CN102770006A - 液体冷却的功率半导体模块 - Google Patents

Abstract

描述一种液体冷却的功率半导体模块（1）。该功率半导体模块（1）具有电绝缘的壳体（11），在该壳体中布置有如下冷却装置（13）以及功率电子子系统（12），该冷却装置具有用于冷却液体的冷却液体入口（131）和冷却液体出口（133），其中，冷却装置（13）具有冷却室（132），在该冷却室中功率电子子系统（12）与冷却液体形成热接触。

Description

液体冷却的功率半导体模块

技术领域

本发明涉及一种液体冷却的功率半导体模块。

背景技术

液体冷却的功率半导体模块已公知，其中液体冷却在高电流密度的情况下导致半导体器件中出现的损耗热可靠地导出。

在DE 102 05 408 A1中描述了一种半导体模块，其布置在壳体中，该壳体在一侧上通过液体冷却的冷却体封闭。

在DE 60 2005 006 310 T2中描述了流量分配模块，其设置用于分配液体的、经由有待冷却的表面的流量。此外如下地设置，即，多个这样的模块被堆叠。该流量分配模块具有用于有待冷却的半导体衬底的容纳空间，其中在流量分配模块的壳体中设置有用于容纳电连接端子的孔。这样通过将流量分配模块与半导体衬底的彼此堆叠可以构建液体冷却的半导体模块。

发明内容

本发明的任务是建立一种具有功率电子装置的、改进的液体冷却的功率半导体模块，该功率半导体模块使得，能够简单地构建由功率半导体模块构成的功率电子装置。

根据本发明，该任务借助权利要求1的主题来解决。提出了一种液体冷却的功率半导体模块，其中如下地设置，即，功率半导体模块具有电绝缘壳体，在该壳体中布置有冷却装置（该冷却装置具有用于冷却液体的冷却液体入口和冷却液体出口）以及功率电子子系统，其中冷却装置具有冷却室，在所述冷却室中功率电子子系统与冷却液体形成热接触。

通过有待冷却的功率电子子系统和液体流经的冷却装置在壳体中的布置获得了特别是较简单的结构，其中该功率电子子系统和该冷却装置通过壳体而在运输、安装和运行中受到最佳地保护。功率电子子系统可以是半桥电路，该半桥电路特别是在级联布置中适于使用在风力设备中。

可以如下地设置，即，冷却装置由电绝缘的材料构造。冷却装置例如可以构造为由热塑性塑料构成的、借助压铸制造的塑料体。

但也可以如下地设置，即，冷却装置由金属或由金属合金构造。冷却装置例如可以由铝合金构造。

可以如下地设置，即，功率电子子系统的控制接头构造为接触弹簧，该接触弹簧在压力下贴靠在控制电路板的触点上。由此产生了特别易于安装的结构，其中可以取消用于将控制接头彼此连接和/或与控制模块连接的钎焊或焊接作业。

控制电路板可以具有电印制导线，该电印制导线将控制电路板的触点与电插接器的接触元件连接，所述电插接器布置在控制电路板的端部区段处。

控制电路板的电插接器可以构造为内置式插头和/或插座。当控制接头划分到多于一个的插接器上（例如到两个插接器上）时，则在一个插接器构造为内置式插头而另一个插接器构造为插座的情况下可以获得极性反接保护。

可以如下地设置，即，冷却液体入口和冷却液体出口以及电插接器布置在功率半导体模块的端面上。于是得到了特别易于安装的结构，因为在安装步骤中不仅可以建立用于冷却液体的连接而且可以建立用于传输控制信号的电连接。

进一步可以如下地设置，即，在壳体中还布置有电容器，该电容器与内部直流接头电连接。该电容器可以设置为保护电容器和/或滤波电容器。

所述电容器可以有利地与冷却装置热接触。这样，电容器可以设置有更小的结构形状，并且/或者所述电容器的使用寿命可能由于热负荷减小而提高，从而使得功率半导体模块具有提高的可靠性。

可以如下地设置，即，内部直流母线（Gleichspannungsverschienung）将内部直流接头彼此连接并且与电容器和外部直流接头连接。类似布置也可以设计用于交流接头。

可以设置如下功率电子装置，该功率电子装置包括多个前面所描述的功率半导体模块和外部冷却装置，在该外部冷却装置上并排地布置有功率半导体模块，并且所述外部冷却装置具有用于冷却液体的第一通管和第二通管，其中，模块侧的冷却液体入口与第一通管、并且模块侧的冷却液体出口与第二通管液体密封地连接，或者反过来。

在一个优选的构造中，功率半导体模块在冷却剂环路中并联。但也可以如此地构造通管，使得功率半导体模块在冷却剂环路中串联。

功率电子装置还可以包括控制模块。该控制模块在最简单的情况下可以将外部线路分配到功率半导体模块上。但也可以如下地设置，即，控制模块具有电子控制电路，该电子控制电路控制和监控例如功率半导体模块的运行。

可以如下地设置，即，外部冷却装置具有导线通道，在该导线通道中布置有总线印刷电路板，该总线印刷电路板具有插接器，该插接器可以与功率半导体模块的控制插接器连接，并且可以与控制模块的控制插接器连接。

功率半导体模块可以在放置到外部冷却装置上之后经由插接器在控制侧彼此连接并且与控制模块连接。

在具有基本上方形结构的功率半导体模块的一个特别有利的三维设计方案中，在功率半导体模块的底侧上布置有用于控制功率半导体模块的电插接器以及模块侧的冷却液体入口和模块侧的冷却液体出口，并且在两个彼此对置的端侧上布置有直流接头和交流接头，用于将功率半导体模块接入到功率电流回路中。在液体冷却装置上，紧密地布置有具有朝向彼此的侧面的功率半导体模块。由此也是在这样构成的功率电子装置中，直流接头布置在其中一侧上，并且交流接头布置在另一侧上，由此可以特别简单地进行例如功率半导体模块的级联。在该结构中，作为另外的优点达到了，辅助接头（也就是控制接头）和负载接头（也就是直流接头和交流接头）布置在功率半导体模块的不同的侧面上，并且因此有效地去耦合。

附图说明

现在借助实施例更为详细地阐述本发明。其中：

图1以透视示图示出根据本发明的功率半导体模块的一个实施例；

图2示出具有已安放的控制电路板的图1中的功率半导体模块；

图3示出由图1中的功率半导体模块构建的功率电子装置；

图4以透视示图示出了功率半导体模块的第二实施例；

图5a示出从直流接头来观察的图4中的功率半导体模块；

图5b示出从交流接头来观察的图4中的功率半导体模块。

具体实施方式

图1示出了部分构建的功率半导体模块1，该功率半导体模块在所示的例子中在一个壳体11中（参见图3）具有四个功率电子子系统12，所述四个功率电子子系统布置在共同的冷却装置13上。四个子系统12以每两个子系统彼此对置的方式布置在壳体11中。功率电子子系统12可以是半桥电路，例如用于在风力设备中使用。

冷却装置13由电绝缘的塑料构成。冷却装置13具有构造为分配通道的用于冷却液体的输入区段和构造为汇集通道的用于冷却液体的输出区段。输入区段和输出区段彼此平行地布置。在这两个区段之间布置有四个槽式的冷却室132，其槽开口分别由有待冷却的功率电子子系统12的衬底覆盖。在包围槽开口的端面与功率电子子系统12的朝向冷却室132的衬底表面之间布置有环形的密封元件（在图1中未示出），该密封元件例如可以布置在所配属的冷却室132的端面中的环绕的槽中。

冷却液体在模块侧的冷却液体入口131中在输入区段的输入口处进入冷却装置13并且从那里流入四个冷却室132中，在所述四个冷却室中冷却装置与功率电子子系统11的半导体器件的衬底达到直接接触。在该优选的构造中前提条件是，冷却液体是不导电的。由冷却室132出来的受热的冷却液体在冷却装置13的输出区段中汇集并且在模块侧的冷却液体出口133处出来。

可以如下地设置，即，多个这样的功率半导体模块1布置在外部冷却装置2上，如以下在图3中进一步描述的那样。

功率电子子系统12具有交流接头121、两个内部直流接头122和外部直流接头123（参见图3）。内部直流接头122借助内部直流母线122v（参见图3）彼此连接并与电容器122k和外部直流接头123连接。

电容器122k成对地安装到冷却块134，所述冷却块与冷却装置13形成热连接或是冷却装置13的部件。

功率电子子系统12具有控制接头124，该控制接头构造为接触弹簧并且在压力下贴靠在布置在控制接头124上的控制电路板125（参见图2）的触点上。控制电路板125具有电印制导线，所述电印制导线将控制接头124与内置式插头126的接触弹簧连接，所述内置式插头布置在控制电路板125的、朝向冷却液体入口131或冷却液体出口133的端侧处。与子系统12的数目相应地，在壳体11中彼此对置地布置有两个控制电路板125，如在图2中可看到的那样。两个控制电路板125中的每个都与两个子系统12的控制接头124连接。

图3示出了由多个功率半导体模块1构成的功率电子装置4。在图3所示的实施例中，功率电子装置4包括至多六个液体冷却功率半导体模块1，所述液体冷却功率半导体模块并排地布置在外部冷却装置2的安装面上，其中在图3中示出了四个功率半导体模块1。

外部冷却装置2于是同时构造为用于功率半导体模块1的安装平台。

冷却装置2基本上板状地构造并且由用于冷却液体的第一通管21和第二通管22穿透。所述两个通管21和22彼此平行地布置。通管21、22具有导入区段或导出区段，所述导入区段或导出区段汇入外部冷却装置2的上侧处的冷却液体出口或冷却液体入口，并且与功率半导体模块1的（第一通管21的）冷却液体入口131或（第二通管22的）冷却液体出口133液体密封地连接。以此方式将并排布置在外部冷却装置2上的功率半导体模块1并联在冷却环路中。

外部冷却装置2接入了未示出的冷却环路中，冷却液体在该冷却环路中循环，其中冷却液体抽取吸收到液体冷却的功率半导体模块1中的热量。经冷却的冷却液体流入第一通管21中，并且在功率半导体模块1中受热的冷却液体由第二通管22流出。

在冷却液体入口131的端侧与第一通管21的所配属的冷却液体出口的端侧之间以及在冷却液体出口133的端侧与第二通管22的所配属的冷却液体入口的端侧之间可以布置密封元件。例如可以是由橡胶弹性材料构成的密封元件。在功率半导体模块1已安装的状态中，密封元件被挤压向外部冷却装置2的上侧，并且因此在功率半导体模块1与外部冷却装置2之间构成液体密封。相对应的冷却液体入口和出口连同密封元件一起构成可拆卸的冷却剂连接装置。但也可以如下地设置，即，密封元件构造为粘合剂层，由此造成了不可拆卸的或可有条件拆卸的冷却剂连接装置。

为了在功率半导体模块1与外部冷却装置2之间进行可拆卸的连接，可以设置固定螺栓，所述固定螺栓例如穿透冷却装置2的穿通孔并且嵌接到冷却装置13的螺纹盲孔中。在拧紧固定螺栓时挤压密封元件。

在外部冷却装置2上还布置有控制模块3，该控制模块控制功率半导体模块1。为了与控制半导体模块1电连接，设置有条状的总线印刷电路板31，该总线印刷电路板布置在穿透冷却装置2的导线通道23中。在总线印刷电路板31上布置有插座311，所述插座的触点通过印制导线彼此连接，其中，与所选择的总线系统相应地并联连接插座311。插座311容纳更前面描述的、功率半导体模块1的内置式插头126，从而使得功率半导体模块1的控制接头124接到总线系统上。

图4以及5a和5b示出功率半导体模块1的第二实施例。

如在图4中可看到的那样，布置有四个外部直流接头123，其中优选正接头和负接头成双地构造并且以两个彼此重叠的行的形式如此地布置，使得在两个相邻的功率半导体模块1中，外部直流接头123可以以最短路径彼此连接以便构造串联电路（也参见图5a）。

图5b示出了从外部交流接头127观察的功率半导体模块1。

由图4、5a和5b了解到所选的三维设计方案的优点：在功率半导体模块1的底侧上布置有构造为内置式插头126的、用于控制功率半导体模块1的电插接器，以及布置有模块侧的冷却液体入口131和模块侧的冷却液体出口133，并且在两个彼此对置的端侧上布置有外部直流接头123以及外部交流接头127。在外部冷却装置2上紧密地布置有具有朝向彼此的侧面的功率半导体模块1（参见图3和图5a、5b）。

在图4和图5所示的实施例中，不仅外部直流接头123而且外部交流接头127构造为螺纹盲孔，固定螺栓可以旋转入该螺纹盲孔中以便建立电的螺栓连接。

附图标记表

1功率半导体模块

11壳体

12功率电子子系统

121交流接头

122内部直流接头

122k电容器

122v内部直流母线

123外部直流接头

124控制接头

125控制电路板

126内置式插头

127外部交流接头

13冷却装置

131冷却液体入口

132冷却室

133冷却液体出口

134冷却块

2外部冷却装置

21第一通管

22第二通管

23导线通道

3控制模块

31总线印刷电路板

311插座

4功率电子装置

Claims (12)

1.液体冷却的功率半导体模块（1），其特征在于，所述功率半导体模块（1）具有电绝缘的壳体（11），在所述壳体中布置有冷却装置（13）以及功率电子子系统（12），所述冷却装置具有用于冷却液体的冷却液体入口（131）和冷却液体出口（133），其中，所述冷却装置（13）具有冷却室（132），在所述冷却室中所述功率电子子系统（12）与所述冷却液体形成热接触。

2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述冷却装置（13）由电绝缘的材料构造。

3.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述冷却装置（13）由金属或由金属合金构造。

4.根据上述权利要求之一所述的功率半导体模块，其特征在于，所述功率电子子系统（12）的控制接头（124）构建为接触弹簧，所述接触弹簧在压力下贴靠在控制电路板（125）的触点上。

5.根据上述权利要求之一所述的功率半导体模块，其特征在于，在所述壳体（11）中还布置有电容器（122k），所述电容器与内部直流接头（122）电连接。

6.根据权利要求5所述的功率半导体模块，其特征在于，所述电容器（122k）与所述冷却装置（13）形成热接触。

7.根据权利要求5或6所述的功率半导体模块，其特征在于，内部直流母线（122v）将所述内部直流接头（122）彼此连接并与所述电容器（122k）和与外部直流接头（123）连接。

8.功率电子装置（4），所述功率电子装置包括多个根据权利要求1至7之一所述的功率半导体模块（1）和外部冷却装置（2），在所述外部冷却装置上，所述功率半导体模块（1）并排地布置，并且所述外部冷却装置具有用于冷却液体的第一通管（21）和第二通管（22），其中，模块侧的液体入口（131）与所述第一通管（21）液体密封地连接，并且模块侧的冷却液体出口（133）与所述第二通管（22）液体密封地连接。

9.根据权利要求8所述的功率电子装置，其特征在于，所述功率半导体模块（1）并联在冷却剂环路中。

10.根据权利要求8或9所述的功率电子装置，其特征在于，所述功率电子装置（4）还包括控制模块（3）。

11.根据权利要求8或9所述的功率电子装置，其特征在于，所述外部冷却装置（2）具有导线通道（23），在所述导线通道中布置有总线印刷电路板（31），所述总线印刷电路板具有插接器（311），所述插接器能够与所述功率半导体模块（1）的控制插接器（126）和与所述控制模块（3）的控制插接器连接。

12.根据权利要求11所述的功率电子装置，其特征在于，所述功率半导体模块（1）在安放到所述外部冷却装置（2）上之后经由所述插接器（126，311）在控制侧彼此连接并且与所述控制模块（3）连接。

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