TWI572272B - 功率散熱裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種功率散熱裝置,特別是一種具致冷晶片的功率散熱裝置。
為使電動車動力系統朝向大功率輸出、小體積尺寸發展,以應用於各不同車型之有限之車輛空間,國際之驅控器發展持續朝向高功率密度方向發展。而驅控器之散熱系統,除考量額定功率輸出外,亦會考量峰值輸出之熱損失。但由車輛一般行駛之系統操作點觀之,可發現操作點多落於額定輸出(以下)之區域,在峰值輸出之操作極少。因此於一般操作狀態不需要進行高熱損失之散熱,導致散熱器設計過大而無實質應用效益。而功率模組在輸出變動時,其功率元件的溫度會短時間內增加,若高於功率元件所能承受的溫度限制則有燒毀之可能性。因此,目前的作法為將致冷晶片直接貼覆於功率元件。當致冷晶片運轉時,致冷晶片能夠直接對功率元件產生的熱量進行解熱,以快速地降低功率元件的溫度。
然而,致冷晶片在不運轉時反而會產生熱阻效應,即致冷晶片本身的熱傳導係數小,在不運轉時就會形成熱阻而使得功率元件所產生的熱難以傳導至散熱器。因此,如何發揮致冷晶片快速降溫的能力,又能夠降低致冷晶片的熱阻效應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,除了能夠發揮致冷晶片快速降溫的能力,又能夠降低致冷晶片的熱阻效應。
本發明所揭露之功率散熱裝置,包含一導熱層、一散熱器及至少一致冷晶片。導熱層具有一吸熱面及一放熱面。散熱器熱接觸於導熱層之放熱面,並於散熱器上形成一熱傳導區。致冷晶片嵌設於散熱器內,並位於熱傳導區周圍。致冷晶片具有一致冷面。致冷晶片之致冷面垂直於導熱層之吸熱面,且致冷面面向散熱器內的熱傳導區,以令致冷晶片能夠冷卻散熱器之熱傳導區之熱量。
根據上述實施例所揭露的功率散熱裝置,透過垂直設置的致冷晶片,讓致冷晶片除了能夠發揮致冷晶片快速降溫的能力,又能夠降低致冷晶片的熱阻效應。
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。
請參閱圖1。圖1為根據本發明第一實施例所述之功率散熱裝置的剖面示意圖。
本實施例之功率散熱裝置10包含一導熱層100、一散熱器300及多個致冷晶片400。功率散熱裝置10將一導熱層100上之功率元件200所產生的熱量進行散熱,以降低功率元件200的溫度。其中,功率元件200例如為一電晶體。
導熱層100例如為鋁基板。導熱層100具有相對的一吸熱面110及一放熱面120。
功率元件200疊設並電性連接於導熱層100之吸熱面110。功率元件200例如為電晶體。功率元件200例如具有一溫度安全值。當功率元件200之工作溫度在溫度安全值以下時,功率元件200具有較高的工作效率。而當功率元件200之工作溫度超過溫度安全值時,功率元件200的工作效率會下降,甚或當機。因此,可設計一溫度預設值為溫度安全值的80%,當工作溫度超過溫度預設值時,則驅動主動式散熱機制(如後所述之致冷晶片400)運轉。
散熱器300例如為散熱鰭片,並熱接觸於導熱層100之放熱面120。詳細來說,散熱器300包含一基部310及多個鰭片320。基部310之一端熱接觸於導熱層100之放熱面120。這些鰭片320凸出於基部之另一端。當功率元件200運轉時,功率元件200所產生之熱量經導熱層100會傳導至散熱器300,而於散熱器300上形成一熱傳導區S。所謂熱傳導區S的定義為散熱器300中傳導功率元件200之下方垂直發熱量的區域。假設功率元件200之發熱面的寬度與功率元件200之寬度相同,熱傳導區S的寬度D2約為功率元件200之寬度D1的110%至120%,一般來說,熱傳導區S的寬度D2大於功率元件200之寬度D1。
這些致冷晶片400嵌設於散熱器300之基部310內,並位於熱傳導區S周圍。詳細來說,在本實施例中,每一個功率元件200搭配兩個致冷晶片400,且這兩個致冷晶片400分別位於熱傳導區S之相對兩側。更進一步來說,致冷晶片400具有一致冷面410。致冷晶片400之致冷面410垂直於導熱層100之放熱面120,且致冷面410面向散熱器300之基部310內的熱傳導區S,以令致冷晶片400運轉時能夠冷卻散熱器300之基部310內的熱傳導區S之熱量。
在本實施例中,因致冷晶片400是位於散熱器300而非位於導熱層100,故可突破原本導熱層100的厚度限制,而增加致冷晶片400的尺寸或數量,進而增加功率散熱裝置10的散熱效能。
此外,與水平放置相比,垂直放置之致冷晶片400投影至放熱面120的投影面積較小,較不易阻擋熱量傳遞,故當致冷晶片400停止運轉時,可大幅降低致冷晶片400所造成的熱阻效應。
再者,本實施例之二致冷面410的間距D3是大於功率元件100的寬度D1。如此一來,可避免致冷晶片400運轉後所產生之廢熱又再次回傳功率元件200。
值得注意的是,本實施例之二致冷面410的間距D3是大於熱傳導區域S的寬度D2,使得二致冷面410是與熱傳導區域S保持一段距離,但並不以此為限,在其他實施例中,二致冷面410亦可以緊貼於熱傳導區域S,即二致冷面410與熱傳導區域相連,以進一步提升致冷晶片400對功率元件100的散熱效率。
請參閱圖2。圖2分別為傳統功率散熱器、致冷晶片橫擺之功率散熱器與圖1之功率散熱裝置,在運轉時各功率元件的時間溫度關係圖。其中,傳統功率散熱器係無裝設致冷晶片,即僅設置散熱器的狀況,而致冷晶片橫擺之功率散熱器是有裝設致冷晶片,且致冷晶片之致冷面是平行導熱層之放熱面的狀況。
從圖2中可知,在致冷晶片橫擺之功率散熱器中,致冷晶片運轉初期2秒內僅短暫時間有較低的降低功率元件的溫度,但時間約過60秒後,則功率元件的溫度卻會直線上升而降低功率元件的效能。但在本實施例之功率散熱裝置中,因垂直放置之致冷晶片400較不易阻擋熱量傳遞,故當致冷晶片400停止運轉時,可大幅降低致冷晶片400所造成的熱阻效應,進而避免發生功率元件之溫度直線上升的狀況。
在上述實施例中,每一個功率元件200搭配兩個致冷晶片400,且這兩個致冷晶片400分別位於熱傳導區S之相對兩側,但並不以此為限,請參閱圖3。圖3為根據本發明第二實施例所述之功率散熱裝置的剖面示意圖。在本實施例之功率散熱裝置10a中,每一個功率元件200搭配之致冷晶片400的數量僅為一個,並位於熱傳導區S之其中一側。
在上述第一及第二實施例中,散熱器300中僅設置一層致冷晶片400,但亦可設置至少一層致冷晶片400,請參閱圖4。圖4為根據本發明第三實施例所述之功率散熱裝置的剖面示意圖。在本實施例之功率散熱裝置10b中,散熱器300中設置三層致冷晶片400。詳細來說,三層致冷晶片400沿一垂直方向V(吸熱面110之法線N方向)排列,也就是說,三層致冷晶片400與吸熱面110在垂直方向V上保持相異距離D4、D5、D6。但三層致冷晶片400的層數並非用以限制本發明,舉例來說,散熱器300中設置之致冷晶片400的層數亦可以改為兩層或至少四層。
此外,在本實施例中,熱傳導區S之相對兩側皆設有致冷晶片400,但並不以此為限,在其他實施例中,也可以僅在熱傳導區S之其中一側設置致冷晶片400。
此外,在本實施例中,不同層的致冷晶片400彼此相分離,但並不以此為限,在其他實施例中,不同層的致冷晶片400也可以相連。
請參閱圖5。圖5為根據本發明第四實施例所述之功率散熱裝置的剖面示意圖。
本實施例之功率散熱裝置10c包含一導熱層100、一散熱器300、複數個第一致冷晶片400a及複數個第二致冷晶片400b,功率散熱裝置10c將導熱層100上之功率元件200所產生的熱量進行散熱,以降低功率元件200的溫度。
導熱層100例如為鋁基板。導熱層100具有相對的一吸熱面110及一放熱面120。
功率元件200例如為電晶體。功率元件200疊設並電性連接於導熱層100之吸熱面110。此外,功率元件200更具有相正交的一第一側邊210及一第二側邊220。
散熱器300例如為散熱鰭片,並熱接觸於導熱層100之放熱面120。詳細來說,散熱器300包含一基部310及多個鰭片320。基部310之一端熱接觸於導熱層100之放熱面120。這些鰭片320凸出於基部之另一端。
這些第一致冷晶片400a與這些第二致冷晶片400b皆嵌設於散熱器300之基部310內,並位於熱傳導區S周圍,為了清楚呈現圖式,圖5僅畫出於散熱器300其中兩個角落的致冷晶片,另兩個角落的致冷晶片未畫上。以其中一個角落進一步來說,在本實施例中,於散熱器300之每一個角落各搭配三個第一致冷晶片400a與三個第二致冷晶片400b。複數第二致冷晶片400b垂直於複數第一致冷晶片400a,且複數第一致冷晶片400a平行於功率元件200之第一側邊210,以及複數第二致冷晶片400b平行於功率元件200之第二側邊220。也就是說,在本實施例中,一個功率元件200搭配24個致冷晶片。
值得注意的是,上述散熱器300每一個角落所搭配之致冷晶片的數量僅為舉例說明,在其他實施例中,於散熱器300每一個角落所搭配之致冷晶片的數量為複數個,亦即可以改為兩個或至少四個。
此外,在本實施例中,散熱器300之各角度皆搭配設置致冷晶片,但並不以此為限,在其他實施例中,致冷晶片也可以僅設置於散熱器300之其中一個角落或其中兩個角落。
根據上述實施例所揭露的功率散熱裝置,透過垂直設置的致冷晶片,讓致冷晶片除了能夠發揮致冷晶片快速降溫的能力,又能夠降低致冷晶片的熱阻效應。
雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何熟習相像技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作些許之更動與潤飾,因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
10、10a、10b、10c‧‧‧功率散熱裝置
100‧‧‧導熱層
110‧‧‧吸熱面
120‧‧‧放熱面
200‧‧‧功率元件
210‧‧‧第一側邊
220‧‧‧第二側邊
300‧‧‧散熱器
310‧‧‧基部
320‧‧‧鰭片
400‧‧‧致冷晶片
410‧‧‧致冷面
400a‧‧‧第一致冷晶片
400b‧‧‧第二致冷晶片
S‧‧‧熱傳導區
N‧‧‧法線
V‧‧‧垂直方向
D1~D6‧‧‧距離
100‧‧‧導熱層
110‧‧‧吸熱面
120‧‧‧放熱面
200‧‧‧功率元件
210‧‧‧第一側邊
220‧‧‧第二側邊
300‧‧‧散熱器
310‧‧‧基部
320‧‧‧鰭片
400‧‧‧致冷晶片
410‧‧‧致冷面
400a‧‧‧第一致冷晶片
400b‧‧‧第二致冷晶片
S‧‧‧熱傳導區
N‧‧‧法線
V‧‧‧垂直方向
D1~D6‧‧‧距離
圖1為根據本發明第一實施例所述之功率散熱裝置的剖面示意圖。 圖2為傳統功率散熱器、致冷晶片橫擺之功率散熱器與圖1之功率散熱裝置,在運轉時各功率元件的時間溫度關係圖。 圖3為根據本發明第二實施例所述之功率散熱裝置的剖面示意圖。 圖4為根據本發明第三實施例所述之功率散熱裝置的剖面示意圖。 圖5為根據本發明第四實施例所述之功率散熱裝置的剖面示意圖。
10‧‧‧功率散熱裝置
100‧‧‧導熱層
110‧‧‧吸熱面
120‧‧‧放熱面
200‧‧‧功率元件
300‧‧‧散熱器
310‧‧‧基部
320‧‧‧鰭片
400‧‧‧致冷晶片
410‧‧‧致冷面
S‧‧‧熱傳導區
N‧‧‧法線
V‧‧‧垂直方向
D1~D3‧‧‧距離
Claims (20)
- 一種功率散熱裝置,包含:一導熱層,具有一吸熱面及一放熱面,該導熱層之該吸熱面用以供至少一功率元件熱接觸;一散熱器,熱接觸於該導熱層之該放熱面,並於該散熱器上形成一熱傳導區,該熱傳導區的定義為該散熱器中傳導該功率元件之下方垂直發熱量的區域;以及至少一致冷晶片,嵌設於該散熱器內,並位於該熱傳導區周圍,該致冷晶片具有一致冷面,該致冷晶片之該致冷面垂直於該導熱層之該放熱面,且該致冷面面向該散熱器內的該熱傳導區,以令該致冷晶片能夠冷卻該散熱器之該熱傳導區之熱量。
- 如請求項1所述之功率散熱裝置,其中,該每一個功率元件搭配兩個致冷晶片,該二致冷晶片位於該熱傳導區之相對兩側,且該二致冷晶片的間距大於或等於該功率元件的寬度。
- 如請求項1所述之功率散熱裝置,其中該導熱層之該吸熱面用以供至少一功率元件熱接觸,該每一個功率元件搭配至少一層以上之該致冷晶片,每一層的該致冷晶片與該吸熱面在該垂直方向上保持相異距離。
- 如請求項3所述之功率散熱裝置,其中該不同層的致冷晶片彼此相分離。
- 如請求項3所述之功率散熱裝置,其中該不同層的致冷晶片彼此相連。
- 如請求項1所述之功率散熱裝置,其中該導熱層之該吸熱面用以供至少一功率元件熱接觸,該每一個該功率元件搭配一個該致冷晶片。
- 如請求項1所述之功率散熱裝置,其中該至少一致冷晶片嵌設於該散熱器之基部。
- 如請求項6所述之功率散熱裝置,其中該至少一致冷晶片垂直設置於該導熱層之該放熱面之下方。
- 如請求項1所述之功率散熱裝置,其中該至少一致冷晶片包含複數個第一致冷晶片及複數個第二致冷晶片,該複數第一致冷晶片與該複數第二致冷晶片環繞該熱傳導區,且該些複數第二致冷晶片垂直於該複數第一致冷晶片。
- 如請求項9所述之功率散熱裝置,其中該導熱層之該吸熱面用以供一功率元件熱接觸,該功率元件具有相正交的一第一側邊及一第二側邊,該複數第一致冷晶片平行該第一側邊,該複數第二致冷晶片平行該第二側邊。
- 如請求項10所述之功率散熱裝置,其中該複數個第一致冷晶片及該複數個第二致冷晶片嵌設於該散熱器之基部。
- 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。
- 如請求項1所述之功率散熱裝置,其中該散熱器為一散熱鰭片。
- 如請求項13所述之功率散熱裝置,其中該散熱器包含一 基部及多個鰭片,該散熱器之該基部熱接觸於該導熱層之該放熱面,該些鰭片凸出於該基部,該致冷晶片嵌設於該基部。
- 如請求項1所述之功率散熱裝置,其中該導熱層之該吸熱面用以供一功率元件熱接觸,該熱傳導區的寬度大於該功率元件之寬度。
- 如請求項1所述之功率散熱裝置,其中該導熱層之該吸熱面用以供一功率元件熱接觸,該熱傳導區的寬度為該功率元件之寬度的110%至120%。
- 如請求項1所述之功率散熱裝置,其中該功率散熱裝置將該導熱層上之一功率元件所產生的熱量進行散熱,以降低該功率元件的溫度。
- 如請求項9所述之功率散熱裝置,其中該至少一致冷晶片包含複數個第一致冷晶片及複數個第二致冷晶片,該複數第一致冷晶片與該複數第二致冷晶片位於每一該功率元件下方以及該散熱器之至少一個角落上,且該複數第二致冷晶片垂直於該複數第一致冷晶片。
- 如請求項1所述之功率散熱裝置,其中該至少一致冷晶片包含複數個第一致冷晶片及複數個第二致冷晶片,該複數第一致冷晶片與該複數第二致冷晶片位於該散熱器之四個角落,且該複數第二致冷晶片垂直於該複數第一致冷晶片。
- 如請求項1所述之功率散熱裝置,其中該導熱層之該吸熱面用以供一功率元件熱接觸,且該功率元件為一電晶體。
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