[发明专利]功率晶闸管单元冷却系统

说明书

技术领域

本发明涉及热技术、设备和半导体装置，用于电控制和调节、动力工程和通过使用电来加热，用于加热液体(例如水)、蒸气产生、电能直接转变成热量。具体地，本发明用于控制和调节的电功率半导体装置的液体冷却，特别是用于冷却半导体晶闸管。这可以应用于热水加热的控制和调节系统中、液体的自调节加热器中、独立的加热和热水供给系统中、移动加热和热水供给系统中。另外，它可以用作用于多种电功率半导体装置的液体冷却的装置，从而高效保证用于控制和调节部件的预设操作模式。

背景技术

已经公知在可用于控制和调节系统中的电功率控制部件(诸如半导体晶闸管和双向晶闸管(symistors))处耗散大量的热量。由于这些装置的操作原理以及这些装置使用的较大的电流和电压而导致损失，例如在电热加热状态中，特别是在水加热电极锅炉中。同时还公知半导体装置(包括晶闸管和双向晶闸管)对于过热非常敏感，并且需要高效的冷却系统。这由于它们在控制和调节系统中使用的特殊特性而加剧，该控制和调节系统使用它们作为AC控制晶体管。另外，它们在被较大电流通过的情况下(这恰好是它们经受较大热能释放的原因，必须消除)受到可调节电压降重新分配的影响。

所提出的发明用于电水加热锅炉的控制和调节系统，不过，它还可以通常用作任何功率半导体装置的液体冷却系统的部件。

作为用于关键问题的解决方案，最高效的是功率半导体装置的液体冷却，特别是在电水加热锅炉的系统中，该电水加热锅炉已经有液体流的循环功能的特征。使用这种液体流来用于控制和调节元件的强制冷却将相当方便和有前途。

公知冷却系统的普通缺点可以包括用于供给冷却液体的主冷却部件的几何设计对称性、晶闸管的几何对称性以及在散热表面处的双向晶闸管分布。由于保证这种对称而需要的整个制备和部件的较高精度处理，这在很大程度上降低了产品的可制造性，并使得装置总体复杂。实际上用于冷却功率半导体装置的全部公知装置都必须使得横向和纵向截面的内部冷却回路与外部冷却回路精确对齐。除去上述缺点，还容易导致以下较差特征：阻止用于冷却装置的安装点被定制成考虑能够选择最高效放热。在这些方面，公知装置并没有利用所有可用选择来通过调节流通式冷却元件的所有内部形状来提高散热效率。当受到机械、化学腐蚀和对称破坏的热因素的永久性影响时，这些原因使得公知装置由于装配不精确和较差的维护可靠性而不可靠。同时，这种对称性是无用的，并不影响装置操作，且在任何与保持对称相关联的生产成本方面并不合适。这也使得公知装置的可修理性变差，因为任何修理都可能影响对称性。另外，用于要冷却的半导体元件的安装对称性以及冷却液体槽道和管路的内部截面的设计对称性的类型使得对流条件变差，因此使得放热变差。这可以解释考虑到散热效率优化而不能将功率半导体元件安装至加强放热点中和不能灵活地调节散热部件的截面内部形状。

公知装置可以分类成以下组：

第一组。两侧吸热。

a)有用于半导体装置冷却的公知系统，包括两侧吸热的晶闸管以及它在产热系统中的再利用。不使用液体的系统只用于低能量半导体装置散发的低能量。例如，已知以下系统：

在半导体装置另一侧额外放热，热量在主散热器处回收，因此提供了两侧放热。EP2178117(A1)-2010-04-21也相同-具有两侧冷却的功率半导体模块。还有，US2003122242(A1)-2003-07-03，具有附接在导热基体芯上的集成散热器的半导体封装件，US2007108594(A1)-2007-05-17半导体装置，KR20120057330(A)-2012-06-05-半导体芯片封装件。

WO2012143784(A2)-2012-10-26-半导体装置和它的制造方法-晶闸管晶体的两侧冷却。

EP0046825(A1)-1982-03-10-制造夹持在冷却部件之间的电元件组件的方法以及通过这种方法制造的组件-晶闸管被紧密弹性按压在冷却元件上，以便降低热阻。

半导体装置的晶体的两侧放热的平行和对称阵列，它的单元弹性压缩。

b)液体冷却是最有利的方式，以便直接管理在电路中的高电压和电流。另外，在这种控制用于液体加热和冷却的目的的情况下，例如在水加热电锅炉中，使用液体流来冷却大容量晶闸管是最好也是最简单的方式。RU2184998(C2)-2002-07-10晶片晶闸管单元-主冷却槽道设计为扁平管的两侧水流冷却。该实例的缺点是设计的较差机械可靠性。主扁平管路的截面对称，这是要精确遵循的，因此这降低了装置的可制造性，使得它复杂，并增加了它的生产成本。