[发明专利]具有莫尔条纹效应的电力电子集成模块微小通道液冷基板

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术，尤其涉及大功率电力电子器件的集成技术，具体为具有莫尔条纹效应的电力电子集成模块微小通道液冷基板。

背景技术

电力电子技术是电力、电子、控制交叉而成的学科，电力电子装置的复杂性与其应用的广泛性之间的矛盾越来越尖锐，成为电能利用技术进步的瓶颈。集成电路将电子设计中最主要的难点和绝大部分工作量封装在集成芯片内部，大大降低了装置的设计、制造和维护难度。集成电路的诞生是微电子技术发展历史上一件具有战略意义的事件。借鉴微电子技术的历史经验，电力电子技术也可以借助“集成”思想，将电力电子装置设计过程中所遇到的元器件、电路、控制、电磁、材料、传热等方面的技术难点问题和主要设计工作解决在集成模块内部，以便简化应用系统的设计，使其成为从事不同行业、具备基本电气技术专业技能的工程师所能驾驭的有力工具^[1]。

电力电子集成技术的核心是研制多品种、多规格的电力电子集成模块(Integrated Power Electronics Module，IPEM)。概念化的IPEM是一个三维结构的模块，它拥有很高的功率密度和优良的电气性能，集成了主电路、驱动和控制电路、传感器以及磁元件等无源元件。同时，这样一个模块是可以被自动化制造和生产的，其成本因而大大降低。但是，在目前的技术条件下，要实现这样一个完全集成的电力电子模块是非常困难的，所以学术界将IPEM分为有源IPEM和无源IPEM两种，分别进行研究。有源IPEM主要实现功率器件、驱动控制电路和传感器等部件的集成；无源IPEM主要实现磁元件、电容器等无源元件的集成。有源IPEM又可以分为单片集成模块与混合集成模块。单片集成模块，指采用半导体集成电路的加工方法将电力电子电路中的功率器件、驱动、控制和保护电路制作在同一硅片上，体现了单片系统的概念。这种集成方式的集成度最高，适合大批量、自动化制造，可以非常有效地降低成本，减小体积和重量，但面临高压、大电流的主电路元件和其它低压、小电流电路元件的制造工艺差别较大，还有高压隔离和传热问题。因此单片集成难度很大。混合集成模块采用封装的技术手段，将分别包含功率器件、驱动、保护和控制电路的多个硅片封入同一模块中，形成具有部分或完整功能且相对独立的单元。这种集成方法可以较好地解决不同工艺的电路之间的组合和高电压隔离等问题，具有较高的集成度，也可比较有效地减小体积和重量，是电力电子集成的主流方式^[2][3]。但目前尚存在分布参数、电磁兼容、高效散热等具有较高难度的技术问题。

集成化是电力电子技术最主要的发展方向。无论是有源IPEM还是无源IPEM，也无论是单片集成模块还是混合集成模块，它们都是用来处理能量的，其功耗远远高于用于信息处理的集成电路。KP500型晶闸管，当其通态平均电流为500A、导通角为120电角度时，耗散功率可达1200W。一般是将2只、4只或6只功率器件集成为一个模块。集成化后，功率损耗的体积密度急剧加大，由功耗导致的发热、温升问题异常突出，直接关系到模块的可靠运行。半导体器件的许多性能参数随温度升高而恶化，例如PN结的反向电流随温度升高按指数规律增大，双极性器件的关断时间随温度升高而延长，转折电压会随温度升高而降低。当半导体器件的功耗超过其临界值时就会造成热不稳定和热击穿。对于功率半导体芯片，最高允许温度可达150℃；驱动、保护电路由各种集成电路组成，商用集成电路允许温度为70℃，工业用集成电路允许温度为85℃。由于在IPEM中功率电路距离驱动保护电路非常近，功率电路向驱动保护电路的传热就会直接影响到驱动保护电路的正常工作。若功率电路尚未达其工作温度上限时驱动保护电路就已达到其工作温度上限，就必须限制功率电路的工作温度上限，保证所有器件都不超过其自身的工作温度上限。热控制是各类电力电子集成模块都必须面临的共性关键技术之一。

对于分立电力电子器件，常用的冷却方式有自然对流冷却、强迫空气冷却、循环水冷却、流水冷却、循环油冷却、油浸自冷却、热管散热器冷却等。中国发明专利申请200910075814.0给出了一种用于变流器功率模块的双面水冷散热基板；中国授权专利200710035082.3给出了一种改善大功率热管散热器和发热元件接触热阻的方法；中国发明专利申请201010258174.X给出了一种具有错列冷却剂通道的功率模块组件。