專利名稱：用于電動汽車或混合動力汽車的igbt模塊散熱器的制作方法
技術領域：
本發明涉及大功率IGBT模塊的一種散熱器。
背景技術：
目前，電動汽車/混合動力汽車所使用的大功率變流器多采用IGBT元件。大功率 IGBT器件工作時所產生的熱量，將導致芯片溫度升高，如果沒有適當的散熱措施，就可能使 芯片的溫度超過所允許的最高結溫，從而導致器件性能的惡化以致損壞。因此，IGBT散熱 技術成為相關技術人員急于解決的問題。 國內外目前使用的功率電子設備散熱技術主要集中于四個方向，分別是風冷、液 冷、微通道冷卻以及熱管冷卻。對于電動汽車或混合動力汽車而言，需要綜合考量體積，重 量，散熱效率等問題，因而多采用低溫液冷(相對于發動機冷卻系統)，目前國內外主要采 用的散熱器多存在體積重量較大，生產過程復雜，成本較高，散熱效率較低的問題。
目前正在使用的電動汽車/混合動力汽車大功率IGBT模塊散熱器的專利及論文 采用的散熱器一般選擇水或乙二醇水溶液作為冷卻工質，結構上以直通式或蛇形流道為 主，多采用圓形或橢圓形針翅加強換熱，具有代表性的Semikron公司SKADS系列IGBT模塊 散熱器采用50%乙二醇水溶液作為冷卻工質，散熱器內設置橢圓形針翅加強換熱，流道為 直通式，進水口和出水口分別位于散熱器兩側，在15L/min流量下，該種IGBT模塊散熱器熱 阻在0. 121K/W至0. 189K/W之間。從結構和熱學分析上看，該種形式的散熱器液體溫度沿 流道逐漸升高，出水口處冷卻液和液冷散熱底板溫差較小，換熱不充分，散熱器的IGBT模 塊安裝面上溫度分布不均勻，導致散熱器熱阻較高。同時，由于采用針翅結構，加工難度較 大，成本較高。目前電動汽車/混合動力汽車IGBT模塊散熱器方面尚無與本發明更接近的 逆流結構形式。對于結構類似本發明的IGBT迷宮式散熱器，雖然同樣有助于IGBT模塊與 散熱器接觸面的溫度均勻，但該種結構形式的散熱器重量體積較大，不適宜于在電動汽車/ 混合動力汽車中使用。
發明內容
本發明的目的是克服現有電動汽車/混合動力汽車IGBT模塊散熱器存在的不足， 盡可能減小散熱器體積和重量，提高散熱器冷卻工質溫度和散熱器效率。本發明提出了一 種液冷散熱器。本發明所采用M形雙股逆流流道設計，極大提高了散熱器換熱效率，降低了 散熱器熱阻，并使用并排的緊湊設計減小了散熱器的體積和重量，降低了加工難度和生產 成本。 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是 本發明冷散熱器由液冷散熱底板，密封圈，密封蓋板，外流道出水口連接頭，內流 道進水口連接頭，內流道出水口連接頭和外流道進水口連接頭組成。其結構特征是IGBT 模塊用螺釘固定于液冷散熱底板的表面，IGBT模塊和液冷散熱底板的接觸面之間涂以導熱 硅脂，以降低接觸熱阻。
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所述的散熱器其特征還在于在液冷散熱底板上還開有密封槽，密封槽內安裝密封 圈，使用螺釘將密封蓋板與液冷散熱底板固定并將液冷散熱底板密封。 所述的散熱器，其特征還在于散熱器使用鋁合金作為液冷散熱底板及密封蓋板材 料。 所述的散熱器，其特征還在于液冷散熱底板內部加工有兩條M形流道，分別為內
側M形流道和外側M形流道，外側M形流道包裹內側M形流道，形成內外M形嵌套。 所述的液冷散熱器，其特征還在于散熱器中使用體積濃度50%的乙二醇水溶液作
為冷卻液，冷卻液分為兩股，兩股冷卻液分別從M形外側流道與M形內側流道以相反方向通
過散熱器。 所述的散熱器，其特征還在于冷卻液流量《8L/min。 所述的散熱器，其特征還在于每條M形流道內安裝有豎直向下的肋片，肋片之間 形成平行于流道方向的槽道。 所述的散熱器，其特征還在于肋片由導流肋片，直道肋片和彎道肋片構成，其中導 流肋片位于液體進出口處，彎道肋片位于流道轉彎處，直道肋片位于導流肋片和彎道肋片 之間。 所述的散熱器，其特征還在于，所述的散熱器側面安裝有外流道進水口連接頭，外 流道出水口連接頭，內流道進水口連接頭與內流道出水口連接頭。 在本發明中，冷卻液采用電動汽車或混合動力汽車內用來冷卻發動機/電動機的 50%乙二醇水溶液，冷卻液通過分流在散熱器內部達到流動均勻，并在逆流和肋片的綜合 作用下使換熱更為充分，液冷散熱底板IGBT模塊安裝面溫度均勻，從而提高了換熱效率。 由于IGBT模塊與液冷散熱底板接觸面呈長方形，本發明采用M形流道，較好適應了 IGBT模 塊的形狀特征，有助于縮小散熱器體積，減輕散熱器重量。 本發明的有益效果是，采用50%乙二醇水溶液作為冷卻液，M形流道雙股逆流以 及肋片結構大幅降低了散熱器熱阻，提高了散熱器換熱效率和液冷散熱底板的IGBT模塊 安裝面溫度均勻度。該散熱器可使用來自電動汽車/混合動力汽車內部冷卻發動機/電動 機后的高溫度(> 90°C )冷卻液，從目前已知資料中來看，尚無采用溫度超過9(TC冷卻液 用于電動汽車/混合動力汽車IGBT模塊冷卻的記錄，采用高溫冷卻液，可以使IGBT模塊散 熱器冷卻工質的循環與發動機/電動機冷卻循環結合，減少散熱環節，有助于電動汽車/混 合動力汽車的生產和開發。由于冷卻液流量《8L/min，循環過程可采用體積重量較小的直 流泵提供循環動力，并且直流泵可直接使用車內直流電源。同時，本發明采用6061鋁合金 作為液冷散熱底板和密封蓋板材料，用相對簡單的結構形式降低散熱器加工難度，減小散 熱器體積和重量，具有高性能，低成本的特點。 本發明適用于使用IGBT元件的電力電子變流器，尤其適用于重量體積和散熱性 能要求比較苛刻的電動汽車/混合動力汽車IGBT電力電子變流器。
圖1是本發明的散熱器總成圖；
圖2是本發明的液冷散熱底板結構圖； 圖3a和圖3b是本發明的散熱底板流道結構與液體流向4
圖4是本發明的散熱器肋片位置示意圖； 圖5是本發明的散熱器熱阻_冷卻液流量關系圖； 圖6是本發明的IGBT模塊功率_液冷散熱底板IGBT模塊安裝面最高溫度關系 圖； 圖中，1IGBT模塊，2液冷散熱底板，3密封圈，4密封蓋板，5外側M形流道出水口連 接頭，6內側M形流道進水口連接頭，7內側M形流道出水口連接頭，8外側M形流道進水口 連接頭，9密封槽，10外M流道，11內M流道，12導流肋片，13直道肋片，14彎道肋片，15分 隔筋。
具體實施例方式
本發明包括液冷散熱底板，密封蓋板，外側M形流道出水口連接頭5，內側M形流道 進水口連接頭6，內側M形流道出水口連接頭7，外側M形流道進水口連接頭8。 IGBT模塊 1用螺釘固定于液冷散熱底板2的表面，IGBT模塊1和液冷散熱底板2的接觸面涂以導熱 硅脂，以降低接觸熱阻。液冷散熱底板2內部加工有兩條M形流道，分別為內側M形流道和 外側M形流道，外側M形流道包裹內側M形流道，形成內外M形嵌套。每條M形流道內安裝 有豎直向下的肋片，肋片之間形成平行于流道方向的槽道。液冷散熱底板上還開有密封槽 9，密封槽9內安裝密封圈3，使用螺釘將密封蓋板4與液冷散熱底板2密封固定。在內、外 側M形流道出入口處安裝有連接頭以連接外部管路。 圖1所示為本發明的總成實例。如圖1所示，幾個IGBT模塊1安裝于液冷散熱底 板2的表面上，IGBT模塊1與液冷散熱底板2的接觸面涂以導熱硅脂，以減小接觸熱阻。密 封圈3安裝于液冷散熱底板2四周的密封槽9內。液冷散熱底板2與密封蓋板4間采用螺 釘固定，使散熱器密封。外側M形流道出水口連接頭5安裝于液冷散熱底板2的左側。
如圖2所示，本發明的液冷散熱底板2上開有內外嵌套的兩條M形流道。外側M 形流道出水口 5、內側M形流道進水口 6、內側M形流道出水口 7、外側M形流道進水口 8沿 液冷散熱底板2的左側依次順序安裝。外側M形流道進水口 8，外側M形流道出水口 5，內 側M形流道進水口 6，內側M形流道出水口 7與液冷散熱底板間以螺紋配合緊固密封。
圖3所示是液冷散熱底板2的流道結構。外側M形流道10和內側M形流道11在 液冷散熱底板2的左側并排布置，經3次轉折后外側M形流道包裹內側M形流道，形成內外 嵌套的M形結構。冷卻液體在流道內的流動方向如圖3所示，自外側M形流道10的冷卻液 從外側M形流道進水口 8沿M形流道流向外側M形流道出水口 5，自內側M形流道11的冷 卻液從內側M形流道進水口 6沿M形流道流向外側M形流道出水口 7，兩股冷卻液的流動方 向相反，促進了冷卻液與液冷散熱底板之間的熱交換。用于加強換熱的肋片布置于內外側 M形流道內，肋片按照作用和外形分為導流肋片12，直道肋片13，彎道肋片14。其中導流肋 片12位于冷卻液進出口處，起到對冷卻液均勻分流的作用；彎道肋片14位于流道轉彎處， 對冷卻液起導流作用；直道肋片13位于導流肋片12和彎道肋片14之間，是加強換熱的主 體部分。 圖4所示為肋片位置示意圖，其中13為直道肋片，15為分隔筋，以每隔兩個直道肋 片13布置一個分隔筋15的方式排列。 圖5所示為IGBT模塊發熱功率1. 4kW時，不同流量qv下熱阻Rw的實驗結果曲
5線，如圖5所示，該散熱器尤其適宜于在8L/min流量下使用。在8L/min流量下散熱器熱阻 Rw《0.0070K/W。 圖6所示為冷卻液入口溫度為90°C ，流量8L/min時，散熱器中液冷散熱底板表面 最高溫度T隨IGBT模塊發熱功率P的實驗結果曲線。在最高溫度達到最高115t:時，該液 冷散熱底板可承受的損耗功率為2. 78kW。 本發明采用的雙股逆流M形流道，充分利用換熱原理，加大了冷卻液體與換熱表 面之間的溫差，促進熱交換效果，并采用了肋片作為進一步加強換熱的手段，使散熱器熱阻 降低，性能顯著提高。在此種高性能散熱器的支持下，IGBT模塊可密集安裝，較大縮減了 IGBT模塊和散熱器整體的體積和重量。同時由于散熱器具有低熱阻的特點，可采用較高溫 度的換熱工質，如在電動汽車或混合動力汽車中，發動機或電動機冷卻系統出口的冷卻液 溫度較高，采用該種散熱器則可以直接將該出口的高溫冷卻液用于IGBT芯片冷卻，減少中 間散熱環節，節約空間和成本。 本發明的有益效果是，采用50%乙二醇水溶液作為冷卻液，M形流道雙股逆流以 及肋片結構大幅降低了散熱器熱阻，提高了散熱器換熱效率和液冷散熱底板的IGBT模塊 安裝面溫度均勻度，從而該散熱器可使用來自電動汽車/混合動力汽車內部冷卻發動機/ 電動機后的高溫度(> 90°C )冷卻液。目前已知資料中來看，尚無采用溫度超過9(TC冷卻 液用于電動汽車/混合動力汽車IGBT模塊冷卻的記錄，采用高溫冷卻液，可以使IGBT模塊 散熱器冷卻工質的循環與發動機/電動機冷卻循環結合，減少散熱環節，有助于電動汽車/ 混合動力汽車的生產和開發。由于冷卻液流量《8L/min，循環過程可采用體積重量較小的 直流泵提供循環動力，并且直流泵可直接使用車內直流電源。同時，本發明采用6061鋁合 金作為液冷散熱底板和密封蓋板材料，用相對簡單的結構形式降低散熱器加工難度，減小 散熱器體積和重量，具有高性能，低成本的特點。
權利要求
一種用于電動汽車或混合動力汽車的IGBT模塊散熱器，其特征在于所述的散熱器包括液冷散熱底板(2)，密封蓋板(3)，外側M形流道出水口(5)，內側M形流道進水口(6)，內側M形流道出水口(7)，外側M形流道進水口(8)；IGBT模塊(1)固定于液冷散熱底板(2)的表面；液冷散熱底板(2)內部開有內側M形流道(11)和外側M形流道(10)；M形流道內安裝有豎直向下的肋片，肋片之間形成平行于流道方向的槽道；液冷散熱底板(2)上還開有密封槽(9)，密封槽(9)內安裝有密封圈；密封蓋板(3)通過螺釘與液冷散熱底板(2)固定，使所述的散熱器密封；內側和外側M形流道出入口處安裝有連接頭連接外部管路；外側M形流道出水口(5)、內側M形流道進水口(6)、內側M形流道出水口(7)和外側M形流道進水口(8)沿液冷散熱底板(2)的左側依次安裝；外側M形流道進水口(8)、外側M形流道出水口(5)、內側M形流道進水口(6)和內側M形流道出水口(7)與散熱底板(2)之間密封。
2. 如權利要求1所述的用于電動汽車或混合動力汽車的IGBT模塊散熱器，其特征在于所述的外側M形流道(10)和內側M形流道(11)在液冷散熱底板(2)的左側并排布置，經三次轉折后，外側M形流道(10)包裹內側M形流道(ll)，形成內外嵌套的M形結構；自外側M形流道(10)的冷卻液從外側M形流道進水口 (8)沿M形流道流向外側M形流道出水口 (5)，自內側M形流道(11)的冷卻液從內側M形流道進水口 (6)沿M形流道流向外側M形流道出水口 (7)，兩股冷卻液的流動方向相反。
3. 如權利要求1所述的用于電動汽車或混合動力汽車的IGBT模塊散熱器，其特征在于所述的內外側M形流道內布置有導流肋片(12)、直道肋片(13)和彎道肋片(14)，導流肋片(12)位于冷卻液進出口處，起到對冷卻液均勻分流的作用；彎道肋片(14)位于流道轉彎處，對冷卻液起導流作用；直道肋片(13)位于導流肋片(12)和彎道肋片(14)之間，每隔兩個直道肋片(13)布置一個分隔筋(15)。
全文摘要
一種用于電動汽車或混合動力汽車的IGBT模塊散熱器，其特征在于IGBT模塊(1)固定于液冷散熱底板(2)的表面；液冷散熱底板上開有內側M形流道(11)和外側M形流道(10)，外側M形流道(10)包裹內側M形流道(11)，形成內外嵌套的M形結構。每條M形流道內安裝有豎直向下的肋片，肋片之間形成平行于流道方向的槽道；液冷散熱底板(2)上還開有密封槽(9)，密封槽(9)內安裝密封圈，密封蓋板(3)與液冷散熱底板(2)密封；內側和外側M形流道出入口處安裝有連接頭連接外部管路。
文檔編號H01L23/473GK101764110SQ20091024411
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月29日 優先權日2009年12月29日
發明者劉軍, 原郭豐, 葉淑靜, 孫微, 巨星, 常春, 王志峰 申請人:中國科學院電工研究所