (38) darin aufzunehmen;
einen Strömungsdurchgang (41), der durch die Abdeckung (24) und die kalte Platte (26) hindurch ausgebildet ist, wobei der Strömungsdurchgang (41) einen Einlassanschluss (44), der durch die Tragefläche (30) hindurch angeordnet ist, und einen Auslassanschluss (46) umfasst, der durch die innere Oberfläche (28) hindurch angeordnet ist;
mindestens eine Leistungseinrichtung (34), die in dem Hohlraum (32) liegt und mit der Tragefläche (30) gekoppelt ist; und
eine Pumpe (42), die in dem Gehäuse (22) angeordnet ist und...
ein Gehäuse (22), das umfasst:
eine Abdeckung (24), die eine innere Oberfläche (28) aufweist; und
eine kalte Platte (26) mit einer Tragefläche (30), wobei die kalte Platte (26) mit der Abdeckung (24) abdichtend gekoppelt ist, um einen Hohlraum (32) in dem Gehäuse (22) zu definieren, der ausgestaltet ist, um das dielektrische Fluid (38) darin aufzunehmen;
einen Strömungsdurchgang (41), der durch die Abdeckung (24) und die kalte Platte (26) hindurch ausgebildet ist, wobei der Strömungsdurchgang (41) einen Einlassanschluss (44), der durch die Tragefläche (30) hindurch angeordnet ist, und einen Auslassanschluss (46) umfasst, der durch die innere Oberfläche (28) hindurch angeordnet ist;
mindestens eine Leistungseinrichtung (34), die in dem Hohlraum (32) liegt und mit der Tragefläche (30) gekoppelt ist; und
eine Pumpe (42), die in dem Gehäuse (22) angeordnet ist und...
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein flüssigkeitsgekühltes Halbleitermodul und insbesondere ein Leistungsmodul mit einem in sich geschlossenen Kühlungssystem, welches zur Verwendung an Bord eines Elektro/Hybridfahrzeugs geeignet ist.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Es ist bekannt, dass gewisse Halbleitereinrichtungen im Betrieb übermäßige Wärme erzeugen. Dies trifft besonders auf Leistungshalbleitereinrichtungen zu, welche üblicherweise als Schalter oder Gleichrichter bei elektrischen Hochleistungsschaltungen verwendet werden. Beispielsweise werden Wechselrichter bei Elektro- und Hybridelektrofahrzeugen eingesetzt, um den elektrischen Antriebsmotor des Fahrzeugs mit einer dreiphasigen Betriebsspannung zu versorgen. Wechselrichter und andere derartige Einrichtungen müssen typischerweise gekühlt werden, um eine korrekte Funktion sicherzustellen. Aus diesem Grund sind die Leistungsmodule, in welchen derartige Leistungseinrichtungen untergebracht sind, oft mit irgendeiner Form von Kühlungssystem ausgestattet. Beispielsweise verwenden herkömmliche Kühlungssysteme üblicherweise eine kalte Platte (z. B. einen Kühlkörper), um Wärme von der Leistungseinrichtung weg zu übertragen. Der Kühlkörper kann einen Metallkörper (z. B. Aluminium, Kupfer, etc.) mit einer ebenen Oberfläche und mehreren Vorsprüngen (”Nadelrippen”) umfassen, welche sich davon weg erstrecken. Die ebene Oberfläche des Kühlkörpers steht in thermischem Kontakt mit der Leistungseinrichtung (ist z. B. mit einem Substrat verlötet, welches die Leistungseinrichtung trägt), und die Nadelrippen sind einer Kühlungsquelle ausgesetzt, typischerweise Luft oder einer Kühlmittelflüssigkeit (z. B. Glykolwasser). Während eines Betriebs der Einrichtung wird Wärme von der Leistungseinrichtung weg und in die Nadelrippen geleitet, welche von der Kühlungsquelle konvektiv gekühlt werden.
- Einfache Kühlkörperkühlungssysteme des voranstehend beschriebenen Typs erreichen eine suboptimale Kühlung der Leistungseinrichtung. Die konduktive Wärmeübertragung von der Leistungseinrichtung an die kalte Platte ist im Allgemeinen weniger effektiv als Kühlungsverfahren mit einem direkten Kontakt, bei denen ein Kühlmittelfluid die Leistungseinrichtung physikalisch kontaktiert. Auch kann, wenn ein Kühlmittelfluid verwendet wird, eine Wärmedissipation durch eine Kühlmittelstagnation weiter verringert werden. Diese Beschränkungen können abgeschwächt werden, indem ein aktives Kühlungssystem mit einem direkten Kontakt eingesetzt wird, welches eine Pumpe verwendet, um das Kühlmittelfluid über die oder auf der Leistungseinrichtung zirkulieren zu lassen. Die effektivsten dieser Systeme lenken typischerweise ein dielektrisches Kühlmittel in der Nähe eines oberen Abschnitts der Leistungseinrichtung auf die elektrischen Komponenten (z. B. Schalter, Dioden etc.). Auch aktive Kühlungssysteme mit einem direkten Kontakt sind jedoch in gewissen Hinsichten beschränkt. Derartige Kühlungssysteme neigen dazu, relativ komplex und teuer in der Anwendung zu sein. Zusätzlich sind derartige Kühlungssysteme typischerweise nicht in sich geschlossen und erfordern daher mehrere Verbindungen zwischen Komponenten. Dies gestaltet die Montage/den Austausch eines Leistungsmoduls, welches ein derartiges Kühlungssystem einsetzt, schwieriger und kann auch zu einer Kühlmittelfluidverschmutzung und Dichtungsproblemen führen.
- In der
US 5 907 473 A ist eine Kapselung mit Sprühkühlung offenbart, durch die eine elektrische Komponente in der Kapselung eine verbesserte Betriebsumgebung erhält. Zur Kühlung der elektrischen Komponente wird dielektrisches Kühlfluid auf dieselbe gesprüht. - Die
US 6 507 492 B2 offenbart eine Baugruppe zur Kühlung und EMV-Abschirmung eines Multichip-Moduls, bei der durch eine Pumpe ein dielektrisches Kühlfluid umgewälzt und auf das Multichip-Modul gesprüht wird. Die Wärme wird über Kühlrippen und einen mit der Pumpe gekoppelten Lüfter abgeführt. - In der
US 5 854 092 A ist ein Verfahren zur Kühlung durch Besprühen einer einstellbaren Halbleitereinrichtung offenbart, bei dem ein Kühlfluid über eine Düse auf die Halbleitereinrichtung gesprüht wird. - Die
US 2006/0 174 642 A1 - In der
US 5 763 951 A ist ein Flüssigkeitskühlungssystem für eine Leiterplattenanordnung mit einer magnetischen Pumpe offenbart. Wenn die magnetische Pumpe in die Leiterplatte integriert ist, wird durch den Strom, der durch die Leiterplatte fließt, auch das Kühlfluid umgewälzt. - Die
US 2005/0 168 947 A1 - Es ist daher festzustellen, dass es wünschenswert wäre, ein Kühlungssystem bereitzustellen, das thermisch effizient ist, vollständig in einem Halbleitermodul enthalten ist, Fluidverschmutzung und Dichtungsprobleme vermeidet und die Montage/den Austausch des Moduls erleichtert. Es ist ferner festzustellen, dass es vorteilhaft wäre, wenn ein derartiges Kühlungssystem eine verringerte Komplexität aufweist und relativ kostengünstig herzustellen ist. Darüber hinaus werden andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehenden technischen Gebiet und Hintergrund offenbar werden.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Ein Leistungsmodul umfasst ein Gehäuse, das eine Abdeckung, eine kalte Platte, einen Strömungsdurchgang, mindestens eine Leistungseinrichtung und eine Pumpe aufweist. Die kalte Platte ist mit der Abdeckung abdichtend so gekoppelt, dass ein Hohlraum in dem Gehäuse definiert ist, der ein dielektrisches Fluid aufnehmen kann. Der Strömungsdurchgang umfasst einen Einlassanschluss, der durch eine Tragefläche der kalten Platte hindurchgeht, und einen Auslassanschluss, der durch eine innere Oberfläche der Abdeckung hindurchgeht. Die mindestens eine Leistungseinrichtung befindet sich in dem Hohlraum und ist mit der Tragefläche gekoppelt. Zur Kühlung der mindestens einen Leistungseinrichtung lässt die Pumpe das dielektrische Fluid durch den Strömungsdurchgang und auf die mindestens eine Leistungseinrichtung zirkulieren.
- BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und:
-
1 eine erste Querschnittsansicht eines Halbleitermoduls gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und -
2 eine zweite Querschnittsansicht des in1 gezeigten Halbleitermoduls entlang einer Linie 2-2 ist. - BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
- Die nachfolgende genaue Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung zu beschränken. Darüber hinaus ist es nicht beabsichtigt, durch irgendeine explizite oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der nachfolgenden genauen Beschreibung dargestellt ist.
-
1 ist eine erste Querschnittsansicht eines Halbleitermoduls20 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und2 ist eine zweite Querschnittsansicht des Moduls20 entlang einer Linie 2-2 in1 . Das Halbleitermodul20 kann ein Leistungsmodul sein (z. B. ein Umrichtermodul, das zum Einsatz in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug geeignet ist) und wird daher hierin als solches bezeichnet. Das Leistungsmodul20 umfasst ein Gehäuse22 , welches wiederum eine Modulabdeckung24 und eine Basis26 umfasst. Die Basis26 kann beispielsweise eine kalte Platte umfassen. Der Begriff kalte Platte wird hierin in seiner breitesten Bedeutung verwendet und umfasst eine beliebige Einrichtung (z. B. einen Kühlkörper oder eine Wärmesenke), die geeignet ist, um Wärme von dem Modul20 zu entfernen. Die Abdeckung24 kann aus einem geeigneten Kunststoff gespritzt sein, und die kalte Platte26 kann aus einem thermisch leitfähigen Metall, wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer, aufgebaut sein. Die Abdeckung24 umfasst eine innere Oberfläche28 , und die kalte Platte26 umfasst eine Tragefläche30 . Die Abdeckung24 ist mit der kalten Platte26 derart abdichtend gekoppelt, dass die innere Oberfläche28 und die Tragefläche30 zusammenwirken, um einen Hohlraum32 in dem Gehäuse22 zu definieren. Wie ein Fachmann feststellen wird, kann die Abdeckung24 mit der kalten Platte26 auf eine Vielzahl von Arten abdichtend gekoppelt sein. Beispielsweise kann die Abdeckung24 mit der kalten Platte26 durch einen Klebstoff oder mehrere Befestigungseinrichtungen gekoppelt sein. Alternativ kann die Abdeckung24 so gespritzt sein, dass sie mehrere mechanische Verriegelungseigenschaften umfasst, die in die Tragefläche30 eingreifen, oder die Abdeckung24 kann auf die kalte Platte26 einfach direkt aufgespritzt sein. Wenn Befestigungseinrichtungen oder mechanische Verriegelungseigenschaften verwendet werden, kann ein (nicht gezeigter) Elastomer-O-Ring zwischen der inneren Oberfläche28 und der Tragefläche30 angeordnet sein, um sicherzustellen, dass zwischen der Abdeckung24 und der kalten Platte26 eine hermetische Abdichtung ausgebildet ist. - Eine oder mehrere Halbleitereinrichtungen
34 (z. B. Leistungseinrichtungen, beispielsweise Umrichter) sind in dem Hohlraum32 angeordnet und mit der Tragefläche30 der kalten Platte26 gekoppelt. Insbesondere werden die Leistungseinrichtungen34 von einem Substrat36 getragen und sind damit fest gekoppelt. Das Substrat36 kann ein direct bonded copper Substrat (DBC-Substrat) sein (z. B. ein kupferbeschichtetes Aluminiumoxid- oder Keramiksubstrat), und die Leistungseinrichtungen34 können an das Substrat36 gelötet sein; es ist jedoch festzustellen, dass andere Substrate und Befestigungsmittel verwendet werden können. Das Substrat36 ist mit der Tragefläche30 gekoppelt (z. B. darauf gelötet), wodurch die Leistungseinrichtungen34 in eine thermische Verbindung mit der kalten Platte26 gebracht werden. - Während eines Betriebs des Halbleitermoduls
20 wird von den Leistungseinrichtungen34 Wärme erzeugt. Insbesondere wird Wärme von elektrischen Komponenten (z. B. Leistungsschaltern, Dioden, etc.) und Drahtverbindungen erzeugt, die von den Leistungseinrichtungen34 verwendet werden. Folglich wird ein Kühlungssystem in dem Gehäuse22 eingesetzt, um die Wärme zu dissipieren, die von den Leitungseinrichtungen34 erzeugt wird, indem ein Kühlmittelfluid38 durch das Gehäuse22 und über oder auf die Leistungseinrichtungen34 aktiv zirkulieren gelassen wird. Wie nachfolgend genauer beschrieben wird, lenkt das Kühlungssystem vorzugsweise einen oder mehrere Fluidströme oder Kühlmittelfluidsprühnebel direkt auf oben gelegene Oberflächen der Leistungseinrichtungen34 , um die elektrischen Komponenten und Drahtverbindungen direkt zu kühlen und daher eine konvektive Wärmedissipation zu maximieren. - Das Kühlmittelfluid
38 ist eine dielektrische Flüssigkeit. Wie ein Fachmann erkennt, hängt die speziell gewählte dielektrische Flüssigkeit von der Chemie der Einrichtung und der Anwendung ab. Geeignete dielektrische Flüssigkeiten können umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Fluorkohlenstoffe, Silikonöle und Polyalphaolefine. Das Kühlmittelfluid38 sammelt sich in einem Kühlmittelfluidvorratsbehälter37 , welcher in dem Hohlraum32 angeordnet ist und welcher im Wesentlichen durch die Tragefläche30 und die innere Oberfläche28 definiert ist. Wie dargestellt ist, kann der Vorratsbehälter37 eine oder mehrere der Leistungseinrichtungen34 teilweise oder vollständig umgeben; es sollte jedoch verstanden sein, dass es keinesfalls notwendig ist, dass das in dem Kühlmittelfluidvorratsbehälter37 enthaltene Fluid irgendeinen Abschnitt der Leistungseinrichtungen34 kontaktiert. Allerdings kann es bevorzugt sein, dass die oberen Oberflächen der Leistungseinrichtungen34 offen liegen, um eine direkte Beaufschlagung mit Kühlmittelfluid38 darauf zu ermöglichen. Bei anderen Ausführungsformen können die Leistungseinrichtungen34 vollständig in das Kühlmittelfluid38 eingetaucht sein, welches den Hohlraum32 im Wesentlichen ausfüllen kann. Ausführungsformen dieses Typs können gewisse Vorteile gegenüber Ausführungsformen bereitstellen, in denen die Leistungseinrichtungen34 nicht vollständig in das Fluid38 eingetaucht sind. Diese Vorteile umfassen, sind aber nicht begrenzt auf, eine verbesserte thermische Leistungsfähigkeit und/oder eine verminderte Empfindlichkeit gegenüber einer Ausrichtung der Einrichtung; z. B. eine verringerte Wahrscheinlichkeit einer Gasansaugung durch eine in dem Halbleitermodul20 angeordnete Pumpe (zum Beispiel die nachfolgend beschriebene Pumpe42 ), wenn das Modul20 geneigt ist oder wenn das Modul20 Gravitationskräfte erfährt. - Bei der beispielhaften Ausführungsform umfasst die kalte Platte
26 einen Kühlkörper, der einen Körperabschnitt39 aufweist, welcher die Tragefläche30 umfasst. Mehrere Vorsprünge40 (”Nadelrippen”) sind mit dem Körperabschnitt39 gekoppelt (z. B. einstückig) und erstrecken sich im Wesentlichen gegenüber der Tragefläche30 davon weg. Die Nadelrippen40 erhöhen den Oberflächenbereich des unteren Abschnitts der kalten Platte26 und fördern dadurch die konvektive Kühlung der kalten Platte26 . Die Nadelrippen40 sind einer Kühlungsquelle in der wohlbekannten Weise ausgesetzt; z. B. können die Nadelrippen40 einer Luftquelle ausgesetzt sein, welche durch einen (nicht gezeigten) Ventilator über die Nadelrippen40 gelenkt werden kann. Alternativ können die Nadelrippen40 einem zweiten flüssigen Kühlmittel (z. B. Glykolwasser) ausgesetzt sein. Auf diese Weise arbeitet die kalte Platte26 mit dem Substrat36 zusammen, um einen konduktiven Wärmedissipationspfad zu bilden. Das heißt, dass überschüssige Wärme, welche von den Leistungseinrichtungen34 erzeugt wird, von dem Substrat36 konduktiv absorbiert wird und durch den Körperabschnitt39 in die Nadelrippen40 wandert. Die auf die Nadelrippen40 aufgebrachte Kühlungsquelle dissipiert dann die überschüssige Wärme konvektiv, wodurch die kalte Platte26 gekühlt wird. - Wie voranstehend angemerkt wurde, wird das Kühlmittelfluid
38 mit Hilfe eines Kühlungssystems, das in dem Leistungsmodul20 enthalten ist, aktiv durch das Gehäuse22 zirkulieren gelassen. Dieses Kühlungssystem umfasst einen Strömungsdurchgang41 (1 ) durch das Gehäuse22 , der einen Einlass und mindestens einen Auslass aufweist. Zusätzlich kann das Kühlungssystem ferner eine Pumpe42 (1 ) umfassen, die mit dem Strömungsdurchgang41 fluidtechnisch gekoppelt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform umfasst der Strömungsdurchgang41 einen Vorratsbehältereinlass44 , der durch die Tragefläche30 hindurch angeordnet ist, und mehrere Beaufschlagungsauslässe46 , die durch die innere Oberfläche28 hindurch angeordnet sind. Die Beaufschlagungsauslässe46 sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie zirkulierendes Kühlmittelfluid38 auf die oben gelegenen Oberflächen der Leistungseinrichtungen34 lenken; z. B. kann jeder Auslass46 im Wesentlichen über einer anderen Leistungseinrichtung34 angeordnet sein, wie in1 und2 gezeigt ist. Die Beaufschlagungsauslässe46 können eine beliebige Form annehmen, die geeignet ist, um Fluid38 auf die Leistungseinrichtung34 zu lenken. Beispielsweise kann jeder Beaufschlagungsauslass46 die Form eines oder mehrerer Löcher annehmen, die durch die innere Oberfläche28 der Abdeckung24 hindurch geschaffen sind. Jedoch umfasst jeder Beaufschlagungsauslass46 vorzugsweise eine (dargestellte) Fluidströmungsdüse, die ausgestaltet ist, um einen Kühlmittelfluidstrom zu erzeugen, oder eine Sprühdüse, die ausgestaltet ist, um einen feinen oder zerstäubten Nebel zu erzeugen. Ein spezielles Modul kann Fluidströmungsdüsen, Sprühdüsen oder eine Kombination von Strömungs- und Sprühdüsen in Abhän gigkeit von gewünschten Leistungsmerkmalen verwenden. Im Vergleich zu Fluidströmungsdüsen neigen Sprühdüsen dazu, eine effizientere thermische Kühlung bereitzustellen. Andererseits tragen Fluidströmungsdüsen dazu bei, die Qualität des Kühlmittelfluids zu erhalten und können es ermöglichen, dass die Pumpe42 eine Niederdruckpumpe ist, wodurch Kosten verringert werden und die Zuverlässigkeit des Systems erhöht wird. - Obwohl in
1 und2 nur ein Strömungsdurchgang gezeigt ist, ist festzustellen, dass gewisse Ausführungsformen des erfinderischen Halbleitermoduls mehrere (z. B. duale) Strömungsdurchgänge umfassen können. Der Strömungsdurchgang ist oder die Strömungsdurchgänge sind vorzugsweise durch einen Randabschnitt der kalten Platte hindurch ausgebildet, um einen direkten Kontakt mit dem konduktiven Wärmepfad im Wesentlichen zu vermeiden, welcher durch das Substrat und die kalte Platte bereitgestellt ist. Zusätzlich kann, wie ein Fachmann verstehen wird, der Abschnitt des Strömungsdurchgangs (oder der Strömungsdurchgänge), der durch die kalte Platte hindurch ausgebildet ist, eine Vielzahl von Gestalten und Ausgestaltungen (z. B. eine schlangenförmige oder gitterförmige Ausgestaltung) annehmen, um die Länge des Strömungsdurchgangs zu erhöhen und damit eine Wärmeübertragung von dem Kühlmittelfluid an die kalte Platte zu maximieren. - Immer noch mit Bezug auf das beispielhafte Modul
20 umfasst der Strömungsdurchgang41 zwei Strömungsdurchgangsabschnitte: einen ersten Strömungsdurchgangsabschnitt48 , der durch die kalte Platte26 hindurch ausgebildet ist, und einen zweiten Strömungsdurchgangsabschnitt50 , der durch die Abdeckung24 hindurch ausgebildet ist (z. B. durch einen oberen Abschnitt der Abdeckung24 ). Der erste Strömungsdurchgangsabschnitt48 umfasst einen Vorratsbehältereinlass44 , und der zweite Abschnitt50 umfasst die mehreren Beaufschlagungsauslässe46 . Eine Pumpe42 ist in dem Gehäuse22 angeordnet und zwischen den ersten Strömungsdurchgangsabschnitt48 und den zweiten Strömungsdurchgangsabschnitt50 fluidtechnisch gekoppelt. Beispielsweise kann die Pumpe42 in einem Randabschnitt43 (1 ) der Abdeckung24 liegen und zwischen einen Auslass52 des Strömungsdurchgangs48 und einen Einlass54 des Strömungsdurchgangs50 fluidtechnisch gekoppelt sein. Wenn sie eingeschaltet ist, lässt die Pumpe42 Kühlmittelfluid38 durch den Strömungsdurchgang41 und über die Leistungseinrichtungen34 zirkulieren. Insbesondere wird Kühlmittelfluid38 unter dem Einfluss der Pumpe42 zuerst aus dem Vorratsbehälter37 in den Vorratsbehältereinlass44 des Strömungsdurchgangsabschnitts48 gesaugt. Das Kühlmittelfluid38 strömt dann durch den Strömungsdurchgangsabschnitt48 und in die Pumpe42 . Als Nächstes stößt die Pumpe42 Kühlmittelfluid38 in den Strömungsdurchgangsabschnitt50 aus. Das ausgestoßene Kühlmittelfluid38 strömt durch den Strömungsdurchgangsabschnitt50 , bis es die Beaufschlagungsauslässe46 erreicht, welche Kühlmittelfluid38 dann auf die Leistungseinrichtungen34 lenken. Nach einem Auftreffen auf die oberen Oberflächen der Leistungseinrichtungen34 kehrt das Kühlmittelfluid38 zu dem Kühlmittelvorratsbehälter37 zurück und der Zyklus wird wiederholt. - Wenn Kühlmittelfluid
38 auf die oberen Oberflächen der Leistungseinrichtungen34 auftrifft, wird Wärme von den Einrichtungen34 an das Fluid38 übertragen, wodurch ein konvektiver Wärmedissipationspfad geschaffen wird. Dies führt zu einer Wärmeübertragung von den Einrichtungen34 an das Kühlmittelfluid38 . In einem erwärmten Zustand strömt das Kühlmittelfluid38 in den Kühlmittelfluidvorratsbehälter37 und wird schließlich in den Vorratsbehältereinlass44 gesaugt. Während das erwärmte Kühlmittelfluid38 durch den Strömungsdurchgangsabschnitt48 strömt, bewirkt die kalte Platte26 , dass das Fluid38 in der voranstehend beschriebenen Weise abgekühlt wird. Wie in1 gezeigt ist, überspannt der Strömungsdurchgangsabschnitt48 vorzugsweise den größten Teil der Länge der kalten Platte26 , um eine Dissipation von Wärme zu maximieren. Darüber hinaus ist die Breite des Strömungsdurchgangsabschnitts48 , wie in2 gezeigt ist, vorzugsweise wesentlich geringer als diejenige der kalten Platte26 , um eine Dissipation von Wärme entlang des voranstehend beschriebenen konduktiven Pfades zu erhöhen. - Aus der voranstehenden Beschreibung ist zu entnehmen, dass das Modul
20 mit zwei getrennten Wärmedissipationspfaden ausgestattet ist: einem voranstehend beschriebenen konduktiven Kühlungspfad (d. h. durch die Unterseite der Einrichtungen34 , das Substrat36 , den Körperabschnitt39 und die Nadelrippen40 ) und einem konvektiven Kühlungspfad (d. h. durch die Oberseiten der Einrichtungen34 , das zirkulierte Kühlmittelfluid38 und die Nadelrippen40 ). Auf diese Weise wird die Kühlung der Leistungselektronikeinrichtungen34 wesentlich erhöht. Darüber hinaus stellen die getrennten Wärmedissipationspfade eine Redundanz bereit, welche eine Fortführung des Betriebs des Leistungsmoduls20 für den Fall ermöglichen können, dass ein Fehler in dem konvektiven Kühlungspfad auftritt (z. B. ein Ausfall der Pumpe42 , eine Blockade in dem Strömungsdurchgang41 etc.). - Im Hinblick auf das Voranstehende ist festzustellen, dass ein Kühlungssystem bereitgestellt wurde, das thermisch effizient ist und das vollständig in einem Halbleitermodul enthalten ist. Ferner ist festzustellen, dass das Kühlungssystem eine verringerte Komplexität aufweist und relativ kostengünstig herzustellen ist. Obwohl in der voranstehenden genauen Beschreibung mindestens eine beispielhafte Ausführungsform dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine riesige Anzahl an Varianten existiert.
- Die voranstehende genaue Beschreibung wird Fachleute mit einem geeigneten Plan zur Implementierung der beispielhaften Ausführungsform oder beispielhafter Ausführungsformen ausstatten. Es ist zu verstehen, dass bei der Funktion und der Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren juristischen Entsprechungen offengelegt ist.
Claims (9)
- Leistungsmodul (
20 ), das ausgestaltet ist, um ein dielektrisches Fluid (38 ) darin zirkulieren zu lassen, umfassend: ein Gehäuse (22 ), das umfasst: eine Abdeckung (24 ), die eine innere Oberfläche (28 ) aufweist; und eine kalte Platte (26 ) mit einer Tragefläche (30 ), wobei die kalte Platte (26 ) mit der Abdeckung (24 ) abdichtend gekoppelt ist, um einen Hohlraum (32 ) in dem Gehäuse (22 ) zu definieren, der ausgestaltet ist, um das dielektrische Fluid (38 ) darin aufzunehmen; einen Strömungsdurchgang (41 ), der durch die Abdeckung (24 ) und die kalte Platte (26 ) hindurch ausgebildet ist, wobei der Strömungsdurchgang (41 ) einen Einlassanschluss (44 ), der durch die Tragefläche (30 ) hindurch angeordnet ist, und einen Auslassanschluss (46 ) umfasst, der durch die innere Oberfläche (28 ) hindurch angeordnet ist; mindestens eine Leistungseinrichtung (34 ), die in dem Hohlraum (32 ) liegt und mit der Tragefläche (30 ) gekoppelt ist; und eine Pumpe (42 ), die in dem Gehäuse (22 ) angeordnet ist und in Fluidverbindung mit dem Strömungsdurchgang (41 ) steht, wobei die Pumpe (42 ) ausgestaltet ist, um das dielektrische Fluid (38 ) durch den Strömungsdurchgang (41 ) und auf die mindestens eine Leistungseinrichtung (34 ) zirkulieren zu lassen. - Leistungsmodul (
20 ) nach Anspruch 1, wobei der Auslassanschluss (46 ) im Wesentlichen über der mindestens einen Leistungseinrichtung (34 ) angeordnet ist. - Leistungsmodul (
20 ) nach Anspruch 1, wobei der Strömungsdurchgang (41 ) durch einen Randabschnitt der kalten Platte (26 ) hindurch ausgebildet ist. - Leistungsmodul (
20 ) nach Anspruch 1, wobei die kalte Platte (26 ) einen Kühlkörper umfasst, der mehrere Nadelrippen (40 ) aufweist, die sich im Wesentlichen entgegengesetzt zu der Tragefläche (30 ) davon weg erstrecken. - Leistungsmodul (
20 ) nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung (24 ) umfasst: einen Randabschnitt (43 ), wobei die Pumpe (42 ) im Wesentlichen in dem Randabschnitt (43 ) liegt; und einen oberen Abschnitt, der mit dem Randabschnitt (43 ) gekoppelt ist, wobei der Auslassanschluss (46 ) in dem oberen Abschnitt ausgebildet ist. - Leistungsmodul (
20 ) nach Anspruch 1, wobei ein erster Strömungsdurchgangsabschnitt (48 ) durch die kalte Platte (26 ) hindurchgeht, wobei der erste Srömungsdurchgangsabschnitt (48 ) im Wesentlichen U-förmig ist. - Leistungsmodul (
20 ) nach Anspruch 6, das ferner einen Kühlmittelfluidvorratsbehälter (37 ) in dem Hohlraum (32 ) umfasst. - Leistungsmodul (
20 ) nach Anspruch 7, wobei der erste Strömungsdurchgangsabschnitt (48 ) zwischen den Vorratsbehälter (37 ) und die Pumpe (42 ) fluidtechnisch gekoppelt ist. - Leistungsmodul (
20 ), das umfasst: eine Abdeckung (24 ) mit einem dort hindurch gehenden ersten Strömungsdurchgang (50 ), der einen Beaufschlagungsauslass (46 ) umfasst; eine kalte Platte (26 ), die mit der Abdeckung (24 ) abdichtend gekoppelt ist und einen Hohlraum (32 ) damit ausbildet, wobei die kalte Platte (26 ) einen dort hindurch gehenden zweiten Strömungsdurchgang (48 ) aufweist, der einen Vorratsbehältereinlass (44 ) umfasst; mindestens eine Leistungseinrichtung (34 ), die in dem Hohlraum (32 ) liegt und mit der kalten Platte (26 ) gekoppelt ist, wobei die mindestens eine Leistungseinrichtung (34 ) im Wesentlichen unter dem Beaufschlagungsauslass (46 ) angeordnet ist; ein in dem Hohlraum (32 ) angeordnetes dielektrisches Fluid (38 ); und eine Pumpe (42 ), die im Wesentlichen in der Abdeckung (24 ) liegt und zwischen den ersten Strömungsdurchgang (50 ) und den zweiten Strömungsdurchgang (48 ) fluidtechnisch gekoppelt ist, wobei die Pumpe (42 ) ausgestaltet ist, um das dielektrische Fluid (38 ) durch den Vorratsbehältereinlass (44 ) anzusaugen, das dielektrische Fluid (38 ) durch den ersten (50 ) und den zweiten (48 ) Strömungsdurchgang zu leiten und das dielektrische Fluid (38 ) durch den Beaufschlagungsauslass (46 ) auf die mindestens eine Leistungseinrichtung (34 ) zu abzugeben.
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