DE102022209492B3

DE102022209492B3 - Kühlkörper für ein Halbleiterschaltgerät sowie Halbleiterschaltgerät

Info

Publication number: DE102022209492B3
Application number: DE102022209492.1A
Authority: DE
Inventors: Walter Apfelbacher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2022-09-12
Filing date: 2022-09-12
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2042-09-13
Also published as: US20240087981A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper (110) für ein Halbleiterschaltgerät (100). Der Kühlkörper weist eine Kontaktfläche (111) zur Herstellung eines flächigen Kontakts mit einem oder mehreren zu kühlenden Elementen eines Leistungsmoduls (120) des Halbleiterschaltgeräts auf. Außerdem weist der Kühlkörper Mittel (112) zur Positionierung und Befestigung des Leistungsmoduls (120) am Kühlkörper (110) in einer Vorzugslage auf sowie eine Befestigungsplatte (115) mit angeformten Mitteln (116, 117) zur Positionierung und Montage des Kühlkörpers an einer Tragvorrichtung. Dabei ist der Kühlkörper einschließlich der Kontaktfläche und der Befestigungsplatte einstückig aus elektrisch isolierendem, wärmeleitfähigem Kunststoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 2 W/(m·K) gefertigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten Kühlkörper für ein Halbleiterschaltgerät sowie ein verbessertes Halbleiterschaltgerät.
Es ist allgemein bekannt, Baugruppen, beispielsweise Halbleiterschaltgeräte, in Schaltschränken an sogenannten Hutschienen zu montieren. Die Hutschienen sind dabei in der Regel an der Rückwand bzw. an einem Rahmen eines Schaltschrankes angebracht. Die Baugruppe weist dazu eine Hutschienen-Befestigung oder einen Hutschienenadapter auf, die/der eine Montage auf den beiden in einer Ebene liegenden Schenkeln der Hutschiene ermöglicht. Zusätzlich sind meist Verriegelungen vorgesehen, vermittels der die Baugruppe mit einer einfachen Handhabung von der Hutschiene wieder abgenommen werden kann.
In Halbleiterschaltgeräten entsteht aufgrund des Spannungsabfalls über dem/den Schalthalbleiter/n und des durch ihn/sie fließenden Stroms Wärme, die bei herkömmlichen Halbleiterschaltgeräten über metallische Kühlkörper abgeführt wird. Damit die Halbleiterschaltgeräte auf den Hutschienen montiert werden können, sind die Kühlkörper mit den vorstehend erwähnten Hutschienen-Befestigungen bzw. Hutschienenadaptern verbunden.
Nachteilig dabei ist, dass der Adapter in der Regel aus mehreren Einzelteilen besteht und am Kühlkörper befestigt werden muss. Zudem muss der Kühlkörper geerdet werden, weswegen die die Montage des Halbleiterschaltgeräts auf der Hutschiene mehrere Schritte erfordert und entsprechend aufwendig und kostenintensiv ist.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, schlägt die DE 10 2012 112 393 A1 vor, einen Kühlkörper zur Kühlung einer elektrischen Komponente mit einer Kontaktfläche auszustatten, die in wärmeleitendem Kontakt mit einer Gegenkontaktfläche der elektrischen Komponente bringbar ist, wobei die Kontaktfläche zumindest einen elastisch verformbaren Abschnitt aufweist und wobei der Kühlkörper einstückig und materialeinheitlich aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt sein kann.
Die WO 2021/037 854 A1 offenbart ein Kunststoffgehäuse für ein elektronisches Gerät bestehend aus einem Polymer, wobei ein Thermoplast mit einer Wärmeleitfähigkeit von 3 W/(m·K) eingesetzt ist.
Die DE 101 48 623 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Befestigung eines Profilteils an einer Tragschiene mit einem adapterartigen diskreten Verbindungselement, das mit dem Profilteil verbindbare erste Befestigungsmittel sowie mit der Tragschiene verbindbare zweite Befestigungsmittel aufweist. Das Verbindungselement kann dabei zumindest eine Befestigungsöffnung aufweisen, welche mittels herkömmlichen Schrauben, Nieten oder dergleichen als Alternative zu dem zweiten Befestigungsmittel in Verbindung mit der Tragschiene dienen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen weiter verbesserten Kühlkörper sowie ein verbessertes Halbleiterschaltgerät anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen Kühlkörper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Insbesondere wird der Kühlkörper einstückig aus elektrisch isolierendem, jedoch wärmeleitfähigem Kunststoff gefertigt und weist sowohl Mittel zur Befestigung des Leistungsmoduls am Kühlkörper auf als auch Mittel zur Befestigung des Kühlkörpers bzw. des aus Kühlkörper und Leistungsmodul gebildeten Halbleiterschaltgeräts an einer Tragvorrichtung, insbesondere an einer Hutschiene, auf. Dabei sind die Mittel zur Befestigung des Leistungsmoduls am Kühlkörper zur Herstellung einer Schnappverbindung zwischen Leistungsmodul und Kühlkörper ausgebildet.
Gegenüber herkömmlichen Halbleiterschaltgeräten besteht ein wichtiger Vorteil darin, dass der einstückige Kunststoffkühlkörper beispielsweise den Hutschienenadapter integriert und somit ein separater Adapter und die genannte Vielzahl an Einzelteilen und Montageschritten vermieden wird. Zudem ist eine Erdung des erfindungsgemäßen Kühlkörpers nicht erforderlich, da der Kühlkörper aus elektrisch nicht leitendem Material hergestellt ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Halbleiterschaltgerät mit einem derartigen Kühlkörper.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Kunststoffkühlkörper 110 und ein Leistungsmodul 120 ein Halbleiterschaltgerät 100 bilden, wobei Kühlkörper 110 und Leistungsmodul 120 im nicht miteinander montierten Zustand dargestellt sind.
Der Kühlkörper weist leistungsmodulseitig einen flächigen Bereich 111 auf, der zur flächigen Kontaktierung mit einem oder mehreren zu kühlenden Elementen (nicht dargestellt) des Leistungsmoduls vorgesehen ist. Vorzugsweise weisen die zu kühlenden Elemente entsprechende flächige Bereiche auf, um eine optimale Wärmeübertragung zwischen den zu kühlenden Elementen und dem Kühlkörper zu erreichen. Geeignete Mittel zum Wärmetransport von der eigentlichen Wärmequelle zur rückseitigen Fläche des Leistungsmoduls wie beispielsweise auf Halbleiterbauelementen anbringbare Kühlkörper, Heatspreader oder Heatpipes sind dem Fachmann wohlbekannt.
Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen den zu kühlenden Elementen und dem Kühlkörper können vor der Montage noch zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden wie beispielsweise das Auftragen von Wärmeleitpaste oder das Anbringen von Wärmeleitpads (nicht dargestellt) auf dem flächigen Bereich 111.
Der Kühlkörper weist leistungsmodulseitig außerdem Mittel zur Positionierung und Befestigung des Leistungsmoduls am Kühlkörper auf, die zur Herstellung einer Schnappverbindung zwischen Leistungsmodul und Kühlkörper ausgebildet sind. Rein beispielhaft dargestellt sind zusätzliche Mittel zur Positionierung und Befestigung in Form zweier Befestigungslöcher 112 zur Aufnahme von Zapfen und/oder Schrauben bzw. Bolzen 122, 123 des Leistungsmoduls. Zur besseren Positionierung können beispielsweise form-fit zu den Löchern 112 passende Zapfen vorgesehen werden, durch welche hinweg dann die Schrauben oder Bolzen mit in den Löchern 112 positionierten Aufnahmemitteln befestigt werden.
Zusätzlich oder alternativ können Formelemente 113 auf der leistungsmodulseitigen Befestigungsplatte vorgesehen sein (im Beispiel der 1 Vertiefungen), die passend zu entsprechenden Formelementen auf im montierten Zustand dem Kühlkörper zugewandten Seite des Leistungsmoduls ausgebildet sind und mit diesem gemeinsam eine eindeutige Positionierung des Leistungsmoduls am Kühlkörper sowie eine stabilere Verbindung zwischen den beiden Elementen bewirken, beispielswese im Zusammenspiel mit einem definierten Anpressdruck, der durch die Bolzen/Schrauben 122, 123 erzeugt wird, welche bevorzugt durch das Gehäuse 121 des Leistungsmoduls hindurch reichen und von der Vorderseite des Leistungsmoduls mit einem entsprechenden Anzugsmoment im Kühlkörper verschraubt werden.
Kühlkörper 110 weist vorzugsweise mehrere Kühlrippen 114 oder andere, die Oberfläche erhöhende Elemente auf, um die Wärmeabgabe vom Kühlkörper an das umgebende Medium, in den meisten Fällen die Umgebungsluft, zu begünstigen. Kühlkörper 110 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel einen geraden Kern 118 auf, der sich zwischen der leistungsmodulseitigen Befestigungsplatte und einer dazu im wesentlichen parallel angeordneten Befestigungsplatte 115 erstreckt. Der Kern 118 hat dabei einerseits die Aufgabe, die Wärme von der leistungsmodulseitigen Befestigungsplatte weg zu den Kühlrippen 114 zu transportieren, und andererseits die Aufgabe, die mechanische Stabilität des Halbleiterschaltgeräts 100 sicherzustellen, insbesondere wenn das Halbleiterschaltgerät im betriebsbereiten Zustand mit der Befestigungsplatte 115 an einer Tragvorrichtung beispielsweise eines Schaltschranks montiert ist.
Die tragvorrichtungsseitige Befestigungsplatte 115 ist einstückig mit dem Kühlkörper 110 ausgebildet und dient der Montage des Kühlkörpers bzw. des gesamten Halbleiterschaltgeräts an einer Tragvorrichtung, beispielsweise einer Tragschiene, einer Wand oder einem Paneel, beispielsweise innerhalb eines Schaltschranks oder Schaltkastens.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Befestigungsplatte rückseitig Montagemittel 116 auf, die zur Positionierung und direkten, d.h. adapterfreien Montage des Kühlkörpers an einer Hutschiene ausgebildet sind, insbesondere an einer Hutschiene gemäß EN 50022. Dabei können die Montagemittel 116 zur Herstellung einer Schnappverbindung zwischen Kühlkörper 110 und Hutschiene ausgebildet sein, wobei die Schnappverbindung lösbar gestaltet sein kann.
Alternativ oder zusätzlich zur Schnappverbindung zwischen Tragvorrichtung und Kühlkörper kann eine Schraubverbindung zwischen Tragvorrichtung und Kühlkörper vorgesehen werden. Entsprechend sind alternativ oder zusätzlich zu den Hutschienenkontur-Befestigungsmitteln 116 Schraubbefestigungskonturen 117 an der Befestigungsplatte 115 ausgeformt, im Beispiel der 1 halbseitig offene Schrauben- oder Bolzenaufnahmelöcher.
Im vormontierten Zustand (nicht dargestellt) ist das Leistungsmodul 120 mit dem Kühlkörper 110 mechanisch fest verbunden und bildet so das fertige Halbleiterschaltgerät 100, welches dann an der vorgesehenen Tragvorrichtung, beispielsweise einer Hutschiene, ohne zusätzliche Adapter oder sonstige Montagehilfen befestigt werden kann. Die Verbindung zwischen Leistungsmodul und Kühlkörper erfolgt dabei vorzugsweise, wie bereits erwähnt, mittels mindestens zweier Verschraubungen 123 durch das Gehäuse 121 des Leistungsmoduls 120, wobei innerhalb des Leistungsmoduls der durch die Schrauben/Bolzenköpfe in den Vertiefungen 122 im Gehäuse erzeugte Anpressdruck so verteilt wird, dass einerseits eine sichere und einer Vorzugslage entsprechende Befestigung des Leistungsmoduls am Kühlkörper erreicht wird und andererseits eine gute thermische Verbindung zwischen den an der kühlkörperseitigen Rückseite des Leistungsmoduls angeordneten zu kühlenden Elementen und dem Kühlkörper erreicht wird.
Im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde ein Kühlkörper mit insgesamt sechs Kühlrippen dargestellt. Abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Kunststoffes, die erfindungsgemäß mindestens 2 W/(m·K) beträgt, und der Art der Umströmung des Kühlkörpers mit Medium können für die gleiche Entwärmungsleistung weniger Kühlrippen vorgesehen werden. Für eine größere Entwärmungsleistung können entsprechend mehr Kühlrippen vorgesehen werden.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für Niederspannungsschaltgeräte mit einer Schaltspannung bis 1000 V, d.h. beispielsweise für Schaltgeräte für übliche Haushaltsspannungen von 230 V gegenüber dem Neutralleiter bzw. 400 V zwischen den einzelnen Phasen.
Eine beispielhafter Kühlkörper kann in diesem Spannungsbereich für Schaltgeräte mit 10 A Nennstrom sechs Kühlrippen (drei Paare) aufweisen und für Schaltgeräte mit 30 A Nennstrom vierzehn Kühlrippen (sieben Paare).
Es sei darauf hingewiesen, dass in der Darstellung und im vorstehenden Text die Begriffe bzw. die räumliche Orientierung „oben“, „unten“, „horizontal“, „vertikal“, „vorderseitig“, „rückseitig“ nicht einschränkend zu verstehen ist.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsbeispiele ohne Einschränkung miteinander kombinierbar sind.

Claims

Kühlkörper (110) für ein Halbleiterschaltgerät (100) - mit einer Kontaktfläche (111) zur Herstellung eines flächigen Kontakts mit einem oder mehreren zu kühlenden Elementen eines Leistungsmoduls (120) des Halbleiterschaltgeräts, - mit Mitteln (112) zur Positionierung und Befestigung des Leistungsmoduls (120) am Kühlkörper (110) in einer Vorzugslage, wobei die Mittel (112) zur Herstellung einer Schnappverbindung zwischen Leistungsmodul (120) und Kühlkörper (110) ausgebildet sind, - mit einer Befestigungsplatte (115) mit angeformten Mitteln (116, 117) zur Positionierung und Montage des Kühlkörpers an einer Tragvorrichtung, wobei der Kühlkörper einschließlich der Kontaktfläche und der Befestigungsplatte einstückig aus elektrisch isolierendem, wärmeleitfähigem Kunststoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 2 W/(m·K) gefertigt ist.
Kühlkörper (110) nach Anspruch 1, bei dem die Mittel (112) zur Positionierung und Befestigung des Leistungsmoduls (120) am Kühlkörper (110) in der Vorzugslage ein Befestigungsloch zur Aufnahme von Zapfen oder Schrauben oder Bolzen (123) des Leistungsmoduls (120) aufweisen.
Kühlkörper (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die angeformten Mittel (116) zur Positionierung und Montage des Kühlkörpers (120) zur Montage des Kühlkörpers an einer Hutschiene ausgebildet sind.
Kühlkörper (110) nach Anspruch 3, bei dem die angeformten Mittel (116) zur Positionierung und Montage des Kühlkörpers (120) zur Herstellung einer Schnappverbindung zwischen Kühlkörper (110) und Hutschiene ausgebildet sind.
Kühlkörper (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die angeformten Mittel (116, 117) zur Positionierung und Montage des Kühlkörpers (120) Schraubbefestigungskonturen (117) aufweisen.
Halbleitschaltgerät (100) aufweisend ein Leistungsmodul (120) und einen Kühlkörper (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.