RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 185195 (13) B1 (21 ) Numer zgłoszenia: 323229 (22) Data zgłoszenia: 19.11.1997 (51 ) IntCl7: H01L 23/473 H05K 7/20 (54) Urządzenie do chłodzenia układu półprzewodnikowego typu tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (30) Pierwszeństwo: 21.11.1996,FR,9614209 (73) Uprawniony z patentu: G ec Alsthom Transport SA, Paryż, FR (43) Zgłoszenie ogłoszono: 25.05.1998 BUP 11/98 (72) Twórcy wynalazku: Jean-Luc Dubelloy, Tarbes, FR (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.03.2003 WUP 03/03 (74) Pełnomocnik: Ludwicka Izabella, PATPOL Spółka z o.o. PL 185195 B1 (57)1. Urządzenie do chłodzenia układu półprzewodnikowego typu tranzystor bipo-- larny z izolowaną bramką, zawierające ele-- ment chłodzący wykonany z materiału będącego dobrym przewodnikiem ciepła, w któ-- rym utworzone są kanały z krążącą w nich wodą oraz płytę nośną wykonaną z materiału izolacyjnego, znamienne tym, że element chłodzący (2) jest wykonany z materiału izolującego elektrycznie, przy czym układ półprzewodnikowy (1) typu tranzystor bipolarny z izolowaną bramką i element chłodzący (2) są umieszczone na płycie nośnej (4). FIG. 1
Urządzenie do chłodzenia układu półprzewodnikowego typu tranzystor bipolarny z izolowaną bramką Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie do chłodzenia układu półprzewodnikowego typu tranzystor bipolarny z izolowaną bramką, zawierające element chłodzący wykonany z materiału będącego dobrym przewodnikiem ciepła, w którym utworzone są kanały z krążącą w nich wodą oraz płytę nośną wykonaną z materiału izolacyjnego, znamienne tym, że element chłodzący (2) jest wykonany z materiału izolującego elektrycznie, przy czym układ półprzewodnikowy (1) typu tranzystor bipolarny z izolowaną bramką i element chłodzący (2) są umieszczone na płycie nośnej (4). 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że element chłodzący (2) jest wykonany z izolacyjnego materiału ceramicznego. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że element chłodzący (2) jest wykonany z azotku glinu. 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że płyta nośna (4) posiada kanały hydrauliczne (5) zasilające element chłodzący (2). 5. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienne tym, że układ półprzewodnikowy (1) typu tranzystor bipolarny z izolowaną bramką, element chłodzący (2) i płyta nośna (4) są razem połączone za pomocą elementów mocujących (6). * * * Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do chłodzenia elementu półprzewodnikowego typu tranzystor bipolarny z izolowaną bramką, tzw. elementu IGBT, zwłaszcza elektronicznego układu półprzewodnikowego mocy. Użytkowanie elektronicznego układu półprzewodnikowego mocy typu tranzystor bipolarny z izolowaną bramką - IGBT, w miejsce przełączających tyrystorów sterowanych bramką - GTO, w zastosowaniach do napędu kolejowego pod wysokimi napięciami, prowadzi do konieczności zapewnienia skutecznego chłodzenia. Ponadto, układy półprzewodnikowe typu IGBT znane ze stanu techniki mają izolację wewnętrzną wystarczającą do zastosowań o napięciu poniżej 1500 V, ale jest konieczna izolacja dodatkowa w związku z chłodzeniem dla niektórych zastosowań w kolejnictwie. Mechaniczny montaż układu półprzewodnikowego typu IGBT i przełączającego tyrystora sterowanego bramką - GTO, przypominając montaż typu press-pack, są jednak bardzo różne. Tyrystor sterowany bramką - GTO, musi być wprasowany poprzez nacisk zewnętrzny, a połączenia elektryczne są dołączone z dwóch stron układu. Układ półprzewodnikowy typu IGBT jest przykręcony śrubami do swojego urządzenia do chłodzenia, fu n kcja połączenia elektrycznego jest zintegrowana w układzie i jest uniezależniona od montażu mechanicznego i chłodzenia. W zastosowaniach wymagających niskich parametrów termicznych, układ półprzewodnikowy typu IGBT jest przykręcony na płytce stykowej stanowiącej dobry przewodnik ciepła, a on sam jest izolowany od zewnętrznego środowiska poprzez taki produkt izolujący, jak żywica epoksydowa. W odniesieniu do tyrystorów sterowanych bramką - GTO, wymagana jest także podwyższona sprawność systemu chłodzenia oraz izolowanie przy montażu typu press-pack, różnymi znanymi technikami. Znanym sposobem jest na przykład stosowanie bloku chłodzącego, przez który przepływa płyn izolujący dielektrycznie, w postaci oleju, co ma miejsce na przykład w układzie napędowym pociągu dużej prędkości EUROSTAR. Innym znanym rozwiązaniem jest zanurzenie układu i jego bloku chłodzącego w płynie dielektrycznym, na przykład związku
185 195 3 fluorowęglowym, co stosowano już w przypadku układu napędowego pociągów dużej prędkości. Znane jest również stosowanie płytki izolacyjnej, na przykład z materiału ceramicznego, między układem i jego chłodnicą. Ponadto, znane jest stosowanie bloku chłodzącego wykonanego z bloku materiału, który jest jednocześnie dobrym przewodnikiem ciepła i izolującym elektrycznie, jak niektóre materiały ceramiczne (azotek glinu), z przepływem przez niego wody. Dla zapewnienia przepływu prądu do końcówek tyrystora sterowanego bramką - GTO, dodane jest połączenie elektryczne między blokiem chłodzącym i układem. Z opisu patentowego nr US 5495889 znany jest układ półprzewodnikowy, który jest umieszczony na elemencie chłodzącym wykonanym z dobrego przewodnika ciepła, w którym utworzone są kanały z krążącą w nich wodą. Układ półprzewodnikowy i element chłodzący są umieszczone na centralnej płycie, która jest zaopatrzona w kanały hydrauliczne dla połączenia z elementem chłodzącym. Urządzenie do chłodzenia układu półprzewodnikowego typu tranzystor bipolarny z izolowaną bramką, zawierające element chłodzący wykonany z materiału będącego dobrym przewodnikiem ciepła, w którym utworzone są kanały z krążącą w nich wodą oraz płytę nośną wykonaną z materiału izolacyjnego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że element chłodzący jest wykonany z materiału izolującego elektrycznie, przy czym układ półprzewodnikowy typu tranzystor bipolarny z izolowaną bramką i element chłodzący są umieszczone na płycie nośnej. Korzystnym jest, że element chłodzący jest wykonany z izolacyjnego materiału ceramicznego, zwłaszcza z azotku glinu. Korzystnym jest, że płyta nośna posiada kanały hydrauliczne zasilające element chłodzący. Korzystnym jest, że układ półprzewodnikowy typu tranzystor bipolarny z izolowaną bramką, element chłodzący i płyta nośna s ą razem połączone za pom ocą elementów mocujących. Rozwiązanie według wynalazku, a więc opracowane urządzenie do chłodzenia dla układów półprzewodnikowych typu IGBT, zapewnia sprawne chłodzenie, łącznie z izolowaniem układu półprzewodnikowego od środowiska. Zapewnione są jednocześnie parametry termiczne i izolowanie układu, dzięki skutecznemu systemowi chłodzenia. W tym przypadku, woda z doskonałymi własnościami termicznymi, pozwala osiągnąć wymagane parametry. Dla uniknięcia konieczności dejonizacji cieczy, dołącza się funkcję izolowania między w odą i układem półprzewodnikowym typu IGBT. Rozwiązanie, które polega na zastosowaniu urządzenia do chłodzenia wykonanego z ceramicznego materiału izolacyjnego i dobrego przewodnika ciepła, odznacza się korzystnymi parametrami termicznymi i dielektrycznymi. Umieszczenie płytki izolującej między metalową chłodnicą i chłodzonym układem półprzewodnikowym, dotychczas stwarzało problemy sprawności termicznej z dodatkowymi stykami termicznymi, lub problemy technologiczne. Zgodnie z wynalazkiem, urządzenie do chłodzenia układów półprzewodnikowych typu IGBT polega na tym, że wspomniany układ IGBT jest usytuowany na elemencie chłodzącym z materiału izolującego elektrycznie i dobrego przewodnika ciepła, przy czym przez element chłodzący następuje krążenie wody, a układ półprzewodnikowy typu IGBT i element chłodzący są usytuowane na płycie nośnej z materiału izolującego elektrycznie. Zaletą urządzenia do chłodzenia układów półprzewodnikowych typu IGBT, według wynalazku, jest możliwość łączenia potrzebnej liczby elementów chłodzących i układów półprzewodnikowych typu IGBT na jednej płycie, w sposób umożliwiający realizację pożądanej funkcji elektrycznej. Dalszą zaletą urządzenia tego rodzaju jest to, że jego koncepcja geometryczna pozwala na dobry poziom wytrzymałości dielektrycznej, ograniczając obecność wyładowań częściowych. Przedmiot wynalazku został bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia ogólny widok urządzenia do chłodzenia układów półprzewodnikowych typu IGBT, w przekroju, a fig. 2 przedstawia montaż elementów chłodzących i układów półprzewodnikowych typu IGBT według wynalazku.
4 185 195 Układ półprzewodnikowy 1 typu tranzystor bipolarny z izolowaną bramką, tzw. element IGBT, jest zamontowany na elemencie chłodzącym 2 wykonanym z materiału izolującego elektrycznie i dobrego przewodnika ciepła, korzystnie z azotku glinu. W elemencie chłodzącym 2 utworzone są kanały wodne 3 z krążącą w nich wodą, zgodnie z odpowiednią geometrią, zapewniając wydalenie strat układu półprzewodnikowego 1 typu IGBT. Zespół jest zamontowany na płycie nośnej 4 z materiału izolacyjnego, korzystnie tworzywa sztucznego, pozwalającej na utrzymanie mechaniczne zespołu i zawierającej kanały hydrauliczne 5 zasilające element chłodzący 2. Elementy mocujące 6 układu półprzewodnikowego 1 typu IGBT, korzystnie śruby, przechodzą przez element chłodzący 2 i są wkręcone w płytę nośną4, tak aby zapewnić utrzymanie i dociśnięcie zespołu, jak przedstawiono na fig. 1. Na figurze 2 przedstawiono, że jest możliwe łączenie potrzebnej liczby elementów chłodzących 2 i układów półprzewodnikowych 1 typu IGBT na jednej płycie nośnej 4 w sposób umożliwiający realizację pożądanej funkcji elektrycznej. Zespół elementów chłodzących 2 i układów półprzewodnikowych 1 typu IGBT na jednej płycie nośnej 4 jest położony na płycie 7 stanowiącej masę, na przykład z aluminium. Krążenie wody w elementach chłodzących 2 za pośrednictwem połączeń hydraulicznych rozmieszczonych w płycie nośnej 4 jest uzyskane za pomocą hydraulicznego złącza wejściowego 8 dla doprowadzenia wody i hydraulicznego złącza wyjściowego 9 dla odprowadzenia wody. Dalsza zaleta urządzenia do chłodzenia układów półprzewodnikowych typu IGBT według wynalazku, wynika z jego parametrów termicznych. Opór cieplny zespołu radiator - woda jest mniejszy od 10 C/kW, około 2000 W na układ. W rozwiązaniu z użyciem płytki izolującej, dodatkowy styk termiczny, może być szacowany na 6 C/kW, co dawało parametry radiatora rzędu 16 C/kW. Rozwiązania znane ze stanu techniki, w których układ jest montowany na płytce stykowej posiadającej dobrą przewodność cieplną, następnie poddany izolowaniu, na przykład żywicą epoksydową, między płytką stykową i radiatorem żeberkowym, nie pozwalają odprowadzić więcej niż kilkaset wat. Następna zaleta urządzenia do chłodzenia układów półprzewodnikowych typu IGBT wynika z izolowania. Stosowanie części masywnej z materiałów izolacyjnych eliminuje złącza, strefę ryzykowną ze względu na wyładowania częściowe. Inna zaleta urządzenia do chłodzenia układów półprzewodnikowych typu IGBT według wynalazku wypływa z wymiarów zewnętrznych, które są zmniejszone w stosunku do rozwiązań ze stanu techniki, włączających izolacyjną płytkę pośrednią, wymagającą dodatkowego odstępu dla dróg upływu, a mianowicie przekroczenia płytki o dwadzieścia milimetrów poza układ.
185 195 FIG. 1 FIG. 2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.