СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК
POWER ELECTRONIC UNIT

Изобретение относится к электричеству, в частности к силовым электронным блокам с эффективным охлаждением электронных модулей.
Известен силовой электронный блок, содержащий два охладителя, между теплоотводящими поверхностями которых с помощью двух шпилек, пружинной балки, диэлектрических прокладок и центрующего устройства зажат полупроводниковый прибор таблеточной конструкции (Открытое акционерное общество «Электровыпрямитель». Каталог «Силовая электроника. Полупроводниковые приборы. Саранск 2000» Саранск, Мордовское книжное издательство. 2000).
Недостатком известного блока является сложность конструкции, обусловленная тем, что охладители электрически связаны с силовыми выводами полупроводникового прибора. Поэтому для каждого прибора требуется отдельная пара охладителей, причем каждый охладитель должен быть электрически изолирован от общей конструкции и от других охладителей.
Известен силовой электронный блок, принятый за прототип, содержащий охладитель, к теплоотводящей поверхности которого прижаты за края основания электронных модулей с расположенными на них с промежутками между собой полупроводниковыми кристаллами, находящимися в тепловом контакте с основаниями и установленными на них на диэлектрических прокладках, а пространство между теплоотводящей поверхностью охладителя и основаниями модулей заполнено теплопроводящей пастой. (Патент RU 2273979, кл. Н05К 7/20, 2006 г., документ фирмы Mitsubishi electric corporation HCM-1579. High voltage IGBT module target specification CM900HG-90H и документ фирмы Mitsubishi electric corporation HCM-969. Internal chip arrangement CM900HB-90H)
Недостатком прототипа является низкая эффективность охлаждения электронных модулей, обусловленная большим тепловым сопротивлением между основаниями модулей и теплоотводящей поверхностью охладителя, что, в свою очередь, обусловлено большой толщиной слоя теплопроводящей пасты. При установке модуля на охладитель количество пасты, наносимой на его основание, выбирается из условия гарантированного заполнения всех пустот между основанием модуля и теплоотводящей поверхностью охладителя, что приводит к завышению толщины слоя пасты по отношению к минимально необходимой. Например, при допустимой неплоскостности теплоотводящей поверхности охладителя в 25 мкм толщина слоя пасты по рекомендациям изготовителя модулей должна быть 100 мкм. В силу высокой вязкости пасты и того, что прижим модуля к охладителю осуществляется за края, в процессе прижатия основание модуля деформируется, излишки пасты из-под краев модуля выдавливаются за его пределы, края основания вплотную прижимаются к теплоотдающей поверхности охладителя, а излишки пасты, находящиеся под серединой модуля, оказываются там запертыми краями основания модуля и не могут быть выдавлены из-под модуля.
Техническим результатом изобретения является повышение мощности и надежности силового электронного блока за счет повышения эффективности охлаждения электронных модулей путем уменьшения теплового сопротивления между основаниями электронных модулей и теплоотводящей поверхностью охладителя.
Технический результат изобретения достигается тем, что в силовом электронном блоке, содержащем охладитель, к теплоотводящей поверхности которого прижаты за края основания электронных модулей с расположенными на них с промежутками между собой полупроводниковыми кристаллами, находящимися в тепловом контакте с основаниями и установленными на них на диэлектрических прокладках, а пространство между теплоотводящей поверхностью охладителя и основаниями электронных модулей заполнено теплопроводящей пастой, на теплоотводящей поверхности охладителя под электронными модулями выполнены каналы, шириной не более промежутков между полупроводниковыми кристаллами, расположенные под промежутками между полупроводниковыми кристаллами, причем концы каналов расположены за пределами оснований электронных модулей.
На фигуре 1 представлен фрагмент силового электронного блока, содержащего часть охладителя и один электронный модуль, вид спереди (крышка модуля условно не показана).
На фигуре 2 - то же, разрез по А-А.
Силовой электронный блок (Фиг.1 и 2) содержит воздушный или жидкостный охладитель 1, к теплоотводящей поверхности 2 которого прижаты за края, например за крепежные отверстия 3, основания 4 электронных модулей 5. На основаниях 4 расположены рядами с промежутками между собой полупроводниковые кристаллы 6. Между рядами кристаллов 6 имеются по горизонтали и вертикали соответственно промежутки шириной а и b. Кристаллы 6 находятся в тепловом контакте с основаниями 4. Для обеспечения электрической изоляции кристаллы 6 установлены на диэлектрических прокладках 7 с низким тепловым сопротивлением. Пространство между теплоотводящей поверхностью 2 охладителя 1 и основаниями 4 электронных модулей 5 заполнено теплопроводящей пастой 8. На теплоотводящей поверхности 2 охладителя 1 выполнены шесть вертикальных каналов 9 и один горизонтальный канал 10.
Ширина каналов 9 в данном примере не должна превышать ширины промежутка а по горизонтали между вертикальными рядами кристаллов 6, а ширина канала 10 не должна превышать ширины промежутка b по вертикали между горизонтальными рядами. В данном примере ширина промежутков а достаточно большая, поэтому в каждом промежутке между вертикальными рядами кристаллов 5 выполнено по два вертикальных канала 8.
Каналы расположены под электронным модулем 5 таким образом, что целиком располагаются под промежутками между кристаллами 6. Концы каналов 9 и 10 расположены за пределами оснований 4 электронных модулей 5.
Силовой электронный блок работает следующим образом:
th∑
При протекании электрического тока по полупроводниковым кристаллам 6 в них выделяется мощность потерь, в результате чего температура кристаллов 6 превышает температуру теплоотводящей поверхности 2 охладителя 1. Это превышение прямо пропорционально мощности потерь и обратно пропорционально величине полного теплового сопротивления R от кристалла 6 к теплоотводящей поверхности 2.
th1
th∑
При сборке блока на основание 4 электронного модуля 5 наносится слой теплопроводящей пасты 8 и электронный модуль 5 устанавливается на предназначенное для него место на охладителе 1. Затем основание 4 за крепежные отверстия 3 прижимается к теплоотводящей поверхности 2 охладителя 1. Под действием усилия прижатия излишки пасты 8 по каналам 9 и 10 вытесняются из-под основания 4 модуля 5 за его пределы и толщина слоя теплопроводящей пасты 8 под полупроводниковыми кристаллами 6 уменьшается. В пределе толщина слоя пасты 8 может уменьшаться до тех пор, пока поверхность основания 4 не упрется в выступающие неровности на теплоотводящей поверхности 2. Благодаря тому, что каналы 9 и 10 располагаются под промежутками между кристаллами 6 и нигде не проходят под ними, эффективная площадь теплоотводящей поверхности 2 не уменьшается. В совокупности это приводит к уменьшению теплового сопротивления R между основанием 4 и теплоотводящей поверхностью 2, а следовательно, к уменьшению полного теплового сопротивления R.
th∑
Вследствие уменьшения полного теплового сопротивления R уменьшается превышение температуры кристаллов 6 над температурой теплоотводящей поверхности 2. Следовательно, при заданной температуре теплоотводящей поверхности 2 снижается температура кристаллов 6, что приводит к повышению надежности силового электронного модуля или при заданной температуре кристаллов 6 к увеличению допустимой мощности потерь за счет увеличения в них полезной токовой нагрузки, что ведет к увеличению мощности силового электронного модуля.
Таким образом, выполнение на теплоотводящей поверхности 2 охладителя 1 под электронными модулями 5 каналов 9 и 10, шириной не более промежутков а и b между полупроводниковыми кристаллами 6, проходящих под промежутками между кристаллами 6, концы которых расположены за пределами оснований 4 электронных модулей 5, позволяет повысить мощность и надежность силового электронного блока.