DE102020109726A1 - Power electronic system with a total cooling device and a plurality of partial cooling devices - Google Patents

Power electronic system with a total cooling device and a plurality of partial cooling devices Download PDF

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Jörg Ammon
Harald Kobolla
Ingo Bogen
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Semikron Elektronik GmbH and Co KG
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids

Abstract

Vorgestellt wird ein leistungselektronisches System mit einer Gesamtkühleinrichtung, mit einer Mehrzahl von in Reihe angeordneten leistungselektronischen Einrichtungen, jeweils mit einer Kühleinrichtung und mit einer Mehrzahl von zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelementen, wobei jede Kühleinrichtung einen Kühlkanal aufweist, wobei einem der Leistungshalbleiterbauelemente oder eine Teilmenge aller Leistungshalbleiterbauelemente jeder leistungselektronischen Einrichtung jeweils eine Teilkühleinrichtung zugeordnet ist, wobei ein Kühlmedium durch die Gesamtkühleinrichtung und innerhalb dieser jeweils von einer n-ten zur n+1-ten Kühleinrichtung strömt und somit eine Durchströmungsrichtung festlegt, wobei die Kühlleistung einer Teilkühleinrichtung pro normierter Leistung des zugeordneten Leistungshalbleiterbauelements oder der zugeordneten Teilmenge von Leistungshalbleiterbauelementen von der n-ten zur n+1-ten Kühleinrichtung ansteigt

Figure DE102020109726A1_0000
A power electronic system is presented with an overall cooling device, with a plurality of power electronic devices arranged in series, each with a cooling device and with a plurality of power semiconductor components to be cooled, each cooling device having a cooling channel, with one of the power semiconductor components or a subset of all power semiconductor components each power electronic Each device is assigned a partial cooling device, a cooling medium flowing through the overall cooling device and within it from an n-th to the n + 1-th cooling device and thus defining a flow direction, the cooling capacity of a partial cooling device per standardized output of the assigned power semiconductor component or the assigned Subset of power semiconductor components increases from the n-th to the n + 1-th cooling device
Figure DE102020109726A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein leistungselektronisches System mit einer Gesamtkühleinrichtung, mit einer Mehrzahl von in Reihe angeordneten leistungselektronischen Einrichtungen, jeweils mit einer Kühleinrichtung und mit einer Mehrzahl von zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelementen.The invention relates to an electronic power system with an overall cooling device, with a plurality of power electronic devices arranged in series, each with a cooling device and with a plurality of power semiconductor components to be cooled.

Die DE 10 2017 207 361 A1 offenbart als Stand der Technik einen Kühler zur Kühlung einer elektrischen Anordnung, insbesondere einer leistungselektrischen Anordnung, mit einem Kühlkörper mit einer Kühloberfläche zur Wärmeabgabe an ein an der Kühloberfläche fließendes Kühlmedium, wobei der Kühlkörper an der Kühloberfläche eine Kühlstruktur zur Vergrößerung der Kühloberfläche aufweist, wobei sich die Kühlstruktur in Flussrichtung des Kühlmediums derart verändert, sodass sich auch der thermische Widerstand des Kühlkörpers entlang der Flussrichtung des Kühlmediums verändert.the DE 10 2017 207 361 A1 discloses, as prior art, a cooler for cooling an electrical arrangement, in particular a power electrical arrangement, with a cooling body with a cooling surface for dissipating heat to a cooling medium flowing on the cooling surface the cooling structure is changed in the flow direction of the cooling medium in such a way that the thermal resistance of the cooling body also changes along the flow direction of the cooling medium.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gesamtkühleinrichtung für ein leistungselektronisches System mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen und diesen zugeordneten Teilkühleinrichtungen im Sinne einer gleichmäßigen Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente vorzustellen.The invention is based on the object of presenting an overall cooling device for a power electronic system with a plurality of power semiconductor components and partial cooling devices assigned to them in the sense of uniform cooling of the power semiconductor components.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein leistungselektronisches System mit einer Gesamtkühleinrichtung, mit einer Mehrzahl von in Reihe angeordneten leistungselektronischen Einrichtungen, jeweils mit einer Kühleinrichtung und mit einer Mehrzahl von zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelementen,
wobei jede Kühleinrichtung einen Kühlkanal aufweist,
wobei einem der Leistungshalbleiterbauelemente oder eine Teilmenge aller Leistungshalbleiterbauelemente jeder leistungselektronischen Einrichtung jeweils eine Teilkühleinrichtung zugeordnet ist, wobei ein Kühlmedium durch die Gesamtkühleinrichtung und innerhalb dieser jeweils von einer n-ten zur n+1-ten Kühleinrichtung strömt und somit eine Durchströmungsrichtung festlegt,
wobei die Kühlleistung einer Teilkühleinrichtung pro normierter Leistung des zugeordneten Leistungshalbleiterbauelements oder der zugeordneten Teilmenge von Leistungshalbleiterbauelementen von der n-ten zur n+1-ten Kühleinrichtung ansteigt.This object is achieved according to the invention by a power electronic system with an overall cooling device, with a plurality of power electronic devices arranged in series, each with a cooling device and with a plurality of power semiconductor components to be cooled,
each cooling device having a cooling channel,
one of the power semiconductor components or a subset of all power semiconductor components of each power electronic device is assigned a partial cooling device, wherein a cooling medium flows through the overall cooling device and within it from an n-th to the n + 1-th cooling device and thus defines a flow direction,
wherein the cooling capacity of a partial cooling device per standardized output of the assigned power semiconductor component or the assigned subset of power semiconductor components increases from the n-th to the n + 1-th cooling device.

Es kann vorteilhaft sein, wenn eine Teilkühleinrichtung oder auch alle Teilkühleinrichtungen des zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelements oder der Teilmenge von zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelementen betrachtet in Durchströmungsrichtung zentral unterhalb dieses zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelements oder der zu kühlenden Teilmenge von Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet ist. Für eine Teilkühleinrichtung oder alle Teilkühleinrichtungen kann es aber auch vorteilhaft sein, wenn sie versetzt unterhalb dieses Leistungshalbleiterbauelements oder der Teilmenge von Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet ist.It can be advantageous if a partial cooling device or all partial cooling devices of the power semiconductor component to be cooled or the subset of power semiconductor components to be cooled, viewed in the flow direction, is arranged centrally below this power semiconductor component to be cooled or the subset of power semiconductor components to be cooled. For a partial cooling device or all partial cooling devices, however, it can also be advantageous if it is arranged offset below this power semiconductor component or the subset of power semiconductor components.

Es ist bevorzugt, wenn die normierte Leistung eines Leistungshalbleiterbauelements definiert wird durch mindestens einen der Parameter: Nennstrom, Nennspannung oder Grundfläche. Insbesondere kann die normierte Leistung definiert sein als die Stromtragfähigkeit pro Quadratmillimeter Grundfläche des Leistungshalbleiterbauelements.It is preferred if the normalized power of a power semiconductor component is defined by at least one of the parameters: nominal current, nominal voltage or base area. In particular, the normalized power can be defined as the current-carrying capacity per square millimeter of base area of the power semiconductor component.

Es ist vorteilhaft, wenn die Kühlleistung einer Teilkühleinrichtung pro normierter Leistung des zugeordneten Leistungshalbleiterbauelements oder der zugeordneten Teilmenge von Leistungshalbleiterbauelementen von der n-ten zur n+1-ten Kühleinrichtung jeweils um den gleichen Kühleffizienzfaktor ansteigt. Hierbei kann insbesondere der Kühleffizienzfaktor kleiner sein als die prozentuale Zunahme der Erwärmung der Kühlflüssigkeit von der n-ten zur n+1-ten Kühleinrichtung.It is advantageous if the cooling capacity of a partial cooling device per normalized output of the assigned power semiconductor component or the assigned subset of power semiconductor components increases from the nth to the n + 1th cooling device by the same cooling efficiency factor. Here, in particular, the cooling efficiency factor can be smaller than the percentage increase in the heating of the cooling liquid from the n-th to the n + 1-th cooling device.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Kühlkanal einer der Kühleinrichtungen, vorzugsweise aller, ein Strömungsleitelement aufweist, das dazu ausgebildet ist das Kühlmittel in Durchströmungsrichtung gezielt auf Einzelkühlelemente oder Gruppen von Einzelkühlelementen zu lenken. Bekannt, aber auch besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn ein Einzelkühlelement ausgebildet ist als Kühlpin oder Kühlfinne. Die Kühlleistung wird vorzugsweise bestimmt durch die Größe und Form des Einzelkühlelements und die Anzahl von Kühlmitteln pro Flächeneinheit.It is particularly preferred if the cooling channel of one of the cooling devices, preferably all of them, has a flow guiding element which is designed to direct the coolant in the direction of flow in a targeted manner onto individual cooling elements or groups of individual cooling elements. It is known, but also particularly advantageous, if an individual cooling element is designed as a cooling pin or cooling fin. The cooling performance is preferably determined by the size and shape of the individual cooling element and the number of coolants per unit area.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Kühlkanal einer der Kühleinrichtungen, vorzugsweise in allen, ein Strömungshomogenisierungselement aufweist, das dazu ausgebildet ist in Durchströmungsrichtung eine Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels über eine Breite des Kühlkanals homogen auszubilden. Hierunter wird insbesondere eine Standardabweichung der Fließgeschwindigkeit vom Mittelwert um nicht mehr als 20%, bevorzugt nicht mehr als 10%, verstanden. Die Abweichung kann allerdings nahe dem Rand des Kühlkanals hiervon abweichen.Furthermore, it is advantageous if the cooling channel of one of the cooling devices, preferably in all of them, has a flow homogenization element which is designed to form a flow rate of the coolant homogeneously over a width of the cooling channel in the direction of flow. This is understood to mean, in particular, a standard deviation of the flow rate from the mean value of not more than 20%, preferably not more than 10%. The deviation can, however, deviate from this near the edge of the cooling channel.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn innerhalb einer Kühleinrichtung die Kühlleistung einer Teilkühleinrichtung pro normierter Leistung des zugeordneten Leistungshalbleiterbauelements oder der zugeordneten Teilmenge von Leistungshalbleiterbauelementen in Durchströmungsrichtung von der m-ten zur m+1-ten Teilkühleinrichtung ansteigt.It is particularly advantageous if, within a cooling device, the cooling capacity of a partial cooling device per standardized output of the assigned power semiconductor component or the assigned subset of power semiconductor components increases in the flow direction from the mth to the m + 1th partial cooling device.

Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the various configurations of the invention can be implemented individually or in any combination in order to To achieve improvements. In particular, the features mentioned and explained above and below can be used not only in the specified combinations, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 und 9 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.

  • 1 zeigt schematisch eine grundlegende Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
  • 2 zeigt eine erste Ausgestaltung einer Kühleinrichtung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
  • 3 und 4 zeigen eine zweite Ausgestaltung einer Gesamtkühleinrichtung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
  • 5 und 6 zeigen eine dritte Ausgestaltung einer Gesamtkühleinrichtung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
  • 7 und 8 zeigen eine vierte Ausgestaltung einer Gesamtkühleinrichtung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
  • 9 zeigt eine fünfte Ausgestaltung einer Gesamtkühleinrichtung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
Further explanations of the invention, advantageous details and features emerge from the following description of the FIGS 1 and 9 schematically illustrated embodiments of the invention, or of respective parts thereof.
  • 1 shows schematically a basic configuration of a power electronic system according to the invention.
  • 2 shows a first embodiment of a cooling device of a power electronic system according to the invention.
  • 3 and 4th show a second embodiment of an overall cooling device of a power electronic system according to the invention.
  • 5 and 6th show a third embodiment of an overall cooling device of a power electronic system according to the invention.
  • 7th and 8th show a fourth embodiment of an overall cooling device of a power electronic system according to the invention.
  • 9 shows a fifth embodiment of an overall cooling device of a power electronic system according to the invention.

1 zeigt schematisch eine grundlegende Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems 1. Dieses weist eine Gesamtkühleinrichtung 3 auf, die vier einzelne und in Reihe angeordnete Kühleinrichtungen 30.1,30.2,30.3 mit jeweils einem Kühlkanal aufweist und wird von einem Kühlmedium 34, hier einer wasserbasierten Kühlflüssigkeit, in einer Durchströmungsrichtung 340 durchströmt. Unter einem Kühlkanal soll allgemein der Hohlraum der Kühleinrichtung 30.1,30.2,30.3 verstanden werden, der von dem Kühlmedium durchflossen wird. Dieser Hohlraum kann im Grunde beliebig gestaltet sein und insbesondere auch Einschnürungen aufweisen. In einem Kühlkanal angeordnet und damit Teil einer Kühleinrichtung 30.1,30.2,30.3 sind Teilkühleinrichtungen 300.1, 300.2, 300.3, die wiederum aus Einzelkühlelementen ausgebildet sind, vgl. auch die weiteren Figuren. 1 shows schematically a basic configuration of a power electronic system according to the invention 1 . This has an overall cooling device 3 on, the four individual cooling devices arranged in series 30.1 , 30.2 , 30.3 each with a cooling channel and is of a cooling medium 34 , here a water-based coolant, in one direction of flow 340 flows through. In general, the cavity of the cooling device should be under a cooling channel 30.1 , 30.2 , 30.3 be understood, which is traversed by the cooling medium. This cavity can basically be designed as desired and in particular also have constrictions. Arranged in a cooling channel and thus part of a cooling device 30.1 , 30.2 , 30.3 are partial cooling systems 300.1 , 300.2 , 300.3 which in turn are formed from individual cooling elements, see also the other figures.

Auf der in dieser Ausgestaltung ersten Kühleinrichtung ist eine Kondensatoreinrichtung 6 angeordnet und thermisch leitend damit verbunden. Auf den nächsten drei Kühleinrichtungen 30.1,30.2,30.3, die jeweils Teilkühleinrichtungen aufweisen, ist jeweils ein gleichartiges Leistungshalbleitermodul 4.1,4.2,4.3, als Ausgestaltung der leistungselektronischen Einrichtung, angeordnet und mit der Kühleinrichtung 30.1,30.2,30.3 thermisch leitend verbunden. Das jeweilige Leistungshalbleitermodul 4.1,4.2,4.3 seinerseits weist jeweils eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen, die den Teilkühleinrichtungen zugeordnet sind, auf.A capacitor device is located on the first cooling device in this embodiment 6th arranged and connected to it in a thermally conductive manner. On the next three cooling devices 30.1 , 30.2 , 30.3 , which each have partial cooling devices, is each a power semiconductor module of the same type 4.1 , 4.2 , 4.3 , as an embodiment of the power electronic device, arranged and with the cooling device 30.1 , 30.2 , 30.3 thermally connected. The respective power semiconductor module 4.1 , 4.2 , 4.3 in turn, each has a plurality of power semiconductor components which are assigned to the partial cooling devices.

Die Kühlleistung der einzelnen Teilkühleinrichtungen pro normierter Leistung des zugeordneten Leistungshalbleitermoduls 4.1,4.2,4.3 und damit der jeweiligen dort angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente steigt in Durchströmungsrichtung von der n-ten zur n+1-ten Kühleinrichtung 30.1,30.2,30.3 an. Die jeweilige Teilkühleinrichtung, der in Durchströmungsrichtung der Kühleinrichtung der Kondensatoreinrichtung folgenden Kühleinrichtung 30.1 weist somit die geringste Kühlleistung auf, während die jeweilige Teilkühleinrichtung der letzten Kühleinrichtung 30.3 die größte Kühlleistung aufweist. Da bei dieser grundlegenden Ausgestaltung alle Leistungshalbleitermodule 4.1,4.2,4.3 identisch aufgebaut sind, ergibt sich dieser einfache Zusammenhang.The cooling capacity of the individual partial cooling devices per standardized capacity of the assigned power semiconductor module 4.1 , 4.2 , 4.3 and thus the respective power semiconductor components arranged there increases in the flow direction from the nth to the n + 1th cooling device 30.1 , 30.2 , 30.3 at. The respective partial cooling device, the cooling device following the condenser device in the flow direction of the cooling device 30.1 thus has the lowest cooling capacity, while the respective partial cooling device is the last cooling device 30.3 has the greatest cooling capacity. Since, in this basic configuration, all power semiconductor modules 4.1 , 4.2 , 4.3 are constructed identically, there is this simple relationship.

Das leistungselektronische System 1 weist weiterhin ein, hier nur teilweise dargestelltes, Gehäuse 2 auf. Durch Ausnehmungen dieses Gehäuses 2 hindurch ragend und mit der Gesamtkühleinrichtung 3 verbunden sind Kühlflüssigkeits- Zu- und Ablaufeinrichtungen 342, 344 angeordnet.The power electronic system 1 furthermore has a housing, which is only partially shown here 2 on. Through recesses in this housing 2 protruding through and with the overall cooling device 3 coolant inlet and outlet devices are connected 342 , 344 arranged.

2 zeigt eine erste Ausgestaltung einer Gesamtkühleinrichtung 3 eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems. Hierauf sind drei gleichartige, gestrichelt dargestellte, leistungselektronische Einrichtungen 4.1,4.2,4.3 hintereinander angeordnet und weisen jeweils zwei nebeneinander angeordnete und ebenfalls gestrichelt dargestellte Leistungshalbleiterbauelemente 40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3 auf. 2 shows a first embodiment of an overall cooling device 3 of a power electronic system according to the invention. There are three similar power electronic devices shown in dashed lines 4.1 , 4.2 , 4.3 arranged one behind the other and each have two power semiconductor components which are arranged next to one another and are also shown in dashed lines 40.1 , 42.1 , 40.2 , 42.2 , 40.3 , 42.3 on.

Die Gesamtkühleinrichtung 3 weist hier drei Kühleinrichtungen 30.1,30.2,30.3 mit jeweils einem Kühlkanal auf, die nacheinander durchströmt werden, wodurch sich eine Durchströmungsrichtung 340 ausbildet. Die einzelnen Kühlkanäle sind hier unmittelbar und ohne dazwischen angeordnete Einschnürung hintereinander angeordnet.The overall cooling system 3 has three cooling devices here 30.1 , 30.2 , 30.3 each with a cooling channel through which the flow passes one after the other, creating a flow direction 340 trains. The individual cooling channels are here arranged directly behind one another and without a constriction arranged in between.

Die jeweiligen Kühleinrichtungen 30.1,30.2,30.3 werden ausgebildet durch jeweils zwei Teilkühleinrichtungen, die in Durchströmungsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Die beiden Teilkühleinrichtungen 300.1,320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3 sind dabei spiegelsymmetrisch zur Längsachse der Gesamtkühleinrichtung 3 ausgestaltet und weisen jeweils eine Mehrzahl von Einzelkühlelementen auf, die hier als in ihrem Verlauf gekrümmte Kühlfinnen ausgebildet sind.The respective cooling devices 30.1 , 30.2 , 30.3 are formed by two partial cooling devices that are arranged next to one another in the direction of flow. The two partial cooling devices 300.1 , 320.1 , 300.2 , 320.2 , 300.3 , 320.3 are mirror-symmetrical to the longitudinal axis of the overall cooling device 3 designed and each have a plurality of Individual cooling elements, which are designed here as cooling fins curved in their course.

Die einzelnen Kühlfinnen wirken gleichzeitig als Strömungsleitelemente. Die Kühlfinnen der Teilkühleinrichtungen 300.1,320.1 der in Durchströmungsrichtung 340 ersten Kühleinrichtung 30.1 leiten hierbei die Strömung aus dem Zentrum des Kühlkanals nach außen. Die Kühlfinnen der Teilkühleinrichtungen 300.2,320.2, 300.3,320.3 der in Durchströmungsrichtung zweiten und dritten Kühleinrichtung 30.2,30.3 komprimieren hierbei die Strömung unterhalb der zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelemente 40.2,42.2, 40.3,42.3, wodurch es dort zu einer höheren Fließgeschwindigkeit und zu einem besseren Wirkungsgrad der Kühlung kommt.The individual cooling fins also act as flow guide elements. The cooling fins of the partial cooling devices 300.1 , 320.1 the one in the direction of flow 340 first cooling device 30.1 direct the flow from the center of the cooling channel to the outside. The cooling fins of the partial cooling devices 300.2 , 320.2 , 300.3 , 320.3 the second and third cooling device in the flow direction 30.2 , 30.3 compress the flow below the power semiconductor components to be cooled 40.2 , 42.2 , 40.3 , 42.3 which results in a higher flow rate and a better efficiency of the cooling.

Die in Durchströmungsrichtung 340 ersten Teilkühleinrichtungen 300.1 und damit auch deren Einzelkühlelemente sind in Durchströmungsrichtung 340 betrachtet zentral unterhalb des jeweiligen zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelements 40.1,42.1 angeordnet.The one in the direction of flow 340 first partial cooling devices 300.1 and thus also their individual cooling elements are in the direction of flow 340 viewed centrally below the respective power semiconductor component to be cooled 40.1 , 42.1 arranged.

Die in Durchströmungsrichtung 340 jeweiligen zweiten und dritten Teilkühleinrichtungen 300.2,320.2, 300.3,320.3 und damit auch deren jeweilige Einzelkühlelemente sind in Durchströmungsrichtung 340 betrachtet entgegengesetzt der Durchströmungsrichtung versetzt unterhalb des zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelements 40.2,42.2, 40.3,42.3 angeordnet.The one in the direction of flow 340 respective second and third partial cooling devices 300.2 , 320.2 , 300.3 , 320.3 and thus also their respective individual cooling elements are in the direction of flow 340 viewed opposite to the direction of flow, offset below the power semiconductor component to be cooled 40.2 , 42.2 , 40.3 , 42.3 arranged.

Die Anzahl der Einzelkühlelemente nimmt bei gleicher Länge von der jeweilig ersten zur jeweilig zweiten und von der jeweilig zweiten zur jeweiligen dritten Teilkühleinrichtung zu. Somit steigt die Kühlleistung dieser Teilkühleinrichtungen 300.1,320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3 von der n-ten zur n+1-ten Kühleinrichtung 30.1,30.2,30.3 an. Hierbei wirkt wiederum zur Erläuterung vereinfachend, dass die normierte Leistung aller Leistungshalbleiterbauelemente 40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3 bei dieser Ausgestaltung gleich ist.The number of individual cooling elements increases with the same length from the respective first to the respective second and from the respective second to the respective third partial cooling device. Thus, the cooling capacity of these partial cooling devices increases 300.1 , 320.1 , 300.2 , 320.2 , 300.3 , 320.3 from the n-th to the n + 1-th cooling device 30.1 , 30.2 , 30.3 at. The fact that the normalized power of all power semiconductor components has a simplifying effect here again has a simplifying effect for the purpose of explanation 40.1 , 42.1 , 40.2 , 42.2 , 40.3 , 42.3 is the same in this configuration.

3 und 4 zeigen eine zweite Ausgestaltung einer Gesamtkühleinrichtung 3 eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems, wobei in 3 die Positionen der leistungselektronischen Einrichtungen sowie ihrer zugehörigen Leistungshalbleiterbauelemente 40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3 dargestellt sind. Die leistungselektronischen Einrichtungen 4.1,4.2,4.3 sind hierbei ausgebildet als fachübliche Substrate und die Leistungshalbleiterbauelemente als Leistungstransistoren. Bei dieser Ausgestaltung sind die Leistungshalbleiterbauelemente einer leistungselektronischen Einrichtung in Durchströmungsrichtung 340 der Gesamtkühleinrichtung 3 hintereinander angeordnet. Die einzelnen Leistungstransistoren weisen hier wiederum die gleiche normierte Leistung auf. 3 and 4th show a second embodiment of an overall cooling device 3 a power electronic system according to the invention, wherein in 3 the positions of the power electronic devices and their associated power semiconductor components 40.1 , 42.1 , 40.2 , 42.2 , 40.3 , 42.3 are shown. The power electronic devices 4.1 , 4.2 , 4.3 are designed here as substrates customary in the field and the power semiconductor components as power transistors. In this refinement, the power semiconductor components of an electronic power device are in the direction of flow 340 of the overall cooling system 3 arranged one behind the other. The individual power transistors here again have the same standardized power.

Ein fachübliches und hier dargestelltes Leistungshalbleiterbauelement 40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3 kann insbesondere als ein Silizium- oder Siliziumkarbid-Bauelement ausgebildet sein und rein beispielhaft einen Nennstrom von 100A, eine Nennspannung von 1200V und eine Grundfläche von 100qmm aufweisen.A conventional power semiconductor component shown here 40.1 , 42.1 , 40.2 , 42.2 , 40.3 , 42.3 can in particular be designed as a silicon or silicon carbide component and purely by way of example have a nominal current of 100A, a nominal voltage of 1200V and a base area of 100 sqmm.

Die Kühleinrichtungen 30.1,30.2,30.3 der in 4 detailliert dargestellten Gesamtkühleinrichtung 3, wie auch die jeweiligen Teilkühleinrichtungen 300.1,320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3 sind aus Einzelkühlelementen in Form von Kühlfinnen ausgebildet.The cooling devices 30.1 , 30.2 , 30.3 the in 4th detailed complete cooling system 3 , as well as the respective partial cooling devices 300.1 , 320.1 , 300.2 , 320.2 , 300.3 , 320.3 are made up of individual cooling elements in the form of cooling fins.

Innerhalb der Gesamtkühleinrichtung 3 steigt die Kühlleistung einer Teilkühleinrichtung 300.1,320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3 pro normierter Leistung des zugeordneten Leistungshalbleiterbauelements 40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3 in Durchströmungsrichtung von der m-ten zur m+1-ten Kühleinrichtung 30.1,30.2,30.3 an. Hierzu wurden in Durchströmungsrichtung 340 betrachtet von der ersten zur zweiten und auch von der zweiten zur dritten Kühleinrichtung die Größe, nicht aber die Anzahl der Einzelkühlelemente der jeweils ersten wie auch der jeweils zweiten Teilkühleinrichtungen verändert.Within the overall cooling system 3 the cooling capacity of a partial cooling device increases 300.1 , 320.1 , 300.2 , 320.2 , 300.3 , 320.3 per standardized power of the assigned power semiconductor component 40.1 , 42.1 , 40.2 , 42.2 , 40.3 , 42.3 in the direction of flow from the m-th to the m + 1-th cooling device 30.1 , 30.2 , 30.3 at. For this purpose, in the direction of flow 340 viewed from the first to the second and also from the second to the third cooling device, the size, but not the number of individual cooling elements of the respective first as well as the respective second partial cooling devices, changes.

Zusätzlich steigt hier auch innerhalb einer Kühleinrichtung 30.1,30.2,30.3 die Kühlleistung einer Teilkühleinrichtung 300.1,320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3 pro normierter Leistung des zugeordneten Leistungshalbleiterbauelements 40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3 in Durchströmungsrichtung 340 von der m-ten zur m+1-ten Teilkühleinrichtung an, indem die Anzahl der Einzelkühleinrichtungen, rein beispielhaft und zur Veranschaulichung, von zwei auf drei Einzelkühleinrichtungen, vergrößert wurde.In addition, it also rises within a cooling device 30.1 , 30.2 , 30.3 the cooling capacity of a partial cooling device 300.1 , 320.1 , 300.2 , 320.2 , 300.3 , 320.3 per standardized power of the assigned power semiconductor component 40.1 , 42.1 , 40.2 , 42.2 , 40.3 , 42.3 in the direction of flow 340 from the m-th to the m + 1-th partial cooling device by increasing the number of individual cooling devices, purely by way of example and for illustration, from two to three individual cooling devices.

5 und 6 zeigen eine dritte Ausgestaltung einer Gesamtkühleinrichtung 3 eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der zweiten Ausgestaltung bezüglich der normierten Leistung der Leistungshalbleiterbauelemente 40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3 der jeweiligen leistungselektronischen Einrichtungen 4.1,4.2,4.3. Die normierte Leistung der jeweiligen Leistungshalbleiterbauelemente ist grafisch dargestellt durch ihre Fläche. Das in Durchströmungsrichtung 340 jeweils erste Leistungshalbleiterbauelement 40.1,40.2,40.3 weist somit eine größere normierte Leistung auf als das darauffolgende zweite 42.1,42.2,42.3. 5 and 6th show a third embodiment of an overall cooling device 3 of a power electronic system according to the invention. This refinement differs from the second refinement with regard to the standardized performance of the power semiconductor components 40.1 , 42.1 , 40.2 , 42.2 , 40.3 , 42.3 the respective power electronic Facilities 4.1 , 4.2 , 4.3 . The normalized power of the respective power semiconductor components is graphically represented by their area. That in the direction of flow 340 first power semiconductor component in each case 40.1 , 40.2 , 40.3 thus has a higher normalized power than the subsequent second 42.1, 42.2 , 42.3 .

Die Teilkühleinrichtungen 300.1,320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3 der jeweiligen Kühleinrichtungen 30.1,30.2,30.3 aller leistungselektronischen Einrichtungen 4.1,4.2,4.3 sind hier identisch ausgebildet und weisen somit die gleiche Kühlleistung auf. Dennoch steigt, aufgrund der geringeren normierten Leistung auch innerhalb jeder Kühleinrichtung die Kühlleistung einer Teilkühleinrichtung pro normierter Leistung des zugeordneten Leistungshalbleiterbauelements in Durchströmungsrichtung von der m-ten zur m+1-ten Teilkühleinrichtung an.The partial cooling devices 300.1 , 320.1 , 300.2 , 320.2 , 300.3 , 320.3 the respective cooling devices 30.1 , 30.2 , 30.3 of all power electronic devices 4.1 , 4.2 , 4.3 are designed identically here and thus have the same cooling capacity. Nevertheless, due to the lower standardized output, the cooling output of a partial cooling device per standardized output of the assigned power semiconductor component also increases within each cooling device in the flow direction from the m-th to the m + 1-th partial cooling device.

Zudem steigt die Kühlleistung, dargestellt durch längere Kühlfinnen, der jeweiligen Teilkühleinrichtung pro normierter Leistung des zugeordneten Leistungshalbleiterbauelements von der n-ten zur n+1-ten Kühleinrichtung an.In addition, the cooling output, represented by longer cooling fins, of the respective partial cooling device increases per normalized output of the assigned power semiconductor component from the nth to the n + 1th cooling device.

7 und 8 zeigen eine vierte Ausgestaltung einer Gesamtkühleinrichtung 3 eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems, wobei in 7 die Positionen der leistungselektronischen Einrichtungen 4.1,4.2,4.3 sowie ihrer zugehörigen Leistungshalbleiterbauelemente dargestellt sind. Die leistungselektronischen Einrichtungen sind hierbei wiederum ausgebildet als fachübliche Substrate und die Leistungshalbleiterbauelemente als Leistungstransistoren und Leistungsdioden. Bei dieser Ausgestaltung sind die Leistungshalbleiterbauelemente in Gruppen zusammengefasst, die somit jeweils eine Teilmenge 400.1,420.1, 400.2,420.2, 400.3,420.3 der Leistungshalbleiterbauelemente einer leistungselektronischen Einrichtung ausbilden. Die leistungselektronischen Einrichtungen sind in Durchströmungsrichtung 340 der Gesamtkühleinrichtung 3 hintereinander angeordnet. 7th and 8th show a fourth embodiment of an overall cooling device 3 a power electronic system according to the invention, wherein in 7th the positions of the power electronic devices 4.1 , 4.2 , 4.3 and their associated power semiconductor components are shown. The power electronic devices are in turn designed as substrates customary in the field and the power semiconductor components as power transistors and power diodes. In this refinement, the power semiconductor components are combined in groups, which are therefore each a subset 400.1 , 420.1 , 400.2 , 420.2 , 400.3 , 420.3 of the power semiconductor components of a power electronic device. The power electronic devices are in the direction of flow 340 of the overall cooling system 3 arranged one behind the other.

Dargestellt in 8 sind die Einzelkühlelemente der jeweiligen Teilkühleinrichtungen, hier ausgebildet als Kühlpins, oder auch Kühlfinger genannt. Die hieraus ausgebildeten jeweils vier Teilkühleinrichtungen, die hier entweder zwei oder drei Leistungshalbleiterbauelemente der Teilmengen 400.1,420.1, 400.2,420.2, 400.3,420.3 kühlen, weisen in Durchströmungsrichtung 340 betrachtet von der n-ten zur n+1-ten Kühleinrichtung eine Kühlleistung auf, die pro normierter Leistung der zugeordneten Teilmenge von Leistungshalbleiterbauelementen steigt. Hierzu wird hier jeweils die Anzahl der Kühlpins vergrößert.Shown in 8th are the individual cooling elements of the respective partial cooling devices, here designed as cooling pins, or also called cooling fingers. The four partial cooling devices formed from this, here either two or three power semiconductor components of the partial quantities 400.1 , 420.1 , 400.2 , 420.2 , 400.3 , 420.3 cool, point in the direction of flow 340 considered from the n-th to the n + 1-th cooling device, a cooling power increases that increases per standardized power of the assigned subset of power semiconductor components. For this purpose, the number of cooling pins is increased in each case.

Zusätzlich weist der Kühlkanal der in Durchströmungsrichtung 340 zweiten Kühleinrichtung 30.2 im Bereich einer Einschnürung Strömungsleitelemente 50 auf, die dazu ausgebildet sind, das Kühlmittel in Durchströmungsrichtung 340 gezielt auf die folgenden Gruppen von Einzelkühlelementen zu lenken.In addition, the cooling channel points in the direction of flow 340 second cooling device 30.2 flow guide elements in the area of a constriction 50 which are designed to carry the coolant in the direction of flow 340 to steer specifically to the following groups of individual cooling elements.

Weiterhin weist der Kühlkanal der in Durchströmungsrichtung dritten Kühleinrichtungen 30.3 am Ende seiner Einschnürung eine Mehrzahl von Strömungshomogenisierungselementen 52 auf, die dazu ausgebildet sind in Durchströmungsrichtung 340 die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels über eine Breite des Kühlkanals homogen, hier mit einer Standardabweichung der Fließgeschwindigkeit vom Mittelwert mit einer Schwankung von weniger als 15%, vorteilhaft sogar weniger als 10%, auszubilden.Furthermore, the cooling channel of the third cooling device in the flow direction has 30.3 at the end of its constriction, a plurality of flow homogenization elements 52 which are designed for this in the direction of flow 340 the flow rate of the coolant is homogeneous over a width of the cooling channel, here with a standard deviation of the flow rate from the mean value with a fluctuation of less than 15%, advantageously even less than 10%.

9 zeigt eine fünfte Ausgestaltung einer Gesamtkühleinrichtung 3 eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems, das im Wesentlichen der vierten Ausgestaltung gleicht. Allerdings wird hier nicht nur die Anzahl der Kühlpins sondern auch ihre Dichte, also die Anzahl pro Flächeneinheit, variiert. 9 shows a fifth embodiment of an overall cooling device 3 of a power electronic system according to the invention, which is essentially the same as the fourth embodiment. However, not only the number of cooling pins but also their density, i.e. the number per unit area, is varied here.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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Claims (11)

Leistungselektronisches System (1) mit einer Gesamtkühleinrichtung (3), mit einer Mehrzahl von in Reihe angeordneten leistungselektronischen Einrichtungen (4.1,4.2,4.3), jeweils mit einer Kühleinrichtung (30.1,30.2,30.3) und mit einer Mehrzahl von zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelementen (40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3), wobei jede Kühleinrichtung (30.1,30.2,30.3) einen Kühlkanal aufweist, wobei einem der Leistungshalbleiterbauelemente (40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3) oder eine Teilmenge (400.1,420.1, 400.2,420.2, 400.3,420.3) aller Leistungshalbleiterbauelemente jeder leistungselektronischen Einrichtung (4.1,4.2,4.3) jeweils eine Teilkühleinrichtung (300.1,320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3) zugeordnet ist, wobei ein Kühlmedium (34) durch die Gesamtkühleinrichtung (3) und innerhalb dieser jeweils von einer n-ten zur n+1-ten Kühleinrichtung strömt und somit eine Durchströmungsrichtung (340) festlegt, wobei die Kühlleistung einer Teilkühleinrichtung pro normierter Leistung des zugeordneten Leistungshalbleiterbauelements oder der zugeordneten Teilmenge von Leistungshalbleiterbauelementen von der n-ten zur n+1-ten Kühleinrichtung ansteigt.Power electronic system (1) with an overall cooling device (3), with a plurality of power electronic devices (4.1,4.2,4.3) arranged in series, each with a cooling device (30.1,30.2,30.3) and with a plurality of power semiconductor components (40.1 , 42.1, 40.2, 42.2, 40.3, 42.3), each cooling device (30.1,30.2,30.3) having a cooling channel, one of the power semiconductor components (40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3) or a subset (400.1,420.1, 400.2,420.2, 400.3,420.3) of all power semiconductor components of each power electronic device (4.1,4.2,4.3) each having a partial cooling device (300.1 , 320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3) is assigned, wherein a cooling medium (34) flows through the overall cooling device (3) and within it from an n-th to the n + 1-th cooling device and thus defines a flow direction (340), wherein the cooling capacity of a partial cooling device per standardized output of the assigned power semiconductor component or the assigned subset of power semiconductor components increases from the n-th to the n + 1-th cooling device. Leistungselektronisches System nach Anspruch 1, wobei eine Teilkühleinrichtung (300.1,320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3) des zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelements (40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3) oder der Teilmenge (400.1,420.1, 400.2,420.2, 400.3,420.3) von zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelementen betrachtet in Durchströmungsrichtung (340) zentral unterhalb dieses zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelements oder der zu kühlenden Teilmenge von Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet ist.Power electronic system according to Claim 1 , whereby a partial cooling device (300.1,320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3) of the power semiconductor component to be cooled (40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3) or the subset (400.1,420.1, 400.2,420.2, 400.3,420.3) of power semiconductor components to be cooled, viewed in the flow direction (340), is arranged centrally below this power semiconductor component to be cooled or the subset of power semiconductor components to be cooled. Leistungselektronisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Teilkühleinrichtung (300.1,320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3) des zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelements (40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3) oder der Teilmenge (400.1,420.1, 400.2,420.2, 400.3,420.3) von zu kühlenden Leistungshalbleiterbauelementen entgegengesetzt der Durchströmungsrichtung (340) versetzt unterhalb dieses Leistungshalbleiterbauelements oder der Teilmenge von Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet ist.Power electronic system according to Claim 1 or 2 , whereby a partial cooling device (300.1,320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3) of the power semiconductor component to be cooled (40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3) or the subset (400.1,420.1, 400.2,420.2, 400.3,420.3) of power semiconductor components to be cooled opposite to the flow direction (340) is arranged offset below this power semiconductor component or the subset of power semiconductor components. Leistungselektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die normierte Leistung eines Leistungshalbleiterbauelements (40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3) definiert wird durch mindestens einen der Parameter: Nennstrom, Nennspannung oder Grundfläche.Power electronic system according to one of the preceding claims, wherein the normalized power of a power semiconductor component (40.1, 42.1, 40.2, 42.2, 40.3, 42.3) is defined by at least one of the parameters: nominal current, nominal voltage or base area. Leistungselektronisches System nach Anspruch 4, wobei die normierte Leistung eines Leistungshalbleiterbauelements (40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3) dessen Stromtragfähigkeit pro Quadratmillimeter Grundfläche ist.Power electronic system according to Claim 4 , whereby the normalized power of a power semiconductor component (40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3) is its current carrying capacity per square millimeter of base area. Leistungselektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlleistung einer Teilkühleinrichtung (300.1,320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3) pro normierter Leistung des zugeordneten Leistungshalbleiterbauelements (40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3) oder der zugeordneten Teilmenge (400.1,420.1, 400.2,420.2, 400.3,420.3) von Leistungshalbleiterbauelementen von der n-ten zur n+1-ten Kühleinrichtung jeweils um den gleichen Kühleffizienzfaktor ansteigt.Power electronic system according to one of the preceding claims, wherein the cooling capacity of a partial cooling device (300.1,320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3) per standardized output of the assigned power semiconductor component (40.1,42.1, 40.2,42.2, 40.3,42.3) or the assigned subset ( 400.1,420.1, 400.2,420.2, 400.3,420.3) of power semiconductor components increases from the nth to the n + 1th cooling device by the same cooling efficiency factor. Leistungselektronisches System nach Anspruch 8, wobei der Kühleffizienzfaktor kleiner ist als die prozentuale Zunahme der Erwärmung der Kühlflüssigkeit von der n-ten zur n+1-ten Kühleinrichtung.Power electronic system according to Claim 8 , wherein the cooling efficiency factor is smaller than the percentage increase in the heating of the cooling liquid from the n-th to the n + 1-th cooling device. Leistungselektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkanal einer der Kühleinrichtungen ein Strömungsleitelement (50) aufweist, das dazu ausgebildet ist das Kühlmittel in Durchströmungsrichtung gezielt auf Einzelkühlelemente oder Gruppen von Einzelkühlelementen zu lenken.Power electronic system according to one of the preceding claims, wherein the cooling channel of one of the cooling devices has a flow guiding element (50) which is designed to direct the coolant in the flow direction in a targeted manner onto individual cooling elements or groups of individual cooling elements. Leistungselektronisches System nach Anspruch 8, wobei ein Einzelkühlelement ausgebildet ist als Kühlpin oder Kühlfinne.Power electronic system according to Claim 8 , wherein a single cooling element is designed as a cooling pin or cooling fin. Leistungselektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkanal einer der Kühleinrichtungen ein Strömungshomogenisierungselement (52) aufweist, das dazu ausgebildet ist in Durchströmungsrichtung eine Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels über eine Breite des Kühlkanals homogen auszubilden.Power electronic system according to one of the preceding claims, wherein the cooling channel of one of the cooling devices has a flow homogenization element (52) which is designed to form a flow rate of the coolant homogeneously over a width of the cooling channel in the direction of flow. Leistungselektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb einer Kühleinrichtung (30.1,30.2,30.3) die Kühlleistung einer Teilkühleinrichtung (300.1,320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3) pro normierter Leistung des zugeordneten Leistungshalbleiterbauelements oder der zugeordneten Teilmenge von Leistungshalbleiterbauelementen in Durchströmungsrichtung (340) von der m-ten zur m+1-ten Teilkühleinrichtung ansteigt.Power electronic system according to one of the preceding claims, wherein within a cooling device (30.1,30.2,30.3) the cooling power of a partial cooling device (300.1,320.1, 300.2,320.2, 300.3,320.3) per standardized power of the assigned power semiconductor component or the assigned subset of power semiconductor components in the flow direction (340) increases from the m-th to the m + 1-th partial cooling device.
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