KR20140061398A - 혼합 매니폴드 및 방법 - Google Patents

혼합 매니폴드 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20140061398A
KR20140061398A KR1020147003661A KR20147003661A KR20140061398A KR 20140061398 A KR20140061398 A KR 20140061398A KR 1020147003661 A KR1020147003661 A KR 1020147003661A KR 20147003661 A KR20147003661 A KR 20147003661A KR 20140061398 A KR20140061398 A KR 20140061398A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cooling
liquid
stage
manifold
cooling stage
Prior art date
Application number
KR1020147003661A
Other languages
English (en)
Inventor
팬 장
시아오단 장
리차드 에스 장
준펑 셩
Original Assignee
누보 피그노네 에스피에이
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 누보 피그노네 에스피에이 filed Critical 누보 피그노네 에스피에이
Publication of KR20140061398A publication Critical patent/KR20140061398A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/10—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices having separate containers
    • H01L25/11—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/112—Mixed assemblies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1301—Thyristor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

전력 변환 장치 내에서 전력 적층체를 냉각하는 방법 및 냉각 시스템이 제공된다. 액체 냉각 시스템(80)은, 제 1 냉각 부품을 포함하는 제 1 냉각 스테이지(82)로서, 제 1 냉각 부품이 병렬 냉각 분기로(86a, 86n)를 형성하도록 연결되는 제 1 냉각 스테이지(82); 병렬 냉각 분기로에 유체적으로 연결됨으로써 병렬 냉각 분기로로부터의 냉각 액체 흐름이 내부에서 혼합되도록 구성된 혼합 매니폴드(84); 및 제 2 냉각 부품을 포함하는 제 2 냉각 스테이지(86)로서, 냉각 시스템(80)을 통해 유동하는 냉각 액체에 관하여 제 1 냉각 스테이지와 직렬로 연결되는 제 2 냉각 스테이지를 포함한다.

Description

혼합 매니폴드 및 방법{MIXING MANIFOLD AND METHOD}
본 명세서에 개시된 발명의 실시형태는 일반적으로 전기 부품을 더 효율적으로 냉각시키기 위한 방법 및 시스템, 더 구체적으로는 그러한 메커니즘 및 기술에 관한 것이다.
전력 변환기는 에너지 흐름을 제어하기 위해, 또는 모터나 발전기에의 접속이나 전력 계통과 인터페이스에 의한 접속을 위해 필요한 전압, 전류 또는 주파수를 변환시키기 위한 다양한 용도에 광범위하게 사용된다. 이들 용도의 일부는 오일 및 가스, 금속, 물, 채광 및 해운 산업을 위한 모터 구동장치뿐만 아니라 재생 가능한 에너지(바람, 태양) 및 전력 산업을 위한 전력/주파수 변환기를 포함한다.
전력 변환기(또는 특수 유형의 전력 변환기 구동 전기 모터인 가변 주파수 구동장치)의 핵심 부품 중 일부는 전력 반도체 스위치이다. 전력 반도체 스위치는 그 동작 중에, 즉 전류의 전도 및 전류의 스위칭 온 및 스위칭 오프 중에 전력 손실이 발생한다. 전력 반도체 스위치의 예는 집적 게이트 정류 사이리스터(IGCT), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 인젝션-인핸스트 게이트 트랜지스터(IEGT), 사이리스터(ETT 또는 LTT), 프레스-팩 패키지의 다이오드(하키 퍽 형태의 세라믹 하우징 내의 실리콘 웨이퍼) 또는 IGBT, 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), 플라스틱 모듈 패키지 내의 다이오드 등을 포함하지만, 이것에 한정되지 않는다. 이들 전력 반도체 스위치의 능력, 성능 및 신뢰성은 더 높은 접점 온도, 전류 전도의 집중에 기인되는 국부적 고온점 등에서의 턴오프 능력의 감소와 같은 이유에 기인되어 그 접점 온도에 민감하다.
이와 같은 스위치의 냉각을 달성하기 위해, 그리고 그 접점 온도를 그 동작 한계 내에 유지하기 위해, 액체 냉각은 전력 스위치 동작 중에 전력 손실로부터 발생되는 열을 제거하기 위한 효과적인 수단이다. 액체 냉각, 예를 들면, 물 냉각은 전기 부품(예를 들면, 전력 반도체 스위치)에 부착되는 냉각 부품(예를 들면, 히트 싱크 또는 콜드 플레이트)으로부터 열을 제거하기 위해 액체 유동을 사용한다. 냉각 부품의 표면과 전기 부품의 표면 사이의 직접 접촉으로 인해, 열은 더 높은 온도를 가진 요소(전기 부품)로부터 더 낮은 온도를 가진 요소(냉각 부품)로 전달된다. 액체는 냉각 부품에 전달되는 열을 분산시키기 위해 냉각 부품의 주위에 및/또는 냉각 부품을 관통하여 제공된다. 다음에 전기 부품으로부터 이격되어 있는 냉각될 장소에서 액체 유동이 유발된다. 이와 같은 장소는 냉각탑 또는 주위 공기에 열을 소산시키는 물-물 또는 물-공기 열교환기일 수 있다.
전력 모듈의 경우에 베이스플레이트는 전력 반도체 스위치의 전극으로부터 전기적으로 절연되어 있고, 한편 프레스-팩 디바이스의 경우에 전력 반도체 스위치의 극면(pole face)이 전력 반도체 스위치의 전극에 전기적으로 접속된다. 이러한 배열은, 전기적 단락을 방지하기 위해, 액체 냉각 회로가 상이한 전기 부품들을 함께 연결하는 경우, 프레스-팩 스위치를 위한 히트 싱크의 경우에 탈이온화된 물이 사용될 필요가 있다는 것을 의미한다.
냉각 시스템(10)의 일례는 도 1에 도시되어 있다. 이 냉각 시스템(10)은 다양한 냉각 부품을 포함한다. 냉각 부품은 히트 싱크, 파이프, 밸브, 매니폴드 등일 수 있다. 냉각 부품의 일부는 전력 적층체(12)의 3 칼럼 조립체의 전기 부품과 관련된다. 칼럼은 냉각 부품과 전기 부품의 조합체를 포함할 수 있다. 3 칼럼 전력 적층체(12)는 다양한 전기 부품의 3 개의 칼럼(12a - 12c)을 포함한다. 전기 부품은 3 칼럼 전력 적층체를 갖는 경우에 전력 반도체 스위치일 수 있고, 기타 전력 변환 디바이스를 갖는 경우에 저항기, 인덕터, 커패시터 및 절연체일 수 있다. 3 개의 칼럼은 동일하거나 다를 수 있다. 칼럼(12a)은 전력 반도체 스위치(14) 및 대응하는 히트 싱크(16)를 포함할 수 있다. 전력 반도체 스위치 및 그 연결부의 개수는 전기 회로 접속형태에 의존한다. 냉각 시스템의 접속형태는 전력 적층체의 접속형태에 따르거나 또는 그와 다를 수 있다. 제 1 및 제 2 절연체(18, 20)는 전력 적층체의 금속 프레임으로부터 칼럼을 전기적으로 절연한다.
소정의 개수의 액체 냉각식 전기 부품을 위한 액체 냉각 회로를 형성하기 위해, 전기 부품과 접촉하고 있거나 전기 부품의 일부인 냉각 부품은 상호 유체적으로 연결된다. 예시적인 냉각 접속형태는 도 1에 도시되어 있다. 냉각 시스템(10)은 제 1 액체 유입 매니폴드(30), 병렬 냉각 분기로(35), 및 제 1 액체 유출 매니폴드(32)를 포함하는 제 1 경로를 따라, 그리고 제 2 액체 유입 매니폴드(31), 직렬 분기로(37), 및 제 2 액체 유출 매니폴드(33)를 포함하는 제 2 경로를 따라 액체가 유동하도록 설계된다. 유입 매니폴드는 압력 하에서 액체를 수용하도록 구성된 유입구(34)를 갖는다. 압력은 펌프에 의해 제공된다.
병렬 분기로(35)는 유입 파이프(20), 압력 보상기(36), 히트 싱크(16), 다른 압력 보상기(40) 및 유출 파이프(22)를 포함할 수 있다. 직렬 분기로(37)는 유입 파이프(38), 다중 히트 싱크(16), 연결 파이프(42) 및 유출 파이프(44)를 포함할 수 있다. 직렬 분기로는 2 개 이상의 히트 싱크나 직렬로 연결되는 균등한 디바이스를 포함한다. 따라서, 냉각 시스템(10)은 직렬이나 병렬 또는 직렬 및 병렬 연결부의 조합과 같은 다양한 유형의 연결부를 포함한다.
모든 냉각 부품을 위한 직렬 액체 연결부는 병렬 연결보다 총 액체 유동은 적지만 더 높은 압력 강하를 갖는다. 결과적으로, 이것은 더 큰 헤드를 갖는, 그리고 냉각 부품 상에 더 높은 응력을 가하는 펌프를 초래할 수 있다. 이것에 의해 액체 냉각 회로는 더 높은 압력으로 인해 누설되는 경향을 갖게 된다. 다른 직렬 액체 루프에 대한 다른 부정적 인자는, 열이 하나의 냉각 스테이지로부터 다음 냉각 스테이지로 축적됨에 따라, 냉각 루프의 하류측 온도가 지속적으로 상승한다는 것이다. 이러한 냉각 루프의 하류에서 부품을 위한 냉각 효과를 악화시킨다. 그러므로, 더 높은 소모 전력을 갖는, 그리고 액체 냉각 루프의 상류의 접점 온도에 더욱 민감한 전력 반도체 스위치를 설치하는 것이 요망된다.
모든 냉각 부품을 위한 병렬 액체 연결부는 직렬 액체 연결부보다 더 적은 압력 강하를 유발한다. 그러나, 병렬 액체 연결부는 더 높은 총 액체 유동을 가지므로, 더 많은 양의 액체를 필요로 한다. 이러한 배열에 대한 중요한 제한 인자는, 모든 병렬식 냉각 분기로가 동일한 ΔΡ(압력 강하)를 가져야 하므로 각각의 분기로를 위한 결과적인 액체 유동은 요구되는 값이 아닐 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해, (코일(36 또는 40)과 같은) 추가의 ΔΡ 균형 요소를 도입하거나 각각의 병렬식 냉각 분기로의 직경을 신중하게 설계함으로써 복잡한 설계가 요구된다. 대안적으로, 각각의 병렬식 액체 분기로에 대해 적정량의 유동이 달성되는 것을 보장하도록 유동 분배를 조절하기 위해 유동 조절 밸브를 수동으로 제어할 수 있다.
도 1로 돌아가서, 3 칼럼 전력 적층체(12)의 정확한 구조에 따라, 칼럼(12a) 내의 전기 부품이 칼럼(12b, 12c) 내의 전기 부품보다 높은 동작 온도를 갖는 것이 가능하다. 따라서, 칼럼(12a)의 전기 부품으로부터 오는 냉각 액체는 고온을 갖는다.
이러한 특정의 배열의 경우, 고온 액체가 칼럼(12b, 12c)의 냉각 요소를 위해 재사용되지 않도록, 칼럼(12a)으로부터의 히트 싱크의 유출 파이프(22)는 제 1 물 유출 매니폴드(32)에 직접 연결된다. 그러나, 연결 파이프(42)로부터의 냉각 액체의 온도는 높지 않으므로, 이 냉각 액체는 제 2 물 유출 매니폴드(33)에 제공되기 전에 칼럼(12c)의 냉각 부품을 냉각시키기 위해 사용된다.
그러나, 도 1의 냉각 배열은 다양한 분기로를 위해 압력 보상기 디바이스(36, 40)가 필요하고, 또한 3 칼럼 전력 적층체(2)를 냉각시키기 위해 4 개의 물 매니폴드(2 개의 유입 매니폴드 및 2 개의 유출 매니폴드)가 필요하다는 단점을 갖는다.
다른 냉각 배열은 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 단일의 액체 유입 매니폴드(52), 단일의 액체 유출 매니폴드(54), 및 제 1 히트 싱크(58)로부터 제 2 히트 싱크(60) 및 제 3 히트 싱크(62)로 냉각 액체를 취하기 위한 복수의 파이프(56)를 사용하는 냉각 시스템(50)을 도시한다. 그러나, 이러한 접근 방법은 다음의 단점을 갖는다. 전력 반도체 스위치(66)가 히트 싱크(60, 58)와 관련되는 전력 반도체 스위치(63, 64)보다 높은 온도에서 동작하는 것으로 가정한다. 이 경우, 히트 싱크(58, 60)으로부터의 냉각 액체는 이미 가열됨으로써 전력 반도체 스위치(66)의 히트 싱크(62)를 충분히 냉각할 수 없다. 따라서, 전력 반도체 스위치(66)는 불충분하게 냉각됨으로써 조기에 고장을 일으키는 경향이 있고, 이것은 바람직하지 않은 것이다. 도 2에 도시된 배열의 단점을 방지하는 다른 배열은 특정되는 고온의 전력 반도체 스위치를 위한 전용의 냉각 루프를 제공하는 것이다. 그러나, 이러한 마지막 배열은 더 복잡한 냉각 시스템 및 더 많은 파이프를 필요로 하고 이것 역시 바람직하지 않다.
따라서, 전술된 문제점 및 결점을 방지하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
하나의 예시적 실시형태에 따르면, 전력 변환 장치를 위한 액체 냉각 시스템이 제공된다. 본 액체 냉각 시스템은, 전력 변환 장치의 제 1 냉각 부품을 포함하는 제 1 냉각 스테이지로서, 제 1 냉각 부품이 병렬 냉각 분기로를 형성하도록 연결되는, 제 1 냉각 스테이지; 병렬 냉각 분기로에 유체적으로 연결됨으로써 병렬 냉각 분기로로부터의 냉각 액체 흐름이 내부에서 혼합되도록 구성된 혼합 매니폴드; 및 제 2 냉각 부품을 포함하는 제 2 냉각 스테이지로서, 냉각 시스템을 통해 유동하는 냉각 액체에 관하여 제 1 냉각 스테이지와 직렬로 연결되는 제 2 냉각 스테이지를 포함한다. 제 1 냉각 스테이지로부터의 냉각 액체 흐름은 제 2 냉각 스테이지로 운반되기 전에 혼합 매니폴드 내에서 함께 혼합된다.
다른 예시적 실시형태에 따르면, 제 1 및 제 2 전기 부품을 포함하는 전력 적층체; 전력 변환 장치의 제 1 냉각 스테이지에 유체적으로 연결되며, 제 1 냉각 스테이지와 관련된 제 1 전기 부품을 냉각시키기 위해 제 1 냉각 스테이지에 냉각 유체를 제공하도록 구성된 유입 매니폴드; 제 1 냉각 스테이지에 유체적으로 연결되며, (i) 상이한 온도를 갖는 가열된 냉각 액체 흐름을 제 1 냉각 스테이지로부터 수용하고, (ii) 가열된 냉각 액체 흐름을 실질적으로 단일의 온도를 갖도록 혼합하고, (iii) 제 2 냉각 스테이지와 관련된 제 2 전기 부품을 냉각시키기 위해 전력 변환 장치의 제 2 냉각 스테이지에 혼합된 냉각 액체 흐름을 제공하도록 구성된 혼합 매니폴드; 및 전력 변환 장치의 제 2 냉각 스테이지에 유체적으로 연결되며, 제 2 냉각 스테이지로부터 혼합된 냉각 액체 흐름을 수용하도록 구성된 유출 매니폴드를 포함하는 전력 변환 장치가 제공된다.
또 다른 예시적 실시형태에 따르면, 전력 변환 장치의 냉각 방법이 제공된다. 본 방법은 냉각 액체를 유입 매니폴드에 제공하는 단계; 유입 매니폴드로부터 전력 변환 장치의 제 1 냉각 스테이지의 히트 싱크로 냉각 액체를 이송하는 단계로서, 히트 싱크가 병렬 냉각 분기로 상에 제공되는, 냉각 액체 이송 단계; 제 1 냉각 스테이지의 히트 싱크를 냉각시키는 단계; 가열된 냉각 액체 흐름을 혼합 매니폴드에서 수용하는 단계; 제 1 냉각 스테이지의 병렬 냉각 분기로로부터의 상이한 온도를 갖는 가열된 냉각 액체 흐름을 혼합 매니폴드에서 수용하는 단계; 가열된 냉각 액체 흐름을 혼합 매니폴드 내에서 혼합하는 단계; 혼합된 냉각 액체 흐름을 전력 변환 장치의 제 2 냉각 스테이지의 히트 싱크에 제공하는 단계; 및 제 2 냉각 스테이지로부터의 혼합된 냉각 액체 흐름을 제 2 냉각 스테이지에 연결된 유출 매니폴드에서 수집하는 단계를 포함한다.
본 명세서 내에 포함되어 그 일부를 구성하는 첨부한 도면은 하나 이상의 실시형태를 도시하고, 상세한 설명과 함께 이들 실시형태를 설명한다.
도 1은 냉각 시스템을 갖는 종래의 전력 적층체 디바이스의 개략도이고;
도 2는 냉각 시스템을 갖는 종래의 전력 적층체 디바이스의 다른 개략도이고;
도 3은 예시적 실시형태에 따른 전력 변환 장치를 냉각시키기 위한 매니폴드 시스템의 개략도이고;
도 4는 예시적 실시형태에 따른 다중 칼럼 전력 적층체를 냉각시키기 위한 매니폴드 시스템의 개략도이고;
도 5는 냉각용 매니폴드 시스템의 히트 싱크의 개략도이고;
도 6은 다른 예시적 실시형태에 따른 다중 칼럼 전력 적층체를 냉각시키기 위한 매니폴드 시스템의 개략도이고;
도 7 내지 도 9는 예시적 실시형태에 따른 물 혼합 매니폴드의 다양한 형상을 도시하고;
도 10은 예시적 실시형태에 따른 다중 칼럼 전력 적층체를 냉각시키기 위한 매니폴드 시스템의 다른 개략도이고;
도 11은 예시적 실시형태에 따른 다중 칼럼 전력 팩을 냉각시키기 위한 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하의 예시적 실시형태의 설명은 첨부한 도면을 참조한다. 다른 도면에서 동일한 참조번호는 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다. 이하의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해 한정된다. 이하의 실시형태는 간결성을 위해 수냉식 3 칼럼 전력 적층체의 용어 및 구조에 관련하여 설명된다. 그러나, 다음에 설명될 실시형태는 이들 전력 적층체에 제한되지 않고, 냉각을 필요로 하는 부품을 갖는 기타 적층체 또는 전력 변환 디바이스에도 적용될 수 있다.
명세서의 전체를 통해 "하나의 실시형태" 또는 "실시형태"라는 언급은 실시형태와 관련되어 설명되는 특정의 기구, 구조, 또는 특징이 개시된 주제의 적어도 하나의 실시형태에 포함됨을 의미한다. 따라서, 명세서의 전체를 통해 다양한 부분에서 "하나의 실시형태에서" 또는 "실시형태에서"라는 어구가 출현하는 경우, 반드시 동일 실시형태를 언급하는 것은 아니다. 더욱이, 특정의 기구, 구조 또는 특징은 하나 이상의 실시형태에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
예시적 실시형태에 따르면, 다중 칼럼 전력 적층체를 냉각시키기 위한 매니폴드 냉각 시스템이 제공된다. 매니폴드 냉각 시스템은 액체 유입 매니폴드, 액체 유출 매니폴드 및 액체 혼합 매니폴드를 포함한다. 냉각 부품은 매니폴드를 통해 냉각 액체를 순환시키기 위해 매니폴드와 유체적으로 연결된다. 후에 정의되는 바와 같이, 냉각 부품은 병렬 및 직렬 분기로로 분류된다. 전기 부품에는 냉각 부품의 일부가 부착되거나 구비된다. 액체 혼합 매니폴드는 병렬 분기로로부터 냉각 액체 흐름을 수집하고, 이 흐름을 혼합하고, 다음에 냉각을 위해 나머지 분기로에 혼합된 냉각 액체를 제공한다.
다음에 설명될 새로운 냉각 시스템은 유리하게 동작 조건에 무관하게 액체 루프의 하류에서 냉각되는 전력 반도체 스위치를 위해 일관되고 더 균일한 열적 성능을 제공한다. 이와 같은 동작 조건은 액체 냉각 루프에 의해 냉각되어야 하는 전력 반도체 스위치에서 균일하게 분포되지 않는 전력 손실 및 시간 의존적인, 즉 회로 동작 원리, 전력 공급원(예를 들면, 송전망), 및/또는 부하(예를 들면, 모터 및 압축기) 조건에 의존하는 전력 손실을 포함한다. 이들 조건 하에서, 병렬식 액체 냉각 배열 내의 일부의 디바이스는 다른 디바이스보다 적은 열을 소산시킨다는 사실을 이용하여, 액체 루프의 상류 및 하류의 전력 반도체 스위치를 위한 가장 효과적인 냉각 시스템을 갖는 것이 바람직하다. 병렬 분기로를 냉각시킨 후 및 전력 반도체 스위치의 하류에 액체를 전달하기 전에 냉각 액체를 혼합시킴으로써, 액체 온도는 최대 전력 소모 분기로로부터의 최대 액체 온도의 액체 온도보다 낮은 값으로 평균화될 수 있다.
또한, 다음에 설명되는 예시적 실시형태는 병렬식 냉각 분기로 사이의 잠재적으로 불일치되는 ΔΡ를 해결하는 우수한 방법을 제공한다. 이러한 관점에서, 새로운 실시형태에서는 추가적인 ΔΡ 균형 요소가 불필요하다. 더욱이, 각각의 병렬식 냉각 분기로의 직경을 신중하게 설계하는 것이 필요하지 않고, 또는 각각의 병렬식 액체 분기로를 위해 적정량의 유동이 달성되는 것을 보장하도록 유동 분배를 조절하기 위한 유동 조절 밸브를 제공하는 것이 필요하지 않다.
도 3에 도시되는 예시적 실시형태에 따르면, 전력 변환 장치의 복수의 전기 부품을 냉각시키기 위한 냉각 시스템(80)이 제공되고, 여기서 복수의 전기 부품은 냉각 부품과 관련된다. 도 3의 세부를 설명하기 전에, 몇 가지 개념을 소개하는 것이 적절한 것으로 생각된다. 전력 변환 장치는 하나 이상의 칼럼, 전력 모듈 또는 칼럼 및 전력 모듈의 조합체를 갖는 것일 수 있다. 따라서, 새로운 실시형태가 적용되는 전력 변환 장치 중의 일부는 칼럼을 가지지 않을 수 있다. 전기 부품은 전력 반도체 스위치, 인덕터, 커패시터, 저항기, 버스바, 또는 절연체 중 하나 이상을 지칭한다. 전력 반도체 스위치는 능동 스위치, 예를 들면, IGCT, IGBT, MOSFET 등이거나 수동 스위치, 예를 들면, 다이오드일 수 있다. 전기 부품을 위한 냉각은 부품, 예를 들면, 수냉식 인덕터, 수냉식 저항기의 일부로서 통합될 수 있고, 또는 전기 부품에 부착되는 별개의 냉각 부품을 필요로 한다. 냉각 부품은 히트 싱크, 혼합 매니폴드, 유입 매니폴드, 유출 매니폴드, 신세틱 제트(synthetic jet), 물 파이프, 물 튜브, 압력 보상 디바이스, 나선형 물 튜브, 압력 조절 밸브, 가변 직경의 물 파이프/튜브, 또는 열교환기 중 하나 이상이다.
도 3으로 돌아가서, 냉각 시스템(80)은 액체 혼합 매니폴드(84)에 부분적으로 또는 전체적으로 유체적으로 연결될 수 있는 제 1 냉각 스테이지(82)를 포함할 수 있고, 액체 혼합 매니폴드(84)은 제 2 냉각 스테이지(86)에 부분적으로 또는 전체적으로 유체적으로 연결된다. 액체 혼합 매니폴드(84)는 제 1 냉각 스테이지(82)의 복수의 냉각 병렬 분기로(86a - 86n)로부터 냉각 액체의 흐름을 수집한다. 병렬 분기로의 개수는 2 개 이상이다. 액체 혼합 매니폴드(84)는 복수의 냉각 분기로(86a - 86n)로부터의 가열된 냉각 액체의 흐름을 혼합하고, 제 2 냉각 스테이지(86)의 직렬 냉각 분기로(88a-88m)(여기서, m은 1 이상)에 혼합된 냉각 액체를 제공한다. 직렬 냉각 분기로(88a-88m)는 p 개의 히트 싱크를 포함할 수 있고, 여기서 p는 1 이상이다. 병렬 분기로(86)의 개수는 직렬 분기로(88)의 개수와 반드시 동일하지는 않다.
액체 유입 매니폴드(90) 및 액체 유출 매니폴드(92)는 냉각 시스템(80)으로부터 냉각 액체를 각각 제공하기 위해 그리고 제거하기 위해 제공될 수 있다. 따라서, 병렬 분기로는 혼합 매니폴드(84)에 액체 유입 매니폴드(90)를 유체적으로 연결하고, 직렬 분기로는 액체 유출 매니폴드(92)에 혼합 매니폴드(84)를 유체적으로 연결한다. 더욱이, 일부의 분기로(87a - 87k)(여기서 k는 0 이상의 수이다)는 혼합 매니폴드(84)에 연결되지 않고 유출 매니폴드(92)에 유입 매니폴드(90)를 유체적으로 연결한다.
도 3에 도시된 실시형태는 다양한 냉각 부품을 포함한다. 예를 들면, 냉각 분기로(86a)는 파이프(94a) 및 히트 싱크(94b)를 포함한다. 제 1 및 제 2 냉각 스테이지의 나머지 냉각 분기로의 경우도 동일하다. 히트 싱크는 전기 부품과 관련될 수 있다. 이와 같은 전기 부품(94c)은 냉각 부품과 접촉하여 냉각 부품과 열을 교환할 수 있다. 냉각 부품 및 전기 부품의 개수는 도면에 도시된 바와 같이 스테이지마다 다를 수 있고, 또한 도면에 도시된 바와 같이 심지어 분기로마다 다를 수 있다. 도 3은 설명을 위한 도면으로서, 분기로 또는 부품 등의 정확한 개수를 보여주기 위한 것이 아니다. 이러한 이유로, 다음의 실시형태 및 도면은 예시적 실시형태의 더욱 용이한 이해를 위해 보다 한정적인 냉각 시스템(80)을 제공한다. 그러나, 다음의 도면은 이들 도면에 도시된 칼럼이나 냉각 섹션의 개수에 대해 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 4에 도시된 예시적 실시형태에서, 전력 변환 장치(100)는 냉각 시스템(102) 및 3 칼럼 전력 적층체(150)를 포함한다. 위에서 언급된 바와 같이, 본 새로운 특징은 또한 더 적은 칼럼을 갖거나 칼럼을 가지지 않는 전력 변환 장치에도 적용된다. 그러나, 이하에서 설명을 위해 3 칼럼 전력 적층체가 설명된다. 따라서, 3 칼럼 전력 적층체는 본 새로운 특징의 적용성을 제한하도록 해석되어서는 안된다. 본 냉각 시스템(102)은 제 1 냉각 스테이지(104) 및 제 2 냉각 스테이지(106)를 포함한다. 각각의 냉각 스테이지는 복수의 냉각 분기로를 갖는다. 제 1 냉각 스테이지(104)는 병렬 냉각 분기로(104a - 104n)(여기서, n은 2 이상의 소정의 정수)를 갖는다. 제 2 냉각 스테이지(106)는 직렬 냉각 분기로(106a-106m)(여기서, m은 1 이상의 소정의 정수)를 포함한다. n 및 m은 동일하거나 상이할 수 있다.
도 4는 병렬 냉각 분기로(104a - 104n)를 도시하고, 각각은 히트 싱크(160)를 갖는다. 위에서 설명된 바와 같이, 다른 구성이 가능하고, 즉 병렬 분기로마다 더 적거나 더 많은 히트 싱크가 가능하다. 히트 싱크(160)는 후술되는 바와 같이 대응하는 전기 부품(158)을 갖는다. 냉각 시스템(102)은 액체 유입 매니폴드(108), 액체 유출 매니폴드(110) 및 액체 혼합 매니폴드(112)를 포함할 수도 있다. 3 칼럼 전력 적층체(본 예시적 실시형태는 다중 칼럼 전력 적층체 또는 칼럼을 갖추고 있지 않은 전력 변환 장치에도 적용될 수 있다)(150)는 복수의 전기 부품, 예를 들면, 전력 반도체 스위치(158)를 포함한다. 3 칼럼 전력 변환 장치(100)는 반도체 디바이스의 제 1 칼럼(152), 제 2 칼럼(154) 및 제 3 칼럼(156)을 포함한다. 위에서 언급된 바와 같이, 대체로 칼럼은 냉각 시스템(102)에 의해 냉각될 수 있다. 도 4는 각각의 칼럼이 복수의 히트 싱크(160) 사이에 개재되는 복수의 전력 반도체 스위치(158)를 갖는 것을 도시하고 있다. 다른 전기 부품 및 냉각 부품이 제공될 수도 있다.
히트 싱크(160)는 도 5에 도시된 바와 같이 채널(166)에 의해 상호 연결되는 유입구(162) 및 유출구(164)를 갖는 금속 블록일 수 있다. 물은 유입구(162) 내로 유입되어, 채널(166)을 통해 유동하고, 유출구(164)를 통해 배출될 수 있다. 도관(166)은 도 5에서 극도로 단순화된 형상으로 도시되어 있다. 그러나, 채널(166)은 복잡하거나 단순한 형상을 가질 수 있다. 이와 같은 도관은 또한 냉각 부품이고, 이러한 채널은 히트 싱크 뿐만 아니라, 예를 들면, 수냉식 인덕터와 관련될 수 있다. 채널(166)의 목적은 히트 싱크나 기타 냉각 부품으로부터 채널을 통해 유동하는 유체로의 열 전달을 촉진하도록 하는 것이다.
여전히 도 4를 참조하면, 액체 유입 매니폴드(108)는 유입구(113)에서 냉각 액체를 수용하도록 구성된다. 냉각 액체는 전기 부품을 냉각시키기 위한 적절한 온도를 가진다. 액체는 제 1 냉각 스테이지(104)의 히트 싱크(160)에 냉각 액체를 연통시키는 한 세트의 유입 파이프(114)에 분배된다. 유입 파이프(114)는 액체 유입 매니폴드(108)와 혼합 매니폴드(112) 사이에서 병렬로 연결된다. 이곳으로부터, 냉각 액체는 히트 싱크 내로 유입되어 열을 제거하고, 그 후 냉각 액체는 유출 파이프(116) 내로 유입되고, 이 유출 파이프(116)는 가열된 냉각 액체를 액체 혼합 매니폴드(112)에 운반한다.
혼합 매니폴드(112)는 제 1 칼럼(152)의 모든 히트 싱크(160)로부터 가열된 냉각 액체의 흐름을 수용할 수 있다. 따라서, 제 1 칼럼(152)의 하나 이상의 전력 반도체 스위치가 동일 칼럼의 다른 전력 반도체 스위치(158)보다 높은 온도에서 동작하는 경우, 이들 부품으로부터 유입되는 냉각 액체의 흐름은 혼합 매니폴드(112) 내에서 함께 혼합되고, 따라서 냉각 액체는 직렬 분기로(106a-106m)에 분배되기 전에 실질적으로 일정한 온도로 된다. 다시 말하면, 제 1 냉각 스테이지(104)에서 상이한 온도를 갖는 냉각 액체의 흐름은 상호 혼합되어 제 2 냉각 스테이지(106)의 분기로에 실질적으로 균일한 온도를 갖는 냉각 액체를 제공한다.
예시적 실시형태에서, 냉각 액체의 흐름의 혼합을 향상시키기 위한 메커니즘(118)이 액체 혼합 매니폴드(112)의 내측에 제공되거나 액체 혼합 매니폴드(112)에 연결될 수 있다. 이와 같은 메커니즘(118)은, 예를 들면, 신세틱 제트일 수 있다. 신세틱 제트는 전자기 드라이버, 압전 드라이버, 또는 심지어 피스톤과 같은 기계식 드라이버와 같은 다수의 방법으로 구현될 수 있다. 각각의 드라이버는 멤브레인 또는 다이어프램을 초당 다수 회 상하로 이동시킴으로써 주위의 유체를 체임버 내에 유입시킨 다음 토출시킨다.
액체 혼합 매니폴드(112)는 전력 변환 장치(100) 내의 칼럼의 기계적 배열에 따라 상이한 형상을 가질 수 있다. 도 4는 U자 형상을 갖는 액체 혼합 매니폴드(112)를 도시한다. V자 형상 또는 직선 형상도 이러한 매니폴드를 위해 사용될 수 있다. 그러나, U자 형상이 제 1 칼럼으로부터 유래하는 다양한 액체 흐름을 더 양호하게 그리고 더 신속하게 혼합한다는 것이 관찰되었다. 액체 혼합 매니폴드(112)는 다양한 길이 및 직경의 파이프(114, 116, 120, 122, 124)에 (직접 또는 간접적으로) 연결될 수 있다. 파이프는 스테인리스 강 또는 플라스틱 또는 복합 재료와 같은 내식성, 고온 및/또는 전기 절연성 재료로 제작될 수 있다.
제 1 냉각 스테이지(104)의 히트 싱크로부터 수집된 액체 흐름의 혼합 후, 액체 혼합 매니폴드(112)는 혼합된 냉각 액체를 다른 세트의 유입 파이프(120)에 이송할 수 있다. 유입 파이프(120)는 액체 혼합 매니폴드(112)를 제 2 냉각 스테이지(106) 및 제 2 칼럼(154)의 히트 싱크에 연결한다. 유입 파이프(120)는 후에 설명되는 바와 같이 다른 파이프와 직렬로 연결될 수 있다. 칼럼(154, 156)의 전력 반도체 스위치가 칼럼(152)의 스위치보다 낮은 온도에서 동작할 수 있으므로, 제 2 칼럼(154)의 전기 부품과 관련되는 히트 싱크로부터의 냉각 액체는 중간 파이프(122)를 통해 제 3 칼럼(156)의 전기 부품과 관련되는 히트 싱크에 제공된다. 이곳으로부터, (유입 파이프(120) 및 중간 파이프(122)와 직렬로 연결되는) 한 세트의 유출 파이프(124)는 가열된 냉각 액체를 액체 유출 매니폴드(110)로 운반한다. 가열된 냉각 액체는 열교환기(도시되지 않음)를 통해 냉각될 수 있고, 액체 유입 매니폴드(108)로 복귀되거나 배출될 수 있다.
도 4에 도시된 실시형태는 3 개의 칼럼 내에 다양한 유형의 전기 부품을 가질 수 있다. 전기 부품은 전력 반도체 스위치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 칼럼(152) 내의 전력 반도체 스위치는 다이오드와 같은 수동(passive) 스위치보다 높은 전력 손실을 갖는 IGCT 또는 IEGT 또는 프레스-팩-IGBT일 수 있고, 한편 칼럼(154, 156) 내의 스위치는 다이오드일 수 있다. 본 기술분야의 당업자에 의해 인식될 수 있는 바와 같이, 기타의 전력 반도체 스위치(158)의 조합체도 가능하다.
도 4에 도시된 실시형태는, 하나의 칼럼(152)의 요소가 다른 2 개의 칼럼의 요소보다 온도에 대해 더 높은 손실 및 더 높은 고장의 민감성을 갖는 3 칼럼 전력 적층체를 취하고 있다. 그러나, 2 개의 칼럼이 더 높은 손실을 갖는 전기 부품을 갖는 경우, 도 6은 냉각 시스템(200)이 제 2 칼럼(154)과 제 3 칼럼(156) 사이에 제공되는 추가의 액체 혼합 매니폴드(202)를 포함하는 실시형태를 도시하고, 즉 제 2 냉각 스테이지(106)는 제 2 냉각 스테이지(106') 및 제 3 냉각 스테이지(106")를 갖도록 분할된다. 이러한 배열의 경우, 제 2 및 제 3 냉각 스테이지의 히트 싱크(또는 기타 냉각 부품)를 추가의 액체 혼합 매니폴드(202)에 유체적으로 연결하기 위해 보충적 세트의 파이프(204, 206)가 필요하다. 더 많은 칼럼 및 추가의 액체 혼합 매니폴드가 사용되는 다른 배열도 가능하다.
앞에서 설명된 바와 같이, 액체 혼합 매니폴드는 도 7에 도시된 바와 같은 V자 형상, 또는 도 8에 도시된 바와 같은 직선 형상, 또는 도 9에 도시된 바와 같은 원 형상을 가질 수 있다. 도 7의 액체 혼합 매니폴드(300)는 유입 파이프(302) 및 유출 파이프(304)를 갖고, 액체 혼합 매니폴드(400)는 유입 파이프(402) 및 유출 파이프(404)를 갖고, 도 9의 액체 혼합 매니폴드(500)는 유입 파이프(502) 및 유출 파이프(504)를 갖는다.
다른 예시적 실시형태에서, 냉각 섹션의 모든 히트 싱크(또는 기타 냉각 부품)가 액체 혼합 매니폴드에 연결되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 10은 냉각 시스템(600)이 액체 유입 매니폴드(602), 액체 혼합 매니폴드(604) 및 액체 유출 매니폴드(606)를 포함하는 것과 같은 실시형태를 도시한다. 그러나, 제 1 냉각 스테이지(616)의 히트 싱크(608)는 액체 혼합 매니폴드(604)에 연결된 다음 제 2 냉각 섹션(618)의 히트 싱크(610)에 연결되고, 한편 제 1 냉각 적층체(616)의 히트 싱크(612)는 제 2 냉각 스테이지(618)의 히트 싱크(614)에 직접 연결된다. 히트 싱크와 액체 혼합 매니폴드 사이의 연결부의 다른 치환이 가능하고, 이것은 예시적 실시형태에 포함되는 것이 의도된다.
위에서 설명된 하나 이상의 새로운 예시적 실시형태는 유리하게도 전력 반도체 스위치(158)의 냉각을 위해 공급되는 액체 흐름에 균일한 온도 분포를 제공한다. 또한, 이들 실시형태 중 하나 이상은 액체 유동의 더 우수한 분포를 제공하고, 및/또는 다양한 칼럼의 스위칭 요소가 상이한 온도로 가열되는 경우에 냉각 시스템의 구조를 감소시킨다.
예시적 실시형태에 따르면, 다음의 규칙이 전력 변환 장치(100)를 위해 구현될 수 있다. 병렬 분기로의 경우, 높은 손실, 온도 민감성(예를 들면, 전류 통전 및 턴오프 능력, 고장 등) 전기 부품을 위한 병렬 연결에서 동등한 압력 강하를 갖는 냉각 부품(예를 들면, 히트 싱크)를 설치한다. 병렬의 냉각 부품의 최대 개수는 냉각 시스템의 최대 허용 유동 속도에 의해 제한된다. 대부분의 온도 민감성 및 높은 손실의 전기 부품을 위한 냉각 부품은 냉각 시스템의 제 1 냉각 스테이지 내에 병렬로 설치되고, 후속하여 혼합 매니폴드의 유입구에 연결된다.
직렬 분기로의 경우, 상이한 압력 강하를 구비하는, 그리고 낮은 온도 민감성 전기 부품에 부착되는 냉각 부품은 유동 속도를 감소시키도록 직렬로 배치될 수 있다. 직렬로 연결될 수 있는 냉각 부품의 최대 개수는 최종 스테이지의 총 허용 압력 강하 및 최대 유입 온도에 의해 제한된다. (바람직하게는 직렬 연결의 위상 A, B, C 부품과 같은 전기 회로 접속형태에 따라 구성되는) 냉각 부품의 다중 직렬 분기로는 병렬로 연결될 수 있다.
혼합 매니폴드의 사용에 관하여, 병렬 냉각 부품에 부착되는 이들 전기 부품의 손실이 동작 조건에 따라 변화되는 경우, 냉각 부품의 하류로 냉각 액체를 더 전달하기 전에 냉각 액체 흐름은 혼합 매니폴드 내에서 혼합된다.
혼합 매니폴드는 알루미늄, 구리, 스테인리스 강, 테플론, 또는 실리콘 고무 호스로 제작될 수 있다.
도 11에 도시된 예시적 실시형태에 따르면, 전력 변환 장치를 냉각시키기 위한 방법에 제공된다. 본 방법은 액체 유입 매니폴드 내에 냉각 액체를 제공하는 단계(1100); 액체 유입 매니폴드로부터 전력 변환 장치의 제 1 냉각 스테이지의 히트 싱크로 냉각 액체를 이송하는 단계(1102); 제 1 냉각 스테이지의 히트 싱크를 냉각시키는 단계(1104); 제 1 냉각 스테이지로부터의 상이한 온도를 갖는 가열된 냉각 액체 흐름을 액체 혼합 매니폴드에서 수용하는 단계(1106); 가열된 액체 흐름을 액체 혼합 매니폴드에서 혼합하는 단계(1108); 혼합된 액체 흐름을 전력 변환 장치의 제 2 냉각 스테이지의 히트 싱크에 제공하는 단계(1110); 및 제 2 냉각 스테이지로부터의 냉각 액체 흐름을 액체 유출 매니폴드에서 수집하는 단계(1112)를 포함한다.
개시된 예시적 실시형태는 다중 칼럼 전력 적층체 및/또는 다중 냉각 분기로를 구비하는 전력 변환기를 더 양호하게 냉각시키기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 이 설명이 본 발명을 제한하려는 의도를 갖지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 오히려, 본 예시적 실시형태는 대안예, 변경예 및 균등물을 포함하며, 이들은 첨부된 청구항에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함된다. 더욱이, 예시적 실시형태의 상세한 설명에서, 청구된 발명의 포괄적인 이해를 제공하기 위해 수많은 구체적인 세부사항이 설명되었다. 그러나, 본 기술 분야의 당업자는 이와 같은 구체적인 세부사항 없이 다양한 실시형태가 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 예시적 실시형태의 특징 및 요소가 특정의 조합으로 실시형태에서 설명되었음에도 불구하고, 각각의 특징 또는 요소는 본 실시형태의 다른 특징 및 요소 없이 단독으로 사용되거나 본 명세서에 개시된 다른 특징 및 요소를 갖는, 또는 다른 특징 및 요소를 갖지 않는 다양한 조합으로 사용될 수 있다.
이러한 기재된 설명은 본 기술 분야의 임의의 당업자가 본 주제를 실시할 수 있도록 개시된 임의의 디바이스 또는 시스템을 제작하고 사용하는 것 및 임의의 포함된 방법을 사용하는 것을 포함하는 본 주제의 실시예를 사용한다. 본 주제의 특허 가능한 범위는 청구항에 의해 한정되어 있고, 본 기술 분야의 당업자에게 상도될 수 있는 다른 실시예를 포함할 수 있다. 이와 같은 기타 실시예를 청구항의 범위 내에 포함시키고자 한다.

Claims (20)

  1. 전력 변환 장치를 위한 액체 냉각 시스템에 있어서,
    상기 전력 변환 장치의 제 1 냉각 부품을 포함하는 제 1 냉각 스테이지로서, 상기 냉각 부품이 병렬식 냉각 분기로를 형성하도록 연결되는, 상기 제 1 냉각 스테이지;
    상기 병렬식 냉각 분기로에 유체적으로 연결됨으로써 상기 병렬식 냉각 분기로로부터의 냉각 액체 흐름이 내부에서 혼합되도록 구성된 혼합 매니폴드(mixing manifold); 및
    제 2 냉각 부품을 포함하며, 상기 냉각 시스템을 통해 유동하는 냉각 액체에 관하여 제 1 냉각 스테이지와 직렬로 연결되는 제 2 냉각 스테이지를 포함하고,
    상기 제 1 냉각 스테이지로부터의 냉각 액체 흐름은 상기 제 2 냉각 스테이지로 운반되기 전에 상기 혼합 매니폴드 내에서 함께 혼합되는
    액체 냉각 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 냉각 스테이지 내의 병렬식 냉각 분기로 중 적어도 하나의 분기로는 다중 냉각 부품을 포함하는
    액체 냉각 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다중 냉각 부품은 유체적으로 직렬 연결되는 냉각 파이프 및 히트 싱크인
    액체 냉각 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 제 2 냉각 부품의 냉각 부품은 전기 부품의 면과 직접 접촉하는 면을 갖거나, 상기 전기 부품과 일체로 형성되는
    액체 냉각 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 냉각 스테이지의 제 1 냉각 부품에 의해 냉각되도록 구성된 제 1 전기 부품; 및
    상기 제 2 냉각 스테이지의 제 2 냉각 부품에 의해 냉각되도록 구성된 제 2 전기 부품을 더 포함하는
    액체 냉각 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 전기 부품 또는 상기 제 2 전기 부품은 저항기, 인덕터, 커패시터 또는 전력 반도체 스위치 중 하나 이상을 포함하는
    액체 냉각 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    전력 반도체 스위치는 프레스-팩(press-pack) IGCT, 프레스-팩 IGBT, 프레스-팩 IEGT, SCR(역저지 3단자 사이리스터), IGBT 모듈, MOSFET, 또는 프레스-팩 다이오드 중 하나인
    액체 냉각 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각 스테이지와 직렬로 연결되며, 그리고 하나 이상의 냉각 분기로를 포함하는 적어도 하나의 제 3 냉각 스테이지를 더 포함하는
    액체 냉각 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 냉각 스테이지는 전력 반도체 스위치를 포함하는 칼럼과 관련되고,
    상기 제 2 냉각 스테이지는 전력 반도체 스위치를 포함하는 2개의 칼럼과 관련되는
    액체 냉각 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 냉각 스테이지의 병렬식 냉각 분기로에 유체적으로 연결되는 액체 유입 매니폴드; 및
    상기 제 2 냉각 스테이지의 제 2 냉각 부품에 유체적으로 연결되는 액체 유출 매니폴드를 더 포함하고,
    상기 혼합 매니폴드는, (i) 상이한 온도를 갖는 가열된 냉각 액체 흐름을 제 1 냉각 스테이지로부터 수용하고, (ii) 상기 가열된 냉각 액체 흐름을 실질적으로 단일의 온도를 갖도록 혼합하고, (iii) 혼합된 냉각 액체 흐름을 제 2 냉각 스테이지의 제 2 냉각 부품에 제공하도록 구성되는
    액체 냉각 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 냉각 스테이지는,
    상기 액체 유입 매니폴드와 상기 제 1 냉각 스테이지의 히트 싱크 사이에 연결되는 유입 파이프; 및
    상기 제 1 냉각 스테이지의 히트 싱크와 상기 혼합 매니폴드 사이에 연결되는 유출 파이프를 더 포함하고,
    상기 제 1 냉각 스테이지의 히트 싱크는 전기 부품의 제 1 칼럼과 관련되는
    액체 냉각 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각 스테이지는,
    상기 혼합 매니폴드와 전기 부품의 제 2 칼럼과 관련된 제 2 냉각 스테이지의 히트 싱크 사이의 유입 파이프;
    상기 제 2 칼럼과 관련된 제 2 냉각 스테이지의 히트 싱크와 전기 부품의 제 3 칼럼과 관련된 제 2 냉각 스테이지의 히트 싱크 사이의 중간 파이프; 및
    상기 제 3 칼럼과 관련된 제 2 냉각 섹션의 히트 싱크와 상기 액체 유출 매니폴드 사이의 유출 파이프를 더 포함하고,
    상기 유입 파이프, 상기 중간 파이프 및 상기 유출 파이프는 상기 액체 혼합 매니폴드와 상기 액체 유출 매니폴드 사이에서 직렬로 연결되는
    액체 냉각 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 매니폴드는 U자 형상을 갖는
    액체 냉각 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 매니폴드는 V자 형상, 직선 형상 또는 원형 형상을 갖는
    액체 냉각 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 액체의 흐름의 혼합을 촉진하기 위해 상기 혼합 매니폴드에 연결되는 혼합 메커니즘을 더 포함하는
    액체 냉각 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각 스테이지와 제 3 냉각 스테이지 사이에 연결되는 추가의 혼합 매니폴드를 더 포함하는
    액체 냉각 시스템.
  17. 전력 변환 장치에 있어서,
    제 1 및 제 2 전기 부품을 포함하는 전력 적층체(power pack);
    상기 전력 변환 장치의 제 1 냉각 스테이지에 유체적으로 연결되며, 상기 제 1 냉각 스테이지와 관련된 제 1 전기 부품을 냉각시키기 위해 상기 제 1 냉각 스테이지에 냉각 유체를 제공하도록 구성된 유입 매니폴드;
    상기 제 1 냉각 스테이지에 유체적으로 연결되고, (i) 상이한 온도를 갖는 가열된 냉각 액체 흐름을 제 1 냉각 스테이지로부터 수용하고, (ii) 상기 가열된 냉각 액체 흐름을 실질적으로 단일의 온도를 갖도록 혼합하고, (iii) 상기 제 2 냉각 스테이지와 관련된 제 2 전기 부품을 냉각시키기 위해 상기 전력 변환 장치의 제 2 냉각 스테이지에 혼합된 냉각 액체 흐름을 제공하도록 구성된 혼합 매니폴드; 및
    상기 전력 변환 장치의 제 2 냉각 스테이지에 유체적으로 연결되고, 상기 제 2 냉각 스테이지로부터 혼합된 냉각 액체 흐름을 수용하도록 구성된 유출 매니폴드를 포함하는
    전력 변환 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 혼합 매니폴드는 U자 형상을 갖는
    전력 변환 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 유입 매니폴드를 상기 유출 매니폴드에 직접 연결하는 냉각 분기로를 더 포함하는
    전력 변환 장치.
  20. 전력 변환 장치를 냉각하는 방법에 있어서,
    냉각 액체를 유입 매니폴드에 제공하는 단계;
    상기 유입 매니폴드로부터 상기 전력 변환 장치의 제 1 냉각 스테이지의 히트 싱크로 냉각 액체를 이송하는 단계로서, 상기 히트 싱크는 병렬식 냉각 분기로 상에 제공되는, 냉각 액체 이송 단계;
    상기 제 1 냉각 스테이지의 히트 싱크를 냉각시키는 단계;
    상기 제 1 냉각 스테이지의 병렬식 냉각 분기로로부터의 상이한 온도를 갖는 가열된 냉각 액체 흐름을 혼합 매니폴드에서 수용하는 단계;
    상기 가열된 냉각 액체 흐름을 상기 혼합 매니폴드 내에서 혼합하는 단계;
    상기 전력 변환 장치의 제 2 냉각 스테이지의 히트 싱크에 혼합된 냉각 액체 흐름을 제공하는 단계; 및
    상기 제 2 냉각 스테이지로부터의 혼합된 냉각 액체 흐름을 상기 제 2 냉각 스테이지에 연결된 유출 매니폴드에서 수집하는 단계를 포함하는
    전력 변환 장치 냉각 방법.
KR1020147003661A 2011-08-15 2011-08-15 혼합 매니폴드 및 방법 KR20140061398A (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2011/001351 WO2013023321A1 (en) 2011-08-15 2011-08-15 Mixing manifold and method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20140061398A true KR20140061398A (ko) 2014-05-21

Family

ID=47714665

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020147003661A KR20140061398A (ko) 2011-08-15 2011-08-15 혼합 매니폴드 및 방법

Country Status (10)

Country Link
US (1) US20140198453A1 (ko)
EP (1) EP2745316A4 (ko)
JP (1) JP2014525724A (ko)
KR (1) KR20140061398A (ko)
CN (1) CN103733332A (ko)
AU (1) AU2011375267B2 (ko)
BR (1) BR112014003218A2 (ko)
CA (1) CA2844563A1 (ko)
RU (1) RU2562699C1 (ko)
WO (1) WO2013023321A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160051407A (ko) * 2014-11-03 2016-05-11 현대모비스 주식회사 전력변환장치용 냉각유로모듈 및 이를 구비한 전력변화장치

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112014001406T5 (de) * 2013-03-15 2015-12-03 Danfoss Silicon Power Gmbh Strömungsverteiler, der anpassbare Strömungsbegrenzungsvorrichtungen umfasst
CN103580504B (zh) * 2013-11-06 2017-02-22 国家电网公司 一种直流换流阀用阀外冷却系统及其操作方法
CN106165557B (zh) * 2014-12-08 2018-10-26 约翰逊控制技术公司 一种变速驱动系统以及一种用于封闭在壳体中的生热电子器件的冷却系统
US9538691B2 (en) * 2015-04-15 2017-01-03 Ford Global Technologies, Llc Power inverter for a vehicle
US9532487B1 (en) * 2015-06-17 2016-12-27 Amazon Technologies, Inc. Computer room air filtration and cooling unit
CN104935184A (zh) * 2015-07-02 2015-09-23 中国科学院电工研究所 一种大功率整流装置的蒸发冷却系统
CN105070697B (zh) * 2015-07-28 2017-02-22 南京南瑞继保电气有限公司 用于直流换流阀的晶闸管组件散热器
DE102015215253A1 (de) * 2015-08-11 2017-02-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kühlvorrichtung für Energiespeicher
US9622380B1 (en) * 2015-09-30 2017-04-11 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Two-phase jet impingement cooling devices and electronic device assemblies incorporating the same
JP6565611B2 (ja) * 2015-11-04 2019-08-28 富士通株式会社 情報処理装置
US9950628B2 (en) 2016-03-09 2018-04-24 Ford Global Technologies, Llc Power-module assembly with dummy module
US9961808B2 (en) 2016-03-09 2018-05-01 Ford Global Technologies, Llc Power electronics system
US10017073B2 (en) 2016-03-09 2018-07-10 Ford Global Technologies, Llc Coolant channels for power module assemblies
US10050165B2 (en) 2016-04-12 2018-08-14 International Business Machines Corporation Photovoltaic system with non-uniformly cooled photovoltaic cells
EP3490353A1 (de) 2017-11-27 2019-05-29 Siemens Aktiengesellschaft Kühlsystem mit parallelen kühlkanälen
JP7156706B2 (ja) * 2019-11-13 2022-10-19 Ｎｅｃプラットフォームズ株式会社 冷却システム、電子機器
JP6930794B2 (ja) * 2019-11-13 2021-09-01 Ｎｅｃプラットフォームズ株式会社 冷却システム、電子機器

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU922301A1 (ru) * 1980-05-16 1982-04-23 Минский Дважды Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Автомобильный Завод Система жидкостного охлаждени силовой установки с двигателем внутреннего сгорани и гидромеханической передачей
US4759403A (en) * 1986-04-30 1988-07-26 International Business Machines Corp. Hydraulic manifold for water cooling of multi-chip electric modules
JPH04179257A (ja) * 1990-11-14 1992-06-25 Fujitsu Ltd 集積回路装置の冷却装置
EP0767601A1 (en) * 1995-10-02 1997-04-09 General Electric Company Mechanical arrangement of fluid cooled electronic circuit
JP3326102B2 (ja) * 1997-12-17 2002-09-17 株式会社東芝 半導体モジュール
RU2194172C2 (ru) * 1997-12-24 2002-12-10 Акционерное общество открытого типа Холдинговая компания "Барнаултрансмаш" Рубашка жидкостного охлаждения блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания
US6337794B1 (en) * 2000-02-11 2002-01-08 International Business Machines Corporation Isothermal heat sink with tiered cooling channels
JP2002046482A (ja) * 2000-07-31 2002-02-12 Honda Motor Co Ltd ヒートシンク式冷却装置
CN100353648C (zh) * 2002-09-13 2007-12-05 爱信艾达株式会社 驱动装置
JP2004266073A (ja) * 2003-02-28 2004-09-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd 電子装置
CN1301896C (zh) * 2004-03-17 2007-02-28 升达科技股份有限公司 以金属板制作的微型循环流道装置
JP2005332863A (ja) * 2004-05-18 2005-12-02 Denso Corp パワースタック
US20060011326A1 (en) * 2004-07-15 2006-01-19 Yassour Yuval Heat-exchanger device and cooling system
US7184269B2 (en) * 2004-12-09 2007-02-27 International Business Machines Company Cooling apparatus and method for an electronics module employing an integrated heat exchange assembly
US8411402B2 (en) * 2006-06-22 2013-04-02 Abb Technology Ltd. Arrangement and a method for cooling
US8699210B2 (en) * 2007-05-31 2014-04-15 Siemens Industry, Inc. Integrated water current connection for motor drive
ES2392633T3 (es) * 2008-09-08 2012-12-12 Converteam Technology Ltd Conjuntos de elementos apilados que contienen dispositivos semiconductores
SE533224C2 (sv) * 2008-09-16 2010-07-27 Sapa Profiler Ab Kylkropp för kretskortkomponenter
JP5182249B2 (ja) * 2009-08-06 2013-04-17 株式会社デンソー 半導体冷却器

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160051407A (ko) * 2014-11-03 2016-05-11 현대모비스 주식회사 전력변환장치용 냉각유로모듈 및 이를 구비한 전력변화장치

Also Published As

Publication number Publication date
US20140198453A1 (en) 2014-07-17
RU2562699C1 (ru) 2015-09-10
JP2014525724A (ja) 2014-09-29
WO2013023321A1 (en) 2013-02-21
CN103733332A (zh) 2014-04-16
EP2745316A4 (en) 2016-01-20
CA2844563A1 (en) 2013-02-21
EP2745316A1 (en) 2014-06-25
BR112014003218A2 (pt) 2017-03-01
AU2011375267A1 (en) 2014-02-27
AU2011375267B2 (en) 2015-05-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20140061398A (ko) 혼합 매니폴드 및 방법
US9439324B2 (en) Electric power converter
RU2504864C2 (ru) Модуль полупроводникового преобразователя электроэнергии
KR101344624B1 (ko) 전기 구성품의 냉각
US9881852B2 (en) Semiconductor module
JP5970983B2 (ja) 電力変換装置
WO2006129421A1 (ja) ３レベル電力変換装置
JP2012044183A (ja) 螺旋状マニホルドを備えた一体型ヒートシンク
KR101914927B1 (ko) 전력용 반도체의 냉각 모듈
US20140098496A1 (en) Power conversion apparatus including semiconductor modules and cooler
CN109844941B (zh) 半导体模块以及电力变换装置
EP3758059A1 (en) Power inverter device, arrangement and corresponding operating method
US9232685B2 (en) Cooling circuit with a sufficiently accurately measured heat exchanger
CN102570480A (zh) 一种无功补偿装置蒸发冷却系统
CN112018995A (zh) 一种变流器用的模块化水冷散热装置
US11165333B2 (en) Snubber device and power conversion apparatus
KR102588197B1 (ko) 컨버터 밸브 밸브층 장치 및 컨버터 밸브
US11051428B2 (en) Oscillating heat pipe integrated thermal management system for power electronics
RU2516227C2 (ru) Теплоотвод и блок для плоских корпусов, обеспечивающий охлаждение и компоновку
CN117238949B (zh) 一种铜桥焊接的碳化硅功率模块
EP3945762A1 (en) Scalable modular cooling unit having voltage isolation
KR102495489B1 (ko) 냉각 장치
CN103633818B (zh) 半导体器件功率模块
EP3116021A1 (en) Power semiconductor module
CN114007386A (zh) 散热装置及变频柜

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid