TW201622314A - 功率散熱裝置及其散熱控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種功率散熱裝置包含一導熱層、一散熱器及至少一致冷晶片。導熱層具有相對的一吸熱面及一放熱面。散熱器熱接觸於導熱層之放熱面。致冷晶片嵌設於導熱層。其中，導熱層具有一有效導熱區域，且有效導熱區域正交投影至吸熱面之投影面與致冷晶片投影至吸熱面之投影面的面積比值介於0.15至0.58之間。

Description

功率散熱裝置及其散熱控制方法
本發明係關於一種散熱裝置，特別是一種功率散熱裝置及其散熱控制方法。
近幾年來，電動車動力系統朝向大功率輸出、小體積的方向發展，以應用於車輛空間有限之車型。為了因應上述之需求，應用於電動車動力系統之驅控器則需朝向高功率密度的方向發展。
現今在設計高功率密度之驅控器的散熱系統時，除了會考量額定功率輸出外，亦會考量峰值輸出之熱損失。高功率密度之驅控器在峰值輸出時所產生之熱量大於在額定功率輸出時所產生之熱量。因此，高功率密度之驅控器的散熱系統皆直接依據峰值輸出下所產生之熱量來進行散熱設計，以避免高功率密度之驅控器燒毀。然而，車輛在平常行駛狀況下，高功率密度之驅控器的實際功率輸出多低於額定輸出，導致散熱系統的散熱效能大於需求散熱效能而造成效益上的浪費。但若高功率密度之驅控器的散熱系統是依據平常狀況(低於額定輸出)下所產生之熱量來進行散熱設計，則當功率元件處於峰值輸出時，散熱系統又無法負荷而讓驅控器有燒毀之可能性。因此，如何兼顧驅控器於額定輸出下與峰值輸出下的散熱需求，又可避免浪費散熱器的效益，則為研發人員應解決的問題之一。
本發明在於提供一種功率散熱裝置及其散熱控制方法，藉以兼顧驅控器於額定輸出下與峰值輸出下的散熱需求，又可避免浪費散熱器的效益。
本發明所揭露的功率散熱裝置，包含一導熱層、一散熱器及至少一致冷晶片。導熱層具有相對的一吸熱面及一放熱面。散熱器熱接觸於導熱層之放熱面。致冷晶片嵌設於導熱層。其中，導熱層具有一有效導熱區域，且有效導熱區域正交投影至吸熱面之投影面與致冷晶片投影至吸熱面之投影面的面積比值介於0.15至0.58之間。
本發明所揭露的功率散熱裝置之散熱控制方法，包含獲得一馬達裝置之一馬達輸出電流。當馬達輸出電流大於一預設輸出電流時，則控制致冷晶片開啟。
本發明所揭露的功率散熱裝置之散熱控制方法，包含獲得一馬達裝置之一馬達輸出扭力。當馬達輸出扭力大於一預設輸出扭力時，則控制致冷晶片開啟。
本發明所揭露的功率散熱裝置之散熱控制方法，包含感測功率元件之一馬達輸出功率。當馬達輸出功率大於一預設輸出功率時，則控制致冷晶片開啟。
根據上述本發明所揭露的功率散熱裝置及其散熱控制方法，導熱層與致冷晶片混合搭配，使得功率元件之工作溫度高於高效率的工作溫度上限值時，可暫時開啟致冷晶片來迫使功率元件降溫，而當功率元件之工作溫度降回至高效率的溫度範圍內時，則又可關閉致冷晶片。上述依據功率元件之狀態來選擇致冷晶片開啟的時機除了有助於降低能量損耗外，更能避免致冷晶片 長期開啟而額外產生熱源。這些熱源將會造成散熱鰭片的散熱負擔，從長期來看，將有可能重新導致功率元件的溫度升高，進而降低功率元件的效能。
此外，致冷晶片正交投影至吸熱面之投影面與有效導熱區域正交投影至吸熱面之投影面的面積比值介於0.15至0.58之間，可避免因致冷晶片與導熱層之有效導熱區域間的比例搭配不當，使得致冷晶片反而阻礙了功率元件之熱能傳遞的狀況發生。
以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。
10‧‧‧功率散熱裝置
20‧‧‧馬達控制模組
22‧‧‧馬達驅控器
24‧‧‧電流感測器
26‧‧‧電壓感測器
28‧‧‧轉速感測器
30‧‧‧馬達裝置
40‧‧‧車輛控制模組
100‧‧‧功率元件
200‧‧‧導熱層
210‧‧‧吸熱面
220‧‧‧放熱面
230‧‧‧有效導熱區域
300‧‧‧散熱器
400‧‧‧致冷晶片
500‧‧‧致冷晶片控制模組
第1圖為根據本發明一實施例所述之功率散熱裝置的剖面示意圖。
第2圖為第1圖之功率散熱裝置的俯視示意圖。
第3圖為根據本發明一實施例所述之功率散熱裝置的剖面示意圖。
第4圖為根據本發明一實施例所述之功率散熱裝置的剖面示意圖。
第5圖為一實施例之功率散熱裝置之散熱控制系統的方塊示意圖。
請參閱第1圖與第2圖。第1圖為根據本發明一實施例所述之功率散熱裝置的剖面示意圖。第2圖為第1圖之功率散熱裝置的俯視示意圖。
本實施例之功率散熱裝置10包含一導熱層200、一散熱器300及多個致冷晶片400。
本實施例之功率散熱裝置10上設置一功率元件100，例如為電晶體，並具有一發熱面。此外，功率元件100例如具有一高效率的工作溫度上 限值。工作溫度低於高效率的工作溫度上限值時，功率元件100具有較高的工作效率，而工作溫度超過高效率的工作溫度上限值時，功率元件100的工作效率會下降，甚或當機。因此，當工作溫度達高效率的工作溫度上限值時，則必需啟動相關散熱機制來讓功率元件100之工作溫度降回高效率工作溫度上限值以下，詳細操作方式容後一併說明。。
導熱層200例如為鋁基板。導熱層200具有相對的一吸熱面210及一放熱面220。導熱層200之吸熱面210熱接觸於功率元件100。
此外，導熱層200具有一有效導熱區域230。有效導熱區域230的定義為導熱層200中溫度高於功率元件100最高溫度之35%以上的部分。詳細來說，有效導熱區域230的範圍，約為自功率元件100之發熱中心點向四周延伸約為功率元件100長度1.5倍，寬度1.5倍的的區域內，且有效導熱區域230之截面面積與功率元件100之功率成正比。
散熱器300例如為散熱鰭片，並熱接觸於導熱層200有效導熱區域230內之放熱面220。
致冷晶片400為主動散熱元件。這些致冷晶片400嵌設於導熱層200之有效導熱區域230內，並直接熱接觸於功率元件100。致冷晶片400部分覆蓋功率元件100，使功率元件100同時熱接觸於導熱層200與致冷晶片400。如此一來，當致冷晶片400運轉時可強迫功率元件100快速降溫，使功率元件100之工作溫度降低至高效率的工作溫度上限值以下。當致冷晶片400非運轉時，又可透過導熱層200傳導至散熱器300來進行散熱。
此外，致冷晶片400在運轉時雖可強迫功率元件100在短時間內快速降溫。但需注意到的是，致冷晶片400在運轉時會一併增加熱量而增加 散熱器300的負擔。並且，致冷晶片400在停止運轉時，其導熱效果遠小於導熱層200，使得非運轉狀態下的致冷晶片400嚴然形成一熱阻層而阻礙了功率元件100之散熱。因此，如第2圖所示，在本實施例中，特別界定致冷晶片400正交投影至吸熱面210之投影面與有效導熱區域230正交投影至吸熱面210之投影面的面積比值介於0.15至0.58之間，進而可避免因致冷晶片400與導熱層200之有效導熱區域230間的比例搭配不當，使得致冷晶片400反而阻礙了功率元件100之熱能傳遞的狀況發生。
再者，如第2圖所示，致冷晶片400的數量為多個。這些致冷晶片400彼此相分離，且這些功率元件100的數量對應於這些致冷晶片400的數量。這些致冷晶片400正交投影至吸熱面210的投影面和這些功率元件100正交投影至吸熱面210的投影面至少部分重疊。上述所謂的對應係指可如本實施例之每一個功率元件100搭配四個致冷晶片400，但並不以此為限，在其他實施例中，每一個功率元件100也可以僅搭配一個致冷晶片400。
請參閱第3圖與第4圖。第3圖為根據本發明一實施例所述之功率散熱裝置的剖面示意圖。第4圖為根據本發明一實施例所述之功率散熱裝置的剖面示意圖。第3圖與第4圖之實施與上述第1圖之實施例相似，故僅針對相異處進行說明。
如第3圖所示，每一個功率元件100搭配一個致冷晶片400，且致冷晶片400與功率元件100無直接熱接觸，也就是說，功率元件100與導熱層200之吸熱面210熱接觸，而致冷晶片400與導熱層200之吸熱面210相分離而與功率元件100保持間距。
如第4圖所示，每一個功率元件100搭配四個致冷晶片400，且 每個致冷晶片400與功率元件100無直接熱接觸。也就是說，功率元件100與導熱層200之吸熱面210熱接觸，而致冷晶片400與導熱層200之吸熱面210相分離而與功率元件100保持間距。
請參閱第5圖。第5圖為一實施例之功率散熱裝置之散熱控制系統的方塊示意圖。
致冷晶片400的開啟或關閉係由一致冷晶片控制模組500控制。致冷晶片控制模組500連接一馬達控制模組20與一車輛控制模組40。馬達控制模組20包含一馬達驅控器22、一電流感測器24、一電壓感測器26及一轉速感測器28。馬達驅控器22用以驅控一馬達裝置30。電流感測器24、電壓感測器26及轉速感測器28用以感測馬達裝置30，以感測馬達裝置30之電流資訊、電壓資訊及轉速資訊。車輛控制模組40用以擷取馬達裝置30之扭力資訊。
透過上述散熱控制系統進行功率散熱裝置10之散熱控制方法有多種方式，在此舉例三種方式。第一種方式為透過馬達輸出功率的監控來決定致冷晶片400開啟的時機。控制步驟首先為透過轉速感測器28與車輛控制模組40感測馬達裝置30之一馬達轉速資訊及一馬達扭力資訊。接著，致冷晶片控制模組500依據馬達轉速資訊與馬達扭力資訊計算出馬達輸出功率。接著，當馬達輸出功率大於一預設輸出功率時，則控制致冷晶片400開始啟動，以迫使功率元件100之工作溫度降至高效率的工作溫度上限值以下。接著，當馬達輸出功率小於預設輸出功率時，則控制致冷晶片400關閉。
第二種方式為透過馬達輸出電流的監控來決定致冷晶片400開啟的時機。控制步驟首先為透過電流感測器24感測馬達裝置30之一馬達輸出電流。接著，當馬達輸出電流大於一預設輸出電流時，則控制致冷晶片400開 啟，以迫使功率元件100之工作溫度降至高效率的工作溫度上限值以下。接著，當馬達輸出電流小於預設輸出電流時，則控制致冷晶片400關閉。
第三種方式為透過馬達輸出的扭力監控來決定致冷晶片400開啟的時機。控制步驟首先為透過車輛控嘗模組40感測馬達裝置30之一馬達輸出扭力。接著，當馬達輸出扭力大於一預設輸出扭力時，則控制致冷晶片400開啟，以迫使功率元件100之工作溫度降至高效率的工作溫度上限值以下。接著，當馬達輸出扭力小於預設輸出扭力時，則控制致冷晶片400關閉。
根據上述本發明所揭露的功率散熱裝置及其散熱控制方法，導熱層與致冷晶片混合搭配，使得功率元件之工作溫度高於高效率的工作溫度上限值時，可暫時開啟致冷晶片來迫使功率元件降溫，而當功率元件之工作溫度降回至高效率的溫度範圍內時，則又可關閉致冷晶片。上述依據功率元件之狀態來選擇致冷晶片開啟的時機除了有助於降低能量損耗外，更能避免致冷晶片長期開啟而額外產生熱源。這些熱源將會造成散熱鰭片的散熱負擔，從長期來看，將有可能重新導致功率元件的溫度升高，進而降低功率元件的效能。
此外，致冷晶片正交投影至吸熱面之投影面與有效導熱區域正交投影至吸熱面之投影面的面積比值介於0.15至0.58之間，可避免因致冷晶片與導熱層之有效導熱區域間的比例搭配不當，使得致冷晶片反而阻礙了功率元件之熱能傳遞的狀況發生。
雖然本發明的實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述的形狀、構造、特徵及數量當可做些許的變更，因此本發明的專利保護範圍須視本說明書所附的申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧功率散熱裝置
100‧‧‧功率元件
200‧‧‧導熱層
210‧‧‧吸熱面
220‧‧‧放熱面
230‧‧‧有效導熱區域
300‧‧‧散熱器
400‧‧‧致冷晶片

Claims (20)

  1. 一種功率散熱裝置，包含：一導熱層，具有相對的一吸熱面及一放熱面；一散熱器，該散熱器熱接觸於該導熱層之該放熱面；以及至少一致冷晶片，該致冷晶片嵌設於該導熱層；其中該導熱層具有一有效導熱區域，且該致冷晶片投影至該吸熱面之投影面與該有效導熱區域正交投影至該吸熱面之投影面的面積比值介於0.15至0.58之間。
  2. 如請求項1所述之功率散熱裝置，其中該至少一致冷晶片的數量為多個，且該些致冷晶片彼此相分離。
  3. 如請求項1所述之功率散熱裝置，其中該導熱層上設置至少一個功率元件，該導熱層之該吸熱面熱接觸於該功率元件，該些功率元件的數量對應於該些致冷晶片的數量。
  4. 如請求項3所述之功率散熱裝置，其中該些致冷晶片正交投影至該吸熱面的投影面和該些功率元件正交投影至該吸熱面的投影片至少部分重疊。
  5. 如請求項3所述之功率散熱裝置，其中該致冷晶片與該功率元件直接熱接觸。
  6. 如請求項3所述之功率散熱裝置，其中該致冷晶片與該功率元件分離。
  7. 如請求項6所述之功率散熱裝置，其中該致冷晶片與該導熱層之該吸熱面及該導熱層之該放熱面皆相分離。
  8. 如請求項3所述之功率散熱裝置，其中該有效導熱區域的定義為該導熱層中溫度高於該功率元件最高溫度之35%以上的部分。
  9. 如請求項8所述之功率散熱裝置，其中該有效導熱區域的範圍為自該功率元件之發熱中心點向四周延伸功率元件長度1.5倍，寬度1.5倍的區域內，且該有效導熱區域之截面面積與該功率元件之功率成正比。
  10. 如請求項3所述之功率散熱裝置，其中該功率元件具有一發熱面，該功率元件以該發熱面熱接觸於該導熱層之該吸熱面。
  11. 如請求項3所述之功率散熱裝置，其中該功率元件為一電晶體。
  12. 如請求項1所述之功率散熱裝置，其中該導熱層為一鋁基板，該散熱器為一散熱鰭片。
  13. 如請求項1所述之功率散熱裝置，其中該致冷晶片開啟之時間為當一馬達輸出電流大於一預設輸出電流時、當一馬達輸出扭力大於一預設輸出扭力時或當一馬達輸出功率大於一預設輸出功率時。
  14. 一種散熱控制方法，包含：獲得一馬達裝置之一馬達輸出電流；以及當該馬達輸出電流大於一預設輸出電流時，則控制一致冷晶片開啟。
  15. 如請求項14所述之散熱控制方法，更包含當該馬達輸出電流小於該預設輸出電流時，則控制該致冷晶片關閉。
  16. 一種散熱控制方法，包含：獲得一馬達裝置之一馬達輸出扭力；以及當該馬達輸出扭力大於一預設輸出扭力時，則控制一致冷晶片開啟。
  17. 如請求項16所述之散熱控制方法，更包含當該馬達輸出扭力小於該預設輸出扭力時，則控制該致冷晶片關閉。
  18. 一種散熱控制方法，包含： 獲得一功率元件之一馬達輸出功率；以及當該馬達輸出功率大於一預設輸出功率時，則控制一致冷晶片開啟。
  19. 如請求項18所述之散熱控制方法，更包含當該馬達輸出功率小於該預設輸出功率時，則控制該致冷晶片關閉。
  20. 如請求項18所述之散熱控制方法，其中獲得該馬達輸出功率的步驟更包含：感測一馬達裝置之一馬達轉速資訊及一馬達扭力資訊；以及依據該馬達轉速資訊與該馬達扭力資訊計算出該馬達輸出功率。
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