TWI525300B - 功率模組用複合式散熱器組件 - Google Patents

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TWI525300B
TWI525300B TW101116493A TW101116493A TWI525300B TW I525300 B TWI525300 B TW I525300B TW 101116493 A TW101116493 A TW 101116493A TW 101116493 A TW101116493 A TW 101116493A TW I525300 B TWI525300 B TW I525300B
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Description

功率模組用複合式散熱器組件
本發明涉及一種散熱裝置,特別是涉及一種將金屬實體散熱器與熱管散熱器組合在一起之功率模組用複合式散熱器組件。
隨著電子技術的快速發展,功率模組的功率密度越來越高,功率模組快速頻繁地在導通和關斷之間切換時,往往產生的熱量也越來越大,為了保證功率模組的正常工作,必須及時有效地將熱能散掉。因為若不能及時快速地將功率模組產生的熱量散除,會導致功率模組溫度的升高,輕則造成效能降低,縮短使用壽命,重則會導致功率模組的失效或炸管。因此散熱問題一直困擾著功率模組封裝廠和功率模組使用者,高效散熱技術一直是電子業界積極研發的重點之一。
目前,大功率SVG(靜止無功發生器)、MVD(中高壓變頻器)、UPS(不間斷電源)以及風電變流器等的功率模組(功率模組是功率電子電力器件按一定的功能組合再灌封成一個模組)主要由IGBT(絕緣柵雙極型電晶體)器件所組成,常規的散熱方式是採用實體金屬散熱器,請參閱第一圖,第一圖係為為現有技術的技術實體散熱器結構示意圖,如圖所示,將功率模組10固定在散熱器基板20的一側,散熱器基板20的另一側為複數 個散熱片組成的散熱片組30,散熱器基板20與散熱片組30的結合方式是採用擠壓成型的一體結構,或是插片式結構,或是焊接結構。為了使功率模組10產生的熱能有效傳致散熱片組30再散發到空氣中,要求功率模組10在散熱器基板20上的分佈合理,使散熱基板30的溫度相對較均勻,以提高散熱器效率,但由此帶來功率模組10之間有較大距離,電氣連接距離的增大,漏電感增大,導致效率較低、對功率模組10性能和壽命有不利影響。特別是對多個IGBT的並聯拓撲更為不利。且對於大功率之功率模組,其熱流密度大,用常規的金屬實體散熱方式已無法解決散熱問題。
綜觀以上所述,本發明所欲解決的技術問題是針對功率模組採用常規的散熱方式無法解決的散熱問題,提供一種功率模組用複合式散熱器組件,以提高功率模組的散熱效率。
本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係提供一種功率模組用複合式散熱器包含:一基板、一第一散熱單元及一第二散熱單元。該基板的一側面上設置至少一個功率模組。該第一散熱單元為由複數個間隔排列的第一散熱片構成的一第一散熱片組,該第一散熱片組位於該基板的另一側面上;該第二散熱單元包括複數根熱管與一第二散熱片組,各熱管包括一蒸發段、一絕熱段和一冷凝段,該蒸發段設於該基板內且靠近該些功率模組,該絕熱段位於該蒸發段和該冷凝段之間,包括自該蒸發段末端向上延伸的一延伸部和自該延伸部的末端彎折的一彎折部;該第二散熱片組設置在該些熱管的該冷凝段上,且該第二散熱片組由複數個第二散熱片組成。
其中較佳者,該延伸部與該第一散熱片組之間具有間隔。並且該第一散熱片組與該基板結合為金屬實體散熱器,且該些第一散熱片與該基板的結合方式採用一體結構的擠壓型式、插片結構的插片式或焊片結構的焊接式。此外,該些熱管中每相鄰兩根熱管的延伸部長度不同,並且該冷凝段以差排的方式穿過該第二散熱片組,而該些熱管為L形結構,且該些熱管的折彎角度為直角或鈍角。
在本發明另一較佳實施例中,該基板上的功率模組為複數個時,根據散熱功率大小和功率模組的尺寸,每一功率模組對應一根或多根熱管。
在本發明另一較佳實施例中,更包括一風扇和一風道,該風扇位於該第一散熱片組的一側,或位於該第二散熱片組的一側,且該風扇產生的氣流通過該風道吹向該第一散熱片組和該第二散熱片組。
其中,該風道係由包圍住該第一散熱片組和該第二散熱片組的導流板圍合而成,且該風扇產生的氣流通過該風道沿該第一散熱片組之間的間隙吹向該第二散熱片組。
而在本發明另一較佳實施例中,該風道係由包圍住該第一散熱片組和該第二散熱片組的導流板圍合而成,且該風扇產生的氣流通過該風道沿該第二散熱片組的間隙吹向該第一散熱片組。
進一步地,於本發明另一較佳實施例中,提供一種功率模組用複合式散熱器組件,其包括兩個相對向設置的功率模組用複合式散熱器,兩個功率模組用複合式散熱器的第一散熱片組並排設置位於該基板的內側,且其中一功率模組用複合式散熱器的該些熱管的該冷凝段與該第一散熱片組之間的間隔距離,皆大於另一功率模組用複合式散熱器的該些熱管的該冷凝段與該第一散熱片組之間的間隔距離。
其中較佳者,該第一散熱單元與該基板結合為金屬實體散熱器,且該些第一散熱片與基板的結合方式採用一體結構的擠壓型式、插片結構的插片式或焊片結構的焊接式。此外,該些多根熱管中每相鄰兩根熱管的延伸部長度不同,並且冷凝段以差排的方式穿過第二散熱片組。並且該些熱管為L形結構,且熱管的折彎角度為直角或鈍角。
在本發明另一較佳實施例中,當該基板上的功率模組為複數個時,根據散熱功率大小和功率模組的尺寸,每一功率模組對應一根或多根熱管。
在本發明另一較佳實施例中,還包括一風扇和一風道,該風扇位於該第一散熱片組的一側,或該第二散熱片組一側,且該風扇產生的氣流通過該風道吹向該第一散熱片組和該第二散熱片組。
其中,該風道由同時包圍住該二複合式散熱器的第一散熱片組和第二散熱片組的導流板圍合而成,且該風扇產生的氣流通過該風道沿該些第一散熱片組之間的間隙吹向所述該些第二散熱片組。
而在本發明另一較佳實施例中,該風道由同時包圍住該二個功率模組用複合式散熱器的第一散熱片組和第二散熱片組的導流板圍合而成,且該風扇產生的氣流通過該風道沿該些第二散熱片組之間的間隙吹向該些第一散熱片組。
從以上述可知,本發明之功效在於,第一散熱單元和第二散熱單元共用同一個基板,第一散熱單元與基板構成金屬實體散熱器,第二散熱單元與基板構成熱管散熱器,熱管的冷凝段和其上的第二散熱片組位於金屬實體散熱器的上方,通過這樣的結構設置,使得功率模組用複合式散熱器由實體散熱器和熱管散熱器兩部分組成,從而將實體散熱器之可靠穩定且熱容大的優點,以及熱管散熱器散熱面積大、導熱快與結構緊湊的優點結合在一起,功率模組固定在基板上使得整個功率模組用複合式散熱器結構緊湊、體積小、重量輕以及散熱效率高。
本發明所採用的具體實施例,將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。
本發明所提供之一種功率模組用複合式散熱器及功率模組用複合式散熱器組件,其實施方式不勝枚舉,致使本發明可依照多種形式而加以實施,故在此不再一一贅述,僅列舉其中幾個較佳實施例來加以具體說明。
本發明的功率模組用複合式散熱器適合於大功率、高熱流密度、且將功率模組緊密佈置在一起的SVG、MVD、UPS、風電變流器等功率模組散熱用。
請參閱第二圖至第五圖,第二圖係為本發明一實施例功率模組用複合式散熱器的結構示意圖,第三圖係為第二圖中的功率模組用複合式散熱器的右視圖,第四圖係為第二圖中的功率模組用複合式散熱器的左視圖,第五圖係為第二圖中的A-A剖視圖;本發明的功率模組用複合式散熱器100包括基板2、第一散熱單元3和第二散熱單元4,三個功率模組1a、1b、1c於基板2的一側面上,第一散熱單元3位於基板2的另一側面上,其中,所述另一側面為與所述側面相對的面(見第二圖)。第一散熱單元3為由複數個間隔排列的第一散熱片31所構成的第一散熱片組,基板2與第一散熱片31的結合可為一體的擠壓結構、焊接結構或插片結構,且第一散熱片31的材質可以是銅或鋁,這樣,第一散熱單元3可與基板2構成實體散熱器。
第二散熱單元4包括六根熱管41、43、44、45、46、47,各熱管具有相同的結構,以其中的熱管41為例進行介紹:熱管41包括蒸發段411、絕熱段413和冷凝段412,蒸發段411設於基板2內且靠近功率模組1a設置,蒸發段411可減小基板2的擴散熱阻,使基板2溫度均勻,提高實體散熱器的效率和散熱能力,絕熱段413位於蒸發段411和冷凝段412之間,包括自蒸發段411末端向上延伸的延伸部和自延伸部末端彎折的彎折部,冷凝段412位於第一散熱片組的上方,與蒸發段411呈直角或鈍角,較佳地,冷凝段412與蒸發段411之間的夾角為90~120度,以使熱管41整體為L形,冷凝段412上設置有第二散熱片組42,且與第一散熱片組之間具有間隔,也就是說,第二散熱片組42與第一散熱片組不接觸,以便構成後面敍述的功率模組用複合式散熱器100。第二散熱單元4採用上述結構後可與基板2構成熱管散熱器。
上述結構的功率模組用複合式散熱器100可看成是由實體散熱器和熱管散熱器複合而成,且實體散熱器和熱管散熱器共用同一個基板2。在將實體散熱器和熱管散熱器採用如第二圖所示的方式設置於三個功率模組1a、1b、1c的左側時,熱管散熱器實際上是位於實體散熱器的上方。其具有如下優點:將實體散熱器可靠穩定且熱容大的優點以及熱管散熱器散熱面積大,導熱快,結構緊湊的優點結合在一起;三個功率模組1a、1b、1c固定在基板2上,使本發明結構緊湊、體積小、重量輕與散熱效率高。且實體散熱器和熱管散熱器熱管位於基板2的同一側面,此處的側面為左側或右側時,基板2內埋入的各熱管之蒸發段相對水平面垂直設置,且各熱管之冷凝段與水平面有一定傾斜角度,以使各熱管內工作液體回流容易,無死區不易沈積工作液體。
在實際使用中,各熱管內的工作液體可以是水、丙酮、液氨、乙醇或R134a製冷劑;各熱管的材料可以是銅或鋁;且各熱管的蒸發段的形狀可以是圓管狀、平板狀或矩形;各熱管的管徑彼此可以為相同管徑或是不同管徑;各熱管埋入基板2的深度(即各蒸發段的長度)可以相同也可以不同;各熱管可採用重力熱管、溝槽式熱管、燒結熱管或絲網熱管,為了降低成本,優選重力熱管。並且,各熱管可以是套設入基板2內,也可以是嵌入基板2內,各熱管與基板2的結合方式亦可採用機械緊配、導熱膠粘結或焊接。
第二散熱片組42係由複數個間隔穿設在冷凝段上的第二散熱片組成以提高散熱效率,而在第三圖與第四圖中,僅繪製最外側與最內側之散熱片,並以遠離該視角之第二散熱片以虛線表示之,每一第二散熱片上具有複數個通孔421、422,複數個通孔421、422用於與各熱管的冷凝段配合,且各熱管的冷凝段以差排的方式穿過第二散熱片組42,其中,第二散熱片組42與各熱管的結合方式可以是機械壓緊,也可以是焊接。較佳地,複數個第二散熱片在冷凝段上的排列方向a(如第二圖中的箭頭a所指)與第一散熱片31在基板2上的排列方向b(如第四圖中的箭頭b所指)相異。通過這樣的結構,由於熱管具有熱超導特性,能以很小的溫差和熱阻快速將三個功率模組1a、1b、1c產生的大量熱傳導至複數個第二散熱片構成的第二散熱片組42,提高了散熱器的效率。另外,由於基板2內部的各熱管之蒸發段鄰近設置於三個功率模組1a、1b、1c,可使三個功率模組1a、1b、1c產生的熱以最短路徑導入熱管,減小了三個功率模組1a、1b、1c到熱管的導熱熱阻。還有,各第二散熱片彼此之間距小,單位體積散熱面積大,散熱效率高。
在實際使用中,可根據散熱功率的大小和熱阻的要求,增加熱管的數量以及熱管上第二散熱片的寬度和數量,熱管在第二散熱片上的位置採用並排或三角形排列佈局,使第二散熱片上溫度較均勻,以提高散熱能力。
請進一步參閱第二圖至第四圖,如圖所示,各功率模組對應兩根熱管,其中功率模組1a對應熱管41(視為第一熱管)和熱管43(視為第二熱管)、功率模組1b對應熱管44(視為第一熱管)和熱管45(視為第二熱管),功率模組1c對應熱管46(視為第一熱管)和熱管47(視為第二熱管),其中,熱管41的冷凝段412與熱管43的冷凝段位於不同平面上,熱管44的冷凝段與熱管45的冷凝段位於不同平面上,熱管46的冷凝段與熱管47的冷凝段位於不同平面上,熱管41的冷凝段412、熱管44的冷凝段412和熱管46的冷凝段位於同一平面上,熱管43的冷凝段、熱管45的冷凝段和熱管47的冷凝段位於同一平面上,即每一功率模組對應的第一熱管的冷凝段與第二熱管的冷凝段位於不同平面上,且該些第一熱管的冷凝段位於同一平面上,該些第二熱管的冷凝段位於同一平面上,並且,各熱管的管徑還可根據各自對應的功率模組的損耗進行確定,以便於有效散出熱量,且使各功率模組的溫度基本一致。各功率模組間可以緊靠在一起,特別是並聯的IGBT功率模組,以縮短母排連接距離,減小漏電感等不利影響。
在實際使用中還可採用以下結構:基板2上的功率模組為複數個,每一功率模組對應一根熱管,且各功率模組所對應的熱管的冷凝段位於不同平面上。
請配合第二圖一同參閱第六圖,第六圖係為本發明另一實施例功率模組用複合式散熱器的結構示意圖,功率模組用複合式散熱器100a還包括一風扇5和一風道6,風扇5位於第一散熱單元3的一側,且風扇5產生的氣流通過風道6吹向第一散熱片組和第二散熱片組42。實際應用中,風扇5可位於第一散熱片組的下側,風道6可由包圍住第一散熱單元3的導流板7圍合而成,且風扇5產生的氣流通過風道6沿第一散熱片組之間的間隙(此處的間隙是指第一散熱片31之間的間隙)吹向所述第二散熱片組42;或者風扇5可位於第二散熱片組42的上側,風道6可由包圍住第一散熱單元3的導流板7圍合而成,且風扇5產生的氣流通過風道6沿第二散熱片組42之間的間隙(此處的間隙是指第二散熱片之間的間隙)吹向第一散熱單元3。有關風扇5的安裝及風道6的設置方式是本領域的公知常識,如利用一安裝架將風扇5安裝至功率模組用複合式散熱器的下方或者上方,風道6只要設置為能將散熱氣流吹向第一散熱片組和熱管冷凝段上第二散熱片組42即可,因此,在此對其不多做贅述。
在功率模組用複合式散熱器100a之實際運作上,各功率模組產生的熱一部分通過基板2傳導給基板2另一側的第一散熱片組,冷空氣從第一散熱片組間流過帶走熱量;另一部分熱量則傳給各熱管的蒸發段,被各熱管的蒸發段內的工作液體吸收,工作液體吸熱蒸發轉換成蒸汽相,蒸汽沿熱管內部腔體通過各熱管的絕熱段快速流到各熱管的冷凝段,在各熱管的冷凝段內放出熱量而冷凝轉換成液相,冷凝後的工作液體沿熱管壁面流回到各熱管的蒸發段進行下一次迴圈,而蒸汽在各熱管的冷凝段放出的熱量通過各熱管壁面傳導給第二散熱片組42,冷空氣流過第二散熱片組42表面以對流的方式帶走熱量,從而實現將各功率模組散熱的目的。
參閱第七圖,第七圖係為本發明另一實施例功率模組用複合式散熱器組件的結構示意圖,本發明進一步提供一種功率模組用複合式散熱器組件100b,其包括兩個相對向設置的功率模組用複合式散熱器200、300,各功率模組用複合式散熱器具有與前述實施例中的功率模組用複合式散熱器100a相似的結構,由於功率模組用複合式散熱器100a在前面已經有詳細的介紹,以下就對兩個功率模組用複合式散熱器200、300的具體組合方式加以介紹。如第七圖所示,兩個功率模組用複合式散熱器200、300的第一散熱片組並排設置位於各自之基板22、32的內側,功率模組用複合式散熱器300中的所有熱管的冷凝段與其第一散熱單元33之間的間隔距離皆大於功率模組用複合式散熱器200中的所有熱管的冷凝段與其第一散熱單元23之間的間隔距離,通過這樣的設置,以使功率模組用複合式散熱器300的熱管之冷凝段及第二散熱片組34位於功率模組用複合式散熱器200的熱管之冷凝段及第二散熱片組24的上方。此外,在本實施例中尚包含風扇和風道6a,且兩個功率模組用複合式散熱器200、300共用一個風扇(風扇在第七圖中未示出)和一個風道6a,而風道6a由同時包圍住兩個功率模組用複合式散熱器200、300的第一散熱單元53、33和第二散熱片組24、34的導流板7a圍合而成,風扇(風扇在第七圖中未示出)位於兩個第一散熱單元23、33的一側,對於熱管相對水平面豎直設置的情況下,風扇位於兩個第一散熱單元23、33的上側或下側,以便產生的氣流通過風道6a沿第一散熱片組之間的間隙吹向第二散熱片組24、34或通過風道6a沿第二散熱片組24、34之間的間隙吹向第一散熱片單元23、33。
也就是說,功率模組用複合式散熱器組件100b由兩個功率模組用複合式散熱器200、300背靠背組合在一起。冷卻空氣流從下往上(或者從上往下)流過的第一散熱單元23、33和第二散熱片組24、34,帶走熱量而達到散熱目的。其除了具有上述的單一功率模組用複合式散熱器的優點外,由於兩個功率模組用複合式散熱器200、300共用一個風道6a,共用一個風扇,空間利用率更高,結構更為緊湊。
當然,本發明還可有其他多種實施例,在不背離本發明精神及其實質的情況下,熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形,但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
10、1a、1b、1c...功率模組
20...散熱器基板
30...散熱片組
100、100a、200、300...功率模組用複合式散熱器
100b...功率模組用複合式散熱器組件
2、22、32...基板
3、23、33...第一散熱單元
31...第一散熱片
4...第二散熱單元
41、43、44、45、46、47...熱管
411...蒸發段
412...冷凝段
413...絕熱段
24、34、42...第二散熱片組
421...通孔
422...通孔
5...風扇
6、6a...風道
7、7a...導流板
a、b...排列方向
第一圖係為現有技術的技術實體散熱器結構示意圖;
第二圖係為本發明一實施例功率模組用複合式散熱器的結構示意圖;
第三圖係為第二圖中的功率模組用複合式散熱器的右視圖;
第四圖係為第二圖中的功率模組用複合式散熱器的左視圖;
第五圖係為第二圖中的A-A剖視圖;
第六圖係為本發明另一實施例功率模組用複合式散熱器的結構示意圖;以及
第七圖係為本發明另一實施例功率模組用複合式散熱器組件的結構示意圖。
100a...功率模組用複合式散熱器
1a...功率模組
2...基板
3...第一散熱單元
4...第二散熱單元
5...風扇
6...風道
7...導流板

Claims (8)

  1. 一種功率模組用複合式散熱器組件,包括二相對向設置的功率模組用複合式散熱器、一風扇和一風道,該二功率模組用複合式散熱器共用該風扇和該風道,每一功率模組用複合式散熱器包括:一基板,該基板的一側面上設置至少一功率模組;一第一散熱單元,為由複數個間隔排列的第一散熱片構成的一第一散熱片組,該第一散熱片組位於該基板的另一側面上;以及一第二散熱單元,包括複數根熱管和一第二散熱片組,各熱管包括一蒸發段、一絕熱段和一冷凝段,該些熱管的該蒸發段設於該基板內且靠近該些功率模組;該些熱管的該絕熱段位於該蒸發段和該冷凝段之間,包括自該蒸發段末端向上延伸的一延伸部和自該延伸部末端彎折的一彎折部;該第二散熱片組設置在該熱管的該冷凝段上,且該第二散熱片組由複數個第二散熱片組成;其中,該二功率模組用複合式散熱器的該第一散熱片組係並排設置位於各自之基板的內側,且其中一功率模組用複合式散熱器的該些熱管的該冷凝段與該第一散熱片組之間的間隔距離皆大於另一功率模組用複合式散熱器的該些熱管的該冷凝段與該第一散熱片組之間的間隔距離;該風道由同時包圍住該二功率模組用複合式散熱器的該第一散熱片組和該第二散熱片組的導 流板圍合而成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組用功率模組用複合式散熱器組件,該第一散熱單元與該基板結合為金屬實體散熱器,且該些第一散熱片與該基板的結合方式採用一體結構的擠壓型式、插片結構的插片式或焊片結構的焊接式。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組用複合式散熱器組件,該第二散熱單元的該些熱管,每相鄰兩根熱管的延伸部長度不同,並且該冷凝段以差排的方式穿過該第二散熱片組。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之功率模組用複合式散熱器組件,該些熱管為L形結構,且折彎角度為直角或鈍角。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組用複合式散熱器組件,該基板上的功率模組為複數個時,根據散熱功率大小和功率模組的尺寸,每一功率模組對應一根或多根熱管。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組用複合式散熱器組件,該風扇設置於該第一散熱片組的一側,或該第二散熱片組一側,且該風扇產生的氣流通過該風道吹向該些第一散熱片組和該些第二散熱片組。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之功率模組用複合式散熱器組件,該風扇產生的氣流通過該風道沿第一散熱片組之間的間隙吹向所述複數個第二散熱片組。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之功率模組用複合式散熱器組件,該風扇產生的氣流通過該風道沿該該第二散熱片組之間的間隙吹向該第一散熱片組。
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