DE19647179A1

DE19647179A1 - Thermoelectric device for heat removal from semiconductor component

Info

Publication number: DE19647179A1
Application number: DE1996147179
Authority: DE
Inventors: Peter Poerschmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-11-14
Filing date: 1996-11-14
Publication date: 1997-12-04

Abstract

The thermoelectric module (1) consists of Peltier elements with a cold side (2) and a hot side (3). The semiconductor component (4) is in thermally conductive contact with the cold side. Small cooling fins (5) are provided externally on the hot side. Under applied voltage the Peltier elements produce temperature differences of up to 60 K. The hot side may rise to 120 deg C with a large drop of temperature into the ambient air.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Entwärmung wenig stens eines Halbleiter-Bauelementes.The invention relates little to a device for cooling least of a semiconductor device.

Derartige Einrichtungen sind insbesondere für die Entwärmung von Leistungs-Halbleitern, wie z. B. GTO′s, IGBT′s und Dioden von Stromrichterschaltungen elektrisch angetriebener Fahrzeu ge, erforderlich. In den bekannten Fällen wird die Verlust wärme der Halbleiter-Bauelemente durch Siedebadkühlung, Flüs sigkeitskühlung, Heat-Pipe-Kühlung oder direkte Luftkühlung abgeführt. Bei allen bekannten Entwärmungstechniken wird letztendlich die Verlustwärme über ein Kühlprofil mit for cierter Luftströmung, die von wenigstens einem Lüfter erzeugt wird, an die Umgebungsluft abgeführt. Die erzielbare Kühllei stung ist im wesentlich von dem Temperaturgefälle zwischen Kühlprofil und Umgebungsluft abhängig. Bei einer relativ ho hen Temperatur der Umgebungsluft, also im Sommer oder in tro pischen Regionen, bedeutet das eine eingeschränkte Nutzung der Halbleiter-Bauelemente und/oder größere Kühleinrichtungen mit stärkeren Lüftern.Such devices are particularly useful for cooling of power semiconductors, such as. B. GTO's, IGBT's and diodes of converter circuits of electrically powered vehicles ge, required. In the known cases, the loss heat the semiconductor components by boiling bath cooling, rivers liquid cooling, heat pipe cooling or direct air cooling dissipated. With all known cooling technologies ultimately the heat loss via a cooling profile with for cierte air flow generated by at least one fan is discharged to the ambient air. The achievable cooling cable is essentially dependent on the temperature gradient between Cooling profile and ambient air dependent. At a relatively high hen temperature of the ambient air, i.e. in summer or in tro regions, this means limited use the semiconductor devices and / or larger cooling devices with more powerful fans.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kompakt auf gebaute Einrichtung zur Entwärmung wenigstens eines Halblei ter-Bauelementes zu schaffen, die trotz ihres kompakten Auf baus einen hohen Wirkungsgrad besitzt.The object of the present invention is to be compact built device for cooling at least one half lead ter component to create, despite their compact on has a high degree of efficiency.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im An spruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben. The object is achieved by the features in the spell 1 solved. Advantageous embodiments of the invention are described in the further claims.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Entwärmung wenigstens eines Halbleiter-Bauelementes umfaßt wenigstens ein thermo elektrisches Modul, das bei angelegter Spannung eine Kälte platte und eine gegenüberliegende Wärmeplatte aufweist, wobei das Halbleiter-Bauelement thermisch leitend an der Kälteplat te angeordnet ist.The device for cooling at least a semiconductor device comprises at least one thermo electrical module that is cold when voltage is applied plate and has an opposite hot plate, wherein the semiconductor component is thermally conductive on the cold plate te is arranged.

Die Einrichtung nach Anspruch 1 ist besonders gut für elek trisch angetriebene Fahrzeuge geeignet, da die beim generato rischen Bremsen erzeugte elektrische Energie dem thermo elektrischen Modul, das vorzugsweise wenigstens ein Peltier- Element umfaßt, zugeführt werden kann. Die beim beim genera torischen Bremsen erzeugte elektrische Energie muß damit nicht über Bremswiderstände in thermische Energie umgewandelt und ungenutzt an die Umgebungsluft abgegeben werden.The device according to claim 1 is particularly good for elek trically driven vehicles because the generato electrical brakes generated electrical energy to the thermo electrical module, which preferably has at least one Peltier Element includes, can be supplied. The one with the genera Electrical energy generated by toric brakes must be used not converted into thermal energy via braking resistors and released unused into the ambient air.

Bei Zuführung der elektrischen Energie aus der generatori schen Bremsung wird die Wärmeplatte aufgeheizt und die Kälte platte abgekühlt. Bei thermo-elektrischen Modulen, die Pel tier-Elemente aufweisen, werden Temperaturdifferenzen von bis zu 60 K erreicht. Wird für die Kälteplatte, mit der die Halb leiter-Bauelemente thermisch leitend verbunden sind, eine ma ximale Temperatur von 60°C zugelassen, dann kann durch Zu führung von elektrischer Energie die Wärmeplatte auf eine Temperatur von 120°C angehoben werden. Dadurch entsteht ge genüber der Kühlluft (Umgebungsluft) ein weitaus größeres Temperaturgefälle als bei konventionellen Einrichtungen zur Entwärmung. Aufgrund des größeren Temperaturgefälles kann die Wärme schneller abgeführt werden, ohne daß Kühlmittelpumpen oder Lüfteraggregate notwendig sind.When supplying the electrical energy from the generatori braking, the hot plate is heated and the cold plate cooled. For thermo-electrical modules, the Pel tier elements, temperature differences from to reached to 60 K. Used for the cold plate with which the half conductor components are thermally connected, a ma ximal temperature of 60 ° C approved, then can Conduction of electrical energy on a hot plate Temperature of 120 ° C can be raised. This creates ge compared to the cooling air (ambient air) a much larger one Temperature gradient than with conventional devices for Cooling. Due to the larger temperature gradient, the Heat can be dissipated faster without coolant pumps or fan units are necessary.

Um die Wärmeabfuhr an der Wärmeplatte nochmals zu verbessern, kann die Wärmeplatte mit Kühlrippen versehen sein. To further improve the heat dissipation on the hot plate, the heating plate can be provided with cooling fins.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Entwärmung genügt die Kühlung durch Umgebungsluft. Die Einrichtung nach An spruch 1 benötigt deshalb keine Kühlflüssigkeit und keine Lüfter. Sie weist damit ein geringeres Gewicht sowie ein kleineres Bauvolumen auf. Außerdem ist die Entwärmung ge räuscharm, da kein Lüfter erforderlich ist. Weiterhin ist diese Einrichtung wartungsfrei, da weder Luftfilter noch Kühlmittelpumpen vorhanden sind.In the inventive device for cooling is sufficient cooling by ambient air. The facility according to An saying 1 therefore requires no coolant and none Fan. It thus has a lower weight as well smaller construction volume. In addition, the cooling is ge low noise since no fan is required. Still is this device is maintenance-free since neither air filter nor Coolant pumps are available.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, die Gegenstand der weiteren Ansprüche sind, werden im folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert.The invention and further advantageous refinements that The following claims are the subject of further claims based on a schematically illustrated embodiment explained in more detail in the drawing.

In der Zeichnung ist mit 1 ein thermo-elektrisches Modul be zeichnet, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Pel tier-Elementen besteht.In the drawing, 1 denotes a thermo-electric module, which in the present exemplary embodiment consists of pel elements.

Bei Zuführung elektrischer Energie, die aus einer generatori schen Bremsung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ge wonnen werden kann, wird auf der einen Seite 2 des thermo elektrischen Moduls Kälte und auf der gegenüberliegenden Sei te 3 Wärme erzeugt. Die eine Seite 2 wird im folgenden als Kälteplatte und die gegenüberliegende Seite 3 im folgenden als Wärmeplatte bezeichnet. Auf der Kälteplatte 2 ist ein Halbleiter-Bauelement 4 thermisch leitend angeordnet. Weiter hin sind bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungs beispiel an der Außenseite der Wärmeplatte 3 Kühlrippen 5 an geordnet.When electrical energy is supplied, which can be obtained from regenerative braking of an electrically driven vehicle, cold is generated on one side 2 of the thermoelectric module and heat 3 on the opposite side. One side 2 is referred to below as a cold plate and the opposite side 3 is referred to below as a hot plate. A semiconductor component 4 is arranged in a thermally conductive manner on the cold plate 2 . Next, in the embodiment shown in the drawing, 3 cooling fins 5 are arranged on the outside of the heat plate.

Bei angelegter Spannung werden bei handelsüblichen Peltier- Elementen zwischen der Kälteplatte 2 und der gegenüberliegen den Wärmeplatte 3 Temperaturdifferenzen von bis zu 60 K er reicht. Ausgehend von einer maximal zulässigen Temperatur von 60°C an der Kälteplatte 2 ergibt sich für die Wärmeplatte 3 eine maximale Temperatur von 120°C. Aufgrund der hohen Tem peratur der Wärmeplatte 3 ergibt sich ein großes Temperatur gefälle zu der als Kühlluft dienenden Umgebungsluft. Damit kann die Wärme gegenüber herkömmlichen Einrichtungen zur Ent wärmung schneller abgeführt werden. Für die Kühlung der Kühl rippen 5 ist darüber hinaus kein Lüfter notwendig, da sie aufgrund der guten Wärmeabfuhr kleiner ausgebildet sind als die Kühlrippen von konventionellen Einrichtungen zur Entwär mung.With applied voltage, temperature differences of up to 60 K are sufficient for commercially available Peltier elements between the cold plate 2 and the heat plate 3 opposite. Starting from a maximum permissible temperature of 60 ° C on the cold plate 2 , a maximum temperature of 120 ° C results for the hot plate 3 . Due to the high temperature of the hot plate 3 there is a large temperature gradient to the ambient air serving as cooling air. This allows the heat to be dissipated more quickly than conventional de-heating devices. For cooling the cooling fins 5 , no fan is also necessary because they are designed to be smaller due to the good heat dissipation than the cooling fins of conventional heating devices.

Claims

1. Device for cooling at least one semiconductor component, comprising the following features:

- At least one thermo-electric module ( 1 ), which has a cold plate ( 2 ) and an opposite heating plate ( 3 ) when voltage is applied, whereby
- The semiconductor component ( 4 ) is arranged in a thermally conductive manner on the cold plate ( 2 ).

2. Device according to claim 1, wherein the thermo-electrical module ( 1 ) comprises at least one Peltier element.

3. Device according to claim 1, wherein the heating plate ( 3 ) has cooling fins ( 5 ).