FR2623661A1 - Device for cooling high-power components of the protection network for a semi-conductor cooled by vaporisation - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositif de refroidissement des de fortcomposants de forte puissance du réseau de protection d'un semi-conducteur refroidi par vaporisation
La présente invention concerne un dispositif de refroidissement des composants de forte puissance du réseau de protection d'un semi-conducteur refroidi par vaporisation d'un liquide réfrigérant électriquement isolant, tel par exemple qu un hydrocarbure fluoré.Cooling device for high power components of the protection network of a vapor-cooled semiconductor
The present invention relates to a device for cooling the high power components of the protection network of a semiconductor cooled by vaporization of an electrically insulating coolant, such as for example a fluorinated hydrocarbon.
Il est décrit, dans la demande de brevet français de la demanderesse n0 86 13881 déposée le 6 octobre 1986 "Dispositif de refroidissement par vaporisation pour semi-conducteurs de puissance", un dispositif comprenant des éléments formant chacun un récipient de vaporisation en contact thermique avec une face d'un semi-conducteur, et des éléments formant condenseur disposés individuellement au-dessus de chaque récipient et de surface externe formant surface de chaleur avec un fluide plus froid que les vapeurs du réfrigérant, un condenseur et un récipient étant mis en communication par un élément de jonction en matériau électriquement isolant et de coefficient de dilatation thermique voisin de celui du récipient et du condenseur, ceux-ci étant métalliques et constitués par le même métal.Les semi-conducteurs sont montés en sandwich avec les récipients et 11 ensemble est placé dans un caisson étanche, les condenseurs étant situés audessus dudit caisson. It is described in the French patent application of the Applicant No. 86 13881 filed on October 6, 1986 "Spray cooling device for power semiconductors", a device comprising elements each forming a vaporization container in thermal contact with a face of a semiconductor, and condenser elements arranged individually above each container and of external surface forming a heat surface with a fluid colder than the vapors of the refrigerant, a condenser and a container being placed in communication by a junction element of electrically insulating material with a thermal expansion coefficient close to that of the container and the condenser, these being metallic and made up of the same metal. The semiconductors are sandwiched with the containers and 11 together is placed in a sealed box, the condensers being located above said box.
Le réseau de protection de chaque semi-conducteur, comprenant principalement des résistances et un condensateur, est branché entre anode et cathode du semi-conducteur et monté à proximité de celui-ci, dans le caisson étanche. Les résistances étant des éléments à forte dissipation, ce type de disposition conduit à une augmentation des calories dissipées dans le caisson, ce qui oblige a prévoir une évacuation des calories soit en créant un réseau de ventilation dans le caisson avec un échangeur airair, soit en augmentant les surfaces des parois en contact thermique avec l'extérieur du caisson. Ces solutions impliquent une augmentation de la masse et du coût du dispositif de refroidissement. The protection network of each semiconductor, mainly comprising resistors and a capacitor, is connected between the anode and cathode of the semiconductor and mounted close to the latter, in the sealed box. The resistances being elements with strong dissipation, this type of arrangement leads to an increase in the calories dissipated in the box, which obliges has to envisage an evacuation of the calories either by creating a ventilation network in the box with an air exchanger, or in increasing the surfaces of the walls in thermal contact with the exterior of the box. These solutions involve an increase in the mass and cost of the cooling device.
La présente invention a pour but de réduiré les pertes dans le caisson, et d'éviter ainsi le recours à des moyens d'évacua tion des calories dissipées par les composants des réseaux de protection. The present invention aims to reduce losses in the box, and thus avoid the use of means for removing the heat dissipated by the components of the protection networks.
L'invention a pour objet un dispositif de refroidissement des composants de forte puissance du réseau de protection d'un semi-conducteur refroidi par vaporisation, comprenant au moins un élément métallique formant récipient de vaporisation pour un liquide réfrigérant électriquement isolant, à vaporiser, en contact thermique indirect avec au moins une face de semi-conducteur, au moins un élément de condensation des vapeurs du liquide de réfrigérant en communication avec ledit récipient, caractérisé en ce que les composants de forte puissance sont disposés à l'intérieur dudit dispositif. The subject of the invention is a device for cooling the high-power components of the protection network of a vapor-cooled semiconductor, comprising at least one metallic element forming a vaporization container for an electrically insulating coolant, to be vaporized, indirect thermal contact with at least one semiconductor face, at least one element for condensing the vapors of the refrigerant liquid in communication with said container, characterized in that the high-power components are arranged inside said device.
Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes - un, ou plusieurs, éléments conducteurs isolés électriquement des éléments évaporateur, condenseur et éventuellement tubulaires de liaisons réalise une sortie électrique de courant, - les composants de forte puissance à dissiper, disposés à l'intérieur du dispositif de refroidissement sont connectés à un ou plusieurs conducteurs de sortie, - la ou les sorties des conducteurs sont réalisées de manière étanche, - les composants sont disposés en phase liquide du réfrigérant, - les composants sont disposés dans le récipient évaporateur. It also preferably meets at least one of the following characteristics - one, or more, electrically insulated conductive elements from the evaporator, condenser and possibly tubular connection elements provides an electrical current output, - the high power components to be dissipated , arranged inside the cooling device are connected to one or more outlet conductors, - the outlet (s) of the conductors are sealed, - the components are arranged in the liquid phase of the refrigerant, - the components are arranged in the evaporator container.
L'invention permet de diminuer l'encombrement, la masse, et le court des résistances du fait qu'elles sont dimensionnées pour un refroidissement en phase liquide d'un réfrigérant, au lieu d'un refroidissement par convection naturelle à l'intérieur du caisson. The invention makes it possible to reduce the size, the mass and the shortness of the resistors because they are dimensioned for cooling in the liquid phase of a refrigerant, instead of cooling by natural convection inside the box.
Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, un dispositif de refroidissement de composants de forte puissance selon l'invention. It is described below, by way of example and with reference to the figures of the appended drawing, a device for cooling high-power components according to the invention.
- La figure 1 représente en élévation avec coupe partielle un dispositif de refroidissement d'un semi-conducteur.- Figure 1 shows in elevation with partial section a cooling device of a semiconductor.
- La figure 2 représente en élévation avec coupe partielle un dispositif de refroidissement de composants de forte puissance de l'invention.- Figure 2 shows in elevation with partial section a device for cooling high power components of the invention.
La figure 1 représente un dispositif de refroidissement d'un semi-conducteur, connu par la demande de brevet français 86 13881 précitée et utilisé dans l'invention. FIG. 1 represents a device for cooling a semiconductor, known from the aforementioned French patent application 86 13881 and used in the invention.
flans la figure 1, l'élément 1 formant récipient de vaporisation du fluide frigorifique 3, en aluminium, est relié à l'elément tubulaire de condensation 2, également en aluminium, par l'élément intermédiaire 4, de forme tubulaire, en matière céramique brasée sur l'embout d'extrémité 18 du récipient de vaporisation et sur ltextrémité 19 de l'élément tubulaire de condensation. Le récipient de vaporisation 1 est maintenu en contact avec une face du semiconducteur de puissance 11 par pression entre deux flasques d'extrémité 5A, 5B situés de part et d'autre des récipients de vaporisation. In FIG. 1, the element 1 forming a container for vaporizing the refrigerating fluid 3, made of aluminum, is connected to the tubular condensing element 2, also made of aluminum, by the intermediate element 4, of tubular shape, made of ceramic material. brazed to the end piece 18 of the vaporization container and to the end 19 of the tubular condensing element. The vaporization container 1 is kept in contact with one face of the power semiconductor 11 by pressure between two end flanges 5A, 5B located on either side of the vaporization containers.
Les deux flasques sont reliés par des tirants 6 assemblés par des écrous 7 et forment un ensemble indeformable. La pression de contact nécessaire pour établir un bon contact électrique et thermique est obtenue par vissage de la vis de pression 8 sur le flasque 5B, qui vient comprimer un ensemble de rondelles élastiques 9. Des cales isolantes 10 disposées sur les faces externes des récipients de vaporisation assurent l'isolation électrique de l'ensemble formé par le semi-conducteur et les récipients de vaporisation.L'ensemble ainsi constitué est suspendu à une platine 12 qui assure la séparation physique entre l'enceinte 13 entourant les éléments à maintenir dans une ambiance propre et le flux d'air de refroidissement des tubes de condensation insufflé au contact de ces tubes, dont l'écoulement est représenté par la flèche 14, cet air étant chargé de poussières telles que 15.The two flanges are connected by tie rods 6 assembled by nuts 7 and form a non-deformable assembly. The contact pressure necessary to establish good electrical and thermal contact is obtained by screwing the pressure screw 8 onto the flange 5B, which compresses a set of elastic washers 9. Insulating shims 10 disposed on the external faces of the containers of vaporization ensure the electrical insulation of the assembly formed by the semiconductor and the vaporization containers. The assembly thus formed is suspended from a plate 12 which ensures the physical separation between the enclosure 13 surrounding the elements to be maintained in a clean environment and the flow of cooling air from the condensation tubes blown into contact with these tubes, the flow of which is represented by arrow 14, this air being charged with dust such as 15.
La suspension de l'ensemble dans l'enceinte 13 est assurée par des vis 16 et des rondelles 17.The assembly is suspended in the enclosure 13 by screws 16 and washers 17.
L'élément tubulaire de jonction 4 est relié d'un côté au récipient de vaporisation 1 par l'embout 18 en partie supérieure de ce dernier, et de l'autre côté à l'extrémité inférieure 19 de l'élément tubulaire de condensation 2. Par ailleurs, une collerette 20 disposée sur le pourtour de l'élément tubulaire de jonction est munie d'un joint en élastomère 21 venant prendre appui sur la platine 12, qui assure l'étanchéité de l'enceinte 13 à l'encontre des poussières véhiculées par l'air de réfrigération. The tubular junction element 4 is connected on one side to the vaporization container 1 by the nozzle 18 in the upper part of the latter, and on the other side to the lower end 19 of the tubular condensing element 2 Furthermore, a flange 20 disposed on the periphery of the tubular junction element is provided with an elastomer seal 21 which comes to bear on the plate 12, which seals the enclosure 13 against dust conveyed by refrigeration air.
Le fond de l'enceinte 13 est fermé par une tôle plane 22 reliée à la platine 12 avec interposition d'un joint 23. The bottom of the enclosure 13 is closed by a flat sheet 22 connected to the plate 12 with the interposition of a seal 23.
Deux câbles représentés par leurs extrémités 24A, 24B, assurent l'alimentation électrique du semi-conducteur sur des méplats 25A, 25B situés en partie basse des récipients de vaporisation. Two cables represented by their ends 24A, 24B, supply the semiconductor with electrical power on flats 25A, 25B situated in the lower part of the vaporization containers.
Le tube de condensation 2 comporte une double ailette hélicol- dale repoussée 26, 26A. Son extrémité supérieure est formée par un embout soudé 30 dont la pointe supérieure 31 est fermée par pincement. L'étanchéité peut être parfaite par un point de soudure sur la partie pincée. Le tube 2 est creusé sur son pourtour interne d'une strie intérieure 27 de guidage des gouttes de fluide réfrigérant telles que*29 condensées au contact de la paroi, évitant un reflux direct de celles-ci vers le récipient vaporisateur et permettant d'améliorer encore l'échange de chaleur avec l'air de réfrigération et d'assurer un certain sous-refroidissement du fluide condensé. The condensing tube 2 comprises a double repelled helical fin 26, 26A. Its upper end is formed by a welded end piece 30 whose upper tip 31 is closed by pinching. The seal can be perfect by a spot of welding on the pinched part. The tube 2 is hollowed out on its internal periphery with an internal groove 27 for guiding the drops of coolant such as * 29 condensed in contact with the wall, avoiding a direct reflux of these towards the spray container and making it possible to improve still the heat exchange with the cooling air and to ensure a certain sub-cooling of the condensed fluid.
Lors du remplissage du dispositif en fluide frigorifique, on verse par l'extrémité supérieure de l'embout la quantité nécessaire de fluide. On fait le vide sur le tube et ferme l'embout, en pinçant sa partie supérieure, puis ajoute un point de soudure le cas échéant. When filling the device with refrigerant, the required amount of fluid is poured through the upper end of the nozzle. We vacuum the tube and close the nozzle, pinching its upper part, then add a welding point if necessary.
La figure 2 représente un dispositif de refroidissement des composants de forte puissance du réseau de protection du semi-conducteur, selon l'invention. Dans cette figure les mêmes références que celles de la figure 1 ont même signification. FIG. 2 represents a device for cooling the high power components of the semiconductor protection network, according to the invention. In this figure the same references as those in Figure 1 have the same meaning.
Dans cette figure 2, un composant à forte puissance 32, tel par exemple qu'une résistance, du réseau de protection du semi-conducteur de puissance 11, est fixé à l'intérieur de l'élément 1 formant récipient de vaporisation ; un composant à faible puissance 38, du réseau de protection est disposé dans l'enceinte 13. In this FIG. 2, a high-power component 32, such as for example a resistor, of the protection network of the power semiconductor 11, is fixed inside the element 1 forming a vaporization container; a low power component 38 of the protection network is placed in the enclosure 13.
Le circuit électrique d'alimentation du réseau de protection est réalisé, à l'intérieur du récipient 1, en mettant en contact une borne 33 du composant à forte puissance 32 avec le récipient 1 en contact avec la cathode du semi-conducteur 11. L'autre borne 34 du composant à forte puissance est reliée à un conducteur 35 qui traverse l'élément de jonction isolant 4 de façon étanche. The electrical circuit for supplying the protection network is produced, inside the container 1, by bringing a terminal 33 of the high-power component 32 into contact with the container 1 in contact with the cathode of the semiconductor 11. L Another terminal 34 of the high-power component is connected to a conductor 35 which passes through the insulating junction element 4 in a sealed manner.
Deux liaisons électriques 36A et 26B, en câble isolé souple, réalisent les jonctions d'une part entre le conducteur 35 et une borne 37 du composant à faible puissance 38, et d'autre part entre l'autre borne 39 dudit composant à faible puissance et le méplat 25B du récipient en contact avec l'anode du semi-conducteur 11. Le circuit du réseau de protection est ainsi réalisé.Two electrical connections 36A and 26B, in flexible insulated cable, make the junctions on the one hand between the conductor 35 and a terminal 37 of the low power component 38, and on the other hand between the other terminal 39 of said low power component and the flat part 25B of the container in contact with the anode of the semiconductor 11. The circuit of the protection network is thus produced.
Les figures 1 et 2 représentent le cas d'un semi-conducteur de puissance ; bien entendu l'invention s'applique à un assemblage de plusieurs semi-conducteurs en série, les semi-conducteurs extrêmes dudit assemblage ayant pour l'un sa cathode en contact thermique avec un récipient et pour l'autre son anode en contact thermique avec un autre récipient, les semi-conducteurs intermédiaires étant séparés par un récipient commun à deux semi-conducteurs. Figures 1 and 2 show the case of a power semiconductor; of course the invention applies to an assembly of several semiconductors in series, the extreme semiconductors of said assembly having for one its cathode in thermal contact with a container and for the other its anode in thermal contact with another container, the intermediate semiconductors being separated by a container common to two semiconductors.
Chaque réseau de protection d'un semi-conducteur comporte un composant de forte puissance fixé à l'intérieur du récipient en contact thermique avec sa cathode, ledit réseau de protection étant branché, comme dans la figure 2 entre anode et cathode dudit semi-conducteur. Bien que l'invention ait été décrite et représentée avec le composant de forte puissance fixé dans le récipient en contact avec la cathode, il s'agit d'un exemple, et bien entendu ledit composant pourrait être fixé dans le récipient en contact avec l'anode. Each semiconductor protection network comprises a high-power component fixed inside the container in thermal contact with its cathode, said protection network being connected, as in FIG. 2 between anode and cathode of said semiconductor . Although the invention has been described and shown with the high-power component fixed in the container in contact with the cathode, this is an example, and of course said component could be fixed in the container in contact with the cathode. 'anode.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8716091A FR2623661A1 (en) | 1987-11-20 | 1987-11-20 | Device for cooling high-power components of the protection network for a semi-conductor cooled by vaporisation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| FR8716091A FR2623661A1 (en) | 1987-11-20 | 1987-11-20 | Device for cooling high-power components of the protection network for a semi-conductor cooled by vaporisation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2623661A1 true FR2623661A1 (en) | 1989-05-26 |
| FR2623661B1 FR2623661B1 (en) | 1991-06-07 |
Family
ID=9356999
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8716091A Granted FR2623661A1 (en) | 1987-11-20 | 1987-11-20 | Device for cooling high-power components of the protection network for a semi-conductor cooled by vaporisation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2623661A1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3972063A (en) * | 1973-10-19 | 1976-07-27 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Vapor cooled semiconductor device enclosed in an envelope having a compression mechanism for holding said device within said envelope |
| JPS59217349A (en) * | 1983-05-26 | 1984-12-07 | Mitsubishi Electric Corp | Vapor cooling device |
-
1987
- 1987-11-20 FR FR8716091A patent/FR2623661A1/en active Granted
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3972063A (en) * | 1973-10-19 | 1976-07-27 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Vapor cooled semiconductor device enclosed in an envelope having a compression mechanism for holding said device within said envelope |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, vol. 9, no. 85 (E-308)[1808], 13 avril 1985; & JP-A-59 217 349 (MITSUBISHI DENKI K.K.) 07-12-1984 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2623661B1 (en) | 1991-06-07 |
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