DE4322665A1 - Kühlvorrichtung für eine Halbleiterleistungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Halbleiterleistungsvorrichtung, wie sie in Thyristor- und Diodenmodulen verwendet werden, die zur Leistungsumwand­ lung benutzt werden und z. B. auf Fahrzeugen montiert sind.

Halbleiterleistungsvorrichtungen der in Frage stehenden Art umfassen eine Stapelanordnung aus flachen Halbleiterelemen­ ten, z. B. Thyristoren, die abwechselnd mit Wärmesenken ge­ schichtet sind.

Kühlsysteme, die dazu dienen, die bei Anschaltung der Halb­ leiterelemente entstehende Wärme zu entfernen, schließen her­ kömmliche Luft-, Wasser- und Verdampfungs-Kühlsysteme ein, von denen in letzter Zeit verstärkt die letzteren wegen ihrer Kühlleistung und des geringen Wartungsbedarfs eingesetzt wur­ den. Bei bekannten Verdampfungskühlsystemen wird eine Sta­ pelanordnung aus Halbleiterelementen in einem abgedichteten Druckbehälter in ein flüssiges Kühlmittel, etwa Fluorkohlen­ stoff, eingetaucht, und die in den Halbleiterelementen ent­ wickelte Wärme wird von dem System durch die Verdampfungs- und Kondensierungszyklen des Kühlmittels abgeführt.

Eine Kühlvorrichtung für eine in einem Fahrzeug montierte Halbleiterleistungsvorrichtung muß klein und leicht sein und eine hohe Kühlleistung aufweisen. Unter diesen Voraussetzun­ gen können die bekannten Verdampfungskühlsysteme im allgemei­ nen nicht benutzt werden, da sie gewöhnlich groß und schwer sind, weil die Stapelanordnung aus Halbleiterelementen in einem abgedichteten Druckbehälter untergebracht sein muß, damit sie in das flüssige Kühlmittel eingetaucht werden kann. Darüber hinaus sind diese Systeme wegen der strengen Vor­ schriften bezüglich der mechanischen Festigkeit und der Abdichtung des Druckbehälters zur Gewährleistung der Sicher­ heit teuer.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, unter Ver­ meidung der dem Stand der Technik anhaftenden Probleme, eine kleine und leichte Kühlvorrichtung für eine Halbleiterlei­ stungsvorrichtung zu schaffen, die eine hohe Kühlleistung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei dieser Lösung wird die von den Halbleiterleistungselemen­ ten erzeugte Wärme von den Elektrodenflächen der Elemente auf die Kühlplatten und von dort auf das durch die Kühlplatten strömende flüssige Kühlmittel übertragen, um dann mittels eines Radiators von dem System abgeführt zu werden. Dadurch, daß das Kühlmittel durch die einzelnen Kühlplatten strömt, die abwechselnd in der Stapelanordnung enthalten sind, können die einzelnen Halbleiterelemente gleichförmig gekühlt werden. Wird ein Fluorkohlenstoff, der eine hohe elektrische Isolier­ fähigkeit aufweist, als Kühlmittel verwendet und werden iso­ lierende Rohre parallel zwischen den einzelnen Kühlplatten und einem Verteiler bzw. einem Sammler angeordnet, dann ver­ meidet man die Risiken, daß die Halbleiterelemente über das Rohrleitungssystem und das flüssige Kühlmittel elektrisch kurzgeschlossen oder geerdet werden.

Bei Ausbildung der Kühlmittelwege innerhalb der Kühlplatten gemäß den Ansprüchen 3 bis 6 wird der Gesamtwärmeübertra­ gungskoeffizient oder, anders ausgedrückt, das Ausmaß der Wärmeableitung von den Halbleiterelementen zu dem Kühlmittel in den Kühlplatten weiter erhöht. Bei der Weiterbildung gemäß Anspruch 3 wird insbesondere eine turbulente Strömung des flüssigen Kühlmittels zusätzlich zur Vergrößerung der Wärme­ tauscheroberfläche der Kühlmittelwege erreicht, was zu einem guten Wärmeübergang führt. Bei der Weiterbildung gemäß Anspruch 5 wird, weil das flüssige Kühlmittel durch die Düsen in den Trennwänden auf die Wärmeempfangsflächen der Kühlplat­ ten, die die Halbleiterelemente kontaktieren, gesprüht wird, der Wärmeableiteffekt deutlich verbessert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Gesamtaufbau einer Kühlvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2(a) eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Kühlplatte im Schnitt,

Fig. 2(b) eine Querschnittsansicht dieser Kühlplatte,

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2(a) einer anderen Ausführungsform der Kühlplatte,

Fig. 4(a) eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform einer Kühlplatte im Schnitt und

Fig. 4(b) eine Querschnittsansicht der Kühlplatte von Fig. 4(a).

Fig. 1 zeigt eine Stapelanordnung 1 aus Halbleiterelementen, bei der flache Halbleiterleistungselemente (Thyristoren) 2 und metallische Kühlplatten 3 mit hoher Wärmeleitfähigkeit abwechselnd zu einem Stapel geschichtet sind. An beiden Sei­ ten dieses Stapels befinden sich je eine Isolierplatte 4 und eine Endplatte 6. Im dargestellten Beispiel ist auf der rech­ ten Seite eine Druckfeder 5 zwischen der Endplatte 6 und dem Stapel vorgesehen. Der Stapel wird mit Hilfe von Stangen 7 zusammengehalten und bildet ein Teil. Mit 8 sind in Fig. 1 Leitungsdurchführungs-Anschlußplatten bezeichnet. Die Sta­ pelanordnung 1 befindet sich in einem Gehäuse 9. Mit den An­ schlußplatten 8 verbundene Leitungsdrähte 11 sind mittels Leitungsdurchführungen 10 zur Außenseite des Gehäuses ge­ führt. Das Gehäuse 9 kann ein einfaches Schutzgehäuse sein und braucht nicht die Funktion eines Druckbehälters zu erfül­ len.

Die Kühlplatten 3 enthalten Kühlmittelwege, die später noch im einzelnen beschrieben werden. Die einzelnen Kühlplatten 3 sind über Verteilungsrohre 14, die aus einem isolierenden Ma­ terial bestehen, mit einem Einlaßverteilerrohr 12 bzw. einem Auslaßsammlerrohr 13 verbunden. Ein mit dem Verteilerrohr 12 und dem Sammlerrohr 13 verbundenes Rohrleitungssystem 19 führt durch einen Kühlmitteltank 16, der ein flüssiges Kühl­ mittel 15 (Fluorkohlenstoff) enthält, eine Umwälzpumpe 17 und einen Luftkühlradiator 18, wodurch ein Zirkulationskreis ge­ bildet wird. Mit 20 ist ein Kühlgebläse für den Radiator 18 bezeichnet.

Bei diesem Aufbau zirkuliert das flüssige Kühlmittel 15 auf­ grund der Wirkung der Umwälzpumpe durch das Innere des Sy­ stems, wenn die Halbleitervorrichtung betrieben wird, wobei das flüssige Kühlmittel mit Hilfe des Verteilerrohrs 12 und des Sammlerrohrs 13 verzweigt wird und durch die einzelnen in der Stapelanordnung 1 enthaltenen Kühlplatten 3 fließt. Auf diese Weise wird in den Halbleiterleistungselementen 2 er­ zeugte Wärme auf die neben den Elementen angeordneten Kühl­ platten 3 und dann auf das flüssige Kühlmittel 15 übertragen, das durch die Kühlplatten strömt, um schließlich abgeführt zu werden. Das dadurch in der Temperatur erhöhte flüssige Kühl­ mittel 15, das durch das System zirkuliert, entläßt seine Wärme mittels des Radiators 18 in die Atmosphäre und kehrt dann mit verminderter Temperatur zu den Kühlplatten 3 zurück.

Als nächstes sollen unter Bezug auf die Fig. 2, 3 und 4 spezielle Ausführungsformen der konkreten Ausgestaltung der Kühlmittelwege in den Kühlplatten 3 beschrieben werden.

Es wird zuerst auf die Fig. 2 (a) und (b) Bezug genommen, die einen Verteiler 3a an der Einlaßseite und einen Sammler 3b an der Auslaßseite des flüssigen Kühlmittels zeigen, welche durch tunnelartige Kanäle 3c (mit kreisförmigem oder quadra­ tischem Querschnitt) verbunden sind. Das in den Verteiler 3a auf der Einlaßseite eingeführte flüssige Kühlmittel wird parallel zu den Kanälen 3c verzweigt, strömt im Sammler 3b an der Auslaßseite wieder zusammen und wird dann ausgegeben.

Fig. 3 zeigt eine verbesserte Variante des Aufbaus der Fig. 2 (a) und (b), bei der die zwischen Verteiler 3a und Sammler 3b gebohrten Kanäle 3d beispielsweise wie ein Gewindeloch unre­ gelmäßig ausgebildet sind. Bei diesen unregelmäßigen Kanälen 3d ist die Wärmetauscheroberfläche, die mit dem flüssigen Kühlmittel in Kontakt steht, vergrößert, und es wird eine turbulente Strömung des flüssigen Kühlmittels verursacht, wo­ durch der Wärmeübergang weiter beschleunigt wird.

Die Fig. 4(a) und (b) zeigen noch ein anderes Ausführungsbei­ spiel, das sich von jenen der Fig. 2(a), (b) und 3 unter­ scheidet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Sammler bzw. Verteiler 3f und 3g mit einem dualen Aufbau innerhalb der Kühlplatte 3 in deren Dickenrichtung ausgebildet und durch eine Trennwand 3e voneinander getrennt. Wie aus den Figuren ersichtlich, ist eine Verteilerkammer 3f beidseitig in Dic­ kenrichtung der Kühlplatte je von einer Sammlerkammer 3g ein­ geschlossen. In der dazwischenliegenden, im dargestellten Ausführungsbeispiel U-förmigen Trennwand 3e sind einzelne Kühlmitteleinspritzdüsenlöcher 3h ausgebildet, die sich von der Verteilerkammer 3f zur jeweils angrenzenden Sammlerkammer 3g öffnen. Das Kühlmittel tritt dabei im wesentlichen senk­ recht zur Axialrichtung der Stapelanordnung in die Verteiler­ kammer 3f ein und von dort durch die Löcher 3h in den beiden entgegengesetzten Axialrichtungen in die jeweils angrenzende Sammlerkammer 3g, die sich unterhalb der Trennwand 3e verei­ nigen. In der Verteilerkammer 3f und den Sammlerkammern 3g sind Versteifungsrippen 3i ausgebildet, die zusätzlich als Wärmeübertragungsrippen dienen. Sie sind so angeordnet, daß sie die Trennwand 3e zwischen sich einschließen. Die Düsenlö­ cher 3h sind mehr um die Mitte der Kühlplatte 3 konzentriert.

Bei diesem Aufbau wird das in die Kühlplatten 3 einfließende flüssige Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit von dem innen­ liegenden Verteiler 3f nach außen durch die Düsenlöcher in der Trennwand 3e zu den rechts und links liegenden Sammlern 3g gestrahlt. Starke Kühlmittelstrahlen treffen auf die In­ nenflächen der außenliegenden Wände der Kühlplatte 3, ent­ ziehen diesen die Wärme und strömen längs den Rippen 3i durch den Auslaß der Kühlplatte 3 ab. Damit ist eine hohe Wärmeab­ leitung von den Halbleiterelementen 2 sichergestellt. Zusätz­ lich erhöhen die Verstärkungsrippen 3i die Festigkeit der Kühlplatten, so daß sie nicht in Folge des auf die Stapelan­ ordnung ausgeübten Schweißdrucks (etwa 100 kp/cm² (10 N/mm²)) brechen. Darüber hinaus wirken diese Rippen als Wärmeübertra­ gungs- oder Kühlrippen.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, sieht die Erfin­ dung eine Zwangsströmung von flüssigem Kühlmittel parallel von einer externen Quelle durch Kühlplatten vor, die abwech­ selnd mit Halbleiterleistungselementen in einer Stapelanord­ nung untergebracht sind, wodurch von den Elementen erzeugte Wärme wirksam von dem System abgeführt werden kann und die einzelnen Halbleiterelemente gleichförmig gekühlt werden. Durch Ausbildung der Kühlmittelwege gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, erreicht man eine hohe Wär­ meleitung zwischen den Halbleiterelementen und dem Kühlmittel über die Kühlplatten.

Da die Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kei­ nen abgedichteten Druckbehälter erfordert, wie dies bei her­ kömmlichen Verdampfungskühlsystemen der Fall ist, und kein Eintauchen der Stapelanordnung der Halbleiterelemente in ein Kühlmittel erfordert, kann die Vorrichtung kleiner und leich­ ter gebaut werden und ist damit praktischer. Sie eignet sich deshalb insbesondere für eine an einem Fahrzeug montierte Halbleiterleistungsvorrichtung.

Claims (6)

1. Kühlvorrichtung für eine Halbleiterleistungsvorrich­ tung, bei der Kühlplatten (3), in deren Innerem Kühlmittel­ wege ausgebildet sind, abwechselnd mit einzelnen Halbleitere­ lementen (2) zu einem Stapel zusammengesetzt sind, wobei die einzelnen Kühlplatten (3) parallel unter Bildung eines Kühl­ mittelkreislaufs über isolierende Rohre (14) an Verteiler­ rohre (12, 13) angeschlossen sind und ein elektrisch isolie­ rendes, flüssiges Kühlmittel zur Entfernung der von den Halb­ leiterelementen erzeugten Wärme aus dem System zwangsweise durch den einen externen Radiator umfassenden Kühlmittel­ kreislauf zirkuliert wird.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das flüssige Kühlmittel ein Fluorkohlenstoff ist.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb der Kühlplat­ ten (3) ausgebildeten Kühlmittelwege Verteiler (3a, 3b) an der Einlaß- und Auslaßseite sowie zwischen diesen tunnelar­ tige Schlitze oder Kanäle (3c) umfassen.

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Innenfläche der tunnelarti­ gen Kanäle (3d) unregelmäßig ist.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb der Kühlplat­ ten (3) ausgebildeten Kühlmittelwege einen innenliegenden Verteiler (3f) auf der Einlaßseite sowie in Dickenrichtung der Kühlplatten (3) zu dessen beiden Seiten je einen Sammler (3g) auf der Auslaßseite umfassen, die durch Trennwände (3e) voneinander getrennt sind, wobei Kühlmitteleinspritzdüsen­ löcher (3h) durch die Wandflächen der Trennwände (3e) von dem einlaßseitigen Verteiler (3f) zu den auslaßseitigen Sammlern (3g) gebohrt sind.

6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß radiale Versteifungsrippen (3i), die zugleich als Wärmeübertragungsrippen dienen, innerhalb des einlaßseitigen Verteilers (3f) und der auslaßseitigen Sammler (3g) angeordnet sind.