面向功率模块的瞬态高效散热系统及其方法

本发明属于电力电子器件封装领域，具体涉及一种面向功率模块的瞬态高效散热系统及其方法。

背景技术：

1、在能源革命的背景下，智慧能源电网的建设势在必行，对电网的安全性、可靠性、可控性、灵活性和新能源承载能力提出了更高要求。为此，新型电力系统正形成“高比例可再生能源”和“高比例电力电子设备”的“双高”发展趋势。相对于传统同步发电机，新型可再生能源机组和电力电子设备具有惯性较低、抗扰性弱、过载能力低、输出波动性高的缺陷，在运行过程中易于出现瞬态过流的工况。在过流工况下，芯片的表面热流密度超出额定热流密度数倍，大量过载热流无法传至热沉有效散发，在热源面附近不断积累，导致芯片结温急速上升，严重影响电力电子器件运行稳定性及预期寿命。因此，过流导致的热瓶颈已经成为新型电力系统电力电子化与可再生能源并网的重要制约因素。受工艺与绝缘要求限制，现有的技术方案无法在近热源面的芯片上表面集成相变材料（phase change material,pcm），一般在覆铜陶瓷板层（direct bonding copper，dbc）远芯片热源面一侧添加空心铜块层，并注入pcm。受pcm导热性能差（热导率小于常见金属一个数量级以上）的限制，一方面，直接在芯片结至热沉的传热途径集成pcm会使结流热阻过高，导致稳态的散热性能下降，另一方面，pcm开始熔化后，熔化热源与固相pcm间存在液膜，熔化速率将随液膜厚度升高迅速降低，导致pcm在单位时间内熔化量较小。因此，现有的技术方案也会在pcm中添加金属骨架，借助金属较高的热导率降低结流热阻，保障稳态散热性能，同时，利用金属骨架的外表面熔化pcm，扩充润湿面积。然而，该解决方案对于上述技术问题的优化较为有限。受热传导速率较低限制，在过流初期金属骨架表面温度分布不均匀，温度达pcm熔点之上的有效润湿面积小，因此，pcm的熔化率、潜热量均较低。此外，由于传热途径上的有效导热面积下降，将实心金属层替换为填充pcm的金属骨架结构对结流热阻的影响难以避免。

2、热管通过内部工质相变将热量由蒸发段传输至冷凝段，然而若蒸发段热功率过高，内部的工质可能会完全相变为气态，无法由毛细芯回流至蒸发段完成热循环，在此情况下，热管将失去快速传热的功效。目前的功率模块/器件发热量较高且相对集中，以si igbt为例，其表面热流密度可达100 w/cm2以上，若出现瞬态过流工况，以三倍过流为例，热损耗可达稳态工况五倍，此时的高热流密度极有可能超出热管的最大传热功率限制，致使热管去效。

3、功率模块/器件组成电气元件多样，其表面热流密度并不相同，由于热扩散作用较弱，dbc下表面温度往往均匀性较差。以si igbt为例，英飞凌模块fs75r12ke3在直流母线电压600 v，输出电流400 a，开关频率2 khz,输出频率50 hz的工况下，igbt芯片表面热流密度为135.1 w/cm2，二极管芯片的表面热流密度为43.8 w/cm2，igbt芯片正下方对应的dbc下表面在稳态工况下温度应高于二极管芯片，在瞬态过流工况下，以三倍过流为例，igbt与二极管芯片表面热流密度差可达456 w/cm2，导致二者热源面附近的温升速度有一定差异，温度与热流不均匀性，热管理方案设计困难。综上所述，由于现有方法热响应速度慢，受芯片工作结温限制，可应用的电子器件功率极为有限，否则，短期内过高的热流密度将使芯片结温超限，影响其运行寿命及可靠性。添加pcm使结流热阻上升，导致模块虽然提升了耐过流能力，但稳态的散热性能下降，结温上升，其长期运行的稳定性受到影响。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种面向功率模块的瞬态高效散热系统及其方法。

2、为解决技术问题，一方面，本发明提供了一种面向功率模块的瞬态高效散热系统，其包括：金属腔、热管阵列和排布于金属腔内的多种不同热导率的相变材料模组；

3、所述金属腔紧贴功率模块设置，多种不同热导率的相变材料模组根据金属腔内热流密度进行排布，其中高热流区对应的腔室区域排布高热导率、低相变潜热的相变材料模组，低热流区排布低热导率、高相变潜热的相变材料模组，不同热导率的相变材料模组由分隔壁隔开；

4、所述热管阵列包括多根阵列排布的热管，热管阵列的蒸发段嵌入在金属腔和相变材料模组内；所述热管内填充有工质和能够随工质一起运动的相变微胶囊；所述相变微胶囊由外壳与内部相变颗粒构成。

5、进一步的，所述低热导率、高相变潜热的相变材料模组的相变材料热导率≤ 10w/(m·k)，相变潜热≥100 j/g；所述高热导率、低相变潜热的相变材料模组的相变材料热导率＞ 10 w/(m·k)，相变潜热＜100 j/g。各相变材料模组内相变材料的熔点比所在热流区的稳态温度高1-2k。

6、另一方面，本发明还提供了一种基于所述系统的瞬态高效散热方法，包括：

7、在需要进行瞬态高效散热的功率模块上集成预先打孔的金属腔；根据功率模块各区域的热流密度对金属腔室进行分区，然后将热管阵列插入所述金属腔内并固定，热管阵列的蒸发段端部与金属腔顶面齐平；向金属腔室的各分区填充相变材料以形成不同热导率的相变材料模组，其中功率模块高热流区对应的腔室区域填充高热导率、低相变潜热的相变材料，功率模块低热流区填充低热导率、高相变潜热的相变材料；

8、功率模块产生瞬态热过流时，部分热流直接传递至热管阵列，热管通过内部工质相变将热量由蒸发段传输至冷凝段；热管内部的相变微胶囊也吸收外部热流，并被热管内工质携带完成蒸发段与冷凝段之间的热循环，在蒸发段相变潜热，在冷凝段凝固；

9、瞬态热过流产生功率模块表面热流的非均匀性，功率模块高热流密度区域通过设置低热导率、高相变潜热的相变材料进行低储热速度、高储热量的潜热储热，低热流密度区域通过设置高热导率、低相变潜热的相变材料进行较高储热速度、较低储热量的潜热储热，在仅有扩散热流的芯片有源区外侧布置高热导率的金属材料进行更高储热速度、更低储热量的显热储热，从而平衡功率模块表面热流的非均匀性。

10、在初始稳态工况下，小部分热流会从热管表面传到至pcm直至热平衡，过流工况发生后，大量过载热流从热源面经热管输入至pcm，使其进行相变潜热储热，过流工况结束后，热管表面温度将下降至低于pcm熔点，此时pcm凝固可释放热量，经热管传递至冷凝端热沉。

11、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

12、（1）本发明将热管用于功率模块的散热，与传统的风冷热沉相比，可降低芯片的结流热阻与结温，具有较好的稳态散热能力，考虑封装结构的显热，从而在一定程度上提升了自身的过流能力。

13、（2）本发明将pcm集成至热管的蒸发段周围，用热管代替了传统的金属骨架扩充润湿面积，由于热管的传热速度远快于金属骨架，在过流初期其表面温度将一致地迅速超过pcm熔点，从而提升了pcm的熔化率、潜热量。

14、（3）本发明将pcm集成至热管的蒸发段周围，由于热流几乎全部由热管传递至冷凝端，而不通过pcm传递，因此，集成pcm对结流热阻近乎无影响。

15、（4）采用的储热方式热响应速度与热流密度成负相关关系，从热流高处至热流低处依次集成低热导率pcm，较高热导率pcm，显热结构，可在相同体积的条件下较大提升储热容量

16、（5）本发明在热管的冷却流体工质中加入微相变胶囊，在高热流密度的应用场合下避免热管烧干，增加热管最大传热功率。