本發(fā)明涉及電力電子組件，具體地，涉及帶有冷卻的電力電子組件。

背景技術(shù)：

電力電子模塊是被廣泛使用的部件，其中多個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)或器件被放置在單個(gè)模塊中。以規(guī)定的方式將電力電子模塊的開(kāi)關(guān)連線(xiàn)于模塊之內(nèi)，使得電力電子模塊可以被用在不同的電路結(jié)構(gòu)中。這樣的電路結(jié)構(gòu)是例如不同電力轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)。出于該目的，電力電子模塊可以包括不同的半橋、全橋或其他橋式拓?fù)?，其中可控開(kāi)關(guān)部件與功率二極管在內(nèi)部連接。電力電子模塊還包括使模塊能夠連接至其他所需電路以及可能連接至其他模塊的端子例如控制端子和功率端子。

電力電子模塊之內(nèi)的部件通常安裝在襯底上，所述襯底熱連接至模塊的基板?；迨羌芍聊K的底部的金屬片，并且其意在附著至冷卻構(gòu)件例如熱沉的表面。當(dāng)操作開(kāi)關(guān)時(shí)，模塊之內(nèi)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)產(chǎn)生熱。被開(kāi)關(guān)的電流可以在數(shù)百或甚至數(shù)千安培以上，并且模塊的電力半導(dǎo)體的電壓阻隔能力為數(shù)千伏。還在數(shù)千赫茲的相對(duì)高的頻率下操作這些半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。

適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計(jì)對(duì)于電力電子模塊的可靠操作是至關(guān)緊要的。違反溫度額定值可能導(dǎo)致安全操作范圍減小，從而導(dǎo)致突然的器件失效，或者導(dǎo)致操作壽命減少。例如，iec60747-9給出了igbt的溫度額定值如保持溫度、外殼溫度和虛擬結(jié)溫的范圍。為了將模塊的溫度保持在可容忍的范圍，已經(jīng)知道將模塊附著至熱沉。這通過(guò)將基板的或襯底的平坦表面附著至熱沉的對(duì)應(yīng)平坦表面來(lái)執(zhí)行。通過(guò)使用熱界面材料(tim)來(lái)增強(qiáng)模塊的底表面與熱沉之間的熱傳遞。這樣的材料或?qū)臃胖迷诨搴蜔岢恋谋砻嬷g，或者如果模塊沒(méi)有基板，則放置在襯底和熱沉的表面之間。

兩個(gè)表面之間的熱連接依賴(lài)于包括其表面粗糙度(ra)和表面的平坦度的若干性質(zhì)。在實(shí)踐中，兩個(gè)表面的接觸是不完美的，并且在它們之間存在填充有空氣的間隙。因?yàn)榭諝馐遣涣嫉臒釋?dǎo)體，所以可以通過(guò)使接觸表面完美光滑和平坦(非常昂貴)和/或通過(guò)用更好的導(dǎo)熱物質(zhì)替換空氣來(lái)減小接觸熱阻(rth)。

如所提到的，電力電子模塊的熱損耗主要經(jīng)由其基板來(lái)耗散，所述基板必須與冷卻器件如空氣冷卻式熱沉、液體冷板或熱虹吸熱沉處于良好的熱連接。顯然，必須根據(jù)pe模塊及其使用簡(jiǎn)檔二者來(lái)設(shè)計(jì)冷卻器件的熱特性。

由于較高的開(kāi)關(guān)頻率，高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有增大的電力電子模塊的熱損耗。于是，大功率循環(huán)應(yīng)用在電力電子模塊內(nèi)具有較高的熱誘導(dǎo)應(yīng)力。常規(guī)的鋁熱沉的熱特性是公知的，并且也被頗為良好地利用。然而，顯然，電力電子模塊的增大的加熱功率密度(w/cm²)需要更高效的冷卻解決方案。此外，常見(jiàn)的鋁熱沉的時(shí)間常數(shù)對(duì)于大功率循環(huán)應(yīng)用而言是不充足的。需要更快的響應(yīng)來(lái)避免過(guò)大的結(jié)溫和實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)的使用壽命。

已經(jīng)開(kāi)發(fā)了特定的熱沉設(shè)計(jì)來(lái)同時(shí)減小熱阻和增強(qiáng)其電力循環(huán)響應(yīng)。這些熱沉的改進(jìn)涉及例如用于增強(qiáng)的表面面積和/或增強(qiáng)的熱傳遞系數(shù)的特殊的冷卻片設(shè)計(jì)、不同構(gòu)造材料的組合(al+cu)、以及使用兩相構(gòu)造部如用于熱沉內(nèi)增大的熱擴(kuò)散的熱管。特別地，兩相熱沉被證明在許多熱要求苛刻的應(yīng)用中工作良好。

常見(jiàn)的熱沉設(shè)計(jì)問(wèn)題涉及冷卻片的效率不足。鋁是相對(duì)便宜的材料并且易于制造，但是其導(dǎo)熱率(k～200w/mk)常常不足。因此，通常考慮銅片或基板插入件(k～380w/mk)，但是這顯著地增加了總的重量和成本。

可以用不同的材料來(lái)制造熱沉，但是鋁合金和銅是最常見(jiàn)的。有許多制造技術(shù)，并且還可以對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行組合。一些常見(jiàn)的技術(shù)包括擠壓型材、擠壓薄片、沖壓熱沉、壓鑄熱沉、車(chē)削翅片熱沉、折疊翅片熱沉、銑過(guò)的/機(jī)械加工的熱沉、波紋翅片熱沉、結(jié)合翅片熱沉(膠合)、釬焊翅片熱沉(焊接)和鍛造熱沉。

將熱管和熱虹吸管組合成熱沉以在熱沉內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的熱傳遞和擴(kuò)散。常見(jiàn)的熱管熱沉設(shè)計(jì)包括以下：熱沉基板中的槍鉆的直的或u形的熱管、使用膠體、粘合劑或焊錫嵌入熱沉基板表面的熱管以及塔式熱管。

雖然用于冷卻電力半導(dǎo)體模塊的多種變型是可行的，但是仍需要較大的熱傳遞能力和對(duì)循環(huán)荷載的較快的響應(yīng)時(shí)間以確保電力半導(dǎo)體模塊的可靠操作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供電力電子組件和制造所述組件的方法，以便解決以上問(wèn)題。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電力電子組件和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。還公開(kāi)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。

本發(fā)明基于使用以下結(jié)構(gòu)：其中，使用具有一個(gè)或更多個(gè)冷凝管的蒸汽室來(lái)去除來(lái)自電力半導(dǎo)體模塊的基板的熱，所述冷凝管從蒸汽室延伸。冷凝管附著至蒸汽室，使得蒸汽室和一個(gè)或更多個(gè)冷凝管限定用于所述結(jié)構(gòu)之內(nèi)的工作流體的公共體積。蒸汽室連同一個(gè)或更多個(gè)冷凝管一起還被支撐在安裝板中。安裝板使電力半導(dǎo)體模塊能夠附著在組件中，使得將來(lái)自電力半導(dǎo)體部件的熱被可靠地傳遞至蒸汽室。

本發(fā)明的電子組件的優(yōu)點(diǎn)是，與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相比，組件的熱傳遞能力(w/cm^2和w/cm^3)增大。此外，由于組件的流體蒸發(fā)部可以做成大的，對(duì)循環(huán)熱負(fù)荷的響應(yīng)增大。從電力半導(dǎo)體模塊至環(huán)境的熱阻也低，從而實(shí)現(xiàn)了高效熱傳遞。此外，本發(fā)明的組件具有相對(duì)低的材料和制造成本。

附圖說(shuō)明

下面將參照附圖，通過(guò)優(yōu)選實(shí)施例來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中：

圖1示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的橫截面；

圖2示出了圖1的實(shí)施例的透視圖；

圖3示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例的截面圖；

圖4示出了圖3的實(shí)施例的透視圖；以及

圖5示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例的截面圖。

具體實(shí)施方式

圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的橫截面。圖1示出了具有電力電子模塊11的電力電子組件。電力電子模塊具有嵌入在該模塊中的多個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)部件。電力電子模塊還包括基板12，來(lái)自電力電子開(kāi)關(guān)部件的熱主要通過(guò)基板12被去除。

圖1還示出了具有一個(gè)或更多個(gè)冷凝管14、15的蒸汽室13，冷凝管14、15與蒸汽室13流體連通。蒸汽室13和冷凝管14、15流體連通，使得蒸汽室和冷凝管14、15形成封閉的體積，也就是說(shuō)，蒸汽室之內(nèi)的工作流體可以在由蒸汽室和冷凝管限定的體積之內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

圖1還示出了安裝板16，安裝板16具有用于容納蒸汽室的凹口或凹部以及用于容納冷凝管的合適的孔。電力電子模塊附著至安裝板，使得來(lái)自電力半導(dǎo)體模塊的基板的熱被傳遞至蒸汽室。

在圖1的實(shí)施例中，冷凝管14、15位于安裝板之內(nèi)，并且在該實(shí)施例中，安裝板充當(dāng)冷卻元件，并且冷凝管向安裝板釋放熱。根據(jù)圖1的實(shí)施例，安裝板還包括增強(qiáng)熱從安裝板的去除的冷卻片。

如圖1中所示，蒸汽室被放置在設(shè)置在安裝板中的凹部中。在該實(shí)施例中，蒸汽室的底表面和安裝板的底表面處于同一水平。因此，當(dāng)蒸汽室位于安裝板的凹部中時(shí)，蒸汽室和安裝板的底表面形成基本上平的表面。

電力電子模塊的基板具有附著到蒸汽室的表面。這些配合表面具有基本上相等的面積，這意味著蒸汽室的底表面與電力電子模塊的熱傳遞表面幾乎一樣大。蒸汽室與基板之間的大的接觸面積確保了熱被有效地傳遞。

使用螺釘、螺栓或任何其他類(lèi)似的機(jī)械緊固裝置將電力電子模塊11機(jī)械地附著至安裝板16。當(dāng)該模塊緊緊地附著至安裝板時(shí)，蒸汽室13既被擠壓到安裝板16也被擠壓到電力電子模塊的基板12。為了用穿透電力電子模塊的螺釘或螺栓將電力電子模塊附著至安裝板，該模塊的面積必須略大于蒸汽室的面積。

圖2示出了圖1的實(shí)施例的透視圖。從透視圖中可以看出，該實(shí)施例包括在安裝板之內(nèi)延伸的四個(gè)冷凝管14、15、17、18。此外，在圖2中，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，蒸汽室的形狀被示出為矩形棱柱，并且形狀可以是能夠放置在安裝板的對(duì)應(yīng)形狀的凹部中的任何其他合適的形狀。

由于蒸汽室和附著至蒸汽室的冷凝管是單個(gè)實(shí)體，因此必須將安裝板加工成容納具有冷凝管的蒸汽室。參照?qǐng)D1的實(shí)施例，這意味著安裝板包括設(shè)置至安裝板的底表面的用于容納冷凝管以及蒸汽室的凹槽或孔。換言之，安裝板被加工成使得由蒸汽室和冷凝管形成的實(shí)體與安裝板相配。如圖1中所示，冷凝管不位于安裝板的表面中。優(yōu)選地，用樹(shù)脂或其他合適的物質(zhì)來(lái)填充冷凝管與安裝板的底表面之間的體積。然而，冷凝管也可以位于安裝板的底表面中，使得組件的制造更簡(jiǎn)單。

圖3示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例。在圖3的實(shí)施例中，如圖1的實(shí)施例中那樣，蒸汽室31類(lèi)似地附著在電力電子模塊的基板32與安裝板33之間。也就是說(shuō)，凹部形成至安裝板33。凹部被定尺寸為容納蒸汽室31，使得蒸汽室的底表面可以與電力電子部件的基板32的底部的平坦表面相接觸。蒸汽室的底表面和安裝板的表面基本上處于同一水平。

在圖3的實(shí)施例中，一個(gè)或更多個(gè)冷凝管34、35、36穿過(guò)安裝板33而延伸并且在安裝板之外延伸。由于冷凝管在相對(duì)于蒸汽室的頂表面的垂直方向上，因此蒸汽室連同冷凝管至組件的安裝是直接的。用于冷凝管的洞或孔被鉆到安裝板以校正位置，并且一個(gè)或更多個(gè)冷凝管被引導(dǎo)穿過(guò)洞，使得蒸汽室也被定位至安裝板的凹部。然后，電力電子模塊被緊固至安裝板以產(chǎn)生緊密的熱耦合。

在圖3中示出了具有冷卻片37的安裝板，但是由于冷凝管穿過(guò)安裝板而延伸從而在安裝板之外去除熱，所以電力電子模塊的冷卻不需要冷卻片。根據(jù)圖3的實(shí)施例，一個(gè)或更多個(gè)冷凝管配備有附著至一個(gè)或更多個(gè)冷凝管34、35、36的冷卻片38。冷卻片幫助將熱從管去除，從而增大從電力電子模塊的熱去除。優(yōu)選地結(jié)合冷卻片使用強(qiáng)制空氣冷卻，雖然自然空氣冷卻也是選項(xiàng)。用強(qiáng)制空氣冷卻，使用鼓風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇來(lái)使空氣移動(dòng)通過(guò)冷卻片，從而增大從冷卻片至周?chē)臒醾鬟f。

附著至一個(gè)或更多個(gè)冷凝管的冷卻片38可以包括用于液體冷卻的流動(dòng)通道。當(dāng)使用液體來(lái)將熱從冷凝管去除時(shí)，增大了來(lái)自電力電子模塊的熱傳遞。

圖4示出了圖3的實(shí)施例的透視圖，以更好地理解該實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，蒸汽室位于安裝板的上表面中。在這樣的實(shí)施例中，電力電子模塊的基板與安裝板的底表面緊密接觸，并且安裝板將熱從電力電子模塊的基板傳遞至蒸汽室。安裝板傳遞并且擴(kuò)散來(lái)自基板的熱，并且將基板保持在基本上均勻的溫度。

在圖1的實(shí)施例中，冷凝管被示出在安裝板之內(nèi)，然而，在圖3的實(shí)施例中，冷凝管在安裝板之外延伸。在另一實(shí)施例中，至少一個(gè)冷凝管位于安裝板之內(nèi)，并且至少一個(gè)冷凝管在安裝板之外延伸。因此，使冷凝管在安裝板之內(nèi)、在安裝板之外延伸或者前述二者是設(shè)計(jì)選項(xiàng)。

雖然材料的選擇不限于銅，但是本發(fā)明的蒸汽室和冷凝管優(yōu)選地由銅形成。還可以使用其他金屬或金屬合金。本發(fā)明的安裝板優(yōu)選地由鋁形成。

由蒸汽室和一個(gè)或更多個(gè)冷凝管形成的實(shí)體將工作流體保持在由所述蒸汽室和一個(gè)或更多個(gè)冷凝管限定的體積之內(nèi)。工作流體可以是水或者任何其他合適的流體，當(dāng)被加熱和被冷卻時(shí)所述流體能夠?qū)⑵涞南鄰囊后w變?yōu)闅怏w以及從氣體變?yōu)橐后w。蒸汽室中的液相流體受來(lái)自電力電子模塊的熱的影響而蒸發(fā)。被蒸發(fā)的流體流至封閉件之內(nèi)的較冷位置，并且冷凝回液體，從而將熱從封閉件去除。液相流體流回至蒸汽室，并且繼續(xù)熱的去除過(guò)程。當(dāng)冷凝管配備有冷卻片時(shí)，管的冷凝區(qū)域保持在較低的溫度。蒸發(fā)區(qū)域與冷凝區(qū)域之間的增大的溫差增大了熱傳遞率。

蒸汽室充當(dāng)在來(lái)自電力電子模塊的熱的輔助下將流體的相從液體變?yōu)闅怏w的蒸發(fā)器。另一方面，一個(gè)或更多個(gè)冷凝管充當(dāng)將熱釋放至冷凝管的周?chē)睦淠鳌?/p>

蒸汽室的內(nèi)表面可以是增大了蒸汽室之內(nèi)的流體的蒸發(fā)的多孔吸液芯結(jié)構(gòu)。一個(gè)或更多個(gè)冷凝管的內(nèi)表面可以包括例如銅粉燒結(jié)的凹槽結(jié)構(gòu)或者銅網(wǎng)。可以基于設(shè)計(jì)和預(yù)期的用途來(lái)進(jìn)行蒸汽室的吸液芯和一個(gè)或更多個(gè)冷凝管的選擇。

根據(jù)圖5的實(shí)施例，用一個(gè)或更多個(gè)連接管將一個(gè)蒸汽室連接至另一蒸汽室。以與本發(fā)明的冷凝管類(lèi)似的方式制造將蒸汽室相連接的連接管。

此外，在該實(shí)施例中，多個(gè)電力電子模塊嵌入在安裝板64中，并且每個(gè)電力電子模塊用相應(yīng)的蒸汽室來(lái)冷卻。該實(shí)施例還包括用于以上述方式釋放熱的冷凝管。在圖5中示出了該實(shí)施例的示例，其中，用具有一個(gè)或更多個(gè)冷凝管71、72、73、74、75、76、77、78、79的蒸汽室61、62、63來(lái)冷卻三個(gè)電力電子模塊51、52、53。連接蒸汽室61、62、63的連接管54、55將蒸汽室和冷凝管的內(nèi)體積相連接。由于工作流體可以在由蒸汽室、連接管和冷凝管形成的實(shí)體之內(nèi)移動(dòng)，因此這三個(gè)單獨(dú)的電力電子模塊基本上以均一的方式來(lái)冷卻。圖5的三個(gè)單獨(dú)的電力電子模塊中的每個(gè)電力電子模塊可以例如包括一個(gè)相輸出的電力電子開(kāi)關(guān)。在這樣的情況下，輸出開(kāi)關(guān)被保持在基本上相等的溫度。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，熱界面材料(tim)被設(shè)置在電力電子模塊的基板的頂部上。當(dāng)電力電子模塊附著至安裝板時(shí)，tim被擠壓到毗鄰表面并且增強(qiáng)熱從基板的傳遞。由于蒸汽室可以位于安裝板的頂表面或底表面中，因此tim被放置在基板與蒸汽室之間或者基板與安裝板之間。在每種情況下，tim減小了來(lái)自基板的熱阻。

熱界面材料優(yōu)選地呈可以安裝在熱釋放基板與熱接收蒸汽室或安裝板之間的單獨(dú)的層的形式。tim層優(yōu)選為碳基材料層。碳基材料層適于除了將半導(dǎo)體電力電子開(kāi)關(guān)部件所產(chǎn)生的熱傳遞至冷卻裝置之外還擴(kuò)散所述熱。

碳基材料優(yōu)選地呈具有從75μm至250μm的范圍的厚度的軟層的形式。碳基材料優(yōu)選為天然石墨、熱解石墨或者合成石墨。

碳基材料的軟度和厚度使得其能夠在模塊附著至毗鄰表面期間適應(yīng)并且充分填充電力電子模塊的基板與蒸汽室或安裝板的表面之間的間隙。

安裝板在該實(shí)施例中被用于附著電力電子模塊。如上面所提到的，電力電子模塊牢固地附著至安裝板以便確保緊密接觸，以增大熱從電力電子模塊的基板的傳遞。安裝板也可以充當(dāng)冷卻元件并且可以包括冷卻片。此外，其他電氣部件可以附著至安裝板以便緊固所述部件和冷卻所述部件。

安裝板還可以被用在具有電力電子組件的電力電子裝置中以支撐該裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)。安裝板可以例如在電力電子裝置之內(nèi)在該裝置的內(nèi)壁之間延伸從而對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)給予支撐。此外，安裝板可以分隔該裝置之內(nèi)的不同隔間從而產(chǎn)生例如較熱的和較冷的隔間或者清潔空氣和臟空氣隔間。

本發(fā)明提供呈緊湊尺寸的具有冷卻的電力電子組件。由于使用具有冷凝管的蒸汽室將熱從電力電子組件的基板中有效地去除，因此不一定需要熱沉。通常，熱沉已經(jīng)是具有冷卻片的相當(dāng)大的鋁塊。在本公開(kāi)內(nèi)容中，設(shè)置用于容納蒸汽室的安裝板，并且安裝板可以?xún)H比蒸汽室略厚。

本發(fā)明還涉及制造電力電子組件的方法，該方法包括設(shè)置具有一個(gè)或更多個(gè)冷凝管的蒸汽室，所述冷凝管與蒸汽室流體連通。該方法還包括設(shè)置具有用于容納蒸汽室的凹口或者凹部的安裝板以及用于容納該一個(gè)或更多個(gè)冷凝管的一個(gè)或更多個(gè)孔的安裝板。此外，在該方法中，具有一個(gè)或更多個(gè)冷凝管的蒸汽室附著至安裝板，并且包括基板的電力電子模塊附著至蒸汽室或安裝板的表面，使得基板與基板的或蒸汽室的配合表面相接觸。該方法制造本發(fā)明的組件。

本發(fā)明還涉及包括電力電子組件的特征的轉(zhuǎn)換器裝置。以高效的方式來(lái)冷卻具有電力電子組件的轉(zhuǎn)換器裝置。在轉(zhuǎn)換器裝置中，主開(kāi)關(guān)設(shè)置有電力電子模塊，并且由此主開(kāi)關(guān)以上述方式來(lái)冷卻。更具體地，轉(zhuǎn)換器裝置是逆變器裝置。本公開(kāi)內(nèi)容的電力電子組件使得能夠制造緊湊尺寸的轉(zhuǎn)換器裝置。

對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將明顯的是，由于技術(shù)的進(jìn)步，可以以不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的構(gòu)思。本發(fā)明及其實(shí)施例不限于上述示例，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行變化。