一种带有二次流道的波浪形SiC器件直接液冷散热结构

本发明属于散热结构，涉及一种适用于高热流密度电力电子装置的高效冷却技术，具体涉及一种带有二次流道的波浪形sic器件直接液冷散热结构。

背景技术：

1、目前，随着电气化交通工具的广泛应用，电力电子变换器正在朝着小型化、轻量化、高可靠性的方向发展。传统si模块已不能够满足未来的发展需求，sic功率半导体凭借更优越的性能优势，成为提升变换器功率密度和可靠性指标极具潜力的解决方案。然而，由于芯片面积和封装尺寸的减小，在相同损耗条件下sic芯片的热通量通常远大于si芯片，更容易造成热量集中问题，增加模块的散热难度。不合理的散热设计会引起芯片结温过高，导致功率模块的可靠性降低。为了应对严苛的热管理挑战，具有更强散热效率的直接液冷方案受到广泛关注。相对于间接液冷，直接液冷技术能够消除功率模块导热硅脂层和散热器表面的传热路径，从而降低20％-30％的结流热阻。直接液冷技术是目前sic功率模块最有效的热管理方式，也是针对高功率密度应用场合的主流商用产品方案。由于直接液冷的散热结构对换热效率、流体压降等关键参数影响显著，在有限体积和重量下设计高效的散热结构具有重要的研究价值。

2、sic功率模块常见的直接液冷结构包括集成pin-fin、微通道、射流冲击等。其中，微通道和射流冲击结构由于泵送功率要求高以及存在潜在的堵塞风险，应用范围受限。而集成pin-fin凭借结构简单、加工成本低等优势被广泛应用于商用车载功率模块中，它通过采用翅片交错排布的方式，增强了对流体的扰动，从而拥有比常规散热结构更好的换热性能，但同时也增加了整体的流动压降损耗。简单、高效、易加工的直接液冷结构一直是商用功率模块追求的目标，现有的集成pin-fin散热结构存在温度均衡性差、流动压降较大的缺点，为了在更低的泵送功率下实现液冷换热性能的提升，高效的直接液冷散热结构设计尤为重要。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

4、现有的直接液冷包括集成pin-fin、微通道、射流冲击等结构存在泵送功率要求高、温度均衡性差等缺点。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种带有二次流道的波浪形sic器件直接液冷散热结构，是一种简单高效的新型散热结构方案，能够以更低的泵送功率实现液冷换热性能的提升。

2、本发明是这样实现的，一种带有二次流道的波浪形sic器件直接液冷散热结构包括：基板、翅片结构、下冷板、功率半导体模块；基板上方与功率半导体模块焊接，翅片结构位于基板下方，下冷板与基板密封连接。

3、进一步，翅片结构与基板集成在一起，采用一体化成型制造。

4、进一步，翅片结构的截面形状为梯形、平行四边形或曲边四边形的混合，相互交错，呈现不连续的排布形式。

5、进一步，翅片结构组成纵横交错的流动通道，纵向排布的主流道宽度较大；横向排布的二次流道宽度较小，二次流道沿着流动方向以小于90°的分流角度连通各个主流道。

6、进一步，下冷板设置有密封槽口，可通过螺栓和密封垫圈将基板紧密地安装于下冷板上。

7、进一步，下冷板采用并行的水路布置，在每个功率半导体模块位置都设有独立的安装槽口，分别是进水口、进口通道、出口通道、出水口。

8、进一步，下冷板并行水路的数目与用于冷却的功率半导体模块数目一致。

9、进一步，下冷板的进口通道截面采用渐扩的形状，包括但不限于梯形、抛物线形，越远离进水口位置宽度越大，出口通道则与之相反，采用渐缩的形状。

10、进一步，翅片结构沿流动方向呈波浪形的排布形式，其通道数目、转折次数、波动幅值结构参数可依照应用需求进行改变。

11、进一步，基板和翅片结构采用导热金属材料制作，包括但不限于铜、铝碳化硅。

12、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

13、第一，本发明舍弃了现有的直接液冷结构包括集成pin-fin、微通道、射流冲击等传统方案，着重于散热结构的创新，在保证简单、高效、易加工的商业应用前提下以更低的泵送功率实现液冷换热性能的提升。

14、第二，本发明采用波浪形的翅片排布方式，能够有效抑制热边界层增长，从而在整个流动区域内保持较高的换热系数。引入二次流动通道，促进主流道间流动工质的流动混合，并在翅片之间形成迪恩涡，实现流体内部扰动的增强，强化换热。所提出的设计结构简单、加工成本低，非常适合大规模的工业应用。并且，在换热性能、流动压降、温度均衡性等方面都优于常规的直接液冷散热器。

15、第三，本发明提供了一种适用于功率半导体模块的新型直接液冷散热结构，翅片结构沿流动方向呈波浪形形式，并采用交错不连续的布置方式引入二次流动通道，促进主流道间流动工质的流动混合，在翅片之间形成迪恩涡破坏流动边界层，进而提高换热效率。相对于传统散热结构，所提出的结构方案在增强流体内部扰动的同时并未显著增加流体的压降损耗，能够在整个流动区域内保持较高的换热系数，克服了技术偏见。

技术特征：

1.一种带有二次流道的波浪形sic器件直接液冷散热结构，其特征在于，包括：基板、翅片结构、下冷板、功率半导体模块；基板上方与功率半导体模块焊接，翅片结构位于基板下方，下冷板与基板密封连接。

2.如权利要求1所述的带有二次流道的波浪形sic器件直接液冷散热结构，其特征在于，翅片结构与基板集成在一起，采用一体化成型制造。

3.如权利要求1所述的带有二次流道的波浪形sic器件直接液冷散热结构，其特征在于，翅片结构的截面形状为梯形、平行四边形或曲边四边形的混合，相互交错，呈现不连续的排布形式。

4.如权利要求1所述的带有二次流道的波浪形sic器件直接液冷散热结构，其特征在于，翅片结构组成纵横交错的流动通道，纵向排布的主流道宽度较大；横向排布的二次流道宽度较小，二次流道沿着流动方向以小于90°的分流角度连通各个主流道。

5.如权利要求1所述的带有二次流道的波浪形sic器件直接液冷散热结构，其特征在于，下冷板设置有密封槽口，可通过螺栓和密封垫圈将基板紧密地安装于下冷板上。

6.如权利要求1所述的带有二次流道的波浪形sic器件直接液冷散热结构，其特征在于，下冷板采用并行的水路布置，在每个功率半导体模块位置都设有独立的安装槽口，分别是进水口、进口通道、出口通道、出水口。

7.如权利要求1所述的带有二次流道的波浪形sic器件直接液冷散热结构，其特征在于，下冷板并行水路的数目与用于冷却的功率半导体模块数目一致。

8.如权利要求1所述的带有二次流道的波浪形sic器件直接液冷散热结构，其特征在于，下冷板的进口通道截面采用渐扩的形状，包括但不限于梯形、抛物线形，越远离进水口位置宽度越大，出口通道则与之相反，采用渐缩的形状。

9.如权利要求1所述的带有二次流道的波浪形sic器件直接液冷散热结构，其特征在于，翅片结构沿流动方向呈波浪形的排布形式，其通道数目、转折次数、波动幅值结构参数可依照应用需求进行改变。

10.如权利要求1所述的带有二次流道的波浪形sic器件直接液冷散热结构，其特征在于，基板和翅片结构采用导热金属材料制作，包括但不限于铜、铝碳化硅。

技术总结
本发明属于散热结构技术领域，公开了一种带有二次流道的波浪形SiC器件直接液冷散热结构，包括：基板、翅片结构、下冷板、功率半导体模块；基板上方与功率半导体模块焊接，翅片结构位于基板下方，下冷板与基板密封连接。本发明着重于散热结构的创新，在保证简单、高效、易加工的商业应用前提下以更低的泵送功率实现液冷换热性能的提升。本发明的翅片结构沿流动方向呈波浪形形式，并采用交错不连续的布置方式引入二次流动通道，促进主流道间流动工质的流动混合，在翅片之间形成迪恩涡破坏流动边界层，进而提高换热效率。相对于传统散热结构，本发明在增强流体内部扰动的同时并未显著增加流体的压降损耗，能够在整个流动区域内保持较高的换热系数。

技术研发人员：王智强,马凯,廖宇,谭令其,杨柳,李巍巍,时晓洁,李歆蔚
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17