CN112335040A - 用于电结构元件的冷却组件、具有冷却组件的整流器以及具有整流器的空中行驶工具 - Google Patents

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S·布歇特
U·瓦尔特里希
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Abstract

用于电结构元件的冷却组件、具有冷却组件的整流器以及具有整流器的空中行驶工具。本发明说明一种具有电路载体板（2）的组件，在所述电路载体板上布置有至少一个电/电子的结构元件（7）。在所述电路载体板（2）中构造有至少一个热管（3。本发明还说明一种具有这种组件的整流器以及一种具有整流器的空中行驶工具。

Description

用于电结构元件的冷却组件、具有冷却组件的整流器以及具 有整流器的空中行驶工具
技术领域
本发明涉及一种具有电/电子的结构元件的组件，所述结构元件布置在电路载体板上。本发明还涉及一种具有这种组件的整流器以及具有电或混电驱动器的空中行驶工具。
背景技术
尤其用于电的和混电的航空的变流器的电或电子的结构元件、如例如功率模块的允许的使用范围和功率密度经常由于最大允许的半导体温度而受到限制。功率模块的寿命基本通过芯片连结部的寿命界定。半导体温度和寿命强烈地取决于半导体到冷却介质的热阻。
热阻（也就是说，从半导体到周围环境的热阻）取决于：
- 在冷却单元与周围环境之间的热传递系数，
- 在冷却单元的外表面与周围环境之间的温度差以及
- 冷却面的大小。
因为功率模块的待引出的损耗功率仅仅选择性地（punktuell）在半导体中产生，所以侧向的热传导（所谓的“热扩散”）在功率模块中以及在冷却单元中也扮演着重要角色。在整个冷却面上，相对于周围环境必须存在有高的温度差，以便获得低的热阻。
尤其在具有低的热传递系数的空气冷却的功率电子***中，应该力争在尽可能大的冷却面上的高的温度差。对此，通过靠近热源（=半导体芯片）的良好地导热的层的很高的侧向的热传导是必要的。
通常，已知的功率模块的侧向的热传导主要通过所使用的电路载体板的陶瓷的绝缘基层的镀金属铜部（Kupfermetallisierungen）来进行。但是镀金属部具有小于400W/mK的最大的侧向的热传导。此外，这种基层的镀金属铜部的能够使用的层厚度小于1mm，这同样限制侧向的热传导。
这决定了具有特别长的并且重量集中的冷却片（Kühlfinnen）的大的冷却体的使用。这导致了如下问题：
- 高成本和高的技术消耗，
- 由于等同的模块的并联的超尺寸，
- 仅仅功率模块的部分负荷运行是可行的，以及
- 重量和体积大。
从公开文献DE 3625979 A1中已知，在冷却体中构造有热管。热管促使在冷却体中的较均匀的热分布。还从实用新型文献DE 89 15 913 U1中已知，借助于热管冷却功率半导体。
热管是热传递件，其在利用介质的蒸发热的情况下允许高的热流密度，也就是说在小的横截面上能够传输大的热量。在热管的两种构造方式，即热导管（Heatpipe）和两相热虹吸管（Zwei-Phasen-Thermosiphon）之间是有区别。在这两种构造方式中，基本的功能原理是相同的，区别之处在于工作介质的传输，但是所述传输一般被动地进行，也就是说在没有辅助器件、如例如循环泵的情况下进行。
在下面“热管”和“热导管”作为同义的概念进行应用。
整流器被称为变流器（也称作换流器），所述整流器从交流电压或直流电压中产生在频率和振幅方面变化的交流电压。变流器经常构造为AC/DC-DC/AC变流器或DC/AC变流器，其中，从输入交流电压或输入直流电压中通过直流电压中间电路和调时的半导体产生输出交流电压。
发明内容
本发明的任务是，说明一种用于电或电子的结构元件、尤其在电的或混合电的航空中的功率半导体的改善的冷却的解决方案。
本发明借助根据独立专利权利要求的组件、整流器和空中行驶工具解决所提出的任务。有利的改进方案在从属权利要求中说明。
从热源、例如从功率半导体出发的侧向的热传导越大，越好地利用冷却体的供使用的冷却面并且冷却体能够越小、越成本适宜并且越容易地进行实施。
因此，热管（=热导管或缩写为HP或振荡的/脉冲的热导管或缩写为OHP）的根据本发明平面的和/或三维的组件作为侧向热传导的层在例如功率模块的电路载体板中进行使用。
平的或三维的热管的相比于铜层或类似物较大的侧向的热传导（>1000W/mK）通过在热管中的工作流体的相变（Phasenübergang）实现。通过热管的三维的结构或三维的成型，所述热管能够同时不仅被用于热传输而且被用于与周围环境的热交换。
本发明此外提供如下优点：
1. 如果冷却体是热管，那么在冷却体外表面与周围环境之间在整个冷却面上产生均匀的温度差。由此，冷却体效率被提高并且冷却体体积和重量能够被减小。
2. 在绝缘基层（=电路载体板）中的厚的铜层能够被避免，这实现功率模块的重量减小。
3. 热阻（半导体到周围环境的热阻）被改善。这通过在功率电子***的保持不变的效率的情况下减小温度交换负载来实现芯片连结部的寿命提高。
本发明要求保护一种组件，其具有电路载体板，在所述电路载体板上布置有至少一个电/电子的结构元件。在电路载体板中构造有至少一个热管。
本发明提供如下优点，即利用热管的两相热传输以将热扩散到大的面上。有效的导热能力由此以十的幂（Zehnerpotenzen）扩大，由此负责改善的热扩散。
在改进方案中，热管能够主要布置在电/电子的结构元件之下。由此，能够很有针对性地除去余热。
在另外的设计方案中，热管能够是脉冲的热管。所述热管相对于正常的热管显示出改善的冷却。
在另外的设计方案中，电/电子的结构元件能够是功率半导体。
在另外的设计方案中，热管能够具有波纹形的或同心卷绕的走向。
在另外的实施方式中，热管能够构造在电路载体板的陶瓷载体或导体电路层中。
优选地，所述组件能够具有布置在电路载体板之下的并且与其导热地连接的、金属的冷却体。
在另外的特有方案中，能够存在有构造在冷却体中的另外的热管。
在另外的设计方案中，电路载体板能够沿朝着冷却体的方向具有部分敞开的结构并且冷却体能够沿朝着电路载体板的方向具有部分敞开的、另外的结构，其中，这两个结构如下地进行构造并且接合在一起，使得构造有热管。
此外，电路载体板能够是DCB基板。
本发明还要求保护一种具有根据本发明的组件的整流器、优选地变流器。
此外，本发明要求保护一种具有根据本发明的整流器并且具有作为电飞行驱动器的电动马达的空中行驶工具，其中，电动马达由变流器以电能进行供给。
在优选的设计方案中，空中行驶工具涉及飞行工具并且通过电动马达驱动推进器。
附图说明
本发明的另外的特点和优点从随后借助示意性的附图对实施例的阐释中看出。
其中：
图1示出通过根据现有技术的组件的剖切视图，
图2示出通过具有在电路载体板中的热管的组件的剖切视图，
图3示出通过另外的具有在电路载体板中的热管的组件的剖切视图，
图4示出热管的通道的走向的视图，
图5示出另外的热管的通道的走向的视图，
图6示出通过具有构造在电路载体板的导体电路层中的热管的组件的剖切视图，
图7示出通过具有构造在导体电路层和冷却体中的热管的组件的剖切视图，
图8示出通过具有构造在电路载体板的陶瓷载体和冷却体中的热管的组件的剖切视图，
图9示出具有带有热管的组件的变流器的框图，以及
图10示出具有电驱动器的空中行驶工具。
具体实施方式
图1示出通过根据这种类型的组件的功率模块6的剖切视图，所述功率模块处于冷却体12上。功率模块6具有电路载体板2，在所述电路载体板上布置有功率半导体1。功率模块6由壳体8封闭，通过所述壳体借助于负荷电流接触部5能够供应或引出电能。冷却体12以沿方向F流经冷却体12的水9进行冷却。
区域A示出从功率半导体1到冷却体12上的热传递。所述热传递根据类型仅仅具有小的热扩散。
图2示出通过功率模块6的剖切视图，所述功率模块处于冷却体12上，但是与图1不同附加地具有热管3。功率模块6具有电路载体板2，在所述电路载体板上布置有功率半导体1。功率模块6由壳体8封闭，通过所述壳体借助于负荷电流接触部5能够供应或引出电能。冷却体12以沿方向F流动经过冷却体12的水9进行冷却。
区域A示出从功率半导体1到冷却体12上的热传递。所述热传递仅仅具有小的热扩散。但是通过构造在电路载体板2中的热管3引起热扩散的扩大，如通过区域B呈现的那样。由此，借助于热管3能够将由功率半导体1放出的热分布到较大的面上，由此功率半导体1的冷却明显被改善。
图3示出类似于图2的组件的组件的剖切视图，仅仅没有冷却体。能够识别的是具有热管3的功率模块6。功率模块6具有电路载体板2，在所述电路载体板上布置有功率半导体1。功率模块6由壳体8封闭，通过所述壳体借助于负荷电流接触部5能够供应或引出电能。
通过热管3实现通过功率半导体1产生的损耗热的较大的热扩散。优选地，热管3还能够形成为从现有技术中已知的脉冲的（=振荡的）热管。有利地，热管3主要构造在功率半导体1之下的区域中。
在图4和图5中示出热管3在电路载体板2中的可形的走向。图4示出例如波纹形的走向，与此相对，图5示出例如同心的、例如圆形的走向。
图6示出通过放热的电/电子的结构元件7的剖切视图，所述结构元件布置在电路载体板2上。结构元件7与结合线材（Bondingdraht）4电联接。在电路载体板2中构造有热管3。热管3能够构造在电路载体板2的陶瓷载体13中或在电导体电路层11中。有利地，热管3是脉冲的热管。电路载体板2处于冷却体12上。
图7示出类似于图6的剖切视图，其中，附加地在冷却体12中构造有另外的热管18。所述组件具有放热的电/电子的结构元件7，所述结构元件布置在电路载体板2上。结构元件7与结合线材4电联接。
在电路载体板2中构造有热管3。热管3能够构造在电路载体板2的陶瓷载体13中或在电导体电路层11中。连接层10（例如导热胶）将电路载体板2与毗邻的构件连接。
图8示出通过放热的电/电子的结构元件7的剖切视图，所述结构元件布置在电路载体板2上。结构元件7与结合线材4电联接。
在电路载体板2的陶瓷载体13中并且在冷却体12中构造有热管3。电路载体板还具有电导体电路层11。热管3优选是脉冲的热管。连接层10（例如导热胶）将电路载体板2与毗邻的构件连接。
在实施方式方面特别的是，电路载体板2、例如陶瓷载体13沿朝着冷却体12的方向具有部分敞开的结构并且冷却体12沿朝着陶瓷载体13的方向也具有部分敞开的、另外的结构。这两个结构如下地进行构造并且接合在一起，使得由此构造有热管3。对此，陶瓷载体13必须密封地以冷却体12封闭或密封地接入到其中。
图9示出变流器14的框图，作为带有具有根据图2至图8的热管3的组件的整流器的示例。变流器14具有多个功率模块6，所述功率模块借助于热管3散热。
图10示出具有电驱动器的空中行驶工具15、例如飞行工具。由没有示出的电能源供给根据图9进行构造的变流器14。变流器14放出电能到电动马达16处，所述电动马达又将推进器17置于旋转中。
概括地并且换言之，本发明此外说明如下的实施方式。
热管集成在功率模块的基层（=电路载体板）中，以便通过有效的热扩散改善在功率模块中的损耗热的导出并且由此减小热阻。
因为热管的直径小并且所述热管不需要内部的蒸发器结构，所以在构件中、例如在铜引线框架中的集成能够简单地实现。根据本发明，在铜载体中能够例如通过铣削、冷成型、蚀刻、喷射或挤压引入通道结构。对此，铜载体（=引线框架）能够包括例如被熔焊的两部分。在铜载体的上侧上熔焊或烧结有电结构部件、例如SiC-MOSFET、GaN或IGBT。热管的通道能够优选地在电结构部件所处的位置处被引导，以便局部地在电功率结构部件处保证快速的热导出。
为了电势分离，铜载体通过电绝缘的层与壳体电分离。通过热扩散，损耗功率密度被减小到如下程度，使得另外的散热能够简单地通过在壳体处的空气或液体冷却器形成。
热管以冷却剂（例如水、R134a或Novec）部分填充并且然后被封闭，从而形成闭合的液体回路。对此，铜载体能够具有用于进行填充的联接部，所述联接部例如通过压碾（Quetschen）封闭。
作为另外的实施方式，DCB的陶瓷能够包含用于热管的通道结构。对此，陶瓷载体能够包括连接在一起的两部分，其中，载体中的一个具有表面的通道结构。
虽然本发明已经详细地通过实施例更详细地进行说明和描述，但是本发明不局限于所公开的示例并且技术人员能够从中推导出其它的变型方案，而没有脱离本发明的保护范围。
附图标记列表
1 功率半导体
2 电路载体板
3 热管
4 结合线材
5 负荷电流接触部
6 功率模块
7 电/电子的结构元件
8 壳体
9 水
10 连接层（例如导热胶）
11 电导体电路层
12 冷却体
13 陶瓷载体
14 变流器
15 空中行驶工具
16 电动马达
17 推进器
18 另外的热管
A 小的热扩散的区域
B 大的热扩散的区域
F 水9的流动方向。

Claims (15)

1.组件，具有电路载体板（2），在所述电路载体板上布置有至少一个电/电子的结构元件（7），
其特征在于：
- 具有至少一个构造在所述电路载体板（2）中的热管（3）。
2.根据权利要求1所述的组件，
其特征在于，
所述热管（3）主要布置在所述电/电子的结构元件（7）之下。
3.根据权利要求1或2所述的组件，
其特征在于，
所述热管（3）是脉冲的热管。
4.根据前述权利要求中任一项所述的组件，
其特征在于，
所述电/电子的结构元件（7）是功率半导体（1）。
5.根据前述权利要求中任一项所述的组件，
其特征在于，
所述热管（3）具有波纹形的或同心卷绕的、类似圆形的走向。
6.根据前述权利要求中任一项所述的组件，
其特征在于，
所述热管（3）构造在所述电路载体板（2）的陶瓷载体（13）中或在导体电路层（11）中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的组件，
其特征在于：
- 具有布置在所述电路载体板（2）之下的并且与其导热地连接的、金属的冷却体（12）。
8.根据权利要求7所述的组件，
其特征在于：
- 具有构造在所述冷却体（12）中的另外的热管（18）。
9.根据权利要求7所述的组件，
其特征在于，
所述电路载体板（2）沿朝着所述冷却体（12）的方向具有部分敞开的结构并且所述冷却体（12）沿朝着所述电路载体板（2）的方向具有部分敞开的、另外的结构，其中，这两个结构如下地进行构造并且接合在一起，使得构造有所述热管（3）。
10.根据前述权利要求中任一项所述的组件，
其特征在于，
所述电路载体板（2）是DCB基板。
11.整流器，具有根据前述权利要求中任一项所述的组件。
12.根据权利要求11所述的整流器，
其特征在于，
所述整流器是变流器（14）。
13.空中行驶工具（15），具有根据权利要求12所述的变流器（14），
其特征在于：
- 具有电动马达（16）作为电飞行驱动器，
- 其中，所述电动马达（16）能够由所述变流器（14）以电能进行供给。
14.根据权利要求13所述的空中行驶工具（15），
其特征在于，
所述空中行驶工具（15）是飞行工具。
15.根据权利要求14所述的空中行驶工具（15），
其特征在于：
- 具有通过所述电动马达（16）驱动的推进器（17）。
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