專利名稱：用于操作電功率轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及控制電功率轉(zhuǎn)換器的操作，并且更具體地，涉及從半導(dǎo)體裝置去除熱。
背景技術(shù)：
許多已知的半導(dǎo)體裝置被用于電功率轉(zhuǎn)換，例如整流器和逆變器。大多數(shù)已知的整流器用于將交流(AC)轉(zhuǎn)換成直流(DC)，并且大多數(shù)已知的逆變器用于將DC電流轉(zhuǎn)換成AC電流。這些整流器和逆變器中的一些整流器和逆變器集成到用于可再生電發(fā)電設(shè)施中的全功率轉(zhuǎn)換組件(即，功率轉(zhuǎn)換器)中，所述可再生電發(fā)電設(shè)施包括太陽能發(fā)電廠和風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電廠。然而，例如太陽強(qiáng)度以及風(fēng)向和風(fēng)速的變化通常產(chǎn)生電壓和/或頻率變化的電功率。功率轉(zhuǎn)換器可以聯(lián)接在發(fā)電設(shè)施中的電發(fā)電裝置與公用電網(wǎng)之間。每個(gè)功率轉(zhuǎn)換器都從相關(guān)發(fā)電裝置接收所產(chǎn)生的電功率并且對(duì)具有固定的電壓和頻率的電力進(jìn)行傳輸，以用于通過變壓器進(jìn)一步傳輸至公用電網(wǎng)。變壓器可以聯(lián)接至與電發(fā)電設(shè)施相關(guān)聯(lián)的多個(gè)功率轉(zhuǎn)換器。已知的半導(dǎo)體裝置包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、硅控整流器(SCR)、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(M0SFET)、雙極結(jié)型晶體管(BJT)、和二極管。當(dāng)投入使用時(shí)，這種IGBT和GTO產(chǎn)生熱。許多已知的用于這種半導(dǎo)體的除熱系統(tǒng)包括具有高熱阻的熱流動(dòng)路徑，由此因半導(dǎo)體裝置中特定量的功率損失而產(chǎn)生高工作結(jié)溫。例如，用于許多IGBT模塊的冷卻路徑包括半導(dǎo)體芯片，該半導(dǎo)體芯片焊接到電絕緣襯底(例如，氮化鋁)的一側(cè)上，由此在其上形成電氣聯(lián)結(jié)。大部分由IGBT所產(chǎn)生的熱從電絕緣襯底的聯(lián)結(jié)側(cè)通過襯底被引導(dǎo)至相對(duì)側(cè)。許多這種已知的襯底包括位于聯(lián)結(jié)的相對(duì)側(cè)上的傳熱機(jī)構(gòu)。該傳熱機(jī)構(gòu)被典型地稱作單側(cè)冷卻?？傮w而言，這種電絕緣襯底具有相對(duì)較高的熱阻，并且該熱阻使襯底的聯(lián)結(jié)側(cè)上的半導(dǎo)體芯片溫度比具有傳熱機(jī)構(gòu)的襯底的相對(duì)側(cè)高。此外，典型地，通向傳熱機(jī)構(gòu)的熱路徑包括具有高熱阻的其它材料層。這些材料包括電絕緣襯底下方的一層焊料、一層銅、散熱器(heatsink)、和IGBT模塊與散熱器之間的硅脂界面，其中這些熱阻還阻礙從IGBT傳遞熱。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面中，提供一種用于可再生功率源的電功率轉(zhuǎn)換器。該電功率轉(zhuǎn)換器包括聯(lián)接至外部AC功率裝置的至少一個(gè)交流(AC)管道和聯(lián)接至外部DC功率裝置的至少一個(gè)直流(DC)管道。該轉(zhuǎn)換器還包括至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)和多個(gè)半導(dǎo)體裝置，至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)中限定了至少一個(gè)浸入腔。該半導(dǎo)體裝置包括襯底，襯底定位在浸入腔內(nèi)。襯底上限定了多個(gè)傳熱表面。該半導(dǎo)體裝置還包括至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片，該至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片聯(lián)接至襯底、AC管道、和DC管道。該轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括液體，液體至少部分地填充浸入腔，使得半導(dǎo)體芯片完全浸入液體中并且與液體直接接觸。半導(dǎo)體裝置中所產(chǎn)生的熱引起液體的相變。在另一個(gè)方面中，提供一種用于至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置的除熱系統(tǒng)。該半導(dǎo)體裝置包括襯底和至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片，襯底上限定了多個(gè)傳熱表面，至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片聯(lián)接至襯底。該除熱系統(tǒng)包括至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)，該至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)中限定了至少一個(gè)浸入腔。該除熱系統(tǒng)還包括液體，液體至少部分地填充浸入腔，使得半導(dǎo)體芯片完全浸入液體中并且與液體直接接觸。襯底上的傳熱表面的兩側(cè)的至少一部分也浸入液體中并且與液體直接接觸。半導(dǎo)體裝置中所產(chǎn)生的熱引起液體的相變。在又一個(gè)方面中，提供一種對(duì)用于電功率轉(zhuǎn)換器的除熱系統(tǒng)進(jìn)行操作的方法。該電功率轉(zhuǎn)換器包括至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置和至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)，該至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)中限定了至少一個(gè)浸入腔。該半導(dǎo)體裝置定位在浸入腔內(nèi)，并且半導(dǎo)體裝置包括襯底。該半導(dǎo)體裝置還包括至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片，該至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片聯(lián)接至襯底的第一側(cè)和襯底的第二側(cè)。浸入腔至少部分地填充有液體，使得半導(dǎo)體芯片完全浸入液體中并且與液體直接接觸，并且襯底的兩側(cè)的至少一部分浸入液體中并且與液體直接接觸。該方法包括為至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置通電。該方法還包括在半導(dǎo)體芯片中產(chǎn)生熱并且將至少一部分熱傳遞至襯底的第一側(cè)和襯底的第二側(cè)。該方法進(jìn)一步包括從半導(dǎo)體芯片以及襯底的第一側(cè)和第二側(cè)的至少一部分去除熱。該方法還包括引起液體的相變。


圖1是示例性發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。圖2是示例性半導(dǎo)體裝置的示意圖，該示例性半導(dǎo)體裝置包括聯(lián)接至襯底的單個(gè)半導(dǎo)體芯片。圖3是使用圖2中所示的半導(dǎo)體裝置的自然循環(huán)流動(dòng)的示意圖。圖4是示例性半導(dǎo)體裝置的示意圖，該示例性半導(dǎo)體裝置包括聯(lián)接至襯底的多個(gè)半導(dǎo)體芯片。圖5是使用圖4中所示的半導(dǎo)體裝置的自然循環(huán)流動(dòng)的示意圖。圖6是可以與圖2和圖4中所示的半導(dǎo)體裝置一起使用的示例性備選除熱系統(tǒng)的示意圖。圖7是組裝用于功率轉(zhuǎn)換器的除熱系統(tǒng)的示例性方法的流程圖，該功率轉(zhuǎn)換器包括圖2和圖4中所示的半導(dǎo)體裝置。圖8是對(duì)用于功率轉(zhuǎn)換器的除熱系統(tǒng)進(jìn)行操作的示例性方法的流程圖，該功率轉(zhuǎn)換器包括圖2和圖4中所示的半導(dǎo)體裝置。
具體實(shí)施例方式如本文中所使用的，術(shù)語“葉片”意在代表能夠在相對(duì)于周圍流體運(yùn)動(dòng)時(shí)提供反作用力的任何裝置。如本文中所使用的，術(shù)語“風(fēng)力渦輪機(jī)”意在代表能夠從風(fēng)能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)能量的任何裝置，并且更具體地代表能夠?qū)L(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的任何裝置。如本文中所使用的，術(shù)語“風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)”意在代表能夠由從風(fēng)能所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能量產(chǎn)生電功率的任何風(fēng)力渦輪機(jī)，并且更具體地代表能夠?qū)⒂娠L(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化而來的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電功率的任何風(fēng)力渦輪機(jī)。
本文中所描述的方法、裝置、和系統(tǒng)的技術(shù)效果包括以下技術(shù)效果中的至少一個(gè):
(a)通過使用從襯底的表面雙側(cè)傳熱來提高從電功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)的半導(dǎo)體裝置的傳熱速率；
(b)通過將裝置浸入介電流體內(nèi)以及促進(jìn)直接冷卻和雙相傳熱來提高從電功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)的半導(dǎo)體裝置的傳熱速率；(C)由于從裝置的除熱速率的提高而促進(jìn)電功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)的每一個(gè)半導(dǎo)體裝置的功率轉(zhuǎn)換能力的提高；(d)通過去掉其中的多個(gè)不必要的材料層(每層都具有熱阻)來促進(jìn)在半導(dǎo)體中所引起的熱應(yīng)力的減?。?e)由于在裝置上所引起的熱應(yīng)力的減小而促進(jìn)電功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)的每一個(gè)半導(dǎo)體裝置的可靠性的提高；(f)促進(jìn)從半導(dǎo)體裝置的除熱而不依賴強(qiáng)制冷卻裝置，由此促進(jìn)除熱而無需考慮對(duì)于輔助冷卻設(shè)備的電功率可用性；以及(g)由于半導(dǎo)體裝置中材料層的數(shù)量和差異的減少而降低功率轉(zhuǎn)換電路的電阻抗、提高裝置的開關(guān)速率、并且改進(jìn)從裝置傳輸?shù)墓β势焚|(zhì)。本文中所描述的方法、裝置、和系統(tǒng)有利于提高電功率轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換率和可靠性。如本文中所描述的，通過使用從襯底表面雙側(cè)傳熱以及將裝置浸入介電流體中以促進(jìn)直接冷卻和雙相傳熱來提高從電功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)的半導(dǎo)體裝置的傳熱速率，進(jìn)而促進(jìn)這種功率轉(zhuǎn)換率的提高。此外，如本文中所描述的，通過去掉其中的多個(gè)不必要的材料層，由此減小裝置與除熱流體之間的總體熱阻，進(jìn)而促進(jìn)這種可靠性的提高。熱阻的減小有利于改進(jìn)從裝置除熱，從而有利于降低其標(biāo)稱操作溫度和溫度變化率，由此減小在半導(dǎo)體裝置中所引起的熱應(yīng)力的大小。此外，本文中所描述的方法、裝置、和系統(tǒng)的實(shí)施例中的至少一些實(shí)施例依賴浮力來促進(jìn)自然循環(huán)。因此，促進(jìn)了從半導(dǎo)體裝置的除熱而無需依賴強(qiáng)制冷卻裝置，由此促進(jìn)除熱而不用考慮對(duì)于輔助冷卻設(shè)備的電功率可用性。此外，減少半導(dǎo)體裝置中的材料層的數(shù)量和差異有利于降低功率轉(zhuǎn)換電路的電阻抗、加快裝置開關(guān)、并且改進(jìn)功率品質(zhì)。圖1是示例性發(fā)電系統(tǒng)100的示意圖，該示例性發(fā)電系統(tǒng)100包括多個(gè)發(fā)電單元，例如形成至少一個(gè)太陽能電池陣列102的多個(gè)太陽能電池板(未示出)。備選地，發(fā)電系統(tǒng)100包括任何合適數(shù)量和類型的發(fā)電單元，例如多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)、燃料電池、地?zé)岚l(fā)電機(jī)、水力發(fā)電機(jī)、以及/或者能夠由可再生和/或不可再生能源產(chǎn)生功率的其它裝置。在示例性實(shí)施例中，發(fā)電系統(tǒng)100和/或太陽能電池陣列102包括任何數(shù)量的太陽能電池板，以有利于以期望的功率輸出對(duì)發(fā)電系統(tǒng)100進(jìn)行操作。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電系統(tǒng)100包括以串并聯(lián)構(gòu)造聯(lián)接在一起的多個(gè)太陽能電池板和/或太陽能電池陣列102，以有利于從發(fā)電系統(tǒng)100產(chǎn)生期望的電流和/或電壓輸出。在一個(gè)實(shí)施例中，太陽能電池板包括一個(gè)或多個(gè)光伏板、太陽能集熱器、或者將太陽能轉(zhuǎn)化成電能的任何其它裝置。在示例性實(shí)施例中，每一個(gè)太陽能電池板都是由于太陽能照射太陽能電池板而產(chǎn)生基本直流(DC)功率的光伏板。在示例性實(shí)施例中，太陽能電池陣列102聯(lián)接至將DC功率轉(zhuǎn)換成交流(AC)功率的功率轉(zhuǎn)換組件104，即，功率轉(zhuǎn)換器104。AC功率傳輸至配電網(wǎng)106，或“電網(wǎng)”。在示例性實(shí)施例中，功率轉(zhuǎn)換器104將轉(zhuǎn)換所得的AC功率的電壓和/或電流的幅值調(diào)節(jié)成適于配電網(wǎng)106的幅值，并且所提供的AC功率的頻率和相位與配電網(wǎng)106的頻率和相位基本相等。此外，在示例性實(shí)施例中，功率轉(zhuǎn)換器104向配電網(wǎng)106提供三相AC功率。備選地，功率轉(zhuǎn)換器104向配電網(wǎng)106提供單相AC功率或任何其它數(shù)量相位的AC功率。在示例性實(shí)施例中，由太陽能電池陣列102產(chǎn)生的DC功率通過聯(lián)接至功率轉(zhuǎn)換器104的轉(zhuǎn)換器導(dǎo)體108傳輸。在示例性實(shí)施例中，例如如果發(fā)電系統(tǒng)100內(nèi)出現(xiàn)錯(cuò)誤或故障，那么保護(hù)裝置110將太陽能電池陣列102與功率轉(zhuǎn)換器104電氣斷開。如本文中所使用的，術(shù)語“斷開”和“拆開”可以互換使用，并且術(shù)語“連接”和“聯(lián)接”可以互換使用。電流保護(hù)裝置110是電路斷路器、熔絲、接觸器、和/或使得太陽能電池陣列102能夠可控地與功率轉(zhuǎn)換器104斷開的任何其它裝置。DC濾波器112聯(lián)接至轉(zhuǎn)換器導(dǎo)體108，以用于對(duì)從太陽能電池陣列102接收到的輸入電壓和/或電流進(jìn)行濾波。在示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器導(dǎo)體108聯(lián)接至第一輸入導(dǎo)體114、第二輸入導(dǎo)體116、和第三輸入導(dǎo)體118,使得輸入電流在第一輸入導(dǎo)體114、第二輸入導(dǎo)體116、和第三輸入導(dǎo)體118之間分流。備選地，輸入電流可以傳輸至單個(gè)導(dǎo)體(例如，轉(zhuǎn)換器導(dǎo)體108)，以及/或者傳輸至使得發(fā)電系統(tǒng)100能夠如本文中所描述地起作用的任何其它數(shù)量的導(dǎo)體。至少一個(gè)升壓電感器120聯(lián)接至第一輸入導(dǎo)體114、第二輸入導(dǎo)體116、和/或第三輸入導(dǎo)體118中的每一個(gè)輸入導(dǎo)體。升壓電感器120用于對(duì)從太陽能電池陣列102接收到的輸入電壓和/或電流進(jìn)行濾波。此外，從太陽能電池陣列102接收到的能量中的至少一部分暫時(shí)儲(chǔ)存在每一個(gè)升壓電感器120中。在不例性實(shí)施例中，第一輸入電流傳感器122聯(lián)接至第一輸入導(dǎo)體114,第二輸入電流傳感器124聯(lián)接至第二輸入導(dǎo)體116，并且第三輸入電流傳感器126聯(lián)接至第三輸入導(dǎo)體118。第一輸入電流傳感器122、第二輸入電流傳感器124、和第三輸入電流傳感器126分別測(cè)量流過第一輸入導(dǎo)體114、第二輸入導(dǎo)體116、和第三輸入導(dǎo)體118的電流。在示例性實(shí)施例中，功率轉(zhuǎn)換器104包括通過DC總線132聯(lián)接在一起的DC-DC、或“升壓”轉(zhuǎn)換器128和逆變器130。在示例性實(shí)施例中，升壓轉(zhuǎn)換器128通過第一輸入導(dǎo)體114、第二輸入導(dǎo)體116、和第三輸入導(dǎo)體118聯(lián)接至太陽能電池陣列102并且從太陽能電池陣列102接收DC功率。此外，升壓轉(zhuǎn)換器128對(duì)接收到的DC功率的電壓和/或電流幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)。在示例性實(shí)施例中，逆變器130是將從升壓轉(zhuǎn)換器128接收到的DC功率轉(zhuǎn)換成AC功率以用于傳輸至配電網(wǎng)106的DC-AC逆變器。備選地，對(duì)于包括能夠產(chǎn)生可變AC頻率和電壓的發(fā)電裝置(例如但不限于風(fēng)力渦輪機(jī))的那些實(shí)施例而言，可以通過電整流裝置來代替或補(bǔ)充升壓轉(zhuǎn)換器128，使得功率轉(zhuǎn)換器104將是全功率轉(zhuǎn)換組件。此外，在示例性實(shí)施例中，DC總線132包括至少一個(gè)電容器134。備選地，DC總線132包括多個(gè)電容器134以及/或者包括使得功率轉(zhuǎn)換器104能夠如本文中所描述地起作用的任何其它的電功率儲(chǔ)存裝置。隨著電流傳輸通過功率轉(zhuǎn)換器104，在DC總線132兩側(cè)產(chǎn)生電壓并且能量儲(chǔ)存在電容器134內(nèi)。在示例性實(shí)施例中，升壓轉(zhuǎn)換器128針對(duì)功率轉(zhuǎn)換器104所產(chǎn)生的電功率的每一個(gè)相位包括兩個(gè)轉(zhuǎn)換器開關(guān)136，所述兩個(gè)轉(zhuǎn)換器開關(guān)136以串聯(lián)布置聯(lián)接在一起。在示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器開關(guān)136是半導(dǎo)體裝置，例如，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。備選地，轉(zhuǎn)換器開關(guān)136是任何其它合適的晶體管或者任何其它合適的開關(guān)裝置，其中包括但不限于門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)。此外，用于每一個(gè)相位的每對(duì)轉(zhuǎn)換器開關(guān)136都與用于每一個(gè)其它相位的每對(duì)轉(zhuǎn)換器開關(guān)136并聯(lián)聯(lián)接。這樣一來，對(duì)于三相功率轉(zhuǎn)換器104而言，升壓轉(zhuǎn)換器128包括與第二轉(zhuǎn)換器開關(guān)140串聯(lián)聯(lián)接的第一轉(zhuǎn)換器開關(guān)138、與第四轉(zhuǎn)換器開關(guān)144串聯(lián)聯(lián)接的第三轉(zhuǎn)換器開關(guān)142、以及與第六轉(zhuǎn)換器開關(guān)148串聯(lián)聯(lián)接的第五轉(zhuǎn)換器開關(guān)146。串聯(lián)的第一轉(zhuǎn)換器開關(guān)138和第二轉(zhuǎn)換器開關(guān)140與串聯(lián)的第三轉(zhuǎn)換器開關(guān)142和第四轉(zhuǎn)換器開關(guān)144并聯(lián)聯(lián)接，并且與串聯(lián)的第五轉(zhuǎn)換器開關(guān)146和第六轉(zhuǎn)換器開關(guān)148并聯(lián)聯(lián)接。備選地，升壓轉(zhuǎn)換器128可以包括以任何合適構(gòu)造布置的任何合適數(shù)量的轉(zhuǎn)換器開關(guān)136。在示例性實(shí)施例中，逆變器130針對(duì)功率轉(zhuǎn)換器104所產(chǎn)生的電功率的每一個(gè)相位包括兩個(gè)逆變器開關(guān)150，所述兩個(gè)逆變器開關(guān)150以串聯(lián)布置聯(lián)接在一起。在示例性實(shí)施例中，逆變器開關(guān)150是半導(dǎo)體裝置，例如IGBT。備選地，逆變器開關(guān)150是任何其它合適的晶體管或者任何其它合適的開關(guān)裝置，其中包括但不限于GT0。此外，用于每一個(gè)相位的每對(duì)逆變器開關(guān)150都與用于每一個(gè)其它相位的每對(duì)逆變器開關(guān)150并聯(lián)聯(lián)接。這樣一來，對(duì)于三相功率轉(zhuǎn)換器104而言，逆變器130包括與第二逆變器開關(guān)154串聯(lián)聯(lián)接的第一逆變器開關(guān)152、與第四逆變器開關(guān)158串聯(lián)聯(lián)接的第三逆變器開關(guān)156、和與第六逆變器開關(guān)162串聯(lián)聯(lián)接的第五逆變器開關(guān)160。串聯(lián)的第一逆變器開關(guān)152和串聯(lián)的第二逆變器開關(guān)154與第三逆變器開關(guān)156和串聯(lián)的第四逆變器開關(guān)158并聯(lián)聯(lián)接，并且與第五逆變器開關(guān)160和第六逆變器開關(guān)162并聯(lián)聯(lián)接。備選地，逆變器130可以包括以任何合適構(gòu)造布置的任何合適數(shù)量的逆變器開關(guān)150。功率轉(zhuǎn)換器104包括控制系統(tǒng)164，控制系統(tǒng)164包括轉(zhuǎn)換器控制器166和逆變器控制器168。轉(zhuǎn)換器控制器166聯(lián)接至升壓轉(zhuǎn)換器128并且對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器128的操作進(jìn)行控制。更具體地，在示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器控制器166對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器128進(jìn)行操作，以使從太陽能電池陣列102接收到的功率最大化。逆變器控制器168聯(lián)接至逆變器130并且對(duì)逆變器130的操作進(jìn)行控制。更具體地，在示例性實(shí)施例中，逆變器控制器168對(duì)逆變器130進(jìn)行操作，以調(diào)整DC總線132兩側(cè)的電壓并且/或者將來自逆變器130的功率輸出的電壓、電流、相位、頻率、和/或任何其它特征調(diào)節(jié)成與配電網(wǎng)106的特性基本匹配。在示例性實(shí)施例中，控制系統(tǒng)164、轉(zhuǎn)換器控制器166、和/或逆變器控制器168包括至少一個(gè)處理器并且/或者通過至少一個(gè)處理器實(shí)施。如本文中所使用的，處理器包括任何合適的可編程電路(例如但不限于一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)以及微型控制器)、微型處理器、精簡(jiǎn)指令集電路(RISC)、專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯電路(PLC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、以及/或者能夠執(zhí)行本文中所描述的功能的任何其它電路。上述示例僅僅是示例性的，因此并不期望以任何方式限制術(shù)語“處理器”的定義和/或意義。此外，控制系統(tǒng)164、轉(zhuǎn)換器控制器166、和/或逆變器控制器168包括至少一個(gè)存儲(chǔ)裝置(未示出)，該至少一個(gè)存儲(chǔ)裝置能夠存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)，例如操作數(shù)據(jù)、參數(shù)、設(shè)定值、閾值、以及/或者使得控制系統(tǒng)164能夠如本文中所描述地起作用的任何其它數(shù)據(jù)。在不例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器控制器166從第一輸入電流傳感器122、第二輸入電流傳感器124、和/或第三輸入電流傳感器126接收電流測(cè)量結(jié)果。此外，轉(zhuǎn)換器控制器166從多個(gè)輸入電壓傳感器(未不出)接收第一輸入導(dǎo)體114、第二輸入導(dǎo)體116、和/或第三輸入導(dǎo)體118的電壓的測(cè)量結(jié)果。在示例性實(shí)施例中，逆變器控制器168從第一輸出電流傳感器170、第二輸出電流傳感器172、和/或第三輸出電流傳感器174接收電流測(cè)量結(jié)果。此夕卜，逆變器控制器168從多個(gè)輸出電壓傳感器(未不出)接收來自逆變器130的電壓輸出的測(cè)量結(jié)果。在示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器控制器166和/或逆變器控制器168從DC總線電壓傳感器(未示出)接收DC總線132的電壓的電壓測(cè)量結(jié)果。在示例性實(shí)施例中，逆變器130通過第一輸出導(dǎo)體176、第二輸出導(dǎo)體178、和第三輸出導(dǎo)體180聯(lián)接至配電網(wǎng)106。此外,在不例性實(shí)施例中，逆變器130通過第一輸出導(dǎo)體176向配電網(wǎng)106提供AC功率的第一相位、通過第二輸出導(dǎo)體178向配電網(wǎng)106提供AC功率的第二相位、并且通過第三輸出導(dǎo)體180向配電網(wǎng)106提供AC功率的第三相位。第一輸出電流傳感器170聯(lián)接至第一輸出導(dǎo)體176，以用于測(cè)量流過第一輸出導(dǎo)體176的電流。第二輸出電流傳感器172聯(lián)接至第二輸出導(dǎo)體178，以用于測(cè)量流過第二輸出導(dǎo)體178的電流，并且第三輸出電流傳感器174聯(lián)接至第三輸出導(dǎo)體180，以用于測(cè)量流過第三輸出導(dǎo)體180的電流。至少一個(gè)電感器182聯(lián)接至第一輸出導(dǎo)體176、第二輸出導(dǎo)體178、和/或第三輸出導(dǎo)體180中的每一個(gè)輸出導(dǎo)體。電感器182有利于對(duì)從逆變器130接收到的輸出電壓和/或電流進(jìn)行濾波。此外，在示例性實(shí)施例中，AC濾波器184聯(lián)接至第一輸出導(dǎo)體176、第二輸出導(dǎo)體178、和/或第三輸出導(dǎo)體180，以用于對(duì)從導(dǎo)體176、178、和180接收到的輸出電壓和/或電流進(jìn)行濾波。在示例性實(shí)施例中，至少一個(gè)接觸器186和/或至少一個(gè)斷開開關(guān)188聯(lián)接至第一輸出導(dǎo)體176、第二輸出導(dǎo)體178、和/或第三輸出導(dǎo)體180。例如如果發(fā)電系統(tǒng)100內(nèi)出現(xiàn)錯(cuò)誤或故障，那么接觸器186和斷開開關(guān)188將逆變器130與配電網(wǎng)106電氣斷開。此夕卜，在示例性實(shí)施例中，通過控制系統(tǒng)164對(duì)保護(hù)裝置110、接觸器186和斷開開關(guān)188進(jìn)行控制。備選地，通過使得功率轉(zhuǎn)換器104能夠如本文中所描述地起作用的任何其它系統(tǒng)對(duì)保護(hù)裝置110、接觸器186和/或斷開開關(guān)188進(jìn)行控制。功率轉(zhuǎn)換器104還包括總線充電器190，總線充電器190聯(lián)接至第一輸出導(dǎo)體176、第二輸出導(dǎo)體178、第三輸出導(dǎo)體180，并且聯(lián)接至DC總線132。在示例性實(shí)施例中，至少一個(gè)充電器接觸器192聯(lián)接至總線充電器190，以用于將總線充電器190與第一輸出導(dǎo)體176、第二輸出導(dǎo)體178、和/或第三輸出導(dǎo)體180電氣斷開。此外，在示例性實(shí)施例中，通過控制系統(tǒng)164對(duì)總線充電器190和/或充電器接觸器192進(jìn)行控制，以用于將DC總線132充電至預(yù)定電壓。在示例性實(shí)施例中，在操作期間，太陽能電池陣列102產(chǎn)生DC功率并且將DC功率傳輸至升壓轉(zhuǎn)換器128。轉(zhuǎn)換器控制器166對(duì)轉(zhuǎn)換器開關(guān)136的開關(guān)進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器128的輸出。更具體地，在示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器控制器166對(duì)轉(zhuǎn)換器開關(guān)136的開關(guān)進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)從太陽能電池陣列102接收到的電壓和/或電流，使得從太陽能電池陣列102接收到的功率增大和/或最大化。在示例性實(shí)施例中，逆變器控制器168對(duì)逆變器開關(guān)150的開關(guān)進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)逆變器130的輸出。更具體地，在示例性實(shí)施例中，逆變器控制器168使用合適的控制算法(例如脈寬調(diào)制(PWM))和/或任何其它控制算法，以將從升壓轉(zhuǎn)換器128接收到的DC功率變換成三相AC功率信號(hào)。備選地，逆變器控制器168使逆變器130將DC功率變換成單相AC功率信號(hào)或者變換成使得功率轉(zhuǎn)換器104能夠如本文中所描述地起作用的任何其它信號(hào)。在示例性實(shí)施例中，通過AC濾波器184對(duì)AC功率的每一個(gè)相位進(jìn)行濾波，并且將經(jīng)過濾波的三相AC功率傳輸至配電網(wǎng)106。在示例性實(shí)施例中，三相AC功率還通過總線充電器190從配電網(wǎng)106傳輸至DC總線132。在一個(gè)實(shí)施例中，例如在功率轉(zhuǎn)換器104的啟動(dòng)和/或關(guān)閉順序期間，總線充電器190使用AC功率將DC總線132充電至合適的電壓幅值。對(duì)比由太陽能電池陣列102產(chǎn)生的DC功率，發(fā)電系統(tǒng)100的備選實(shí)施例包括能夠產(chǎn)生AC功率的其它發(fā)電裝置，例如風(fēng)力渦輪機(jī)?？傮w而言，風(fēng)力渦輪機(jī)包括轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子包括可旋轉(zhuǎn)的轂組件，可旋轉(zhuǎn)的轂組件具有多個(gè)葉片。葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，該機(jī)械旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩通過轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)。當(dāng)與風(fēng)力渦輪機(jī)的恒速操作相比時(shí)，風(fēng)力渦輪機(jī)的變速操作有利于提高對(duì)能量的捕獲。然而，風(fēng)力渦輪機(jī)的變速操作所產(chǎn)生的電功率具有變化的電壓和/或頻率。更具體地，由變速風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的電功率的頻率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成比例。典型地，全功率轉(zhuǎn)換組件(即，包括電整流裝置的功率轉(zhuǎn)換器104的備選實(shí)施例)可以聯(lián)接在風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)與配電網(wǎng)106之間。全功率轉(zhuǎn)換組件從風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)接收電功率并且傳輸具有固定的電壓和頻率的電力，以用于進(jìn)一步傳輸至配電網(wǎng)106。在這些備選實(shí)施例中，全功率轉(zhuǎn)換組件包括整流器，以用于將由風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的AC轉(zhuǎn)換成DC功率。此外，這種全功率轉(zhuǎn)換組件包括通過DC總線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接至整流器的逆變器(與逆變器130基本相似)，以將DC功率轉(zhuǎn)換成AC功率。此外，這種全功率轉(zhuǎn)換組件中的整流器和逆變器包括與升壓轉(zhuǎn)換器128內(nèi)的轉(zhuǎn)換器開關(guān)136和逆變器130內(nèi)的逆變器開關(guān)150相似的多個(gè)半導(dǎo)體裝置。此外，這種整流器、逆變器130、和升壓轉(zhuǎn)換器128是完全可擴(kuò)展的，以用于任何尺寸、任何電壓、任何數(shù)量的相位、和任何頻率的電功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。在風(fēng)力渦輪機(jī)的一些備選實(shí)施例中，使用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)。這種構(gòu)造包括DFIG轉(zhuǎn)換器，所述DFIG轉(zhuǎn)換器包括通過DC環(huán)節(jié)聯(lián)接的兩個(gè)三相AC-DC轉(zhuǎn)換器。一個(gè)AC-DC轉(zhuǎn)換器連接至電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的定子，并且另一個(gè)AC-DC轉(zhuǎn)換器連接至發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以低于同步轉(zhuǎn)速的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，那么DFIG轉(zhuǎn)換器將通過無功功率來激勵(lì)轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子接著將趨向于相對(duì)于定子以同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，并且定子將產(chǎn)生期望(同步頻率)的功率。如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，那么DFIG轉(zhuǎn)換器將通過DC功率來激勵(lì)轉(zhuǎn)子，并且定子將產(chǎn)生期望(同步頻率)的功率。如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以高于同步速度的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，那么DFIG轉(zhuǎn)換器將通過無功功率來激勵(lì)轉(zhuǎn)子，而同時(shí)從轉(zhuǎn)子提取有功功率。轉(zhuǎn)子接著將趨向于相對(duì)于定子以同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，并且定子將產(chǎn)生期望(同步頻率)的功率。從轉(zhuǎn)子提取到的功率的頻率將轉(zhuǎn)換成同步頻率并且增加至由定子產(chǎn)生的功率。圖2是示例性半導(dǎo)體裝置200的示意圖，示例性半導(dǎo)體裝置200包括聯(lián)接至襯底204的單個(gè)半導(dǎo)體芯片202。在示例性實(shí)施例中，半導(dǎo)體裝置200與升壓轉(zhuǎn)換器128內(nèi)的轉(zhuǎn)換器開關(guān)136和逆變器130內(nèi)的逆變器開關(guān)150 (全部示于圖1中)相似，即，半導(dǎo)體裝置200是IGBT。半導(dǎo)體芯片202主要由硅形成。然而，半導(dǎo)體芯片202可以是使得半導(dǎo)體裝置200能夠如本文中所描述地進(jìn)行操作的任何芯片。半導(dǎo)體芯片202焊接到一片襯底204的第一側(cè)、或者表面206上。襯底204由導(dǎo)電和導(dǎo)熱的材料(如金屬，例如銅)形成，由此在其上形成電氣聯(lián)結(jié)208。備選地，襯底204由使得半導(dǎo)體裝置200能夠如本文中所描述地進(jìn)行操作的任何導(dǎo)電和導(dǎo)熱的材料形成。襯底204還限定了與表面206相對(duì)的第二側(cè)、或表面 207。襯底204聯(lián)接至底板210以形成底部電氣連接212，即IGBT集電器接觸。底部電氣連接212有利于牢固地安裝半導(dǎo)體芯片202并且將其保持在功率轉(zhuǎn)換器104內(nèi)的期望位置處。備選地，使用使得半導(dǎo)體裝置200能夠進(jìn)行操作的任何固定襯底204的方法。多條鍵合線214聯(lián)接至芯片202，以限定頂部電氣連接216，即，IGBT門和發(fā)射極接觸。鍵合線214在固定安裝和連接217處終止并聯(lián)接至標(biāo)準(zhǔn)布線215。備選地，除了使用三個(gè)電氣連接的半導(dǎo)體裝置(其中那些連接中的一個(gè)連接用于裝置控制，例如IGBT)，一些實(shí)施例使用具有兩個(gè)電氣連接(即，不具有裝置控制的陽極和陰極)的半導(dǎo)體裝置(例如，二極管)。此外，由于控制連接所產(chǎn)生的熱并不像功率連接那樣多，因此這種控制連接不必浸入并且可以在與功率連接分開的位置處聯(lián)接至襯底204。此外，在示例性實(shí)施例中，襯底204限定了多個(gè)開口 218，所述多個(gè)開口 218可以用于安裝和/或形成電氣連接。在示例性實(shí)施例中，功率轉(zhuǎn)換器104包括除熱系統(tǒng)220，除熱系統(tǒng)220包括至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)222。浸入結(jié)構(gòu)222包括底板210和頂板224的至少一部分。浸入結(jié)構(gòu)222還包括至少一個(gè)壁(未示出)。浸入結(jié)構(gòu)222限定了浸入腔226，浸入腔226至少部分地填充有液體228。頂板224在液體228的表面230的上方延伸，以限定表面230與頂板224之間的孔洞232。充足的液體228被引導(dǎo)至浸入腔226中，以將表面230定位成使得半導(dǎo)體芯片202完全浸入液體228中并且與液體228直接接觸。鍵合線214的至少一部分類似地浸入。液體228是在芯片202、襯底204、和/或鍵合線214的表面溫度由于其中所產(chǎn)生的熱而達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)能夠從液體相變成蒸汽的任何物質(zhì)、或者物質(zhì)的組合，其中包括但不限于制冷劑R-134A。在一些備選實(shí)施例中，除熱系統(tǒng)220包括至少一個(gè)蒸汽引導(dǎo)管道233 (僅有一個(gè)示于圖2的剖視圖中)，該至少一個(gè)蒸汽引導(dǎo)管道233包括熱管或熱銷。蒸汽引導(dǎo)管道233定位成靠近半導(dǎo)體芯片202和鍵合線214，其中芯片202和鍵合線214傳輸電功率并且產(chǎn)生功率轉(zhuǎn)換器104內(nèi)的大部分熱。在這些備選實(shí)施例中的一些實(shí)施例中，蒸汽引導(dǎo)管道233是從靠近底板210的位置延伸至靠近頂板224的位置的固體管道。這種固體管道有利于其中的液體相變成蒸汽。在其它的備選實(shí)施例中，蒸汽引導(dǎo)管道233由多孔材料制成，該多孔材料能夠接收由芯片202和鍵合線214產(chǎn)生的汽泡中的至少一些汽泡。此外，在示例性實(shí)施例中，除熱系統(tǒng)220包括頂板外表面234，其中液體228中的熱傳遞至頂板224，并且熱通過表面234從功率轉(zhuǎn)換器104傳遞。在一些實(shí)施例中，除熱系統(tǒng)220還包括至少一個(gè)外部換熱裝置236 (僅有一個(gè)示于圖2中),該至少一個(gè)外部換熱裝置236通過被限定在頂板224中的開口 238、浸入腔離開管道240、和至少一個(gè)液體返回管道242 (例如管芯(wick)(僅有一個(gè)示于圖2中))以與浸入腔226流動(dòng)連通的方式聯(lián)接。頂板224成形并且開口 238定位成有利于蒸汽收集在孔洞232內(nèi)并且將蒸汽引導(dǎo)至管道240中以用于從浸入腔226去除。外部換熱裝置236有利于幫助頂板224從浸入腔226傳熱并且受到空氣冷卻，以有利于從功率轉(zhuǎn)換器104傳熱。備選地，使用從換熱裝置236傳熱的任何裝置，其中包括但不限于開放或閉合的冷卻水回路。此外，在示例性實(shí)施例中，除熱系統(tǒng)220包括半導(dǎo)體裝置200，其中裝置200的尺寸、取向、定位方法、和材料是預(yù)定的，以有利于從其除熱。裝置200定位成使得其并不干擾冷卻流動(dòng)路徑(下文中進(jìn)一步討論)。此外，在示例性實(shí)施例中，一個(gè)半導(dǎo)體裝置200位于一個(gè)浸入腔226中。備選地，任何數(shù)量的裝置200都可以定位在使得除熱系統(tǒng)220能夠如本文中所描述地進(jìn)行操作的任何浸入腔226中，其中包括但不限于功率轉(zhuǎn)換器104的所有裝置220。如果選定的相變冷卻液體具有高電阻(即，例如制冷劑R-134A的介電流體)，那么多個(gè)半導(dǎo)體裝置200可以安裝到具有普通冷卻液體228的單個(gè)浸入腔226中。此外，備選地，功率轉(zhuǎn)換器104可以包括使得除熱系統(tǒng)220能夠如本文中所描述地進(jìn)行操作的任何數(shù)量的浸入腔。在一些實(shí)施例中，襯底204可以具有能夠提高安裝和冷卻的特征，例如孔218、彎曲部、和/或翅片(彎曲部和翅均未示出)。圖3是使用半導(dǎo)體裝置200的自然循環(huán)流動(dòng)244的示意圖。參照?qǐng)D2和圖3，在操作中，半導(dǎo)體裝置200通電。隨著裝置200的芯片202和鍵合線214產(chǎn)生熱，芯片202、表面206和207、以及鍵合線214的溫度上升，由此將熱傳遞至液體228，其中包括從表面206和207雙側(cè)傳熱。一旦初始預(yù)熱完成，則半導(dǎo)體裝置200和除熱系統(tǒng)220基本等溫。具體而言，隨著液體228達(dá)到與預(yù)定的半導(dǎo)體芯片操作溫度相關(guān)的預(yù)定溫度(即，液體的沸點(diǎn))，液體228沸騰并且相變成多個(gè)汽泡，以形成液體228中的蒸汽流246。與液體228相比，蒸汽流246的低密度有利于浮力驅(qū)動(dòng)自然循環(huán)流動(dòng)244。在至少一些實(shí)施例中，至少一個(gè)蒸汽引導(dǎo)管道233有利于向上引導(dǎo)蒸汽流246。蒸汽引導(dǎo)管道233還可以有利于在管道233內(nèi)的熱界面處(典型地處于非常低的壓力下)形成蒸汽流246，并且與管道233的導(dǎo)熱固體表面相接觸的液體228通過從該表面吸收熱而變?yōu)檎羝?。蒸?46收集在孔洞232中并且一些蒸汽246通過頂板224傳遞熱248 (示于圖3中)，其中當(dāng)潛熱被去除時(shí)，蒸汽246從蒸汽246相變成液體250。在一些實(shí)施例中，一些蒸汽246通過開口 238和浸入腔離開管道240進(jìn)入外部換熱裝置236。熱248從蒸汽246被去除并且傳輸至周圍環(huán)境中的空氣。隨著潛熱被去除，蒸汽246冷凝，由此重新形成為液體250。液體250通過毛細(xì)管作用和/或浮力作用經(jīng)由液體返回管道242被引導(dǎo)至浸入腔226的下部，由此完成自然循環(huán)流動(dòng)244。圖4是示例性半導(dǎo)體裝置300的示意圖，示例性半導(dǎo)體裝置300包括聯(lián)接至襯底304的多個(gè)半導(dǎo)體芯片302。在示例性實(shí)施例中，半導(dǎo)體裝置300與升壓轉(zhuǎn)換器128內(nèi)的轉(zhuǎn)換器開關(guān)136和逆變器130內(nèi)的逆變器開關(guān)150 (全部示于圖1中)相似，即，半導(dǎo)體裝置300是IGBT。半導(dǎo)體芯片302主要由硅形成。然而，半導(dǎo)體芯片302可以是使得半導(dǎo)體裝置300能夠如本文中所描述地進(jìn)行操作的任何芯片。半導(dǎo)體芯片302焊接到一片襯底304的第一側(cè)、或者表面306上。襯底304由導(dǎo)電和導(dǎo)熱的材料(如金屬，例如銅)形成，由此形成其上的電氣聯(lián)結(jié)308。備選地，襯底304由使得半導(dǎo)體裝置300能夠如本文中所描述地進(jìn)行操作的任何導(dǎo)電和導(dǎo)熱的材料形成。襯底304還限定了與表面306相對(duì)的第二側(cè)、或表面 307。襯底304聯(lián)接至底板310，以形成底部電氣連接312，即IGBT集電器接觸。底部電氣連接312有利于牢固地安裝半導(dǎo)體芯片302并且將其保持在功率轉(zhuǎn)換器104內(nèi)的期望位置處。備選地，使用使得半導(dǎo)體裝置300能夠進(jìn)行操作的任何固定襯底304的方法。多條鍵合線314聯(lián)接至每一個(gè)芯片302，以限定頂部電氣連接316，即，IGBT門和發(fā)射極接觸。鍵合線314在固定的安裝和連接317處終止并聯(lián)接至標(biāo)準(zhǔn)布線315。備選地，除了使用三個(gè)電氣連接的半導(dǎo)體裝置(例如，IGBT)，一些實(shí)施例使用具有兩個(gè)電氣連接(S卩，陽極和陰極)的半導(dǎo)體裝置(例如，二極管)。此外，由于控制連接所產(chǎn)生的熱不像功率連接那樣多，因此這種控制連接不必浸入并且可以在與功率連接分開的位置處聯(lián)接至襯底304。此外，在示例性實(shí)施例中，襯底304限定了可以用于安裝和/或形成電氣連接的多個(gè)開口 318。在示例性實(shí)施例中，功率轉(zhuǎn)換器104包括除熱系統(tǒng)320，除熱系統(tǒng)320包括至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)322。浸入結(jié)構(gòu)322包括底板310和頂板324的至少一部分。浸入結(jié)構(gòu)322還包括至少一個(gè)壁(未示出)。浸入結(jié)構(gòu)322限定了浸入腔326，浸入腔326至少部分地填充有液體328。頂板324在液體328的表面330的上方延伸，以限定表面330與頂板324之間的孔洞332。充足的液體328被引導(dǎo)至浸入腔326中，以將表面330定位成使得半導(dǎo)體芯片302完全浸入液體328中并且與液體328直接接觸。至少一部分鍵合線314類似地浸入。液體328是當(dāng)芯片302和/或襯底304的表面溫度由于其中所產(chǎn)生的熱而達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)從液體相變成蒸汽的任何物質(zhì)、或者物質(zhì)的組合，其中包括但不限于制冷劑R-134A。此外，在示例性實(shí)施例中，除熱系統(tǒng)320包括頂板外表面334，其中液體328中的熱傳遞至頂板324，并且通過表面334從功率轉(zhuǎn)換器104傳熱。對(duì)比除熱系統(tǒng)220 (示于圖2中)，除熱系統(tǒng)320并不包括與外部換熱裝置236 (示于圖2中)相似的裝置。然而，系統(tǒng)320的備選實(shí)施例可以包括這種裝置。此外，對(duì)比除熱系統(tǒng)220，除熱系統(tǒng)320并不包括與蒸汽引導(dǎo)管道233和液體返回管道242 (都示于圖2中)相似的裝置。然而，系統(tǒng)320的備選實(shí)施例可以包括這種管道。頂板324成形成有利于蒸汽收集在孔洞332內(nèi)。頂板外表面334受到空氣冷卻，以有利于從功率轉(zhuǎn)換器104傳熱。備選地，使用從表面334傳熱的任何裝置，其中包括但不限于開放或閉合的冷卻水回路。此外，在示例性實(shí)施例中，除熱系統(tǒng)320包括半導(dǎo)體裝置300，其中裝置300的尺寸、取向、定位方法、和材料是預(yù)定的，以有利于從其除熱。裝置300定位成使得其并不干擾冷卻流動(dòng)路徑(下文中進(jìn)一步討論)。此外，在示例性實(shí)施例中，一個(gè)半導(dǎo)體裝置300位于一個(gè)浸入腔326中。備選地，任何數(shù)量的裝置300都可以定位在使得除熱系統(tǒng)320能夠如本文中所描述地進(jìn)行操作的任何浸入腔326中，其中包括但不限于功率轉(zhuǎn)換器104的所有裝置320。如果選定的相變冷卻液體具有高電阻(即，例如制冷劑R-134A的介電流體)，那么多個(gè)半導(dǎo)體裝置300可以安裝到具有普通冷卻液體328的單個(gè)浸入腔326中。此外，備選地，功率轉(zhuǎn)換器104可以包括使得除熱系統(tǒng)320能夠如本文中所描述地進(jìn)行操作的任何數(shù)量的浸入腔。在一些實(shí)施例中，襯底304可以具有能夠提高安裝和冷卻的特征，例如孔318、彎曲部、和/或翅片(彎曲部和翅片均未示出)。圖5是使用半導(dǎo)體裝置300的自然循環(huán)流動(dòng)344的示意圖。參照?qǐng)D4和圖5，在操作中，半導(dǎo)體裝置300通電。隨著裝置300的芯片302和鍵合線314產(chǎn)生熱，芯片302、表面306和307、以及鍵合線314的溫度上升，由此將熱傳遞至液體328，其中包括從表面306和307雙側(cè)傳熱。一旦初始預(yù)熱完成，則半導(dǎo)體裝置300和除熱系統(tǒng)320基本等溫。具體而言，隨著液體328達(dá)到與預(yù)定的半導(dǎo)體芯片操作溫度相關(guān)的預(yù)定溫度(即，液體的沸點(diǎn))，液體328沸騰并且相變成蒸汽，以形成液體328中的蒸汽流346。與液體328相比，蒸汽流346的低密度有利于浮力驅(qū)動(dòng)自然循環(huán)流動(dòng)344。蒸汽346收集在孔洞332中并且與頂板324接觸。潛熱348從蒸汽流346被去除并且傳輸至周圍環(huán)境中的空氣。隨著潛熱被去除，蒸汽流346冷凝，并且蒸汽流346重新形成為液體350。由于相比較熱的液體328和蒸汽流346，經(jīng)過冷卻的液體的密度較大，因此液體350被引導(dǎo)至浸入腔326的下部，由此完成自然循環(huán)流動(dòng)344。圖6是可以與半導(dǎo)體裝置200和300 —起使用的示例性備選的除熱系統(tǒng)420的示意圖。在該備選實(shí)施例中，系統(tǒng)420包括強(qiáng)制流動(dòng)裝置425，強(qiáng)制流動(dòng)裝置425包括但不限于泵和壓縮機(jī)。強(qiáng)制流動(dòng)裝置425定位成與外表面234、334和/或外部換熱裝置236中的至少一個(gè)以及半導(dǎo)體裝置200、300流體連通，并且位于外表面234、334和/或外部換熱裝置236中的至少一個(gè)以及半導(dǎo)體裝置200、300之間。強(qiáng)制流動(dòng)裝置425從表面/裝置234/236/334在液體450上施加吸力，并且增大液體450的壓力以形成加壓液體452，由此在浸入腔226/326內(nèi)引起強(qiáng)制循環(huán)流動(dòng)454。加壓液體452使液體228/328的流動(dòng)穿過半導(dǎo)體裝置200/300，其中如上文所描述地形成汽泡446。強(qiáng)制循環(huán)流動(dòng)454引起汽泡446朝向表面/裝置234/236/334的移動(dòng)，其中熱448被去除并且汽泡446冷凝，以形成液體450。在該備選實(shí)施例中，強(qiáng)制流動(dòng)裝置425定位在浸入腔226/326的下部中，從而有利于為裝置425提供充足的凈正吸力壓頭(head)，以降低潛在的氣穴現(xiàn)象并且至少部分地使用浮力來引起通過自然循環(huán)的流動(dòng)從而有助于強(qiáng)制循環(huán)流動(dòng)454。因此，在強(qiáng)制流動(dòng)裝置425電功率損失的情況下，自然循環(huán)將有利于至少部分冷卻劑在浸入腔226/326內(nèi)流動(dòng)，由此有利于從半導(dǎo)體裝置200/300至少部分地除熱。此外，在其它實(shí)施例中，強(qiáng)制流動(dòng)裝置425保持備用狀態(tài)，直到浸入腔226/326內(nèi)的狀況能夠保證從半導(dǎo)體裝置200/300額外傳熱。在這種情況下，強(qiáng)制流動(dòng)裝置425可以用于促進(jìn)額外的除熱，由此提高和/或補(bǔ)充自然循環(huán)流動(dòng)并且有利于提高功率轉(zhuǎn)換器104的功率轉(zhuǎn)換能力。圖7是組裝用于電功率轉(zhuǎn)換器104 (示于圖1、圖2和圖4中)的除熱系統(tǒng)200和300 (分別示于圖2和圖4中)的示例性方法500的流程圖，電功率轉(zhuǎn)換器104包括半導(dǎo)體裝置200和300 (分別示于圖2和圖4中)。在示例性實(shí)施例中，步驟502提供至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)222/322 (分別示于圖2和圖4中)，該至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)222/322包括至少一個(gè)底板210/310 (分別示于圖2和圖4中)。浸入結(jié)構(gòu)222/322限定了至少一個(gè)浸入腔226/326(分別示于圖2和圖4中)。步驟504對(duì)至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置200/300進(jìn)行組裝，包括將至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片202/302 (分別示于圖2和圖4中)聯(lián)接至襯底204/304 (分別示于圖2和圖4中)。此外，在示例性實(shí)施例中，步驟506，將半導(dǎo)體裝置200/300聯(lián)接至底板210/310。步驟508，液體228/328 (分別示于圖2和圖4中)被引導(dǎo)至浸入腔226/326中，由此至少部分地填充浸入腔226/326，使得半導(dǎo)體芯片202/302完全浸入液體228/328中并且與液體228/328直接接觸，其中由半導(dǎo)體裝置200/300產(chǎn)生的熱引起液體228/328的相變。步驟510半導(dǎo)體裝置200/300在浸入腔226/326內(nèi)定向成使得能夠建立形成在液體228/328中的用于通過蒸汽246/346/446 (分別示于圖2和圖4中)除熱的流動(dòng)路徑244/344/454 (分別不于圖2和圖4中)。圖8是對(duì)用于電功率轉(zhuǎn)換器104 (示于圖1、圖2和圖4中)的除熱系統(tǒng)200和300(分別示于圖2和圖4中)進(jìn)行操作的示例性方法600的流程圖，電功率轉(zhuǎn)換器104包括半導(dǎo)體裝置200和300 (分別示于圖2和圖4中)。半導(dǎo)體裝置200/300包括聯(lián)接至半導(dǎo)體裝置200/300的襯底204/304 (分別示于圖2和圖4中)的第一側(cè)206/306 (分別示于圖2和圖4中)的至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片202/302 (分別示于圖2和圖4中)。半導(dǎo)體裝置200/300還包括與第一側(cè)206/306相對(duì)的第二側(cè)207/307 (分別示于圖2和圖4中)。半導(dǎo)體裝置200/300定位在至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)222/322 (分別示于圖2和圖4中)內(nèi)，從而在其中限定至少一個(gè)浸入腔226/326 (分別示于圖2和圖4中)。浸入腔226/336至少部分地填充有液體228/328 (分別示于圖2和圖4中)，使得半導(dǎo)體芯片202/302完全浸入液體228/328中并且與液體228/328直接接觸，并且襯底204/304的兩側(cè)206/207/306/307的至少一部分浸入液體228/328中并且與液體228/328直接接觸。在示例性實(shí)施例中，步驟602，至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置200/300通電。步驟604，在半導(dǎo)體芯片202/302中產(chǎn)生熱248/348 (分別示于圖2和圖4中)，并且熱248/348的至少一部分傳遞至襯底204/304的第一側(cè)206/306和襯底204/304的第二側(cè)207/307。步驟606，從半導(dǎo)體芯片202/302以及襯底204/304的第一側(cè)206/306和第二側(cè)207/307的至少一部分去除熱248/348。步驟608，引起液體228/328的相變。上述實(shí)施例有利于提高電功率轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換率和可靠性。具體而言，本文中所描述的除熱裝置和系統(tǒng)使用從襯底表面雙側(cè)傳熱和將裝置浸入介電流體內(nèi)來促進(jìn)直接冷卻和雙相傳熱。此外，具體而言，去掉了半導(dǎo)體裝置的產(chǎn)生熱的部分與傳熱表面之間的多個(gè)不必要的材料層，由此降低了裝置與除熱流體之間的總體熱阻。通過降低其標(biāo)稱操作溫度和溫度變化率，由此降低了在半導(dǎo)體裝置中所引起的熱應(yīng)力的大小，使這種改進(jìn)的從半導(dǎo)體裝置的傳熱提高了有效的功率轉(zhuǎn)換率和裝置可靠性。此外，本文中所描述的方法、裝置、和系統(tǒng)的實(shí)施例中的至少一些實(shí)施例依賴浮力來促進(jìn)自然循環(huán)。因此，促進(jìn)了從半導(dǎo)體裝置傳熱而無需依賴強(qiáng)制冷卻裝置，由此促進(jìn)傳熱而無需考慮對(duì)于輔助冷卻設(shè)備的電功率可用性。此外，減少半導(dǎo)體裝置中材料層的數(shù)量和差異有利于降低功率轉(zhuǎn)換電路的電阻抗、加快裝置開關(guān)、并且改進(jìn)功率品質(zhì)。上文對(duì)電發(fā)電設(shè)施、電功率轉(zhuǎn)換裝置、和半導(dǎo)體裝置除熱系統(tǒng)、及其組裝方法的示例性實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。所述方法、設(shè)施、系統(tǒng)、和裝置不限于本文中所描述的具體實(shí)施例，相反，本文中所描述的設(shè)施、系統(tǒng)、和裝置的部件、以及/或者方法的步驟可以相對(duì)于其它部件和/或步驟獨(dú)立和單獨(dú)地使用。例如，功率轉(zhuǎn)換器、除熱系統(tǒng)、以及方法還可以結(jié)合其它的功率轉(zhuǎn)換裝置和方法使用，并且不限于僅通過如本文中所描述的功率系統(tǒng)實(shí)施。相反，能夠結(jié)合許多其它的電功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用來實(shí)施和利用示例性實(shí)施例。盡管本發(fā)明的各實(shí)施例的具體特征可能會(huì)示于一些附圖中而未示于其它附圖中，但這僅僅是為了方便起見。根據(jù)本發(fā)明的原理，一幅附圖中的任何特征都可以結(jié)合任何其它附圖的任何特征進(jìn)行參考以及/或者要求保護(hù)。本書面描述使用示例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了公開(其中包括最佳模式)，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明(其中包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行所包含的任何方法)。本發(fā)明的可專利范圍通過權(quán)利要求進(jìn)行限定，并且可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想到的其它的示例。如果這種其它的示例具有與權(quán)利要求的字面語言沒有區(qū)別的結(jié)構(gòu)元件，或者如果這種其它的示例包括與權(quán)利要求的字面語言沒有實(shí)質(zhì)區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件，則期望這種其它的示例落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于可再生功率源的電功率轉(zhuǎn)換器，所述電功率轉(zhuǎn)換器包括: 至少一個(gè)交流(AC)管道，所述至少一個(gè)交流(AC)管道聯(lián)接至外部AC功率裝置； 至少一個(gè)直流(DC)管道，所述至少一個(gè)直流(DC)管道聯(lián)接至外部DC功率裝置； 至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)，所述至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)中限定了至少一個(gè)浸入腔； 多個(gè)半導(dǎo)體裝置，所述半導(dǎo)體裝置包括: 襯底，所述襯底定位在所述浸入腔內(nèi)，所述襯底上限定了多個(gè)傳熱表面；以及至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片，所述至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片聯(lián)接至所述襯底、所述AC管道、和所述DC管道；以及 液體，所述液體至少部分地填充所述浸入腔，使得所述半導(dǎo)體芯片完全浸入所述液體中并且與所述液體直接接觸，其中所述半導(dǎo)體裝置中所產(chǎn)生的熱引起所述液體的相變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述襯底包括由導(dǎo)熱和導(dǎo)電的材料形成的至少一片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述浸入結(jié)構(gòu)包括換熱上表面，所述換熱上表面在所述浸入腔的上方延伸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述液體部分地填充所述浸入腔，使得孔洞被限定在所述液體的表面與所述換熱上表面之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述換熱上表面包括所述浸入結(jié)構(gòu)的頂板，所述頂板在所述液體的所述表面的上方延伸并且部分地限定所述浸入腔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述浸入結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括: 頂板，所述頂板構(gòu)造成與所述液體的表面配合，以收集由所述液體的相變所產(chǎn)生的蒸汽；以及 至少一個(gè)換熱表面，所述至少一個(gè)換熱表面定位在所述浸入腔的外部。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述外部換熱表面通過以下至少一個(gè)以與所述浸入腔流動(dòng)連通: 浸入腔離開管道； 蒸汽引導(dǎo)管道；以及 液體返回管道。
8.一種用于至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置的除熱系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體裝置包括襯底和至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片，所述襯底上限定了多個(gè)傳熱表面，所述至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片聯(lián)接至所述襯底，所述除熱系統(tǒng)包括: 至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)，所述至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)中限定了至少一個(gè)浸入腔；以及液體，所述液體至少部分地填充所述浸入腔，使得所述半導(dǎo)體芯片完全浸入所述液體中并且與所述液體直接接觸，并且所述襯底上的所述傳熱表面的兩側(cè)的至少一部分浸入所述液體中并且與所述液體直接接觸，其中所述半導(dǎo)體裝置中所產(chǎn)生的熱引起所述液體的相變。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述浸入結(jié)構(gòu)包括換熱上表面，所述換熱上表面在所述浸入腔的上方延伸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述液體部分地填充所述浸入腔，使得孔洞被限定在所述液體的表面與所述換熱上表面之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱上表面包括所述浸入結(jié)構(gòu)的頂板，所述頂板在所述液體的所述表面的上方延伸并且部分地限定所述浸入腔。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述浸入結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括: 頂板，所述頂板構(gòu)造成與所述液體的表面配合，以收集由所述液體的相變所產(chǎn)生的蒸汽；以及 至少一個(gè)換熱表面，所述至少一個(gè)換熱表面定位在所述浸入腔的外部。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述外部換熱表面通過以下至少一個(gè)與所述浸入腔流動(dòng)連通: 浸入腔離開管道； 蒸汽引導(dǎo)管道；以及 液體返回管道。
14.一種對(duì)用于電功率轉(zhuǎn)換器的除熱系統(tǒng)進(jìn)行操作的方法，所述電功率轉(zhuǎn)換器包括至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置和至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)，所述至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)中限定了至少一個(gè)浸入腔，所述半導(dǎo)體裝置定位在所述浸入腔內(nèi)，所述半導(dǎo)體裝置包括襯底和至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片，所述至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片聯(lián)接至所述襯底的第一側(cè)和所述襯底的第二側(cè)，所述浸入腔至少部分地填充有液體，使得所述半導(dǎo)體芯片完全浸入所述液體中并且與所述液體直接接觸，并且所述襯底的兩側(cè)的至少一部分浸入所述液體中并且與所述液體直接接觸，所述方法包括以下步驟: 為所述半導(dǎo)體裝置通電； 在所述半導(dǎo)體芯片中產(chǎn)生熱并且將至少一部分熱傳遞至所述襯底的所述第一側(cè)和所述第二側(cè)；以及 從所述半導(dǎo)體芯片以及所述襯底的所述第一側(cè)和所述第二側(cè)的至少一部分去除熱，包括引起所述液體的相變。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，引起所述液體的相變包括引起所述浸入腔內(nèi)的自然循環(huán)流動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，引起所述液體的相變包括引導(dǎo)多個(gè)汽泡離開所述半導(dǎo)體芯片中的每一個(gè)半導(dǎo)體芯片以及所述襯底的兩側(cè)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，引起所述液體的相變包括將多個(gè)汽泡引導(dǎo)至至少一個(gè)傳熱裝置，所述至少一個(gè)傳熱裝置構(gòu)造成能夠從所述電功率轉(zhuǎn)換器去除熱。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，引起所述液體的相變包括: 通過管道引導(dǎo)多個(gè)汽泡離開所述半導(dǎo)體芯片以及所述襯底的所述第一側(cè)和所述第二側(cè)的至少一部分；以及 通過管道將由冷凝汽泡所形成的液體從傳熱裝置引導(dǎo)至靠近所述浸入結(jié)構(gòu)的底板的區(qū)域。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，從傳熱裝置引導(dǎo)由冷凝汽泡所形成的液體包括以下步驟中的至少一個(gè)步驟: 收集靠近所述浸入結(jié)構(gòu)的頂板的汽泡； 引導(dǎo)汽泡以形成蒸汽流；以及通過定位在所述浸入腔外部的換熱器來引導(dǎo)所述蒸汽流。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括在所述浸入腔內(nèi)引起強(qiáng)制流體流動(dòng)，由此實(shí) 現(xiàn)至少部分代替和至少部分提高自然循環(huán)流動(dòng)中的至少一項(xiàng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及并提供一種用于可再生功率源的電功率轉(zhuǎn)換器，該電功率轉(zhuǎn)換器包括聯(lián)接至外部AC功率裝置的至少一個(gè)交流(AC)管道和聯(lián)接至外部DC功率裝置的至少一個(gè)直流(DC)管道。該轉(zhuǎn)換器還包括至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)和多個(gè)半導(dǎo)體裝置，至少一個(gè)浸入結(jié)構(gòu)中限定了至少一個(gè)浸入腔。半導(dǎo)體裝置包括襯底，襯底定位在浸入腔內(nèi)。襯底上限定了多個(gè)傳熱表面。半導(dǎo)體裝置還包括至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片，該至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片聯(lián)接至襯底、AC管道、和DC管道。該轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括液體，液體至少部分地填充浸入腔，使得半導(dǎo)體芯片完全浸入液體中并且與液體直接接觸。半導(dǎo)體裝置中所產(chǎn)生的熱引起液體的相變。還進(jìn)一步提供了相關(guān)操作方法。
文檔編號(hào)H01L23/427GK103094226SQ201210433579
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者R.G.瓦戈納, P.S.佩特, A.M.里特 申請(qǐng)人:通用電氣公司