CN106505052A - 用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置 - Google Patents

用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，该装置包括第一散热组件和第二散热组件；第一散热组件包括铜合金基板、激光焊接层、引线基板、导热引线、绝缘导热层、铜皮层、铜基板以及防溢阻塞槽；激光焊接层与铜合金基板之间设有第一液态合金，引线基板与铜合金基板之间设有第二液态合金，铜皮层与铜基板之间设有第三液态合金，铜基板上与第三液态合金层相反的一侧设有固态合金，第二散热组件包括散热承接基板、循环管道及数个散热直管；循环管道内部设有第一液态合金；本发明采用液态金属以及固态金属来实现热量的传递，体积小，热量散失快，可显著解决绝缘栅双极型晶体管散热慢的问题。

Description

用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置
技术领域
本发明涉及散热技术领域，特别涉及一种用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)是由BJT(Bipolar Junction Transistor，双极型三极管)和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金氧半场效晶体管)的高输入阻抗和GTR(Giant Transistor，电力晶体管)的低导通压降两方面的优点。IGBT作为重要的能源转换和传输的核心器件，广泛应用于电力***直流工程、轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域。
IGBT器件具有节能、安装维修方便和散热稳定等特点。目前大部分IGBT器件应用于低功率模式，但IGBT器件本身效率低，通流能力弱导致其通流能力受到限制，且在低功率运行时，会导致IGBT性能下降，损耗非常快速，尤其是对于昂贵的IGBT而言，具有不可逆的破环作用。随着大功率IGBT器件技术的突破，大功率IGBT承担着电能转换的任务。
目前IGBT功率转换效率中大部分能量均用于发热，并通过散热耗散出去。IGBT运行时热流密度高，散热散不出去或散热慢，留在IGBT本身的热量多，导致局部面积发热集中，使得IGBT器件加速热老化；另外叠加磁场和电场的复合作用可能对IGBT器件造成损耗和损坏。IGBT器件发热问题长期制约大功率IGBT的器件发展，很难大规模高效应用于大功率能量传输领域。因而如何提高和解决IGBT的散热问题成为提升IGBT器件通流能力、参数性能提升和大功率规模化应用的技术难题。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，以解决绝缘栅双极型晶体管在运行时热流密度高导致散热慢的问题。
根据本发明的实施例提供了一种用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，包括：第一散热组件和设于所述第一散热组件一侧的第二散热组件；
所述第一散热组件包括铜合金基板、激光焊接层、引线基板、导热引线、绝缘导热层、铜皮层、铜基板以及防溢阻塞槽；
所述铜合金基板连接于所述绝缘导热层的一侧，所述激光焊接层连接于所述铜合金基板上，用于将所述铜合金基板与绝缘栅型双极型晶体管相焊接，所述激光焊接层与所述铜合金基板之间设有第一液态合金；
所述引线基板连接于所述铜合金基板上，所述导热引线的一端与所述引线基板连接，所述引线基板与所述铜合金基板之间设有第二液态合金；
所述铜皮层连接于所述绝缘导热层的另一侧，所述铜基板与所述铜皮层连接，所述铜皮层与所述铜基板之间设有第三液态合金；
所述铜基板上，与所述第三液态合金层相反的一侧，设有固态合金；
所述铜基板内，设有连通所述第三液态合金和所述固态合金的毛细管道；
所述防溢阻塞槽密封设于所述固态合金的外部；
所述第二散热组件包括散热承接基板、循环管道及数个散热直管；
所述散热承接基板与所述固态合金连接；
所述循环管道嵌设于所述散热承接基板内部，所述数个散热直管与所述散热承接基板相连接；
所述循环管道内部设有所述第一液态合金。
优选地，所述循环管道外部设有气隙循环变压器。
优选地，所述循环管道包括散热绝缘铜管，以及连接于所述散热绝缘铜管两端的连接管，所述连接管的内径大于所述散热绝缘铜管的内径。
优选地，所述散热绝缘铜管呈M形。
优选地，所述气隙循环变压器设于所述散热绝缘铜管与所述连接管相连接的区域。
优选地，所述第一散热组件外部设有绝缘屏蔽外壳。
优选地，所述导热引线的另一端穿过所述绝缘屏蔽外壳，固定于所述绝缘屏蔽外壳的外壁。
优选地，所述数个散热直管相互间隔且平行设置。
由以上技术方案可知，本发明提供的一种用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，包括第一散热组件和设于第一散热组件一侧的第二散热组件；第一散热组件包括铜合金基板、激光焊接层、引线基板、导热引线、绝缘导热层、铜皮层、铜基板以及防溢阻塞槽；铜合金基板连接于绝缘导热层的一侧，激光焊接层连接于铜合金基板上，用于将铜合金基板与绝缘栅型双极型晶体管相焊接，激光焊接层与铜合金基板之间设有第一液态合金，引线基板连接于铜合金基板上，导热引线的一端与引线基板连接，引线基板与铜合金基板之间设有第二液态合金，铜皮层连接于绝缘导热层的另一侧，铜基板与铜皮层连接，铜皮层与铜基板之间设有第三液态合金，铜基板上，与第三液态合金层相反的一侧，设有固态合金，铜基板内，设有连通第三液态合金和固态合金的毛细管道；防溢阻塞槽密封设于固态合金的外部；第二散热组件包括散热承接基板、循环管道及数个散热直管；散热承接基板与固态合金连接；循环管道嵌设于散热承接基板内部，数个散热直管与散热承接基板相连接；循环管道内部设有第一液态合金；本发明采用液态金属以及固态金属来实现热量的传递，所述装置体积小，不需要风扇，热量散失快，显著解决绝缘栅双极型晶体管散热慢的问题，提高绝缘栅双极型晶体管的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据一优选实施例示出的用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置的结构示意图；
图2为根据一优选实施例示出的用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置的散热原理的示意图。
图示说明：
其中，1-连接管；2-散热直管；3-绝缘栅双极型晶体管；4-激光焊接层；5-第一液态合金；6-铜合金基板；7-引线基板；8-第二液态合金；9-导热引线；10-绝缘屏蔽外壳；11-绝缘导热层；12-铜皮层；13-第三液态合金；14-毛细通道；15-铜基板；16-固态合金；17-防溢阻塞槽；18-散热承接基板；19-散热绝缘铜管；20-气隙循环变压器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2，本发明实施例提供一种用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，该装置包括：第一散热组件和设于第一散热组件一侧的第二散热组件；
其中，第一散热组件包括铜合金基板6、激光焊接层4、引线基板7、导热引线9、绝缘导热层11、铜皮层12、铜基板15以及防溢阻塞槽17；
铜合金基板6连接于绝缘导热层11的一侧，激光焊接层4连接于铜合金基板6上，用于将铜合金基板6与绝缘栅型双极型晶体管3相焊接，激光焊接层4与铜合金基板6之间设有第一液态合金5；
引线基板7连接于铜合金基板6上，导热引线9的一端与引线基板7连接，引线基板7与铜合金基板6之间设有第二液态合金8；
铜皮层12连接于绝缘导热层11的另一侧，铜基板15与铜皮层12连接，铜皮层12与铜基板15之间设有第三液态合金13，第三液态合金；
铜基板15上，与第三液态合金层13相反的一侧，设有固态合金16；
铜基板15内，设有连通第三液态合金13和固态合金16的毛细通道14；
防溢阻塞槽17密封设于固态合金16的外部；
其中，第二散热组件包括散热承接基板18、循环管道及数个散热直管2；
散热承接基板18与固态合金16连接；
循环管道嵌设于散热承接基板18内部，数个散热直管2与散热承接基板18相连接；
循环管道内部设有第一液态合金5。
本发明实施例提供的用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，工作原理如下：
绝缘栅型双极型晶体管3运行后发热，热量传递至激光焊接层4，激光焊接层4将热量传递至第一液态合金5，第一液态合金5将热量继续用液态的方式传递至铜合金基板6，铜合金基板6将热量分两部分传送出去；
一部分热量通过铜合金基板6传递至第二液态合金8，第二液态合金8将热量传递至引线基板7，引线基板7将这一部分结温和结热量传递至导热引线9，进而传递至装置外部；
另一部分热量通过绝缘低阻导热层11传递至铜皮层12，铜皮层12将热量通过液化的第三液态合金13传递，第三液态合金13在高负荷温度下，通过毛细通道14将热量直接传递至固态合金16，固态合金16自身具有传递热量的能力，而与第三液态合金13熔融后，传热效果得到提高，然后通过循环管道以及散热直管2的配合将热量传递至传递装置外部。
优选地，所述的用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置中，循环管道外部设有气隙循环变压器20，气隙循环变压器20可以使循环管道内部的第一液态合金5导电，使第一液态合金5在磁场中受到安培力的作用，从而在循环管道内部循环流动，从而促进第一液态合金5将热量传递至散热直管2，加快绝缘栅型双极型晶体管3的热量散失。
优选地，所述的用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，循环管道包括散热绝缘铜管19，以及连接于散热绝缘铜管19两端的连接管1，连接管1的内径大于散热绝缘铜管19的内径。气隙循环变压器20设于散热绝缘铜管19与连接管1相连接的区域。连接管1通过增大管径来加快第一液态合金5在散热绝缘铜管19的流速，从而提升散热效果。
优选地，所述的用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，散热绝缘铜管19呈M形，数个散热直管2相互间隔且平行设置，可在减小体积的前提下增大散热面积，从而提升散热效果。
优选地，所述的用于绝缘栅型双极型晶体管的散热装置，第一散热组件外部设有绝缘屏蔽外壳10。
具体的，绝缘屏蔽外壳10可以避免灰尘落入第一散热组件内部，从而影响绝缘栅型双极型晶体管3的性能。
优选地，导热引线9的另一端穿过绝缘屏蔽外壳10，固定于绝缘屏蔽外壳10的外壁，从而将热量散发到装置外部。
优选地，所述的用于绝缘栅型双极型晶体管的散热装置中，第一液态合金5、第二液态合金8以及第三液态合金13可以是现有的镓或者铟的合金。镓或者铟的合金中镓和铟的比例不同，导致其在不同温度下呈液体状态，如第一液态合金5可以选用在10℃-30℃下呈液态的合金，第二液态合金8和第三液态合金13可以选用在80℃-100℃下呈液态的合金。镓或者铟的合金导热效果好，可提升对绝缘栅型双极型晶体管3的散热效果。
优选地，所述用于绝缘栅型双极型晶体管的散热装置中，绝缘导热层11的材料是环氧树脂或者陶瓷。环氧树脂或陶瓷的热阻小，导热性能好，同时绝缘效果好，可以防止漏电现象的发生。
优选地，所述用于绝缘栅型双极型晶体管的散热装置，防溢阻塞槽17的材料是陶瓷。陶瓷在较高温度下烧结而成，耐热性好，不会因长时间高温环境造成损坏，避免第三液态合金13溢出。
由以上技术方案可知，本发明实施例提供的一种用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，包括第一散热组件和设于第一散热组件一侧的第二散热组件；第一散热组件包括铜合金基板6、激光焊接层4、引线基板7、导热引线9、绝缘导热层11、铜皮层12、铜基板15以及防溢阻塞槽17；铜合金基板6连接于绝缘导热层11的一侧，激光焊接层4连接于铜合金基板6上，用于将铜合金基板6与绝缘栅型双极型晶体管3相焊接，激光焊接层4与铜合金基板6之间设有第一液态合金5；引线基板7连接于铜合金基板6上，导热引线9的一端与引线基板7连接，引线基板7与铜合金基板6之间设有第二液态合金8；铜皮层12连接于绝缘导热层11的另一侧，铜基板15与铜皮层12连接，铜皮层12与铜基板15之间设有第三液态合金13；铜基板15上，与第三液态合金层13相反的一侧，设有固态合金16；铜基板15内，设有连通第三液态合金13和固态合金16的毛细通道14；防溢阻塞槽17密封设于固态合金16的外部；第二散热组件包括散热承接基板18、循环管道及数个散热直管2；散热承接基板18与固态合金16连接；循环管道嵌设于散热承接基板18内部，数个散热直管2与散热承接基板18相连接；循环管道内部设有第一液态合金5；本发明采用液态金属以及固态金属来实现热量的传递，所述装置体积小，不需要风扇，热量散失快，显著解决绝缘栅双极型晶体管散热慢的问题，提高绝缘栅双极型晶体管的性能。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，其特征在于，所述装置包括：第一散热组件和设于所述第一散热组件一侧的第二散热组件；
所述第一散热组件包括铜合金基板(6)、激光焊接层(4)、引线基板(7)、导热引线(9)、绝缘导热层(11)、铜皮层(12)、铜基板(15)以及防溢阻塞槽(17)；
所述铜合金基板(6)连接于所述绝缘导热层(11)的一侧，所述激光焊接层(4)连接于所述铜合金基板(6)上，用于将所述铜合金基板(6)与绝缘栅型双极型晶体管(3)相焊接，所述激光焊接层(4)与所述铜合金基板(6)之间设有第一液态合金(5)；
所述引线基板(7)连接于所述铜合金基板(6)上，所述导热引线(9)的一端与所述引线基板(7)连接，所述引线基板(7)与所述铜合金基板(6)之间设有第二液态合金(8)；
所述铜皮层(12)连接于所述绝缘导热层(11)的另一侧，所述铜基板(15)与所述铜皮层(12)连接，所述铜皮层(12)与所述铜基板(15)之间设有第三液态合金(13)；
所述铜基板(15)上，与所述第三液态合金层(13)相反的一侧，设有固态合金(16)；
所述铜基板(15)内，设有连通所述第三液态合金(13)和所述固态合金(16)的毛细通道(14)；
所述防溢阻塞槽(17)密封设于所述固态合金(16)的外部；
所述第二散热组件包括散热承接基板(18)、循环管道及数个散热直管(2)；
所述散热承接基板(18)与所述固态合金(16)连接；
所述循环管道嵌设于所述散热承接基板(18)内部，所述数个散热直管(2)与所述散热承接基板(18)相连接；
所述循环管道内部设有所述第一液态合金(5)。
2.根据权利要求1所述的用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，其特征在于，所述循环管道外部设有气隙循环变压器(20)。
3.根据权利要求2所述的用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，其特征在于，所述循环管道包括散热绝缘铜管(19)，以及连接于所述散热绝缘铜管(19)两端的连接管(1)，所述连接管(1)的内径大于所述散热绝缘铜管(19)的内径。
4.根据权利要求3所述的用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，其特征在于，所述散热绝缘铜管(19)呈M形延伸。
5.根据权利要求3所述的用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，其特征在于，所述气隙循环变压器(20)设于所述散热绝缘铜管(19)与所述连接管(1)相连接的区域。
6.根据权利要求1所述的用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，其特征在于，所述第一散热组件外部设有绝缘屏蔽外壳(10)。
7.根据权利要求6所述的用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，其特征在于，所述导热引线(9)的另一端穿过所述绝缘屏蔽外壳(10)，固定于所述绝缘屏蔽外壳(10)的外壁。
8.根据权利要求1所述的用于绝缘栅双极型晶体管的散热装置，其特征在于，所述数个散热直管(2)相互间隔且平行设置。
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