DE4401607A1

DE4401607A1 - Kühleinheit für Leistungshalbleiter

Info

Publication number: DE4401607A1
Application number: DE4401607A
Authority: DE
Inventors: Winfried Dipl Ing Arz; Karl-Heinz Dipl Ing Ideler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-01-20
Filing date: 1994-01-20
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2014-01-21
Also published as: DE4401607C2; US5526231A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinheit für Leistungshalblei ter.

Aus der DE-A1-40 07 566 ist eine Kühleinheit für mehrere parallel geschaltete Transistoren bekannt, bei der die Tran sistoren jeweils auf einem thermisch und elektrisch leitenden ersten Ring befestigt, symmetrisch über diesen Ring verteilt und mit diesem mit jeweils einem Anschluß elektrisch verbun den sind. Die Verbindungen zu weiteren Anschlüssen der Tran sistoren erfolgen im wesentlichen rotationssymmetrisch über großflächige Leiterplatten. Der Ring ist luftgekühlt. Durch die rotationssymmetrische Anordnung wird eine gleichmäßige Stromaufteilung auf die Transistoren sichergestellt. Der mechanische Aufbau ist jedoch aufwendig und wirtschaftlich nur für begrenzte Verlustleistungen realisierbar. Außerdem ist ein modularer Aufbau kaum möglich.

Aus der DE-A1-36 15 782 ist eine Anordnung von Leistungstran sistoren bekannt, bei der diese in zwei sich gegenüberliegen den Reihen angeordnet sind. Alle Transistoren sind auf einem gemeinsamen Kühlkörper angeordnet, der zur Wärmeabfuhr mit Hilfe von Montageschrauben auf einem weiteren, verrippten Kühlkörper befestigt wird. Auch mit diesem Aufbau ist nur eine begrenzte Wärmeabfuhr möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühleinheit für Leistungs halbleiter so aufzubauen, daß eine hohe Wärmeabfuhr bei einfachem mechanischen Aufbau gewährleistet ist. Dabei sollen die Betriebstemperaturen der einzelnen Transistoren nur wenig voneinander abweichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühleinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Vierkantrohr ohne mon tierte Leistungshalbleiter,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Vierkantrohrs mit montierten Leistungshalbleitern und

Fig. 3 ein Temperaturdiagramm.

Die Kühleinheit, die im Ausführungsbeispiel mit Wasser als Kühlmittel betrieben wird, eine umfaßt im wesentlichen ein Vierkantrohr 1, das vorzugsweise aus Kupfer besteht. An einem ersten Ende des Vierkantrohrs 1 ist ein Flansch mit einem Stecknippel 1a vorgesehen, der als Wassereintritt dient. Am anderen Ende des Vierkantrohrs 1 ist ein zweiter Flansch mit einem Stecknippel 1b vorgesehen, der als Wasseraustritt dient. Der zweite Flansch ist lösbar mit dem Vierkantrohr 1 verbunden, z. B. in dieses eingepreßt, um bei entferntem zweiten Flansch die Einbauten im Vierkantrohr 1 vornehmen zu können.

Das Vierkantrohr 1 ist durch eine Trennwand 2 der Länge nach in zwei Kammern 1e und 1f eingeteilt. Die Trennwand 2 ist gelocht, damit ein Wasseraustausch zwischen den beiden Kam mern 1e und 1f möglich ist.

In einem an den Wassereinlaß 1a anschließenden Bereich x ist im Vierkantrohr 1 eine Laminarisierungseinheit 4 in Form eines Blechs vorgesehen, welches den Wärmeaustausch quer zur Hauptströmungsrichtung vermindern soll.

Das Kühlrohr wird in einem Bestückungsbereich z mit Lei stungshalbleitern 6 bestückt, wobei der Bereich x der Lamina risierungseinheit 4 in den Bestückungsbereich z hineinragt.

Im restlichen Bereich y von der Laminarisierungseinheit 4 bis zum Wasseraustritt ist in jeder Kammer 1e und 1f jeweils ein Verwirbelungselement 3 vorgesehen. Durch die Trennwand 2 wird verhindert, daß die Verwirbelungselemente 3 ineinander gleiten. Da die Verwirbelungselemente 3 die jeweiligen Kammern 1e, 1f weitgehend ausfüllen, ist keine gesonderte Befestigung notwendig.

Im Betrieb werden an die Nippel 1a und 1b des Wasserein- und -auslaufs jeweils Wasserschläuche angeschlossen und eine Wasserströmung durch die Wasserkühleinheit erzeugt. Durch die Kombination von Laminarisierungseinheit 4 und Verwirbelungse lementen 3 erhält man nur eine geringe Temperaturdifferenz innerhalb eines großen Bereichs der Wasserkühleinheit. Dies wird im folgenden anhand des Temperaturdiagramms nach Fig. 3 dargestellt.

Bei Leistungshalbleiterelementen sind die Kenndaten im allge meinen stark temperaturabhängig. Die Temperaturunterschiede stören insbesondere dann, wenn Leistungshalbleiter parallel geschaltet werden. Typischerweise sollen die Temperaturen parallelgeschalteter Halbleiter um nicht mehr als 5°C vonein ander abweichen. Im Temperaturdiagramm nach Fig. 3 ist der mit Halbleitern bestückte Bereich der Wasserkühleinheit mit z bezeichnet. Die Kurve A zeigt den Temperaturverlauf auf der Oberseite des Vierkantrohrs 1 bei linear konstanter Einbrin gung einer Wärmelast von ca. 1,2 kW ohne besondere Strömungs mechanismen im Rohr, die Kurve B den entsprechenden Tempera turverlauf mit den in Fig. 1 dargestellten Strömungseinheiten. Bei vorgegebener Strömung lagen bei einem Rohr ohne Einbauten (Kurve A) die Extremwerte der bestückungsrelevanten Meßpunkte nicht innerhalb des vorgegebenen Bereichs von 5°C. Im Be stückungsbereich z wurde folgende Minimaltemperatur T_min und Maximaltemperatur T_max gemessen:

T_min = 11,5°C
T_max = 29,7°C

Daraus ergibt sich eine Temperaturdifferenz ΔT=18,2°C, die weit über dem obengenannten Toleranzband von 5°C liegt.

Durch den Einbau der Laminarisierungseinheit 4 und der Ver wirbelungselemente 3 ändern sich die Strömungsverhältnisse und damit auch der Temperaturverlauf. Im Bereich des Wasser einlasses 1a wäre an sich ein gute Verwirbelung und damit eine niedrige Oberflächentemperatur des Vierkantrohrs gege ben. Durch das Laminarisierungselement 4 wird jedoch der Wärmeaustausch quer zur Hauptströmungsrichtung unterbunden und auf diese Weise der Temperaturgradient in einem Bereich, wo die erste Gruppe von Leistungshalbleitern angeordnet ist, erhöht. Der Bereich der Laminarisierungseinheit 4 dient somit als Vorheizstufe, um das Kühlmittel anfangs kontrolliert zu erwärmen.

Durch die Verwirbelungselemente 3 im anschließenden Bereich werden radiale Teilströme des Kühlmittels erzeugt und durch eine Verbesserung des Wärmeaustausches der Temperaturverlauf abgeflacht. Die entsprechende Temperaturkurve ist in Fig. 3 mit B bezeichnet. Messungen bei der in Fig. 1 dargestellten Wasserkühleinheit haben folgende Werte für die minimale Temperatur T_min und die maximale Temperatur T_max an der Oberfläche der Kühleinheit im Bestückungsbereich ergeben:

T_min = 10,7°C
T_max = 15,5°C

Man erhält somit eine Temperaturdifferenz ΔT von 4,8°C, die innerhalb des geforderten Wertes liegt. Die Verwirbelungsele mente 3 können so ausgestaltet werden, daß nur eine geringfü gige Erhöhung des Druckverlustes auftritt. Durch unterschied lichen Drehsinn schneckenförmiger Abschnitte kann verhindert werden, daß sich die frei in den Kammern 1c und 1f liegenden Verwirbelungselemente 3 um ihre Achsen drehen.

Die Auslaßtemperatur ist im Falle der Temperaturkurve B am Δ Ta höher als im Falle der Temperaturkurve A, d. h., das Kühl wasser hat mit der beschriebenen Anordnung von Laminarisie rungseinheit 4 und den Verwirbelungselementen 3 mehr Wärme energie aufgenommen.

Die Kühlungsbedingungen für die Leistungshalbleiter 6 können weiter verbessert werden, wenn man diese auf Entwärmungsplat ten 7 montiert, wie dies in Figur dargestellt ist. Diese Entwärmungsplatten 7 können z. B. Kupferplatten sein und eine Dicke von etwa 3 mm aufweisen. Damit ergibt sich eine Wärme kapazität, mit der Belastungsspitzen der Leistungshalbleiter 6 aufgefangen werden. Vorteilhafterweise wird jeweils ein Paar von zusammengeschalteten Leistungshalbleitern 6 auf eine Kupferplatte 7 montiert, so daß der Wärmehaushalt dieses Transistorpaars ausgeglichen wird. Der Wärmefluß kann sich innerhalb der Kupferplatte 7 großflächig ausbreiten.

Die Kupferplatten 7 werden vorteilhafterweise auf das Vier kantrohr 1 aufgeklebt. Da das Vierkantrohr 1 eine Vielzahl von Leistungshalbleitern trägt, muß die Verbindung zwischen den Kupferplatten 7 und dem Vierkantrohr 1 im allgemeinen elektrisch isolierend sein. Gleichzeitig wird eine ausrei chende mechanische Festigkeit der Klebverbindung gefordert. Diese Anforderungen können mit einem keramikgefüllten Epoxyd harzsystem erreicht werden. Bei entsprechender Klebetechnik erreicht man bei einer Durchschlagfestigkeit von z. B. 2,4 kV einen verhältnismäßig geringen Wärmewiderstand von 0,34 K/W mit geringen Schwankungen (ca. + 10%) von Leistungshalbleiter zu Leistungshalbleiter. Die Verbindung zwischen den Lei stungshalbleitern 6 und den Kupferplatten 7 erfolgt vorteil hafterweise ebenfalls durch Verklebung. Hier sollen jedoch in vielen Fällen die beiden auf einer Kupferplatte 7 montierten Leistungshalbleiter 6 elektrisch miteinander verbunden wer den. In diesem Falle wird vorteilhafterweise ein im Handel erhältliches wärme- und stromleitendes Epoxydharzsystem verwendet. Bei den Verklebungen lassen sich Wärmewiderstands werte von etwa 0,1 K/W, bezogen auf ein Bauelement, errei chen.

Die beschriebene Kühleinheit läßt sich einfach und kostengün stig fertigen, da z. B. für das Vierkantrohr einfaches und billiges Halbzeug verwendet werden kann. Bei bekannten Kühl einrichtungen sind häufig aufwendige Strangpreßteile oder Frästeile erforderlich. Die Kühleinheit ist flexibel einsetz bar und kann entsprechend den Leistungsanforderungen modular zusammengesetzt werden, indem man mehrere der in Fig. 2 darge stellten Baugruppen elektrisch zusammenschaltet und bezüglich der Wasserströmung verbindet. Die dabei geforderte geringe Variation der physikalischen Eigenschaften der einzelnen Untereinheiten kann problemlos erreicht werden. Die lineare Ausführung jeder Einheit ermöglicht eine einfache Montage mehrerer Untereinheiten z. B. in Elektronikschränken.

Claims

1. Kühleinheit für Leistungshalbleiter mit folgenden Merk malen:

- An einem Vierkantrohr (1) sind entlang mindestens ei ner Längsseite (1c) in einem Bestückungsbereich (z) mindestens zwei Leistungshalbleiter (6) gut wärmelei tend befestigt.
- Das Vierkantrohr (1) weist an einem ersten Ende einen Kühlflüssigkeitseinlaß (1a) und am anderen Ende einen Kühlflüssigkeitsauslaß (1b) auf.
- In einem an den Kühlflüssigkeitseinlaß (1a) anschlie ßenden Bereich (x) ist im Vierkantrohr (1) eine La minarisierungseinheit (4) zur Laminarisierung der Kühlflüssigkeitsströmung vorgesehen, wobei der Bereich (x) mit dem Bestückungsbereich (z) überlappt.
- Im Bereich (y) zwischen der Laminarisierungseinheit (4) und dem Kühlflüssigkeitsauslaß (1b) sind Verwir belungselemente (3) für die Kühlflüssigkeitsströmung vorgesehen.

2. Kühleinheit nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Innenraum des Vierkant rohrs (1) durch eine Trennwand (2) in zwei Kammern (1e, 1f) eingeteilt ist, die durch jeweils ein Verwirbelungselement (3) weitgehend ausgefüllt sind.

3. Kühleinheit nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Trennwand (2) Ausnehmungen aufweist.

4. Kühleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß Kühlflüs sigkeitseinlaß (1a) und Kühlflüssigkeitsauslaß (1b) als Flansche mit Stecknippeln für Kühlflüssigkeitsschläuche ausgeführt sind.

5. Kühleinheit nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Flansch (1b) lösbar befestigt ist.

6. Kühleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Lei stungshalbleiter (6) gut wärmeleitend auf das Vierkantrohr (1) aufgeklebt werden.

7. Kühleinheit nach Anspruch 6, wobei zwischen Leistungs halbleitern (6) und dem Vierkantrohr (1) ein Entwärmungs plättchen (7) eingefügt wird, wobei der Halbleiter (6) auf das Entwärmungsplättchen (7) und das Entwärmungsplättchen auf das Vierkantrohr (1) aufgeklebt ist.

8. Kühleinheit nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Verklebung zwischen den Leistungshalbleitern (6) und den Entwärmungsplättchen (7) elektrisch leitend und die Verklebung zwischen Entwärmungs plättchen und Vierkantrohr (1) elektrisch isolierend ist.

9. Kühleinheit nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß für die elektrisch isolierende Verklebung ein keramikgefülltes Epoxydharz verwendet wird.

10. Kühleinheit nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß für die elektrisch leitfähige Verklebung ein elektrisch leitfähiges Epoxydharzsystem verwendet wird.