功率半导体设备自适应冷却组件制造技术

本发明专利技术涉及用于冷却功率半导体设备（１００）的功率半导体设备（１００）冷却组件，其中该组件包括主动冷却散热器（１０２）和控制器（２０８、３００），其中该控制器（２０８、３００）适于根据包括在功率半导体设备（１００）中的高载流半导体结的温度来调节散热器（１０２）的冷却效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于冷却功率半导体设备的功率半导体设备冷却组件、包括功率半导体设备冷却组件的核磁共振检查系统、操作功率半导体设备冷却组件的方法以及计算机程序广品。
技术介绍
通常，在具有或不具有额外冷却措施——如风扇冷却或流体冷却——的情况下， 功率半导体设备被安装在大型散热器上。功率半导体设备是在功率电子电路中被用作开关或整流器的半导体设备。示例为功率二极管、晶闸管、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和功率 MOSFET。具有或不具有额外冷却措施的散热器以某种方式设计以使得在全功率需求的情况下功率半导体设备的温度仍然在由其规格限定的绝对最大值以下。当功率需求被降低或停止时，冷却系统继续以与全功率情况下相同的速率传递热量，这导致整个冷却系统—— 即散热器和安装于散热器的部件的温度非常快速地降低。当功率需求被再次增加时，温度还将再一次升高。如果在最大功率与不需要功率或仅需要低功率的短时间间隔交替的情况下重复使用功率半导体设备，功率半导体设备的温度将在全功率需求时段与低功率或无功率需求时段之间变化，其中在全功率需求时段温度将升高到其最大值，而在低功率或无功率需求时段设备温度将由于所实现的散热器和可能存在的冷却系统的冷却能力而快速降低。这样，设备温度将可能经历大的温度变化。例如，US 6，116，040公开了一种用于冷却与制冷压缩机相关联的变频驱动器的电子电路的装置。借助于压缩机驱动器，功率电子电路的温度被维持在期望的温度范围内。半导体设备的寿命由若干过程确定，每个过程导致所预期的设备特性随时间退化，直到设备完全失效。对于功率半导体，最重要的过程之一是由于热循环导致的机械应力。由于半导体裸片(die)与其安装到的基底之间的有限热阻以及相关材料的热膨胀系数的差异，功率耗散随时间的变化不可避免地导致热应力。这些应力可能导致材料疲劳，并表现出键合线的断裂和/或裸片与其安装到的基底之间的钎焊连接的退化。键合线的断裂可能导致直接的设备失效，或者在多条键合线并行连接的情况下导致对其他键合线的进一步增加的应力，在功率半导体模块中通常是这样。因此，如果在最大功率与不需要功率或仅需要低功率的时间间隔交替的情况下重复使用功率半导体设备，即使在安装到具有或不具有额外冷却措施的大型散热器上时，这种功率设备的温度也将在全功率需求时段之间大幅变化。因此，裸片温度将经历大的温度变化，这将减小功率半导体设备的寿命。US 5，569，650涉及电子芯片冷却设备，并且更具体地涉及提供主动冷却以减小电子芯片的温度漂移的设备，其将限制热疲劳，增大产品生命周期，允许更大的芯片，并且允许芯片以较少的可靠性关注直接附接到具有不相配的热膨胀系数的衬底上。在一实施例中，电子芯片被附接到衬底上并且热电冷却设备被固定到芯片的暴露表面上。温度感测工具——如薄膜热偶——被附接到热电冷却(TEC)设备的冷侧与芯片之间。该温度感测工具可以可替换地被内嵌到芯片中或邻近TEC设备与芯片之间的互联的电子封装体中。此外， 提供散热器，该散热器被固定到TEC设备的热侧。热偶的输出被耦合到反馈控制电路。WO 2005/043618A公开了一种与逆变器相关的方法和布置，该逆变器包括若干功率半导体部件和被布置为控制它们的控制装置，该控制装置被布置为响应于控制量而控制功率半导体部件以生成输出电压。US 2005/039465A1公开了用于音频器材的冷却系统，其在反馈控制环路中使用温度传感器和Peltier效应模块。该冷却系统对温度传感器进行读取以获得器材的音频部件的温度并且调节冷却音频部件的Peltier效应模块的驱动器以防止部件的过热。DE 10233836A1公开一种包括外壳的电子控制单元，其包括各种电子部件，其中电子部件需要在最大温度以下被驱动。为了冷却电子部件，提供了 Peltier元件。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于冷却功率半导体设备的功率半导体设备冷却组件，其中该组件包括主动冷却散热器和控制器，其中控制器适于根据包括在功率半导体设备中的高载流半导体结的温度来动态调节散热器的冷却效率。该组件的优势在于，功率半导体设备的寿命由于以下事实而被急剧地增加，即控制器永远能够根据功率半导体设备的最关键且易出问题的部分的温度来调节散热器的冷却效率，该部分即功率半导体设备的高载流半导体结，其为功率半导体设备的操作期间的发热源。借助于功率半导体设备冷却组件，可以减小功率设备的热循环并且尤其是高载流半导体结的热循环，这因此也将减小高载流半导体结之间或一般而言的裸片与结或裸片安装到的基底之间的上述热应力。这导致设备的寿命的显著增加。热循环振幅被控制得越小， 功率设备能够处理的循环数目就越高，并且因此功率半导体设备的寿命就越高。应该注意，本专利技术的一个关键特征在于以下事实，即散热器的冷却效率是根据包括在功率半导体设备中的高载流半导体结的温度而被调节的。在仅作为示例的情况下，冷却组件将被提供用于维持散热器自身的温度在某一范围内，由于散热器相比于功率半导体设备具有大热容，散热器将相当缓慢地跟随高载流半导体结的温度变化，这具有以下后果， 即平均起来散热器的温度可以被维持在相当恒定的水平，而同时高载流半导体结的温度在大范围内循环。借助于功率半导体设备自适应冷却组件，功率半导体设备的关键部分的温度可以以更高准确度被维持在某一温度范围内，这是因为不是相对于散热器的温度而是相对于高载流半导体结的温度来执行散热器的冷却效率的调节。根据本专利技术的实施例，该控制器适于接收温度信号，该温度信号指示高载流半导体结的实际温度值，其中该控制器适于根据该温度信号来调节散热器的冷却效率。所述温度值是在高载流半导体结的位置处直接测得的数值，或者这一值是足以基于其他可用信号重建和计算的温度值。这种信号例如可以是功率半导体设备或它所用于的装置的期望输出功率水平或测得输出功率水平。换句话说，可以借助于使用高载流半导体结的实际温度的反馈控制器来执行散热器的冷却效率的调节，其中该实际温度例如由在逻辑上靠近或甚至直接附接到所述结的传感器测得，或者它可以使用前馈控制器，其中该前馈控制器使用模型利用功率半导体设备的预测的热功率耗散来执行散热器的冷却效率的调节，该模型适于预测针对功率半导体设备的期望或测得输出功率水平的热功率耗散。又一替代方案是两种类型控制器的组合，即反馈控制器和前馈控制器的组合。根据本专利技术的实施例，这种组合可以包括适于在反馈控制模式与前馈控制模式之间选择以便调节冷却效率的选择模块，其中在反馈模式中根据温度信号来执行冷却效率的调节，而在前馈模式中利用模型根据功率半导体设备的期望或测得输出功率水平来执行冷却效率的调节，其中选择模块适于基于温度信号的信号质量执行所述选择。根据本专利技术的实施例，还可以使用反馈控制器和前馈控制器的组合，其中在“正常”操作条件下使用反馈控制器，而仅在“困难”条件下用前馈控制器来取代反馈控制器。 这种“困难”情况可以包括反馈控制环的稳定性不再得到保证的情形。例如，在半导体设备的输出功率随着时间震荡的情况下，温度变化的强震荡可能增进到如此强以至于温度变化不再反映半导体结的实际温度性能。在这种情况下控制器可以决定切换到前馈控制操作模式，其中利用模型充分地预测高载流半导体结的温度变化。在这种情况下，可以防止散热器和/本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于冷却功率半导体设备（１００）的功率半导体设备冷却组件，其中，所述组件包括主动冷却散热器（１０２）和控制器（２０８、３００），其中，所述控制器（２０８、３００）适于根据包括在所述功率半导体设备（１００）中的高载流半导体结的温度来调节所述散热器（１０２）的冷却效率，其中，所述控制器（２０８、３００）适于接收温度信号，所述温度信号指定所述高载流半导体结的实际测得温度值，其中，所述控制器（２０８、３００）包括适于在反馈控制模式和前馈控制模式之间进行选择以便调节所述冷却效率的选择模块，其中，在所述反馈模式中所述冷却效率的调节是根据所述温度信号执行的，且其中，在所述前馈模式中所述冷却效率的调节是利用模型根据所述功率半导体设备（１００）的期望或测得输出功率水平执行的，所述模型适于预测针对所述输出功率水平的热功率耗散，其中，所述选择模块适于基于所述温度信号的信号质量执行所述选择。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·C·德赖克，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL