DE10058574A1 - Kühlgerät für Leistungshalbleiter - Google Patents
Kühlgerät für LeistungshalbleiterInfo
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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 (8)
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.
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