DE10058574A1

DE10058574A1 - Kühlgerät für Leistungshalbleiter

Info

Publication number: DE10058574A1
Application number: DE10058574A
Authority: DE
Inventors: Nielsen Jesper Soebygaard; Lars Kappel
Original assignee: Danfoss Drives AS
Current assignee: Danfoss Power Electronics AS
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2020-11-25
Also published as: DE10058574B4; US6493227B2; US20020064028A1

Abstract

Ein Kühlgerät für Leistungshalbleiter, das im wesentlichen kastenförmig ist, hat zwei extrudierte, miteinander verbundene Kühlprofile (14, 15). Das eine Kühlprofil (14) bildet eine erste wärmeleitende Seitenwand (16) und das andere Kühlprofil (15) eine der ersten Seitenwand (16) gegenüberliegende zweite wärmeleitende Seitenwand (17) des Kühlgeräts (1). Die Seitenwände (16, 17) haben an ihren Innenseiten angeformte Kühlwände (18, 19), die Kühlkanäle begrenzen, durch die ein Kühlfluid hindurchleitbar ist. Auf den Außenseiten der Seitenwände (16, 17) sind Leistungshalbleiter (4, 5) wärmeleitend zu befestigen. Um eine möglichst große kühlende Oberfläche des Kühlgeräts zu erreichen, ragen die an der ersten Seitenwand (16) angeformten Kühlwände (18) zwischen die an der zweiten Seitenwand (17) angeformten Kühlwände (19).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlgerät für Lei stungshalbleiter, das im wesentlichen kastenförmig ist und zwei extrudierte, miteinander verbundene Kühlpro file aufweist, von denen das eine Kühlprofil eine erste wärmeleitende Seitenwand und das andere Kühlprofil eine der ersten Seitenwand gegenüberliegende zweite wärme leitende Seitenwand des Kühlgeräts bildet, wobei die Seitenwände an ihren Innenseiten angeformte Kühlwände aufweisen, die Kühlkanäle begrenzen, durch die ein Kühlfluid hindurchleitbar ist und auf den Außenseiten der Seitenwände die Leistungshalbleiter wärmeleitend zu befestigen sind.

Das bevorzugte Anwendungsgebiet sind Stromrichter, ins besondere Umrichter.

Bei einem bekannten Kühlgerät dieser Art (DE 196 28 545 A1) stoßen die an den sich gegenüberliegenden Seiten wänden angeformten Kühlwände mit ihren freien Stirnseiten aneinander, wenn die Kühlprofile miteinander ver bunden sind. Um die Kühlprofile aus wärmeleitendem Me tall im Extrusionsverfahren (auch "Strangpreßverfahren" genannt) herstellen zu können, müssen die Kühlwände ei nen vorbestimmten Mindestabstand voneinander haben. Da durch wird die Anzahl der Kühlwände, bezogen auf das Volumen des Kühlgeräts, und damit die gesamte Kühlflä che begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlgerät der eingangs genannten Art anzugeben, das bei möglichst geringem Volumen eine wirksame Kühlung sicherstellt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die an der ersten Seitenwand angeformten Kühlwände zwi schen die an der zweiten Seitenwand angeformten Kühl wände ragen.

Bei dieser Lösung kann ein kleinerer Abstand der Kühl wände, bezogen auf das Volumen des Kühlgeräts, als bis her erreicht werden. Dennoch lassen sich die Kühlpro file weiterhin mit dem geringsten Abstand ihrer Kühl wände herstellen, der im Extrusionsverfahren möglich ist.

Vorzugsweise sind die der ersten Seitenwand abgekehrten Randbereiche der an der ersten Seitenwand angeformten Kühlwände in Nuten in der zweiten Seitenwand einge preßt. Auf diese Weise lassen sich die Kühlprofile durch einfaches Zusammendrücken miteinander verbinden.

Hierbei können die der ersten Seitenwand abgekehrten Randbereiche der an der ersten Seitenwand angeformten Kühlwände einen Wulst bilden. Dies ergibt eine größere Wärmeübertragungsfläche zwischen der zweiten Seitenwand und den an der ersten Seitenwand angeformten Kühlwän den, weil der Wulst dicker ist als der übrige Bereich der Kühlwand, an der er ausgebildet ist.

Alternativ oder zusätzlich können die der zweiten Sei tenwand abgekehrten Stirnseiten der an der zweiten Sei tenwand angeformten Kühlwände Vertiefungen aufweisen, in denen an der Innenseite der ersten Seitenwand ange formte Vorsprünge festgehalten sind. Wenn nicht nur die an der ersten Seitenwand angeformten Kühlwände mit der zweiten Seitenwand, sondern auch die an der zweiten Seitenwand angeformten Kühlwände mit der ersten Seiten wand verbunden sind, ergibt sich eine festere Verbin dung der Kühlprofile.

Wenn die Vorsprünge kürzer sind als die Vertiefungen tief sind, ermöglicht dies einen Ausgleich von Meßtole ranzen bei der Extrusion der Kühlprofile.

Vorzugsweise sind die Vorsprünge in den Vertiefungen unter gegenseitiger Kaltverschweißung fest eingepreßt. Dadurch ergibt sich auf einfache Weise eine innige und feste Verbindung der Kühlprofile auch auf Seiten der ersten Seitenwand.

Vorzugsweise sind die Kühlwände mit Kühlrippen verse hen. Dadurch erhöht sich die wirksame Kühlfläche.

Ferner können die beiden außen liegenden Kühlwände der an der zweiten Seitenwand angeformten Kühlwände zwei weitere Seitenwände des Kühlgeräts bilden. Diese außen liegende Kühlwände erfüllen daher eine doppelte Funkti on: einerseits eine Begrenzung des Kühlgeräts und ande rerseits die Ableitung von Wärme.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste hend anhand der beiliegenden Zeichnungen eines bevor zugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zei gen:

Fig. 1 eine Explosionsdarstellung eines Umrichters mit einem erfindungsgemäßen Kühlgerät,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch den Umrichter,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des erfindungs gemäßen Kühlgeräts mit einem Gebläse und dar an angebrachten Leistungshalbleitern,

Fig. 4 die Draufsicht auf einen Horizontalschnitt durch den Umrichter mit dem Kühlgerät,

Fig. 4A den Ausschnitt A der Fig. 4 in größerem Maß stab,

Fig. 4B den Ausschnitt B der Fig. 4 in größerem Maß stab,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eines der beiden Kühlpro file des erfindungsgemäßen Kühlgeräts,

Fig. 5A den Ausschnitt A der Fig. 5 in größerem Maß stab,

Fig. 5B den Ausschnitt B der Fig. 5 in größerem Maß stab,

Fig. 6 eine Draufsicht auf das andere Kühlprofil des erfindungsgemäßen Kühlgeräts,

Fig. 6A den Ausschnitt A der Fig. 6 in vergrößertem Maßstab und

Fig. 6B den Ausschnitt B der Fig. 6 in vergrößertem Maßstab.

Das in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Kühlgerät 1 ist etwa in der Mitte eines Stromrichters, hier eines Um richters, angeordnet und auf drei Seiten mit Platinen versehen, auf denen elektronische Bauteile angebracht sind, unter anderem Leistungshalbleiter, die gekühlt werden müssen. Die elektronischen Bauteile sind durch eine Rückwand 2 aus Stahlblech und ein Gehäuse 3 aus Kunststoff abgedeckt.

Die zu kühlenden Leistungshalbleiter bilden einerseits ein IGBT-Modul 4 und andererseits ein Gleichrichtermo dul 5. Diese Module 4 und 5 sind jeweils auf einer Pla tine 6 und 7 angebracht. Das Kühlgerät 1 wird durch ein Kühlfluid, hier Luft, aus einem Gebläse 8 gekühlt, das am Boden des Umrichters angebracht ist. Die Kühlluft wird von unten nach oben durch das Kühlgerät 1 hin durchgeleitet. Das Gebläse 8 ist auf einer aus Kunst stoff hergestellten Bodenplatte 9 montiert, die an der Rückwand 2 und einem Rahmen 10 befestigt ist.

Das Kühlgerät 1 ist mittels Schrauben an der Rückwand 2 befestigt. Außerdem sind zwei Gleichstromzwischenkreis- Drosselspulen 11 an der Rückwand 2 befestigt. Auch der Rahmen 10 ist mittels Schrauben an der Rückwand 2 befe stigt.

Der Rahmen 10 bildet den Boden des Gehäuses 3. Im Ge häuse 3 ist eine Leiterplatine 12 mit einer Steuerschaltung an einer aus Kunststoff hergestellten Bedie nungs-Frontplatte 13 befestigt.

Die in Fig. 3 durch Strömungspfeile angedeutete Kühl luft wird durch das Gebläse 8 von unten nach oben durch die Bodenplatte 9, den mit Durchtrittslöchern versehene Rahmen 10 und Kühlkanäle im Kühlgerät 1 hindurchgebla sen, wobei sie die Wärme aus dem Kühlgerät ableitet. Dabei wird nahezu die gesamte Kühlluft durch die Kühl kanäle des Kühlgeräts 1 geleitet, da sie nicht seitlich aus dem Kühlgerät in den Elektronikbereich entweichen kann. Nachdem die Kühlluft das Kühlgerät 1 verlassen hat, werden die beiden Gleichstromzwischenkreis- Drosselspulen 11 von der Kühlluft umströmt, wonach die Kühlluft durch Öffnungen oben im Gehäuse 3 austritt.

Das Kühlgerät 1 ist im wesentlichen kastenförmig und weist zwei aus Aluminium extrudierte, miteinander ver bundene Kühlprofile 14 und 15 auf. Das eine Kühlprofil 14 hat eine erste Seitenwand 16 und das andere Kühlpro fil 15 eine der ersten Seitenwand 16 gegenüberliegende zweite Seitenwand 17. An den Innenseiten der Seitenwän de 14 und 15 sind jeweils Kühlwände 18 und 19 ange formt. Die Kühlwände 18 und 19 begrenzen die erwähnten, von der Kühlluft durchströmten Kühlkanäle zwischen sich, und auf den glatten Außenseiten der Seitenwand 17 ist das IGBT-Modul 4 mit den Leistungshalbleitern in Form von "Insulated Gate Bipolar Transistoren" wärme leitend befestigt. An der Außenseite der Seitenwand 16 ist dagegen das Gleichrichtermodul 5 mit Leistungshalb leitern in Form von Gleichrichtern wärmeleitend befe stigt.

Die an der ersten Seitenwand 16 angeformten Kühlwände 18 ragen zwischen die an der zweiten Seitenwand 17 an geformten Kühlwände 19.

Die der ersten Seitenwand 16 abgekehrten Randbereiche der an der ersten Seitenwand 16 angeformten Kühlwände 18 sind in Nuten 20 in der zweiten Seitenwand 17 einge preßt. Dabei bilden die der ersten Seitenwand 16 abge kehrten Randbereiche der an der ersten Seitenwand 16 angeformten Kühlwände 18 einen Wulst 21, der im Quer schnitt dicker als die Kühlwände 18 ist, vgl. insbeson dere die Fig. 5B und 6B.

Die der zweiten Seitenwand 17 abgekehrten Stirnseiten der an der zweiten Seitenwand 17 angeformten Kühlwände 19 haben Vertiefungen 22, in denen an der Innenseite der ersten Seitenwand 16 angeformte Vorsprünge 23 unter Kaltverschweißung mit den Vertiefungen 22 eingepreßt sind. Zu diesem Zweck sind die Vorsprünge 23 an ihren Seiten gewellt, siehe insbesondere Fig. 6A. Auch die Innenseiten der Vertiefungen 22 können entsprechend den Wellungen der Vorsprünge 23 gewellt sein, wie es insbe sondere in den Fig. 4A und Fig. 6 dargestellt ist. Au ßerdem sind die Vorsprünge 23 etwas kürzer als die Ver tiefungen 22 tief sind, um Toleranzen bei der Herstel lung (Extrusion) der Kühlprofile 14, 15 aufzunehmen.

Das IGBT-Modul 4 hat eine höhere Verlustleistung als das Gleichrichtermodul 5. Daher wird die Abwärme des IGBT-Moduls 4 durch sieben Kühlwände 18 und 19 zum ei nen durch den einstückigen Übergang zwischen der Sei tenwand 17 und den Kühlwänden 19 und zum anderen durch den großflächigen Kontakt zwischen den Wulsten 21 und den Nuten 20 aus der Seitenwand 17 abgeleitet. Hierfür ist die Seitenwand 17 zur Aufnahme und Ableitung der höheren Abwärme des IGBT-Moduls 4 dicker als die Sei tenwand 16 ausgebildet. Ferner haben die Kühlwände 18 und 19 einen von der Seitenwand 17 aus etwa trapezför mig abnehmenden Horizontalquerschnitt, so daß der Wär meableitwiderstand der Kühlwände 18 und 19 mit zuneh mender Entfernung von der thermisch höher belasteten Seitenwand 17 wegen der in dieser Richtung abnehmenden Temperatur ebenfalls abnimmt. Umgekehrt nimmt der Hori zontalquerschnitt der Kühlwände 18 und 19 von der ther misch durch das Gleichrichtermodul 5 weniger belasteten Seitenwand 16 zur thermisch höher belasteten Seitenwand 17 zu. So genügt es auch, zur Ableitung der geringeren Abwärme des Gleichrichter-Moduls 5 über die Seitenwand 16, an dieser nur drei Kühlwände 18 unmittelbar bei der Extrusion des Kühlprofils 14 anzuformen und die vier an der Seitenwand 17 angeformten Kühlwände 19 über die Vertiefungen 22 und Vorsprünge 23 nachträglich durch das Zusammenpressen und Kaltverschweißen stoff schlüssig mit der Seitenwand 16 zu verbinden.

Um die Wärmeableitung noch weiter zu fördern, sind alle Kühlwände 18 und 19 beiderseits mit Kühlrippen 24 ver sehen.

Außerdem bilden die beiden außen liegenden Kühlwände 19 der an der zweiten Seitenwand 17 angeformten Kühlwände 19 zwei weitere Seitenwände des Kühlgeräts 1. Diese äu ßeren Seitenwände 19 begrenzen daher nicht nur das Kühlgerät 1 auf den anderen beiden Seiten des im Quer schnitt etwa viereckigen bzw. kastenförmigen Kühlgeräts 1, sondern sie bewirken gleichzeitig auch eine Wärmeab leitung nach außen.

Die thermisch kritischen Leistungshalbleiter sind mit hin bei dem Kühlgerät 1 auf zwei Seitenwänden 16 und 17 verteilt. Die thermische Belastung durch die Leistungs halbleiter verteilt sich daher auf mehr als eine Sei tenwand, was eine gleichmäßige Temperaturverteilung und damit eine bessere Ausnutzung der Aluminiummenge des Kühlgeräts ergibt.

Der kleinstmögliche Abstand der Kühlwände ist normaler weise bei einem Extrusionsverfahren auf einen unteren Grenzwert beschränkt. Das Verhältnis des Abstands der Kühlwände 18, 19 zu ihrer Länge senkrecht zu den Sei tenwänden 16, 17 wird normalerweise 1 : 4 gewählt. Durch das Aufteilen des Kühlgeräts in zwei Kühlprofile 14 und 15, deren Kühlwände ineinander gesteckt werden, läßt sich das effektive Verhältnis auf etwa 1 : 6,5 erhöhen. Dies ergibt eine größere Kühlfläche des Kühlgeräts be zogen auf sein Gesamtvolumen. Durch die Kühlrippen 24 wird die gesamte Kühloberfläche noch erheblich vergrö ßert.

Claims

1. Kühlgerät (1) für Leistungshalbleiter, das im we sentlichen kastenförmig ist und zwei extrudierte, miteinander verbundene Kühlprofile (14, 15) auf weist, von denen das eine Kühlprofil (14) eine er ste wärmeleitende Seitenwand (16) und das andere Kühlprofil (15) eine der ersten Seitenwand (16) ge genüberliegende zweite wärmeleitende Seitenwand (17) des Kühlgeräts (1) bildet, wobei die Seiten wände (16, 17) an ihren Innenseiten angeformte Kühlwände (18, 19) aufweisen, die Kühlkanäle be grenzen, durch die ein Kühlfluid hindurchleitbar ist und auf den Außenseiten der Seitenwände (16, 17) die Leistungshalbleiter wärmeleitend zu befe stigen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die an der ersten Seitenwand (16) angeformten Kühlwände (18) zwischen die an der zweiten Seitenwand (17) ange formten Kühlwände (19) ragen.

2. Kühlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der ersten Seitenwand (16) abgekehrten Randbereiche der an der ersten Seitenwand (16) an geformten Kühlwände (18) in Nuten (20) in der zwei ten Seitenwand (17) eingepreßt sind.

3. Kühlgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der ersten Seitenwand (16) abgekehrten Randbereiche der an der ersten Seitenwand (16) an geformten Kühlwände (18) einen Wulst (21) bilden.

4. Kühlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der zweiten Seitenwand (17) abgekehrten Stirnseiten der an der zweiten Seiten wand (17) angeformten Kühlwände (19) Vertiefungen (22) aufweisen, in denen an der Innenseite der er sten Seitenwand (16) angeformte Vorsprünge (23) festgehalten sind.

5. Kühlgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (23) kürzer sind als die Vertie fungen (22) tief sind.

6. Kühlgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vorsprünge (23) in die Vertiefun gen (22) unter gegenseitiger Kaltverschweißung fest eingepreßt sind.

7. Kühlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlwände (18, 19) mit Kühlrippen (24) versehen sind.

8. Kühlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden außen liegenden Kühlwände (19) der an der zweiten Seitenwand (17) angeformten Kühlwände (19) zwei weitere Seitenwände des Kühlgeräts bilden.