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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb, speziell eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von wärmeproduzierenden Bauteilen.
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Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
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Insbesondere im Bereich der Leistungselektronik ist es nötig, Wärme von den empfindlichen Bauteilen abzuführen. Dies wird über Kühlkörper erreicht. Problematisch bei den aktuell bekannten Herstellungsverfahren der Kühlkörper ist, dass jedes Verfahren Nachteile aufweist. So sind additiv gefertigte Kühlkörper für den Serieneinsatz zu teuer und nicht schnell genug herstellbar. Gesinterte oder geschmiedete Kühlkörper haben ebenfalls hohe Kosten, aber auch Einschränkungen in ihrer Form aufgrund des benutzten Werkzeugs. So sind beispielsweise keine Hinterschnitte möglich. Kühlkörper, welche durch ein Biegeverfahren hergestellt werden, haben in der Regel aufgrund der Einschränkung in der Materialdicke eine geringe Wärmespreizung und dadurch eine geringe Kühlleistung.
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Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte dreidimensionale Kühlstruktur für Leistungshalbleiter und ein Verfahren zur Herstellung davon bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird eine dreidimensionale Kühlanordnung für Leistungshalbleiter, wobei ein Basiskühlkörper, aufweisend eine Basisplatte, sowie mindestens ein weiterer Kühlkörper vorgesehen sind, wobei jeder weitere Kühlkörper eine Trägerplatte mit einer auf einer Seite davon in einem vorgegebenen Muster angeordneten Kühlstruktur aufweist, und wobei in einem ersten Fall der Basiskühlkörper eine in einem vorgegebenen Muster auf der Basisplatte angeordnete Kühlstruktur aufweist, und wobei die Trägerplatte eines ersten Kühlkörpers derart auf den Kühlstrukturen des Basiskühlkörpers angeordnet ist, dass die Kühlstruktur des Basiskühlkörpers und die Kühlstruktur des ersten Kühlkörpers derart versetzt zueinander angeordnet sind, dass die Kühlstruktur des Basiskühlkörpers an Zwischenräumen der Kühlstruktur des ersten Kühlkörpers angeordnet und dort mit der Trägerplatte verbunden sind. In einem zweiten Fall sind der Basiskühlkörper mit einer vorgegebenen Länge und Breite, sowie mehrere weitere Kühlkörper vorgesehen, wobei die Länge und/oder Breite des Basiskühlkörpers einem Mehrfachen der Länge und/oder Breite eines der weiteren Kühlkörper entspricht, und die weiteren Kühlkörper in Reihe und/oder matrizenartig derart an dem Basiskühlkörper angeordnet sind, dass sie auf der gesamten Länge und/oder Breite davon angeordnet sind, wobei Oberseiten der Kühlstrukturen der Trägerplatte mit der Basisplatte verbunden sind.
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In einer Ausführung sind im ersten Fall die Kühlstrukturen des ersten Kühlkörpers kürzer als Kühlstrukturen des Basiskühlkörpers gebildet und weisen in Richtung der Basisplatte, und wobei die Kühlstrukturen des Basiskühlkörpers an der Trägerplatte des ersten Kühlkörpers befestigt sind.
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In einer Ausführung sind im ersten Fall Oberseiten der Kühlstrukturen mit der Seite der Trägerplatte verbunden, auf welcher keine Kühlstrukturen vorhanden sind.
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In einer Ausführung sind im ersten Fall weitere Kühlkörper über dem ersten Kühlkörper derart übereinander gestapelt, dass alle Oberseiten der Kühlstrukturen in dieselbe Richtung weisen und die Oberseiten der Kühlstrukturen einer unteren Trägerplatte mit der darüberliegenden Trägerplatte verbunden sind.
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In einer Ausführung sind die weiteren Kühlkörper gleichartig in ihrer Länge und Breite gebildet sind wie der erste Kühlkörper, und/oder die Kühlstrukturen des ersten und der weiteren Kühlkörper weisen dieselbe Höhe auf, und wobei die Kühlstrukturen des ersten und der weiteren Kühlkörper kürzer sind oder dieselbe Höhe aufweisen wie die Kühlstrukturen des Basiskühlkörpers.
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In einer Ausführung erfolgt die Verbindung der Oberseiten der Kühlstrukturen der Basisplatte und/oder der Trägerplatte mittels Laserschweißen oder Löten oder Sintern oder Schmieden.
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In einer Ausführung sind die Kühlstrukturen als Pins, PinFins, Finnen oder eine Kombination daraus gebildet.
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In einer Ausführung ist die Dicke der Basisplatte größer als die Dicke jeder Trägerplatte.
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In einer Ausführung ist das vorgegebene Muster des Basiskühlkörpers und der weiteren Kühlkörper derart, dass die jeweils übereinander angeordneten Kühlstrukturen nach Montage versetzt zueinander sind.
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Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung der dreidimensionalen Kühlanordnung für den ersten Fall bereitgestellt, wobei in einem Vorabprozess der Basiskühlkörper und mindestens ein weiterer Kühlkörper gebildet werden, und in einem ersten Schritt der erste Kühlkörper mit dem Basiskühlkörper derart verbunden wird, dass die Kühlstrukturen des Basiskühlkörpers in einem Zwischenraum zwischen den Kühlstrukturen des ersten Kühlkörpers angeordnet und mit der Trägerplatte verbunden sind, und in einem optionalen zweiten Schritt weitere Kühlkörper übereinander gestapelt werden.
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Ferner wird die Verwendung der dreidimensionalen Kühlanordnung zur Kühlung von Leistungshalbleitern eines Inverters vorgeschlagen.
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Ferner wird ein Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs bereitgestellt, aufweisend einen Inverter mit Leistungshalbleitern, sowie die dreidimensionale Kühlanordnung zur Kühlung der Leistungshalbleiter. Außerdem werden ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs, aufweisend ein Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs und ein Fahrzeug, aufweisend den Elektroantrieb, bereitgestellt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer durch das vorgeschlagene Verfahren hergestellten dreidimensionalen Kühlstruktur gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt die in 1 gezeigte dreidimensionale Kühlstruktur in Explosionsansicht, sowie die Reihenfolge der Herstellung.
- 3 zeigt eine Detailansicht einer in 2 gezeigten Verbindungsfläche 201.
- 4 zeigt eine Explosionsansicht eines prinzipiellen Aufbaus einer durch das vorgeschlagene Verfahren hergestellten dreidimensionalen Kühlstruktur gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 5 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer durch das vorgeschlagene Verfahren hergestellten dreidimensionalen Kühlstruktur gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 6 und 7 zeigen die Montage der in 4 gezeigten dreidimensionalen Kühlstruktur.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie bereits eingangs erwähnt, sind bei aktuell verfügbaren Kühlstrukturen diverse Nachteile vorhanden, je nach Herstellungsverfahren. Ziel der Erfindung ist es deshalb, eine dreidimensionale Kühlstruktur basierend auf Pin-, PinFin- oder Finnen-strukturen herzustellen, welche sowohl durch ein großserientaugliches Fertigungsverfahren herstellbar ist, als auch eine kostengünstige und flexible Herstellung ermöglicht. Außerdem soll die Kühlstruktur auch so kostenoptimiert und flexibel sein, dass eine kleine Serienproduktion und Prototypenfertigung möglich ist. Dies wird durch einen Modul-Ansatz erreicht, bei dem möglichst viele Komponenten gleichartig gebildet sind, wie nachher beschrieben. Außerdem ist es ein Ziel, die Dichte der Kühlstrukturen pro Kühlfläche mit weniger Einschränkungen der Feinkonturen in der Werkzeugmatrize zu erhöhen.
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Diese Ziele werden erreicht, indem mindestens zwei Kühlkörper 1, 2 mechanisch und thermisch miteinander verbunden werden, um eine dreidimensionale Kühlanordnung bereitzustellen. Grundsätzlich ist einer der Kühlkörper 1 als Basiskühlkörper 1 gebildet. Dieser kann in einer Ausführung lediglich aus einer Basisplatte 10 bestehen, wie in 4 gezeigt. In weiteren Ausführungen besteht er aus einer Basisplatte 10 mit einer auf einer Seite davon angeordneten Kühlstruktur 11.
Jeder weitere Kühlkörper 2 weist eine Trägerplatte 20 und eine auf einer Seite davon angeordnete Kühlstruktur 21 auf. Die Kühlstruktur 21 kann sich auf auf beiden Seiten der Trägerplatte 20 befinden.
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Die Kühlstrukturen 11, 21 sind mit einem Endbereich davon an der Basisplatte 10 bzw. Trägerplatte 21 befestigt, insbesondere direkt daraus gebildet, und weisen an der gegenüberliegenden Seite (also der Seite, welche von der Basisplatte 10 bzw. Trägerplatte 21 abgewandt ist) eine Oberseite 111, 211 auf.
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Die Kühlstrukturen 11, 21 sind ferner in einem vorgegebenen Muster auf der Basisplatte 10 bzw. Trägerplatte 21 angeordnet, wie nachfolgend in Bezug auf die einzelnen Ausführungen beschrieben.
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Jede der Kühlstrukturen 11, 21 kann als Pin-, PinFin- oder Finnenstruktur gebildet sein. Vorteilhaft weisen alle Komponenten einer Kühlanordnung dieselbe Art an Kühlstrukturen 11, 21 auf.
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Nachfolgend werden die Ausführungen unter Bezugnahme zu den Figuren beschrieben.
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In 1 und 2 ist eine Ausführung beschrieben, in welcher eine Basisplatte 10 mit einer auf einer Seite davon angeordneten Kühlstruktur 11 vorgesehen ist. Darauf sind zwei Kühlkörper 2 angeordnet, die jeweils aus einer Trägerplatte 20 und einer auf einer Seite davon angeordneten Kühlstruktur 21 bestehen, um eine dreidimensionale Kühlanordnung zu erzeugen. Dabei weisen die Oberseiten 111, 211 der Kühlstrukturen 11, 21 in dieselbe Richtung.
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Die Kühlstrukturen 10, 20 sind in einem vorgegebenen Muster auf der Basisplatte 10 und den Trägerplatten 2 angeordnet und hier als PinFin-Kühlstruktur ausgeführt. Dabei sind alle Muster gleichartig. Vorteilhaft ist das Muster der Kühlstruktur 21 der ersten, auf der Kühlstruktur 11 der Basisplatte 11 angeordneten Trägerplatte 20 versetzt zu den Mustern der anderen Kühlstrukturen 11, 21, um die Verbindung zu ermöglichen, wie nachfolgend beschrieben.
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Die Verbindung zwischen Basiskühlkörper 1 und Kühlkörper 2 und zwischen weiteren Kühlkörpern 2 untereinander erfolgt, indem diese so übereinander angeordnet werden, dass ihre Muster versetzt zueinander sind. Das bedeutet, dass die Oberseite 111, 211 einer Kühlstruktur 11, 21 derart mit einer Unterseite der zugehörigen Trägerplatte 20 (über einer Verbindungsfläche 201) verbunden ist, dass sich auf der gegenüberliegenden Seite der Trägerplatte 20 keine Kühlstruktur 11, 21 befindet. Somit sind die Kühlstrukturen 11 des Basiskühlkörpers 1 in Zwischenräumen der Kühlstruktur 21, also zwischen Pins, PinFins oder Finnen des ersten Kühlkörpers 2 angeordnet. Die Verbindungsfläche 201 ist in im Detail in 3 dargestellt.
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Die Befestigung der Oberseite 111, 211 der Kühlstrukturen 11, 21 an der Verbindungsfläche 201 der Trägerplatte 20 (an derjenigen Seite, welche keine Kühlstrukturen 11, 21 aufweist), erfolgt durch ein geeignetes Verfahren. Hierfür eignet sich insbesondere das Laserschweißen. Aber auch Löt- oder Sinter- oder andere Schweißverfahren oder Schmieden sind denkbar. Je nach Form der Kühlstrukturen 11, 21 kann deren gesamte Oberseite 111, 211 an der Trägerplatte 20 befestigt werden, oder nur Teilbereiche.
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Die Montage einer dreidimensionalen Kühlanordnung mit mehreren Kühlkörpern 2 erfolgt vorteilhaft, indem diese nacheinander übereinander angeordnet werden. Zuerst (Schritt S1 in 2) wird eine Trägerplatte 20 eines ersten Kühlkörpers 2 auf der Oberseite 111 der Kühlstruktur 11 des Basiskühlkörpers 1 wie bereits beschrieben befestigt. In einem weiteren Schritt (Schritt S2 in 2) wird der nächste Kühlkörper 2 auf der Oberseite 211 der Kühlstruktur 21 des darunter befindlichen ersten Kühlkörpers 2 angeordnet und befestigt. Weitere Kühlkörper 2 werden entsprechend nacheinander auf den jeweils darunter liegenden Kühlkörper 2 aufgebracht und daran befestigt.
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Die in 1-3 gezeigte Ausführung erlaubt aufgrund der Stapelung der Kühlkörper 2 eine bessere Kühlung auf einer kleineren Grundfläche (maximal entspricht diese der Fläche der Basisplatte 10).
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In der in 4 gezeigten Ausführung weist der Basiskühlkörper 1 lediglich eine Basisplatte 10 einer vorgegebenen Länge und Breite ohne weitere Kühlstrukturen auf. Ferner sind mehrere Kühlkörper 2 mit einer Trägerplatte 20 und einer auf einer Seite davon angeordneten Kühlstruktur 21 vorgesehen. Im Gegensatz zu der in 1 bis 3 gezeigten Ausführung sind die Kühlkörper 2 in dieser Ausführung nebeneinander (anstatt übereinander) angeordnet, da die Basisplatte 10 einem Mehrfachen der Länge und/oder Breite der Basisplatte 10 aus 1 bis 3 entspricht. Außerdem wird in dieser Ausführung die Basisplatte 10 auf den Oberseite 211 der Kühlstrukturen 21 des Kühlkörpers 2 aufgebracht und daran befestigt. Die Befestigung erfolgt ebenfalls z.B. mittels Laserschweißen, Schmieden, Löten oder Sintern.
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In dieser Ausführung kann eine große Fläche abgedeckt werden, ohne dabei in aufwändiger Weise lange Kühlkörper 2 mit entsprechenden Kühlstrukturen 21 herzustellen. Die Kühlkörper 2 können somit produktionstechnisch in ihrer Größe optimiert und damit gleichartig in Serie produziert werden. Durch Aneinanderreihen kann dennoch eine große (übergroße) Fläche, insbesondere von >300mm Länge abgedeckt werden. Ferner kann durch matrizenartige Anordnung, also in nebeneinander in zwei Richtungen, auch eine breitere Fläche als bisher möglich in einfacher Weise mit Kühlstrukturen 21 versehen werden.
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In der in 5 bis 7 gezeigten Ausführung sind, wie in der in 1-3 gezeigten Ausführung, ein Basiskühlkörper 1 mit einer Basisplatte 10 und einer auf einer Seite davon angeordneten Kühlstruktur 11, sowie ein Kühlkörper 2 mit einer Trägerplatte 20 und einer auf einer Seite davon angeordneten Kühlstruktur 21 vorgesehen. Diese werden aber nicht so miteinander verbunden, dass die Oberseite 111, 211 der Kühlstrukturen 11, 21 in dieselbe Richtung zeigen. Sie werden vielmehr so verbunden, dass ihre Oberseiten 111, 211 jeweils in Richtung der Basisplatte 10 bzw. Trägerplatte 20 weisen und damit jeweils in Zwischenräume der anderen Kühlstruktur 11, 21 greifen. In dieser Ausführung ist es auch wichtig, dass die Muster der Kühlstrukturen 11, 21 versetzt zueinander sind, damit die Kühlstrukturen 11, 21 in die Zwischenräume der jeweils anderen Kühlstruktur 11, 21 eingreifen können. Dies ist in 6 und 7 anhand der Darstellung einer schrittweisen Montage dargestellt.
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In dieser Ausführung weist vorteilhaft die Kühlstruktur 11 des Basiskühlkörpers 1 eine größere Länge auf als die Kühlstruktur 21 des Kühlkörpers 2 auf. Die Befestigung der der Oberseiten 111 der Kühlstruktur 11 des Basiskühlkörpers 1 an der Trägerplatte 20 erfolgt über ein entsprechendes Verfahren, z.B. Laserschweißen, Schmieden, Löten, Sintern etc..
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Der minimale Abstand zwischen den Pins der Kühlstrukturen 11, 21 ist produktionstechnisch vorgegeben und kann durch Ineinanderstecken von Kühlstrukturen 11, 21 zweier Kühlkörper 1, 2 verringert werden. Somit kann eine höhere Pindichte als bisher erreicht werden.
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Die Dicke der Basisplatte 10, 20 ist in allen Ausführungen größer als die Dicke der Trägerplatten 20, kann aber auch je nach Anwendung dieselbe Dicke sein.
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Das Muster der Kühlstrukturen 11, 21 ist vorteilhaft dasselbe. Um ein versetztes Muster zu erhalten, können die gefertigten Kühlkörper 2 beispielsweise entsprechend zugeschnitten werden. Oder sie werden direkt mit zwei unterschiedlichen Anordnungen (Vertauschen von Zwischenraum um Kühlstruktur 21) des Musters hergestellt.
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Durch die vorgeschlagene dreidimensionale Kühlanordnung wird eine modulare Kühlanordnung bereitgestellt, durch welche ein großserientaugliches Fertigungsverfahren sowie eine kostengünstige Herstellung der dreidimensionalen Kühlanordnung basierend auf Pin-, PinFin- oder Finnen-Strukturen erfolgen kann. Dabei kann eine Vergrößerung der Fluidkontaktoberfläche pro Raum erreicht werden, sowie ein Beibehalten des großserientauglichen Hauptfertigungsverfahrens (bspw. Schmieden, Extrudieren oder Sintern). Außerdem kann ein sehr gutes Kühlungs-/Druckverlust-Verhältnis erreicht werden.
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Ferner kann ein kostenoptimiertes und flexibleres Fertigungsverfahren von 2D- und 3D-Pin-, PinFin-, oder Finnen-Kühlstrukturen für kleinere Serienproduktionen oder Prototypenfertigung bereitgestellt werden, indem ein Gleichteilansatz für die PinFin-Kühlstruktur (Modularisierung) verfolgt wird, wie beschrieben. Dadurch resultiert Senkung der Werkzeugkosten, Flexibilisierung der Bauteilgröße.
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Außerdem ist eine Erhöhung der Pin-, PinFin- oder Finnen-Dichte pro Kühlerfläche mit weniger Einschränkungen der Feinkonturen in der Werkzeugmatrize möglich.
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Somit sind größere PinFin Bauteile herstellbar, da keine Einschränkung der Presskraft, bzw. Pressen-, Sinterofengrößen besteht.
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Verwendung finden die Ausführungen der vorgeschlagenen dreidimensionalen Kühlanordnung vorteilhaft zur Kühlung von Leistungshalbleitern in Elektronikmodulen.
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Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs, und/oder elektrifizierten Achsen. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter). Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen.
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Inverter für Elektroantriebe von Fahrzeugen, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind insbesondere in einer Sperrspannungsklasse von ab ca. 650 Volt ausgelegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Basiskühlkörper
- 10
- Basisplatte
- 11
- Kühlstruktur (PinFin)
- 111
- Oberseite Kühlstruktur
- 2
- Kühlkörper
- 20
- Trägerplatte(n)
- 201
- Verbindungsfläche
- 21
- Kühlstruktur(en) (PinFin)
- 211
- Oberseite Kühlstruktur
- S1, S2
- Montageschritte
