专利名称：Igbt的冷却方法
技术领域：
本发明涉及功率电子器件领域。更特别地，本发明包括一种用于冷却发热功率电子器件(例如绝缘栅极双极晶体管(IGBT))的方法。
背景技术：
在过去的二十年中，IGBT变得日益普遍。这类器件的第三代已经变得非常高效、快速、坚固耐用，使得它们已经取代了更多的传统高功率开关器件。通过并联连接十二个或更多个的单独的栅极，IGBT处理相对高的功率密度。这类器件的增大的功率密度使得传统的电子冷却策略即便没有超出其极限，也已经达到了其极限。图I示出了包含有IGBT的典型电路板。在这个特定的示例中，IGBT板10包含了 24个单独的IGBT 12。这些IGBT通过使用板迹线、跳线布线、和/或其它合适的导电器件进行连接。所述IGBT板被连接至控制电路以便控制开关操作。还提供有功率输入及输出导线。然而，本领域技术人员已知，该器件中产生的大部分热量源于每个单独的IGBT之中。尽管本发明决不限制于任何特定尺寸或配置的IGBT，但是其可以用于读者理解器件的规模。如图I中所示的IGBT可能的尺寸为约8mm的正方形及仅I. 5mm的厚度。在该小体积内将产生大量的热量。如果其能被充分地冷却，那么IGBT会具有极好的寿命。从这样小的体积移除热量是一种挑战。图2和3描绘了用于功率电子器件的传统冷却方法。图2示出了附接在热沉18上的IGBT板10的正视图。IGBT通常在200V至600V的范围内切换电压。IGBT板必须具有适当的绝缘特性。这些板通常由陶瓷构成。单独的IGBT被“构建”在陶瓷基底朝上的表面上(参考视图中示出的方向)。IGBT通常使用电子器件制造领域的技术人员熟知的掩膜及沉积方法生成。图2示出了包括陶瓷基底14的IGBT板，IGBT 12在该陶瓷基底14的上表面上，并且铜板16沉积在该陶瓷基底14的下表面上。方向术语“上”和“下”参考视图中示出的取向。读者会想到一些不同取向(包括垂直方向)的电路板。因此，对于IGBT板两侧的更通用的术语，如图2中示出的上表面称为“IGBT侧”，而下表面称为“背侧”。通常增设铜板16以改善IGBT板的背侧与热沉18之间的热传导。研究这种结构，读者会认识到一个重要的问题。热量是在IGBT板的IGBT侧上产生的，而主要的热量移除器件位于背侧。由IGBT产生的热量在到达散热器件之前必须行进通过陶瓷基底。图3示出了一种用于增大热量移除效率的已知方法。热沉24包括多个冷却剂通道26，使冷却剂(例如水或冷却气体)通过这些冷却剂通道26。保持支架20包括多个指22，所述指将IGBT板牢固地按压在热沉24上。当然，由IGBT产生的热量在其可以被热沉 24耗散之前仍然必须通过陶瓷基底。因此，无论在IGBT板的背侧上热沉24具有多好的散热性能，在该IGBT中(并因而在该IGBT板的IGBT侧上)出现的温度尖峰将持续一段显著的时间。这一事实表明了现有冷却技术的重大问题。在对本发明进行讨论之前，读者可能希望了解一些关于通常在IGBT板的紧邻区域中设置的组件的更多细节(因为在设计冷却器件时，必须考虑这些器件)。图4示出了对功率开关器件的极大简化图。IGBT板10位于热沉24上。保持支架20在适当位置支撑该IGBT板。该保持支架通常包括用于低功率开关信号和高功率开关信号的电连接。控制电子器件板28提供用于控制每一个单独的IGBT选通功能的低功率开关信号。其优选地位于该IGBT板附近。在实际的功率开关器件中将包括更多的组件，包括输入和输出功率线以及包围的外壳。由于这些组件相对于本发明没有特别重要的意义，因此未示出它们。如图4中所示，通常并联连接2个或更多个组件以便增大电流容量。单个外壳可包含四个或更多个的这种组件。之后，单个控制电子器件板可“供给”所有IGBT板
发明内容
本发明是一种用于冷却例如IGBT的功率电子器件的方法。该方法包括将IGBT板放置在外壳结构中，以及利用循环液体制冷剂填充该外壳。该液体制冷剂在该外壳内沸腾，并且之后移除所产生的气体，以便在热机内持续循环。该制冷剂的相变提供了极好的冷却特性。另外，将冷却媒介直接放置在IGBT自身上的能力表现出显著的优势。
图I是透视图，示出代表性的现有技术的IGBT板。图2是正视图，示出附接至热沉的现有技术的IGBT板。图3是正视图，示出附接至具有内部冷却通道的热沉的现有技术的IGBT板。图4是透视图，示出在IGBT板的紧邻区域中通常设置的组件的简化示图。图5是透视图，示出在本发明中使用的代表性冷却外壳。图6是正视图，示出IGBT板及相关组件被放置在该冷却外壳中并被冷却剂淹没。图7是切去一部分的透视图，示出向该冷却外壳添加的蛇形冷却剂通道。图8是具有局部截面的正视图，示出该蛇形冷却剂通道相对于IGBT板的位置。图9是切去一部分的透视图，示出向该冷却外壳添加的平行冷却剂通道。图10是具有局部截面的详细正视图，示出该平行冷却剂通道相对于IGBT板的位置，以及另外在IGBT板的IGBT侧上可选地包括平行冷却剂通道。图11是透视图，示出保持支架的另选实施例，所述保持支架包括流体通路和喷射器。图12是具有局部截面的正视图，示出图11中的另选保持支架如何冷却IGBT。图13是正视图，示出配置用于垂直取向的IGBT板的冷却外壳。附图中的附图标记10IGBT 板12 IGBT
14陶资基底16铜板
18热沉20保持支架
22指24热沉
26冷却通道28控制电子器件板
30外壳32盖部
34冷却剂入口36底座
37冷却剂出口38壁 40电磁阀42液面传感器
44临界液面传感器46蛇形通道
48进料通道50通道出口
52横向流动通道54支架通道
56另选保持支架58冷却剂入口
60冷却剂集管62喷射器
具体实施例方式本发明提出通过使用沸腾的制冷剂淹没IGBT板而冷却IGBT板。因此必须在该IGBT板周围提供壳体以容纳液体制冷剂。可以想出无限种形式的这种壳体。然而，出于提供示例性实施例的目的，图5示出了具有对应盖部32的外壳30。设置冷却剂入口 34以允许液体制冷剂进入。设置冷却剂出口 37以排出气态制冷剂。在示出的特定示例中，外壳30包括底座36和周围的壁38。图6示出使用图5的外壳的完整细件。IGBT板10被放置在底座36上并由保持支架20保持在合适的位置。控制电子器件板28被附接到该保持支架或其它某种合适的固定装置上。使用例如电磁阀、电子膨胀阀或调温阀的计量装置控制该液态制冷剂向该外壳的流动。在图6示出的例子中，电磁阀40控制该流动。使用传感元件感测在外壳中制冷剂的液面，之后使用该信息来调节该计量装置。液面传感器42是能够完成这一目的的一种示例。在这个特定示例中，液面传感器42是当其被液体制冷器覆盖时能够改变状态的器件。该信息被馈送给控制系统，控制系统调整该制冷剂计量装置。使用的制冷剂优选为已知的制冷剂，例如在HVAC系统中使用的制冷剂。选择的制冷剂应该具有高的导热性以及低的导电性。其还必须不会使外壳中的电子组件明显劣化(无论在液态或气态中)。R_134a是一种合适的示例。制冷剂在传统的冷却循环中循环，所述传统的冷却循环通常包括压缩机、蒸发器、冷凝器以及其它组件。图6中示出的该外壳用作蒸发器。液体制冷剂被泵入，直至液面传感器42的水平。该功率电子器件提供的热量使制冷剂沸腾并将其转化为气体。该气体通过冷却剂出口 37排出，并直接地或间接地返回至该压缩机。
当该液体制冷剂的水平降到该液面传感器42之下时，电磁阀40打开，并泵入更多的液体制冷剂。这种系统中的压缩机也可以通过电磁阀的操作而触发，使得压缩机仅在新的制冷剂被泵入时运行。另一方面，一些实施例可使用大得多的HVAC系统的龙头或辅助回路。在这样的实施例中，压缩机可独立于电磁阀的操作而操作。优选地保持液体制冷剂 覆盖IGBT以便最小化温度峰值。设置临界液面传感器44以检测用于安全操作的制冷剂的最低水平。在一些应用中，该IGBT将在很长的时段内保持闲置。在这些时段内制冷剂的流动将停止，并且该外壳中最终将没有液体制冷剂。当IGBT开始恢复工作时，它们将不具有液体制冷剂的冷却效果。因此，它们优选地以有限的功率水平运行，直至该制冷剂的流动可以开始。一旦IGBT在液体制冷剂的覆盖之下，可以快速升高该功率水平。临界液面传感器44是可用来从低功率启动程序转换到高功率操作的传感技术的一个示例。一旦其感测到该外壳已被填充至其水平位置的情况，则开始转换。图6中的简单填充的外壳提供了显著增强的冷却。可以增加辅助特征以进一步增强该冷却。图7示出了一种修改后的外壳30，其包含蛇形通道46。在所示出的实施例中，该蛇形通道的顶部被IGBT板自身封闭，该蛇形通道位于底座36上。冷却剂入口 34将液体制冷剂馈送给蛇形通道，其中该液体制冷剂线性流动直至到达通道出口 50。在通道出口，该液体制冷剂溢出并填充该外壳，直至液面传感器42的水平。在另一实施例中，可将该IGBT板反转，使得该IGBT自身向下伸入蛇形通道中。在又一实施例中，蛇形通道可完全封闭在底座本身中，并且图7中示出的流动方向可以反转。图8是具有通过外壳的截面的完整组件的正视图，用以示出蛇形通道的位置。读者将观察到蛇形通道46的每个横向通路如何在IGBT 12的正下方通过。读者也将观察到IGBT板自身如何构成该蛇形通道的顶部。使用这种改进增加了从IGBT板背侧移除的热量。从IGBT侧移除的热量直接到达沸腾的制冷剂本身。图9示出了从IGBT板背侧移除热量的另一种方法。使用了多个平行的横向流动通道(cross flow channel) 52。每个通道从冷却剂入口独立地供给，并且每个通道终止于其自身的通道出口 50。图10示出了这些横向流动通道52的部分正视图，其中IGBT板12布置在适当的位置。读者将观察到每个横向流动通道如何位于IGBT的正下方。图10还示出了另一个细节。保持支架20已经修改成包括在IGBT的正上方通过的多个平行的支架通道54。液体制冷剂被供给至修改后的保持支架，并且使液体制冷剂沿垂直于纸面的方向流过保持支架54。因此，在这个实施例中，该IGBT板的IGBT侧和背侧两者都被有效地冷却。图11示出了又一种冷却该IGBT的方法。另选的保持支架56包括冷却剂入口 58。内部通路将该冷却剂入口 58连接至多个冷却剂集管60。每个冷却剂集管又包括多个喷射器60。每个喷射器位于一个IGBT的正上方。图12是另选保持支架56位于IGBT板上的适当位置的截面正视图。读者将观察到每个喷射器62如何迫使液体制冷剂直接撞击IGBT。撞击IGBT之后，液体制冷剂向外流入浸没的外壳中。在这个实施例中，还可以减少使用制冷剂的填充，并省略外壳的浸没。喷射器可以以一定的速度直接向IGBT上喷射制冷剂，使得该制冷剂蒸发而在外壳的底部不会留下任何大量的液体制冷剂。
这些说明性示例说明了可以如何使用多种设计来将液体制冷剂传送至IGBT上或其附近，以及填充外壳。还有很多其它可行方案没有示出。作为一个附加示例，图13示出了非常适于垂直取向的IGBT板的配置。该配置非常适于车辆应用，其中考虑了由于车辆运动而引起的液体制冷剂的晃动。冷却剂入口 34选择性地向外壳填充液体制冷剂，直至液面传感器42的水平位置。随着制冷剂沸腾，气态制冷剂通过冷却剂出口 37排出。读者将注意到，在这个实施例中，控制电子器件板28浸入液体制冷剂中。这对于所示出的所有实施例都是可行的(取决于设计中选择的填充的高度)。另一方面，在一些实施例中，可能期望将控制电子器件板放置在外壳外部，并使该控制电子器件板与该IGBT板之间的电连接通过该外壳。尽管IGBT被用作需要冷却的功率电子器件的示例，但是本发明绝不限于这些器件。其可以被应用到MOSFET或其它产生热量的功率电子器件(包括仍在研发的功率电子器件)。尽管上述描述中包含了重要的细节，但其不应解释为对本发明范围的限制，而是 提供对本发明优选实施例的说明。作为示例，外壳可以使用很多不同的形状。因此，本发明 的范围应由权利要求书限定，而非由所给出的示例限定。
权利要求
1.一种在运行期间冷却IGBT的方法，包括 a.提供至少ー个IGBT； b.提供外壳； c.将所述至少ー个IGBT放置在所述外壳中； d.提供制冷剂，所述制冷剂被选择成具有合适的沸点，使得由所述至少ー个IGBT在运行期间产生的热量将使得所述制冷剂沸腾； e.使用所述制冷剂填充所述外壳，使得所述至少ー个IGBT被浸没在所述制冷剂中；以及 f.调节在所述外壳中的所述制冷剂的量，使得所述至少ー个IGBT在运行期间保持被浸没。
2.如权利要求I所述的冷却IGBT的方法，其中所述调节在所述外壳中的所述制冷剂的量的步骤是通过提供用于调节所述制冷剂流向所述外壳的阀门来实现的。
3.如权利要求I所述的冷却IGBT的方法，进ー步包括 a.将所述至到少ー个IGBT安装在IGBT板上，所述IGBT板具有IGBT侧和背侧； b.在所述外壳中提供底座；以及 c.将所述IGBT板放置在所述底座上，使得所述背侧面对所述底座。
4.如权利要求3所述的冷却IGBT的方法，进ー步包括 a.在所述底座中设置通道，使得所述通道的一部分与所述IGBT板的所述背侧相接触；以及 b.迫使冷却剂通过所述通道。
5.如权利要求4所述的冷却IGBT的方法，其中所述通道被划分为多个横向流动通道。
6.如权利要求4所述的冷却IGBT的方法，其中所述通道采用蛇形形式。
7.如权利要求3所述的冷却IGBT的方法，进ー步包括 a.提供具有至少ー个喷射器的冷却剂集管； b.迫使冷却剂通过所述冷却剂集管并从所述喷射器喷出；以及 c.将所述冷却剂集管设置成使得所述喷射器将冷却剂引导至所述IGBT上。
8.如权利要求3所述的方法，其中所述IGBT板沿水平取向放置。
9.如权利要求3所述的方法，其中所述IGBT板沿垂直取向放置。
10.如权利要求4所述的方法，其中所述IGBT板沿水平取向放置。
11.如权利要求4所述的方法，其中所述IGBT板沿垂直取向放置。
12.如权利要求5所述的方法，其中所述IGBT板沿水平取向放置。
13.如权利要求5所述的方法，其中所述IGBT板沿垂直取向放置。
14.如权利要求6所述的方法，其中所述IGBT板沿水平取向放置。
15.如权利要求6所述的方法，其中所述IGBT板沿垂直取向放置。
16.如权利要求7所述的方法，其中所述IGBT板沿水平取向放置。
17.如权利要求7所述的方法，其中所述IGBT板沿垂直取向放置。
18.一种在运行期间冷却多个IGBT的方法，包括 a.提供多个IGBT； b.将所述多个IGBT安装到公共IGBT板上，所述IGBT板具有IGBT侧和背侧；C.提供外壳； d.将所述IGBT板放置在所述外壳中； e.提供制冷剂，所述制冷剂被选择成具有合适的沸点，使得由所述多个IGBT在运行期间产生的热量将使得所述制冷剂沸腾； f.使用所述制冷剂填充所述外壳，使得所述多个IGBT被浸没在所述制冷剂中；以及 g.调节在所述外壳中的所述制冷剂的量，使得所述多个IGBT在运行期间保持被浸没。
19.如权利要求18所述的冷却IGBT的方法，进ー步包括 a.在所述外壳中提供底座； b.将所述IGBT板放置在所述底座上，使得所述背侧面对所述底座； c.在所述底座中提供通道，使得所述通道的一部分与所述IGBT板的所述背侧相接触；以及 d.迫使冷却剂通过所述通道。
20.如权利要求18所述的冷却IGBT的方法，进ー步包括 a.提供具有多个喷射器的冷却剂集管； b.迫使冷却剂通过所述冷却剂集管并从所述喷射器喷出；以及 c.将冷却剂集管放置成使得所述喷射器将冷却剂引导至所述IGBT上。
全文摘要
一种用于冷却例如IGBT的功率电子器件的方法。该方法包括将IGBT板放置在外壳结构中，以及使用循环的液体制冷剂填充该外壳。该液体制冷剂在该外壳内沸腾，并且之后移除所产生的气体，以便在热机内持续的循环。该制冷剂的相变提供了极好的冷却性能。另外，将冷却媒介直接放置在IGBT自身上的能力表现出明显的优势。
文档编号H01L23/34GK102714193SQ201080054140
公开日2012年10月3日 申请日期2010年3月8日 优先权日2009年12月10日
发明者R·D·科尔尼 申请人:丹佛斯特伯克压缩机有限责任有限公司