[發明專利]用于電力電子構件的換熱器

有效

• 申請號: 201710013054.5
• 申請日: 2017-01-09
• 公開（公告）號: CN106954366B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: D.托雷斯恩;B.阿戈斯蒂尼;F.阿戈斯蒂尼;T.格拉丁格;M.哈伯特
• 申請（專利權）人: ABB瑞士股份有限公司
• 主分類號: H05K7/20
• 分類號: H05K7/20
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 楊忠;李強

本發明提出了用于具有半導體模塊的電力電子模塊組件的兩相換熱器裝置(100)。兩相換熱器裝置包括：底板(110)，其配置成在底板的第一側(123)處與第一半導體模塊(201)接觸；和用于第一冷卻介質(131)的至少一個管元件(120)，其包括具有至少一個蒸發器通道的第一部分(121)和具有至少一個冷凝器通道的第二部分(122)。底板具有容納管元件的槽(111；112)，其中，槽在尺寸方面設置成允許底板與管元件的第一部分之間的熱接觸，并且，在尺寸方面設置成在底板與管元件的第二部分之間形成間隙(113)，以實現底板與管元件的第二部分的熱分離。

技術領域

本發明大致涉及換熱器。具體地，本發明涉及能夠用于電力電子構件的換熱器。本發明進一步涉及包括換熱器的電力電子模塊組件。

背景技術

在典型的電力電子系統中，諸如離散式或集成式(即模塊型)半導體裝置、電感器、電阻器、電容器以及銅母線之類的電力電子構件極接近地組裝。在所有的設計中，同樣地存在PCB面板和電子控制裝置。在運行的期間，這些構件發散出不同量的熱。另外，這些構件受制于不同水平的溫度。驅動系統的熱管理及集成概念必須考慮出現的溫度范圍。

對于低功率和中等功率的范圍內的電力電子(PE)系統，由于簡單性、穩健性以及低投資成本而導致空氣冷卻是通常使用的解決方案。然而，與水冷卻相比，空氣冷卻在冷卻性能的方面受限制。

另一引人注目的冷卻選擇是無源式兩相冷卻。在此，蒸發器與熱源(典型地，半導體模塊)進行熱接觸。將蒸發的兩相流體引導至冷凝器，從而將熱傳遞至環境空氣，在冷凝器中，流體回到液體狀態。兩相流體的運動由重力、壓力脈動或毛細力驅動，而不使用機械泵。在生產時，填充兩相流體，并且，將冷卻器密封地封閉，以致于在壽命期間，無需維護。

如在空氣冷卻中，在兩相冷卻中，熱最后傳遞至空氣。然而，經由兩相流體的中間步驟避免傳統的基于傳導的空氣冷卻(空氣冷卻式熱沉)中的熱擴散的問題。因此，關于兩相冷卻，與空氣冷卻相比，能夠達到更高的冷卻性能和熱通量。

然而，成本的考慮和具有挑戰性的將兩相系統集成至電力電子系統中并定向的過程制約電力電子系統中的兩相冷卻系統的應用。

發明內容

鑒于上文，提供本發明的兩相換熱器和電力電子模塊組件。

根據本發明的方面，提供用于具有至少一個半導體模塊的電力電子模塊組件的兩相換熱器裝置。兩相換熱器裝置包括：底板，其配置成在底板的第一側處與第一半導體模塊接觸；和用于第一冷卻介質的至少一個管元件，其中，管元件包括具有至少一個蒸發器通道的第一部分和具有至少一個冷凝器通道的第二部分。典型地，底板具有容納管元件的槽。槽在尺寸方面設置成允許底板與管元件的第一部分之間的熱接觸，并且，槽在尺寸方面設置成在底板與管元件的第二部分的至少一部分之間形成間隙，以實現底板與管元件的第二部分的熱分離。

根據本發明的又一方面，電力電子模塊組件包括半導體模塊的堆疊件和夾持于半導體模塊之間的根據本文中所描述的實施例的多個換熱器裝置。

根據本文中所描述的實施例的換熱器允許將兩相換熱器集成至空氣冷卻式電力電子系統(諸如，電力電子變換器)中，具體地，其中半導體布置成堆疊的系統中。動機是能夠以各種方式使用的提高的冷卻性能。例如，可能在恒定的結溫和/或增大的開關頻率(且因此，增加開關損耗)下增大電力電子系統的額定電流(且因此，可能增加損耗)，并且，能夠在恒定的溫度下實現減小的濾波器大小。備選地，在使用根據本文中所描述的實施例的兩相換熱器裝置時，能夠在恒定的額定電流下達到更低的溫度，且因此，能夠達到提高的可靠性和壽命。根據本文中所描述的實施例的兩相換熱器裝置的又一好處可以是，對于固定的結溫，電力電子系統有更高的環境溫度額定值。根據一些實施例，對于固定的結溫，能夠使用降低的空氣流速、風扇功率以及聲學噪聲。另外，與相對地龐大的鋁擠制熱沉相比，能夠實現重量減輕。