一种用于IGBT模块的散热装置的制作方法

本发明涉及电子产品散热技术领域，具体涉及一种用于igbt模块的散热装置。

背景技术：

igbt(insulatedgatebipolartransistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。igbt综合了以上两种器件的优点，不仅驱动功率小，而且饱和压降低，因此广泛地应用于变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

大功率igbt模块的容量较大，通断的电流也较大，冷却系统的性能会直接影响模块甚至系统的性能。随着功率器件集成度及功率密度的持续提高，目前较常用的水冷及风冷等散热方式已难以满足要求。因此以镓基低熔点金属为代表的传热工质在部分领域正逐步取代水作为散热器的冷却工质。

低熔点金属又叫液态金属，具有较低的熔点且其熔沸点差值较大，可以方便地作为冷却工质应用于散热器；低熔点金属具有较高的热导率、很好的流动性、不易蒸发和泄露，物化性质稳定等特点，同时低熔点金属具有导电属性，一般用无任何运动部件的电磁泵驱动，驱动效率高且能耗低，几乎没有任何噪音；因此在大功率、高功率密度场合低熔点金属比水更有优势。

现有的低熔点金属散热器的流道均采用单向流道，且多为蛇形，然而单向流道会产生散热不均匀的问题，igbt主要工作于高压大电流场合，这可能导致在igbt模块实际使用工况下冷却工质出口附近温度远高于入口处温度而在出口处发生热量累计而造成整个模块失效。因此，在大功率igbt模块等高发热量工况下保证散热的均匀性显得尤为重要。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的低熔点金属散热器散热不均的缺陷，从而提供一种用于igbt模块的散热装置，使得高热流密度的igbt器件的散热更加均衡，进而提高大功率igbt模块工作的可靠性和寿命。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种用于igbt模块的散热装置，包括：

主散热器，内设有流向相反设置的两条第一低熔点金属流道，且所述主散热器具有用于与igbt模块接触的第一端面；

辅助散热器，所述辅助散热器的进口与两条所述第一低熔点金属流道的出口连通，所述辅助散热器的出口通过驱动结构与两条所述第一低熔点金属流道的进口连通。

进一步地，两条所述第一低熔点金属流道在所述主散热器内为蛇形分布。

更进一步地，所述第一低熔点金属流道为轴对称设置。

进一步地，两条所述第一低熔点金属流道的进口和出口分别通过第一三通管道和第二三通管道与所述驱动结构和所述辅助散热器连通。

进一步地，所述主散热器包括主传热板和主散热排，所述主散热排设于所述主传热板的与所述第一端面相对的第二端面，两个所述第一低熔点金属流道均设于所述主传热板上。

进一步地，所述辅助散热器包括辅助散热板和分设在所述辅助散热板相对的两个端面上的两个辅助散热排，所述辅助散热板内设有第二低熔点金属流道。

更进一步地，所述第二低熔点金属流道为单向蛇形，且流道拐角处为圆弧状，便于低熔点金属流动，以减少流动阻力大的地方不易散热的问题。

进一步地，所述主散热排和所述辅助散热排均包括两块散热板和夹持在两块所述散热板之间的多个散热柱，多个所述散热柱间隔分布。

进一步地，所述主散热排和所述辅助散热排的材料为金属合金，按质量百分比计，该金属合金由如下组分组成：硅2～5％、铁1～3％、铜8～12％、钛1～2％、锌2～5％、铬0.2～0.5％，余量为铝及少量杂质。

进一步地，所述主传热板、辅助散热板、第一三通管道和第二三通管道的材料，按质量百分比计，由如下组分组成：锰0.2～0.5％、碳≤0.2％、硫≤0.02％、铁8～10％，余量为铜及少量杂质。

进一步地，igbt模块与主传热板的接触面、主传热板与主散热排的接触面、以及辅助散热板与辅助散热排接触面的材料，按质量百分比计，由如下组分组成：500mpa·s甲基硅油8～10％、30μm粒径al2o340％、10μm粒径al2o320％、2μm粒径al2o36～8％、1μm粒径zno22％、2μm粒径al2～3％。

进一步地，所述辅助散热板上设置有入液口和出液口，便于低熔点金属冷却工质的注入与更换。

进一步地，所述辅助散热器入液口、出液口和各连接处均设有防护装置，因低熔点金属具有导电性，因此，在辅助散热器入液口、出液口和装置各连接处均设置有防护装置，可用来防止工质泄漏及防尘。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的用于igbt模块的散热装置，通过在主散热器内设置流向相反设置的两条第一低熔点金属流道，使得高热流密度的igbt器件的散热更加均衡；通过设置辅助散热器可以对流出主散热器的高温低熔点金属工质进行冷却；本发明提供的用于igbt模块的散热装置，不仅可以提高大功率igbt模块工作的可靠性和寿命；而且能有效提升igbt器件应对极端工况的能力。

2.本发明提供的用于igbt模块的散热装置，通过将主散热器内的两条所述第一低熔点金属流道设置为蛇形分布且为轴对称设置，增加了流道的换热面积，提高了传热能力和效率，使得散热快速而且均匀。

3.本发明提供的用于igbt模块的散热装置，通过将两条所述第一低熔点金属流道的进口和出口分别通过第一三通管道和第二三通管道与所述驱动结构和所述辅助散热器连通，使得整个装置的结构更加紧凑，同时使得低熔点金属散热工质在散热装置内可以循环使用。

4.本发明提供的用于igbt模块的散热装置，通过在主传热板的与所述第一端面相对的第二端面设置主散热排，并在所述主传热板上设置两个所述第一低熔点金属流道，降低igbt模块表面最高温度，而且表面温度更加均衡。

5.本发明提供的用于igbt模块的散热装置，通过在辅助散热板相对的两个端面上设置两个辅助散热排，并在辅助散热板内设置第二低熔点金属流道，将从主散热器流出的高温低熔点金属进行降温，使得从主散热器流出的高温低熔点金属进入辅助散热器进行散热降温，保证低熔点金属在再次进入主散热器时已经冷却，达到循环散热的效果。

6.本发明提供的用于igbt模块的散热装置，通过在主散热排和辅助散热排内设置两块散热板和夹持在两块所述散热板之间的多个散热柱，且多个所述散热柱间隔分布，能够增大散热排的表面积，强化散热效果，进而降低低熔点金属的温度。

7.本发明提供的用于igbt模块的散热装置，通过对各部件及接触面采用高热导率的材料，促进散热。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。

图1为本发明提供的用于igbt模块的散热装置结构示意图；

图2为图1所示的用于igbt模块的散热装置中主散热器内主传热板的剖面图；

图3为图1所示的用于igbt模块的散热装置中辅助散热器内辅助散热板的剖面图；

图4为图1所示的用于igbt模块的散热装置中主散热排和辅助散热排的立体结构示意图。

附图标记说明：

1、主散热器；11、主传热板；111、第一低熔点金属流道入口；112、第一低熔点金属流道出口；113、第一低熔点金属流道；12、主散热排；2、辅助散热器；21、辅助散热板；211、第二低熔点金属流道；22、辅助散热排；3、驱动结构；4、第一三通管道；5、第二三通管道；6、入液口；7、出液口；8、igbt模块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示的用于igbt模块的散热装置的一种具体实施方式，包括：主散热器1、辅助散热器2以及设于主散热器1和辅助散热器2之间、用于驱动低熔点金属流动的驱动结构3。

主散热器1内设有流向相反设置的两条第一低熔点金属流道113，且所述主散热器1具有用于与igbt模块8接触的第一端面，本实施例中igbt模块8设于主散热器的下端面上。所述辅助散热器2的进口与两条所述第一低熔点金属流道113的出口连通，所述辅助散热器2的出口通过作为驱动结构3的电磁泵与两条所述第一低熔点金属流道113的进口连通。在电磁泵的驱动作用下，低熔点金属经两条第一低熔点金属流道113入口从不同的方向同时进入主散热器内部，且流动方向相反，从而更加充分和均匀地与下方的igbt模块进行换热，换热升温后的低熔点金属经两条第一低熔点金属流道113出口进入辅助散热器2中降温冷却，降温冷却后的低熔点金属在电磁泵的作用下再次进入主散热器1中，如此循环，完成对高热流密度的igbt器件的均衡散热。

如图2所示，两条所述第一低熔点金属流道113在所述主散热器1内为蛇形分布，具有多个弯折结构，且所述第一低熔点金属流道113为轴对称设置，即位于对称轴两侧的多个弯折结构的波峰和波谷相对设置。两条第一低熔点金属流道113的每一个弯折结构均为平行设置，以使得两条第一低熔点金属管道113中的低熔点金属基本流经主散热器1的同一位置进行换热，进一步提高散热的均匀性。

作为替代的实施方式，两条第一低熔点金属流道113的形状也可以不同，为直线型、波浪形等。

具体地，两条所述第一低熔点金属流道113的进口和出口分别通过第一三通管道4和第二三通管道5与所述驱动结构33和所述辅助散热器2连通。第一条第一低熔点金属流道113的进口与第二条第一低熔点金属流道113的出口均位于主散热器1的左侧，而第一条第一低熔点金属流道113的出口与第二条第一低熔点金属流道113的进口则位于主散热器的右侧，这样为了保证低熔点金属同时流入和流出两条第一低熔点金属流道，需要通过两个三通管道将位于不同侧的两个进口和两个出口连接。

具体地，所述主散热器1包括主传热板11和主散热排12，所述主散热排12设于所述主传热板11与所述第一端面相对的第二端面，两个所述第一低熔点金属流道113均设于所述主传热板11上。主散热排12和igbt模块8分设在主传热板11相对的两个端面上，这样换热后的低熔点金属就可以通过远离igbt模块8设置的主散热排12进行散热冷却，防止其再次与igbt模块8接触进行换热。

具体地，所述辅助散热器2包括辅助散热板21和分设在所述辅助散热板21相对的两个端面上的两个辅助散热排22，形成夹层结构，所述辅助散热板21内设有第二低熔点金属流道211。从主散热器1流出的高温低熔点金属进入辅助散热板21的第二低熔点金属流道211中进行降温，放出的热量通过设于两侧的两个辅助散热板21向外散出，保证低熔点金属在再次进入主散热器1时已经冷却，达到循环散热的效果。

如图3所示，所述第二低熔点金属流道211为单向蛇形，且多个弯折结构平行设置，用于对高温低熔点金属进行降温。

作为一种改进实施方式，所述第二低熔点金属流道211为单向蛇形，且流道拐角处为圆弧状，便于低熔点金属流动，以减少流动阻力大的地方不易散热的问题。

如图4所示，所述主散热排12和所述辅助散热排22均包括两块散热板和夹持在两块所述散热板之间的多个散热柱，多个所述散热柱的轴向垂直于散热板设置，形成类似栅格状的间隔，间隔的设置便于热量的散失。

具体地，所述主散热排12和所述辅助散热排22的材料为金属合金，按质量百分比计，该金属合金由如下组分组成：硅2％、铁3％、铜12％、钛2％、锌5％、铬0.2％，余量为铝及少量杂质；该金属合金具有高热导率，利于散热。

具体地，所述主传热板11、辅助散热板21、第一三通管道4和第二三通管道5的材料，按质量百分比计，由如下组分组成：锰0.5％、碳0.2％、硫0.02％、铁10％，余量为铜及少量杂质。

具体地，igbt模块8与主传热板11的接触面、主传热板11与主散热排12的接触面、以及辅助散热板21与辅助散热排22接触面的材料，按质量百分比计，由如下组分组成：500mpa·s甲基硅油10％、30μm粒径al2o340％、10μm粒径al2o320％、2μm粒径al2o38％、1μm粒径zno22％、2μm粒径al3％。

具体地，所述辅助散热板21上设置有入液口6和出液口7，便于低熔点金属冷却工质的注入与更换。

具体地，所述辅助散热器2入液口6、出液口7和各连接处均设有防护装置，因低熔点金属具有导电性，因此，在辅助散热器2入液口6、出液口7和装置各连接处均设置有防护装置，可用来防止工质泄漏及防尘。

当需要对igbt模块8进行散热时，首先将igbt模块8固定在主传热板11的下端面上，然后通过入液口6向辅助散热器2中注入低熔点金属，低熔点金属在电磁泵的作用下经第一三通管道4分别进入两个第一低熔点金属流道113中，并在主传热板11中相向流动，与igbt模块8进行换热，吸热后的低熔点金属经第二三通管道5进入第二低熔点金属流道211中进行冷却，通过辅助散热板21和辅助散热排22向空气中传导热量，经过冷却后的低熔点金属再次经电磁泵进入主散热器1中，如此循环，完成散热。

采用fluent有限元软件对现有的蛇形单流道液态金属散热器与本发明实施例中的用于igbt模块的散热装置的散热性能进行仿真实验：两者的热源发热功率均为1kw、散热板材料均为铜、冷却工质均采用金属镓，其入口温度均为50℃、冷却工质平均流速均为1.5m/s。

蛇形单流道液态金属散热器的热源表面温度范围为60.4-67.1℃，在当前发热功率下模块表面有6.7℃的温度差，冷却工质出口附近温度高于入口附近。

本发明中散热装置的热源表面温度范围为61.8-66.7℃，热源表面温度差为4.9℃，热源表面温度高点位于热源中心略偏右下位置，即偏向于外侧流道出口方向，这是因为流向相反设置的两条第一低熔点金属流道的流道长度略有不同，外侧流道长度略长，温度低点位于外侧流道入口附近。

因此，本发明提供的用于igbt模块的散热装置与现有技术相比，热源表面整体温度有所下降，热源表面最高温度降低0.4℃，热源表面最低温度相比单流道有所上升。这是因为在流向相反设置的两条第一低熔点金属流道中，一个金属流道出口处的高温冷却工质抬升了另一金属流道入口处的冷却工质温度，相反，单流道的热源表面低温区域仅存在于流道入口处较小范围，其流道入口处的温度较高，较高温度对igbt模块运行可靠性有不利的影响，随着热源发热功率的增加，该趋势更加明显；因此，本发明提供的用于igbt模块的散热装置对大功率的igbt模块的散热性能要优于传统散热器。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。