CN103379806A - 能顺序排列的液体冷却的功率半导体模块和相关设施 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能顺序排列的液体冷却的功率半导体模块和相关设施，该功率半导体模块具有长方体状的基本形状，该基本形状具有各两个分别成对地对置的主侧、纵侧和窄侧，该功率半导体模块还具有能通流的冷却装置、功率电子开关装置和壳体。在这种情况下，冷却装置具有带至少一个冷却面的冷却容积和四个用于冷却液的接头装置，它们成对地布置在主侧处。此外，用于冷却液的接头装置分别构造为送流入口和送流出口以及回流入口和回流出口。功率电子开关装置具有分别布置在一个或两个纵侧处的负载输入接头装置和负载输出接头装置以及布置在功率半导体模块的窄侧处的控制接头装置。

Description

能顺序排列的液体冷却的功率半导体模块和相关设施

技术领域

本发明描述了一种尤其适合使用在分散的能量供应装置中的功率半导体模块。为此，功率半导体模块设置有液体冷却装置并且如下地构造，即，多个功率半导体模块能借助于其送流部和回流部彼此按顺序排列。通过这种顺序排列形成了一种设施，该设施例如能用作为风力发电设备中的逆变器电路。

背景技术

原则上，能顺序排列的功率半导体模块例如由DE10316356A1公知。在该文献中称为部分模块的功率半导体模块具有壳体以及负载接头装置和辅助接头装置。功率半导体模块能并排地布置在冷却装置上并且借助于连接装置连接成整个设施。

此外，由EP1815514B1公知流量分配模块和由此形成的相应设施。在这种情况下，流量分配模块作为冷却系统的部分而具有壳体、入口分配器、出口分配器和大量的流量单元。这些单元可以构造为敞开的单元，其中，功率电子开关装置可以置入开口中。在这种情况下，在流量分配模块与功率电子开关装置之间形成待密封的面。

发明内容

在了解这些现有技术之后，本发明的任务在于，提供一种能按顺序排列的、液体冷却的功率半导体模块，该功率半导体模块不具有内部的密封面、能灵活地带有不同功率电子电路地构造并且易于进行简单的且对负载接头来说低感应的外部连接。同样，本发明的任务还在于，提供一种具有多个所述功率半导体模块的设施，该设施利用了它们的优点。

根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的功率半导体模块和根据权利要求8的设施得以实现。优选的实施方式在相应的从属权利要求中加以描述。

根据本发明的功率半导体模块具有长方体状的基本形状，由此限定分别成对地对置的两个主侧、两个纵侧和两个窄侧。此外，主侧还通过如下方式得以限定，即，就长方体状的基本形状而言主侧的面积是最大的，而相应地窄侧的面积是最小的。在保持所述长方体状基本形状的条件下，这些相应的侧并不是强制性地完全构成平坦的面，更确切地说，相应侧的面可以具有缩进部并且替选地或者附加地具有例如用于接头元件的凹部。

此外，功率半导体模块具有能通流的冷却装置、功率电子开关装置和壳体。在这种情况下，冷却装置具有四个用于冷却液的接头装置和带有至少一个冷却面的冷却容积。在这种情况下，冷却容积尤其应该理解为单个能通流的室或者多个能并行或者串行通流的室。这些室构成冷却装置的空腔，其中，至少一个冷却面与至少一个所述空腔邻接。至少一个冷却面优选与主侧平行地布置。冷却容积相对于相应的冷却面是密封的。因此，功率半导体模块的内部没有内部密封装置所要求的内部密封面。

冷却装置的用于冷却液的四个接头装置成对地布置在功率半导体模块的主侧处。用于冷却液的接头装置分别构造为送流入口和送流出口以及回流入口和回流出口。在这种情况下，送流部尤其理解为如下液体流，即，该液体流将冷却液运输至待冷却的物体，而回流部尤其是如下液体流，即，该液体流在待冷却的物体上的热量转移之后将冷却液运走。

在第一种优选的设计方案中，送流入口和回流出口以及送流出口和回流入口分别布置在功率半导体模块的一个主侧上。在这种情况下，相应的入口和出口自然具有配属的且通过其功能限定的接头装置。

在第二种优选的设计方案中，送流入口和回流入口以及送流出口和回流出口分别布置在一个主侧上。

优选地，功率半导体模块的冷却装置在送流入口与送流出口之间具有第一分支，以及在回流入口与回流出口之间具有第二分支，由此，冷却装置的冷却容积能以冷却液从送流部至回流部地通流。

功率电子开关装置具有功率电子电路，其布置在至少一个冷却面上并且通过所述冷却面与冷却液热连接，由此，可以将出现的热量输出给冷却液。可以优选的是：借助于各个开关模块来构造功率电子电路。此外，可以优选的是：这些开关模块成对地分别布置在两个关于冷却容积对置的冷却面上。

此外，功率电子开关装置具有负载输入接头装置和负载输出接头装置，它们分别布置在一个或两个纵侧处。这些负载输入接头装置和负载输出接头装置用于功率电子电路的外部连接。如下是有利的，即，负载输入接头装置布置在第一纵侧处而负载输出接头装置布置在对置的纵侧处。

同样，功率电子开关装置具有布置在窄侧处的控制接头装置。该控制接头装置尤其用于控制信号的、故障信号的和传感器信号的外部连接。在这种情况下，功率电子开关装置除了功率电子电路外还可以具有模块内部的控制电路，该控制电路例如是次级侧或该次级侧的一部分，以便操控功率电子电路。

此外，功率半导体模块具有在第一种优选设计方案中仅覆盖功率电子电路的壳体并且具有用于其接头装置的凹部。在这种情况下，壳体也可以构造为防尘和防湿的包封件。

壳体在第二种优选的设计方案中构造为整个功率半导体模块的防尘和防湿的包封件，该壳体包围功率电子电路和冷却装置，其中，仅必要的接头装置穿过壳体。

根据本发明的设施的第一种设计方案以如下方式由多个上述功率半导体模块构造，即，一个功率半导体模块的送流出口与后续功率半导体模块的送流入口间接或者直接连接，而回流入口与后续功率半导体模块的回流出口间接或直接连接。在这种情况下，将直接连接理解为如下连接，即，其中，相对应的接头装置直接地在仅补充所需要的外部密封装置的情况下连接。在这种情况下，将间接连接理解为如下连接，即，其中，相对应的接头装置非直接地而是借助于合适的连接元件和所需要的外部密封装置来连接。在这里，将外部密封装置理解为如下密封装置，即，其能布置在功率半导体模块的外部。

在第二种设计方案中，功率半导体模块以如下方式按顺序排列，即，一个功率半导体模块的送流出口与后续功率半导体模块的送流入口间接或者直接连接，而回流出口与后续功率半导体模块的回流入口间接或直接连接。

在这种情况下，相应地在两种设计方案中优选的是：所有功率半导体模块的负载输入接头装置和负载输出接头装置分别布置在相同的纵侧上。这尤其用于低感应地外部互联功率半导体模块。此外，由此将外部互联耗费保持得极低。

同样可以优选的是：所有功率半导体模块的控制接头装置分别布置在相同的窄侧上。这也有助于特别简单的外部连接，尤其是当配属的相邻的功率半导体模块的至少两个控制接头装置与共同的外部控制电路板连接时。

在设施作为多相逆变器的设计方案中，如下是具有优点的，即，那些其控制接头装置借助于共同的外部控制电路板连接的功率半导体模块配属于交流电系统的逆变器的一个电气相位。通过将控制信号分配到多个控制电路板上可以简化结构并且替选地或者同时提高抗干扰性。

通过功率半导体模块的和由此构建的设施的所提到的设计方案，原则上可以将同类的功率半导体模块用于不同的电路拓扑结构，尤其用于两级和三级逆变器。由功率电子电路的可排列性和灵活的设计方案也得出能简单标量的设计方案，由此，尤其是具有不同功率的逆变器仅通过待顺序排列的功率半导体模块的数量就可以在功率上得以标量。

附图说明

对本发明的详细阐述以及有利的细节和特征由对根据本发明的功率半导体模块或者根据本发明的设施的在图1至图7中示出的实施例的下列描述得知。

图1以三维视图示出根据本发明的功率半导体模块；

图2示意性示出在纵侧的方向上根据本发明的功率半导体模块的剖面的俯视图；

图3示出根据本发明的功率半导体模块在不带有壳体的情况下在主侧的方向上的俯视图；

图4和图5示意性示出在纵侧的方向上另一根据本发明的功率半导体模块的剖面的俯视图；

图6示出根据本发明的设施的第一种设计方案的三维视图；

图7示出根据本发明的设施的第二种设计方案的三维视图。

具体实施方式

图1以三维视图示出根据本发明的功率半导体模块1，在所述功率半导体模块中，长方体状的基本形状清楚可见。因此，功率半导体模块1具有两个主侧2a/b，在所述主侧上分别与纵侧3a/b和窄侧4a/b紧密相邻地在对置的拐角中布置有用于冷却液的接头装置110、120、130、140。这些接头装置110、120、130、140是功率半导体模块1的冷却装置10的部分。在这里，在第一主侧2a上示出了送流出口120和回流出口140。在剩下的两个拐角中，冷却装置10在主面2a/b之间设置有穿过的凹部18，在多个功率半导体模块1按顺序排列的情况中所述凹隙用于它们的连接。

同样示出了功率半导体模块1的壳体30，壳体30覆盖U形构造的冷却装置10的凹部并且在此构成第一主侧2a的基本部分。通过壳体30覆盖地并且不可见地布置有功率半导体模块1的功率电子开关装置20的功率电子电路22。在功率电子开关装置20中可看到负载接头装置24、26（这里是负载输出接头装置26）以及控制接头装置28。这些接头装置在所配属的凹部34、36、38处穿过壳体30，负载接头装置24、26在功率半导体模块1的纵侧3a/b处而控制接头装置28在窄侧4a处。

图2示意性示出在纵侧3a的方向上根据本发明的功率半导体模块1的剖面的俯视图。在这里示出的是双U形的冷却装置10，其带有第一主侧2a处的送流出口120和回流出口140，而分别对应的送流入口110和回流入口130布置在第二主侧2b处。在送流部12与回流部14之间布置有能通流的冷却容积16。

在这里，冷却容积16仅具有一个室，两个冷却面160、162配属于该室。在两个冷却面160、162的每一个上都布置有功率电子电路22的开关模块220。各两个对置布置的开关模块220配属于三相逆变器电路的一相。

该功率半导体模块1的壳体30构造为防尘和防湿的包封件，所述包封件仅具有用于实施所需要的外部接头装置的开口（在这里是未示出的凹部34、36、38），并且还包围功率电子电路22和整个冷却装置10。在这种情况下，所需要的接头装置是用于冷却液的四个接头装置110、120、130、140和功率电子开关装置20的未示出的负载接头管路24、26和控制接头管路28。

图3示出根据本发明的功率半导体模块1在不带有壳体30的情况下在主侧2a的方向上的俯视图。在这里还示出了U形的冷却装置10，其带有在第一主侧2a的对置拐角中的送流出口120和回流出口140。附加地，在冷却装置10的所有拐角中都设置有从第一主侧2a向第二主侧2b穿过的、不与冷却回路相连的凹部18，所述凹部以如下方式服务于至其他功率半导体模块的连接，即，穿过它们能布置有用于将功率半导体模块相对于彼此夹持的螺栓连接装置。

此外，还示出的是：冷却面160布置在功率电子电路22的三个开关模块220上。从这些子模块220延伸至纵侧3a/b的负载接头装置24、26同样如从这些子模块220延伸至窄侧4a/b的辅助接头装置28那样地未示出。

图4和图5示意性示出在纵侧3a的方向上另一根据本发明的功率半导体模块1的剖面的俯视图。再次示出了U形的冷却装置10，冷却装置10完整地构造出功率半导体模块1的第二主侧2b以及两个窄侧4a/b。同样，冷却装置10构造出第一主侧2a的一部分以及两个纵侧3a/b的部分（参见图1）。第一主侧2a的剩余部分以及两个纵侧3a/b的剩余部分通过壳体30构造。

在这里，在U形冷却装置10的内部，功率电子电路22的三个开关模块220布置在冷却装置10的冷却面160上并且借助于冷却面160与冷却液热接触。

在根据图4的功率半导体模块1中，送流部12的冷却液穿过第二主侧2b处的送流入口110到达冷却装置10中并且在那里借助于第一分支122分成两个支流。冷却液的大部分穿过第一主侧2a处的送流出口120离开功率半导体模块1的冷却装置10，而冷却液的小部分流过带有邻接的冷却面160的冷却容积16。

同样，在第二主侧2b处布置有回流入口130。回流部14的冷却液穿过回流入口130到达冷却装置10中并且在第二分支142处与已经流过冷却容积16的冷却液汇合。此后，回流部14穿过第一主侧2a上的回流出口140离开冷却装置10。

附加地，该功率半导体模块1还具有内部的控制电路板240，控制电路板240以专业上常见的方式与开关模块220连接并且提供用于功率电子电路22的驱动器功能。这个内部的控制电路板240作为功率电子开关装置20的一部分在功率半导体模块1的窄侧4a处具有控制接头装置28，控制接头装置28穿过壳体30的凹部38地伸出。

图5基本上示出相同的功率半导体模块1，其中，在这里未示出内部的控制电路板，功率半导体模块1带有相同的接头装置。然而，在这里改变了用于冷却液的接头装置的功能，这是因为回流入口130布置在第一主侧2a上而回流出口140布置在第二主侧2b上。这当然仅是功能上的变化而不是结构上的变化。

因此，原则上，根据图4和图5的功率半导体模块适用于送流部12或回流部14的不同流动方向。当对第一分支、第二分支或者两个分支的效率的要求提高时，也可以放弃这种针对任意流动方向的适宜性。

图6示出根据本发明的设施100的第一种设计方案的三维视图。示出了多个能顺序排列的功率半导体模块1，其分别带有两个在对置的主侧2a/b处的用于冷却液的接头装置、在相应的纵侧3a/b处的负载接头装置24、26和在相应的窄侧4a处的控制接头装置28。借助于所述接头装置，将功率半导体模块1的送流部12和回流部14连接成冷却回路。为此，一个功率半导体模块的送流入口和回流入口与后续功率半导体模块的送流出口或回流出口仅在待连接的配属的接头装置之间附加地布置外部密封装置的情况下直接连接。

为了建立液体密封的连接，功率半导体模块1彼此拧紧（参见图3）或者借助于夹持装置力锁合地连接。

负载输入接头装置24（这里是直流电流接头装置）布置在第一纵侧3a处而负载输出接头装置26（这里是交流电压接头装置）布置在对置的纵侧3b处并且在所配属的凹部34、36处穿过相应的壳体。这种设计方案对于待构成的逆变器电路来说具有巨大优点，这是因为由此使得直流电压侧与交流电压侧分开。由此，在直流电压侧上，能够以紧凑和低感应的方式设置有到直流电压中间回路的联接。同样，基于足够的结构空间，也可以根据要求来设置交流电压侧的联接。

辅助接头装置28设置在窄侧4a处并因此以最小的方式影响用于负载连接的构造间隙。辅助接头装置28与多件式外部控制电路板40连接，多件式外部控制电路板40可以在需要时如所示出的那样为了实现防尘和防湿的包封而具有适合的自身壳体。

图7示出根据本发明的设施100的第二种设计方案的三维视图。示出了多个能顺序排列的功率半导体模块1，其分别带有两个在对置的主侧处的用于冷却液的接头装置以及在相应的纵侧3a/b处的负载接头装置24、26。在相应的窄侧处的控制接头装置未示出。借助于所述接头装置，将功率半导体模块1的送流部12和回流部14连接成冷却回路。为此，一个功率半导体模块的送流入口和回流入口与后续功率半导体模块的送流出口或回流出口在待连接的配属的接头装置之间附加地布置密封装置和能通流的间隔块的情况下间接地连接。

为了构造设施100，优选仅建立相应的液体密封的连接。由此形成如下复合结构，该复合结构可以布置在未示出的保持装置中。替选地，功率半导体模块1能够在需要时在添加了必要的间距保持器的情况下彼此拧紧（参见图3）。

Claims (12)

1.能顺序排列的功率半导体模块（1），其具有长方体状的基本形状，所述基本形状具有各两个分别成对地对置的主侧（2a/b）、纵侧（3a/b）和窄侧（4a/b），所述功率半导体模块还具有能通流的冷却装置（10）、功率电子开关装置（20）和壳体（30），

其中，所述冷却装置（10）具有带至少一个冷却面（160、162）的冷却容积（16）和四个用于冷却液的接头装置（110、120、130、140），它们成对地布置在所述主侧（2a/b）处，

其中，所述用于冷却液的接头装置（110、120、130、140）分别构造为送流入口（110）和送流出口（120）以及回流入口（130）和回流出口（140），并且，

其中，所述功率电子开关装置（20）具有分别布置在一个或两个纵侧（3a/b）处的负载输入接头装置（24）和负载输出接头装置（26）以及布置在所述功率半导体模块（1）的窄侧（4a/b）处的控制接头装置（28）。

2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述壳体（30）覆盖所述功率电子开关装置（20）的功率电子电路（22）并且具有用于其负载接头装置和控制接头装置（24、26、28）的凹部（34、36、38）。

3.根据前述权利要求之一所述的功率半导体模块，其中，所述壳体（30）构造为防尘和防湿的包封件，该包封件要么仅包围所述功率电子电路（22）要么包围所述功率电子电路（22）和所述冷却装置（10）。

4.根据前述权利要求之一所述的功率半导体模块，其中，所述冷却装置（10）的所述至少一个冷却面（160、162）平行于所述主侧（2a/b）地布置。

5.根据权利要求2至4之一所述的功率半导体模块，其中，所述功率电子电路（22）布置在所述冷却装置（10）的两个对置的冷却面（160、162）上并且在这种情况下具有至少两个开关模块（220）。

6.根据前述权利要求之一所述的功率半导体模块，其中，所述送流入口（110）和所述回流出口（140）以及所述送流出口（120）和所述回流入口（130）分别布置在一个主侧（2a/b）上，或者所述送流入口（110）和所述回流入口（130）以及所述送流出口（120）和所述回流出口（140）分别布置在一个主侧（2a/b）上。

7.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其中，在所述送流入口（110）与所述送流出口（120）之间布置有第一分支（122），以及在所述回流入口（130）与所述回流出口（140）之间布置有第二分支（142），由此，所述冷却装置（10）的冷却容积（16）能以冷却液从送流部（12）至回流部（14）地通流。

8.由多个根据前述权利要求之一所述的功率半导体模块（1）组成的设施（100），其中，所述功率半导体模块（1）以如下方式顺序排列，即，一个功率半导体模块（1）的送流出口（120）与后续功率半导体模块的送流入口（110）间接或者直接连接，而回流入口（130）与后续功率半导体模块的回流出口（140）间接或直接连接，或者其中，所述功率半导体模块（1）以如下方式顺序排列，即，一个功率半导体模块（1）的送流出口（120）与后续功率半导体模块的送流入口（110）间接或者直接连接，而回流出口（140）与后续功率半导体模块的回流入口（130）间接或直接连接。

9.根据权利要求8所述的设施，其中，所有功率半导体模块（1）的负载输入接头装置（24）和负载输出接头装置（26）分别布置在相同的纵侧（3a/b）上。

10.根据权利要求8所述的设施，其中，所有功率半导体模块（1）的控制接头装置（28）分别布置在相同的窄侧（4a/b）上。

11.根据权利要求8或10所述的设施，其中，配属的相邻的功率半导体模块（1）的至少两个控制接头装置（28）与共同的外部控制电路板（40）连接。

12.根据权利要求11所述的设施，其中，那些其控制接头装置（28）借助于共同的外部控制电路板（40）连接的功率半导体模块（1）配属于交流电系统的一个电气相位。

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