液體冷卻元件的製作方法
2023-09-16 11:00:00
專利名稱：液體冷卻元件的製作方法
技術領域：
本發明涉 及功率半導體的冷卻，並且具體地涉及功率半導體模塊的液體冷卻。
背景技術：
由於現有功率半導體不理想，它們產生作為副產品的熱。同時，為了使半導體起作用，其溫度必須保持在給定範圍內。因此，通常需要冷卻半導體。有許多用於冷卻半導體的方法，通常包括傳導熱使熱遠離半導體的冷卻元件。例如，冷卻元件可以是通過氣流冷卻的散熱器。氣流可以是引力作用的或機械地產生的。氣冷式散熱器足以用於較低功率的應用。隨著最大傳輸功率的增加，消散的熱的量也增加。空氣具有有限的熱容量，並且因此，需要的空氣冷卻元件在某種程度上可能變得非常龐大且昂貴以至於空氣冷卻是不實用的。某些液體如水具有大於空氣的熱容量。它們可以更有效地從半導體傳輸熱。但是，液體冷卻通常需要循環系統，循環系統比開放系統如空氣冷卻更複雜。由於液體可能是導電的並且在待冷卻的布置中引起短路，因此，為了避免洩漏，必須額外當心。圖I示出了用於平行布置在冷卻板10上的三個功率半導體模塊的液體冷卻布置。冷卻板10由導熱材料製成。半導體模塊可以包括多個功率半導體單元。例如，半導體單元可以包括二極體、電晶體或者二極體和電晶體兩者。通常，功率半導體單元包括與二極體平行的IGBT (絕緣柵雙極型功率管)，並且功率半導體模塊包括這些功率半導體單元中的一個或更多個功率半導體單元。冷卻板10包括冷卻液體可以在其中流動的通道。主供給通道11分支成多個冷卻通道12。在圖I中，兩個冷卻通道12在每個模塊下面延伸，以冷卻功率半導體單元。之後，冷卻通道12接合至主排出通道13。例如，可以通過鑽孔並堵塞鑽孔入口中的某些鑽孔入口來產生通往冷卻板10的通道11、12和13。與使用空氣冷卻相比，使用液體冷卻可以更有效地冷卻半導體模塊。但是，熱分布可能不均勻。由於半導體模塊的溫度最高點決定模塊的最大負荷，因此，這是有問題的。不均勻的熱分布還可能引起功率半導體模塊的機械應變。
發明內容
本發明的目的是提供一種方法和一種用於實現該方法的裝置，以緩解以上缺點。本發明的目的通過以獨立權利要求中陳述的內容為特徵的方法和裝置來獲得。從屬權利要求中公開了本發明的優選實施方式。根據本發明的冷卻元件包括冷卻板，冷卻板包括用於運送冷卻液體流的通道。用於冷卻液體的主供給通道分成供給通道分支。這些分支進一步分成冷卻通道。冷卻板可以在每個功率半導體單元下面具有單個冷卻通道或多個冷卻通道。冷卻板可以在功率半導體模塊之間具有開口，使得功率半導體模塊彼此不加熱。在功率半導體單元下面的冷卻通道彼此平行，並且因此，一個功率半導體單元的冷卻不影響另外的功率半導體單元的冷卻。冷卻通道重組成排出通道分支，排出通道分支又重組成主排出通道。為了增加熱交換，通道和通道分支可以設置有葉片。主供給通道可以形成為沿液體流動的方向會聚，並且主排出通道可以形成為沿液體流動的方向分叉。以這種方式，可以在供給通道分支和排出通道分支中獲得相等的流。供給通道分支和排出通道分支可以形成為會聚和分叉，以在冷卻通道中獲得均勻的流。
下面，將參考附圖通過優選實施方式來更詳細地描述本發明，其中，圖I示出了液體冷卻布置；·圖2a、2b和2c示出了本公開內容的示例性實施方式；以及圖3a和3b示出了根據本公開內容的示例性冷卻板的等距視圖。
具體實施例方式圖2a、2b和2c示出了根據本公開內容的示例性實施方式。用於冷卻包括功率半導體單元的多個功率半導體模塊21的冷卻元件20包括由導熱材料製成的板22。在圖2a中，使用了三個模塊21。圖2b示出了用於冷卻圖2a的模塊21中的一個模塊的細節。圖2c示出了在功率半導體模塊21內部的功率半導體單元211的示例性定位。例如，功率半導體單元可以包括二極體、電晶體或者二極體和電晶體兩者。通常，功率半導體單元包括IGBT和二極體。在圖2c中，每個功率半導體單元211包括二極體(較小的正方形)和IGBT(較大的正方形)。也可以使用功率半導體單元和模塊的其他半導體和/或配置。冷卻板22適於熱連接到功率半導體模塊21。圖2a中，功率半導體模塊21在冷卻板22上布置成彼此緊挨著。例如，模塊21可以通過螺釘附接到冷卻板22以確保充分的熱連接。冷卻板22包括用於運送冷卻液體流的通道。通道形成循環系統。通道包括冷卻液體被饋送到其中的主供給通道23以及將被功率半導體單元加熱的冷卻液體丟棄的主排出通道24。例如，具有通道的冷卻板22可以由塊來機器製成，並且使用緊密配合的蓋子密封。主供給通道23分成從主輸入通道23分支的多個供給通道分支25。主排出通道24以類似的方式分成分支。在圖2a中，多個排出通道分支26合併至主排出通道24。如圖2b中所示，多個功率半導體單元冷卻通道27連接供給通道分支25和排出通道分支26。每個功率半導體單元冷卻通道27可以布置成冷卻一個功率半導體單元。但是，功率半導體單元可以具有冷卻功率半導體單元的多於一個冷卻通道27。每個半導體單元的冷卻通道27的數量取決於功率半導體模塊21的配置。圖2c示出了每個功率半導體單元211兩個冷卻通道。冷卻通道27彼此平行。與圖I的冷卻元件相比，一個功率半導體單元的冷卻不會影響另外的功率半導體單元的冷卻。功率半導體模塊21中的每個功率半導體單元相等地接收冷的冷卻液體，並且因此可以使功率半導體單元之間的溫差最小化。因此，功率半導體模塊21可以承受較高的電流。由於由模塊21產生的熱被更均勻地分布，因此，功率半導體模塊21也可以經歷較小的機械應變。圖I中，主供給通道11和主排出通道13都具有關於它們的長度一致的橫截面。這可以使冷卻通道12具有不均勻的流。由於冷卻通道使主供給通道11分支，流動的液體的量減少，因此，使得隨後的冷卻通道中的流具有較高的速度。同時，通過冷卻更靠近出口處的通道，使距離排出通道出口處較遠的冷卻通道中的流速度降低。如圖2a中所示，在根據本公開內容的冷卻元件中，主供給通道可以形成為沿液體流動的方向會聚，並且主排出通道可以形成為沿液體流動的方向分叉。因此，可以在供給通道分支和排出通道分支中獲得更相等的流(和壓力)。供給通道分支也可以布置成沿液體流動的方向會聚，並且，排出通道分支也可以布置成沿液體流動的方向分叉。
如圖2b中所示，為了增加熱交換，通道可以設置有葉片29，從而在液體流中產生湍流並且增加冷卻液體與通道的壁之間的表面積。總體上，如果冷卻板由導熱材料製成，則由功率半導體模塊產生的熱可以引起另外的功率半導體模塊中的溫度的上升。如圖2a中所示，為了避免功率半導體模塊之間的熱交換，板可以包括用於使功率半導體模塊彼此熱分離的開口 28。圖3a示出了功率半導體單元之間具有熱分隔的示例性冷卻板30的等距視圖。冷卻板30由通過螺釘緊固在一起的頂部金屬板31和底部金屬板32裝配。金屬板31和32由鋁製成。但是，也可以使用其他導熱材料，例如銅。頂部金屬板31包括用於運送冷卻液體流的通道。通道用底部金屬板32密封。可以在圖3a的左下角看到用於主供給通道的入口 33。可以在圖3a的右下角找到用於主排出通道的出口 34。頂部金屬板31配置成容置三個功率半導體模塊。頂部金屬板31中的兩個開口 35使三個功率半導體模塊熱分離。在圖3a中，開口 35向板中突出一定深度。但是，在一些實施方式中，開口可以一直穿過冷卻板。圖3b示出了其上安裝有三個功率半導體模塊36的同一冷卻板30的等距視圖。在沒有開口 35的情況下，由於側面的模塊會對中間的模塊加熱，因此，在圖3b中的中間的功率半導體模塊可以以高於側面的功率半導體模塊的溫度的溫度來操作。在一些實施方式中，供給通道分支可以在相同的位置處從主供給通道開始，和/或排出通道分支可以在相同的位置處合併到主排出通道中。可替換地，主供給通道可以設置有使供給通道分支的液體流分離的隔離壁，並且主排出通道可以設置有使排出通道分支的液體流分離的隔離壁。在這兩種情況下，分支的流可以彼此分離。因此，每個分支的流速近似相同。本領域技術人員將明白可以以各種方式來實施發明的概念。本發明及其實施方式不局限於上述示例，而是可以在權利要求的範圍內變化。
權利要求
1.一種用於冷卻包括功率半導體單元的多個功率半導體模塊的冷卻元件，其中，所述冷卻元件包括由導熱材料製成的板，其中，所述板適於熱連接到所述功率半導體模塊並且包括用於運送冷卻液體流的通道； 其中，所述通道包括 主供給通道，所述主供給通道沿液體流動的方向會聚， 主排出通道，所述主排出通道沿液體流動的方向分叉， 多個供給通道分支，所述多個供給通道分支從主輸入通道分支， 多個排出通道分支，所述多個排出通道分支合併至所述主排出通道，以及多個功率半導體單元冷卻通道，所述多個功率半導體單元冷卻通道連接所述供給通道分支和所述排出通道分支； 其中，每個功率半導體單元冷卻通道布置成冷卻一個功率半導體單元；並且 其中，所述板包括用於使所述功率半導體模塊彼此熱分離的開口。
2.根據權利要求I所述的冷卻元件，其中，所述通道設置有用於在液體流中產生湍流的葉片。
3.根據權利要求I或2所述的冷卻元件，其中，所述主供給通道設置有使所述供給通道分支的液體流分離的隔離壁。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的冷卻元件，其中，所述主排出通道設置有使所述排出通道分支的液體流分離的隔離壁。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的冷卻元件，其中，所述供給通道分支沿液體流動的方向會聚，並且所述排出通道分支沿液體流動的方向分叉。
全文摘要
本發明涉及一種液體冷卻元件，提供了一種用於冷卻包括功率半導體單元的多個功率半導體模塊的冷卻元件，該冷卻元件包括由導熱材料製成的板。板包括用於運送冷卻液體流的通道。通道包括沿液體流動的方向會聚的主供給通道、沿液體流動的方向分叉的主排出通道、從主輸入通道分支的多個供給通道分支、合併至主排出通道的多個排出通道分支、以及連接供給通道分支和排出通道分支的多個功率半導體單元冷卻通道。每個功率半導體單元冷卻通道布置成冷卻一個功率半導體單元。板包括用於使功率半導體模塊彼此熱分離的開口。
文檔編號H01L23/473GK102779799SQ201210111590
公開日2012年11月14日 申請日期2012年4月16日 優先權日2011年5月13日
發明者亞尼·許蒂埃寧, 佩爾蒂·塞韋基維 申請人:Abb公司