DE102019210192A1

DE102019210192A1 - Kühlung von elektrischen Bauelementen

Info

Publication number: DE102019210192A1
Application number: DE102019210192.5A
Authority: DE
Inventors: Marco Bohlländer; Stanley BUCHERT; Uwe Waltrich; Antonio Zangaro
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2020-08-20

Abstract

Die Erfindung gibt ein Elektrisches System (10) an, das aufweist:- einen Kühlkörper (1) mit einem offenen Kühlkanal (1.1), durch den ein Kühlmittel (1.2) strömbar ist,- ein den Kühlkanal (1.1) teilweise abdeckendes, Leistungshalbleiterbauelemente (2.1) aufweisendes Leistungsmodul (2) und- eine Treiberschaltungsvorrichtung (3), wobei die Treiberschaltungsvorrichtung (3) den offenen Rest des Kühlkanals (1.1) derart abdeckt, dass die Treiberschaltungsvorrichtung (3) durch das vorbeiströmende Kühlmittel (1.2) entwärmbar ist.Die Erfindung gibt auch ein zugehöriges Verfahren zur Kühlung sowie einen Stromrichter und ein Fahrzeug mit einem derartigen elektrischen System an.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein elektrisches System, insbesondere für einen Stromrichter, mit einem Kühlkörper, der einen nach offenen Kühlkanal aufweist, durch den ein Kühlmittel strömt, mit einem den Kühlkanal teilweise abdeckenden, Leistungshalbleiterbauelemente aufweisenden Leistungsmodul und mit einer Treiberschaltungsvorrichtung. Die Erfindung betrifft außerdem ein zugehöriges Verfahren zur Kühlung des elektrischen Systems sowie einen Stromrichter und ein Fahrzeug mit einem derartigen elektrischen System.
Hintergrund der Erfindung
Zur Ansteuerung der Leistungshableiterbauelemente in Leistungsmodulen zum Beispiel bei Umrichtern werden Treiberschaltungen eingesetzt. Diese werden nach dem Stand der Technik auf organischen Leiterplatten realisiert und über Löt-, Feder- oder Presskontakte mit dem Leistungsmodul verbunden. Diese sogenannte Treiberplatine ist üblicherweise relativ schlecht an die Kühlung des Leistungsmoduls angebunden. Die Kühlung der Treiberplatine erfolgt lediglich über die Steuerungsanschlüsse oder über Schraubverbindungen.
1 zeigt eine Schnittansicht durch ein derartiges elektrisches System 10, bei dem ein Leistungsmodul 2 auf einem Kühlkörper 1 sitzt. Das Leistungsmodul 2 ist über Kontaktelemente 3.3 mit einer Treiberschaltungsvorrichtung 3 elektrisch verbunden.
Bei schnellschaltenden Leistungshalbleiterbauelementen ist eine sehr niederinduktive bzw. niederohmige Anbindung der Treiberplatine an die Leistungshalbleiterbauelemente vorteilhaft, um schnelle Schaltgeschwindigkeiten erreichen zu können. Daher muss die Treiberschaltung sehr nahe an das Leistungsmodul angebracht sein, was zusätzlich freies Volumen des Umrichters reduziert.
Dies erfordert jedoch eine sehr temperaturstabile Treiberschaltung, da die schnell schaltenden elektronischen Bauelemente, basierend auf SiC oder GaN, zukünftig bei Temperaturen über 150 °C betrieben werden. Die entstehende Abwärme der Leistungshalbleiterbauelemente kann aufgrund Konvektion und Strahlung zu kritischen Temperaturen auf bzw. in der Treiberplatine führen. Des Weiteren führt auch die Anforderung einer Miniaturisierung (d.h. dicht gepackte Schaltungen auf der Platine) zu Hotspots auf der Treiberschaltung.
Bekannt ist, das Schaltungslayout auf Treiberplatinen entsprechend der thermischen Belastung der Bauteile entzerrt anzuordnen sowie Zwischenschichten aus Kupfer einzubauen, um eine großflächige thermische Spreizung zur freien Konvektion zu ermöglichen.
Die Kühlung erfolgt oftmals auch relativ unspezifisch über die Befestigungsschrauben an das Gehäuse oder an eine Kühlplatte. Erschwerend kommt hinzu, dass die thermische Anbindung durch das organische Material der Treiberplatine als Isolation relativ gering ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, durch die die Kühlung einer Treiberschaltungsvorrichtung für Leistungsmodule bei beispielsweise Umrichtern verbessert wird.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
In einem Aspekt der Erfindung ist eine Treiberschaltungsvorrichtung auf einem keramischen Multilagensubstrat (z.B. HTCC, LTCC) realisiert, das zur Kühlung als Abschlussplatte in einen offenen Kühlkanal eines Kühlkörpers eingesetzt und stoffschlüssig mit dem Kühlkörper verbunden wird.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung können zusätzliche keramische Kühlstrukturen, wie beispielsweise Kühlrippen (= Pin Fins), den Wärmeübergang zwischen der Treiberschaltungsvorrichtung und einem Kühlmittel verbessern.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung können durch entsprechende Metallisierungen bzw. Metallinlays in dem keramischen Multilagensubstrat bzw. umlaufend um das Multilagensubstrat u.a. auch Schweiß- oder Lötverbindungen realisiert werden.
Je nach räumlicher Orientierung erfolgt die Kontaktierung der Treiberschaltung mit dem Leistungsmodul des elektrischen Systems über Federkontakte, Steckverbinder oder Bonddrähte.
Die Erfindung hat folgende Vorteile:

- eine gute mechanische Festigkeit und Steifigkeit, wobei Stützverschraubungen nicht erforderlich sind,
- eine hohe Temperaturfestigkeit und eine kompakte Bauweise,
- einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und daher eine hohe Lebensdauer,
- eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit,
- eine hohe chemische Beständigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegenüber jeglicher Art von Kühlmittel,
- eine hohe Kriechstromfestigkeit im Vergleich zu organischen Leiterplatten, was die Zuverlässigkeit erhöht,

- eine Möglichkeit einer 3D Geometrie durch additive Herstellung der HTCC/LTCC, beispielsweise sind dadurch komplexe Kühlstrukturen auf der Substratunterseite möglich.

Die Erfindung beansprucht ein elektrisches System, das aufweist:

- einen Kühlkörper mit einem offenen Kühlkanal, durch den ein Kühlmittel strömbar ist,
- ein den Kühlkanal teilweise abdeckendes, Leistungshalbleiterbauelemente aufweisendes Leistungsmodul und
- eine Treiberschaltungsvorrichtung, wobei die Treiberschaltungsvorrichtung den offenen Rest des Kühlkanals derart abdeckt, dass die Treiberschaltungsvorrichtung durch das vorbeiströmende Kühlmittel entwärmbar ist.

In einer Weiterbildung kann das Leistungsmodul in den Kühlkanal ragende erste Kühlrippen aufweisen. Dadurch wird die Entwärmung verbessert, indem der thermische Widerstand entlang des Wegs von der Wärmequelle zur Wärmesenke reduziert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Treiberschaltungsvorrichtung ein keramisches Multilagensubstrat aufweisen, das einen stoffschlüssigen Abschlussdeckel des Kühlkanals bildet. Auch dadurch wird die Entwärmung von wärmeabgebenden Bauteilen verbessert.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das keramische Multilagensubstrat in den Kühlkanal ragende zweite Kühlrippen aufweisen, wodurch die Entwärmung ebenfalls verbessert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung strömt das Kühlmittel zuerst an dem Leistungsmodul und anschließend an der Treiberschaltungsvorrichtung, oder umgekehrt, vorbei.
In einer Weiterbildung kann das keramische Multilagensubstrat eine Metallisierung oder eine Metalleinlage aufweisen.
Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zur Kühlung eines elektrischen Systems, wobei ein in einem Kühlkanal strömendes Kühlmittel zuerst an einem Leistungshalbleiterbauelemente aufweisenden Leistungsmodul des elektrischen Systems und anschließend an einer Treiberschaltungsvorrichtung des elektrischen Systems vorbeiströmt, oder zuerst an der Treiberschaltungsvorrichtung und anschließend an dem Leistungsmodul.
Außerdem beansprucht die Erfindung einen Stromrichter, bevorzugt einen Umrichter, mit einem erfindungsgemäßen elektrischen System.
Als Umrichter, auch Inverter genannt, wird ein Stromrichter bezeichnet, der aus einer Wechselspannung oder Gleichspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderte Wechselspannung erzeugt. Häufig sind Umrichter als AC/DC-DC/AC-Umrichter oder DC/AC-Umrichter ausgebildet, wobei aus einer Eingangswechselspannung oder einer Eingangsgleichspannung über einen Gleichspannungszwischenkreis und getakteten Halbleitern eine Ausgangswechselspannung erzeugt wird.
Die Erfindung beansprucht auch ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb.
Unter Fahrzeug wird jede Art von Fortbewegungs- oder Transportmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden. Ein Luftfahrzeug ist ein fliegendes Fahrzeug.
In einer Weiterbildung weist das Fahrzeug auf:

- einen durch den Stromrichter mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor und
- einen durch den Elektromotor in Rotation versetzbaren Propeller.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine Schnittansicht eines elektrischen Systems gemäß dem Stand der Technik,
2 eine Schnittansicht eines elektrischen Systems mit einer verbesserten Kühlung,
3 ein Blockschaltbild eines Stromrichters und
4 ein Luftfahrzeug mit einem elektrischen System.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
2 zeigt eine Schnittansicht eines elektrischen Systems 10, bei dem ein nach oben offenen Kühlkanal 1.1 eines Kühlkörpers 1 teilweise durch ein Leistungsmodul 2 und teilweise durch eine Treiberschaltungsvorrichtung 3 abgedeckt wird. Die Abdeckung ist vorzugsweise stoffschlüssig ausgeführt.
Ein Kühlmittel 1.2 im Kühlkanal 1.1 strömt zuerst an der Unterseite des Leistungsmoduls 2 und anschließend an der Unterseite der Treiberschaltungsvorrichtung 3 vorbei, um dabei diese Bauteile zu entwärmen.
Zur besseren Entwärmung weist das Leistungsmodul 2 in den Kühlkanal 1.1 ragende erste Kühlrippen 2.2 auf. Das Leitungsmodul 2 enthält die in der Zeichnung nicht erkennbaren Leistungshalbleiterbauelemente 2.1, die es vor allem zu entwärmen gilt.
Die Treiberschaltungsvorrichtung 3 weist ein keramisches Multilagensubstrat 3.1 auf, in dem in den Kühlkanal 1.1 ragende zweite Kühlrippen 3.2 ausgebildet sind. Das Multilagensubstrat 3.1 bildet einen Abschlussdeckel auf einem Teil des Kühlkanals 1.1 und verschließt diesen so zum Teil. Zur elektrischen Verbindung mit dem Leistungsmodul 2 sind die Kontaktelemente 3.3 (nur eines ist dargestellt) vorgesehen.
3 zeigt ein Blockschaltbild eines Stromrichters 4, insbesondere eines Umrichters, mit einem erfindungsgemäßen elektrischen System 10 gemäß der Darstellung der 2.
4 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luftfahrzeug 6, insbesondere ein Flugzeug, mit einem Stromrichter 4 gemäß 3, der einen Elektromotor 5 mit elektrischer Energie versorgt. Der Elektromotor 5 treibt einen Propeller 7 an. Beide sind Teil einer elektrischen Schuberzeugungseinheit. Der Stromrichter 4 kann auch Teil eines elektrischen Bordnetzes sein.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Kühlkörper
1.1: Kühlkanal
1.2: Kühlmittel
2: Leistungsmodul
2.1: Leistungshalbleiterbauelement
2.2: erste Kühlrippe
3: Treiberschaltungsvorrichtung
3.1: Multilagensubstrat
3.2: zweite Kühlrippe
3.3: Kontaktelement
4: Stromrichter
5: Elektromotor
6: Luftfahrzeug
7: Propeller
10: elektrisches System

Claims

Elektrisches System (10), aufweisend: - einen Kühlkörper (1) mit einem offenen Kühlkanal (1.1), durch den ein Kühlmittel (1.2) strömbar ist, - ein den Kühlkanal (1.1) teilweise abdeckendes, Leistungshalbleiterbauelemente (2.1) aufweisendes Leistungsmodul (2) und - eine Treiberschaltungsvorrichtung (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltungsvorrichtung (3) den offenen Rest des Kühlkanals (1.1) derart abdeckt, dass die Treiberschaltungsvorrichtung (3) durch das vorbeiströmende Kühlmittel (1.2) entwärmbar ist.
Elektrisches System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (2) in den Kühlkanal (1.1) ragende erste Kühlrippen (2.2) aufweist.
Elektrisches System (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltungsvorrichtung (3) ein keramisches Multilagensubstrat (3.1) aufweist, wobei es einen stoffschlüssigen Abschlussdeckel des Kühlkanals (1.1) bildet.
Elektrisches System (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Multilagensubstrat (3.1) in den Kühlkanal ragende zweite Kühlrippen (3.2) aufweist.
Elektrisches System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (1.2) zuerst an dem Leistungsmodul (2) und anschließend an der Treiberschaltungsvorrichtung (3), oder umgekehrt, vorbeiströmt.
Elektrisches System (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Multilagensubstrat (3.1) eine Metallisierung oder ein Metalleinlage aufweist.
Verfahren zur Kühlung eines elektrischen Systems (10), wobei ein in einem Kühlkanal (1.1) strömendes Kühlmittel (1.2) zuerst an einem Leistungshalbleiterbauelemente (2.1) aufweisenden Leistungsmodul (2) des elektrischen Systems (10) und anschließend an einer Treiberschaltungsvorrichtung (3) des elektrischen Systems (10) vorbeiströmt, oder zuerst an der Treiberschaltungsvorrichtung und anschließend an dem Leistungsmodul (2) vorbeiströmt.
Stromrichter (4) mit einem elektrischen System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Fahrzeug mit einem Stromrichter (4) nach Anspruch 8 für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb.
Fahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Luftfahrzeug (6) ist.
Fahrzeug (6) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch: - einen durch den Stromrichter (4) mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor (5) und - einen durch den Elektromotor (5) in Rotation versetzbaren Propeller (7).