CN103167780B - 功率模块用复合式散热器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功率模块用复合式散热器及复合式散热器组件，复合式散热器包括一基板、一第一散热单元和一第二散热单元，所述基板的一侧面上设置至少一个功率模块；第一散热单元为由多个间隔排列的散热片构成的第一散热片组，所述第一散热片组位于所述基板的另一侧面上；第二散热单元包括多根热管和第二散热片组，所述热管包括蒸发段、绝热段和冷凝段，所述蒸发段设于所述基板内且靠近所述功率模块；所述绝热段位于蒸发段和冷凝段之间，包含延伸部和折弯部；所述冷凝段上设置有第二散热片组。本发明的复合式散热器结合实体散热器的可靠性和热管散热器的高效性，散热面积大，导热速率快，结构紧凑，体积小，重量轻，散热效率高。

Description

功率模块用复合式散热器组件
技术领域
本发明涉及一种散热装置，具体地说，是涉及一种功率模块用的将金属实体散热器与热管散热器组合在一起的复合式散热器组件。
背景技术
随着电子技术的快速发展，功率器件的功率密度越来越高，功率器件快速频繁地在导通和关断之间切换时，往往产生的热量也越来越大，为了保证功率器件的正常工作，必须及时有效地将热能散掉。因为若不能及时快速地将功率器件产生的热量散除，会导致功率器件温度的升高，轻则造成效能降低，缩短使用寿命，重则会导致功率器件的失效或炸管。因此散热问题一直困扰着功率器件封装厂和功率器件使用者。高效散热技术一直是电子业界积极研发的重点之一。
目前，大功率SVG(静止无功发生器)、MVD(中高压变频器)、UPS(不间断电源)以及风电变流器等的功率模块(功率模块是功率电子电力器件按一定的功能组合再灌封成一个模块)主要由IGBT(绝缘栅双极型晶体管)器件所组成，常规的散热方式是，采用实体金属散热器，如图1所示，将功率器件10固定在散热器基板20的一侧，散热器基板20的另一侧为多个散热片组成的散热片组30，散热器基板20与散热片组30的结合方式是采用挤压成型的一体结构，或是插片式结构，或是焊接结构。为了使功率器件10产生的热能有效传致散热片组30再散发到空气中，要求各功率器件在散热器基板10上的分布合理，使散热基板的温度相对较均匀，以提高散热器效率，但由此带来功率器件之间有较大距离，电气连接距离的增大，漏感增大，导致效率较低、对功率器件性能和寿命有不利影响。特别是对多个IGBT的并联拓扑更为不利。且对于大功率的功率模块，单个功率器件的热流密度大，用常规的金属实体散热方式已无法解决散热问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对功率模块采用常规的散热方式无法解决的散热问题，提供一种功率模块用复合式散热器，以提高功率模块的散热效率。
为了解决上述技术问题，本发明提供的功率模块用复合式散热器采用如下技术方案：包括一基板、一第一散热单元及一第二散热单元。基板的一侧面上设置至少一个功率模块。第一散热单元为由多个间隔排列的散热片构成的第一散热片组，所述第一散热片组位于所述基板的另一侧面上，所述另一侧面为与所述侧面相对的面；第二散热单元包括多根热管和第二散热片组，所述热管包括蒸发段、绝热段和冷凝段，所述热管的蒸发段设于所述基板内且靠近所述功率模块，所述热管的绝热段位于蒸发段和冷凝段之间，包括自所述蒸发段末端向上延伸的延伸部和自所述延伸部的末端弯折的弯折部；所述冷凝段与所述第一散热单元位于基板的同一侧方；所述第二散热片组设置在所述热管的冷凝段上，且所述第二散热片组由多个散热片组成。
上述的功率模块用复合式散热器，其中，所述延伸部与所述第一散热片组之间具有间隔。
上述的功率模块用复合式散热器，其中，所述第一散热片组与所述基板结合为金属实体散热器，且第一散热单元的散热片与基板的结合方式采用一体结构的挤压型式，或插片结构的插片式，或焊片结构的焊接式。
上述的功率模块用复合式散热器，其中，所述多根热管中每相邻两根热管的延伸部长度不同，并且冷凝段以差排的方式穿过第二散热片组。
上述的功率模块用复合式散热器，其中，所述热管为L形结构，热管的折弯角度为直角或钝角。
上述的功率模块用复合式散热器，其中，所述基板上的功率模块为多个时，根据散热功率大小和功率模块的尺寸，每一功率模块对应一根或多根热管。
上述的功率模块用复合式散热器，其中，所述复合式散热器还包括一风扇和一风道，所述风扇位于所述第一散热片组的一侧，或位于所述第二散热片组的一侧，且所述风扇产生的气流通过所述风道吹向所述第一散热片组和所述第二散热片组。
上述的功率模块用复合式散热器，其中，所述风道由包围住所述第一散热片组和第二散热片组的导流板围合而成，且所述风扇产生的气流通过所述风道沿第一散热片组之间的间隙吹向所述第二散热片组。
上述的功率模块用复合式散热器，其中，所述风道由包围住所述第一散热片组和第二散热片组的导流板围合而成，且所述风扇产生的气流通过所述风道沿第二散热片组的间隙吹向所述第一散热片组。
进一步地，本发明提供一种功率模块用复合式散热器组件，其包括两个相对向设置的上述复合式散热器，两个复合式散热器的第一散热片组并排设置位于两个复合式散热器的基板的内侧，且其中一复合式散热器的所有热管的冷凝段与其第一散热片组之间的间隔距离皆大于另一复合式散热器的所有热管的冷凝段与其第一散热片组之间的间隔距离。
上述的功率模块用复合式散热器组件，其中，所述的第一散热单元与所述基板结合为金属实体散热器，且散热片与基板的结合方式采用一体结构的铝挤型式，或插片结构的插片式，或焊片结构的焊接式。
上述的功率模块用复合式散热器组件，其中，所述多根热管中每相邻两根热管的延伸部长度不同，并且冷凝段以差排的方式穿过第二散热片组。
上述的功率模块用复合式散热器组件，其中，所述热管为L形结构，且热管的折弯角度为直角或钝角。
上述的功率模块用复合式散热器组件，其中，所述基板上的功率模块为多个时，根据散热功率大小和功率模块的尺寸，每一功率模块对应一根或多根热管。
上述的功率模块用复合式散热器组件，其中，更包括一风扇和一风道，所述两个复合式散热器共用所述风扇和所述风道，所述风扇产生的气流通过所述风道吹向所述第一散热片组和所述第二散热片组。
上述的功率模块用复合式散热器组件，其中，所述风道由同时包围住两个所述复合式散热器的第一散热片组和第二散热片组的导流板围合而成，所述风扇设置于外侧的第二散热片组的远离其第一散热片组的一侧，以使所述风扇产生的气流通过所述风道沿每一第一散热片组之间的间隙吹向两个第二散热片组。
上述的功率模块用复合式散热器组件，其中，所述风道由同时包围住两个所述复合式散热器的第一散热片组和第二散热片组的导流板围合而成，所述风扇设置于外侧的第二散热片组的远离其第一散热片组的一侧，以使所述风扇产生的气流通过所述风道沿每一第二散热片组之间的间隙吹向两个第一散热片组。
本发明的有益功效在于，第一散热单元和第二散热单元共用同一个基板，第一散热单元与基板构成金属实体散热器，第二散热单元与基板构成热管散热器，热管的冷凝段和其上的第二散热片组位于金属实体散热器的上方，通过这样的结构设置，使得复合式散热器由实体散热器和热管散热器两部分组成，从而将实体散热器可靠稳定且热容大的优点以及热管散热器散热面积大，导热快，结构紧凑的优点结合在一起，功率模块固定在基板上使得整个复合式散热器结构紧凑，体积小，重量轻，散热效率高。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为现有技术的技术实体散热器结构示意图；
图2为本发明一实施例复合式散热器的结构示意图；
图3为图2中的复合式散热器的右视图；
图4为图2中的复合式散热器的左视图；
图5为图2中的A-A剖视图；
图6为本发明另一实施例复合式散热器的结构示意图；
图7为本发明一实施例复合式散热器组件的结构示意图。
其中，附图标记
10—功率器件
20—散热器基板
30—散热片组
100、200—复合式散热器
1—功率模块
2—基板
3—第一散热单元
31—第一散热片
4—第二散热单元
41、43、44、45、46、47—热管
411—蒸发段
412—冷凝段
413—绝热段
42—第二散热片组
421—通孔
422—通孔
5—风扇
6—风道
7—导流板
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
本发明的复合式散热器100适合于大功率、高热流密度、且将功率器件紧密布置在一起的SVG、MVD、UPS、风电变流器等功率模块散热用。
参阅图2至图5，本发明的复合式散热器100包括基板2、第一散热单元3和第二散热单元4，功率模块1位于基板2的一侧面上，第一散热单元3位于基板2的另一侧面上，其中，所述另一侧面为与所述侧面相对的面(见图2)。第一散热单元3为由多个间隔排列的散热片31所构成的第一散热片组(为了区别后叙的第二散热单元中的散热片，此处的散热片亦叫第一散热片)，基板2与第一散热片31的结合可为一体的挤压结构，或焊接结构，或插片结构，且第一散热片31的材质可以是铜或铝，这样，第一散热单元3可看成为一由第一散热片组和基板构成的金属实体散热器。第二散热单元4包括多根热管41、43、44、45、46、47，该多根热管具有相同的结构，以其中的一热管41为例进行介绍：热管41包括蒸发段411、绝热段413和冷凝段412，蒸发段411设于基板2内且靠近功率模块1设置，蒸发段411可减小基板的扩散热阻，使基板温度均匀，提高实体散热器的效率和散热能力，绝热段413位于蒸发段411和冷凝段412之间，包括自蒸发段411末端向上延伸的延伸部和自延伸部末端弯折的弯折部，冷凝段412位于第一散热片组的上方，与蒸发段411呈直角或钝角，较佳地，冷凝段412与蒸发段411之间的夹角为90～120度，以使热管41整体为L形，冷凝段412上设置有第二散热片组42，且与第一散热片组之间具有间隔，也就是说，第二散热片组42与第一散热片组不接触，以便构成后面叙述的复合式散热器组件。第二散热单元4采用上述结构后可与基板构成热管散热器。
上述结构的复合式散热器100可看成是由实体散热器和热管散热器复合而成，且实体散热器和热管散热器共用同一个散热基板。在将实体散热器和热管散热器采用如图2所示的方式设置于功率模块的左侧时，热管散热器实际上是位于实体散热器的上方。其具有如下优点：将实体散热器可靠稳定且热容大的优点以及热管散热器散热面积大，导热快，结构紧凑的优点结合在一起；功率模块固定在基板上，使本发明结构紧凑，体积小，重量轻，散热效率高。且实体散热器和热管散热器热管位于基板的同一侧方，此处的侧方在为左侧或右侧时，基板1内埋入的热管蒸发段411相对水平面垂直设置，冷凝段412与水平面有一定倾斜角度，以使热管内工作液体回流容易，无死区不积液。
在实际使用中，每根热管内的工质可以是水、或丙酮、或液氨、或乙醇、或R134a制冷剂；每根热管的材料可以是铜或铝；且每根热管的蒸发段的形状可以是圆管状、平板状或矩形；多根热管的管径可以为相同管径或是不同管径；热管埋入基板的深度(即每根蒸发段411的长度)可以相同也可以不同；热管可采用重力热管、沟槽式热管、烧结热管或丝网热管，为了降低成本，优选重力热管。并且，热管可以是套设入基板2内，也可以是嵌入基板2内，热管与基板2的结合方式亦可采用机械紧配，导热胶粘结，或焊接。
为了提高散热效率，第二散热片组42由多个间隔穿设在冷凝段412上的散热片组成(为了区别于前叙的第一散热片，此处的散热片亦叫第二散热片)，每一第二散热片上具有多个通孔421、422，该多个通孔421、422用于与热管的冷凝段412配合，且多根热管的冷凝段以差排的方式穿过第二散热片组，其中，第二散热片组42与热管的结合方式可以是机械压紧，也可以是焊接。较佳地，多个第二散热片在冷凝段412上的排列方向(如图2中的箭头A所指)与多片第一散热片31在基板2上的排列方向(如图4中的箭头B所指)相异。通过这样的结构，由于热管具有热超导特性，能以很小的温差和热阻快速将功率模块1产生的大量热传导至多个第二散热片构成的第二散热片组42，提高了散热器的效率。另外，设置在基板1内部的热管蒸发段位于功率模块1的正下方，功率模块1产生的热以最短路径导入热管，减小了功率模块1到热管的导热热阻。还有，设置在热管冷凝段的多个第二散热片间距小，单位体积散热面积大，散热效率高。
在实际使用中，可根据散热功率的大小和热阻的要求，增加热管的数量以及热管上第二散热片42的宽度和数量，热管在第二散热片42上的位置采用并排或三角形排列布局，使散热片上温度较均匀，以提高散热器的能力减小热阻。
进一步参阅图2、图4和图5，基板2上的功率模块为多个，图中给出的是三个的例子，每一功率模块对应两根热管，以图2、图4和图5为例，其中一功率模块1对应热管41(视为第一热管)和热管43(视为第二热管)、另一功率模块1对应热管44(视为第一热管)和热管45(视为第二热管)，再一功率模块1对应热管46(视为第一热管)和热管47(视为第二热管)，热管41的冷凝段与热管43的冷凝段位于不同平面上，热管44的冷凝段与热管45的冷凝段位于不同平面上，热管46的冷凝段与热管47的冷凝段位于不同平面上，热管41的冷凝段、热管44的冷凝段和热管46的冷凝段位于同一平面上，热管43的冷凝段、热管45的冷凝段和热管47的冷凝段位于同一平面上，即，每一功率模块对应的第一热管的冷凝段与第二热管的冷凝段位于不同平面上，且多个功率模块上的第一热管的冷凝段位于同一平面上，多个功率模块上的第二热管的冷凝段位于同一平面上。并且，上述的热管41、43、44、45、46、47的管径还可根据各自对应的功率模块的损耗进行确定，以便于有效散出热量，且使各功率模块的温度基本一致。功率模块可以紧靠在一起，特别是并联的IGBT功率模块，以缩短母排连接距离，减小漏感等不利影响。
在实际使用中，还可采用以下结构：基板2上的功率模块为多个，每一功率模块对应一根热管，功率模块所对应的热管的冷凝段位于不同平面上。
参阅图6，在本发明另一实施例中，复合式散热器还包括一风扇5和一风道6，风扇5位于第一散热单元3的一侧，且风扇5产生的气流通过风道6吹向第一散热片组和热管的冷凝段上的第二散热片组42。实际应用中，风扇5可位于第一散热片组的下侧，风道6可由包围住第一散热单元3的导流板7围合而成，且风扇5产生的气流通过风道6沿第一散热片组之间的间隙(此处的间隙是指第一散热片之间的间隙)吹向所述第二散热片组42；或者风扇5可位于第二散热片组42的上侧，风道6可由包围住第一散热单元3的导流板7围合而成，且风扇5产生的气流通过风道6沿第二散热片组42之间的间隙(此处的间隙是指第二散热片之间的间隙)吹向第一散热单元3。有关风扇的安装及风道的设置方式是本领域的公知常识，如通过一安装架将风扇安装至复合式散热器的下方或者上方，风道只要设置为能将散热气流吹向第一散热片组和热管冷凝段上第二散热片组42即可，因此，在此对其不多做赘述。采用图6所述实施例的复合式散热器，在工作时，功率模块1产生的热一部分通过基板2传导给基板另一侧的第一散热片组，冷空气从第一散热片组间流过带走热量；另一部分热量则传给热管的蒸发段，被热管蒸发段内的液体吸收，液体吸热蒸发转换成蒸汽，蒸汽沿热管内部腔体通过绝热段快速流到热管的冷凝段，在冷凝段内放出热量而冷凝变成液体，冷凝后的液体沿热管壁面流回到热管的蒸发段进行下一次循环，而蒸汽在冷凝段放出的热量通过热管壁面传导给第二散热片组42，冷空气流过第二散热片组42表面以对流的方式带走热量，从而实现功率模块散热的目的。
参阅图7，本发明进一步提供一种功率模块用复合式散热器组件，其包括两个相对向设置的复合式散热器100、200，每一复合式散热器具有与前述实施例中的复合式散热器相同的结构，由于单个复合式散热器在前面已经有详细的介绍，以下就对两个复合式散热器的具体组合方式加以介绍。如图7所示，两个复合式散热器的第一散热片组并排设置位于基板1的内侧，复合式散热器100中的所有热管的冷凝段与其第一散热片之间的间隔距离皆大于复合式散热器200中的所有热管的冷凝段与其第一散热片组之间的间隔距离，通过这样的设置，以使复合式散热器100的热管的冷凝段及第二散热片组位于复合式散热器200的热管的冷凝段及第二散热片组的上方。较佳地，在复合式散热器包括风扇和风道时，两个复合式散热器共用一个风扇和一个风道，即，风道6由同时包围住两个复合式散热器的第一散热单元和第二散热片组的导流板7围合而成，风扇5(风扇5在图7中未示出)位于两个第一散热单元3的一侧，对于热管相对水平面竖直设置的情况下，风扇5位于两个第一散热单元的上侧或下侧，以便产生的气流通过风道6沿第一散热片组之间的间隙吹向所述冷凝段上第二散热片组或通过风道6沿第二散热片组之间的间隙吹向第一散热片组。
也就是说，复合式散热器组件由两个复合式散热器100、200背靠背组合在一起。冷却空气流从下往上(或者从上往下)流过的第一散热片组和第二散热片组42，带走热量而达到散热目的。其除了具有上述的单个复合式散热器的优点外，由于两个复合式散热器可共用一个风道，共用一个风扇，空间利用率更高，结构更为紧凑。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种功率模块用复合式散热器组件，其特征在于，包括两个相对向设置的复合式散热器，每一复合式散热器包括：
一基板，所述基板的一侧面上设置至少一个功率模块；
一第一散热单元，为由多个间隔排列的散热片构成的第一散热片组，所述第一散热片组位于所述基板的另一侧面上，所述另一侧面为与所述侧面相对的面；以及
一第二散热单元，包括多根热管和第二散热片组，所述热管包括蒸发段、绝热段和冷凝段，所述热管的蒸发段设于所述基板内且靠近所述功率模块；所述热管的绝热段位于蒸发段和冷凝段之间，包括自所述蒸发段末端向上延伸的延伸部和自所述延伸部末端弯折的弯折部；所述冷凝段与所述第一散热单元位于基板的同一侧方；所述第二散热片组设置在所述热管的冷凝段上，且所述第二散热片组由多个散热片组成；
其中，两个复合式散热器的第一散热片组并排设置位于两个复合式散热器的基板的内侧，且其中一复合式散热器的所有热管的冷凝段与其第一散热片组之间的间隔距离皆大于另一复合式散热器的所有热管的冷凝段与其第一散热片组之间的间隔距离。
2.根据权利要求1所述的功率模块用复合式散热器组件，其特征在于，所述的第一散热单元与所述基板结合为金属实体散热器，且所述第一散热单元的散热片与基板的结合方式采用一体结构的挤压型式，或插片结构的插片式，或焊片结构的焊接式。
3.根据权利要求1所述的功率模块用复合式散热器组件，其特征在于，所述第二散热单元的多根热管，每相邻两根热管的延伸部长度不同，并且冷凝段以差排的方式穿过第二散热片组。
4.根据权利要求3所述的功率模块用复合式散热器组件，其特征在于，所述热管为L形结构，且热管的折弯角度为直角或钝角。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的功率模块用复合式散热器组件，其特征在于，所述基板上的功率模块为多个时，根据散热功率大小和功率模块的尺寸，每一功率模块对应一根或多根热管。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的功率模块用复合式散热器组件，其特征在于，更包括一风扇和一风道，所述两个复合式散热器共用所述风扇和所述风道，所述风扇产生的气流通过所述风道吹向所述第一散热片组和所述第二散热片组。
7.根据权利要求6所述的功率模块用复合式散热器组件，其特征在于，所述风道由同时包围住两个所述复合式散热器的第一散热片组和第二散热片组的导流板围合而成，所述风扇设置于两个第一散热片组的远离其第二散热片组的一侧，以使所述风扇产生的气流通过所述风道沿每一第一散热片组之间的间隙吹向两个第二散热片组。
8.根据权利要求6所述的功率模块用复合式散热器组件，其特征在于，所述风道由同时包围住两个所述复合式散热器的第一散热片组和第二散热片组的导流板围合而成，所述风扇设置于外侧的第二散热片组的远离其第一散热片组的一侧，以使所述风扇产生的气流通过所述风道沿每一第二散热片组之间的间隙吹向两个第一散热片组。
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