DE102020115085A1

DE102020115085A1 - Leistungselektronik-Modul

Info

Publication number: DE102020115085A1
Application number: DE102020115085.7A
Authority: DE
Inventors: Ronald Eisele
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: SEMIKRON DANFOSS GMBH, DE
Priority date: 2020-06-05
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2021-12-09

Abstract

Es ist ein Leistungselektronik-Modul (2) mit mindestens einer auf einem Substrat (10) montierten Leistungskomponente (4), das eine interne Stromschienenanordnung (6, 8) aufweist, offenbart. Die interne Stromschienenanordnung (6, 8) umfasst einen oder mehrere Leiter (6, 8), die elektrisch mit dem mindestens einer Leistungskomponente (4) oder dem Substrat (10) verbunden sind. Zumindest ein Teil der Leiter (6, 8) ist von einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Verguss (20, 26) umgeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungselektronik-Modul mit einer auf einem Substrat montierten Leistungskomponente und einer internen Stromschienenanordnung.
Stand der Technik
Leistungselektronik-Module sind weit verbreitete Komponenten, bei denen eine Mehrzahl von Leistungselektronik-Schaltern in einem einzigen Modul angeordnet sind. Ein typisches Leistungselektronik-Modul enthält eine Vielzahl von Schaltern, die innerhalb des Moduls auf bestimmte Weise verdrahtet sind, damit das Leistungselektronik-Modul in verschiedenen Schaltungsstrukturen wie z. B. Leistungsstufen verschiedener Leistungsumrichter eingesetzt werden kann.
Ein Leistungselektronik-Modul kann eine oder mehrere Brückentopologien umfassen, wie z. B. eine Halbbrücken- oder eine Vollbrückentopologie mit steuerbaren Schaltkomponenten, die intern mit Leistungsdioden verbunden sind. Ein typisches Leistungselektronik-Modul umfasst Steueranschlüsse und Leistungsanschlüsse, die so angeordnet sind, dass die Module mit einer anderen Schaltung und mit anderen Modulen verbunden werden können.
Die Leistungskomponenten eines Leistungselektronik-Moduls sind typischerweise auf einem Substrat montiert, das thermisch mit der Grundplatte des Moduls verbunden ist. Normalerweise ist die Grundplatte ein metallisches Element, das in die Unterseite des Moduls integriert ist. Es ist möglich, eine Oberfläche eines Kühlelements, z. B. einer Wärmesenke, an der Grundplatte anzubringen, um eine verbesserte Kühlleistung zu erzielen.
Traditionell wird fast die gesamte von den Halbleiterschaltern erzeugte Wärme durch das Substrat zur Grundplatte geleitet.
Da die Kühlung von Leistungselektronik-Modulen des Standes der Technik ein begrenzender Faktor ist, wäre es wünschenswert, ein Leistungselektronik-Modul bereitzustellen, das eine höhere Kühlleistung als die Leistungselektronik-Module des Standes der Technik aufweist.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Leistungselektronik-Modul bereitzustellen, das eine höhere Kühlleistung aufweist als die Lösungen des Standes der Technik.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Zweck der vorliegenden Erfindung kann durch ein Leistungselektronik-Modul gemäß Anspruch 1 und durch eine Leistungselektronik-Vorrichtung gemäß Anspruch 9 erreicht werden. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Unteransprüchen definiert, in der nachfolgenden Beschreibung erläutert und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
Das erfindungsgemäße Leistungselektronik-Modul ist ein Leistungselektronik-Modul, das Folgendes umfasst:

- mindestens eine auf einem Substrat montierte Leistungskomponente und
- eine interne Stromschienenanordnung,

Hierdurch ist es möglich, ein Leistungselektronik-Modul bereitzustellen, das eine höhere Kühlleistung aufweist als die Lösungen des Standes der Technik. Bei dem erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Modul wird die von der Leistungskomponente (z. B. einem oder mehreren Halbleiterschaltern) erzeugte Wärme durch die Leiterbahnen nach oben abgeführt.
Das Leistungselektronik-Modul umfasst mindestens eine Leistungskomponente, die auf einem Substrat montiert ist. In einer Ausführungsform umfassen die Leistungskomponenten des Leistungselektronik-Moduls einen oder mehrere Halbleiterschalter. In einer Ausführungsform umfasst das Leistungselektronik-Modul eine Vielzahl von Halbleiterschaltern. In einer Ausführungsform umfasst das Leistungselektronik-Modul eine Vielzahl von Leistungsdioden.
In einer Ausführungsform ist die Stromschienenanordnung so geformt und angeordnet, dass Wärme, die von der mindestens einen Leistungskomponente erzeugt wird, von der mindestens einen Leistungskomponente nach oben durch den einen oder die mehreren Leiter und weiter entlang einer äußeren Stromschiene übertragen wird. Hierdurch ist es möglich, die Kühlleistung des Leistungselektronik-Moduls zu erhöhen.
Zumindest ein Teil der Leiter ist von einem elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Verguss umgeben. Hierdurch ist es möglich, ein Leistungselektronik-Modul bereitzustellen, das wärmeleitende Strukturen mit einer höheren Wärmekapazitätsrate als die Lösungen des Standes der Technik aufweist. Dementsprechend ist es möglich, ein Leistungselektronik-Modul bereitzustellen, das eine höhere Kühlkapazität hat als die Lösungen des Standes der Technik.
In einer Ausführungsform ist die Stromschienenanordnung eine niederinduktive Stromschienenanordnung mit kleiner Induktivität. Dies kann durch die Verwendung eines anorganischen Zementvergusses erreicht werden, um einen Wärmepfad zwischen Halbleitern, Bonddrähten und potentialführender elektrischer Stromschienenanordnung herzustellen. Dies ist möglich, indem ein wärmeleitender Zement verwendet wird, der elektrisch isolierend ist und somit die Wärme über die potenzialführende, innere Stromschienenanordnung nach außen zu einer äußeren Stromschienenanordnung abführt.
In einer Ausführungsform ist das Substrat ein elektrisch isolierendes Substrat.
Es kann von Vorteil sein, dass die interne Stromschienenanordnung aus je zwei Leitern besteht, die aus dem Substrat und weiter aus dem Leistungselektronik-Modul herausragen. Hierdurch ist es möglich, die Leiter mit einer außerhalb des Leistungselektronik-Moduls angeordneten externen Stromschiene zu verbinden. Entsprechend kann eine verbesserte Kühlleistung des Leistungselektronik-Moduls erreicht werden.
In einer Ausführungsform wird eine Wärmesenke thermisch mit der externen Stromschiene verbunden, um die Kühlleistung des Leistungselektronik-Moduls noch weiter zu erhöhen.
In einer Ausführungsform umfasst jeder Leiter einen ersten geraden Abschnitt, der von einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Verguss umgeben ist. Es kann von Vorteil sein, dass der erste gerade Abschnitt der beiden Leiter parallel zueinander verläuft. Die Verwendung eines ersten geraden Abschnitts ermöglicht es, die Leiter entweder mit einer externen Stromschiene oder mit einem Zwischenabschnitt (z. B. einem mittleren geraden Abschnitt) und weiter mit einem zweiten Abschnitt (z. B. einem zweiten geraden Abschnitt) zu verbinden.
In einer Ausführungsform umfasst jeder Leiter einen ersten geraden Abschnitt und einen zweiten geraden Abschnitt, der sich parallel zum ersten geraden Abschnitt erstreckt, wobei der erste gerade Abschnitt von einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Verguss umgeben ist. Hierdurch ist es möglich, einen höheren Freiheitsgrad in Bezug auf die Positionierung des distalen Abschnitts der Leiter bereitzustellen. Dementsprechend ist es einfacher, das Leistungselektronik-Modul an externe Stromschienen mit unterschiedlichen Formen und Konfigurationen anzupassen.
In einer Ausführungsform umfasst jeder Leiter einen ersten geraden Abschnitt, einen zweiten geraden Abschnitt und einen Zwischenabschnitt, der sich zwischen dem ersten geraden Abschnitt und dem zweiten geraden Abschnitt erstreckt, wobei sich der zweite gerade Abschnitt parallel zu dem ersten geraden Abschnitt erstreckt, wobei sich der Zwischenabschnitt senkrecht zu dem ersten geraden Abschnitt und dem zweiten geraden Abschnitt erstreckt, wobei der erste gerade Abschnitt und der zweite gerade Abschnitt von einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Verguss umgeben sind. Diese Ausführungsform ermöglicht es, einen Leiter in einer ersten Position auf dem Substrat zu befestigen und gleichzeitig den Leiter in einer Position auf einer externen Stromschiene zu befestigen, wobei die Position auf der externen Stromschiene von der Längsachse des ersten geraden Abschnitts des Leiters versetzt ist.
Hierdurch ist es möglich, den distalen Teil des Leiters in verschiedenen Positionen zu positionieren und somit einen höheren Freiheitsgrad in Bezug auf die Positionierung des distalen Teils des Leiters zu bieten. Dementsprechend kann das Leistungselektronik-Modul mit externen Stromschienen unterschiedlicher Form und Konfiguration verbunden werden.
In einer Ausführungsform erstreckt sich das Substrat entlang einer ersten Achse des Leistungselektronik-Moduls, wobei sich ein erster Teil der Leiter entlang einer zweiten Achse erstreckt, die senkrecht zur ersten Achse verläuft. Hierdurch kann die Länge der Leiter minimiert werden.
In einer Ausführungsform ist die erste Achse die Längsachse des Leistungselektronik-Moduls.
In einer Ausführungsform umfasst das Leistungselektronik-Modul eine Grundplatte, wobei das Substrat auf der Grundplatte montiert ist und wobei zwei Leiter senkrecht zur Grundplatte verlaufen.
Es kann vorteilhaft sein, dass der kürzeste Abstand zwischen der mindestens einen Leistungskomponente und dem einen oder den mehreren Leitern weniger als das Zweifache des Durchmessers der mindestens einen Leistungskomponente beträgt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die interne Stromschienenanordnung nahe genug an dem einen oder den mehreren heißen Leistungskomponenten (z. B. Halbleitern) liegt, um einen effizienten Wärmeübergang und damit eine Absenkung der Sperrschichttemperatur zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform ist der kürzeste Abstand zwischen der mindestens einen Leistungskomponente und dem einen oder mehreren Leitern kleiner als das 1,5-fache des Durchmessers der mindestens einen Leistungskomponente.
In einer Ausführungsform ist der kürzeste Abstand zwischen der mindestens einen Leistungskomponente und dem einen oder den mehreren Leitern kleiner ist als der Durchmesser der mindestens einen Leistungskomponente.
In einer Ausführungsform ist der kürzeste Abstand zwischen der mindestens einen Leistungskomponente und dem einen oder den mehreren Leitern kleiner als der halbe Durchmesser der mindestens einen Leistungskomponente.
In einer Ausführungsform ist der elektrisch isolierende und thermisch leitfähige Verguss ein anorganischer Zementverguss. Ein solcher Verguss kann vorteilhafterweise eine Wärmeleitfähigkeit von größer oder gleich 3 W/mK aufweisen.
In einer Ausführungsform ist der elektrisch isolierende und thermisch leitende Verguss ein Gel (z. B. ein Silikongel).
In einer Ausführungsform ist der elektrisch isolierende und thermisch leitende Verguss ein organisches Harz.
Es kann vorteilhaft sein, dass der elektrisch isolierende und thermisch leitende Verguss die mindestens eine Leistungskomponente vollständig bedeckt.
In einer Ausführungsform umfasst die Leistungselektronik-Vorrichtung Seitenteile und eine Abdeckung, wobei das Substrat und die mindestens eine Leistungskomponente innerhalb eines Innenraums angeordnet sind, der durch die Grundplatte, die Seitenteile und die Abdeckung definiert ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Leistungselektronik-Vorrichtung vier Seitenteile und eine Abdeckung, wobei das Substrat und die mindestens eine Leistungskomponente innerhalb eines Innenraums angeordnet sind, der durch die Grundplatte, die Seitenteile und die Abdeckung definiert ist.
In einer Ausführungsform ist die Leistungselektronik-Vorrichtung im Wesentlichen kastenförmig.
In einer Ausführungsform ist mindestens einer der Seitenteile als Wärmesenke ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, die Kühlleistung des Leistungselektronik-Geräts zu erhöhen.
In einer Ausführungsform ist die Grundplatte mit einer Wärmesenke verbunden, die so angeordnet und konfiguriert ist, dass sie Wärme nach unten ableitet.
In einer Ausführungsform ist jeder der Seitenteile als Wärmesenke ausgebildet.
Es kann von Vorteil sein, dass der Innenraum zumindest teilweise mit einer elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Vergussmasse ausgefüllt ist. Dadurch ist es möglich, die entstehende Wärme besser über die Leiter und den umgebenden elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Verguss abzuleiten.
In einer Ausführungsform ist der Innenraum mit einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Vergussmasse ausgefüllt.
In einer Ausführungsform ist der obere Teil des Innenraums mit einem luftgefüllten Luftspalt versehen, wobei der übrige, unterhalb des luftgefüllten Luftspalts angeordnete Teil des Innenraums mit einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Vergussmasse ausgefüllt ist.
In einer Ausführungsform ist ein luftgefüllter Spalt (Luftspalt) am obersten Abschnitt des Innenraums vorgesehen, wobei die Höhe des luftgefüllten Luftspalts im Bereich von 2-5 % der Höhe des Innenraums liegt.
In einer Ausführungsform ist ein luftgefüllter Spalt (Luftspalt) am obersten Abschnitt des Innenraums vorgesehen, wobei die Höhe des luftgefüllten Luftspalts im Bereich von 5-10 % der Höhe des Innenraums liegt.
In einer Ausführungsform ist ein luftgefüllter Spalt (Luftspalt) am obersten Abschnitt des Innenraums vorgesehen, wobei die Höhe des luftgefüllten Luftspalts im Bereich von 10-15 % der Höhe des Innenraums liegt.
In einer Ausführungsform ist ein luftgefüllter Spalt (Luftspalt) am obersten Abschnitt des Innenraums vorgesehen, wobei die Höhe des luftgefüllten Luftspalts im Bereich von 15-20 % der Höhe des Innenraums liegt.
Für den Fall, dass die Höhe des Innenraums entlang der Länge und/oder Breite der Leistungselektronik-Vorrichtung variiert, kann die Höhe des Innenraums als die größte Höhe des Innenraums definiert werden.
In einer Ausführungsform ist ein luftgefüllter Spalt (Luftspalt) am obersten Abschnitt des Innenraums vorgesehen, wobei die Höhe des luftgefüllten Luftspalts im Bereich von 20-25 % der Höhe des Innenraums liegt.
Die Leistungselektronik-Vorrichtung ist eine Leistungselektronik-Vorrichtung, das ein erfindungsgemäßes Leistungselektronik-Modul und eine an dem Leistungselektronik-Modul angebrachte externe Stromschienenanordnung umfasst.
In einer Ausführungsform ist die externe Stromschienenanordnung auf der Oberseite des Leistungselektronik-Moduls angeordnet, wobei die Oberseite als die Seite des Leistungselektronik-Moduls definiert ist, die der Grundplatte gegenüberliegt.
In einer Ausführungsform umfasst die externe Stromschienenanordnung eine erste externe Stromschiene, die sich parallel zur Längsachse des Leistungselektronik-Moduls erstreckt.
In einer Ausführungsform umfasst die externe Stromschienenanordnung eine zweite externe Stromschiene, die sich parallel zur Längsachse des Leistungselektronik-Moduls erstreckt.
In einer Ausführungsform umfasst die interne Stromschienenanordnung zwei Leiter, die sich zwischen dem Substrat und der externen Stromschienenanordnung erstrecken.
Es kann von Vorteil sein, dass die Leistungselektronik-Vorrichtung eine Wärmesenke umfasst, die thermisch mit der externen Stromschienenanordnung verbunden ist. Dadurch kann die Kühlleistung des leistungselektronischen Geräts erhöht werden.
In einer Ausführungsform ist die Wärmesenke auf der Oberseite der externen Stromschienenanordnung angeordnet. Als Oberseite ist die Seite des Leistungselektronik-Moduls definiert, die der Grundplatte gegenüberliegt.
In einer Ausführungsform ist zwischen der externen Stromschienenanordnung und der Wärmesenke eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet. Hierdurch kann die Wärmesenke von der elektrisch spannungsführenden externen Stromschiene elektrisch isoliert werden.
In einer Ausführungsform ist zwischen dem Leistungselektronik-Modul und der externen Stromschienenanordnung eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet.
In einer Ausführungsform umfasst das Leistungselektronik-Modul eine erste Stromschiene und eine zweite Stromschiene, wobei zwischen der ersten Stromschiene und der zweiten Stromschiene eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist.
In einer Ausführungsform ist oder umfasst die Leistungskomponente einen Halbleiterschalter.
In einer Ausführungsform ist oder umfasst die Leistungskomponente einen Bipolartransistor (IGBT) mit isoliertem Gate.
In einer Ausführungsform ist oder umfasst die Leistungskomponente einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET).
In einer Ausführungsform ist oder umfasst die Leistungskomponente einen siliziumgesteuerten Gleichrichter (SCR).
In einer Ausführungsform ist oder umfasst die Leistungskomponente einen Transistor.
In einer Ausführungsform ist oder umfasst die Leistungskomponente eine Diode.
Das Leistungselektronik-Modul umfasst eine interne Stromschienenanordnung, wobei die interne Stromschienenanordnung einen oder mehrere Leiter umfasst, die mit der mindestens einen Leistungskomponente oder dem Substrat elektrisch verbunden sind. Die internen Stromschienen leiten elektrischen Strom zu oder von den elektrischen Komponenten oder dem Substrat, in den erfindungsgemäßen Ausführungsformen leiten sie aber auch Wärme. Dabei kann die Stromschienenanordnung zur Verteilung der Wärme genutzt werden, um eine effiziente Kühlung zu erreichen. Die Verwendung der gleichen Strukturen sowohl für die elektrische als auch für die thermische Leitung ist in Bezug auf Gewicht, Nutzvolumen und Herstellungskosten von Vorteil gegenüber der Verwendung separater Strukturen.
Die Erfindung erhöht die Kühlleistung des Leistungselektronik-Moduls, indem sie die Wärme von der Leistungskomponente nach oben zur Oberseite des Leistungselektronik-Moduls durch die Leiter und den umgebenden elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Verguss ableitet.
Figurenliste
Die Erfindung wird durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung besser verständlich. Die begleitenden Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung, und sollen die vorliegende Erfindung nicht einschränken. In den begleitenden Zeichnungen zeigt:

1 eine Querschnittsansicht eines Leistungselektronik-Moduls gemäß der Erfindung und
2 eine Querschnittsansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Moduls.
3 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Vorrichtung und
4 eine Querschnittsansicht einer weiteren Leistungselektronik-Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Im Folgenden wird zum Zweck der Veranschaulichung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nun im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen. In 1 ist ein erfindungsgemäßes Leistungselektronik-Modul 2 dargestellt.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Leistungselektronik-Moduls 2 gemäß der Erfindung. Das Leistungselektronik-Modul 2 umfasst eine Leistungskomponente 4, die auf einem Substrat 10 montiert ist. Das Leistungselektronik-Modul 2 umfasst eine interne Stromschienenanordnung, die einen ersten Leiter 6 und einen zweiten Leiter 8 enthält.
Die Leistungskomponente 4 kann einen oder mehrere Transistoren und Dioden umfassen. In einer Ausführungsform ist oder umfasst die Leistungskomponente 4 einen Halbleiterschalter. In einer Ausführungsform ist oder umfasst die Leistungskomponente 4 einen Isolierschicht-Bipolartransistor (IGBT). In einer Ausführungsform ist die Leistungskomponente 4 ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder umfasst einen solchen. In einer Ausführungsform ist oder umfasst die Leistungskomponente 4 einen siliziumgesteuerten Gleichrichter (SCR).
Das Leistungselektronik-Modul 2 besteht aus einem Substrat 10, das auf einer Grundplatte 28 befestigt ist, die sich entlang einer Längsachse X des Leistungselektronik-Moduls 2 erstreckt. Das Leistungselektronik-Modul 2 umfasst eine Abdeckung 32 und Seitenteile 22, die sich zwischen der Grundplatte 28 und der Abdeckung 32 erstrecken. Die Abdeckung 32, die Seitenteile 22 und die Grundplatte 28 bilden ein geschlossenes Gehäuse mit einem Innenraum 30. Dementsprechend ist das Leistungselektronik-Modul 2 im Wesentlichen kastenförmig. Ein Teil des Innenraums 30 ist ein luftgefüllter Raum 42.
Das Leistungselektronik-Modul 2 umfasst außerdem eine Leistungskomponente 4, die auf dem Substrat 10 platziert ist. Drahtbonds 12 verbinden die Leistungskomponente 4 elektrisch mit Strukturen des Substrats 10.
Die Leiter 6, 8 sind elektrisch mit dem Substrat 10 verbunden. Die Leiter 6, 8 sind von einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Verguss 26 umgeben. Die Leiter 6, 8 umfassen einen geraden Abschnitt 34, der sich entlang der (Höhenachse) Y-Achse des Leistungselektronik-Moduls 2 erstreckt.
Die geraden Abschnitte 34 ragen aus der Abdeckung 32 heraus, wodurch die Wärme nach oben zu einer externen Stromschiene, einer Wärmesenke oder einer anderen Struktur geleitet werden kann.
Die Leistungskomponente 4 hat einen Durchmesser D und der kürzeste Abstand R zwischen dem Leistungsteil 4 und dem einen oder den mehreren Leitern 6, 8 ist kleiner als der halbe Durchmesser D der Leistungskomponenten 4. Dabei ist der kurze Abstand R zwischen der Leistungskomponenten 4 und dem Leiter 6 so kurz, dass eine effiziente Wärmeleitung gewährleistet werden kann.
Die Leistungskomponente 4 und der proximale Teil der Leiter 6, 8 sind mit einem wärmeleitenden Verguss 26 abgedeckt. Dadurch kann die vom Leistungsteil 4 erzeugte Wärme über den wärmeleitenden Verguss 26 nach oben durch die Leiter 6, 8 geleitet werden.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Moduls 2. Das Leistungselektronik-Modul 2 entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten. Die Leiter 6, 8 umfassen jedoch einen ersten geraden Abschnitt 34, einen zweiten geraden Abschnitt 38 und einen Zwischenabschnitt 36, der sich zwischen dem ersten geraden Abschnitt 34 und dem zweiten geraden Abschnitt 38 erstreckt.
Der zweite gerade Abschnitt 38 erstreckt sich parallel zu dem ersten geraden Abschnitt 34 und der Zwischenabschnitt 36 erstreckt sich senkrecht zu dem ersten geraden Abschnitt 34 und dem zweiten geraden Abschnitt 38. Der erste gerade Abschnitt 34 ist fast vollständig von einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Verguss 26 umgeben.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Leistungselektronil-Vorrichtung 40. Die Leistungselektronik-Vorrichtung 40 umfasst ein erfindungsgemäßes Leistungselektronik-Modul 2 und eine an dem Leistungselektronik-Modul 2 angebrachte externe Stromschienenanordnung 16, 16'. Eine Wärmesenke 18 ist im oberen Bereich der Leistungselektronik-Vorrichtung 40 vorgesehen. Zwischen der äußeren Stromschienenanordnung und der Wärmesenke18 ist eine elektrisch isolierende Schicht 14 angeordnet.
Das Leistungselektronik-Modul 2 entspricht grundsätzlich dem in 2 dargestellten. Der Innenraum 30 ist jedoch mit einem wärmeleitenden Verguss 20 gefüllt.
In einer Ausführungsform ist zwischen dem Leistungselektronik-Modul und der externen Stromschienenanordnung eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet.
Das Leistungselektronik-Modul 2 umfasst eine erste externe Stromschiene 16 und eine zweite externe Stromschiene 16'. Zwischen der ersten externen Stromschiene 16 und der zweiten externen Stromschiene 16' ist eine elektrisch isolierende Schicht 14' angeordnet. Zwischen der zweiten äußeren Stromschiene 16' und der Wärmesenke 18 ist eine elektrische Isolationsschicht 14'' angeordnet. Weiterhin ist eine elektrische Isolationsschicht 14 zwischen der Abdeckung 32 und der ersten externen Stromschiene 16 angeordnet.
Es ist zu erkennen, dass der erste Steckverbinder 6 elektrisch mit der ersten externen Stromschiene 16 verbunden ist. Ebenso ist der zweite Steckverbinder 8 elektrisch mit der zweiten externen Stromschiene 16' verbunden.
Die externen Stromschienen 16, 16' und die Wärmesenke 18 erstrecken sich entlang der X-Achse und ragen aus den Seitenteilen 22 des Leistungselektronik-Moduls 2 heraus. Dementsprechend ist die Länge der externen Stromschienen 16, 16' und der Wärmesenke 18 größer als die Länge des Leistungselektronik-Moduls 2.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Vorrichtung 40. Die Leistungselektronik-Vorrichtung 40 umfasst ein erfindungsgemäßes Leistungselektronik-Modul 2 und eine an dem Leistungselektronik-Modul 2 angebrachte externe Stromschienenanordnung 16, 16'. Eine Wärmesenke 18 ist im oberen Bereich der Leistungselektronik-Vorrichtung 40 vorgesehen. Zwischen der äußeren Stromschienenanordnung und der Wärmesenke18 ist eine elektrisch isolierende Schicht 14 angeordnet.
Das Leistungselektronik-Modul 2 entspricht grundsätzlich dem in 2 dargestellten. Der Innenraum 30 des Leistungselektronik-Moduls 2 besteht jedoch aus einer elektrisch isolierenden Vergussmasse 24, die den wärmeleitenden Verguss 26 und den größten Teil des Innenraums 30 abdeckt. Im obersten Teil des Innenraumes 30 ist ein luftgefüllter Raum 42 vorgesehen.
Die elektrisch isolierende Vergussmasse 24 kann ein weicher Silikonverguss oder ein harter Epoxidverguss sein.
Die Erfindung stellt ein Leistungselektronik-Modul 2 zur Verfügung, das eine verbesserte Kühlleistung aufweist. Die von der Leistungskomponente 4 erzeugte Wärme wird über die Leiter 6, 8, die Lastanschlüsse darstellen, nach oben abgeleitet. Die Leiter 6, 8 können vorzugsweise in Kupfer ausgeführt sein. Die Leiter 6, 8 sind so ausgebildet und angeordnet, dass sie die von der Leistungskomponente 4 erzeugte Wärme nach oben aus dem Leistungselektronik-Modul 2 ableiten. Der wärmeleitende Verguss 26 erleichtert auch die Ableitung von Wärme aus der Leistungskomponente 4.
Der wärmeleitende Verguss 26 isoliert die Leiter 6, 8 elektrisch gegeneinander. Gleichzeitig verbindet der wärmeleitende Verguss 26 die Leiter 6, 8 thermisch durch die wärmeleitende Eigenschaft des wärmeleitenden Vergusses 26.
Dementsprechend bildet die Leistungskomponente 4 über den wärmeleitenden Verguss 26 und die Leiter 6, 8 nicht nur eine funktionale Wärmebrücke, sondern auch einen thermischen Puffer zur Kompensation von elektrischen/thermischen Impulsbelastungen.
In einer Ausführungsform besteht der wärmeleitende Verguss 26 aus einem elektrisch isolierenden, anorganischen Zement mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Die Erfindung stellt eine Lösung bereit, bei der ein signifikanter Teil der von der Leistungskomponente 4 erzeugten Wärme außerhalb des Leistungselektronik-Moduls 2 abgeleitet wird durch

a) den Leitern 6, 8 (Leistungsanschlüsse) und
b) eine externe Stromschienenanordnung 16, 16' und
c) optional eine Wärmesenke 18, die außerhalb des Leistungselektronik-Moduls 2 vorgesehen ist.

In weiteren Ausführungsformen (nicht dargestellt) kann die Verkapselung mehrere Volumina innerhalb des Leistungselektronik-Moduls umfassen, die mit unterschiedlichen Vergussmassen gefüllt sind. Die direkten thermischen Pfade von den wärmeerzeugenden Bauteilen zu den gekühlten Bereichen können mit Vergussmitteln, wie z. B. anorganischem Zement, mit hohen Wärmeleitfähigkeiten gefüllt werden, während andere Volumina vorteilhafterweise mit Gel oder Harz gefüllt werden können. Eine solche Verteilung kann zu erheblichen Materialkosteneinsparungen gegenüber Modulen nach dem Stand der Technik führen.
Die externe Stromschienenanordnung 16, 16' ist so angeordnet und gestaltet, dass sie die von der Leistungskomponente 4 erzeugte Wärme abführt. Für den Fall, dass eine noch weitergehende Kühlwirkung erforderlich ist, kann eine Wärmesenke 18, wie in 3 und 4 dargestellt, hinzugefügt werden. Die Wärmesenke 18 umfasst eine Vielzahl von Rippen, um seine Oberfläche und damit seine Kühlleistung zu vergrößern. Es ist auch möglich, eine Wärmesenke (nicht dargestellt) an der Außenfläche der Grundplatte 28 anzuordnen. Hierdurch kann ein Teil der Kühlleistung mit herkömmlichen Mitteln erreicht werden.
Da die erste äußere Stromschiene 16 und die zweite äußere Stromschiene 16' potenzialführend sind, sind die äußeren Stromschienen 16, 16' durch die elektrische Isolierschicht 14' elektrisch voneinander getrennt.
Bezugszeichenliste

2: Leistungselektronik-Modul
4: Leistungskomponente
6: Leiter
8: Leiter
10: elektrisch isolierendes Substrat
12: Drahtbindung
14, 14', 14'': elektrische Isolierung
16, 16': externe Stromschiene
18: Wärmesenke
20: thermisch leitfähiger Verguss
22: Seitenteil
24: elektrisch isolierende Vergussmasse
26: thermisch leitfähiger Verguss
28: Grundplatte
30: Innenraum
32: Abdeckung
34: erster gerader Teil
36: gerader Zwischenteil
38: Zweiter gerader Teil
40: Leistungselektronik-Vorrichtung
42: luftgefüllter Raum
X, Y: Achse
D: Durchmesser
R: Länge

Claims

Ein Leistungselektronik-Modul (2), bestehend aus: - mindestens einer Leistungskomponente (4), die auf einem Substrat (10) montiert ist und - eine interne Stromschienenanordnung (6, 8), dadurch gekennzeichnet, dass die interne Stromschienenanordnung (6, 8) einen oder mehrere Leiter (6, 8) umfasst, die elektrisch mit dem mindestens einer Leistungskomponente (4) oder dem Substrat (10) verbunden sind, wobei mindestens ein Teil der Leiter (6, 8) von einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Verguss (20, 26) umgeben ist.
Leistungselektronik-Modul (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Stromschienenanordnung (6, 8) zwei Leiter (6, 8) umfasst, die jeweils aus dem Substrat (10) und weiter aus dem Leistungselektronik-Modul (2) herausragen.
Leistungselektronik-Modul (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Substrat (10) entlang einer ersten Achse (X) des Leistungselektronik-Moduls (2) erstreckt, wobei sich ein erster Abschnitt (34) der Leiter (6, 8) entlang einer zweiten Achse (Y) erstreckt, die sich senkrecht zu der ersten Achse (X) erstreckt.
Leistungselektronik-Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kürzeste Abstand (R) zwischen der mindestens einen Leistungskomponenten (4) und dem einen oder den mehreren Leitern (6, 8) kleiner ist als der zweifache Durchmesser (D) der mindestens einer Leistungskomponente (4).
Leistungselektronik-Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch isolierende und thermisch leitende Verguss (20, 26) ein anorganischer Zementverguss ist.
Leistungselektronik-Vorrichtung (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch isolierende und thermisch leitende Verguss (20, 24, 26) die mindestens eine Leistungskomponente (4) vollständig bedeckt.
Leistungselektronik-Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) und die mindestens eine Leistungskomponente (4) innerhalb eines Innenraums (30) angeordnet sind, der durch eine Grundplatte (28), Seitenteile (22) und eine Abdeckung (32) definiert ist.
Leistungselektronik-Vorrichtung (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (30) mit einer elektrisch isolierenden Vergussmasse (20, 26) ausgefüllt ist.
Leistungselektronik-Vorrichtung (40), das ein Leistungselektronik-Modul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, sowie eine an dem Leistungselektronik-Modul (2) angebrachte externen Stromschienenanordnung (16, 16').
Leistungselektronik-Vorrichtung (40) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik-Vorrichtung (40) eine Wärmesenke (18) umfasst, die thermisch mit der externen Stromschienenanordnung (16, 16') verbunden ist.