CN112530887A - 用于功率半导体模块的双面冷却结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于功率半导体模块的双面冷却结构，本结构的第一散热器的散热底板与第二散热器的散热底板间隔平行布置，功率半导体模块设于第一散热器的散热底板与第二散热器的散热底板之间，第一散热器的散热底板抵近控制器箱体壁设置，并且第一散热器的散热底板周边连接控制器箱体，第一散热器的散热底板与控制器箱体壁之间形成第一冷却水道，第一冷却水道的输入端口和输出端口分别连接控制器箱体内的冷却液输出端和输入端。本结构通过与控制器箱体的大面积接触，增大散热器的热容量，在充分冷却控制器箱体的同时，避免功率半导体芯片温度的波动，并实现功率模块与冷却器之间的紧密接触，减少接触间隙，提高冷却效果。
Description
技术领域
本发明涉及功率器件冷却技术领域，尤其涉及一种用于功率半导体模块的双面冷却结构。
背景技术
功率半导体模块是将功率电子元器件按照一定功能组合封装成的一个整体，具有尺寸小、功率密度高等优点，因此在新能源汽车领域有着广泛的应用。随着新能源汽车往高功率、长续航等方面发展，功率半导体模块的应用环境日益严苛，功率半导体模块的可靠性得到广泛关注。
热可靠性是功率半导体模块可靠性的重要组成部分，热可靠性要求功率半导体模块拥有良好的散热性能。一般散热器单位时间传递热量Q以公式（1）表示，
其中，A为热传导面积，R为热阻、h为热传导系数、Th为热源温度、Tc为散热器温度、L为热源到散热器距离。
可见要有效冷却功率半导体模块，增加从功率半导体模块向散热器散发的热量，增加热传递路径的表面积A和减小热阻R是增加单位时间传递热量Q的有效手段。
中国专利文献CN110060967A和CN104966706A分别公开了一种双面冷却散热器和集成功率控制单元，其功率模块被多层密封的冷却器包夹，冷却器的主体、冷却液的入口及出口不会与控制器箱体有大面积接触。因此，控制器箱体得不到充分冷却，容易造成箱体内部的环境温度和零部件温度上升，这会导致要求高功率输出的控制器内的功率半导体如SiC等性能受限或容易因高温引发故障。并且，两者散热器的热容量较小，通常控制器的冷却液可能会因为供水冷却泵故障等原因导致冷却不稳定，这种情况下，热容量较小的散热器容易使得功率模块的功率半导体芯片温度上升。
有的功率模块内部会设置带有检测功率半导体芯片温度功能的传感器，但由于温度传感器的响应具有延迟性，可能会导致无法及时捕捉上限温度的情况。因此，如果能在功率模块上安装热容量较大的散热器，这样即便冷却液供应出现短暂的异常，也能吸收缓冲功率半导体芯片的热量。
中国专利文献CN107408554A和CN102664177A分别公开了一种 功率半导体组件和电力转换装置以及一种双面冷却的功率半导体模块，其使用具有压紧功能的冷却结构来消除减少功率模块与冷却器之间的间隙，但这种结构使得冷却器的结构变得复杂，同时，也不能实现依靠控制器箱体进行散热冷却，以及冷却控制器箱体的功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于功率半导体模块的双面冷却结构，本结构克服传统功率半导体模块冷却的缺陷，通过与控制器箱体的大面积接触，增大散热器的热容量，在充分冷却控制器箱体的同时，避免功率半导体芯片温度的波动，并实现功率模块与冷却器之间的紧密接触，减少接触间隙，提高冷却效果。
为解决上述技术问题，本发明用于功率半导体模块的双面冷却结构包括控制器箱体、功率半导体模块、第一散热器和第二散热器，所述第一散热器的散热底板与第二散热器的散热底板间隔平行布置，所述功率半导体模块设于所述第一散热器的散热底板与第二散热器的散热底板之间，所述第一散热器的散热底板抵近所述控制器箱体壁设置，并且第一散热器的散热底板周边连接所述控制器箱体，所述第一散热器的散热底板与所述控制器箱体壁之间形成第一冷却水道，所述第一冷却水道的输入端口和输出端口分别连接所述控制器箱体内的冷却液输出端和输入端。
进一步，所述第一散热器的散热底板底面设有第一散热翅片，所述第一散热翅片位于所述第一冷却水道内。
进一步，所述控制器箱体壁表面设有第二散热翅片，所述第二散热翅片位于所述第一冷却水道内。
进一步，所述第二散热器的散热底板内间隔设有第二冷却水道，所述第二冷却水道的输入端口和输出端口通过插管分别连通所述第一冷却水道的输入端口和输出端口，并且所述插管与所述第一冷却水道的插入端口之间设有密封圈。
进一步，所述第一冷却水道的插入端口长度具有能够吸收所述插管长度偏差、所述密封圈安装位置偏差、所述插管插入位置偏差的余量。
进一步，所述第一冷却水道的插入端口位于所述第一散热翅片两侧。
进一步，功率半导体模块包括采用树脂独立封装的U相、V相和W相功率模块，所述U相、V相和W相功率模块间隔布置于所述第一散热器的散热底板与第二散热器的散热底板之间。
由于本发明用于功率半导体模块的双面冷却结构采用了上述技术方案，即本结构的第一散热器的散热底板与第二散热器的散热底板间隔平行布置，功率半导体模块设于第一散热器的散热底板与第二散热器的散热底板之间，第一散热器的散热底板抵近控制器箱体壁设置，并且第一散热器的散热底板周边连接控制器箱体，第一散热器的散热底板与控制器箱体壁之间形成第一冷却水道，第一冷却水道的输入端口和输出端口分别连接控制器箱体内的冷却液输出端和输入端。本结构克服传统功率半导体模块冷却的缺陷，通过与控制器箱体的大面积接触，增大散热器的热容量，在充分冷却控制器箱体的同时，避免功率半导体芯片温度的波动，并实现功率模块与冷却器之间的紧密接触，减少接触间隙，提高冷却效果。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明用于功率半导体模块的双面冷却结构示意图；
图2为本双面冷却结构中功率半导体模块散热路径示意图。
具体实施方式
实施例如图1所示，本发明用于功率半导体模块的双面冷却结构包括控制器箱体1、功率半导体模块2、第一散热器3和第二散热器4，所述第一散热器3的散热底板31与第二散热器4的散热底板41间隔平行布置，所述功率半导体模块2设于所述第一散热器3的散热底板31与第二散热器4的散热底板41之间，所述第一散热器3的散热底板31抵近所述控制器箱体1壁设置，并且第一散热器3的散热底板31周边连接所述控制器箱体1，所述第一散热器3的散热底板31与所述控制器箱体1壁之间形成第一冷却水道32，所述第一冷却水道32的输入端口33和输出端口34分别连接所述控制器箱体1内的冷却液输出端和输入端。
优选的，所述第一散热器3的散热底板31底面设有第一散热翅片35，所述第一散热翅片35位于所述第一冷却水道32内。
优选的，所述控制器箱体1壁表面设有第二散热翅片11，所述第二散热翅片11位于所述第一冷却水道32内。
优选的，所述第二散热器4的散热底板41内间隔设有第二冷却水道42，所述第二冷却水道42的输入端口和输出端口通过插管43分别连通所述第一冷却水道32的输入端口33和输出端口34，并且所述插管43与所述第一冷却水道32的插入端口36之间设有密封圈5。
优选的，所述第一冷却水道32的插入端口36长度具有能够吸收所述插管43长度偏差、所述密封圈5安装位置偏差、所述插管43插入位置偏差的余量。
优选的，所述第一冷却水道32的插入端口36位于所述第一散热翅片35两侧。
优选的，功率半导体模块2包括采用树脂独立封装的U相、V相和W相功率模块，所述U相、V相和W相功率模块间隔布置于所述第一散热器3的散热底板31与第二散热器4的散热底板41之间。
本结构中采用与控制器箱体直接接触并形成第一冷却水道的第一散热器构成具有大热容量的散热结构，第一散热器与具有第二冷却水道的第二散热器配合，形成对功率半导体模块的双面冷却结构，通过插管以及插入端口的冗余设计，减小功率半导体模块与散热器之间的间隙，提高冷却效率。并且，在功率半导体模块冷却的同时，还可以对控制器箱体进行冷却，避免控制器箱体温度升高对其内的电子元器件的影响。
第一散热器的散热底板周边与控制器箱体紧密贴合，功率半导体模块的热量不仅可以传递到第一冷却水道的冷却液中，还可以传递到控制器箱体。此外，由于第一散热器的散热底板与控制器箱体紧密贴合，所以热容量变大，即使在冷却液的供给状态变得不稳定的情况下，也可以对功率半导体模块的温度上升起到缓冲作用。
如图2所示，本结构中功率半导体模块2的热量主要从三个路径散发，其一是从第一散热器3向第一冷却水道32的冷却液散热的路径B，其二是从第二散热器4向第二冷却水道42的冷却液散热的路径A，其三是通过第一散热器3直接向控制器箱体1散热的路径C。
第一散热器的散热底板与控制器箱体之间形成第一冷却水道，树脂密封的功率半导体模块设置在第一散热器的散热底板上，冷却液流经第一冷却水道时，可以达到同时冷却控制器箱体和功率半导体模块的效果。此外，由于第一散热器的散热底板周边与控制器箱体直接接触，因此功率半导体模块的一部分热量可以通过第一散热器的散热底板直接散发到控制器箱体上，第一散热器与控制器箱体相接触的位置靠近第一冷却水道，从而温度可以始终保持在较低的状态。
第二散热器与功率半导体模块紧密贴合，并且内置有第二冷却水道，第二散热器在与功率半导体模块贴合面垂直延伸的方向设置有第二冷却水道的输入端口和输出端口，并采用插管分别连通第一冷却水道的输入端口和输出端口，插管端部安装有密封圈。第一散热器的散热底板两侧开有可以让第二散热器的第二冷却水道的输入端口和输出端口的插管插入的插入端口，冷却液通过插管和插入端口进出。对于插管的长度偏差、密封圈的安装位置偏差以及插管插入位置偏差等，都可以由第一散热器的散热底板两侧的插入端口的尺寸来吸收。因此，即使第二散热器安装到第一散热器时出现尺寸偏差，在保证功率半导体模块被紧固在第一散热器与第二散热器之间的前提下，它们也可以彼此紧密贴合。
本结构中，第一冷却水道和第二冷却水道的冷却液由设置在控制器箱体内部的冷却液提供，第二冷却水道的输入端口布置在第一散热器的散热翅片前方，冷却液由于受到散热翅片的流阻挤压，流入第二冷却水道的输入端口。也就是说，通过改变散热翅片结构的流阻，可以改变流经第二冷却水道的冷却液的容量和速度，进而提高第二散热器的散热效果。
Claims (7)
1.一种用于功率半导体模块的双面冷却结构，包括控制器箱体和功率半导体模块，其特征在于：还包括第一散热器和第二散热器，所述第一散热器的散热底板与第二散热器的散热底板间隔平行布置，所述功率半导体模块设于所述第一散热器的散热底板与第二散热器的散热底板之间，所述第一散热器的散热底板抵近所述控制器箱体壁设置，并且第一散热器的散热底板周边连接所述控制器箱体，所述第一散热器的散热底板与所述控制器箱体壁之间形成第一冷却水道，所述第一冷却水道的输入端口和输出端口分别连接所述控制器箱体内的冷却液输出端和输入端。
2.根据权利要求1所述的用于功率半导体模块的双面冷却结构，其特征在于：所述第一散热器的散热底板底面设有第一散热翅片，所述第一散热翅片位于所述第一冷却水道内。
3.根据权利要求1或2所述的用于功率半导体模块的双面冷却结构，其特征在于：所述控制器箱体壁表面设有第二散热翅片，所述第二散热翅片位于所述第一冷却水道内。
4.根据权利要求3所述的用于功率半导体模块的双面冷却结构，其特征在于：所述第二散热器的散热底板内间隔设有第二冷却水道，所述第二冷却水道的输入端口和输出端口通过插管分别连通所述第一冷却水道的输入端口和输出端口，并且所述插管与所述第一冷却水道的插入端口之间设有密封圈。
5.根据权利要求4所述的用于功率半导体模块的双面冷却结构，其特征在于：所述第一冷却水道的插入端口长度具有能够吸收所述插管长度偏差、所述密封圈安装位置偏差、所述插管插入位置偏差的余量。
6.根据权利要求4所述的用于功率半导体模块的双面冷却结构，其特征在于：所述第一冷却水道的插入端口位于所述第一散热翅片两侧。
7.根据权利要求5或6所述的用于功率半导体模块的双面冷却结构，其特征在于：功率半导体模块包括采用树脂独立封装的U相、V相和W相功率模块，所述U相、V相和W相功率模块间隔布置于所述第一散热器的散热底板与第二散热器的散热底板之间。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Effective date of registration: 20210729 Address after: 264006 33rd floor, Zhenghai building, 66 Zhujiang Road, Yantai Development Zone, Yantai area, China (Shandong) pilot Free Trade Zone, Yantai City, Shandong Province Applicant after: Zhenghai Group Co.,Ltd. Address before: 201114, C105, building 189, building 188, building 2, No. 1, Chun Chun Road, Shanghai, Minhang District Applicant before: SHANGHAI DAJUN TECHNOLOGIES, Inc. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210319 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |