TWI651822B

TWI651822B - 散熱體

Info

Publication number: TWI651822B
Application number: TW106104193A
Authority: TW
Inventors: 田畑智大; 大坪啟一
Original assignee: 日商松下知識產權經營股份有限公司
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2017-02-09
Publication date: 2019-02-21
Also published as: JP2017147260A; TW201731045A

Abstract

本發明之目的在於提供一種不會導致大型化或成本提高，且可有效且輕易地將發熱性半導體元件冷卻的太陽光發電系統用的電力轉換裝置用的散熱體。為了達成上述目的，本發明之散熱體，係可於金屬製的基盤的一面以具有熱傳導性的方式安裝發熱性的半導體元件，並於該基盤之相反側的另一面設置前端之高度大致相等且互相平行的複數個板狀散熱片，且以該散熱片之間的空氣流動冷卻該半導體元件，該散熱體的特徵為：具備與該基盤及該散熱片成一體形成之突出部的構造，該突出部係將該半導體元件之安裝部分之相反向的另一面朝該散熱片之前端側突出且具有一定高度；藉此便可達到上述目的。

Description

散熱體

本發明係關於一種散熱體，其用來發散使用於電力轉換裝置等的半導體元件進行開關動作時所產生的熱，例如，係關於一種散熱體，其可有效地實行用於電力轉換裝置等的半導體元件的散熱，該電力轉換裝置等以可將從可再生能源所獲得的直流電力轉換成與系統同步的單相或三相的交流電力並疊加到該系統的方式構成。

例如，作為屋內設置式的太陽光發電系統用的電力轉換裝置（電力調節器），為了獲得散熱特性良好且框體表面不會形成高溫者，框體為金屬框體，並在該框體內，具備將太陽電池所產生的直流電力轉換成交流電力的直交流轉換電路，以及該直交流轉換電路的功率模組，特別是安裝了發熱性半導體開關元件的散熱體等構件者，已為人所習知（參照專利文獻1）。

在該專利文獻1中，記載了可良好地實行電力轉換裝置的框體內的散熱，同時可防止人員接觸到電力轉換裝置的框體時被燒傷或觸電等功效。亦即，在該電力轉換裝置中，安裝了功率模組的散熱體係以空氣冷卻方式實行冷卻，藉由令附設於散熱體的複數個散熱片的表面部位與框體內的空氣接觸，便可對發熱中的功率模組實行冷卻。

像上述的電力轉換裝置那樣，使用散熱體，在某種程度上可有效地實行冷卻。上述的電力轉換裝置，以藉由設置狹縫孔，在空氣流貫通框體內外（特別是通過散熱體的散熱片之間）的狀態下，形成流出到框體外的空氣流的方式構成。一般而言散熱體的大小（冷卻能力）係配合功率模組等的發熱量而設計，然而當例如框體內部的空氣的流動不順暢時，會有超過散熱體的冷卻能力的半導體開關元件的發熱量被圍困在框體內之虞。其結果，會有超過該等電路元件的耐熱限度，其元件特性改變而無法得致作為電力調節器所期待的動作，或者該元件受到損壞之虞。因此散熱體的設計會設定成在冷卻能力上留有餘裕，惟此會導致其趨向大型化。

專利文獻2揭示了一種與銷狀散熱片形成一體的散熱體，其特徵為：於由金屬材料所構成的板狀部的一面側，形成了可搭載具有陶瓷基板的電子零件的平面狀的上表面部，同時於該上表面部的相反面側，形成了設立著複數個銷狀散熱片的下表面部，且該下表面部，係由其周邊部位的安裝部、以從該安裝部的內緣向中心部位逐漸變厚的方式形成的中央部，以及設立於該中央部的複數個該銷狀散熱片所形成；並記載了能夠以避免因為熱應力或來自水流的壓力等機械性應力導致脆性材料（亦即陶瓷基板）產生裂縫的方式進行支持的技術內容（參照專利文獻2）。

圖5，係表示習知的一般散熱體的構造的説明圖。習知的散熱體1A，例如，構成逆變器電路（INV）的半導體開關元件IPM（智慧型功率模組）作為發熱量較大的電路元件以可熱傳導的方式安裝在散熱體1A的基盤2上。於該基盤2的相反側的另一面3側，具有一定高度的複數個散熱片4以互相平行的方式設置，並構成以流過該散熱片4之間的空氣冷卻該IPM的構造。8為安裝螺絲。

針對將該等習知散熱體用於太陽光發電系統用的電力轉換裝置的態樣在以下進行説明。圖6係表示太陽電池PV被賦與額定輸出所需要的日光照射量時的電流與電壓的關係的説明圖。該太陽電池PV所產生的直流電力，供給到後述圖1所示的具備太陽光發電系統用的電力轉換裝置的概略電子構造的太陽光發電系統用的電力轉換裝置。太陽電池PV的額定輸出係輸出電流的峰值（最佳動作點）與最佳動作點電壓之時。該V－I特性在日光照射量減少而無法獲得太陽電池PV的額定輸出時，會變化成峰值（最佳動作點）的高度降低的新V－I特性。峰值（最佳動作點）一般而言在日光照射量較多時隨著輸出電流變大而變高，相反的在日光照射量較少時隨著輸出電流變小而變低。亦即，太陽電池PV的輸出電流若欲保持最佳動作點電壓便會隨日光照射量變化。因此電力轉換裝置係以無論日光照射量為何太陽電池PV均經常以最佳動作點電壓進行運作的方式受到控制的構件。例如當日光照射量令峰值的電流値為30Amp（額定電流為36Amp）時（亦即當日光照射量並非很多時），若處於周圍溫度很高而就IPM的溫度相對於界限溫度（例如110°C）而言散熱體的冷卻能力並無餘裕的狀態下，若日光照射量持續增加的話，峰值的電流値便會增加同時發熱量也會增加，而IPM的溫度會變得更高。

為了解決該問題，存在一種令太陽電池PV的動作電壓從最佳動作點的電壓偏移而減少輸出電流，並藉由減少太陽電池PV的輸出電流以抑制IPM的發熱的方法。惟此時會導致無法獲得太陽電池PV的額定輸出此等問題。另外雖存在令散熱體1A大型化以提高冷卻能力，或是用送風機強制性地令空氣在散熱片4之間流通以提高冷卻能力等方法，惟其又會導致為了配合散熱體及/或送風機裝置趨向大型化而無法設置在金屬框體內或是成本大幅提高等新問題。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1] 日本特開2009－164351號公報 [專利文獻2] 日本特開2012－248576號公報

[發明所欲解決的問題] 本發明之目的在於提供一種不會趨向大型化且冷卻能力有所提高的散熱體。 [解決問題的手段]

經過本發明人專心致力研究的結果，發現在發熱性的半導體元件以具有熱傳導性的方式安裝於金屬製的基盤的一面，前端高度大致相等的複數個板狀散熱片以互相平行的方式設置於該基盤的相反側的另一面，且以該散熱片之間的空氣流動冷卻該半導體元件的散熱體中，藉由在該半導體元件的安裝部分之相反向的另一面設置具有向該散熱片的前端側突出的一定高度且與該基盤以及該散熱片一併形成一體的突出部，便可解決該問題，進而獲致本發明。

用來解決上述問題的本發明之請求項1係一種散熱體，其係可於金屬製的基盤的一面以具有熱傳導性的方式安裝發熱性的半導體元件，並於該基盤之相反側的另一面設置前端之高度大致相等且互相平行的複數個板狀散熱片，且以該散熱片之間的空氣流動冷卻該半導體元件，該散熱體的特徵為：具備與該基盤及該散熱片成一體形成之突出部的構造，該突出部係將該半導體元件之安裝部分之相反向的另一面朝該散熱片之前端側突出且具有一定高度。

本發明之請求項2，如請求項1所記載的散熱體，其中，該突出部具備包含該半導體元件對該另一面的投影面積在內的範圍，且該一定高度在該散熱片之高度的15％～22％左右。

本發明之請求項3，如請求項1或請求項2所記載的散熱體，其中，該突出部沿著該散熱片的方向在兩端部之間延伸。 [發明之效果]

本發明之請求項1係一種散熱體，其係可於金屬製的基盤的一面以具有熱傳導性的方式安裝發熱性的半導體元件，並於該基盤之相反側的另一面設置前端之高度大致相等且互相平行的複數個板狀散熱片，且以該散熱片之間的空氣流動冷卻該半導體元件，該散熱體的特徵為：具備與該基盤及該散熱片成一體形成之突出部的構造，該突出部係將該半導體元件之安裝部分之相反向的另一面朝該散熱片之前端側突出且具有一定高度。藉由在該半導體元件的安裝部分之相反向的另一面設置具有一定高度的突出部而增加厚度，半導體元件附近的散熱體的熱容量會變大，該累積之熱到散熱片的熱供給綽有餘裕，其結果，到散熱片的熱傳導速度提高，連帶半導體元件的溫度便下降（冷卻）。因此可達到令散熱體的散熱能力增加或小型化，並有效且輕易地將發熱性的半導體元件冷卻此等顯著的功效。

本發明之請求項2，如請求項1所記載的散熱體，其中，該突出部具備包含該半導體元件對該另一面的投影面積在內的範圍，且該一定高度在該散熱片之高度的15％～22％左右；藉由限定該突出部的該面積以及高度，便可達到能夠更有效、更輕易地將發熱性的半導體元件確實地冷卻此等額外的顯著功效。

本發明之請求項3，如請求項1或請求項2所記載的散熱體，其中，該突出部沿著該散熱片的方向在兩端部之間延伸，可達到容易與該基盤以及散熱片一併形成一體此等額外的顯著功效。

接著針對本發明的實施態樣，用圖式詳細進行説明。圖1，係表示太陽光發電系統用的電力轉換裝置的概略電子構造的説明圖。作為可再生能源的太陽電池（PV）所產生的直流電力，被升壓部（DC／DC轉換器）的截波動作升壓。被該升壓部（DC／DC轉換器）升壓的直流電力，利用D／A轉換部（DC／AC轉換器）轉換（DC／AC轉換）成相當於商用電力系統（GRID）的頻率的既定的低頻率的擬似正弦波的交流電力。另外，將升壓部與D／A轉換部統稱為逆變部（INV）。該交流電力透過構成低通濾波器電路的濾波部（LPF），成為高頻分量被阻斷或抑制的交流電力而疊加到商用電力系統（GRID）。該等動作被控制電路妥善地控制。

圖2（イ），係表示裝設於太陽光發電系統用電力轉換裝置的本發明的散熱體的構造的説明圖；（ロ），係表示從（イ）的上方觀察下方的構造的説明圖；（ハ），係表示從（イ）的下方觀察上方的構造以及突出部的説明圖。本發明的散熱體1，係由鋁、銅或其合金所形成的金屬製品，可利用擠製成形或壓鑄成型製造之，本實施例係用擠製成形製成。散熱體1於長方形狀的基盤2的一面以具有熱傳導性的方式安裝了發熱量大的發熱性半導體元件。具體而言半導體元件係將構成逆變部（INV）的電路的複數個開關元件收納於單一封裝件的IPM（智慧型功率模組）。於基盤2的相反側的另一面3，將以從基盤2到前端的高度大致相等的方式構成的板狀散熱片4，以複數片互相平行的方式設置。從外部沿箭號所示的方向進入到散熱體1的空氣，在該等散熱片4之間流動而將來自IPM的熱冷卻。散熱片4以令發揮該冷卻作用的空氣由下向上流動的方式配置，該空氣因為被IPM的發熱所加熱的空氣的上升與散熱片4之間的風道所形成的隧道效應而自然上升，藉此便可冷卻IPM。另外，亦可用送風機強制令其循環。另外，若令該散熱片4的前端側面向壁面或背面板等，風路會形成筒狀，隧道效應便會更強。

另外，於基盤2，如圖2（イ）～（ハ）、圖4所示的，令該IPM的安裝部分之相反向的另一面3向該散熱片4的前端側突出一定高度並由與基盤2相同的熱傳導性材料所構成的突出部6，與基盤2以及散熱片4一併形成一體。該一體成形的構造，例如係由鋁材擠製成形所製成，惟亦可由壓鑄成型所製成。圖2的（ハ）所記載的斜線部分為突出部6。在本實施例中，基盤2的厚度L0為6mm，突出部6的突出量（相當於高度）L1為10mm，散熱片4的從基盤2到前端的高度L2為57mm｛（突出部6的高度L1／散熱片4的高度L2）×100％=17.5％｝，本發明並非僅限於該等尺寸，可根據IPM等的發熱零件的發熱熱量、散熱體1的大小，或送風機的有無等適當設計之。突出部6，宜具有具備包含該半導體元件對另一面3的投影面積在內的範圍的面積。該面積、形狀或尺寸等亦並無限定，可根據IPM等的發熱零件的發熱熱量、散熱體1的大小，或送風機的有無等適當設計之。該基盤2的包含突出部6在內的該部位的厚度，以比該基盤2的其他部位7更厚的方式構成。8為安裝螺絲。

設置突出部6令該部位的基盤2的厚度實質上變厚，藉此IPM（半導體元件）附近的散熱體部分的熱容量變大，所累積之熱到散熱片4的熱供給綽有餘裕，其結果，到散熱片的熱傳導速度提高，IPM的溫度便下降（冷卻）。而且可於突出部6暫且累積熱能源，並令熱以熱傳導的方式發散到與突出部6直接連結的散熱片4或並未增加厚度的其他部位7等，故可在不會導致散熱體1趨向大型化或成本提高的情況下提升冷卻能力，進而能夠有效且輕易地將發熱性的該IPM冷卻。圖3，係表示突出部6的突出量（横軸）與IPM（發熱零件）或其附近部位的溫度（縱軸）的測定値的特性圖，於横軸，記載了突出部6的高度L1相對於散熱片4的高度L2的比率（％）與L1的値。從突出量為0mm的態樣（習知的構造）隨著突出量增加到5mm、10mm溫度急遽地下降，惟若增加到15mm、20mm、25mm則溫度反而上升，但仍比突出量為5mm時的溫度更低。因此，設置突出部6雖可獲得降低IPM之溫度的效果，惟增加突出量並不具有相應於突出量的效果，故若考量到伴隨增加突出量所必要之金屬（鋁等）重量的增加，突出量在20mm以下為適當，而且包含IPM的溫度的最低點在內的效果較佳範圍係在13mm以下（與到散熱片的前端的高度57mm的比率在22％左右以下），此為較佳態樣。另外若考慮到改變散熱體的散熱片的形狀時的特性良好範圍，則突出部的突出量在8mm以上（與到散熱片的前端的高度57mm的比率在15％左右以上）為適當，惟若以輕量化為優先則只要5mm左右便可見到相當的IPM溫度降低效果。另外，雖在本實施例的溫度測定中考慮到設定條件的差異而使用熱解析軟體，惟實際上用溫度感測器（熱電對等）進行實測也會獲得同樣的測定結果。

突出部6的製作方法並無特別限定，具體而言，例如，可在製造散熱體1時用擠製成形或壓鑄成型等一體製作之，亦可在製造散熱體1之後增設，用熔接或螺釘固定等方式製作成一體，另外，亦可由熱電傳導性良好的合成樹脂或金屬流入到散熱片之間所製成，只要是可製作出不損及熱傳導性、機械性強度等較高，且具有耐久性的散熱體1的製作方法即可。以其厚度或面積適合所使用的太陽電池且具有對應可有效利用太陽電池所產生的全部電力的冷卻能力的方式設計、預先試驗而決定規格為佳。

在該實施例中，作為突出部6的材料係使用與基盤2相同的熱傳導性優異的材料，惟宜在散熱體1擠製成形時一體製作出具備突出部6的散熱體1。另外，在製造散熱體1之後增設突出部6並用熔接或螺釘固定等方式製作成一體可使用相同材料，惟只要是熱傳導性、機械性強度、耐久性等優異的材料，且係可製作出優異散熱體1的材料，亦可使用與基盤2不同的材料，或是將該相同材料與不同材料組合使用之。在本實施例中突出部6的高度（突出量）為一定，然而突出部6的熱容量可在並未減少的範圍內有所變化。

上述實施態樣的説明，係用來說明本發明，並非係用來限定專利請求範圍所記載的發明，或是縮減範圍。又，本發明的各部位構造不限於上述實施態樣，在專利請求範圍所記載的技術範圍內可作出各種的變化實施態樣。 [産業上的可利用性]

本發明係一種散熱體，其構成可於金屬製的基盤的一面以具有熱傳導性的方式安裝發熱性的半導體元件的構造，並構成於該基盤的相反側的另一面令前端高度大致相等的複數個板狀散熱片互相平行的構造，並以該散熱片之間的空氣流動冷卻該半導體元件；該散熱體的特徵為具備：將具有令該半導體元件的安裝部分之相反向的另一面向該散熱片的前端側突出的一定高度的突出部與該基盤以及該散熱片一併形成一體的構造；藉由在該半導體元件的安裝部分之相反向的另一面設置具有一定高度的突出部而增加厚度，便可將熱能源暫時累積於此，然後任其熱傳導並發散到散熱片或厚度並未增加的部位，故可在不會導致散熱體趨向大型化或成本提高的情況下提升冷卻能力，並可有效且輕易地將發熱性的半導體元件冷卻，由於可發揮此等顯著功效，故在産業上的利用價値很高。

1、1A‧‧‧散熱體

2‧‧‧基盤

3‧‧‧基盤的相反側的另一面

4‧‧‧散熱片

6‧‧‧突出部

7‧‧‧其他部位

8‧‧‧安裝螺絲

L0‧‧‧基盤的厚度

L1‧‧‧突出部的高度

L2‧‧‧散熱片的從基盤到前端的高度

PV‧‧‧太陽電池

IPM‧‧‧智慧型功率模組

INV‧‧‧逆變部

DC-DC‧‧‧升壓部

DC-AC‧‧‧D／A轉換部

LPF‧‧‧濾波部

GRID‧‧‧商用電力系統

[圖1] 係表示太陽光發電系統用電力轉換裝置的概略電子構造的説明圖。 [圖2] （イ）係表示裝設於太陽光發電系統用電力轉換裝置的本發明的散熱體的構造的説明圖，（ロ）係表示從（イ）的上方觀察下方的構造的説明圖，（ハ）係表示從（イ）的下方觀察上方的構造以及突出部的説明圖。 [圖3] 係表示突出部的突出量與IPM（發熱零件）的溫度的測定値的特性圖。 [圖4] 係圖2所示之本發明的散熱體的立體説明圖。 [圖5] 係表示裝設於太陽光發電系統用電力轉換裝置的習知的一般散熱體的構造的説明圖。 [圖6] 係表示具備習知散熱體的太陽光發電系統用電力轉換裝置的太陽電池所產生的直流電力的電流與電壓的關係的説明圖。

Claims

一種散熱體，其係可於金屬製的基盤的一面以具有熱傳導性的方式安裝發熱性的半導體元件，並於該基盤之相反側的另一面設置前端之高度大致相等且互相平行的複數個板狀散熱片，且以該散熱片之間的空氣流動冷卻該半導體元件，該散熱體的特徵為：具備與該基盤及該散熱片成一體形成之突出部的構造，該突出部係將該半導體元件之安裝部分之相反向的另一面朝該散熱片之前端側突出且具有一定高度。
如申請專利範圍第1項之散熱體，其中，該突出部具備包含該半導體元件對該另一面的投影面積在內的範圍，且該一定高度係在該散熱片之高度的15％～22％左右。
如申請專利範圍第1或2項之散熱體，其中，該突出部沿著該散熱片的方向在兩端部之間延伸。