一种双面结构的IGBT热控制系统

一种双面结构的igbt热控制系统
技术领域
1.本发明属于冷却设备技术领域，特别是涉及一种双面结构的igbt热控制系统。


背景技术：

2.绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,igbt)是智能电网、风力发电及电动汽车等清洁能源应用领域中的重要模块，随着这些行业的迅速发展，igbt器件的功率也越来越大，随之而来的发热问题也日益严重，良好的散热方案研究已经成为最重要的课题之一。
3.目前igbt模块最常用的散热方式为强制风冷散热和液冷散热；强制风冷散热方式主要是利用风扇、风机等设备配合散热翅片强迫电子设备向周围环境散热的方式，但空气的传热能力，已经无法满足高热流密度igbt模块的散热需求。
4.目前的水冷散热方案主要都采用微流道冷板或扰流柱的形式实现液冷散热。与风冷散热相比，液冷微流道散热方式具有结构紧凑、噪音小、散热效率高等优点；在现有技术中，液冷散热板一般包括散热板和散热鳍片，通过改变散热鳍片的结构或安装位置进而提高散热效率，但未考虑动力源的安装和散热均匀性。现有的微流道水冷散热，并联流道通常存在散热不均匀的缺点。串联流道通常存在流体动力不足的缺点，且大部分微流道研究未考虑实际的动力源的选取和安装，如水泵的安装。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种双面结构的igbt热控制系统，以解决上述现有技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种双面结构的igbt热控制系统，包括：
7.功率器件、微通道冷板和液冷循环装置；
8.其中，所述功率器件的上下表面均通过粘接介质与所述微通道冷板连接，所述微通道冷板的一侧固定设置有液冷循环装置，通过所述微通道冷板和所述液冷循环装置对所述功率器件进行散热控制。
9.可选的，所述功率器件为igbt器件，包括上半桥和下半桥；
10.其中，所述上半桥包括dbc覆铜板和若干功率芯片，若干所述功率芯片通过纳米银并排焊接于所述dbc覆铜板一侧，所述dbc覆铜板由依次排列的若干层铜层构成；
11.所述下半桥包括氮化硅陶瓷层和若干功率芯片，若干所述功率芯片通过纳米银并排焊接于所述氮化硅陶瓷层一侧，所述氮化硅陶瓷层的另一侧设置有所述粘接介质；
12.所述上半桥和所述下半桥之间设置多个焊接缓冲结构，所述上半桥和所述下半桥之间的空隙处通过灌封胶填充，每个所述焊接缓冲结构均包括缓冲层钼柱和纳米银，所述缓冲层钼柱的两端通过所述纳米银分别与各个半桥的功率芯片连接；所述连接件设置于所述igbt器件的一侧。
13.可选的，所述微通道冷板包括冷板和盖板；
14.其中，所述盖板固定设置于所述冷板一侧。
15.可选的，所述冷板包括：入水口、出水口、入水总流道、出水总流道、二级入水口、二级出水口、鳍片和多个第一螺栓孔；
16.其中，所述入水口和所述出水口分别设置于所述冷板两侧，多个所述第一螺栓孔设置于所述冷板的四角处；
17.所述入水口和所述出水口的一侧分别设置有所述入水总流道和所述出水总流道，所述入水总流道和所述出水总流道之间设置有二级流道，所述二级流道由若干个均匀排列的鳍片构成，所述二级流道的一侧通过二级入水口与所述入水总流道连接，所述二级流道的另一侧通过二级出水口与所述出水总流道连接。
18.可选的，所述盖板中设置有多个第二螺栓孔，所述盖板的多个所述第二螺栓孔与所述冷板的多个第一螺栓孔对应连接。
19.可选的，所述冷板和盖板的材料为铜和铝中任意一种。
20.可选的，所述液冷循环装置采用微泵，包括：泵体，微泵出水口、微泵入水口、螺栓孔、螺栓孔、铜引线和单向阀；
21.其中，所述泵体通过所述铜引线连接电源，所述泵体侧边设置有若干第三螺栓孔，所述微泵通过螺栓穿过所述第三螺栓孔与所述微通道冷板固连接；
22.所述微泵出水口和所述微泵入水口均设置有若干个，且每个所述微泵出水口和微泵入水口的一端均设置有单向阀，若干个所述微泵出水口设置于所述泵体上表面，若干个所述微泵入水口设置于所述泵体下表面。
23.可选的，所述微泵出水口与冷板的入水口连接，所述微泵入水口与冷板的出水口连接。
24.本发明的技术效果为：
25.本发明提供的一种双面结构的igbt热控制系统，包括功率器件、微通道冷板和液冷循环装置；其中，所述功率器件的上下表面均通过粘接介质与所述微通道冷板连接，所述微通道冷板的一侧固定设置有液冷循环装置，通过所述微通道冷板和所述液冷循环装置对所述功率器件进行散热控制；
26.本发明使用双面散热结构，增加了igbt器件的散热通路，提高了散热效率。
27.本发明使用二级入水口进行流体的二次分配，使流体流速分布更均匀，散热效果分布更均匀。
28.本发明使用固定阀使流体保持单向流动，避免了流体回流影响散热效果，也避免了普通阀门容易故障的缺陷，提高了液冷方案的可靠性，降低了方案的维修成本。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
31.图1是本发明实施例中的水冷方案整体装配图；
32.图2是本发明实施例中双面散热器件的平面示意图；
33.图3是本发明实施例中冷板的三维模型图；
34.图4是本发明实施例中冷板的平面示意图；
35.图5是本发明实施例中盖板的三维模型图；
36.图6是本发明实施例中微泵的三维模型图；
37.图7是本发明实施例中单向固定阀的内部结构图；
38.标号说明：1-igbt器件，11-功率芯片，12-纳米银，13-缓冲层钼柱，14-灌封胶，15-氮化硅陶瓷层，16-铜层，17-金锗，18-连接件，2-冷板，21-入水口，22-出水口，23-入水总流道，24-二级入水口，25-二级出水口，26-鳍片，27-第一螺栓孔，3-盖板，31-第二螺栓孔，4-微泵，41-微泵出水口，42-微泵入水口，43-螺栓孔，44-螺栓孔，45-铜引线，46-单向阀，5-螺栓。
具体实施方式
39.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
40.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
41.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本技术说明书和实施例仅是示例性的。
42.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
43.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
44.实施例一
45.如图1-图7所示，本实施例中提供了一种双面结构的igbt热控制系统，包括：
46.功率器件、微通道冷板和液冷循环装置；其中，所述功率器件的上下表面均通过粘接介质金锗17与所述微通道冷板连接，所述微通道冷板的一侧固定设置有液冷循环装置，通过所述微通道冷板和所述液冷循环装置对所述功率器件进行散热控制。
47.通过钼柱缓冲层，增加igbt器件的机械性能，并实现双桥臂的结构设计，为igbt器件增加了一条散热通路。通过高熔点粘接介质金锗，使igbt器件与冷板紧密结合。通过在微通道冷板内设置二级入水口控制流体流速的均匀性，提高散热效率。选择合适的微泵后在微泵出入水口安装单向固定阀，由于单向固定阀能控制流体流动方向，故安装单向固定阀能抑制流体回流，提高液冷方案的散热效率，且单向固定阀不易损坏，降低了使用成本和维修成本。
48.本实施例采取的技术方案为：一种高效高可靠性的igbt功率模块液冷散热方案，其整体装配如图1所示，包括igbt器件、冷板、盖板、微泵和螺栓，其特征在于：
49.所述igbt器件1，其平面示意图如图2所示，器件分为上下桥两部分，包括十六个碳化硅功率芯片11、纳米银层12、钼柱13、灌封胶14、氮化硅陶瓷层15和上下两层铜层16构成的dbc覆铜板。所述碳化硅功率芯片11，是igbt功率模块的主要发热源，其底部通过纳米银层12与dbc覆铜板的铜层16连接，顶部通过纳米银层12与钼柱13连接，并通过钼柱连接至另一半桥的dbc覆铜板。所述金锗17，主要用于igbt器件覆铜板与冷板2连接。
50.所述igbt器件1，整体呈长方体，覆铜板使用氮化硅陶瓷层和上下两层铜层，灌封胶充满整个器件内部。金锗17和覆铜板尺寸一致。连接件18的材料为铜。
51.所述冷板2，其示意图如图3、图4所示，包括入水口21、出水口22、入水总流道23、出水总流道、二级入水口24、二级出水口25、鳍片26、第一螺栓孔27。所述入水口21，可根据实际需要确定尺寸，为流体流入冷板2的入口，其尺寸可根据实际需要调整。所述入水总流道23和出水总流道，主要用于流体的二次分配。所述鳍片26，将冷板内部空间分为多个微流道，为流体流动提供流道。所述二级入水口24和二级出水口25，将微流道分成几个独立的部分，使流体流速更加均匀。
52.所述冷板2为长方体底板，其长度和宽度略大于igbt器件1的长度和宽度，其下表面与器件覆铜板通过金锗17进行粘接。冷板四周有围起的凸台，为流体流动提供空间。所述鳍片26为薄长方体，鳍片与鳍片保持平行，形成均匀的微流道，鳍片高度与凸台高度保持一致。冷板2和盖板3的材料均为铜。
53.所述冷板2的入水口21和出水口22为直径相同的圆形通孔，入水口21位于冷板2的前侧，出水口22位于冷板2的后侧，入水口21和出水口22位于冷板2的长边的中心线处，且二者关于冷板2的短边的中心线对称。冷板2的二级入水口24和二级出水口25均关于冷板2的短边的中心线对称。
54.所述盖板3，用于将冷板密封，保护流体不被泄露。所述第二螺栓孔31，用于将盖板与冷板底板相连接，形成密封的冷板。
55.所述微泵4，包括两个微泵出水口41、两个微泵入水口42、第三螺栓孔43、螺栓孔44、铜引线45以及四个单向阀46。所述螺栓孔44，用于微泵的安装与固定。所述出水口41，与冷板入水口21连接。所述入水口42，与冷板出水口22连接，形成流体循环。所述铜引线45，用于与外部电机连接，控制微泵流量。所述单向阀46，用于抑制液体回流，提高系统的效率和可靠性。
56.所述微泵4，其入水口41和出水口42与冷板的入水口21、出水口22的直径保持一致。其引线45材料为铜，用于控制微泵流量。螺栓孔43、44为微泵的安装固定结构，配合螺栓5将微泵安装在盖板3上，形成一体化系统。
57.所述螺栓5，用于微泵4与盖板3装配连接。
58.参照图1，本实施例包括功率器件、与功率器件连接且上下对称的两块冷板2和盖板3、与上冷板连接的微泵4以及用于连接的螺栓5。
59.所述功率器件，其结构如图2所示，分为上下两个半桥，每个半桥有八个碳化硅功率芯片，功率芯片一面通过纳米银浆与覆铜板连接，一面通过纳米银浆与钼柱连接，钼柱再通过纳米银浆与另一半桥的覆铜板连接，形成电气连接。器件内部填充高导热灌封胶，使器
件内部绝缘并为器件提供机械支撑。器件通过上下底面的金锗与冷板连接，形成散热通路。
60.所述功率器件，碳化硅功率芯片11在工作时产生热量，一方面热量从底部通过纳米银浆12传导至覆铜板的铜层16，铜层16的热量传导至氮化硅陶瓷17，接着再传导至金锗，由冷板带走热量；另一方面热量从顶部通过纳米银浆12传导至钼柱13，由钼柱13再传导至另一半桥的覆铜板，最后由金锗将热量传导至冷板。此结构有两条主要的散热通路，提高了散热效率。
61.所述冷板2，其结构如图3、和图4所示，采用铝制成，其长宽尺寸略大于igbt器件的长宽尺寸。在其侧面设置有入水口21和出水口22，流体从入水口21流入后，先经过入水总流道23，接着从入水总流道23流入二级入水口24进入由鳍片形成的微流道，从二级出水口25流入出水总流道，最后由出水口22流出冷板。
62.所述盖板3，其结构如图5所示，采用铝制成。其四个边角设有第二螺栓孔31，与冷板2的第一螺栓孔27对齐，用于盖板3与冷板2的对齐装配，形成密封的微流道冷板，供流体流动带走器件产生的热量。
63.所述微泵4，可用市面上已有的微泵，其结构如图6所示。包括两个出水口41，两个入水口42，螺栓孔43、第三螺栓孔44、铜引线45和四个单向阀46。微泵通过铜引线45通电控制微泵工作，流体从出水口41流出，流入至冷板2的入水口21，接着从冷板2的出水口22流出，流回微泵4的入水口42，形成液冷循环。并可在微泵的出水口41和入水口42安装单向阀46，用于抑制液体的回流，提高水冷散热系统的效率。且相对于可动阀门，单向阀的可靠性更高，降低了水冷散热系统的使用成本和维修成本。
64.在本实施例中，将igbt器件1通过金锗17与冷板2连接，接着冷板2和盖板3通过螺栓孔27和31对准并进行连接，形成密封的微通道冷板。将微泵4通过螺栓5与盖板3进行连接固定。安装完成后，使igbt器件1工作，碳化硅功率芯片11产生热量，接着使流体通过微泵4通过出水口41流入冷板2的入水口21，流体通过冷板2带走热量，从冷板2的出水口22流出，进入微泵4的入水口42，形成液冷循环，完成对igbt器件的散热。
65.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种双面结构的igbt热控制系统，其特征在于，包括：功率器件、微通道冷板和液冷循环装置；其中，所述功率器件的上下表面均通过粘接介质与所述微通道冷板连接，所述微通道冷板的一侧固定设置有液冷循环装置，通过所述微通道冷板和所述液冷循环装置对所述功率器件进行散热控制。2.根据权利要求1所述的一种双面结构的igbt热控制系统，其特征在于，所述功率器件为igbt器件(1)，包括上半桥和下半桥；其中，所述上半桥包括dbc覆铜板和若干功率芯片(11)，若干所述功率芯片(11)通过纳米银(12)并排焊接于所述dbc覆铜板一侧，所述dbc覆铜板由依次排列的若干层铜层(16)构成；所述下半桥包括氮化硅陶瓷层(15)和若干功率芯片(11)，若干所述功率芯片(11)通过纳米银(12)并排焊接于所述氮化硅陶瓷层(15)一侧，所述氮化硅陶瓷层(15)的另一侧设置有所述粘接介质；所述上半桥和所述下半桥之间设置多个焊接缓冲结构，所述上半桥和所述下半桥之间的空隙处通过灌封胶(14)填充，每个所述焊接缓冲结构均包括缓冲层钼柱(13)和纳米银(12)，所述缓冲层钼柱(13)的两端通过所述纳米银(12)分别与各个半桥的功率芯片(11)连接；所述连接件(18)设置于所述igbt器件(1)的一侧。3.根据权利要求1所述的一种双面结构的igbt热控制系统，其特征在于，所述微通道冷板包括冷板(2)和盖板(3)；其中，所述盖板(3)固定设置于所述冷板(2)一侧。4.根据权利要求3所述的一种双面结构的igbt热控制系统，其特征在于，所述冷板(2)包括：入水口(21)、出水口(22)、入水总流道(23)、出水总流道、二级入水口(24)、二级出水口(25)、鳍片(26)和多个第一螺栓孔(27)；其中，所述入水口(21)和所述出水口(22)分别设置于所述冷板(2)两侧，多个所述第一螺栓孔(27)设置于所述冷板(2)的四角处；所述入水口(21)和所述出水口(22)的一侧分别设置有所述入水总流道(23)和所述出水总流道，所述入水总流道(23)和所述出水总流道之间设置有二级流道，所述二级流道由若干个均匀排列的鳍片(26)构成，所述二级流道的一侧通过二级入水口(24)与所述入水总流道(23)连接，所述二级流道的另一侧通过二级出水口(25)与所述出水总流道连接。5.根据权利要求3所述的一种双面结构的igbt热控制系统，其特征在于，所述盖板(3)中设置有多个第二螺栓孔(31)，所述盖板(3)的多个所述第二螺栓孔(31)与所述冷板(2)的多个第一螺栓孔(27)对应连接。6.根据权利要求3所述的一种双面结构的igbt热控制系统，其特征在于，所述冷板(2)和盖板(3)的材料为铜和铝中任意一种。7.根据权利要求1所述的一种双面结构的igbt热控制系统，其特征在于，所述液冷循环装置采用微泵(4)，包括：泵体，微泵出水口(41)、微泵入水口(42)、螺栓孔(43)、螺栓孔(44)、铜引线(45)和单向阀(46)；其中，所述泵体通过所述铜引线(45)连接电源，所述泵体侧边设置有若干第三螺栓孔(44)，所述微泵(4)通过螺栓(5)穿过所述第三螺栓孔(44)与所述微通道冷板固连接；
所述微泵出水口(41)和所述微泵入水口(42)均设置有若干个，且每个所述微泵出水口(41)和微泵入水口(42)的一端均设置有单向阀(46)，若干个所述微泵出水口(41)设置于所述泵体上表面，若干个所述微泵入水口(42)设置于所述泵体下表面。8.根据权利要求7所述的一种双面结构的igbt热控制系统，其特征在于，所述微泵出水口(41)与冷板(2)的入水口(21)连接，所述微泵入水口(42)与冷板(2)的出水口(22)连接。

技术总结
本发明属于冷却设备技术领域，并公开了一种双面结构的IGBT热控制系统，包括：功率器件、微通道冷板和液冷循环装置；其中，所述功率器件的上下表面均通过粘接介质与所述微通道冷板连接，所述微通道冷板的一侧固定设置有液冷循环装置，通过所述微通道冷板和所述液冷循环装置对所述功率器件进行散热控制。本发明所述技术方案使用双面散热结构，增加了IGBT器件的散热通路，提高了散热效率。提高了散热效率。提高了散热效率。


技术研发人员：田文超 王永坤 肖宝童 赵静榕 袁凤江
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/8/6