TWI653929B - 具有冷板之逆變器功率模組構裝、以及冷卻功率模組的方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種散熱器。此散熱器包括具有底部及二壁部之單件式外罩，壁部垂直於底部，且壁部彼此平行。此散熱器包括具有入口及出口之外罩。此外罩係配置以使複數功率模組接附至底部的外表面及接附至二壁部的外表面。此外罩係配置以冷卻這些功率模組，以回應流入該入口之流體流量。

Description

具有冷板之逆變器功率模組構裝、以及冷卻功率模組的方法

本發明係有關逆變器功率模組構裝，尤其關於具有冷板之逆變器功率模組構裝。

對於電動及混合動力載具與其他應用中的功率模組而言，構裝限制是非常嚴格的。功率模組在操作期間可能需要予以冷卻。空氣冷卻為考量之一選擇。由於配管需求、構裝限制、以及混合液體與導電性之危險持續存在，所以液體冷卻會是困難的。冷卻劑可能從結合冷卻單元之管線或其他彈性耦合件洩漏，並造成電性短路。既大且分散之冷卻單元連同多數這類的管線及耦合件可能遭受可靠度降低的後果。

本實施例正是在此情況下產生。

在一實施例中，提供了一種散熱器。此散熱器包括具有底部及二壁部之單件式外罩，壁部垂直於底部，且壁部彼此平行。此散熱器包括具有入口及出口之外罩。此外罩係配置以使複數功率模組接附至底部的外表 面及接附至二壁部的外表面。此外罩係配置以冷卻這些功率模組，以回應流入該入口之流體流量。

在另一實施例中，提供了一種功率模組構裝。此構裝包括一第一冷板，其上裝有第一冷板蓋，且第一功率模組係組裝在第一冷板蓋。此構裝包括一第二冷板，其上裝有第二冷板蓋，且第二功率模組係組裝在第二冷板蓋，第二冷板自第一冷板的邊緣垂直延伸。此構裝包括一第三冷板，其上裝有第三冷板蓋，且第三功率模組係組裝在第三冷板蓋，第三冷板自第二冷板的邊緣垂直延伸，第三冷板平行於第一冷板。此構裝包括以第一冷板、第二冷板、及第三冷板為邊界之一內部安置區域。此功率模組構裝係配置以冷卻第一功率模組、第二功率模組、第三功率模組、及功率模組構裝之內部安置區域，以回應流過第一冷板、第二冷板、及第三冷板的流體。

在另一實施例中，提供了一種功率模組構裝。此構裝包括驅動器模組及散熱器，該散熱器具有U形橫剖面和隔成腔室之內部。驅動器模組係安置在被散熱器所部份圍繞之一中空部中，且隔成腔室之內部係配置以供流體流量通過其中。此構裝包括接附至散熱器的外表面之複數功率模組。

在另一實施例中，提供了一種冷卻三面功率模組的方法。此方法包括將一散熱器接附至三面功率模組。此方法包括使冷卻劑流入散熱器的入口，並引導冷卻劑的主流量以冷卻三面功率模組的中間部份。此方法包括使主流量分流成第一次流量與第二次流量，並引導第一次流量以冷卻三面功率模組的第一側面部份，其中第一側面部份係鄰接中間部份、並與中間部份之方向呈第一非零角度，且第一次流量經由第一出口而離開第一側 面部份。此方法包括引導第二次流量以冷卻三面功率模組的第二側面部份，其中第二側面部份係鄰接中間部份、並與中間部份之方向呈第二非零角度，且第二次流量經由第二出口而離開第二側面部份。

這些實施例的其他實施態樣及優點將從以下配合附圖的詳細描述經由範例說明所述實施例之原理而變得顯而易見。

102‧‧‧散熱器

104‧‧‧功率模組

106‧‧‧入口

108、110‧‧‧出口

112‧‧‧端子連接器

114‧‧‧驅動器連接器

116‧‧‧支架

118‧‧‧中空部

202、204、206‧‧‧冷板

208‧‧‧冷板蓋

210‧‧‧朝外表面

302‧‧‧隔板

304‧‧‧孔隙

306‧‧‧支架

402‧‧‧朝內表面

404‧‧‧銷狀鰭

502‧‧‧朝內表面

504‧‧‧功率裝置

506‧‧‧焊接腳

600‧‧‧閘極驅動板

602a、602b、602c‧‧‧連接器

604a、604b、604c‧‧‧連接器

所述實施例及其優點可藉由參考以下敘述配合附圖而獲得最有效的瞭解。這些圖式並不是要在形式及細節上限制任何變化，而是本領域中具有通常知識者可在不離開所述實施例之精神及範圍的情況下，對所述實施例進行變化。

圖1係依據一些實施例之功率模組構裝的立體圖。

圖2係依據一些實施例之圖1中的功率模組構裝之散熱器的立體圖。

圖3係依據一些實施例之圖2中的散熱器之冷板外罩的立體圖。

圖4係依據一些實施例之圖2中的散熱器之冷板蓋的立體圖。

圖5係依據一些實施例之圖1中的功率模組構裝之功率模組的仰視圖。

圖6係依據一些實施例之設置在功率模組之U形配置內的閘極驅動板之位置關係的立體圖。

功率模組構裝運用液體冷卻於電動或混合動力載具之逆變器中的功率模組。此功率模組構裝具有填入流體之U形橫剖面散熱器，其中填入流體之散熱器係由底部及二壁部所形成。底部及二壁部係隔成腔室(亦即具有中空內部)，並且係各自由板及板蓋所形成。這三個板(例如：一個底部板、二個壁部板)之中每一者在腔室內部皆具有隔板，而隔板引導流體流過腔室。三個板蓋之中每一者皆具有指向內的銷狀鰭，而銷狀鰭浸入腔室的流體中。這些銷狀鰭使接觸流體的表面積增加，而使冷卻作用更佳。位於底部之一端中央的入口允許流體進入底部的內部。流體從該處流過底部，然後分流並且流過二壁部之每一者。在一些實施例中位於底部及壁部之接合處的二出口允許流體自壁部離開。三功率模組係接附成為功率模組構裝的一部分，二壁部之每一者各接附一功率模組，且另一功率模組接附至底部。這些功率模組係接附至板蓋的外表面。各功率模組具有面朝冷板蓋的功率裝置，例如IGBT(整合閘極雙極電晶體，integrated gate bipolar transistor)。定義在功率模組構裝內且以底部及二壁部為邊界之內部安置區域或腔體可容納並冷卻額外的電子元件或其他組件。

詳細的示例實施例係揭露於此。然而，於此所揭露之特定功能細節僅為描述實施例目的之範例。而這些實施例可用許多替代形成來實施，且不應被理解為僅限於此處所提出之實施例。

應瞭解到雖然「第一」、「第二」等等用語可在此用以描述各種步驟或計算，惟這些步驟或計算不應受限於這些用語。這些用語僅是用以區別一步驟(或計算)與另一步驟(或計算)。例如，在不離開本揭露內容範圍的情況下，第一計算可稱為第二計算，而同樣地，第二步驟也可稱 為第一步驟。如於此所使用般，用語「及/或」和符號「/」包括相關列舉項目其中之一或多者的任何及所有組合。

如於此所使用般，除非上下文清楚表明之外，否則單數形式「一」及「該」也意欲包括複數形式。更應瞭解到，於此所使用之用語「包含」及/或「包括」指示所述之特徵、整體、步驟、操作、元件、及/或組件的存在，但並不排除一或更多其他特徵、整體、步驟、操作、元件、組件、及/或其群組的存在或附加。因此，於此所使用之用語僅為描述特定實施例之目的，而非意圖作為限制。

亦應注意到在一些替代實施例之中，所標示之功能/作用可不按照圖中所標示的順序出現。例如，連續顯示的二個圖依照所涉及之功能/作用而實際上可實質同時執行、或有時可以相反順序來執行。

圖1顯示具有液體冷卻式散熱器102及功率模組104之功率模組構裝的實施例。液體或流體經由入口106而流入隔成腔室之散熱器102內、使散熱器102的各種部份冷卻、並且經由二出口108、110而流出。在所示之實施例中，三功率模組104係接附至散熱器102的外表面。功率模組104之每一者具有裝設在功率模組104的朝外表面(或面)之端子連接器112及驅動器連接器114。於此，「朝內」及「朝外」係相對於散熱器102之內部安置區域或中空部118。支架116自散熱器102的其中一壁部朝內延伸(即朝向或進入中空部118)。脈衝寬度調變(PWM)驅動器板、數位信號處理(DSP)板、或其他電子元件或模組可裝設在支架116或另一支架，以使板或模組能固定在散熱器102的中空部118或內部安置區域中。散熱器102使接附至散熱器102之外表面的功率模組104冷卻。散熱器102亦使固定在中空部118中的 任何板或模組(例如驅動器模組或DSP模組)冷卻。當如此裝設時，驅動器模組可經由功率模組104之驅動器連接器114而耦合至各功率模組104。

如圖2所示，散熱器102包括具有由底部及二壁部所形成之U形橫剖面的單件式或單片式外罩。這些壁部自底部或基部的相對邊緣垂直延伸。相反地，底部自各壁部的下緣垂直延伸。在所示之實施例中，這些壁部的每一者及底部包括冷板202、204、206和冷板蓋208。第一冷板202係包括在第一壁部中。第二冷板204係包括在底部中。第二冷板204係垂直於第一冷板202。第三冷板206係包括在第二壁部中。第三冷板206係垂直於第二冷板204、且平行於第一冷板202。雖然圖2僅顯示了一冷板蓋208設置在第三冷板206，但各冷板202、204、206分別具有冷板蓋208。回來參考圖1及圖2，各功率模組104係接附至各個冷板蓋208的朝外表面210。在另外的實施例中，這些功率模組及冷板可彼此相對定向呈除了90°以外的非零角度。在另外的實施例中，可使用少於或多於三功率模組及其相關冷板。應瞭解在替代實施例中，功率模組可包裝在導熱材料之中，然後固定至冷板蓋。

圖3顯示將冷板蓋208移開後之冷板外罩，以便能看到在散熱器102的內腔室(或多數內腔室)中之特徵部。概念上，可將散熱器102視為如同具有單一分散的腔室、或三互連的腔室。這些腔室係以入口106及出口108、110而呈流體連通。入口106係位於第二冷板204之一端的中央，亦即位於底部之一端的中央處。出口108、110係位於入口106附近；具體而言，出口108、110係位於與入口106所在之底部的同一端，且每一出口各自位於入口106之一側。經由入口106而進入散熱器102之液體流入第二冷板204的腔室內(即流入散熱器102之底部)。在此底部腔室中，隔板302指引或引導液體 的流量通過冷板。這些隔板302因此作為液體流量引導隔板。液體流量從底部腔室分流至壁部腔室、離開底部腔室、並且經由各別孔隙進入壁部腔室。孔隙304將一部分的液體流量從第二冷板204的腔室引導至第一冷板202的腔室(亦即從底部的腔室至第一壁部的腔室)。一類似孔隙將液體流量的其餘部份從第二冷板204的腔室引導至第三冷板206的腔室(亦即從底部的腔室至第二壁部的腔室)。這些孔隙使相鄰冷板的內部呈流體耦合。三冷板202、204、206全部都具有液體流量引導隔板302。液體經由出口108、110而離開壁部(即第一及第三冷板202、206)。出口108係位於第一及第二冷板202、204的接合處。另一出口110係位於第二及第三冷板204、206的接合處。因此有自入口106至二壁部之每一者內部的連續流體路徑。各壁部內部具有自底部內部至各別出口108、110的連續流體路徑。

圖3顯示另一支架306，其自第一壁部朝內延伸，亦即從第一冷板202朝向內部安置區域或中空部延伸。此支架和其他支架可用以在散熱器102的內部安置區域或中空部118內裝設元件、模組等等。

圖4顯示冷板蓋208其中一者。此可為第一冷板202、第二冷板204、或第三冷板206的冷板蓋208。銷狀鰭404自冷板蓋208的朝內表面402延伸。這些銷狀鰭404浸入冷板202、204、206其中一者之腔室中的液體內，且呈現接觸液體的大表面積並改善冷卻作用。冷板蓋208的朝內表面402背對圖2所顯之冷板蓋208的朝外表面210。換言之，銷狀鰭404係位在功率模組104所接附至冷板蓋208之表面的相反面上。在所示之實施例中，銷狀鰭404係呈現適合於各別隔板302各側的群集。隔板302引導流體流量通過銷狀鰭104的群集。在另外的實施例中，可使用其他類型的冷卻鰭或其他突出部。

圖5顯示功率模組104其中一者之朝內表面502。功率裝置504係裝設在此朝內表面502，以使功率裝置504比其上裝設這些功率裝置504之印刷電路板更靠近冷板蓋208。由於冷卻作用不受印刷電路板的熱絕緣特性影響，故此配置為功率裝置504提供了改善之冷卻作用。在一實施例中，導熱化合物(如導熱膏)將功率裝置504與冷板蓋208熱耦合。例如，在功率模組104與冷板蓋208組裝之前，可將導熱化合物塗佈在冷板蓋208或功率裝置504。此功率模組104之朝內表面502亦可見端子連接器112的下側之焊接腳506。

應瞭解到液體流量可由泵或其他合適的流體源(其可為機械或電性驅動)所提供。流體源可提供流體至散熱器102的一或更多入口。因為熱量從功率模組104轉移至液體，所以流過散熱器102的液體將昇溫。散熱器或熱交換器可使從散熱器102的一或更多出口所接收之昇溫液體冷卻。這些及其他已知元件能以易於設計之方式應用在上述之散熱器及功率模組構裝。

圖6係設置在功率模組之U形配置內的閘極驅動板之位置關係的立體圖。功率模組104係顯示在U形配置中，而閘極驅動板600係安置在定義於基部與U形配置的延伸部間之腔體中。在一些實施例中，閘極驅動板600提供信號以啟動功率模組104的閘極。閘極驅動板600之連接器602a-c提供與功率模組104之連接器604a-c的耦合。

於此所述之實施例可用以實行冷卻三面功率模組的方法。例如，三功率模組可組裝成一個三面功率模組，並可設置一接附至此三面功率模組的散熱器。在一動作中，使冷卻劑流入散熱器的入口內。引導冷卻劑的 主流量以冷卻三面功率模組的中間部份。例如，引導冷卻劑以冷卻第二冷板及其所接附之功率模組。冷卻劑主流量係分流成第一次流量及第二次流量。引導第一次流量以冷卻三面功率模組的第一側面部份。例如，引導此流量以冷卻第一冷板及其所接附之功率模組。第一次流量經由第一出口而離開第一側面部份。引導第二次流量以冷卻三面功率模組的第二側面部份。例如，引導此流量以冷卻第三冷板及其所接附之功率模組。第二次流量經由第二出口離開第二側面部份。在此範例中，第一側面部份係鄰接中間部份，並且其相對於中間部份之方向呈非零角度。第二側面部份係鄰接中間部份，並且其相對於中間部份之方向呈非零角度。

在另一動作中，驅動器模組係經由主流量、第一次流量、以及第二次流量來進行冷卻。例如，可將驅動器模組耦合至三面功率模組。可將驅動器模組安置在散熱器的中空部之中。驅動器模組可被三面功率模組部份圍繞。

雖然這些方法操作是用特定順序加以敘述，但應瞭解到可在所述之操作間執行其他操作、可調整所述之操作以使其發生在稍微不同的時間、或所述之操作可分散在允許這些處理操作發生在跟處理有關的不同期間之系統中。

為說明之目的，已參考特定實施例來敘述以上內容。然而，以上示例性討論並非意欲詳盡無遺或將本發明限制在所揭露之確切形成。鑒於以上教示，許多修改及變化是可能的。為了能最有效地說明這些實施例的原理及其實際應用，所以選擇並敘述了這些實施例，從而讓其他本領域中具有通常知識者能有效利用這些能適合於預期之特定用途的實施例及各種 修改。因此，該等實施例應視為示例性而非限制性，且本發明並不受限於本文所提供之細節，而是可在隨附申請專利範圍及其等效者的範圍內加以修改。

Claims (10)

1. 一種功率模組構裝，包含：一第一冷板，其上裝有第一冷板蓋，且第一功率模組係組裝在該第一冷板蓋；一第二冷板，其上裝有第二冷板蓋，且第二功率模組係組裝在該第二冷板蓋，該第二冷板自該第一冷板的邊緣垂直延伸；及一第三冷板，其上裝有第三冷板蓋，且第三功率模組係組裝在該第三冷板蓋，該第三冷板自該第二冷板的邊緣垂直延伸，該第三冷板平行於該第一冷板；以及該功率模組構裝之一內部安置區域，以該第一冷板、該第二冷板、及該第三冷板為邊界，該功率模組構裝係配置以冷卻該第一功率模組、該第二功率模組、該第三功率模組、及該功率模組構裝之該內部安置區域，以回應流過該第一冷板、該第二冷板、及該第三冷板的流體。
2. 如申請專利範圍第1項之功率模組構裝，更包含：該第一冷板蓋、該第二冷板蓋、及該第三冷板蓋之每一者具有複數銷狀鰭，該等銷狀鰭係配置成浸入該流體中。
3. 如申請專利範圍第1項之功率模組構裝，更包含：該第一功率模組、該第二功率模組、及該第三功率模組之每一者分別具有面朝該第一冷板蓋、該第二冷板蓋、及該第三冷板蓋之功率裝置。
4. 如申請專利範圍第1項之功率模組構裝，更包含：一導熱化合物，將該第一功率模組與該第一冷板蓋熱耦合、將該第二功率模組與該第二冷板蓋熱耦合、以及將該第三功率模組與該第三冷板蓋熱耦合。
5. 如申請專利範圍第1項之功率模組構裝，更包含：一入口，位於該第二冷板之一端的中央，該入口係配置成使該流體流入該第二冷板內。
6. 如申請專利範圍第1項之功率模組構裝，更包含：一第一出口，位於該第一冷板與該第二冷板之接合處，該第一出口係配置成使該流體自該第一冷板流出；以及一第二出口，位於該第二冷板與該第三冷板之接合處，該第二出口係配置成使該流體自該第三冷板流出。
7. 如申請專利範圍第1項之功率模組構裝，更包含：接附至該第一冷板、該第二冷板、及該第三冷板之複數隔板，該等隔板係配置以引導該流體通過該第一冷板、該第二冷板、及該第三冷板。
8. 如申請專利範圍第1項之功率模組構裝，更包含：該第一冷板具有將該第一冷板的內部與該第二冷板的內部流體耦合之孔隙；且該第三冷板具有將該第三冷板的內部與該第二冷板的內部流體耦合之另一孔隙。
9. 一種冷卻三面功率模組的方法，該方法包含：將一散熱器接附至三面功率模組；使冷卻劑流入該散熱器的入口；引導該冷卻劑的主流量以冷卻該三面功率模組的中間部份；使該主流量分流成第一次流量與第二次流量；引導該第一次流量以冷卻該三面功率模組的第一側面部份，其中該第一側面部份係鄰接該中間部份並與該中間部份之方向呈第一非零角度，且該第一次流量經由第一出口而離開該第一側面部份；以及引導該第二次流量以冷卻該三面功率模組的第二側面部份，其中該第二側面部份係鄰接該中間部份並與該中間部份之方向呈第二非零角度，且該第二次流量經由第二出口而離開該第二側面部份。
10. 如申請專利範圍第9項之冷卻三面功率模組的方法，更包含：藉由該主流量、該第一次流量、以及該第二次流量來冷卻驅動器模組，該驅動器模組係耦合至該三面功率模組，該驅動器模組係安置在該散熱器的中空部之中，該驅動器模組被該三面功率模組所部份圍繞。