CN105786041A - 功率散热装置及其散热控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种功率散热装置及其散热控制方法，功率散热装置包含一导热层、一散热器及至少一致冷芯片。导热层具有相对的一吸热面及一放热面。散热器热接触于导热层的放热面。致冷芯片嵌设于导热层。其中，导热层具有一有效导热区域，且有效导热区域正交投影至吸热面的投影面与致冷芯片投影至吸热面的投影面的面积比值介于0.15至0.58之间。

Description

功率散热装置及其散热控制方法
技术领域
本发明涉及一种散热装置，特别涉及一种功率散热装置及其散热控制方法。
背景技术
近几年来，电动车动力系统朝向大功率输出、小体积的方向发展，以应用于车辆空间有限的车型。为了因应上述的需求，应用于电动车动力系统的驱控器则需朝向高功率密度的方向发展。
现今在设计高功率密度的驱控器的散热系统时，除了会考量额定功率输出外，亦会考量峰值输出的热损失。高功率密度的驱控器在峰值输出时所产生的热量大于在额定功率输出时所产生的热量。因此，高功率密度的驱控器的散热系统皆直接依据峰值输出下所产生的热量来进行散热设计，以避免高功率密度的驱控器烧毁。然而，车辆在平常行驶状况下，高功率密度的驱控器的实际功率输出多低于额定输出，导致散热系统的散热效能大于需求散热效能而造成效益上的浪费。但若高功率密度的驱控器的散热系统是依据平常状况(低于额定输出)下所产生的热量来进行散热设计，则当功率元件处于峰值输出时，散热系统又无法负荷而让驱控器有烧毁的可能性。因此，如何兼顾驱控器于额定输出下与峰值输出下的散热需求，又可避免浪费散热器的效益，则为研发人员应解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率散热装置及其散热控制方法，藉以兼顾驱控器于额定输出下与峰值输出下的散热需求，又可避免浪费散热器的效益。
本发明所揭露的功率散热装置，包含一导热层、一散热器及至少一致冷芯片。导热层具有相对的一吸热面及一放热面。散热器热接触于导热层的放热面。致冷芯片嵌设于导热层。其中，导热层具有一有效导热区域，且有效导热区域正交投影至吸热面的投影面与致冷芯片投影至吸热面的投影面的面积比值介于0.15至0.58之间。
本发明所揭露的功率散热装置的散热控制方法，包含获得一马达装置的一马达输出电流。当马达输出电流大于一预设输出电流时，则控制致冷芯片开启。
本发明所揭露的功率散热装置的散热控制方法，包含获得一马达装置的一马达输出扭力。当马达输出扭力大于一预设输出扭力时，则控制致冷芯片开启。
本发明所揭露的功率散热装置的散热控制方法，包含感测功率元件的一马达输出功率。当马达输出功率大于一预设输出功率时，则控制致冷芯片开启。
根据上述本发明所揭露的功率散热装置及其散热控制方法，导热层与致冷芯片混合搭配，使得功率元件的工作温度高于高效率的工作温度上限值时，可暂时开启致冷芯片来迫使功率元件降温，而当功率元件的工作温度降回至高效率的温度范围内时，则又可关闭致冷芯片。上述依据功率元件的状态来选择致冷芯片开启的时机除了有助于降低能量损耗外，更能避免致冷芯片长期开启而额外产生热源。这些热源将会造成散热鳍片的散热负担，从长期来看，将有可能重新导致功率元件的温度升高，进而降低功率元件的效能。
此外，致冷芯片正交投影至吸热面的投影面与有效导热区域正交投影至吸热面的投影面的面积比值介于0.15至0.58之间，可避免因致冷芯片与导热层的有效导热区域间的比例搭配不当，使得致冷芯片反而阻碍了功率元件的热能传递的状况发生。
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为根据本发明一实施例所述的功率散热装置的剖视示意图；
图2为图1的功率散热装置的俯视示意图；
图3为根据本发明一实施例所述的功率散热装置的剖视示意图；
图4为根据本发明一实施例所述的功率散热装置的剖视示意图；
图5为一实施例的功率散热装置的散热控制系统的方框示意图。
其中，附图标记
10功率散热装置
20马达控制模块
22马达驱控器
24电流感测器
26电压感测器
28转速感测器
30马达装置
40车辆控制模块
100功率元件
200导热层
210吸热面
220放热面
230有效导热区域
300散热器
400致冷芯片
500致冷芯片控制模块
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
请参阅图1与图2。图1为根据本发明一实施例所述的功率散热装置的剖视示意图。图2为图1的功率散热装置的俯视示意图。
本实施例的功率散热装置10包含一导热层200、一散热器300及多个致冷芯片400。
本实施例的功率散热装置10上设置一功率元件100，例如为晶体管，并具有一发热面。此外，功率元件100例如具有一高效率的工作温度上限值。工作温度低于高效率的工作温度上限值时，功率元件100具有较高的工作效率，而工作温度超过高效率的工作温度上限值时，功率元件100的工作效率会下降，甚或当机。因此，当工作温度达高效率的工作温度上限值时，则必需启动相关散热机制来让功率元件100的工作温度降回高效率工作温度上限值以下，详细操作方式容后一并说明。。
导热层200例如为铝基板。导热层200具有相对的一吸热面210及一放热面220。导热层200的吸热面210热接触于功率元件100。
此外，导热层200具有一有效导热区域230。有效导热区域230的定义为导热层200中温度高于功率元件100最高温度的35％以上的部分。详细来说，有效导热区域230的范围，约为自功率元件100的发热中心点向四周延伸约为功率元件100长度1.5倍，宽度1.5倍的的区域内，且有效导热区域230的截面面积与功率元件100的功率成正比。
散热器300例如为散热鳍片，并热接触于导热层200有效导热区域230内的放热面220。
致冷芯片400为主动散热元件。这些致冷芯片400嵌设于导热层200的有效导热区域230内，并直接热接触于功率元件100。致冷芯片400部分覆盖功率元件100，使功率元件100同时热接触于导热层200与致冷芯片400。如此一来，当致冷芯片400运转时可强迫功率元件100快速降温，使功率元件100的工作温度降低至高效率的工作温度上限值以下。当致冷芯片400非运转时，又可通过导热层200传导至散热器300来进行散热。
此外，致冷芯片400在运转时虽可强迫功率元件100在短时间内快速降温。但需注意到的是，致冷芯片400在运转时会一并增加热量而增加散热器300的负担。并且，致冷芯片400在停止运转时，其导热效果远小于导热层200，使得非运转状态下的致冷芯片400严然形成一热阻层而阻碍了功率元件100的散热。因此，如图2所示，在本实施例中，特别界定致冷芯片400正交投影至吸热面210的投影面与有效导热区域230正交投影至吸热面210的投影面的面积比值介于0.15至0.58之间，进而可避免因致冷芯片400与导热层200的有效导热区域230间的比例搭配不当，使得致冷芯片400反而阻碍了功率元件100的热能传递的状况发生。
再者，如图2所示，致冷芯片400的数量为多个。这些致冷芯片400彼此相分离，且这些功率元件100的数量对应于这些致冷芯片400的数量。这些致冷芯片400正交投影至吸热面210的投影面和这些功率元件100正交投影至吸热面210的投影面至少部分重叠。上述所谓的对应是指可如本实施例的每一个功率元件100搭配四个致冷芯片400，但并不以此为限，在其他实施例中，每一个功率元件100也可以仅搭配一个致冷芯片400。
请参阅图3与图4。图3为根据本发明一实施例所述的功率散热装置的剖视示意图。图4为根据本发明一实施例所述的功率散热装置的剖视示意图。图3与图4的实施与上述图1的实施例相似，故仅针对相异处进行说明。
如图3所示，每一个功率元件100搭配一个致冷芯片400，且致冷芯片400与功率元件100无直接热接触，也就是说，功率元件100与导热层200的吸热面210热接触，而致冷芯片400与导热层200的吸热面210相分离而与功率元件100保持间距。
如图4所示，每一个功率元件100搭配四个致冷芯片400，且每个致冷芯片400与功率元件100无直接热接触。也就是说，功率元件100与导热层200的吸热面210热接触，而致冷芯片400与导热层200的吸热面210相分离而与功率元件100保持间距。
请参阅图5。图5为一实施例的功率散热装置的散热控制系统的方框示意图。
致冷芯片400的开启或关闭是由一致冷芯片控制模块500控制。致冷芯片控制模块500连接一马达控制模块20与一车辆控制模块40。马达控制模块20包含一马达驱控器22、一电流感测器24、一电压感测器26及一转速感测器28。马达驱控器22用以驱控一马达装置30。电流感测器24、电压感测器26及转速感测器28用以感测马达装置30，以感测马达装置30的电流信息、电压信息及转速信息。车辆控制模块40用以撷取马达装置30的扭力信息。
通过上述散热控制系统进行功率散热装置10的散热控制方法有多种方式，在此举例三种方式。第一种方式为通过马达输出功率的监控来决定致冷芯片400开启的时机。控制步骤首先为通过转速感测器28与车辆控制模块40感测马达装置30的一马达转速信息及一马达扭力信息。接着，致冷芯片控制模块500依据马达转速信息与马达扭力信息计算出马达输出功率。接着，当马达输出功率大于一预设输出功率时，则控制致冷芯片400开始启动，以迫使功率元件100的工作温度降至高效率的工作温度上限值以下。接着，当马达输出功率小于预设输出功率时，则控制致冷芯片400关闭。
第二种方式为通过马达输出电流的监控来决定致冷芯片400开启的时机。控制步骤首先为通过电流感测器24感测马达装置30的一马达输出电流。接着，当马达输出电流大于一预设输出电流时，则控制致冷芯片400开启，以迫使功率元件100的工作温度降至高效率的工作温度上限值以下。接着，当马达输出电流小于预设输出电流时，则控制致冷芯片400关闭。
第三种方式为通过马达输出的扭力监控来决定致冷芯片400开启的时机。控制步骤首先为通过车辆控尝模块40感测马达装置30的一马达输出扭力。接着，当马达输出扭力大于一预设输出扭力时，则控制致冷芯片400开启，以迫使功率元件100的工作温度降至高效率的工作温度上限值以下。接着，当马达输出扭力小于预设输出扭力时，则控制致冷芯片400关闭。
根据上述本发明所揭露的功率散热装置及其散热控制方法，导热层与致冷芯片混合搭配，使得功率元件的工作温度高于高效率的工作温度上限值时，可暂时开启致冷芯片来迫使功率元件降温，而当功率元件的工作温度降回至高效率的温度范围内时，则又可关闭致冷芯片。上述依据功率元件的状态来选择致冷芯片开启的时机除了有助于降低能量损耗外，更能避免致冷芯片长期开启而额外产生热源。这些热源将会造成散热鳍片的散热负担，从长期来看，将有可能重新导致功率元件的温度升高，进而降低功率元件的效能。
此外，致冷芯片正交投影至吸热面的投影面与有效导热区域正交投影至吸热面的投影面的面积比值介于0.15至0.58之间，可避免因致冷芯片与导热层的有效导热区域间的比例搭配不当，使得致冷芯片反而阻碍了功率元件的热能传递的状况发生。
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 (20)

1.一种功率散热装置，其特征在于，包含：
一导热层，具有相对的一吸热面及一放热面；
一散热器，该散热器热接触于该导热层的该放热面；以及
至少一致冷芯片，该致冷芯片嵌设于该导热层；
其中该导热层具有一有效导热区域，且该致冷芯片投影至该吸热面的投影面与该有效导热区域正交投影至该吸热面的投影面的面积比值介于0.15至0.58之间。
2.根据权利要求1所述的功率散热装置，其特征在于，该至少一致冷芯片的数量为多个，且该些致冷芯片彼此相分离。
3.根据权利要求1所述的功率散热装置，其特征在于，该导热层上设置至少一个功率元件，该导热层的该吸热面热接触于该功率元件，该些功率元件的数量对应于该些致冷芯片的数量。
4.根据权利要求3所述的功率散热装置，其特征在于，该些致冷芯片正交投影至该吸热面的投影面和该些功率元件正交投影至该吸热面的投影片至少部分重叠。
5.根据权利要求3所述的功率散热装置，其特征在于，该致冷芯片与该功率元件直接热接触。
6.根据权利要求3所述的功率散热装置，其特征在于，该致冷芯片与该功率元件分离。
7.根据权利要求6所述的功率散热装置，其特征在于，该致冷芯片与该导热层的该吸热面及该导热层的该放热面皆相分离。
8.根据权利要求3所述的功率散热装置，其特征在于，该有效导热区域的定义为该导热层中温度高于该功率元件最高温度的35％以上的部分。
9.根据权利要求8所述的功率散热装置，其特征在于，该有效导热区域的范围为自该功率元件的发热中心点向四周延伸功率元件长度1.5倍，宽度1.5倍的区域内，且该有效导热区域的截面面积与该功率元件的功率成正比。
10.根据权利要求3所述的功率散热装置，其特征在于，该功率元件具有一发热面，该功率元件以该发热面热接触于该导热层的该吸热面。
11.根据权利要求3所述的功率散热装置，其特征在于，该功率元件为一晶体管。
12.根据权利要求1所述的功率散热装置，其特征在于，该导热层为一铝基板，该散热器为一散热鳍片。
13.根据权利要求1所述的功率散热装置，其特征在于，该致冷芯片开启的时间为当一马达输出电流大于一预设输出电流时、当一马达输出扭力大于一预设输出扭力时或当一马达输出功率大于一预设输出功率时。
14.一种散热控制方法，其特征在于，包含：
获得一马达装置的一马达输出电流；以及
当该马达输出电流大于一预设输出电流时，则控制一致冷芯片开启。
15.根据权利要求14所述的散热控制方法，其特征在于，更包含当该马达输出电流小于该预设输出电流时，则控制该致冷芯片关闭。
16.一种散热控制方法，其特征在于，包含：
获得一马达装置的一马达输出扭力；以及
当该马达输出扭力大于一预设输出扭力时，则控制一致冷芯片开启。
17.根据权利要求16所述的散热控制方法，其特征在于，更包含当该马达输出扭力小于该预设输出扭力时，则控制该致冷芯片关闭。
18.一种散热控制方法，其特征在于，包含：
获得一功率元件的一马达输出功率；以及
当该马达输出功率大于一预设输出功率时，则控制一致冷芯片开启。
19.根据权利要求18所述的散热控制方法，其特征在于，更包含当该马达输出功率小于该预设输出功率时，则控制该致冷芯片关闭。
20.根据权利要求18所述的散热控制方法，其特征在于，获得该马达输出功率的步骤更包含：
感测一马达装置的一马达转速信息及一马达扭力信息；以及
依据该马达转速信息与该马达扭力信息计算出该马达输出功率。
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