CN105743323A - 功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种功率模块，其包括多个基板、多个功率元件以及散热组件。基板分别位于不同的平面上且环绕一轴排列。各基板的延伸方向平行于该轴。功率元件分别配置于基板上，且功率元件彼此电连接。散热组件配置于基板上且背对于功率元件。功率元件所产生的热量经由基板传送至散热组件。

Description

功率模块
技术领域
本发明涉及一种功率模块，且特别是涉及一种具有散热组件的立体式功率模块。
背景技术
因应全球自动化与省电节能的发展趋势，需要采用变频驱动器与马达来达到不同的转速需求。然而对于传统变频器来说，内部包含功率模块、驱动基板、散热鳍片及许多周边的电子元件，导致变频器体积太大，重量过重。对于现今产品使用者的发展趋势，相关产品正朝微小化、高功率、及高密度等方向发展。
效率和高功率密度一直是业界对变频器的要求。高效率意味着减少能耗，利于节能减排保护环境，并减少使用成本。高功率密度则意味着体积小、重量轻，减少运输成本和空间需求，从而减少建设成本；高功率密度也意味着材料使用量的减少，进一步利于节能减排保护环境。
半导体元件是决定变频器效率的重要因素之一。但使用半导体元件，往往不可避免的需要使用帮助散热的散热器等。这些元件往往在变频器内部占有一定比例，一般而言，现有功率模块多以平面式或平面垂直的堆叠结构所组成，因此对应也需以平面式散热结构予以对应。
但是，此举除了需以大片面积的基板作为承载功率模块之用外，对于功率模块的散热而言，同样也需对应以平面式的散热结构，如此一来，反而导致功率模块不易有较佳的空间利用，同时因材料的热膨胀系数互异，也容易造成功率模块所承载的基板与散热组件之间的结合效果不佳，而影响其散热效能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率模块，其通过立体结构而提高组装与散热效能。
为达上述目的，本发明的功率模块，包括多个基板、多个功率元件以及散热组件。基板分别位于不同的平面上且环绕一轴排列，其中各基板的延伸方向平行于该轴。功率元件分别配置于基板上，且功率元件彼此电连接。散热组件配置于基板上且背对于功率元件。功率元件所产生的热量经由基板传送至散热组件。
基于上述，在本发明的功率模块中，其通过立体结构，即用以承载功率元件的基板是分别位于不同的平面上且环绕一轴排列，因此而形成柱状结构，并使散热组件得以装设在柱状结构内。此举让功率模块因结构立体化而降低其面积，以有利于进行组装与散热。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一实施例的一种功率模块的俯视图；
图2为图1的功率模块的侧视图；
图3与图4分别为不同实施例的功率模块与电子装置结合的示意图；
图5为另一实施例功率模块与电子装置结合后的示意图；
图6为本发明另一实施例的一种功率模块中的散热组件的分解图；
图7为图6的散热组件中流体的流动示意图；
图8为本发明另一实施例的一种散热组件的流体流动示意图；
图9为图8的散热组件的部分构件示意图；
图10为本发明又一实施例的一种散热组件的流体流动示意图；
图11为本发明另一实施例的一种功率模块的示意图。
符号说明
100、200、300、700：功率模块
110：基板
120：功率元件
130：散热组件
131～135、138：部件
136：主流道
137、137A～137J：支流道
140：连接端子
150：导线
160：基板互连结构
400、500：电子装置
600：控制电路板
710：散热鳍片
720：风扇
E1、E3、E5、E1a、E1b、E7：入口
E2、E4、E6、E2a、E2b、E8：出口
F1～F4：流体
X1：轴
具体实施方式
图1是依照本发明一实施例的一种功率模块的俯视图。图2是图1的功率模块的侧视图。请同时参考图1与图2，在本实施例中，功率模块100适用于各式动力装置，例如作为马达的变频元件之用，功率模块100包括多个基板110、多个功率元件120、散热组件130以及连接端子140，其中基板110的材质例如是陶瓷，且这些基板110分别位于不同的平面上，且同时环绕轴X1排列，而各基板110的延伸方向平行于轴X1。功率元件120分别配置于基板110上，其例如是利用焊接方式固定在基板110上,且功率元件110彼此藉由导线150电连接，同时位于不同基板110上的功率元件120也能通过导线150而相互电连接，甚或还能在基板110上进行相关电路配置(未绘示)，以作为电连接不同功率元件120的手段。
再者，经基板110环绕轴X1而形成立体结构后，散热组件130配置于基板110上且背对功率元件120而实质上位于基板110所形成的立体结构之内。基板110利用焊接方式固定在散热组件130上。在本实施例中，基板110包括位于上方(即功率组件120所配置之处)的金属层、位于中间之绝缘层及下方(即邻近散热组件130之处)之金属层，其中金属层可为铜层，绝缘层可为陶瓷材料如氧化铝或氮化铝等材料，利用直接接合铜基板DBC(DirectBondCopper)等制程方式制作。惟，本发明并不限于此。
另一方面，功率模块100还包括基板互连结构160，在本实施例中，基板互连结构160例如是上述导线150的群组结构，其在基板110已焊接于散热组件130上的前提下仅作为连接基板110间的电性。但，在此并未限定基板互连结构160的形式与数量。举例来说，基板互连结构160也可为固定外形的金属导线架焊接于基板110上，或为具有可挠性的导线或软板等导体结构。此外，功率模块100组装完成后则可安装模块外壳(未绘示)，其例如是将图1所示的功率模块100套设在具有类似外形的壳体内，并在壳内灌入硅胶，以防止导线150接触，并保护模块内组件避免因震动造成的破坏。据此，基板互连结构160除能提供基板110间的电性连接之外，亦能提高功率模块100的整体结构强度及保护。
需说明的是，上述实施例是以所绘示的三个基板110形成一个模块，亦即功率模块100上的电流会经过三个基板110(环绕轴X1)后经连接端子140流出。
在本发明又一未绘示的实施例中，基板是以各自独立地形成单一模块，亦即类似于图1所示的结构中，三个基板110是各自独立的状态，此时则需藉由三对连接端子140作为对应各基板110电性导接的结构，以因应独立运作的各个基板110及其上的功率组件120。在此状态下，各基板110之间无须设置前述的导线150作为电性连接之用，但仍可藉由其它结构式的连接作为其与散热组件130之间的连接方式。
另需说明的是，上述基板互连结构160及模块外壳同样能适用于本案其它实施例，在此仅以图1、图2的实施例作为代表而进行说明。
进一步地说，所述基板110于排列后形成沿轴X1延伸的轴对称柱状结构，而让功率元件120实质上位于柱状结构的外露表面。相较于现有以堆叠方式组合的功率元件，本实施例因外露的功率元件120而将使用者能便于对其进行相关的组装与维修。再者，当这些基板110环绕于轴X1而使其截面轮廓为封闭轮廓(所述截面是以轴X1为法线)，并使功率元件120位于封闭轮廓之外时，散热组件130便能利用所述封闭轮廓内的空间进行装设，而同时对所有的功率元件130进行散热。
换句话说，在所述垂直式的柱状结构中，不同基板110间的功率元件120是以横向进行彼此电连接，而以垂直方向进行散热，亦即位于封闭轮廓外的功率元件130，其所产生的热量能经由基板110而传送至封闭轮廓内的散热组件130，而更重要的是由散热组件130同时间能对所有基板110上的功率元件120进行散热，如图1所示，位于封闭轮廓内的散热组件130便能同时对三侧的功率元件120进行散热，相较于现有以平面式的散热结构(如前所述，让多个功率元件配置于同一基板上，并进而叠置在一板状散热件上以进行散热)，所述呈立体结构的功率模块100能因此具备较佳的散热效能。
在本实施例中，所述功率模块100配合动力装置(三相马达)而成封闭的三角形轮廓，其经由连接端子140而电连接至马达本体。但是本发明并不限于此，图3与图4分别绘示不同实施例的功率模块与电子装置结合的示意图。如前述，由于功率模块100是呈中空的柱状结构，因此便能利用其内部空间与相关电子装置进行结合，如图3所示，当所述电子装置400呈方形轮廓时，功率模块200的各个基板110与功率元件120便能分别配置在电子装置400的不同表面上。类似地，如图4所示，当电子装置500(例如前述的三相马达)呈圆形轮廓时，功率模块300的各个基板110与功率元件120也能配置在电子装置500的表面。
此外，请同时参考图1、图3与图4，由于功率模块100(200、300)是由多片基板110所组成(本发明并未限制其数量)，因此在相邻基板110之间以导线140(或导电铜箔等类似具备可挠性的导电结构)作为彼此相连的介质，便能使功率模块100(200、300)具备可弯折的结构特性，其能形成轴对称或轴环绕的封闭或不封闭轮廓，因而能适用于不同外形的电子装置，如图3所绘示的多边形电子装置400或如图4所绘示的圆形电子装置500。同时，经由所述导电结构也能适当地增加基板110与其上功率元件120的数量，因而也能提高功率模块100(200、300)的扩充性。
图5绘示另一实施例功率模块与电子装置结合后的示意图。请参考图5，当图1的功率模块形成如图示两端开口的柱状结构，并以电子装置(未绘示)组装于所形成的封闭轮廓内之后，在此能通过在两端开口的至少其中一端处配置控制电路板600，以使控制电路板600电连接在电子装置与功率模块100之间以完成系统组装。同时，所述控制电路板600的外形符合功率模块100的封闭轮廓，此举也有利于整体组装的结构性及提供空间的利用性。
以下将就各种散热方式予以进一步描述。
图6绘示本发明另一实施例的一种功率模块中的散热组件的分解图。图7绘示图6的散热组件中流体的流动示意图，其中图7是以俯视视角绘示图6的部分结构，实线箭号代表部件132内的流体状态，虚线代表部件以能清楚辨识流体的流动状态。请同时参考图6与图7并对照图1，如前所述，由于基板形成具有容置空间的封闭轮廓，因而散热组件得以配置于容置空间中而便于对功率元件进行散热。
在图6与图7中，散热组件130A包括不同的部件131至135、主流道136与多个支流道137，其中主流道136沿轴X1延伸于封闭轮廓内，且具有入口E1与出口E2。部件133至135分别对应于基板110而设置于背对功率元件120的一侧，且部件131、132设置在部件133至135之间，以让主流道136与支流道137能彼此连通。在此未限制主流道136的入口E1与出口E2的位置，在本实施例中，基板110沿轴X1分为两端，而入口E1与出口E2位于相对端。在另一未绘示的实施例中，入口与出口可位于同一端，以让流体从基板的同一侧流入、流出功率模块。
在此将支流道137区分为137A至137I，其中支流道137A至137C配置于部件131并与主流道136的入口E1连接，支流道137D至137F配置于部件132并与主流道136的出口E2连接，支流道137G至137I分别配置于部件133至135且各自呈单一弯折路径，其中支流道137A连接于支流道137G的入口E3，支流道137D连接于支流道137G的出口E4，支流道137B连接于支流道137H的入口E5，支流道137E连接于支流道137H的出口E6，支流道137C连接于支流道137I的入口E7，支流道137F连接于支流道137I的出口E8。据此，流体经由主流道136的入口E1流入散热组件130后，便会如图7实线箭号所示经由支流道137A至137C分流至不同部件133至135的支流道137G至137I，而得以各自对所对应基板110的功率元件120进行热吸收，而后再经由支流道137D至1347F汇流至主流道136的出口E2，并据以流出散热组件130A，以达到散热的效果。
另值得一提的是，在另一未绘示的实施例中，所述位于部件133至135的支流道137G至137I也可直接形成于基板110背对于功率元件120的表面，即前述封闭轮廓的内表面，也就是部件133至135分别与其对应的基板110实质上为一体结构，进而得以节省功率模块的制造时间与成本。再者，在又一实施例中，所述部件131、132也可为非实体结构，其仅具有所述主流道136的入口E1、出口E2，以及支流道137A至137F即可。
图8绘示本发明另一实施例的一种散热组件的流体流动示意图。图9绘示图8的散热组件的部分构件示意图，而在此所绘示的部件138类似于前述实施例的其中一部件133。请同时参考图8与图9，与前述实施例不同的是，本实施例的流道设计是驱使流体直接与基板110上对应功率元件120处进行散热，其中支流道137J是左右对称地配置于部件138上，即如图示的支流道137J是呈彼此并列且首尾相连的路径，因此经由入口E1a流入的流体F1能在分流后直接流向基板110上对应于功率元件120处，并通过支流道137J的多个并排结构而得以缩短流体的散热路径，进而达到较佳的散热效果。同样地，最终以流体F2流出部件138并汇流于出口E2a后流出。
另外，图10绘示本发明又一实施例的一种散热组件的流体流动示意图。与前述不同的是，经由入口E1b流入的流体F3在分流后是以喷流方式直接喷洒于基板110上对应于功率元件120处，亦即前述实施例位于部件133至135的支流道在本实施例中改以基板110背对于功率元件120的整个表面代替，而相同的是，待流经基板110背对于功率元件120的表面后，回流的流体F4汇流并经由出口E2b流出功率模块的散热组件。
图11绘示本发明另一实施例的一种功率模块的示意图。请参考图11，在本实施例中，散热组件是由多个散热鳍片710所组成，且其分别从各基板110背离功率元件120而延伸于封闭轮廓之内。再者，散热组件还包括风扇720(图示虚线轮廓)，其设置于基板110所形成柱状结构的至少其中一端开口，用于提供冷却气流行经前述的散热鳍片710而进行散热。
综上所述，在本发明的上述实施例中，功率模块通过其基板环绕一轴排列而形成柱状结构，而使散热组件或是能与其适配的电子装置得以装设在基板所形成的封闭轮廓之内，因此相较于原以堆叠方式形成的功率模块，本发明的功率模块能有效提高空间利用率并降低其占据的平面面积。再者，位于柱状结构内且沿该轴延伸的散热组件也因能同时对应所述多个基板，因此便能同时对应于基板上的功率元件而进行散热，故相较于原以堆叠方式形成的功率模块仅能以平面式的散热机构而言，本发明的功率模块能有效地提高散热效率且不易受材料变形所影响。
虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (15)

1.一种功率模块，其包括：
多个基板，分别位于不同的平面上且环绕一轴排列，各该基板的延伸方向平行于该轴；
多个功率元件，分别配置于该些基板上，该些功率元件彼此电连接；以及
散热组件，配置于该些基板上且背对于该些功率元件，该些功率元件所产生的热量经由该些基板传送至该散热组件。
2.如权利要求1所述的功率模块，其中该些基板环绕该轴而形成一封闭轮廓，该些功率元件位于该封闭轮廓之外，且该散热组件位于该封闭轮廓之内。
3.如权利要求2所述的功率模块，其中该封闭轮廓为多边形。
4.如权利要求2所述的功率模块，其中该些基板形成两端开口的柱状结构，该封闭轮廓为该柱状结构的截面轮廓。
5.如权利要求2所述的功率模块，一电子装置适于组装于该封闭轮廓内。
6.如权利要求1所述的功率模块，其中该些基板相对于该轴呈对称。
7.如权利要求1所述的功率模块，其中该散热组件包括：
主流道，沿该轴延伸，该主流道具有入口与出口；以及
多个支流道，连接在该主流道的该入口与该出口之间且行经该些基板。
8.如权利要求7所述的功率模块，其中各该基板沿该轴分为两端，该主流道的该入口与该出口位于同一端。
9.如权利要求7所述的功率模块，其中各该基板沿该轴分为两端，该主流道的该入口与该出口位于相对端。
10.如权利要求7所述的功率模块，其中各该基板沿该轴分为两端，而该散热组件包括多个部件，该些部件的一部分沿该轴配置，该主流道位于沿该轴配置的该些部件中，该些部件的另一部分配置于对应的该基板且背对于该功率元件，至少部分该些支流道分别配置于所述另一部分该些部件上。
11.如权利要求7所述的功率模块，其中行经该些基板的该些支流道呈单一弯折路径。
12.如权利要求7所述的功率模块，其中行经该些基板的该些支流道呈彼此并列且首尾相连的多个路径。
13.如权利要求7所述的功率模块，其中该主流道的流体以喷流方式传送至该些支流道。
14.如权利要求1所述的功率模块，其中该散热组件包括多个散热鳍片，从各该基板背离该些功率元件而延伸。
15.如权利要求14所述的功率模块，其中各该基板沿该轴分为两端，而该散热组件还包括风扇，配置于该些基板的至少其中一端。
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