專利名稱：一種直接導(dǎo)熱絕緣片式整流器件水冷裝置的制作方法
專利說明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實(shí)用新型屬于一種功率半導(dǎo)體元件的冷卻散熱方法及裝置，特別是指采用導(dǎo)熱陶瓷片作為功率半導(dǎo)體元件絕緣導(dǎo)熱體的水冷的方式及裝置。
二、技術(shù)背景隨著功率半導(dǎo)體器件的功率等級(jí)、開關(guān)頻率的提高，即器件的損耗和熱流密度的不斷提高，對器件的冷卻要求也越來越高。按與半導(dǎo)體器件直接接觸的散熱器的冷卻原理及冷卻介質(zhì)的不同，大致可分為空氣、油、氟里昂和水等幾種類型。在這些冷卻型式中，各有各的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，根據(jù)各公司的生產(chǎn)，應(yīng)用習(xí)慣、生產(chǎn)工藝及對各種冷卻系統(tǒng)應(yīng)用研究程度決定相應(yīng)的冷卻。如在交流傳動(dòng)機(jī)車中，日本多采用熱管，歐洲多采用油冷、沸騰冷卻和水冷，但總的目標(biāo)是一致的，即使功率半導(dǎo)體結(jié)溫在其許用值以下，采用風(fēng)冷，由于其空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較低，冷卻速度慢，此外風(fēng)冷裝置的結(jié)構(gòu)龐大，噪聲大(自然風(fēng)冷無噪聲，但要求體積大)，因此在體積、重量要求嚴(yán)格，熱流密度大的應(yīng)用場合，基本上不采用風(fēng)冷。油冷的最大特點(diǎn)是冷卻介質(zhì)不導(dǎo)電，且冷卻效率較高，但污染環(huán)境，并有燃燒的危險(xiǎn)，應(yīng)用困難。沸騰冷卻及熱管冷卻散熱效率高，但應(yīng)用比較復(fù)雜。另一種冷卻方式就是水冷，水是一種優(yōu)越的冷卻介質(zhì)，具有傳熱性能好，熱容量大，對環(huán)境友善的特性，在汽車、能源、化工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。目前，在功率半導(dǎo)體元件的散熱中，水冷卻散熱方式，已經(jīng)成為了一種發(fā)展趨勢。但由于普通水能夠?qū)щ?，限制了水冷方式在中、高壓大電流整流領(lǐng)域的應(yīng)用。以水為介質(zhì)在大功率整流器件進(jìn)行冷卻時(shí)，需同時(shí)解決二方面的問題，其一是水與器件的絕緣問題，其二則是傳熱強(qiáng)化的問題。近年來，在國外開始采用導(dǎo)熱陶瓷片作為功率半導(dǎo)體器件的水冷導(dǎo)熱絕緣部件。導(dǎo)熱陶瓷片具有高導(dǎo)熱性和高絕緣雙重性能，能將功率半導(dǎo)體元件運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量有效地傳遞到冷卻水中，充分利用水的傳熱性能，又能充分利用陶瓷片的高介電性能，避開冷卻水的導(dǎo)電特性，實(shí)現(xiàn)主電路與冷卻水絕緣，保護(hù)操作者的人身安全。采用導(dǎo)熱陶瓷片，能有效降低水冷整流裝置的體積和重量，同時(shí)，由于取消了附加的去離子設(shè)備，既降低了對冷卻水的要求，又能減少運(yùn)營費(fèi)用。
現(xiàn)有水冷整流裝置的導(dǎo)熱陶瓷片是封裝在一固定器件內(nèi)的，導(dǎo)熱陶瓷片兩側(cè)用銅塊壓緊，封裝在元件內(nèi)部，這樣雖對陶片雖有一定的穩(wěn)固作用，壓裝方便，可另一方面，既增大了導(dǎo)熱陶瓷器件的軸向尺寸，又增加了導(dǎo)熱路徑的熱阻，使得整個(gè)器件的散熱效果減低，導(dǎo)致導(dǎo)熱陶瓷片散熱性能的優(yōu)勢沒有得到充分的發(fā)揮。此外，現(xiàn)有的導(dǎo)熱陶瓷片式水冷整流裝置的管路相互之間連接都是采用活動(dòng)管接方式，存在泄漏的可能，另外也使得整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)尺寸偏大，所以在這些方面都有必要加以改進(jìn)。
三
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于針對現(xiàn)有導(dǎo)熱陶瓷片式水冷裝置的不足，提出一種導(dǎo)熱陶瓷片獨(dú)立作為一個(gè)絕緣傳熱器件的直傳式導(dǎo)熱陶瓷片式水冷裝置。
根據(jù)本實(shí)用新型的目的所提出的技術(shù)方案是，采用直接接觸的散熱方式，將導(dǎo)熱陶瓷片的兩面分別直接貼在半導(dǎo)體功率元件的接線母排和散熱器的外表面上，通過光滑的表面直接貼合，散熱器和連接母排與導(dǎo)熱陶瓷片接合面的表面光潔度為0.2-0.8μm，導(dǎo)熱陶瓷片的表面光潔度為0.2-0.8μm，且導(dǎo)熱陶瓷片直接安裝在散熱器與接線母排之間，其一面直接貼在散熱器相對應(yīng)的面上，另一面則直接貼在連接母排相對應(yīng)的面上，從連接母排到散熱器的溫度梯度為3-5℃。導(dǎo)熱陶瓷片的材料為ALN≥93％，其余為添加劑；硬度為莫氏6-7級(jí)，電阻率≥1015Ω.cm，導(dǎo)熱系數(shù)≥80W/M·K，耐電壓工頻10kV，1min無擊穿及閃爍現(xiàn)象，陶瓷片的厚度為2-3mm。采用這種布置，能降低導(dǎo)熱陶瓷器件本身的溫度梯度，增強(qiáng)散熱效果，同時(shí)又可縮短整個(gè)散熱系統(tǒng)的軸向尺寸，減輕裝置的重量。這一點(diǎn)對于運(yùn)動(dòng)的運(yùn)行設(shè)備，特別向軌道機(jī)車來說是極為重要的，根據(jù)這種直接接觸的散熱方式所設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱絕緣片式的水冷整流裝置，是將半導(dǎo)體元件，導(dǎo)熱陶瓷片、連接母排，散熱器及壓裝件等組合在一起(一般是按一個(gè)橋式功能模塊組合)，多排排列，半導(dǎo)體元件采用單面冷卻，其特征在于導(dǎo)熱陶瓷片與水冷散熱器及功率半導(dǎo)體器件連接母排是直接接觸的，水冷散熱器共兩組，每組散熱器用由三個(gè)散熱器模塊用管焊連接形成一個(gè)整體，在水路布置上，進(jìn)出水口各一個(gè)，分為兩個(gè)支路單循環(huán)冷卻，這樣可使整流器件所得到的冷卻比較均勻。
采用這種導(dǎo)熱陶瓷片與散熱器和整流器件直接接觸的方式，可大大縮短整個(gè)散熱裝置的軸向尺寸，這樣可使得整個(gè)裝置的軸向尺寸縮小，同時(shí)由于在排與排之間采取散熱器冷卻管直接焊接連接，這樣可以大大縮減排與排之間的距離，從而使得整個(gè)整流裝置從兩方面都得到縮減，這樣就可大大減輕整個(gè)整流裝置的體積，采用鋁制散熱器及壓裝件，散熱效率高，能使得裝置重量最大程度的減小。使得功率器件的小型化能得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，由于采用了雙支路單循環(huán)冷卻系統(tǒng)，使得各器件的冷卻變得更為均勻，減少了器件受熱而發(fā)生變形不均勻的現(xiàn)象，因此本實(shí)用新型可在功率半導(dǎo)體器的冷卻中得到廣泛的應(yīng)用。
四、附圖及說明

圖1為本實(shí)用新型拎卻結(jié)構(gòu)原理圖；
圖2為本實(shí)用新型具體實(shí)施結(jié)構(gòu)主視圖；圖3為本實(shí)用新型具體實(shí)施結(jié)構(gòu)俯視圖；圖4為本實(shí)用新型具體實(shí)施結(jié)構(gòu)左視圖。
圖中1-導(dǎo)熱陶瓷片，2-半導(dǎo)體功率元器件，3-連接母排，4-散熱器，5-散熱器與導(dǎo)熱陶瓷片接觸面，6-母排與導(dǎo)熱陶瓷接觸面，7-冷卻水出入口，8-冷卻水出入口，9-安裝架，10-散熱器冷卻連接管，11-半導(dǎo)體功率器件，12-半導(dǎo)體功率器件，13-散熱器，14-散熱器，15-導(dǎo)熱陶瓷片，16-導(dǎo)熱陶瓷片，17-固定架板，18-固定架板，19-螺栓，20-散熱器，22-散熱器，23-散熱器，24-連接母排，25-連接母排。
五具體實(shí)施方式
圖1為本實(shí)用新型的原理圖，根據(jù)本實(shí)用新型的構(gòu)思所提出具體實(shí)施方式
是導(dǎo)熱陶瓷片(1)、半導(dǎo)體功率元器件(2)、連接母排(3)、和散熱器(4)直接貼合在一起，先將導(dǎo)熱陶瓷片的兩面進(jìn)行光潔處理，使其表面光潔度達(dá)到0.2-0.8μm，并將其直接安裝在散熱器與連接母排之間，其一面直接貼在散熱器相對應(yīng)的面上，另一面則直接貼在連接母排相對應(yīng)的面上，使得從連接母排到散熱器的溫度梯度為3-5℃(散熱功率1000W)。
圖2，圖3，圖4給出了本實(shí)用新型的一個(gè)具體實(shí)施例，從附圖中可以看出，本實(shí)用新型包括導(dǎo)熱陶瓷片1、半導(dǎo)體功率元器件2、連接母排3、散熱器4、安裝架9和散熱器冷卻連接管10，其特征在于本實(shí)用新型所述的裝置是將兩個(gè)半導(dǎo)體功率器件11、12為一組軸向緊貼排列的，兩個(gè)器件外側(cè)各設(shè)置一散熱器13、14，在散熱器13、14與半導(dǎo)體功率器件連接母排24、25之間直接夾裝有導(dǎo)熱陶瓷片15、16，并根據(jù)功能模塊體的設(shè)置按照兩個(gè)功率器件一列，實(shí)行多列排序，而構(gòu)成一個(gè)完整的帶冷卻裝置的功能模塊，再在每列的兩端用固定架板17、18通過螺栓19將整個(gè)裝置固定。導(dǎo)熱陶瓷片的材料為ALN≥93％，其余為添加劑；硬度為莫氏6-7級(jí)，電阻率≥1015Ω.cm，導(dǎo)熱系數(shù)≥80W/M·K，耐電壓工頻10kV，1rain無擊穿及閃爍現(xiàn)象，陶瓷片的厚度為2-3mm。運(yùn)用本發(fā)明的原理可以將半導(dǎo)體功率器件組件的軸向尺寸大大縮短。對于各列散熱器之間的冷卻水管均采用焊接連接，而且冷卻水為雙循環(huán)管路冷卻，其一路冷卻水管的冷卻順序是由散熱器的21到22再到13，然后從裝置的下部回到出水口，另一路則是由散熱器的23到20再到14，然后也從裝置下部回到出水口。
權(quán)利要求1.一種直接導(dǎo)熱絕緣片式整流器件水冷裝置，包括導(dǎo)熱陶瓷片(1)，半導(dǎo)體功率元器件(2)、連接母排(3)、散熱器(4)、安裝架(9)和散熱器冷卻連接管(10)，其特征在于所述裝置的導(dǎo)熱陶瓷片與水冷散熱器及功率半導(dǎo)體器件連接母排是直接援觸的，以兩個(gè)半導(dǎo)體功率器件(11)、(12)為一組軸向緊貼排列，兩個(gè)器件外側(cè)各設(shè)置一散熱器(13)、(14)，在散熱器(13)、(14)與半導(dǎo)體功率器件連接母排(24)、(25)之間直接夾裝有導(dǎo)熱陶瓷片(15)、(16)，并根據(jù)功能模塊體的設(shè)置按照兩個(gè)功率器件為一列，實(shí)行多列排序，而構(gòu)成一個(gè)完整的帶冷卻裝置的功能模塊，再在每列的兩端用固定架板(17)、(18)通過螺栓(19)將整個(gè)裝置固定。
2.如權(quán)利要求1所述的一種直接導(dǎo)熱絕緣片式整流器件水冷裝置，其特征在于將導(dǎo)熱陶瓷片的兩面分別直接貼在半導(dǎo)體功率元件的連接母排和散熱器的外表面上，通過光滑的表面直接貼合，散熱器和連接母排與導(dǎo)熱陶瓷片接合面的表面光潔度為0.2-0.8μm，導(dǎo)熱陶瓷片的兩面的表面光潔度為0.2-0.8μm，且導(dǎo)熱陶瓷片直接安裝在散熱器與連接母排之間，其一面直接貼在散熱器相對應(yīng)的面上，另一面則直接貼在連接母排相對應(yīng)的面上，從半導(dǎo)體功率元器件到散熱器的溫度梯度為3-5℃。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種直接導(dǎo)熱絕緣片式整流器件水冷裝置，其特征在于導(dǎo)熱陶瓷片的硬度為莫氏6-7級(jí)，電阻率≥1015Ω.cm，導(dǎo)熱系數(shù)≥80W/W·K，耐電壓工頻10kV，1min無擊穿及閃爍現(xiàn)象，陶瓷片的厚度為2-3mm。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種直接導(dǎo)熱絕緣片式整流器件水冷裝置，其特征在于水冷散熱器共兩組，每組散熱器用由三個(gè)散熱器模塊用管焊連接形成一個(gè)整體，在水路布置上，進(jìn)出水口各一個(gè)，分為兩個(gè)支路單循環(huán)冷卻。
5.如權(quán)利要求1或2所述的一種直接導(dǎo)熱絕緣片式整流器件水冷裝置，其特征在于冷卻水為雙循環(huán)管路冷卻，其一路冷卻水管的冷卻順序是由散熱器的(21)到(22)再到(13)，然后從裝置的下部回到出水口，另一路則是由散熱器的(23)到(20)再到(14)，然后也從裝置下部回到出水口。
專利摘要一種直接導(dǎo)熱絕緣片式整流器件水冷裝置，采用直接接觸的散熱方式，將導(dǎo)熱陶瓷片的兩面分別直接貼在半導(dǎo)體功率元件的接線母排和散熱器的外表面上，通過光滑的表面直接貼合，且導(dǎo)熱陶瓷片直接安裝在散熱器與接線母排之間，其一面直接貼在散熱器相對應(yīng)的面上，另一面則直接貼在連接母排相對應(yīng)的面上，從連接母排到散熱器的溫度梯度為3－5℃，陶瓷片的厚度為2－3mm，水冷散熱器共兩組，每組散熱器用由三個(gè)散熱器模塊用管焊連接形成一個(gè)整體，在水路布置上，進(jìn)出水口各一個(gè)，分為兩個(gè)支路單循環(huán)冷卻。采用這種布置，能降低導(dǎo)熱陶瓷器件本身的溫度梯度，增強(qiáng)散熱效果，同時(shí)又可縮短整個(gè)散熱系統(tǒng)的軸向尺寸，減輕裝置的重量。這一點(diǎn)對于運(yùn)動(dòng)的運(yùn)行設(shè)備，特別向軌道機(jī)車來說是極為重要的。
文檔編號(hào)H01L23/34GK2600917SQ0127460
公開日2004年1月21日 申請日期2001年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月26日
發(fā)明者張勁松, 何多昌 申請人:鐵道部株洲電力機(jī)車研究所