一种功率模块及功率柜的制作方法

1.本发明涉电力电子设备散热技术领域，尤其涉及一种功率模块功率柜。


背景技术：

2.大功率电力电子设备主要由功率半导体、散热器、电容、电感以及一些配电开关器件等部件组成。其中散热器主要承担将功率半导体在工作过程中功率变换产生的热量转移出去。出于维护、电气性能等因素考虑，目前常规的做法是将igbt、散热器、电容集成为一种模块，叫功率模块。
3.随着行业的发展，电力电子设备的功率越做越大，发热量也相应的增加，但是由于安装体积和成本的限制，设备的体积需要进一步缩小，功率密度进一步上升，散热技术的发展已经逐渐成为制约行业发展的瓶颈。
4.传统散热技术主要包括风冷散热和水冷散热两种。水冷散热本身由于介质密度和热容大，载热量高，是大功率电子设备散热的一种比较合适和理想的选择。但是出于维护、可靠性和成本的原因和考虑，在很多场合，风冷散热有它不可取代的优势和地位。
5.现有功率模块及其机柜布局如图1所示。由一个或多个功率功率模块组成一个机柜。散热器采用翅片式结构。采用的风冷散热器主要采用铝挤型材、插片、焊接翅片等普通散热器，为了进一步提升功率密度，会在上面散热器的基础上增加热管进一步增强散热器的导热散热能力。在导风腔对应的模块散热器位置开通风口，通过风扇的驱动，将功率半导体器件工作过程中发出的热量转移出机柜。
6.现有技术的功率模块采用的散热器散热效率低下，需要较大的换热面积以致结构体积庞大。
7.在进一步增加功率密度的条件下，增加热管也不能满足散热的需求。为了进一步提升散热器的换热效率，将散热器替换成二相流散热器。现有技术的二相流散热系统通常包括：蒸发器、冷凝器以及连通蒸发器与冷凝器的汽管和液管，这些部件连通而构成的内空回路中充填可凝缩的工质。在蒸发器吸收热源热量后，其内部工质沸腾汽化，通过汽管进入冷凝器，冷凝器向其他介质释放热量后，其内部汽化的工质冷凝成液态；然后，通过液管回流到蒸发器，如此循环持续下去，实现热源热流量的持续传输和散发。驱动工质流动的方式主要有泵驱动和热虹吸原理两种。蒸发器和冷凝器可以是诸如铜管铝翅片、平行流换热器等与空气直接换热的换热器，也可以是各种形式的向载冷剂换热的热交换器。热虹吸简单来说就是封闭体系或者开放体系内流体热胀冷缩，热的往上走，冷的往下走的一个过程。本发明采用的二相流散热器为热虹吸形式散热器。
8.现有技术的二相流散热系统的散热器冷凝器面积不够，增加冷凝器面积导致机柜增大，所占结构空间大、不利于功率密度提升。


技术实现要素：

9.本发明要解决的技术问题是提出一种功率模块，该功率模块结构紧凑，空间利用
率高，提升功率模块的热交换能力，提高设备的功率密度，降低系统综合成本。
10.为解决上述技术问题，本发明提供一种功率模块，包括散热器、功率半导体器件、导电排及功率模块结构主体，所述散热器包括至少一个冷凝器和至少一个蒸发器，所述蒸发器设置于功率模块结构主体的下层，所述冷凝器设置于功率模块结构主体的上层，所述蒸发器的器件安装面为竖直平面，所述冷凝器设置有至少有两个进风面，所述冷凝器的至少有两个进风面和蒸发器器件安装面共同构成y型结构布局。
11.优选地，所述蒸发器和冷凝器通过管路连接，在密闭腔体内加注冷媒并封口形成密闭系统，所述连接蒸发器和冷凝器的管路设置有专门的蒸发气管和回流液管，所述冷媒在密闭系统内形成统一循环流动方向。
12.优选地，所述蒸发器和冷凝器通过管路连接，在密闭腔体内加注冷媒并封口形成密闭系统，所述连接蒸发器和冷凝器的管路内部的冷媒形成相反的流向，所述蒸发器内部的冷媒蒸发通过管路向上进入冷凝器，蒸汽在进入冷凝器冷凝后通过管路同时回流向下进入蒸发器。
13.优选地，所述冷凝器可以由一个或多个冷凝器组成。
14.优选地，所述功率半导体器件分别设置于所述蒸发器的两侧。
15.优选地，在所述功率模块结构主体放置冷凝器的中部位置设置有散热风扇，所述散热风扇可以是轴流风扇或者是离心风扇。
16.优选地，所述散热器的冷凝器为管翅式或者平行流换热器。
17.优选地，所述功率模块还包括电容器，所述电容器设置于所述散热器的中部、下部或者后部。
18.本发明还公开了一种功率柜，所述功率机柜包括至少一个上述所述的功率模块。
19.采用上述结构之后，一种功率模块，包括散热器、功率半导体器件、导电排及功率模块结构主体，所述散热器包括至少一个冷凝器和至少一个蒸发器，所述蒸发器设置于功率模块结构主体的下层，所述冷凝器设置于功率模块结构主体的上层，所述蒸发器的器件安装面为竖直平面，所述冷凝器设置有至少有两个进风面，所述冷凝器的至少有两个进风面和蒸发器器件安装面共同构成y型结构布局，该功率模块及功率机柜结构紧凑，空间利用率高，提升功率模块的热交换能力，提高设备的功率密度，降低系统综合成本。
附图说明
20.图1为现有技术功率模块及机柜布局结构图；
21.图2为本发明的功率模块的整体结构图；
22.图3为本发明实施例三的功率模块的结构图；
23.图4为本发明实施例四的功率模块在功率柜内的布局图；
24.图5为本发明实施例五的功率模块的结构图；
25.图6为本发明实施例四的功率模块在功率柜内的布局图。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并
不用于限定本发明。
27.实施例一
28.请参阅图2，图2为本发明的功率模块的整体结构图；本实施例公开了一种功率模块，包括散热器、功率半导体器件13、导电排及功率模块结构主体，所述散热器包括至少一个冷凝器11和至少一个蒸发器12，所述蒸发器12设置于功率模块结构主体的下层，冷凝器11设置于功率模块结构主体的上层，蒸发器12的器件安装面为竖直平面，冷凝器11设置有至少两个进风面，冷凝器11的至少有两个进风面和蒸发器12的器件安装面共同构成y型结构布局。
29.在本实施例中，所述散热器为热虹吸式散热器。
30.所述冷凝器11可以由一个或多个冷凝器11组成。
31.在本实施例中，功率半导体器件13为igbt模块或者分立器件，所述功率半导体器件13分别设置于所述蒸发器12的两侧，功率半导体器在工作中将热量传递给蒸发器12中的载冷剂，载冷剂受热后温度升高发生相变气化，液态变成气态，气体密度降低自然上升，进入冷凝器11后将热量传递给冷凝器11，冷凝器11和空气进行换热，载冷剂温度降低，由于重力作用重新回流进入蒸发器12进行换热。
32.在本实施例中，蒸发器12和冷凝器11通过管路连接，在密闭腔体内加注冷媒并封口形成密闭系统，所述连接蒸发器12和冷凝器11的管路设置有蒸发气管和回流液管，所述冷媒在密闭系统内形成统一循环流动方向。
33.所述功率模块结构主体顶部设置有散热风扇，所述散热风扇可以是轴流风扇或者是离心风扇。
34.实施例二
35.本实施例以实施例一为基础，所不同的是：蒸发器12和冷凝器11通过管路连接，在密闭腔体内加注冷媒并封口形成密闭系统，连接蒸发器12和冷凝器11的管路内部的冷媒形成相反的流向，蒸发器12内部的冷媒蒸发通过管路向上进入冷凝器11，蒸汽在进入冷凝器11冷凝后通过管路同时回流向下进入蒸发器12。
36.实施例三
37.请参阅图3及图4，图3为本发明实施例三的功率模块的结构图，本实施例以实施例一为基础，所述冷凝器11为二相流冷凝器11，所述二相流冷凝器11为管翅式或者平行流换热器，所述蒸发器12为内腔空心的铝板或铜板，通过管路将冷凝器11和蒸发器12连接成一个密闭的腔体，通过对密闭腔体抽真空，然后加注冷媒。所述冷媒可以是r134a，r410a，r22，r12等常见制冷剂冷媒。
38.请参阅图3，本实施例的功率模块增加电容器14布局如图所示，电容器14设置于热虹吸式散热器的中部。
39.在本实施例中，所述蒸发器12或者冷凝器11的材质可以是铝、铜等金属材质。
40.冷凝器11和蒸发器12可以有明确的气体管路和液体管路循环流动，也可以只有气管，气液混合流。
41.在所述功率模块结构主体放置冷凝器11的中部位置设置有散热风扇，所述散热风扇可以是轴流风扇或者是离心风扇。
42.实施例四
43.本实施例公开了一种功率柜，包括至少一个实施例三所述的功率模块，请参阅图4，图4为本发明实施例四的功率模块在功率柜内的布局图；本实施例的功率模块在功率柜内布局如图4所示，每个功率柜内设置有一个或多个功率模块，通过风扇强制抽风或吹风将功率半导体工作过程中产生的热量带到空气中带走。
44.实施例五
45.请参阅图5，图5为本发明实施例五的功率模块的结构图。
46.本实施例以实施例一为基础，电容器14设置于热虹吸式散热器的后部。
47.实施例六
48.本实施例公开了一种功率柜，包括至少一个实施例五所述的功率模块请参阅图6，本实施例的功率模块在功率柜内布局如图6所示，每个功率柜内设置有一个或多个功率模块。
49.该功率模块及功率柜结构紧凑，空间利用率高，提升功率模块的热交换能力，提高设备的功率密度，降低系统综合成本。
50.应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种功率模块，包括散热器、功率半导体器件、导电排及功率模块结构主体，其特征在于，所述散热器包括至少一个冷凝器和至少一个蒸发器，所述蒸发器设置于功率模块结构主体的下层，所述冷凝器设置于功率模块结构主体的上层，所述蒸发器的器件安装面为竖直平面，所述冷凝器设置有至少两个进风面，所述冷凝器的至少两个进风面和蒸发器的器件安装面共同构成y型结构布局。2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述蒸发器和冷凝器通过管路连接，在密闭腔体内加注冷媒并封口形成密闭系统，所述连接蒸发器和冷凝器的管路设置有专门的蒸发气管和回流液管，所述冷媒在密闭系统内形成统一循环流动方向。3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述蒸发器和冷凝器通过管路连接，在密闭腔体内加注冷媒并封口形成密闭系统，所述连接蒸发器和冷凝器的管路内部的冷媒形成相反的流向，所述蒸发器内部的冷媒蒸发通过管路向上进入冷凝器，蒸汽在进入冷凝器冷凝后通过管路同时回流向下进入蒸发器。4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述冷凝器可以由一个或多个冷凝器组成。5.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述功率半导体器件分别设置于所述蒸发器的两侧。6.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，在所述功率模块结构主体放置冷凝器的中部位置设置有散热风扇，所述散热风扇可以是轴流风扇或者是离心风扇。7.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述散热器的冷凝器为管翅式或者平行流换热器。8.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括电容器，所述电容器设置于所述散热器的中部、下部或者后部。9.一种功率柜，其特征在于，包括权利要求1至9任一所述的功率模块。

技术总结
本发明公开了一种功率模块，包括散热器、功率半导体器件、导电排及功率模块结构主体，所述散热器包括至少一个冷凝器和至少一个蒸发器，蒸发器设置于功率模块结构主体的下层，冷凝器设置于功率模块结构主体的上层，蒸发器的器件安装面为竖直平面，冷凝器设置有至少有两个进风面，冷凝器的进风面和蒸发器的器件安装面共同构成Y型结构布局。该功率模块结构紧凑，空间利用率高，可提升功率模块的热交换能力，提高设备的功率密度，降低系统综合成本。降低系统综合成本。降低系统综合成本。


技术研发人员：周泽平 周党生 王琰 李浩 陈培强
受保护的技术使用者：深圳市禾望电气股份有限公司
技术研发日：2022.03.07
技术公布日：2022/5/25