用于半导体开关元件的冷却装置、功率逆变器设备以及具有功率逆变器设备和电机的装置制造方法及图纸

一种用于冷却半导体开关元件(10、11)的冷却装置(15)，包括：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于半导体开关元件的冷却装置、功率逆变器设备以及具有功率逆变器设备和电机的装置


[0001]本专利技术涉及一种用于冷却半导体开关元件的冷却装置，包括：第一壁，其具有用于承载半导体开关元件的第一侧，并且具有与第一侧相对的第二侧；以及第二壁，其具有与第一壁的第二侧一起形成主冷却通道的第一侧，并且具有与第二壁的第一侧相对的第二侧。
[0002]此外，本专利技术涉及功率逆变器设备以及具有功率逆变器设备和电机的装置。

技术介绍

[0003]当操作半导体开关元件时，示例性地在为电动车辆的电机供电的功率逆变器设备内，产生显著的功率损耗，这可能导致半导体开关元件的过热故障。已知使用冷却装置来冷却半导体开关元件，该冷却装置具有冷却通道，以便允许冷却剂随后沿着半导体开关元件流动来冷却它们。其中，可以使用延伸到冷却通道中的额外的散热器结构，例如针状散热片，以便在冷却剂中产生湍流并产生更大的热交换表面。
[0004]文献US2004/0150956A1公开了一种用于电力电子应用中的散热器组件，用于将热量从包括半导体管芯的发热源传递到冷却介质。散热器组件包括基板、位于基板内部用于将热量从发热源传递到冷却介质的多个导热销以及具有顶部安装部分和形成在其间的冷却剂通道的热交换组件，使得用于吸收热量的冷却介质位于冷却通道中。
[0005]然而，由于粘滞热效应，单个冷却通道的流出区域中的冷却剂的温度高于流入区域中的冷却剂的温度，这降低了来自出口侧半导体开关元件的热传递，并导致冷却装置的出口侧部分中的热量累积增加。
专利技术内容
[0006]因此，本专利技术的目的是提供一种用于冷却功率逆变器设备中的半导体开关元件的改进的可能性，特别是用于驱动车辆。
[0007]根据本专利技术，上述目的通过最初描述的冷却装置来解决，该冷却装置还包括第三壁，该第三壁与第二壁的第二侧一起形成辅助冷却通道，其中第二壁包括连接装置，该连接装置以流体传导的方式将辅助冷却通道与主冷却通道连接。
[0008]根据本专利技术的冷却装置提供了辅助冷却通道，该辅助冷却通道经由第二壁与半导体开关元件热去耦，并且因此承载比主冷却通道更冷的冷却剂。连接装置允许将冷却剂从辅助冷却通道注入主冷却通道，由此在主冷却通道内产生湍流和/或由于冷却剂流与来自辅助冷却通道的较冷的冷却剂流混合而降低沿主冷却通道流动的冷却剂流的温度。通过产生湍流和降低冷却剂的温度，可以实现从半导体开关元件到沿着主冷却通道流动的冷却剂的更高的热传递。有利地，根据本专利技术的冷却装置允许改善半导体开关元件的散热，和/或允许省略昂贵的传统散热器结构，例如针状散热片。
[0009]优选地，半导体开关元件形成半导体开关元件装置，每个包括半桥电路。半桥电路可以包括两个晶体管结构的串联连接，每个晶体管结构都设置有反并联二极管结构。通常，
三个半导体开关元件装置可由冷却装置冷却。通常，第一壁平行于第二壁和/或第三壁延伸。优选地，第一壁的第二侧和第二壁的第一侧之间的距离大于第二壁的第二侧和第三壁之间的距离。
[0010]优选地，根据本专利技术的冷却装置的连接装置是多个通孔。这允许沿着辅助冷却通道流动的冷却剂流被注入主冷却通道。优选地，通孔沿着第二壁布置成行和列，其中相应的列沿着主冷却通道中冷却剂流的流动方向延伸。优选地，每行包括至少五个，更优选至少十个，更优选至少十五个通孔。通常，通孔以矩形或椭圆形图案和/或对角线图案排列。通孔的直径与冷却通道的宽度之比优选在1.5％和10％之间。此外，通孔的直径可以基本相等或相等。可替代地，通孔的直径可以不同。优选地，通孔的直径相对于流动方向增大或减小。因此，可以满足传热和压降的期望要求。
[0011]此外，优选的是，通孔相对于平行于第二壁的平面倾斜。优选地，倾斜角至少为10
°
，更优选至少为30
°
，和/或至多为80
°
，更优选至多为60
°
。
[0012]根据本专利技术的冷却装置还可以包括用于向主冷却通道和辅助冷却通道供应冷却剂的入口通道组件，以及用于将冷却剂排出主冷却通道的出口通道。
[0013]其中，优选的是，连接装置的出口通道侧上的主冷却通道和辅助冷却通道之间的连接密度高于连接装置的入口通道侧上的连接密度。因为沿着主冷却通道流动的冷却剂的温度通常从入口通道侧到出口通道侧增加，所以通过增加出口通道侧上的连接密度，例如通孔的密度，可以实现沿着主冷却通道流动的冷却剂的更平衡的温度分布。
[0014]此外，优选的是，连接装置布置在第二壁的部分内，该部分在第二壁的出口通道侧端部和出口通道与入口通道组件之间的位置之间延伸，其中第二壁对于该部分外部的冷却剂是不可渗透的。
[0015]其中，第二壁的出口通道侧端部和该位置之间的距离为第二壁长度的至多60％，优选至多50％，更优选至多40％。在这种情况下，来自辅助冷却通道的冷却剂可以仅在沿着主冷却通道的冷却剂流已被加热的区域中注入主冷却通道。因此，可以实现主冷却通道内更平衡的热分布。
[0016]可替代地，第二壁的出口通道侧端部和该位置之间的距离为第二壁长度的至少60％，优选至少75％，更优选至少90％。如果该距离相当大，例如大于长度的60％，来自辅助冷却通道的冷却剂可以在主冷却通道的大范围内注入主冷却通道。因此，可以实现与分布在第一壁的第二侧上的针状散热片或带状结合物相当的冷却效果，而无需使用这种昂贵的结构。
[0017]根据第一优选替代方案，入口通道组件包括公共入口通道，主入口通道和辅助冷却通道从该公共入口通道中分支出来。这允许冷却装置容易地集成到冷却循环中。
[0018]根据第二优选替代方案，入口通道组件包括彼此分离的主入口通道和辅助入口通道。这允许更高的冷却性能，例如关于将冷却装置集成到运动车辆中。特别地，主入口通道和辅助入口通道可由单独的冷却循环供应或由其供应。
[0019]通常，冷却装置具有用于主冷却通道和辅助冷却通道的单个出口通道。
[0020]优选的是，根据本专利技术的冷却装置的第三壁由壳体元件内形成的腔的底部形成。通常，腔被铣削成金属块或者通过铸造壳体元件来实现，以便具有腔。壳体元件可以由铝制成。通常，腔是井状的，并且具有至少一个实现入口通道组件的孔和/或一个实现出口通道
的孔。该孔或每个孔可以是倾斜的。
[0021]有利地，第二壁由布置在腔的凹部上的板状分离元件形成。这允许冷却装置的简易构造，因为分隔元件可以是相对于壳体元件的独立部件。通常，分隔元件由塑料制成，以实现冷却装置的重量。
[0022]通常，关于根据本专利技术的冷却装置，第一壁可以由基板形成。半导体开关元件可以通过焊接安装在基板上。
[0023]根据用于制造的第一替代方案，冷却装置包括固定元件，该固定元件布置在基板和分隔元件之间并且当基板封闭腔时通过基板弹性变形。根据第二替代方案，冷却装置包括框架元件，该框架元件布置在基板和分隔元件之间并具有凸缘，该凸缘通过紧固件装置连接或可连接到壳体元件的凸缘。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于冷却半导体开关元件(10、11)的冷却装置(15)，包括：
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第一壁(17)，其具有用于承载半导体开关元件(10、11)的第一侧(18)和与所述第一侧(18)相对的第二侧(19)，以及
‑
第二壁(20)，其具有与所述第一壁(17)的第二侧(19)一起形成主冷却通道(22)的第一侧(21)，并且具有与所述第二壁(20)的第一侧(21)相对的第二侧(25)，其特征在于，与所述第二壁(20)的第二侧(25)一起形成辅助冷却通道(24)的第三壁(23)，其中所述第二壁(20)包括以流体传导方式将所述辅助冷却通道(24)与所述主冷却通道(22)连接的连接装置(26)。2.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述连接装置(26)是多个通孔(26a)。3.根据权利要求2所述的冷却装置，其中，所述通孔(26a)相对于平行于所述第二壁(20)的平面倾斜。4.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，进一步包括：
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入口通道组件(27)，用于向所述主冷却通道(22)和所述辅助冷却通道(24)供应冷却剂，以及
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用于将所述冷却剂排出所述主冷却通道(22)的出口通道(28)。5.根据权利要求4所述的冷却装置，其中，所述连接装置(26)的出口通道侧上的所述主冷却通道(22)和辅助冷却通道(24)之间的连接密度高于所述连接装置(26)的入口通道侧上的连接密度。6.根据权利要求4或5所述的冷却装置，其中，所述连接装置(26)布置在所述第二壁(20)的部分(34)内，该部分在所述第二壁(20)的出口通道侧端部(35)和所述出口通道(28)与所述入口通道组件(27)之间的位置之间延伸，其中所述第二壁(20)对于所述部分(34)外部的冷却剂是不可渗透的。7.根据权利要求6所述的冷却装置，其中，所述第二壁(20)的出口通道侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：F哈克，M雷亚，D特罗德勒，
申请(专利权)人：法雷奥西门子新能源汽车德国有限责任公司，
类型：发明
国别省市：