[發明專利]一種高功率密度集成PCU模塊及其液冷設計方法

有效

• 申請號: 202011332437.7
• 申請日: 2020-11-24
• 公開（公告）號: CN112437593B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 楊樹;張茂盛;盛況
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H05K7/20
• 分類號: H05K7/20
• 代理公司: 杭州裕陽聯合專利代理有限公司 33289
• 代理人: 田金霞

1.一種高功率密度集成PCU模塊，包括：

液冷散熱器，包括冷卻液、冷卻液入口、冷卻液出口、液冷散熱器腔體和液冷熱沉板，所述冷卻液流動于由液冷散熱器腔體和液冷熱沉板形成的冷卻液流動空間中，由冷卻液入口進入液冷散熱器，并由冷卻液出口流出液冷散熱器；

第一焊料層，位于液冷熱沉板上表面；

多個電路變換功能模組，位于第一焊料層上方，每個電路變換功能模組包括多個基本功率變換單元，所述基本功率變換單元的電路拓撲結構為由上下兩個橋臂串聯組成的半橋拓撲結構，上橋臂或者下橋臂均包括DBC結構、第二焊料層、功率芯片、金屬引線、功率電極，其中：

DBC結構，位于第一焊料層上表面；

第二焊料層，位于DBC結構的上表面；以及

功率芯片，位于第二焊料層上表面，其中所述功率芯片工作中產生的熱量由功率芯片自身開始通過第二焊料層、DBC結構、第一焊料層和液冷熱沉板傳輸到冷卻液，并通過冷卻液的流動將熱量傳出液冷散熱器；所述功率芯片的熱量不能被及時傳出液冷散熱器時功率芯片的溫度將會升高并形成一個趨于穩定的溫度，功率芯片此時的溫度為結溫；

所述結溫與液冷散熱器腔體冷卻液入口處冷卻液溫度的差值為溫度累積，所述溫度累積包括與由功率芯片自身到冷卻液的熱量傳輸路徑相關的溫度累積、與冷卻液流動相關的溫度累積；

所述與由功率芯片自身到冷卻液的熱量傳輸路徑相關的溫度累積是指熱量由功率芯片向冷卻液傳遞的熱量傳輸路徑的熱阻引起的溫度累積；所述與冷卻液流動相關的溫度累積是指冷卻液在冷卻液流動空間里由液冷液入口向冷卻液出口流動中因路徑上存在來自于其他功率芯片的傳輸熱量而引起的局部冷卻液額外升溫相關的溫度累積；

所述同一個電路變換功能模組內部上橋臂中結溫最高的功率芯片僅與冷卻液流動相關的溫度累積減去下橋臂中結溫最高的功率芯片僅與冷卻液流動相關的溫度累積的差值約等于零；以及

第一功率芯片僅與冷卻液流動相關的溫度累積減去第二功率芯片僅與冷卻液流動相關的溫度累積的差值約等于零：所述第一功率芯片是指冷卻液流動路徑起始位置附近緊挨冷卻液入口的電路變換功能模組所對應的橋臂中結溫最高的功率芯片，所述第二功率芯片是指冷卻液流動路徑終止位置附近緊挨冷卻液出口的電路變換功能模組所對應的橋臂中結溫最高的功率芯片。

2.如權利要求1所述的PCU模塊，其中各基本功率變換單元在第一焊料層上方平行布置，其底部基準均位于同一個平面內，該平面和第一焊料層的頂部平面為同一平面，各基本功率變換單元之間使用母排實現互聯。

3.如權利要求1所述的PCU模塊，其中所述液冷散熱器還包括：液冷熱沉板深入冷卻液流動空間的長條狀凸起結構和柱狀凸起結構，其中長條狀凸起結構相互之間的間距不小于柱狀凸起結構相互之間的間距，長條狀凸起結構和柱狀凸起結構相鄰的區域里長條狀凸起結構與冷卻液流動方向垂直且正對柱狀凸起結構的面的面積小于長條狀凸起結構中與該面平行的其他任意位置的橫截面的面積，柱狀凸起結構相互之間在與長條狀凸起結構平行方向的間距不超過與長條狀凸起結構垂直方向的間距。

4.如權利要求3所述的PCU模塊，其中所述柱狀凸起結構在液冷熱沉板的布局區域和功率芯片熱阻較大的局部區域相對應，或者和同一電路變換功能模組內部功率芯片熱阻差異較大的局部區域相對應，所述長條狀凸起結構在液冷熱沉板的布局區域和需要加快冷卻液流動效率的冷卻液流動空間的局部區域相對應。

5.如權利要求1所述的PCU模塊，其中

冷卻液在冷卻液流動空間的最高溫度低于冷卻液自身的沸點；

功率芯片的最高結溫低于功率芯片自身所允許的最高溫度；以及

冷卻液在冷卻液流動空間內的最高壓力低于散熱器腔體能夠承受的最大壓力或者低于某一個設定的值。