TWI723816B - 具散熱結構的馬達功率積體電路 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種具散熱結構的馬達功率積體電路，包含金屬散熱基座以及散熱基板。散熱基板裝設於金屬散熱基座上，並且散熱基板上設有電路元件。電路元件包含多個功率元件以及閘極驅動器。閘極驅動器連接多個功率元件以及控制單元。多個功率元件連接馬達。控制單元控制閘極驅動器驅動多個功率元件，以驅動馬達運作。

Description

具散熱結構的馬達功率積體電路

本發明涉及馬達，特別是一種體積小且具有良好散熱效果的具散熱結構的馬達功率積體電路。

由於全世界能源消耗日益增加，能源需求持續增加亦導致對環境越來越大的衝擊。因此，如何提高能源使用效率，尤其是如何提高廣泛應用於家用電器和工業設備領域的半導體功率裝置的能量轉換效能，例如智慧 功率模組(intelligent power module)，為當前重要課題。

由於現有的半導體功率元件通常是連接及整合至一個智慧型功率模組，其被操作以動態地轉換大量電力至不同元件例如馬達(motor)、逆變器(inverter)、發電裝置(generators)等。智慧型 功率模組是將多顆功率晶片、驅動積體電路(IC; Integrated circuit)以及被動元件集合於一體，其常用於冷氣、冰箱、洗衣機等驅動，模組透過內部的控制IC，例如微控制器(MCU)，發出控制訊號，使功率元件驅動後續電路工作，實現高速的電源切換，有效的控制馬達運轉，避免馬達長時間處於高速運轉的狀態，進而達到節能目的。

由於智慧型 功率模組包含複數對的開關元件，例如IGBT以及功率MOSFET等功率電子元件。功率電子元件在運作過程中會產生熱，因此必須在操作中冷卻以防止溫度過高而導致設備故障。在高頻、高電流的工作環境下，模組散熱功能為評估功率元件好壞的重要指標。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種具散熱結構的馬達功率積體電路，適用於馬達。具散熱結構的馬達功率積體電路包含金屬散熱基座以及散熱基板。散熱基板裝設於金屬散熱基座上，並且散熱基板上設有電路元件。電路元件包含多個功率元件以及多個閘極驅動器。多個功率元件連接馬達。多個閘極驅動器連接多個功率元件以及控制單元。控制單元控制多個閘極驅動器驅動多個功率元件，以驅動馬達運作。

在一實施態樣中，各功率元件以裸晶片方式設於散熱基板上。

在一實施態樣中，各功率元件外形成封裝層，封裝層封裝各功率元件的裸晶片。

在一實施態樣中，具散熱結構的馬達功率積體電路更包含感測器，配置以感測具散熱結構的馬達功率積體電路的參數。控制單元根據參數控制各閘極驅動器。

在一實施態樣中，感測器包含電流感測元件以及溫度感測元件，連接多個功率元件以及控制單元，分別感測流經各功率元件的電流以及具散熱結構的馬達功率積體電路的溫度。控制單元根據電流以及溫度控制各閘極驅動器。

在一實施態樣中，所述具散熱結構的馬達功率積體電路更包含一外蓋，與金屬散熱基座耦合，蓋設於功率元件上。

在一實施態樣中，金屬散熱基座包含一載台，載台外側具有多個卡扣，外蓋具有多個卡槽，載台的多個卡扣分別與外蓋的多個卡槽耦合。

在一實施態樣中，金屬散熱基座包含一載台以及一鋁擠型散熱器。鋁擠型散熱器設於載台下方。散熱基板容置於載台內。載台外側具有多個卡扣，分別與外蓋的多個卡槽耦合。

在一實施態樣中，功率元件的背面具有一金屬散熱背板。

在一實施態樣中，所述具散熱結構的馬達功率積體電路更包含散熱膠條，容置於載台內。功率元件透過金屬散熱背板貼合在散熱膠條上。散熱膠條將功率元件運行時所產生的熱導入下方的鋁擠型散熱器。

如上所述，本發明提供具散熱結構的馬達功率積體電路，其將多個電路元件集成積體電路晶片，集成度高，占用空間小，使得馬達功率積體電路整體的體積可大幅度縮小，再者本發明的馬達功率積體電路採用散熱基座，整體具有良好的散熱效果，避免馬達功率積體電路因過熱而損壞，進而提高馬達功率積體電路的運作效能，延長馬達功率積體電路的使用壽命。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際體積的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。

應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者訊號，但這些元件或者訊號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一訊號與另一訊號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包含相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

傳統具散熱結構的馬達功率積體電路內部需分別獨立配置複雜的功率電路元件，容置的散熱需求更需特別設計及規劃，不僅占用空間，並且需耗費較大的電路配置成本，導致傳統具散熱結構的馬達功率積體電路整體的體積無法縮小，並且散熱效果不佳。因此，本發明將傳統具散熱結構的馬達功率積體電路進行改良，具體說明如下方的本發明實施例描述。

[第一實施例]

請參閱圖1，其為本發明第一實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的功率元件未封裝的示意圖。如圖1所示，具散熱結構的馬達功率積體電路包含金屬散熱基座200、散熱基板410以及電路元件，其中電路元件包含多個功率元件21~26以及與多個功率元件21~26相連接的閘極驅動器(例如圖3所示的閘極驅動器423)。

多個功率電路元件集成一積體電路晶片以形成每一功率元件21~26。如圖1所示的多個功率元件21~26以裸晶片方式設於散熱基板410上。每一功率元件21~26的裸晶片的體積小，僅占用具散熱結構的馬達功率積體電路的散熱基板410上的一小部分區域，使得具散熱結構的馬達功率積體電路整體的體積可大幅度縮小。

每個功率元件21~26的裸晶片可連接多個導線，這些導線可將每個功率元件21~26的裸晶片與其他電路元件連接。舉例而言，這些導線將每個功率元件21~26的裸晶片連接(例如焊接)至散熱基板410上的電性連接層(例如金屬焊墊、金屬佈線以及金屬接觸端點等)，並通過電性連接層與其他電路元件連接。

散熱基板410外可設置殼體300。殼體300的中空部分的邊緣對準散熱基板410的外緣。散熱基板410上的電路元件對準殼體300的中空部分。殼體300的鎖固孔與散熱基板410的鎖固孔對準。藉由鎖固方式或其他固定方式，將散熱基板410與殼體300一同固定於金屬散熱基座200上。

請參閱圖1及圖2，其中圖2為本發明第一實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的功率元件封裝後的示意圖。

如圖1所示的多個功率元件21~26外分別形成如圖2所示的封裝層11~16。封裝層11~16分別用以封裝多個功率元件21~26的裸晶片，以避免裸晶片暴露於外部環境。

如圖2所示，多個功率電路模組21~26排列設置於散熱基板410上，並且散熱基板410裝設於金屬散熱基座200上。散熱基板410上可具有一或多個電路元件。散熱基板410可例如為銅箔基板或高導熱的金屬材料製成的金屬基板，而金屬散熱基座200可例如由鋁材料或其他易散熱的材料製成。藉由此配置，本實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路具有良好的散熱效果，進而延長電路元件的使用壽命和運作效能。

請參閱圖1~圖3，其中圖3為本發明實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路與控制單元的電路佈局圖。如圖1所示的功率元件21可包含如圖3所示的功率元件Q1，功率元件22可包含功率元件Q2，功率元件23可包含功率元件Q3，功率元件24可包含功率元件Q4，功率元件25可包含功率元件Q5，功率元件26可包含功率元件Q6。功率元件Q1~Q6可為MOSFET、IGBT或其他型態的電晶體。

每個功率元件Q1~Q6的控制端可連接閘極驅動器423，功率元件Q1~Q6與閘極驅動器426的搭配可為2：1或是6：1，根據電路設計配比方式不一定， 但並非配比的數值不同以限制本發明申請專利範圍。

。功率元件Q1、Q3、Q5(上橋開關)的第一端連接輸入電壓源，以從輸入電壓源取得輸入電壓Vin。功率元件Q1、Q3、Q5的第二端連接功率元件Q2、Q4、Q6(下橋開關)的第一端。

功率元件Q1的第二端與功率元件Q2的第一端之間的節點連接馬達MOTOR的相位U相的輸入端。功率元件Q3的第二端與功率元件Q4的第一端之間的節點連接馬達MOTOR的相位V相的輸入端。功率元件Q5的第二端與功率元件Q6的第一端之間的節點連接馬達MOTOR的相位W相的輸入端。控制單元500的一驅動控制端PWM可輸出一控制訊號(例如一脈寬調變訊號)控制閘極驅動器423驅動功率元件Q1~Q6運作，以驅動馬達MOTOR運轉。

可選擇性地，本發明實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路可包含感測器，配置以感測具散熱結構的馬達功率積體電路的參數。控制單元500可配置以根據感測器所感測到的參數控制閘極驅動器423。

舉例來說，感測器可包含電流感測元件，其例如但不限於感測電阻429。電流感測元件可連接功率元件Q2、Q4、Q6的第二端，配置以取得從功率元件Q1~Q6流至感測電阻429的電流。控制單元500的電流感測端SENSE連接感測電阻429或其他電流感測元件，可根據取得的電流值，以控制閘極驅動器423對功率元件Q1~Q6的驅動，進而控制馬達MOTOR的運轉。

另外或替換地，感測器可包含溫度感測元件，配置以感測具散熱結構的馬達功率積體電路的溫度。控制單元500可根據溫度感測元件感測到的溫度，以控制閘極驅動器423對功率元件Q1~Q6的驅動，進而控制馬達MOTOR的運轉。

舉例來說，溫度感測元件可例如但不限於熱敏電阻NTC以及過溫保護電路424。具散熱結構的馬達功率積體電路於運行過程中溫度過高時，過溫保護電路424可將熱敏電阻NTC所偵測到的溫度轉換成電壓訊號。控制單元500的溫控端THERM可連接過溫保護電路424，以取得過溫保護電路424所產生的此電壓訊號，藉以進行電路安全監控，例如於溫度過高時執行緊急關機等處置。

[第二實施例]

請參閱圖4和圖5，其中圖4為本發明第二實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的爆炸示意圖；圖5為本發明第二實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的組裝示意圖。

如圖4所示，本實施例具散熱結構的馬達功率積體電路2000包含半導體功率裝置201、金屬散熱基座203以及外蓋205。半導體功率裝置201包含多個功率元件201a、散熱基板201c以及金屬散熱背板201d。

散熱基板201c例如但不限於印刷電路板(PCB)。每個功率元件201a具有多個接腳201b，可焊接至散熱基板201c上。散熱基板410上可具有一或多個電路元件。例如，散熱基板201c上可設置金屬佈線以及金屬焊墊。每個功率元件201a的接腳201b以及散熱基板201c上的其他電路元件可透過金屬佈線或金屬焊墊彼此電性連接。每個功率元件201a背面具有金屬散熱背板201d。

金屬散熱基座203可包含鋁擠型散熱器203c以及載台203b。散熱基板201c容置於載台203b內，並由載台203b內的支撐部203d所支撐。鋁擠型散熱器203c設於載台203b的一側上。鋁擠型散熱器203c可例如但不限於具有多個分立散熱片。載台203b例如但不限於由塑膠材料所製成。

除了散熱基板201c外，載台203b內容置散熱膠條203a。於圖5所示的組合時，每個功率元件201a透過金屬散熱背板201d，貼合在散熱膠條203a上。功率元件201a於操作時所產生的熱經由散熱膠條203a導入下方的鋁擠型散熱器203c。

散熱膠條203a可例如是具有導熱係數14.0W/mK的雙面自黏性矽膠片、具有導熱係數介於1.3至3.5W/mK範圍的絕緣熱玻纖布或具有導熱係數5.0W/mK的非矽質導熱膠片，在此僅舉例說明，本發明不以此為限。

如圖4所示，金屬散熱基座203的載台203b具有多個卡扣203e。外蓋205具有多個卡槽205a。載台203b的多個卡扣203e分別與外蓋205的多個卡槽205a耦合，使得如圖5所示，外蓋205可蓋闔於多個功率元件201a上，以將多個功率元件201a與外部環境隔絕，避免多個功率元件201a損壞。應理解，金屬散熱基座203的載台203b與外蓋205的接合方式不限於扣合之舉例說明。

請參閱圖6~圖8，其中圖6為本發明第二實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的一側面示意圖；圖7為本發明第二實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的另一側面示意圖；圖8為圖7的區域VIII的局部放大示意圖。

如圖6所示，外蓋205的一側具有一開口209。此開口209可以用作半導體功率裝置201的導線的出線端(亦即導線的進出口)，若有需要，可利用防水元件211例如塑膠軟墊或其他封口元件以封閉開口209。

如圖7和圖8所示，散熱基板201c容置於載台203b內，並由金屬散熱基座203的支撐部203d所支撐。功率元件201a透過如圖4所示的金屬散熱背板201d貼合於散熱膠條203a上。鋁擠型散熱器203c在散熱膠條203a下方。

[第三實施例]

請參閱圖9，其為本發明第三實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的方塊圖。

如圖9所示，本實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路1000可包含運算放大器OPA、微控制器MCU、馬達驅動器DRV、霍爾感測器SEN以及輸入電壓源PSE。微控制器MCU連接運算放大器OPA、馬達驅動器DRV、霍爾感測器SEN以及輸入電壓源PSE。

輸入電壓源PSE可提供電力至馬達功率積體電路1000所包含的其他電路元件。霍爾感測器SEN配置以感應馬達的轉子的磁場以輸出一霍爾電壓。運算放大器OPA配置以基於此霍爾電壓與一參考電壓，以輸出一運算放大訊號。微控制器MCU配置以依據此運算放大訊號，控制馬達驅動器DRV對馬達的驅動。

[第四實施例]

請參閱圖10，其為本發明第四實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的示意圖。

如圖10所示，本實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路可包含金屬散熱基座MCB、散熱基板MT以及電路元件CR。散熱基板MT裝設於金屬散熱基座MCB上，並且散熱基板MT上設有電路元件CR。電路元件CR可包含多個功率元件，以裸晶片方式設於散熱基板上MT上，透過打線方式連接散熱基板MT的導線層，再通過導線層將每個功率元件與其他電路元件連接。其中金屬散熱基座MCB外側面還設置有多個散熱鰭片CF，以增進其散熱面積，因此使得本發明的具散熱結構的馬達功率積體電路能夠將溫度傳導到金屬散熱基座MCB，而增進其散熱效率。

另外，散熱基板上MT上可設有接合元件LS，例如多個螺柱，用以使得散熱基板MT能夠鎖附於馬達的控制單元的外殼內（圖中未示）。

綜上所述，本發明的有益效果在於，本發明提供具散熱結構的馬達功率積體電路，其將多個電路元件集成積體電路晶片，集成度高，占用空間小，使得馬達功率積體電路整體的體積可大幅度縮小，再者本發明的馬達功率積體電路採用散熱基座，整體具有良好的散熱效果，避免馬達功率積體電路因過熱而損壞，進而提高馬達功率積體電路的運作效能，延長馬達功率積體電路的使用壽命。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

201a、21~26、Q1~Q6:功率元件 200、203、MCB:金屬散熱基座 300:殼體 201c、410、MT:散熱基板 11~16:封裝層 500:控制單元 PWM:驅動控制端 THERM:溫控端 SENSE:電流感測端 P:電源 Vin:輸入電壓 NTC:熱敏電阻 424:過溫保護電路 429:感測電阻 423:閘極驅動器 MOTOR:馬達 V、W、U:相位 205:外蓋 205a:卡槽 201:半導體功率裝置 201b:接腳 201d:金屬散熱背板 203a:散熱膠條 203b:載台 203c:鋁擠型散熱器 203d:支撐部 203e:卡扣 1000、2000:馬達功率積體電路 209:開口 211:防水元件 VIII:區域 OPA:運算放大器 MCU:微控制器 DRV:馬達驅動器 SEN:霍爾感測器 PSE:輸入電壓源 CR:電路元件 LS:接合元件 CF、203f:散熱鰭片

圖1為本發明第一實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的功率元件未封裝的示意圖。

圖2為本發明第一實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的功率元件封裝後的示意圖。

圖3為本發明第一實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路與控制單元的電路佈局圖。

圖4為本發明第二實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的爆炸示意圖。

圖5為本發明第二實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的組裝示意圖。

圖6為本發明第二實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的一側面示意圖。

圖7為本發明第二實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的另一側面示意圖。

圖8為圖7的區域VIII的局部放大示意圖。

圖9為本發明第三實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的方塊圖。

圖10為本發明第四實施例的具散熱結構的馬達功率積體電路的組合示意圖。

MCB:金屬散熱基座

MT:散熱基板

CR:電路元件

LS:接合元件

CF:散熱鰭片

Claims (7)

1. 一種具散熱結構的馬達功率積體電路，適用於一馬達，該具散熱結構的馬達功率積體電路包含：一金屬散熱基座；一散熱基板，裝設於該金屬散熱基座上，並且該散熱基板上設有一電路元件，該電路元件包含多個功率元件以及多個閘極驅動器，該多個功率元件連接該馬達，多個閘極驅動器連接該多個功率元件以及一控制單元，該控制單元控制多個閘極驅動器驅動該多個功率元件，以驅動該馬達運轉；以及一外蓋，與該金屬散熱基座耦合，蓋設於各該功率元件上；其中該金屬散熱基座包含一載台以及一鋁擠型散熱器，該鋁擠型散熱器設於該載台下方，該散熱基板容置於該載台內，該載台外側具有多個卡扣，該多個卡扣分別與該外蓋的多個卡槽耦合。
2. 如請求項1所述的具散熱結構的馬達功率積體電路，其中各該功率元件以裸晶片方式設於該散熱基板上。
3. 如請求項2所述的具散熱結構的馬達功率積體電路，其中各該功率元件外形成一封裝層，該封裝層封裝各該功率元件的裸晶片。
4. 如請求項1所述的具散熱結構的馬達功率積體電路，更包含一感測器，配置以感測該具散熱結構的馬達功率積體電路的一參數，該控制單元根據該參數控制各該閘極驅動器。
5. 如請求項4所述的具散熱結構的馬達功率積體電路，其中該感測器包含一電流感測元件以及一溫度感測元件，連接該多個功率元件以及該控制單元，分別感測流經各該功率元件的一電流以及該具散熱結構的馬達功率積體電路的一溫度，該 控制單元根據該電流以及該溫度控制各該閘極驅動器。
6. 如請求項1所述的具散熱結構的馬達功率積體電路，其中該功率元件的背面具有一金屬散熱背板。
7. 如請求項6所述的具散熱結構的馬達功率積體電路，更包含一散熱膠條，容置於該載台內，該功率元件透過該金屬散熱背板貼合在該散熱膠條上，該散熱膠條將該功率元件運行時所產生的熱導入下方的該鋁擠型散熱器。

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