TW201319787A

TW201319787A - 功率電子構造組以及包含至少一種這種功率電子構造組的裝置

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Publication number: TW201319787A
Application number: TW101129687A
Authority: TW
Inventors: Liviu Bajan; Gharib Samir El; Gerrit Schulte
Original assignee: Aeg Power Solutions Bv
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2013-05-16

Abstract

本發明涉及一種功率電子元件（1、2、3），其具有散熱體（2）、功率半導體模組（1）和用來控制該功率半導體模組的電路裝置（3），其中，所述散熱體（2）具有至少兩個平行的通道，冷卻介質可流過所述通道。

Description

功率電子構造組以及包含至少一種這種功率電子構造組的裝置

本發明涉及一種功率電子元件，其具有散熱體、功率半導體模組和用來控制該功率半導體模組的電路裝置。

功率半導體模組和相應的用來控制該功率半導體模組的電路裝置目前是廣泛流行的。它們經常構成電源、變流器、特別是逆變器或整流器的部件，或構成其它電工技術裝置的部件。

目前普遍的是，為每種應用或一組應用構造所謂的棧(例如，英飛淩公司(Infineon AG)的初級棧板(Prime STACKs))。這些棧具有散熱體，在該散熱體上設置有大量的功率半導體模組和配置給這些功率半導體模組的、用來控制這些功率半導體模組的電路裝置。

在規劃功率電子的所有應用時，開發者必須特別考慮功率電子的結構元件的冷卻。按照熱載荷必要的可能是：提供液態或氣態形式的冷卻介質，以充分排出熱量。在已知的應用中，功率電子件的冷卻被單獨地實施。這提高了組件的個體化。

高度的個體化和特別是與之相關聯的開發費用導致使成品更加昂貴的費用。

本發明的目的是推薦一種功率電子元件，該功率電子元件通過用於充分冷卻的不同的可能性來提供高程度的不同的應用可能性。

該目的根據本發明通過如下方法實現，散熱體具有至少兩個平行的通道，冷卻介質可流過這些通道。

根據本發明的元件能夠以不同的方式和方法使用：首先在小的熱載荷的情況下能夠完全無需流過通道的冷卻介質來實現對元件的使用。熱容量和熱傳送通過輻射和對流足夠排出所生成的熱量。在較大的熱載荷的情況下，可以通過引導通過至少一部分通道的冷卻介質來排出熱量。介質可以是氣體，例如空氣，或液體，例如水或油。特別是在大的熱載荷的情況下，優選引導液體通過通道的至少一部分。

冷卻效率能夠通過應用一種散熱體來適配不同的應用。

通道的平行實施形式簡化了散熱體的製造，該散熱體通常製造為擠壓型材的相應的實施形式或通過切削加工，例如鑽削或銑削由鋁坯進行製造。

通道可以通過至少一個第一連接通道互相連接。通過這些連接通道能夠實現散熱體內的通道的連接。這些連接通道可以通過鑽削或其它合適的加工製成。這些通道可以流體式並聯或串聯。串聯能夠在散熱體內或借助於處在散熱體外部的、連接所述通道的管道來實現。

在根據本發明的功率電子元件的散熱體中，通道的第一數量的第一相鄰的通道可以構成具有端部區域的流走通道，這些端部區域通過第一連接通道互相連接。通道的第二數量的第二相鄰的通道可以構成具有起始區域的流回通道，這些起始區域通過第一連接通道互相連接且與流走通道的端部區域相連接。流走通道和流回通道可以通過借助於連接通道的連接而流體式串聯。第一數量和第二數量可以是同樣大的。

流走通道的起始區域可以通過第二連接通道連接，且流回通道的端部區域可以通過第三連接通道連接。

在流走通道的起始區域中和流回通道的端部區域中優選設置有連接件，通道可以用這些連接件連接到輸入管道或輸出管道上。

在根據本發明的功率電子元件的散熱體中的通道和/或連接通道可以是在構成散熱體的坯塊中的通孔和/或盲孔的區段。通過塞子、螺紋件或類似構件可以確定通孔和/或盲孔的區段的界限。通孔和/或盲孔可以通過塞子、螺紋件或類似構件分為構成通道的一個或多個區段。由此能夠使設置有通孔和/或盲孔的坯塊適配用該坯塊作為散熱體製造的功率電子元件的獨特的要求，而不必全新地構造散熱體。

塞子、螺紋件或類似構件能夠可粘貼地或可松脫地插到坯塊中。

通過放置或取出塞子、螺紋件或類似構件可以在散熱體中設置通道。由此能夠設置不同的通道系統，這些通道系統能夠使散熱體適配不同的熱載荷。

如塞子、螺紋件或類似構件一樣，連接管能夠可松脫地插到坯塊中，以在不同的位置獲得用於冷卻介質的入口或出口。

優選可以將塞子和連接管選擇性地插到其中一個孔(通孔或盲孔)的端部中。

功率半導體模組優選固定在散熱體上，由此保障從功率半導體模組向散熱體的良好的熱傳送。

用來控制功率半導體模組的電路裝置可以設置在電路載體上，該電路載體可以通過隔離件以距散熱體的表面一定的間距固定在散熱體上。該電路載體可以具有切口，功率半導體模組插入或穿過該切口。

根據本發明的功率電子元件的散熱體可以在背離功率半導體模組的一側具有至少一個固定結構槽、至少一個孔、特別是帶有內螺紋的孔，至少一個螺紋通道或其它結構，在所述結構中可以設置至少一個固定件，例如螺紋件，用來將功率電子元件固定在至少一個載體例如至少一個支承軌道上。所述支承軌道例如可以被固定在開關箱中。

根據本發明的功率電子元件有利地具有正好一個功率半導體模組和正好一個用來正好控制該模組的電路裝置。通常用一個這樣的根據本發明的功率電子元件不能實現完整的功率電子的裝置，例如變流器。因此多個、至少兩個根據本發明的功率電子元件應用于根據本發明的一個裝置。

但是可能的是，根據本發明的功率電子元件在一個散熱體上具有兩個不同的功率半導體模組，其中，這些功率半導體模組優選用在不同的變流器中。這特別是對如下的裝置是有意義的，在這些裝置中實現了兩個變流器，即，入口側和出口側的變流器，如例如在具有整流器、直流電壓中間電路和逆變器的變頻器中那樣。因為功率電子元件有利地分別只具有入口側的變流器的一個功率半導體模組和出口側的變流器的一個功率半導體模組，根據本發明的裝置必須也具有多個功率半導體模組。必要的可以是，用來固定兩個功率半導體模組的散熱體以特別的方式和方法構造，例如在散熱體的兩側設置平面。這些平面可以通過對散熱體的進一步加工來製成或從一開始就被設置。

這些功率電子元件可以如此相對彼此地設置，使通道相對彼此平行。

裝置可以具有用於冷卻介質的輸入管道和輸出管道，這些管道通過設置在流走通道的起始區域中的或者流回通道的端部區域中的連接件連接到流走通道或者流回通道上。

功率電子元件可以流體式並聯。

根據本發明的裝置的功率電子元件可以是相同的。

功率電子元件可以安裝在至少一個載體例如支承軌道上。該支承軌道可以設置在開關箱中。

將功率電子元件安裝在至少一個載體上的可能性，所述載體可以有利地支承多個優選還相同的功率電子元件，使獲得包括多個根據本發明的功率電子元件的裝置成為可能，該裝置是可自由擴展的。也就是說例如，裝置能夠用另外的功率電子元件擴充或補充。

根據本發明的裝置可以例如是變頻器的部分。通常的變頻器具有輸入整流器、直流電壓中間電路和輸出逆變器。圖1中示出的示例性的根據本發明的裝置構成變頻器的輸出逆變器A。根據本發明的裝置也可以構成其它的電路。

輸出逆變器A由直流電壓中間電路的直流電流生成單相的交流電流。為了生成交流電流，輸出逆變器具有以H-電路的形式連接的絕緣柵雙極電晶體(IGBTs)。這種已知的用來生成單相的交流電的電路需要四個IGBTs，每兩個IGBTs放置在一個功率半導體模組1中。這種功率半導體模組1由不同的製造商提供。

功率半導體模組1與用來控制該功率半導體模組1的電路裝置3，並且與散熱體2組合成根據本發明的這些功率電子元件1、2、3(見圖2a至2b)，所述電路裝置包括電路載體31和設置在其上的結構元件32。根據本發明的裝置A具有兩個這種功率電子元件1、2、3，這些功率電子元件安裝在兩個支承軌道4上。

根據本發明的功率電子元件也可以包括不同於IGRT-功率半導體模組的其它的功率半導體模組。根據本發明的裝置也可以具有多於兩個的功率電子元件。

能夠用根據本發明的功率電子元件1、2、3實現不同的電路。這樣可以將例如IGBT-功率電子元件的IGBTs以提及的H-電路的形式連接，但也可以以其它的橋式電路的形式連接或以任意的中點連接電路的形式連接。IGBT-功率電子元件本身最好不必改變或只作非本質的改變。簡單的改變可以通過相應的程式設計來實行。必要時也需要改變用來控制的電路裝置3的構件。在最繁複的情況下要求完全換掉用來控制的電路裝置3。只有當熱載荷改變時，例如因為應該安裝額外的功率半導體模組或設置在載體上的功率電子元件的數量發生了改變，這會帶來對包括功率半導體元件的裝置的冷卻要求的改變，才要求改變散熱體2。但能夠簡單地實現散熱體的改變，這還會被闡述。

特別是散熱體2配置給功率半導體模組，能夠實現根據本發明的裝置的簡單的改變，特別是也能夠實現根據本發明的裝置的簡單的可擴展性。

功率半導體模組1優選直接安裝在散熱體2上，從而能夠實現從強熱負載的功率半導體模組1向散熱體的盡可能好的熱傳遞。

電路裝置3優選通過隔離件33固定在散熱體上，其中，電路裝置3的電路載體31可以具有切口，功率半導體模組1的部件穿過該切口。

如此設計散熱體2，使其能夠簡單地適配不同的熱載荷。

散熱體由鋁擠壓型材製成。擠壓型材為此製造有四個平行地沿縱向延伸的第一孔，也就是通孔21。在這些通孔21的端部區域中並橫向於這些第一通孔21，該擠壓型材設置有第二孔，也就是通孔22，該通孔與第一通孔21相貫。在與第二通孔22對置的端部區域中由不同的兩側引入第三孔，也就是盲孔23，和第四孔，也就是盲孔24，它們分別與其中兩個第一通孔21相貫。

在通孔21、22的端部和盲孔23、24的端部切割有螺紋25，塞子26被旋到和/或粘貼到所述螺紋中，這些塞子將孔21、22、23、24封閉。

由散熱體的表面引入另外的盲孔，這些盲孔通到第三孔23和第四孔24中。在這些另外的盲孔中插入連接管29。這些連接管29構成通過長方體中的孔21、22、23、24構成的通道系統的入口和出口，該通道系統包括通道(由第一孔21的區段構成)、第一連接通道(由第二孔22的區段構成)、第三連接通道(由第三孔23的區段構成)和第四連接通道(由第四孔24的區段構成)。孔的構成這些通道或者連接通道的區段通過長方體的材料和塞子26限制。

所述通道的兩個構成流走通道，這些流走通道由兩個連接管29中的一個構成入口的連接管開始，並在由第二孔22的區段構成的第一連接通道結束。其它兩個通道構成流回通道，這些流回通道從第一連接通道開始並在兩個連接管29的另一個結束。該連接管則構成出口。冷卻介質現在能夠從入口到出口流過散熱體。

在可選的設計方案中例如可能的是：除去封閉第一孔 21並被旋入長方體的端面的塞子26，而由連接管代替。只要至今為止的連接管29由塞子代替，冷卻介質就能夠從一個端面向另一個端面流過散熱體並從散熱體中帶走更大的熱量。所以散熱體能夠通過簡單的方法適配所期望的熱載荷。

(1)‧‧‧功率半導體模組

(2)‧‧‧散熱體

(3)‧‧‧功率電子元件

(21)‧‧‧第一通孔

(22)‧‧‧第二通孔

(23)‧‧‧盲孔(第三孔)

(24)‧‧‧盲孔(第四孔)

(25)‧‧‧螺紋

(26)‧‧‧塞子

(29)‧‧‧連接管

(33)‧‧‧隔離件

借助附圖進一步闡述根據本發明的功率電子的元件的實施例和包括兩個這種元件的裝置。

附圖示出：圖1：根據本發明的裝置的透視圖，圖2a至2c：功率電子的元件的不同視圖，和圖3a至3e：根據圖2a至2c的功率電子的元件的散熱體的不同視圖。

(1)‧‧‧功率半導體模組

(2)‧‧‧散熱體

(3)‧‧‧功率電子元件

(4)‧‧‧支承軌道

(29)‧‧‧連接管

(31)‧‧‧電路載體

(32)‧‧‧結構元件

Claims

一種功率電子元件(1、2、3)，具有散熱體(2)、功率半導體模組(1)和用來控制該功率半導體模組的電路裝置(3)，其特徵在於，所述散熱體(2)具有至少兩個平行的通道，冷卻介質可流過所述通道。
如申請專利範圍第1項所述的功率電子元件(1、2、3)，其特徵在於，所述通道通過至少一個第一連接通道互相連接。
如申請專利範圍第2項所述的功率電子元件(1、2、3)，其特徵在於，所述通道的第一數量的第一相鄰的通道構成具有端部區域的流走通道，這些端部區域通過所述第一連接通道互相連接，且所述通道的第二數量的第二相鄰的通道構成具有起始區域的流回通道，這些起始區域通過所述第一連接通道互相連接且與所述流走通道的端部區域連接。
如申請專利範圍第3項所述的功率電子元件(1、2、3)，其特徵在於，第一數量與第二數量是相同的。
如申請專利範圍第3或4項所述的功率電子元件(1、2、3)，其特徵在於，所述流走通道的起始區域通過一個第二連接通道連接。
如申請專利範圍第3至5項之一所述的功率電子元件(1、2、3)，其特徵在於，所述流回通道的端部區域通過第三連接通道連接。
如申請專利範圍第1至6項之一所述的功率電子元件 (1、2、3)，其特徵在於，所述通道和/或所述連接通道是在構成所述散熱體(2)的固體例如坯塊或擠壓型材中的通孔(21、22)和/或盲孔(23、24)的區段。
如申請專利範圍第7項所述的功率電子元件(1、2、3)，其特徵在於，通過塞子(26)、螺紋件或類似構件和所述固體確定所述通孔(21、22)和/或所述盲孔(23、24)的區段的界限。
如申請專利範圍第8項所述的功率電子元件(1、2、3)，其特徵在於，所述塞子(26)、螺紋件或類似構件可松脫地和/或粘貼地插到所述固體中。
如申請專利範圍第1至9項之一所述的功率電子元件(1、2、3)，其特徵在於，所述功率半導體模組(1)固定在所述散熱體(2)上。
如申請專利範圍第1至10項之一所述的功率電子元件(1、2、3)，其特徵在於，用來控制所述功率半導體模組(1)的所述電路裝置(3)包括電路載體(31)，該電路載體通過隔離件(33)以距所述散熱體(2)的表面一定的間距固定在所述散熱體(2)上。
如申請專利範圍第1至11項之一所述的功率電子元件(1、2、3)，其特徵在於，所述散熱體(2)具有孔(28)或在背離所述功率半導體模組(1)的一側具有至少一個固定結構，例如至少一個槽、至少一個孔或類似結構，其中具有用來將所述功率電子元件(1、2、3)固定在至少一個載體上的固定件。
一種包括多個申請專利範圍第1至11項之一所述的功率電子元件(1、2、3)的裝置(A)。
如申請專利範圍第12項所述的裝置(A)，其特徵在於，所述裝置(A)是逆變器或優選脈衝的整流器。
如申請專利範圍第12或13項所述的裝置(A)，其特徵在於，所述功率電子元件(1、2、3)如此相對彼此地設置，使所述通道相對彼此平行。
如申請專利範圍第13至15項之一所述的裝置(A)，其特徵在於，所述裝置(A)具有用於冷卻介質的輸入管道和輸出管道，這些管道通過在所述流走通道的起始區域中或者在所述流回通道的端部區域中設置的連接件連接到所述流走通道或者流回通道上。
如申請專利範圍第16項所述的裝置(A)，其特徵在於，所述功率電子元件(1、2、3)流體式並聯。