一种温度一致的功率模块及其散热器设计方法技术

本发明专利技术涉及新能源汽车领域，公开了一种温度一致的功率模块及其散热器设计方法，包括基板、多个由芯片组成并沿冷却液流动方向依次安装在基板一侧的功率半桥；散热器与基板的另一侧固定连接；散热器远离基板的一侧排布有扰流柱；沿冷却液的流动方向，每个功率半桥对应的扰流柱的总散热面积依次增加，使各功率半桥的温度保持一致。温度保持一致。温度保持一致。

【技术实现步骤摘要】
一种温度一致的功率模块及其散热器设计方法


[0001]本专利技术涉及新能源汽车领域，具体涉及一种温度一致的功率模块及其散热器设计方法。

技术介绍

[0002]在半导体器件的应用中，为了增加芯片的过流能力，通常采用多个芯片并联的方式组成功率半桥，与此同时，功率模块通常由三个以上的功率半桥组成，在这种情况下，冷却液流经的路径较长，随着冷却液的流动，冷却液的温度从入水口至出水口逐渐上升，这导致了靠近出水口的芯片散热条件不如靠近入水口的芯片，从而引发芯片温度由入水口至出水口逐渐增加的现象。在功率模块中，温度不均是普遍存在的现象，但器件的热承载能力取决于温度最高的芯片，温度不均将使功率模块高温部分率先失效，引起功率模块整体失效。
[0003]本专利技术旨在通过散热器的结构设计来抑制芯片内部的局部热点，对提高功率模块的使用寿命具有积极意义。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种温度一致的功率模块及其散热器设计方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种温度一致的功率模块，需要通过散热器进行降温，包括基板、多个由芯片组成并沿冷却液流动方向依次安装在基板一侧的功率半桥；散热器与基板的另一侧固定连接；散热器远离基板的一侧排布有扰流柱；沿冷却液的流动方向，每个功率半桥对应的扰流柱的总散热面积依次增加，使各功率半桥的温度保持一致。
[0007]进一步地，所述基板为覆铜陶瓷板；覆铜陶瓷板的一侧设置有与散热器相连的散热器连接层，另一侧设置有芯片焊接层；所述散热器连接层为整体金属层，所述芯片焊接层蚀刻有电路图形，芯片的引脚焊接在芯片焊接层的电路图形上。
[0008]进一步地，沿冷却液的流动方向，下一个功率半桥区域对应的扰流柱间距小于上一个功率半桥区域对应的扰流柱间距。
[0009]进一步地，沿冷却液的流动方向，下一个功率半桥区域对应的扰流柱直径大于上一个功率半桥区域对应的扰流柱直径。
[0010]一种温度一致的功率模块的散热器设计方法，扰流柱呈叉排形式排布，X向两个相邻扰流柱的中心距为S2，Y向两个相邻扰流柱的中心距为S1，扰流柱的直径为d，每个功率半桥在X向的尺寸为L2且在Y向的尺寸为L1，通过减小S2来降低功率半桥温度：
[0011]每个功率半桥单位时间内的发热量为Q，冷却液流经每个功率半桥的对流换热量等于功率半桥的发热量，计算得到冷却液流经每个功率半桥时的温升其中，q为冷却液在单位时间内的质量流量，c表示冷却液的比热容；
[0012]计算冷却液每流经一个功率半桥导致温度增加后，下一个功率半桥要达与上一个
功率半桥相同温度，所需增加的散热面积其中h为对流换热系数，T
w
为与冷却液接触的壁面温度，T
f
为冷却液温度；
[0013]在L1范围内扰流柱的数量为n1，L2范围内扰流柱的数量为n2，扰流柱高度为H；冷却液流经每一个功率半桥后，下一个功率半桥的S2需要减小的尺寸为ΔS2，则有
[0014][0015]则可计算得到冷却液流经每一个功率半桥后，下一个功率半桥的S2需要减小的尺寸
[0016][0017]一种温度一致的功率模块的散热器设计方法，扰流柱呈叉排形式排布，X向两个相邻扰流柱的中心距为S2，Y向两个相邻扰流柱的中心距为S1，每个功率半桥在X向的尺寸为L2且在Y向的尺寸为L1，散热器在Y向的尺寸为L，在L1范围内扰流柱的数量为n1，L2范围内扰流柱的数量为n2,通过增加扰流柱直径d来增加散热面积，同时加快冷却液流动速度，进而降低功率半桥温度：
[0018]每个功率半桥单位时间内的发热量为Q，冷却液流经每个功率半桥的对流换热量等于功率半桥的发热量，计算得到冷却液流经每个功率半桥时的温升其中，q为冷却液在单位时间内的质量流量，c表示冷却液的比热容；
[0019]扰流柱直径增大后冷却液流经的横截面积S＝(L
‑
n1*(d+Δd))*H，其中Δd为扰流柱增加的直径；
[0020]计算冷却液流速
[0021]计算雷诺数其中v为冷却液的运动粘度，H为扰流柱的高度；
[0022]计算对流换热系数其中，Pr
f
为冷却液侧的普朗特数，Pr
w
为散热器侧的普朗特数；
[0023]计算功率半桥所需的散热面积
[0024]其中，λ为冷却液的导热系数，T
w
为与冷却液接触的壁面温度，T
f
为冷却液温度；
[0025]计算增加尺寸后的扰流柱直径式中，
[0026]ζ2＝Hn1n2λπ；
[0027]可计算得到，下一个功率半桥区域对应的扰流柱需要比上一个功率半桥区域对应的扰流柱增加的直径Δd。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果是：
[0029]本专利技术能够通过改变散热器扰流柱的参数，补偿由于冷却液温度上升导致的芯片温度上升，使芯片组成的功率半桥温度达到一致，有利于改善功率半桥的输出性能。本专利技术通过改善冷却系统末端的散热能力来达到温度均衡的效果，能够抑制功率器件的局部热点，防止高温对功率模块产生破坏，提高功率模块的可靠性。
[0030]本专利技术中的功率模块散热器设计方法，从基础理论分析出发，通过减小扰流柱X向间距，或者通过增加扰流柱直径的方法，增加下游功率半桥的散热性能，使功率半桥的温度达到一致。
附图说明
[0031]图1为本专利技术功率模块的结构示意图；
[0032]图2为本专利技术功率模块内部的结构示意图；
[0033]图3为本专利技术散热器的结构示意图；
[0034]图4为本专利技术按照设计方法一设计的散热器结构示意图；
[0035]图5为本专利技术按照设计方法二设计的散热器结构示意图。
具体实施方式
[0036]下面结合附图对本专利技术的一种优选实施方式作详细的说明。
[0037]图3中的X向即冷却水的流动方向，Y向为与X向垂直的方向。
[0038]如图1、2、3所示，本专利技术中的功率模块，包括芯片14、基板13、导热凝胶、壳体12、端子11。
[0039]基板13、芯片14均位于壳体12内，端子11安装在壳体12外。
[0040]所述基板13由覆铜陶瓷板构成，一侧为散热器20连接层，该层为整体金属层；另一侧为芯片焊接层，该层为蚀刻有电路图形的金属层，芯片14的引脚焊接在芯片焊接层的电路图形上。
[0041]多个芯片14组成一个功率半桥15，本专利技术包括多个功率半桥15，多个功率半桥15沿X向依次安装在基板13的一侧，基板13的另一侧与散热器20接触，导热凝胶位于基板13与散热器20之间。
[0042]散热器上设置有固定孔22和定位孔23，定位孔23与定位凸台24配合定位，并通过固定孔与功率模块固定。
[0043]散热器20包括扩热板22以及若干数量的扰流柱21，本实施例中，扰流柱21以叉排本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种温度一致的功率模块，需要通过散热器进行降温，其特征在于：包括基板、多个由芯片组成并沿冷却液流动方向依次安装在基板一侧的功率半桥；散热器与基板的另一侧固定连接；散热器远离基板的一侧排布有扰流柱；沿冷却液的流动方向，每个功率半桥对应的扰流柱的总散热面积依次增加，使各功率半桥的温度保持一致。2.根据权利要求1所述的温度一致的功率模块，其特征在于：所述基板为覆铜陶瓷板；覆铜陶瓷板的一侧设置有与散热器相连的散热器连接层，另一侧设置有芯片焊接层；所述散热器连接层为整体金属层，所述芯片焊接层蚀刻有电路图形，芯片的引脚焊接在芯片焊接层的电路图形上。3.根据权利要求1所述的温度一致的功率模块，其特征在于：沿冷却液的流动方向，下一个功率半桥区域对应的扰流柱间距小于上一个功率半桥区域对应的扰流柱间距。4.根据权利要求1所述的温度一致的功率模块，其特征在于：沿冷却液的流动方向，下一个功率半桥区域对应的扰流柱直径大于上一个功率半桥区域对应的扰流柱直径。5.一种如权利要求1
‑
4中任一项所述温度一致的功率模块的散热器设计方法，其特征在于：扰流柱呈叉排形式排布，X向两个相邻扰流柱的中心距为S2，Y向两个相邻扰流柱的中心距为S1，扰流柱的直径为d，每个功率半桥在X向的尺寸为L2且在Y向的尺寸为L1，通过减小S2来降低功率半桥温度：每个功率半桥单位时间内的发热量为Q，冷却液流经每个功率半桥的对流换热量等于功率半桥的发热量，计算得到冷却液流经每个功率半桥时的温升其中，q为冷却液在单位时间内的质量流量，c表示冷却液的比热容；计算冷却液每流经一个功率半桥导致温度增加后，下一个功率半桥要达与上一个功率半桥相同温度，所需增加的散热面积其中h为对流换热系数，T
w
为与冷却液接触的壁面温度，T
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【专利技术属性】
技术研发人员：谢地林，孙全斌，
申请(专利权)人：厦门钧科电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：