DE112004000583T5

DE112004000583T5 - Leistungsschaltung mit einem thermoionischen Kühlsystem

Info

Publication number: DE112004000583T5
Application number: DE112004000583T
Authority: DE
Inventors: Nazzareno Danville Rossetti
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2006-04-13
Also published as: JP2006522496A; TW200500582A; WO2004091948A3; WO2004091948A2; US20040195675A1; US6809417B1; TWI301880B; KR20050110038A

Abstract

Leistungsschaltung mit einem thermoionischen Kühlsystem, umfassend:
einen Spannungsregler; und
eine Wärmerichtvorrichtung, die betrieben werden kann, um den Spannungsregler zu kühlen, wobei die Wärmerichtvorrichtung umfaßt:
einen Wärmekollektor; und
eine Wärmebarriere, die zwischen dem Spannungsregler und dem Wärmekollektor angeordnet ist, wobei
Elektronen in die Lage versetzt werden können, vom Spannungsregler über die Wärmebarriere auf den Wärmekollektor mittels einer zwischen dem Spannungsregler und dem Wärmekollektor angelegten Spannung zu tunneln.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Kühlsysteme für Leistungsschaltungen und insbesondere die thermoionische Kühlung von Spannungsreglern und/oder Lasten.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In elektronischen Schaltungen ist der Stromfluß untrennbar mit der Erzeugung von Wärme durch resistive Schaltungselemente verbunden. In der modernen elektronischen Schaltungstechnik nimmt die Größe der Merkmale immer weiter ab. Dementsprechend nehmen die Stromdichten und Widerstände zu, was zu einem raschen Anstieg der erzeugten Wärme führt. Die ansteigende Wärmemenge muß von der Schaltung abgeführt werden, um die Funktion aufrechtzuerhalten.
Kühlsysteme können auf mittels eines Kompressors durch ein System aus Ventilen und Leitungen umgewälzten Kühlfluids basieren. Ein großer Teil der heutigen Kühltechnik basiert auf dieser Art von Aufbau. Jedoch erfordert die Verwendung von Fluiden, Ventilen, Motoren und anderen bewegbaren Teilen bei elektronischen Schaltungen die Integration von weitgehend inkompatiblen Technologien. Daher besteht eine Nachfrage nach anderen Kühlsystemen.
Elektronische Kühlsystem können als passive und aktive Systeme kategorisiert werden. Bei passiven Systemen wird die Wärmequelle (die elektronische Schaltung) typischerweise mit einem Kühlkörper bzw. einer Wärmesenke gekoppelt. In einigen Fällen wird die Wärmequelle als eine kalte Platte bezeichnet und der Kühlkörper als eine warme Platte. In diesen Systemen wird die Wärme entsprechend den thermodynamischen Gesetzen mit Hilfe der Temperatur oder des thermischen Gradienten von der wärmeren Quelle zur kälteren Senke geleitet. Bei einigen Systemen befindet sich die Wärmesenke in direktem Kontakt mit der Umgebung, wo bei die überschüssige Wärme durch Wärmeleitung und Wärmekonvektion ausgetauscht wird. Bei anderen Systemen wird die Wärmesenke mittels eines Ventilators oder mit Hilfe von analogen Verfahren gekühlt. In vielen heutigen Computern werden Mikroprozessoren beispielsweise mit Hilfe eines Ventilators gekühlt.
Jedoch ist bei diesen Systemen die Wärmetransferrate typischerweise niedrig. Des weiteren sind passive Systeme nicht dazu geeignet, Wärme von einem kühleren Ort zu einem wärmeren zu übertragen. Daher bleibt die Quelle stets wärmer als die Senke.
Bei aktiven Systemen wird eine aktive Wärmepumpe oder ein dazu äquivalentes Mittel verwendet, mit dem der Wärmetransfer von der Quelle zur Senke erhöht werden kann. Daher ist der Wärmestrom größer als bei passiven Systemen, bei welchen die Wärme lediglich mit Hilfe thermischer Gradienten übertragen wird. Darüberhinaus können diese aktiven Systeme so betrieben werden, daß Wärme von einer kälteren Quelle zu einer wärmeren Senke übertragen wird.
Bei einigen aktiven Systemen bewegt die Wärmepumpe die „heißen" Elektronen der Quelle zu einem entfernten Bereich der Schaltung, der als eine Wärmesenke wirkt. Während die Wärme von der Wärmequelle durch ein Fortbewegen heißer Elektronen von der Wärmequelle übertragen wird, führen häufig die Atome und sogar einige der Elektronen des Host-Materials die Wärme in dem Bereich der Quelle zurück. Durch diesen Rückfluß wird die Wirksamkeit dieser Systeme stark begrenzt.
Abriß der Erfindung
Kurz und im allgemeinen umfassen Ausführungsformen der Erfindung eine Leistungsschaltung mit einem thermoionischen Kühlsystem. Einige Ausführungsformen umfassen einen Spannungsregler und eine Wärmerichtvorrichtung, die betrieben werden kann, um den Spannungsregler zu kühlen. Einige Ausführungsformen der Wärmerichtvorrichtung umfassen einen Wärmekollektor und eine Wärmebarriere, die zwischen dem Spannungsregler und dem Wärmekollektor ausgebildet ist, wobei Elektronen vom Spannungsregler in die Lage versetzt werden, mittels einer Hilfsspannung durch die Wärmebarriere auf den Wärmekollektor zu tunneln.
Bei einigen Ausführungsformen umfaßt die Wärmerichtvorrichtung einen Wärmekollektor und eine Wärmebarriere, die zwischen dem Spannungsregler und dem Wärmekollektor ausgebildet ist. Die Wärmebarriere verhindert den Rückfluß von Wärme vom Wärmekollektor zum Spannungsregler.
Ein Hilfsspannungsgenerator legt eine Hilfsspannung zwischen dem Spannungsregler und dem Wärmekollektor an, wodurch die heißen Elektronen des Spannungsreglers in die Lage versetzt werden, durch die Wärmebarriere auf den Wärmekollektor zu tunneln. Einige Ausführungsformen umfassen auch eine Wärmesenke, die mit dem Wärmekollektor gekoppelt ist und einen Ventilator, um die Wärmesenke zu kühlen. Einige Ausführungsformen umfassen einen Controller, mit dem der Spannungsregler und die Wärmerichtvorrichtung gesteuert werden.
Bei einigen Ausführungsformen umfaßt der Spannungsregler einen Spannungscontroller und einen oder mehrere Leistungstransistoren. Die Leistungsschaltung kann auf einem gemeinsamen Substrat, das vom Spannungscontroller und den Leistungstransistoren gemeinsam geteilt wird, angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen hält der Spannungscontroller eine Temperatur zumindest von einem der Leistungstransistoren, des Wärmekollektors, der Wärmesenke und des gemeinsamen Substrats durch Steuern zumindest von einem der Leistungstransistoren, des Hilfsspannungsgenerators und eines Ventilators, der so angeordnet ist, um die Wärmesenke zu kühlen, in einem vorausgewählten Bereich.
Bei einigen Ausführungsformen wird eine Last zusammen mit dem Kühlsystem integriert, so daß die Last selbst durch die Wärmerichtvorrichtung gekühlt werden kann. Bei einigen Ausführungsformen ist der Spannungsregler dazu geeignet, bei einer Leistungsdichte von mehr als 5000 W/cm² betrieben zu werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und für weitere Merkmale und Vorteile wird nun auf die folgende Beschreibung Bezug genommen, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu betrachten ist.
1 ist ein Blockdiagramm eines thermoionisch gekühlten Spannungsreglers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine beispielhafte Implementierung einer Wärmerichtvorrichtung in Kombination mit einem Spannungsregler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 ist eine beispielhafte Implementierung eines thermoionisch gekühlten Spannungsreglers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4 ist eine beispielhafte Implementierung einer passiven mit einer Wärmerichtvorrichtung gekoppelten Schaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
5 ist ein Tiefpaßfilter zur Darstellung einer beispielhaften Implementierung einer passiven Schaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6 veranschaulicht ein thermoionisches Kühlsystem mit einer integrierten Last gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ihre Vorteile sind am besten unter Bezugnahme auf 1-6 der Zeichnungen verständlich. Für gleiche und entsprechende Teile werden in den verschiedenen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen verwendet.
1 ist ein Blockdiagramm eines Systems 2 zum thermoionischen Kühlen eines Spannungsreglers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Im System 2 ist ein Spannungsregler 4 mit einer Wärmerichtvorrichtung 8 gekoppelt. Jedes dieser Elemente kann mehrere Komponenten umfassen.
2 veranschaulicht eine beispielhafte Implementierung einer Wärmerichtvorrichtung 8 in Verbindung mit einem Spannungsregler 4 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Beim Betrieb des Spannungsreglers 4 erzeugt dieser Wärme, d.h. er wird zu einer Wärmequelle. Wie abgebildet ist, umfaßt die Wärmerichtvorrichtung 8 eine Wärmebarriere 16 und einen Wärmekollektor 20. Die Wärmebarriere 16 kann ein Vakuumspalt sein oder kann aus einem Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein. Der Wärmekollektor 20 kann mittels lithographischer Techniken hergestellt sein. Bei einigen Ausführungsformen ist der Wärmekollektor 20 aus Metallen mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer hergestellt. Bei anderen Ausführungsformen kann ein weiter Bereich von metallischen oder anderen Schichten angewandt werden, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufwei sen. Durch die Wärmebarriere 16 wird der Spannungsregler 4 vom Wärmekollektor 20 um einen Abstand d getrennt, der im Bereich von ungefähr 1 nm bis ungefähr 30 nm bei einigen Ausführungsformen liegen kann. Der Wert von d wird unter anderem abhängig von der Arbeitsfunktion der verwendeten Materialien gewählt. Dieser Abstand ist sehr gering und erfordert bei der Herstellung ein hohes Maß an Kontrolle.
Gemäß einer Technik kann ein Vakuumspalt mit Hilfe einer speziellen Lift-Off-Technologie hergestellt werden. Anfangs wird bei dieser „thermoionischen" Technik eine Doppelschichtstruktur ausgebildet. Die beiden Schichten sind lediglich mit einer geringen Haftung verbunden und weisen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Daher lösen sich die beiden Schichten voneinander, wenn eine geeignete Wärmebehandlung ausgeführt wird. Dadurch werden die einander zugewandten inneren Oberflächen der Schichten freigelegt, die durch den Vakuumspalt zwischen denselben getrennt sind. Da sie einander vor dem Ablösen überlagert waren, behalten die freigelegten Oberflächen die Unregelmäßigkeiten der jeweils anderen Oberfläche bei und daher ist ihr Abstand d über die Flächen näherungsweise konstant. Einzelheiten dieser Technik sind im US Patent 6,089,311 von J. Edelson und im US Patent 6,417,060 B2 von A. Tavkhelidze beschrieben, die hier durch Bezugnahme gesamtumfänglich einbezogen werden.
Eine der Schichten der Doppelschichtstruktur ist mit dem Spannungsregler 4 gekoppelt, der als die Wärmequelle wirkt. Die andere Schicht ist mit dem Wärmekollektor 20 gekoppelt. Das thermoionische Kühlsystem arbeitet, indem heiße Elektronen aus der Wärmequelle, wie beispielsweise dem Spannungsregler 4 extrahiert werden und indem sie zum Tunneln durch die Wärmebarriere 16 zum Wärmekollektor 20 gebracht werden.
Ein Hilfsspannungsgenerator 28 ist zwischen dem Spannungsregler 4 und dem Wärmekollektor 20 angeschlossen, der dazu geeignet ist, eine Hilfsspannung V_aux zwischen dem Spannungsregler 4 und dem Wärmekollektor 20 anzulegen. Ohne eine Hilfsspannung V_aux bildet der Vakuumspalt eine ausreichend große Potentialbarriere, daß Elektronen nicht in einer der Richtungen durch diese tunneln können, wodurch der Vakuumspalt zu einem sehr wirksamen Wärmeisolator bzw. Barriere gemacht wird. Wird eine ausreichend große Hilfsspannung V_aux zwischen dem Spannungsregler 4 und dem Wärmekollektor 20 mit Hilfe eines Hilfsspannungsgenerators 28 angelegt, ermöglicht es die Potentialdifferenz, daß heiße Elektronen des Spannungsregler 4 durch die Wärmebarriere 16 auf den Wärmekollektor 20 tunneln können, wie durch den Pfeil vom Spannungsregler 4 zum Wärmekollektor 20 angegeben ist. Dieser Elektronenfluß vervollständigt die Schaltung und die Stromflüsse durch die Hilfsverbindungen 32 zurück zum Hilfsspannungsgenerator 28, wie angegeben ist.
Während des beschriebenen Betriebs des thermoionischen Kühlsystems wird keine Wärme von der Wärmesenke durch die Wärmebarriere 16 zur Quelle zurückgeleitet, da die Polarität der Hilfsspannung ein Zurücktunneln der Elektronen nicht zuläßt. Desweiteren können die Atome des Wärmekollektors 20 auch nicht durch die Wärmebarriere 16 tunneln. Diese Eigenschaften machen die Wärmebarriere 16 zu einem sehr wirkungsvollen Wärmeisolator. Da auch der Rückfluß von Wärme während des Wärmetransfers im wesentlichen beseitigt ist, handelt es sich bei der Vorrichtung 8 auch tatsächlich um eine Wärmerichtvorrichtung.
Sobald die heißen Elektronen durch die Wärmebarriere 16 getunnelt sind, geben sie ihre Energie an die kühleren Elektronen und Atome des Wärmekollektors 20 ab. Diese Wärme wird dann zu einer Wärmesenke 24 geleitet und übertragen. Bei einigen Ausführungsformen ist die Wärmesenke 24 aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit ausgebildet. Die Wärmesenke 24 kann auch mit einer gerippten Struktur hergestellt sein, um eine große Oberfläche sicherzustellen, daß der Wärmeaustausch mit der Umgebung wirkungsvoll stattfinden kann. Bei einigen Ausführungsformen kann beispielsweise mit Hilfe eines Ventilators eine zusätzliche Kühlung der Wärmesenke ausgeführt werden. Es ist möglich, die Wärmesenke mit jedem beliebigen Kühlsystem, einschließlich von Kühlsystemen, in welchen Kühlflüssigkeiten zirkulieren, zu koppeln.
Die Wirksamkeit der Wärmerichtvorrichtung 8 kann ausgehend von thermodynamischen Betrachtungen berechnet und mit anderen Kühltechnologien verglichen werden. Die Technologien werden beim folgenden Aufbau verglichen: 1 Watt an Energie wird vom Spannungsregler 4 bei Raumtemperatur (T_Quelle = 300K) zum Wärmekollektor 20 (T_Kollektor 573K) übertragen. In diesem Abschnitt wird der Spannungsregler 4 als Wärmequelle 4 bezeichnet.
Gemäß den Gesetzen der Thermodynamik beträgt der ideale oder Carnot-Wirkungsgrad dieses Prozesses 52%. Eine einfache Rechnung zeigt, daß in diesem idealen Fall 0,92 Watt erforderlich sind, um 1 W von der Wärmequelle 4 zum Wärmekollektor 20 zu übertragen.
Technologien, bei welchen modernste Kompressor- und Fluidzirkulatorsysteme verwendet werden, können 45% des Carnot-Wirkungsgrads von 52% erreicht werden. Mit anderen Worten sind 2,05 Watt erforderlich, um mit diesen Systemen auf dem neuesten Stand der Technik 1W von der Quelle zur Senke zu übertragen. Dieses Ergebnis kann in einen Gesamtleistungszufuhrwirkungsgrad von 33% übertragen werden. Hier ist der Gesamtleistungszufuhrwirkungsgrad definiert als η = (abgeführte Energie)/(abgeführte Energie + erforderliche Arbeit). Jedoch werden, wie bereits erwähnt wurde, bei diesen Systemen Fluide, Kompressoren, Ventile und sich bewegende Teile verwendet, was es erschwert, diese in Herstellungstechniken für elektronische Schaltungen zu integrieren.
Einige der vollständig elektronischen Kühlsysteme basieren auf dem Peltiereffekt. Gegenwärtig arbeiten jedoch die auf dem Peltiereffekt basierenden Kühlsysteme bei 5% des Wirkungsgrads des Carnot-Zyklus. Daher sind bei Systemen, in welchen der Peltiereffekt verwendet wird, 18,4 Watt erforderlich, um 1 Watt von der Wärmequelle 4 zum Wärmekollektor 20 zu übertragen. Dies kann übertragen werden in eine Leistungszufuhrwirkungsgrad von η = 5%. Dieser niedrige Wirkungsgrad bedeutet, daß in gegenwärtigen Systemen lediglich Chips, die eine Leistungsdichte von höchstens 100 W/cm² erzeugen, ausreichend gekühlt werden können.
Mit der thermoionischen Kühltechnik gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können 70% des Carnot-Wirkungsgrads erzielt werden. Mit anderen Worten sind lediglich 1,32 Watt erforderlich, um 1 Watt an Leistung zu übertragen. Dies kann in einen Leistungszufuhrwirkungsgrad von η = 43% übertragen werden. Daher ist der Wirkungsgrad der thermoionischen Kühltechnologie beträchtlich höher als der der momentan verwendeten Kühltechnologien. Darüberhinaus können thermoionische Kühlsysteme mit Hilfe von einfach zu integrierenden lithographischen Techniken hergestellt werden. Aus allen diesen Gründen wird erwartet, daß die thermoionischen Kühlsysteme gemäß Ausführungsformen der Erfindung Chips, die eine Leistungsdichte im Bereich von ungefähr 1000 W/cm² bis ungefähr 5000 W/cm² erzeugen, ausreichend kühlen können.
Desweiteren kann, da es sich bei diesen thermoionischen Kühlsystemen um ein aktives Kühlsystem handelt, die Wärmequelle 4 kühler sein als der Wärmekollektor 20. Bei einigen Ausführungsformen kann die Wärmequelle, wie beispielsweise der Spannungsregler 4, sich bei ungefähr 10°C über der Umgebungstemperatur befinden, während sich der Kollektor 20 und die Wärmesenke 24 im Bereich von ungefähr 80°C bis ungefähr 300°C in einer Umgebungstemperatur von 30°C befinden können.
3 veranschaulicht eine beispielhafte Implementierung eines thermoionisch gekühlten Spannungsreglers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Spannungsregler 4 und die Wärmerichtvorrichtung 8 sind auf einem gemeinsamen Substrat 36 hergestellt. Das gemeinsame Substrat 36 kann ein Halbleitermaterial, wie beispielsweise einen Siliziumchip, einen Wafer oder eine andere monolithische Struktur umfassen. Das gemeinsame Substrat 36 kann auch andere mikroelektronische und mechanische Schaltungen oder MEMS umfassen. Im Stand der Technik ist eine große Vielzahl von MEMS einschließlich von mikromechanischen Motoren, Sensoren, Stellgliedern und Elektronikschaltungen bekannt.
Der Spannungsregler 4 umfaßt einen Spannungscontroller 14 und Leistungstransistoren 40. Bei einigen Ausführungsformen sind der Spannungscontroller 14 und die Leistungstransistoren 40 auf der selben Seite des gemeinsamen Substrats 36 hergestellt. Bei der gezeigten Ausführungsform sind der Spannungscontroller 14 und die Leistungstransistoren 40 auf gegenüberliegenden Seiten des gemeinsamen Substrats 36 hergestellt.
Bei dem Spannungscontroller 14 kann es sich um eine integrierte Schaltung handeln. Bei Ausführungsformen, bei welchen sich der Spannungscontroller 14 und die Leistungstransistoren 40 auf gegenüberliegenden Seiten des gemeinsamen Substrats 36 befinden, kann die elektrische Verbindung zwischen dem Spannungscontroller 14 und den Leistungstransistoren 40 Durchleitungen 17 umfassen. Durchleitungen 17 sind Durchgangsöffnungen, die durch das gemeinsame Substrat 36 hergestellt sind. Die Durchleitungen 17 können mit auf den gegenüberliegenden Seiten des gemeinsamen Substrats 36 hergestellten Anschlüssen gekoppelt sein. Der Spannungscontroller 14 und die Leistungstransistoren 40 können entweder direkt mit Durchleitungen 17 oder den Anschlüssen gekoppelt sein.
Bei anderen Ausführungsformen ist der Spannungscontroller 14 auf derselben Seite des gemeinsamen Substrats 36 wie die Leistungstransistoren hergestellt. Diese Ausführungsformen können gegebenenfalls Durchleitungen für elektrische Anschlüsse nicht umfassen, sondern auf dem gemeinsamen Substrat 36 hergestellte Anschlüsse.
Die Leistungstransistoren 40 können mit Durchleitungen 17 oder mit den Anschlüssen durch ein Kugelbondingarray 44 oder ein Lötkugelarray verbunden sein. Die Leistungstransistoren 40 sind getrennt hergestellt, d.h. sie sind „eigenständig", da die Leistungstransistoren 40 hohe Spannungen und große Ströme handhaben. Daher erfordern die Leistungstransistoren 40 eine wirkungsvolle Kühlung. Des weiteren sind sie mit Hilfe von anderen Techniken als jenen für integrierte Schaltungen für niedrige Leistung hergestellt. Die Transistoren des Spannungsreglers 14 werden mit niedrigeren Strömen oder Spannungen betrieben und können daher auf einem gemeinsamen Substrat 36 hergestellt werden.
Bei einigen Ausführungsformen handelt es sich bei den Leistungstransistoren 40 um separate Doppeldiffusion-MOS-(DMOS)-Transistoren, die zur Handhabung hoher Spannungen und großer Ströme geeignet sind. Bei einigen Ausführungsformen liegen die von den Leistungstransistoren 40 gehandhabten Ströme im Bereich von ungefähr 0,1 Ampere bis ungefähr 100 Ampere. Bei einigen Ausführungsformen können die Leistungstransistoren 40 als MOS, JFET, NPN, PNP, PMOS oder NMOS-Transistoren hergestellt oder in solchen implementiert sein. Die Leistungstransistoren 40 können eine Flip-Chip-Architektur aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen können der Spannungscontroller 14 und die Leistungstransistoren 40 integriert sein.
Bei einigen Ausführungsformen wird die Wärmerichtvorrichtung 8 in der Nähe der Leistungstransistoren 40 ausgebildet. Die Wärmerichtvorrichtung 8 umfaßt eine Hilfsspannungsquelle 28, eine Wärmebarriere 16, einen Wärmekollektor 20 und eine Wärmesenke 24. Die Wärmebarriere 16 ist zwischen dem gemeinsamen Substrat 36 und dem Wärmekollektor 20 hergestellt. Der Wärmekollektor 20 ist so ausgebildet, daß wirkungsvoll Wärme zur Wärmesenke 24 geleitet wird.
Auf dem gemeinsamen Substrat 36 kann eine Wärmeleiterplatte 37 hergestellt sein. Die Wärmeleiterplatte 37 liegt teilweise unter den Leistungstransistoren 40, erstreckt sich jedoch auch in einen nicht von Leistungstransistoren 40 überdeckten Bereich. Die von den Leistungstransistoren 40 erzeugte Wärme erwärmt die Elektronen der Wärmeleiterplatte 37 im Bereich unter den Leistungstransistoren 40. Diese heißen Elektronen werden dann durch die Hilfsspannung des Hilfsspannungsgenerators 28 von unterhalb der Leistungstransistoren 40 in den nicht von Leistungstransistoren 40 überdeckten Bereich getrieben.
Die heißen Elektronen im nicht überdeckten Bereich der Wärmeleiterplatte 37 werden von der Hilfsspannung des Hilfsspannungsgenerators 28 durch Tunneln durch die Wärmebarriere 16 auf den Wärmekollektor 20 getrieben. Im Wärmekollektor 20 geben diese heißen Elektronen ihre thermische Energie an die anderen Elektronen und Atome ab. Vom Wärmekollektor 20 wird die Wärme zur Wärmesenke 24 übertragen. Die Wärme wird von der Wärmesenke 24 an die Umgebung übertragen. Die Kopplung zwischen dem Hilfsspannungsgenerator 28 und dem Wärmekollektor 20 ist in 4 gezeigt.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Wärmerichtvorrichtung 8 in direktem Kontakt mit den Leistungstransistoren 40 hergestellt werden.
Der Hilfsspannungsgenerator 28 umfaßt einen Hilfsspannungscontroller 39 und Hilfsleistungstransistoren 42. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Hilfsspannungscontroller 39 auf der Seite des gemeinsamen Substrates 36 gegenüberliegend den Hilfsleistungstransistoren 42 ausgebildet, wie in 3 gezeigt ist. Bei diesen Ausführungsformen können Durchleitungen 41 hergestellt werden, um den Hilfsspannungscontroller 39 mit den Hilfsleistungstransistoren 42 elektrisch zu koppeln. Bei einigen Ausführungsformen können (nicht gezeigte) Hilfsanschlüsse 32 auf einer oder beiden Seiten des gemeinsamen Substrats 36 hergestellt sein, die einen elektrischen Kontakt zwischen den Durchleitungen 41 und den Hilfsleistungstransistoren 42 und dem Hilfsspannungscontroller 39 gewährleisten.
In einigen Ausführungsformen werden die Hilfsleistungstransistoren 42 und die Leistungstransistoren 40 so gewählt, daß während des Betriebs des thermoionisch gekühlten Spannungsreglers 2 ihre Temperaturen nah beieinander liegen.
Bei anderen Ausführungsformen kann der Hilfsspannungscontroller 39 auf der selben Seite des gemeinsamen Substrats 36 wie die Hilfsleistungstransistoren 42 ausgebildet sein. Bei diesen Ausführungsformen können (nicht gezeigte) Hilfsanschlüsse 32 hergestellt sein, um den Hilfsspannungscontroller 39 mit den Hilfsleistungstransistoren 42 elektrisch zu koppeln.
Bei der Ausführungsform von 3 kann der Hilfsspannungscontroller 39 so eingerichtet sein, daß ein vorausgewählter Teil der Schaltungen des Kühlsystems in einem vorgewählten Temperaturbereich gehalten wird. Bei diesem vorgewählten Bereich kann es sich beispielsweise um die Leistungstransistoren 40 handeln. Der Hilfsspannungscontroller 39 kann die Temperatur des vorgewählten Teils beispielsweise durch Steuern der vom Hilfsspannungsgenerator 28 erzeugten Hilfsspannung V_aux im vorgewählten Temperaturbereich halten. Bei einigen Ausführungsformen wird die Wärmesenke 24 zusätzlich durch einen Ventilator gekühlt. Bei diesen Ausführungsformen kann der Hilfsspannungscontroller 39 auch den Ventilator steuern.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Hilfsspannungscontroller 39 mit Teilen der Schaltung gekoppelte thermische Sensoren umfassen oder in Verbindung mit solchen arbeiten. Diese Sensoren liefern Signale zum Hilfsspannungscontroller 39 in Reaktion auf die abgefühlte Temperatur. In Reaktion auf die Signale der Sensoren kann der Hilfsspannungscontroller 39 einen Steuerungsvorgang initiieren.
Wenn beispielsweise ein Sensor abfühlt, daß die Temperatur der Leistungstransistoren 40 über eine vorbestimmte Temperatur ansteigt, sendet der Sensor ein Signal zum Hilfsspannungscontroller 39. In Reaktion darauf kann der Hilfsspannungscontroller 39 entweder die Hilfsspannung V_aux anheben, um mehr heiße Elektronen von der Wärmeleiterplatte 37 durch die Wärmebarriere 16 zum Wärmekollektor 20 zu treiben oder kann die Geschwindigkeit des Ventilators erhöhen, der die Wärmesenke 24 kühlt, oder er kann die Steuerspannung der Leistungstransistoren 40 absenken, oder er kann eine beliebige Kombination der obigen Steuervorgänge initiieren. Bei anderen Ausführungsformen führt der Hilfsspannungscontroller 39 einen oder mehrere der obigen Steuervorgänge entsprechend der mittels des Spannungsreglers 4 zu einer Last zugeführten Spannung aus. Bei einigen Ausführungsformen können die Steuerfunktionen des Hilfsspannungscontrollers 39 durch einen getrennten Controller ausgeführt werden.
4 zeigt die Wärmerichtvorrichtung 8 in einer Ansicht auf die Ebene des gemeinsamen Substrats 36. Die Hilfsleistungstransistoren 42 sind mit der passiven Schaltung 45 durch Verbindungen 31 gekoppelt. Bei einigen Ausführungsformen umfaßt die passive Schaltung 45 Tiefpaßfilter. Eine beispielhafte Implementierung eines Tiefpaßfilters ist in 5 gezeigt. Die passive Schaltung 45 kann durch eine Hilfsverbindung 32 mit dem Wärmekollektor 20 gekoppelt sein, der sich unter der gezeigten Wärmesenke 24 befindet. Der Hilfsleistungsgenerator 28 liefert eine Hilfsspannung V_aux zwischen dem Wärmekollektor 20 und der Wärmeleiterplatte 37, wodurch die Schaltung bzw. der Kreislauf für die heißen Elektronen vervollständigt wird.
5 zeigt einen Tiefpaßfilter als eine beispielhafte Implementierung einer passiven Schaltung 45. Die passive Schaltung 45 ist durch eine Verbindung 31 mit den Hilfsleistungstransistoren 42 gekoppelt. Die Hilfsleistungstransistoren 42 sind über Durchleitungen mit dem Hilfsspannungscontroller 39 gekoppelt. Der Tiefpaßfilter kann beispielsweise einen Widerstand 46, einen Kondensator 47 und eine Induktivität 48 in einer der vielen im Stand der Technik bekannten Anordnungen für Tiefpaßfilter umfassen.
6 veranschaulicht einen mit einer Last gekoppelten Spannungsregler 4 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Spannungsregler 4 und die Leistungstransistoren 40 sind mit einer Eingangsschiene 53 gekoppelt. Die Eingangsspannung V_in der Eingangsschiene 53 kann im Bereich von ungefähr SV bis ungefähr 20V liegen und beispielsweise 12V betragen. Der Eingangsstrom I_in der Eingangsschiene 53 kann im Bereich von ungefähr 1A bis ungefähr 30A liegen und beispielsweise 10A betragen. Mit der Eingangsspannung V_in können sowohl der Spannungscontroller 14 als auch die Leistungstransistoren 40 angesteuert werden. Bei einigen Ausführungsformen gibt es zwei in Reihe zwischen der Eingangsschiene 53 und einer Erdung 62 gekoppelte Leistungstransistoren 40. Bei anderen Ausführungsformen kann gegebenenfalls nur einer oder können mehr als zwei Leistungstransistoren verwendet werden. Die geregelte Spannung V_reg wird an einem Ausgangsanschluß 63 zwischen den Leistungstransistoren 40 ausgekoppelt. Der Spannungscontroller 14 steuert die Leistungstransistoren 40 so, daß die geregelte Spannung V_reg in einem vorbestimmten Bereich gehalten wird. Bei einigen Ausführungsformen liegt die geregelte Spannung V_reg zwischen 0,5V und ungefähr SV und beträgt beispielsweise 1,1V. Der geregelte Strom I_reg kann im Bereich zwischen 10A und 200A liegen und beispielsweise 100A betragen. Die geregelte Spannung V_reg kann von einem Filter 65 erhalten werden. Der Filter 65 kann beispielsweise ein Tiefpaßfilter sein. Der Ausgang des Filters 65 wird dann mit einer Last 70 gekoppelt.
Bei der Last 70 kann es sich um jede einer Vielzahl elektronischer Schaltungen handeln, einschließlich von und nicht beschränkt auf Leistungsverstärker, CPUs, Satellitenempfänger und rauscharme Verstärker. Wie zuvor erwähnt wurde, erfordern alle diese Schaltungen mit fortschreitender Miniaturisierung eine zunehmend wirksamere Kühlung.
Bei einigen Ausführungsformen können die Verstärker je nach Bedarf von der Schaltung umfaßt sein, beispielsweise zwischen dem Spannungscontroller 14 und den Leistungstransistoren 40.
Bei einigen Ausführungsformen wird die Last 70 ebenfalls auf dem gemeinsamen Substrat 36 hergestellt. Die Last 70 kann auf derselben Seite wie die Leistungstransistoren 40 ausgebildet sein oder auf der den Leistungstransistoren 40 gegenüberliegenden Seite. Bei diesen Ausführungsformen kann die Wärmerichtvorrichtung 8 auch die Last 70 kühlen. Beispielsweise kann sich die Wärmeleiterplatte 37 zur Last 70 erstrecken, so daß eine thermische Kopplung zwischen der Last 70 und der Wärmeleiterplatte 37 hergestellt wird. Während des Betriebs dieser Ausführungsform werden von der Last 70 heiße Elektronen in der Wärmeleiterplatte 37 erzeugt, die dann mittels der Hilfsspannung V_aux durch die Wärmebarriere 16 zum Wärmekollektor 20 getrieben werden.
Der Hilfsspannungscontroller 39 kann so eingerichtet sein, daß ein vorausgewählter Teil der Schaltung des Kühlungssystems in einem vorausgewählten Temperaturbereich gehalten wird. Dieser vorausgewählte Teil kann beispielsweise die Leistungstransistoren 40 oder die Last 70 umfassen. Mit dem Hilfsspannungscontroller 39 kann die Temperatur des vorausgewählten Teils beispielsweise durch Steuern der vom Hilfsspannungsgenerator 28 erzeugten Hilfsspannung V_aux im vorausgewählten Temperaturbereich gehalten werden. Bei einigen Ausführungsformen wird die Wärmesenke 24 zusätzlich durch einen Ventilator gekühlt. Bei diesen Ausführungsformen kann der Hilfsspannungscontroller 39 auch den Ventilator steuern.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Hilfsspannungscontroller 39 mit Teilen der Schaltung gekoppelte thermische Sensoren umfassen oder in Verbindung mit diesen arbeiten. Diese Sensoren liefern in Reaktion auf die abgefühlte Temperatur Signale zum Hilfsspannungscontroller 39. In Reaktion auf diese Signale der Sensoren kann der Hilfsspannungscontroller 39 einen Steuervorgang initiieren.
Beispielsweise wenn ein Sensor erfühlt, daß die Temperatur der Leistungstransistoren 40 oder der Last 70 über eine vorbestimmte Temperatur ansteigt, sendet der Sensor ein Signal zum Hilfsspannungscontroller 39. In Reaktion kann der Hilfsspannungscontroller 39 die Spannung V_aux so anheben, daß mehr Elektronen von der Wärmeleiterplatte 37 durch die Wärmebarriere 16 zum Wärmekollektor 20 getrieben werden. Alternativ kann der Hilfsspannungscontroller 39 die Geschwindigkeit des Ventilators anheben, der die Wärmesenke 24 kühlt. Schließlich kann der Hilfsspannungscontroller 39 die Antriebsspannung V_in der Leistungstransistoren 40 absenken und damit die von der Last 70 erhaltene geregelte Spannung V_reg. Der Hilfsspannungscontroller 39 kann auch eine beliebige Kombination der obigen Steuervorgänge initiieren. Bei anderen Ausführungsformen führt der Hilfsspannungscontroller 39 gemäß der zur Last 70 zugeführten regulierten Spannung V_reg eine oder mehrere der obigen Steuervorgänge aus.
Obwohl die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile in Einzelheiten beschrieben wurden ist verständlich, daß verschiedene Änderungen, Substituierungen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne von der Idee und vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Die in dieser Anmeldung enthaltene Erörterung dient als eine grundlegende Beschreibung, wobei jedoch zu beachten ist, daß die spezielle Erörterung nicht alle möglichen Ausführungsformen explizit beschreiben kann und viele Alternativen implizit sind. Sie kann auch nicht vollständig die generische Natur der Erfindung erläutern und kann nicht explizit zeigen, wie jedes Merkmal oder Element tatsächlich für eine breitere Funktion oder eine große Vielzahl alternativer oder äquivalenter Elemente stellvertretend sein kann. Wiederum sind diese implizit von dieser Offenbarung umfaßt. Dort, wo die Erfindung mit einer an der Vorrichtung orientierten Terminologie beschrieben ist, führt jedes Element der Vorrichtung implizit eine Funktion aus. Es wird beabsichtigt, daß weder die Beschreibung noch die Terminologie den Umfang der Ansprüche beschränkt.
Zusammenfassung
Es wird eine Leistungsschaltung mit einem thermoionischen Kühlsystem bereitgestellt. Das System umfaßt einen Spannungsregler und eine Wärmerichtvorrichtung, um einen Spannungsregler zu kühlen. Die Wärmerichtvorrichtung umfaßt einen Wärmekollektor und eine Wärmebarriere, die zwischen dem Spannungsregler und dem Wärmekollektor ausgebildet ist. Ein Hilfsspannungsgenerator versetzt die Elektronen des Spannungsreglers in die Lage, auf den Wärmekollektor durch die Wärmebarriere zu tunneln. Der Spannungsregler kann ein gemeinsames Substrat und Leistungstransistoren umfassen, die eine geregelte Spannung erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen hält der Controller eine Temperatur durch Steuern der Leistungstransistoren, des Hilfsspannungsgenerators und eines Ventilators in einem vorausgewählten Bereich. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Last zusammen mit dem thermoionischen Kühlsystem integriert, so daß die Last selbst durch die Wärmerichtvorrichtung gekühlt werden kann.

Claims

Leistungsschaltung mit einem thermoionischen Kühlsystem, umfassend: einen Spannungsregler; und eine Wärmerichtvorrichtung, die betrieben werden kann, um den Spannungsregler zu kühlen, wobei die Wärmerichtvorrichtung umfaßt: einen Wärmekollektor; und eine Wärmebarriere, die zwischen dem Spannungsregler und dem Wärmekollektor angeordnet ist, wobei Elektronen in die Lage versetzt werden können, vom Spannungsregler über die Wärmebarriere auf den Wärmekollektor mittels einer zwischen dem Spannungsregler und dem Wärmekollektor angelegten Spannung zu tunneln.
Leistungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Wärmebarriere zumindest eines von einem Vakuumspalt und einer Schicht mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Leistungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Wärmebarriere betrieben werden kann, um einen Rückfluß von Wärme vom Wärmekollektor zum Spannungsregler zu verhindern.
Leistungsschaltung nach Anspruch 1, welche umfaßt: einen Spannungsgenerator, der betrieben werden kann, um eine Spannung zwischen dem Spannungsregler und dem Wärmekollektor anzulegen, wobei die Elektronen in die Lage versetzt werden, vom Spannungsregler über die Wärmebarriere auf den Wärmekollektor zu tunneln.
Leistungsschaltung nach Anspruch 1, welche eine mit dem Wärmekollektor gekoppelte Wärmesenke umfaßt.
Leistungsschaltung nach Anspruch 5, wobei die Wärmesenke eine gerippte Metallstruktur aufweist und der Wärmekollektor eine Metallschicht umfaßt.
Leistungsschaltung nach Anspruch 5, die einen Ventilator aufweist, der betrieben werden kann, um die Wärmesenke zu kühlen.
Leistungsschaltung nach Anspruch 1, wobei der Energiezufuhrwirkungsgrad des thermoionischen Kühlsystems nahe am Carnot-Wirkungsgrad liegt.
Leistungsschaltung nach Anspruch 1, wobei der Spannungsregler einen Spannungscontroller; und zumindest einen Leistungstransistor aufweist, wobei der Spannungscontroller betrieben werden kann, um die Spannung des zumindest einen Leistungstransistors zu steuern.
Leistungsschaltung nach Anspruch 9, wobei der zumindest eine Leistungstransistor zumindest einen von einem MOS, DMOS, PMOS, NMOS, JFET, NPN und einem PNP Transistor umfaßt.
Leistungsschaltung nach Anspruch 9, die eine Wärmeleiterplatte umfaßt, die thermisch mit dem zumindest einen Leistungstransistor und der Wärmerichtvorrichtung gekoppelt ist.
Leistungsschaltung nach Anspruch 9, die ein gemeinsames Substrat umfaßt, das vom Spannungscontroller und dem zumindest einen Leistungstransistor gemeinsam geteilt wird.
Leistungsschaltung nach Anspruch 12, wobei der Spannungscontroller und der zumindest eine Leistungstransistor auf gegenüberliegenden Seiten des gemeinsamen Substrats angeordnet sind.
Leistungsschaltung nach Anspruch 13, wobei der Spannungscontroller mit dem zumindest einen Leistungstransistor mittels Durchleitungen gekoppelt ist.
Leistungsschaltung nach Anspruch 12, wobei der Spannungscontroller und der zumindest eine Leistungstransistor auf derselben Seite des gemeinsamen Substrats angeordnet sind.
Leistungsschaltung nach Anspruch 12, wobei die Wärmerichtvorrichtung auf dem gemeinsamen Substrat ausgebildet ist.
Leistungsschaltung nach Anspruch 16, wobei die Wärmerichtvorrichtung einen Hilfsspannungsgenerator aufweist, der betrieben werden kann, um eine Spannung über die Wärmebarriere zu liefern.
Leistungsschaltung nach Anspruch 17, wobei der Hilfsspannungsgenerator umfaßt: einen Hilfsspannungscontroller und zumindest einen Hilfsleistungstransistor.
Leitungsschaltung nach Anspruch 18, wobei der Hilfsspannungscontroller und der zumindest eine Hilfsleistungstransistor auf gegenüberliegenden Seiten des gemeinsamen Substrats ausgebildet sind und durch Durchleitungen gekoppelt sind.
Leistungsschaltung nach Anspruch 17, die des weiteren eine Wärmeleiterplatte aufweist, die thermisch mit dem Spannungsregler und dem Hilfsspannungsgenerator gekoppelt ist.
Leistungsschaltung nach Anspruch 17, wobei der Hilfsspannungsgenerator mit dem Wärmekollektor durch eine passive Schaltung gekoppelt ist.
Leistungsschaltung nach Anspruch 21, wobei die passive Schaltung ein Tiefpaßfilter ist.
Leistungsschaltung nach Anspruch 17, wobei der Hilfsspannungsgenerator arbeitet, um die Temperatur von zumindest einem des Wärmekollektors, der Wärmesenke und dem zumindest einen Leistungstransistor, dem Hilfsspannungsgenerator und dem gemeinsamen Substrat in einem vorausgewählten Bereich zu halten.
Leistungsschaltung nach Anspruch 23, wobei der Controller eine Temperatur von zumindest einem von dem Wärmekollektor, der Wärmesenke, dem zumindest einen Leistungstransistor, dem Hilfsspannungsgenerator und dem gemeinsamen Substrat durch Steuern von zumindest einem der Leistungstransistoren, des Spannungsgenerators und einem zur Kühlung der Wärmesenke angeordneten Ventilator in einem vorausgewählten Bereich hält.
Leistungsschaltung nach Anspruch 9, wobei der zumindest eine Leistungstransistor zwei separate Leistungstransistoren aufweist, die in Reihe zwischen einer Eingangsschiene und einer Erdung gekoppelt sind und vom Spannungscontroller gesteuert sind.
Leistungsschaltung nach Anspruch 25, wobei der Spannungsregler einen Ausgangsanschluß aufweist, der zwischen den beiden separaten Leistungstransistoren angeordnet ist, der betrieben werden kann, um eine geregelte Spannung zu liefern.
Leistungsschaltung nach Anspruch 1, die des weiteren eine Last aufweist, die mit der Leistungsschaltung zusammen integriert ist.
Leistungsschaltung nach Anspruch 27, wobei die Last eine von einem Leistungsverstärker, einer CPU, einem Satellitenempfänger und einem rauscharmen Verstärker ist.
Leistungsschaltung nach Anspruch 27, wobei das thermoionische Kühlsystem betrieben werden kann, um die Last zu kühlen.
Leistungsschaltung nach Anspruch 29, wobei das thermoionische Kühlungssystem eine Temperatur durch Steuern einer an die Last angelegten Spannung in einem vorgewählten Bereich hält.
Leistungsschaltung mit einem thermoionischen Kühlsystem, umfassend: ein Spannungsregelungsmittel; und ein Wärmerichtmittel, das betrieben werden kann, um das Spannungsregelungsmittel zu kühlen, wobei das Wärmerichtmittel umfaßt: ein Wärmekollektormittel; und ein Wärmebarrieremittel, das zwischen dem Spannungsregelungsmittel und dem Wärmekollektormittel angeordnet ist, wobei Elektronen in die Lage versetzt werden können, vom Spannungsregelungsmittel über das Wärmebarrieremittel auf das Wärmekollektormittel mittels einer zwischen dem Spannungsregler und dem Wärmekollektor angelegten Spannung zu tunneln.
Verfahren zum thermoionischen Kühlen einer Leistungsschaltung, wobei das Verfahren umfaßt: Bereitstellen eines Spannungsreglers; und Bereitstellen einer Wärmerichtvorrichtung, die betrieben werden kann, um den Spannungsregler zu kühlen, wobei die Wärmerichtvorrichtung umfaßt: einen Wärmekollektor; und eine Wärmebarriere, die zwischen dem Spannungsregler und dem Wärmekollektor angeordnet ist, wobei Elektronen in die Lage versetzt werden können, vom Spannungsregler über die Wärmebarriere auf den Wärmekollektor mittels einer zwischen dem Spannungsregler und dem Wärmekollektor angelegten Spannung zu tunneln.
Thermoionisches Kühlverfahren nach Anspruch 32, wobei das Verfahren ein Anlegen einer Spannung zwischen dem Spannungsregler und dem Wärmekollektor, um Elektronen in die Lage zu versetzen vom Spannungsregler über die Wärmebarriere auf den Wärmekollektor zu tunneln, umfaßt.