CN104582426A - 模块化散热源装置、具有该装置的热阻测试***及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化散热源装置，该散热源装置包括散热源模块、散热源压板，散热源模块通过散热源压板固定在散热器基板上，散热源模块包括二极管压板、导热板和N个二极管，其中N为偶数；二极管通过二极管压板固定在导热板上，其关于导热板的横向中心线上下对称，关于导热板的纵向中心线左右对称，二极管串联并与外接电源组成一回路；导热板底面与散热器基板之间设有一界面材料层，导热板的横向中心线、纵向中心线分别与散热器基板的横向中心线、纵向中心线重合。本发明还公开了一种热阻测试***及测试方法。本发明不但可以准确地得到散热器的热阻值，而且适用于各种散热器的热阻测试。
Description
技术领域
本发明与电力电子控制装置中的散热测试技术有关，具体涉及一种用于散热器热阻测试的模块化散热源装置、具有该装置的热阻测试***及测试方法。
背景技术
在电力电子控制器产品的开发和应用中，热阻作为评估散热器散热能力的重要参数，一直以来都是业内关注和评估的对象。在电力电子控制器中，水冷板是一种通用的核心部件，它的热阻测试也是水冷板散热性能研究的关键，既可以评估水冷板结构设计的优劣，又可以优化水冷板散热的相关参数。
目前，水冷板的热阻值主要以间接测量为主，通过测试得到芯片结到冷却液的热阻，减去芯片结到壳体的热阻，而求得水冷板的热阻，具体可参考《Transient DualInterface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junctionto Case of Semiconductor Devices with Heat Flow Trough a Single Path》，2010年11月出版，JEDEC Solid State Technology Association,JESD51-14。由于芯片结到壳体的热阻难以准确测得，因此间接测量得到的水冷板热阻值与实际值存在一定的偏差。
此外，相关文献中提到的水冷板热阻的直接测量方法主要是在水冷板上打孔或者挖槽来布置热电偶，检测水冷板上表面的温度。但是，这种在水冷板上打孔或者挖槽的方法操作较为复杂，并且存在泄漏的风险，而且孔和槽的存在会在一定程度上影响散热，从而影响热阻测试的结果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种模块化散热源装置、具有该装置的热阻测试***及测试方法，不但适用于各种水冷板的热阻测试，而且可以准确地得到水冷板的热阻值。
为解决上述技术问题，本发明提供的模块化散热源装置，包括散热源模块、散热源压板，所述散热源模块通过散热源压板固定在散热器的基板上，所述散热源模块包括二极管压板、导热板和N个二极管，其中N为偶数；
二极管，通过二极管压板固定在导热板上，其关于导热板的横向中心线上下对称，关于导热板的纵向中心线左右对称，所述二极管依次串联并与外接电源组成一回路；
导热板，其横向中心线与散热器基板的横向中心线重合，纵向中心线与散热器基板的纵向中心线重合。
优选的，所述二极管的数量为大于等于6的偶数。
优选的，所述二极管分为两排，且关于导热板的横向中心线上下对称。
较佳的，所述导热板的底面与散热器的基板之间设有一界面材料层。优选的，界面材料层的厚度小于0.1mm。
其中，所述散热器为水冷式散热器，散热器的基板为水冷板，所述散热源模块固定在水冷板上。或者，所述散热器为风冷式散热器，其包括风冷基板和若干翅片，所述散热源模块固定在风冷基板上。
在上述结构中，二极管与导热板之间设有导热绝缘垫片，二极管压板和二极管之间设有第二绝缘泡沫层，散热源压板和二极管压板之间设有第一绝缘泡沫层，散热源压板上安装有线束固定架。
本发明还提供一种具有模块化散热源装置的热阻测试***，包括散热源模块、散热源压板和热电偶，所述散热源模块通过散热源压板固定在散热器的基板上，所述散热源模块包括二极管压板、导热板和N个二极管，其中N为偶数；
二极管，通过二极管压板固定在导热板上，其关于导热板的横向中心线上下对称，关于导热板的纵向中心线左右对称，所述二极管依次串联并与外接电源组成一回路；
导热板，其底面与散热器基板之间设有一界面材料层，所述导热板的横向中心线与散热器基板的横向中心线重合，纵向中心线与散热器基板的纵向中心线重合；
热电偶，数量为N个，每个二极管的空脚PIN处靠近的导热板上表面设有一个热电偶。
优选的，所述二极管的数量为大于等于6的偶数。
进一步的，每个二极管的输出端设有热电偶，用于监测二极管结温是否超过最大允许温度。
优选的，所述导热板的上表面还设有两个参考热电偶，所述两个参考热电偶在横向方向上分别位于N个热电偶的两侧。
本发明还提供利用所述的模块化散热源装置进行热阻测试的方法，包括以下步骤：
1）在导热板的上表面上设置N个热电偶，每个热电偶对应位于一个二极管的空脚PIN处，采集导热板上不同位置的温度T1、T2、……TN；
2）测量每个二极管的输入端与输出端之间的电压值V1、V2、……VN；
3）根据以下公式计算散热器的热阻值Rth(tim-coolant)
P=I×(V1＋V2＋……＋VN)；
T(copper plate)=(T1+T2＋……＋TN)/N；
Rth(copper plate-coolant)=(T(copper plate)-T(coolant))/P；
Rth(copper plate)=L/(λ×A)；
Rth(tim-coolant)=Rth(copper plate-coolant)-Rth(copper plate)；
其中，P为二极管上总的功率损耗，I为恒定的输入电流，T(copper plate)为温度稳定工况下导热板上表面的平均温度，Rth(copper plate-coolant)为导热板到冷却媒质的热阻值，T(coolant)为冷却媒质的温度，Rth(copper plate)为导热板自身的热阻值，L为导热板的厚度，λ为导热板的导热系数；A为导热板的散热面积，Rth(tim-coolant)为散热器的热阻值，其包括界面材料层自身的热阻值、散热器自身的热阻值、散热器与冷却媒质的表面换热热阻值。
在上述测试方法中，散热器为水冷板，Rth(copper plate-coolant)为导热板到冷却液的热阻值，T(coolant)为冷却液的温度，Rth(tim-coolant)为水冷板的热阻值，其包括界面材料层自身的热阻值、水冷板自身的热阻值、水冷板与冷却液的表面换热热阻值。散热器为风冷式散热器，其包括风冷基板和若干翅片，Rth(copper plate-coolant)为导热板到冷却风的热阻值，T(coolant)为冷却风的温度，Rth(tim-coolant)为风冷基板和翅片的热阻值，其包括界面材料层自身的热阻值、散热器自身的热阻值、散热器与冷却风的表面换热热阻值。
本发明的有益之处在于：
1）散热源模块以及导热板对称分布于PIN FIN段的水道上，易于均匀散热，而且二极管对称分布在导热板上，使热量能够在导热板上均匀扩散；
2）热电偶布置在导热板的上表面上，并且靠近二极管的芯片位置，在不影响水冷板散热以及避免泄漏的前提下，可以直接通过热电偶获得导热板上表面的温度，准确地算出导热板到冷却液的热阻值，进而通过计算获得水冷板的热阻值；
3）散热源模块的输出功率最高可达600W，与电力电子控制器单个功率模块的最大导通损耗保持一致，且散热源模块与单个功率模块的散热面积相同，装配位置相同，因此该散热源模块可用于模拟现有功率模块的发热情况；
4）散热源装置以及测试***、测试方法通用性强，适用范围广，可用于各种电力电子控制器不同水冷板的热阻测试。
附图说明
图1是本发明的模块化散热源装置的分解示意图；
图2是本发明中热阻测试的总散热路径的示意图；
图3是本发明的热阻测试***的热电偶分布示意图；
图4是本发明的热阻测试电路图。
其中附图标记说明如下：
1为线束固定架；2为散热源压板；3为第一绝缘泡沫层；4为二极管压板；5为第二绝缘泡沫层；6为二极管；7为导热绝缘垫片；8为导热板；9为水冷板；10为界面材料层。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供的一种模块化散热源装置，适用于电力电子控制器中水冷板散热器以及风冷式散热器（包括风冷基板和若干翅片）的热阻测试，如图1所示，该散热源装置包括散热源模块、散热源压板2，其中散热源模块通过散热源压板2固定在水冷板9或风冷基板上，所述散热源模块包括二极管压板4、导热板8和N个二极管6，其中N为偶数；
二极管6通过二极管压板4固定在导热板8上，其关于导热板8的横向中心线上下对称，关于导热板8的纵向中心线左右对称，使热量能够在导热板8上均匀扩散，所述二极管6依次串联并与外接电源组成一回路，如图4所示；
导热板8的横向中心线与水冷板9或风冷基板的横向中心线重合，纵向中心线与水冷板9或风冷基板的纵向中心线重合，易于在水冷板9或风冷基板上均匀散热。优选的，导热板8的底面与水冷板9或风冷基板之间设有一界面材料层10，其材料为导热脂，该界面材料层10的厚度小于0.1mm，其均匀地分布在导热板8的底面，用于减小导热板与水冷板或风冷基板的接触热阻。
在本实施例中，以6个二极管为例，所述二极管分为两排，每排三个二极管，两排二极管6关于导热板8的横向中心线上下对称，同时关于导热板8的纵向中心线左右对称。当然，在满足测试要求的情况下，二极管的数量也可以为2个、4个或者8个等等，只要二极管的分布关于导热板8的横向中心线上下对称，且关于导热板8的纵向中心线左右对称即可。
此外，二极管6与导热板8之间设有导热绝缘垫片7，用于为二极管6绝缘并很好地将热量从二极管6传至导热板8。二极管压板4和二极管6之间设有第二绝缘泡沫层5，通过控制第二绝缘泡沫层5的压缩量可以提供适当的预紧力压紧二极管6。散热源压板2和二极管压板4之间设有第一绝缘泡沫层3，通过第一绝缘泡沫层3的压缩量可以提供适当的预紧力压紧散热源模块。
散热源压板2上安装有线束固定架1，用于固定二极管6的输入线缆，防止线缆在电路运行过程中脱落。
本发明还提供一种具有所述模块化散热源装置的热阻测试***，在上述模块化散热源装置的基础上，该***增加了N个热电偶，每个二极管6的空脚PIN处靠近的导热板8上表面（图3中位置B、C、D、F、G、H）设有一个热电偶，如图3所示，。
每个二极管6的输出端（图3中的位置1-6）设有热电偶，用于监测二极管结温是否超过最大允许温度。所述导热板的上表面还设有两个参考热电偶，所述两个参考热电偶在横向方向上分别位于N个热电偶的两侧，即图3中的位置A和位置E。
以水冷板散热器为例，进行热阻测试时模块化散热源装置的总散热路径如图2所示，其中包含：
1)二极管结到二极管底板表面的热阻Rth(junction–case)；
2)二极管底板与导热绝缘垫片7的接触热阻Rth(case–pad)；
3)导热绝缘垫片7自身的热阻Rth(pad)；
4)导热绝缘垫片7到导热板8的接触热阻Rth(pad–copper plate)；
5)导热板8自身的热阻Rth(copper plate)；
6)界面材料层10自身的热阻Rth(tim)；
7)水冷板9自身的热阻Rth(cooler)；
8）水冷板9与冷却液的表面换热热阻Rth(cooler–coolant)；
其中，导热板到冷却液的热阻值Rth(copper plate-coolant)为测试得到的结果（即图2中大括号中的热阻值之和），其包括Rth(copper plate)、Rth(tim)、Rth(cooler)Rth(cooler–coolant)。
利用前述散热源装置进行热阻测试的方法，以6个二极管和水冷板散热器为例，包括以下步骤：
1）在导热板8的上表面上设置6个热电偶，如图3所示，每个热电偶对应位于一个二极管6的空脚PIN处，即图3中的位置B、C、D、F、G、H，采集导热板8上不同位置的温度T1、T2、……T6；
2）测量每个二极管6的输入端与输出端之间的电压值V1、V2、……V6；
3）根据以下公式计算水冷板9的热阻值Rth(tim-coolant)，其包括界面材料层自身的热阻值Rth(tim)、水冷板自身的热阻值Rth(cooler)、水冷板与冷却液的表面换热热阻值Rth(cooler –coolant)三项；
P=I×(V1＋V2＋……＋V6)；
T(copper plate)=(T1+T2＋……＋T6)/6；
Rth(copper plate-coolant)=(T(copper plate)-T(coolant))/P；
Rth(copper plate)=L/(λ×A)；
Rth(tim-coolant)=Rth(copper plate-coolant)-Rth(copper plate)；
其中，P为二极管上总的功率损耗，I为恒定的输入电流（如55A），T(copper plate)为温度稳定工况下导热板上表面的平均温度，Rth(copper plate-coolant)为导热板到冷却液的热阻值，T(coolant)为冷却液的温度（该温度参考环境温度），Rth(copper plate)为导热板自身的热阻值，L为导热板的厚度，λ为导热板的导热系数；A为导热板的散热面积。
上述测试方法同样适用于风冷式散热器，当散热器为风冷式散热器，Rth(copper plate- coolant)为导热板到冷却风的热阻值，T(coolant)为冷却风的温度，Rth(tim-coolant)为风冷基板和翅片的热阻值，其包括界面材料层自身的热阻值、散热器自身的热阻值、散热器与冷却风的表面换热热阻值。
本发明通用性强，适用范围广，可用于各种电力电子控制器不同水冷板及风冷散热器的热阻测试，其中散热源模块以及导热板对称分布于PIN FIN段的水道上，易于均匀散热，而且二极管对称分布在导热板上，使热量能够在导热板上均匀扩散。同时，热电偶布置在导热板的上表面上，并且靠近二极管的芯片位置，在不影响水冷板散热以及避免泄漏的前提下，可以直接通过热电偶获得导热板上表面的温度，准确地算出导热板到冷却液的热阻值，进而通过计算获得水冷板或风冷散热器的热阻值。
本发明的散热源装置的输出功率最高可达600W，与电力电子控制器单个功率模块的最大导通损耗保持一致，且散热源模块与单个功率模块的散热面积相同，装配位置相同，因此该散热源模块可用于模拟现有功率模块的发热情况。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，该实施例仅仅是本发明的较佳实施例，其并非对本发明进行限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下对二极管的数量及分布方式、热电偶的布置方式等方面通过任何修改、等同替换、改进等方式所获得的所有其它实施例，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。
Claims (18)
1.一种模块化散热源装置，其特征在于，包括散热源模块、散热源压板（2），所述散热源模块通过散热源压板（2）固定在散热器的基板上，所述散热源模块包括二极管压板（4）、导热板（8）和N个二极管（6），其中N为偶数；
二极管（6），通过二极管压板（4）固定在导热板（8）上，其关于导热板（8）的横向中心线上下对称，关于导热板（8）的纵向中心线左右对称，所述二极管（6）依次串联并与外接电源组成一回路；
导热板（8），其横向中心线与散热器基板的横向中心线重合，纵向中心线与散热器基板的纵向中心线重合。
2.根据权利要求1所述的模块化散热源装置，其特征在于，所述二极管（6）的数量为大于等于6的偶数。
3.根据权利要求1或2所述的模块化散热源装置，其特征在于，所述二极管（6）分为两排，且关于导热板（8）的横向中心线上下对称。
4.根据权利要求1或2所述的模块化散热源装置，其特征在于，所述导热板（8）的底面与散热器的基板之间设有一界面材料层（10）。
5.根据权利要求1或2所述的模块化散热源装置，其特征在于，所述散热器为水冷式散热器，散热器的基板为水冷板（9），所述散热源模块固定在水冷板（9）上。
6.根据权利要求1或2所述的模块化散热源装置，其特征在于，所述散热器为风冷式散热器，其包括风冷基板和若干翅片，所述散热源模块固定在风冷基板上。
7.根据权利要求1或2所述的模块化散热源装置，其特征在于，所述二极管（6）与导热板（8）之间设有导热绝缘垫片（7）。
8.根据权利要求1或2所述的模块化散热源装置，其特征在于，所述二极管压板（4）和二极管（6）之间设有第二绝缘泡沫层（5）。
9.根据权利要求1或2所述的模块化散热源装置，其特征在于，所述散热源压板（2）和二极管压板（4）之间设有第一绝缘泡沫层（3）。
10.根据权利要求1或2所述的模块化散热源装置，其特征在于，所述散热源压板（2）上安装有线束固定架（1）。
11.根据权利要求4所述的模块化散热源装置，其特征在于，所述界面材料层（10）的厚度小于0.1mm。
12.一种具有模块化散热源装置的热阻测试***，其特征在于，包括散热源模块、散热源压板（2）和热电偶，所述散热源模块通过散热源压板（2）固定在散热器的基板上，所述散热源模块包括二极管压板（4）、导热板（8）和N个二极管（6），其中N为偶数；
二极管（6），通过二极管压板（4）固定在导热板（8）上，其关于导热板（8）的横向中心线上下对称，关于导热板（8）的纵向中心线左右对称，所述二极管（6）依次串联并与外接电源组成一回路；
导热板（8），其底面与散热器基板之间设有一界面材料层（10），导热板（8）的横向中心线与散热器基板的横向中心线重合，纵向中心线与散热器基板的纵向中心线重合；
热电偶，数量为N个，每个二极管（6）的空脚PIN处靠近的导热板（8）上表面设有一个热电偶。
13.根据权利要求12所述的热阻测试***，其特征在于，所述二极管（6）的数量为大于等于6的偶数。
14.根据权利要求12所述的热阻测试***，其特征在于，每个二极管（6）的输出端设有热电偶，用于监测二极管结温是否超过最大允许温度。
15.根据权利要求12所述的热阻测试***，其特征在于，所述导热板（8）的上表面还设有两个参考热电偶，所述两个参考热电偶在横向方向上分别位于N个热电偶的两侧。
16.一种利用权利要求12所述的热阻测试***进行热阻测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）导热板（8）的上表面上设置N个热电偶，每个热电偶对应位于一个二极管（6）的空脚PIN处，采集导热板（8）上不同位置的温度T1、T2、……TN；
2）测量每个二极管（6）的输入端与输出端之间的电压值V1、V2、……VN；
3）根据以下公式计算散热器的热阻值Rth(tim-coolant)
P=I×(V1＋V2＋……＋VN)；
T(copper plate)=(T1+T2＋……＋TN)/N；
Rth(copper plate-coolant)=(T(copper plate)-T(coolant))/P；
Rth(copper plate)=L/(λ×A)；
Rth(tim-coolant)=Rth(copper plate-coolant)-Rth(copper plate)；
其中，P为二极管上总的功率损耗，I为恒定的输入电流，T(copper plate)为温度稳定工况下导热板上表面的平均温度，Rth(copper plate-coolant)为导热板到冷却媒质的热阻值，T(coolant)为冷却媒质的温度，Rth(copper plate)为导热板自身的热阻值，L为导热板的厚度，λ为导热板的导热系数；A为导热板的散热面积，Rth(tim-coolant)为散热器的热阻值，其包括界面材料层自身的热阻值、散热器自身的热阻值、散热器与冷却媒质的表面换热热阻值。
17.根据权利要求16所述的热阻测试方法，其特征在于，所述散热器为水冷板（9），Rth(copper plate-coolant)为导热板到冷却液的热阻值，T(coolant)为冷却液的温度，Rth(tim-coolant)为水冷板的热阻值，其包括界面材料层自身的热阻值、水冷板自身的热阻值、水冷板与冷却液的表面换热热阻值。
18.根据权利要求16所述的热阻测试方法，其特征在于，所述散热器为风冷式散热器，其包括风冷基板和若干翅片，Rth(copper plate-coolant)为导热板到冷却风的热阻值，T(coolant)为冷却风的温度，Rth(tim-coolant)为风冷基板和翅片的热阻值，其包括界面材料层自身的热阻值、散热器自身的热阻值、散热器与冷却风的表面换热热阻值。
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