CN112954951A - 功率电子系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种功率电子系统，其具有外罩、冷却装置、功率半导体模块和电容器装置，该冷却装置具有第一主表面和第二主表面，其中，所述功率半导体模块被布置在所述第一主表面上并且与所述冷却装置导热接触，并且所述电容器装置被布置在所述第二主表面上并且与所述冷却装置导热接触，其中，DC连接装置，优选地是所有DC连接装置被连接到所述功率半导体模块的DC模块连接，并且具有与所述冷却装置导热接触的第一冷却段。

Description

功率电子系统
技术领域
本发明涉及一种具有外罩、冷却装置、功率半导体模块和电容器装置的功率电子系统，其中，冷却装置具有第一和第二主表面，其中，功率半导体模块被布置在第一主表面上并与冷却装置导热接触，并且电容器装置被布置在第二主表面上。
背景技术
DE 10 2015 113 873 A1作为现有技术公开了一种功率电子系统，该功率电子系统被设计具有外罩和布置在其中的电容器装置，其中，外罩具有布置在内的冷却表面，该冷却表面被设计为借助于集成在外罩中或布置在外部的冷却装置进行冷却，并且其中，电容器装置具有电容器，该电容器具有用于第一和第二极性的接触装置，和电容器母线。电容器母线具有第一扁平金属成形体和第二扁平金属成形体，其中，第一扁平金属成形体被导电连接到第一极性的第一接触装置，并且第二扁平金属成形体被导电连接到第二极性的第二接触装置。此外，第一金属成形体的第一段具有平行于并与冷却表面隔开地布置的第一子段，和与冷却表面热接触的第二子段，其中，两个子段由中间段彼此连接。
发明内容
本发明的目的是改善上述系统的且特别是各个构件的冷却。
根据本发明，该目的通过一种功率电子系统实现，其具有外罩、冷却装置、功率半导体模块和电容器装置，冷却装置具有第一和第二主表面，其中，功率半导体模块被布置在第一主表面上并且与冷却装置导热接触，并且电容器装置被布置在第二主表面上并且与冷却装置导热接触，其中，DC连接装置，优选地是所有DC连接装置被连接到功率半导体模块的DC模块连接，并且具有与冷却装置导热接触的第一冷却段。在这种情况下，第一和第二主表面相对于彼此的位置是基本任意的。
如果AC连接装置，优选地是所有AC连接装置被连接到功率半导体模块的AC模块连接并且具有与冷却装置导热接触的第二冷却段，则这可能是有利的。
如果电容器装置的电容器连接装置，优选地是所有电容器连接装置具有与冷却装置导热接触的第三冷却段，则这是特别优选的。
原则上，如果冷却装置被设计为具有入口和出口装置的流体冷却装置，该入口和出口装置在一段中与外罩的凹部相互作用，从而在那里形成流体连接装置，则这是优选的，但是并非绝对必需的。
特别地是，如果冷却装置3被与外罩2形成为多件式单元，并且因此二者形成一起工作但是由多个部分组成的单独的组件，则这可能是有利的。换言之，冷却装置不是外罩的一体部分。
如果冷却装置被完全地布置在外罩的内部内并且因此被外罩的内部包围，则这也可能是有利的。
另外，有利的是，果冷却装置的第一和第二主表面布置为彼此相反，或者布置为相对于彼此围成一定角度，该角度优选地为直角。
可能有利的是，DC连接装置包括至少一条扁平DC母线，并且第一冷却段的长度是DC母线的起作用段(live section)的长度的至少30％，优选地为至少50％。
在每种情况下，如果相应的一个冷却段，或者相应的多个冷却段被布置在冷却装置的第一或第二主表面上或被布置在冷却装置的副表面上，则这是有利的。
能够有利的是，AC连接装置包括至少一条扁平AC母线，并且第二冷却段的长度是AC母线的起作用段的长度的至少30％，优选地为至少50％。
原则上，如果DC连接装置以低电感被连接到电容器装置的电容器连接装置，则这是优选的。
与标准设计相反，如果冷却装置具有流动方向，并且在该流动方向上，电容器装置在功率半导体模块之前被冷却，则这能够是有利的。可替代地是，如果冷却装置具有流动方向，并且在该流动方向上，电容器装置与功率半导体模块同时被冷却，则这能够是有利的。
特别地是，可能优选的是，冷却装置具有多条贯通流动子通道，并且在这些贯通流动子通道的至少一条贯通流动子通道中布置有可控阀，所述可控阀被设计为取决于功率半导体模块的温度或电容器装置的温度的参数中的至少一个参数来调节通过相关联的贯通流动子通道的流率。
当然，只要不固有地或明确地排除，则在根据本发明的系统中，以单数形式提及的特征，特别地是功率转换器模块也可以以多个形式存在。
显然，本发明的各种实施例能够或者单独地实施或者以任何组合实施，以实现改进。特别地是，在不脱离本发明范围的情况下，以上特征和以下提到的那些特征不仅能够在指定的组合下应用，而且还能够在其它组合下应用或单独地应用。
附图说明
根据以下对在图1和4中示意性示出的本发明示例性实施例的描述或根据其相关部分的描述，可以得出本发明的进一步的解释、有利细节和特征。
图1和4各自均示出根据本发明的第一功率电子系统的三维截面图；
图2示出根据本发明的功率电子系统的示意图；并且
图3示出根据本发明的另一功率电子系统的简化示意图。
具体实施方式
图1和4各自均示出根据本发明的第一功率电子系统1的三维截面图。图1示出功率电子系统的外罩2，该外罩2由具有盖元件(未示出)的矩形盘状金属成形体组成。金属成形体在前端面上具有用于两个DC供应连接元件64、66和用于控制连接装置68的凹部。此外，所述盖具有用于流体冷却装置的入口和出口装置的馈通部(feed-throughs)和三个AC输出连接元件78。
冷却装置3被形成为板的形状，其具有与第二主表面32相反的第一主表面30(另见图2)。入口装置和出口装置从所述板状冷却装置沿外罩的盖的方向垂直地凸出，并且形成流体连接装置36、38。冷却装置3本身不是外罩2的一部分，而是作为单独的模块20被布置在外罩2内。
功率半导体模块4被布置在冷却装置3的第一主表面30上。该功率半导体模块4没有其自身的外罩，并且以其基板直接布置在冷却装置3的第一主表面30上，并且因此被导热连接到第一主表面30，更精确地说是被导热连接到第一部分冷却表面302(见图3)。因此，在功率半导体模块4的功率半导体元件中产生的热量能够被非常有效地散发到冷却装置3并且因此散发到冷却流体。
功率半导体模块4被设计为三相逆变器模块，并且具有三对DC模块连接42、44，每对连接由正极性和负极性的DC模块连接组成。它还具有被分配给三个输出相的三个AC模块连接46。
DC连接装置60、62以正确的极性被连接到相应的DC模块连接42、44(见图2)，并且将DC模块连接42、44连接到所分配的DC供应连接元件64、66。所有的DC连接装置60、62各自均具有第一冷却段600、620，该第一冷却段600、620与布置在第一主表面30上的冷却装置3，这里更精确地说是其第二部分冷却表面304导热接触。为此目的，第一冷却段600、620被绝缘装置与冷却装置3电绝缘，但是也被直接布置在第一主表面30上。
AC连接装置70以正确的极性被连接到相应的AC模块连接46(见图2)，并且将AC模块连接连接到所分配的AC供应连接元件78。所有的AC连接装置70各自均具有第二冷却段700，该第二冷却段700与冷却装置3，这里更精确地说是冷却装置的第一主表面30的第三部分冷却表面306(见图3)导热接触。为此目的，第二冷却段700被绝缘装置与冷却装置3电绝缘，但是也被直接布置在第一主表面30上。
电容器装置5被布置在冷却装置3的与第一主表面相反的第二主表面32上。该电容器装置5是电绝缘的，但是另外被直接布置在冷却装置3的第二主表面32的部分冷却表面322(见图3)上并且因此被导热连接于该部分冷却表面322。
电容器装置5的上述两个电容器连接装置80、82(见图4)中的一个具有第三冷却段800，该第三冷却段800与冷却装置3的副表面34的部分冷却表面导热接触。
不受一般性限制地是，通过冷却装置3的流动在这里被形成为使得仅带有电容器装置5的那一段和此后的带有功率半导体模块4的那一段被渗透。
图2示出根据本发明的功率电子系统的示意图。这里示出的是功率电子系统的外罩2的一段。外罩2具有凹部，在其中布置流体连接装置36、38，该流体连接装置形成冷却装置3的入口和出口装置，因此该入口和出口装置穿过外罩延伸到外侧，在外侧处，它们提供冷却剂的供应和排出。
冷却装置具有多个部分冷却段302、304、306、322(各情形见图3)，其中的每个部分冷却段用于冷却与这些冷却表面导热接触的其它构件，由此，冷却装置3对所述其它构件进行冷却。根据本实施例，冷却流体顺序地穿过分配给这些部分冷却段302、304、606、322的冷却腔室303、305、307、323(各情形见图3)，这意味着冷却装置3具有相应的顺序流动方向。
功率半导体模块4被布置在冷却装置3的第一主表面30的第一部分冷却表面302上。该功率半导体4包括两个DC模块连接42、44和一AC模块连接46。
示出了两个DC连接装置60、62，其用于将功率半导体模块4连接到一个或多个DC源，例如电容器装置5或电池。这些DC连接装置60、62被连接到功率半导体模块4的所分配的DC模块连接42、44。根据本发明，带有其第一冷却段600的上述两个DC连接装置中的一个DC连接装置60与冷却装置3的第二部分冷却表面304(其形成为第一主表面30的一部分)直接导热接触。在该设计中，两个DC连接装置中的另一个DC连接装置62以与冷却装置3间接导热接触的方式(即，经由直接连接的DC连接装置60)定位在冷却装置的第一冷却段602中。当然，这里还提供了必要的电绝缘。
还示出了AC连接装置7，其被连接到功率半导体模块4的AC模块连接46并且具有第二冷却段700，该第二冷却段700与冷却装置3并且与其第一主表面的第三部分冷却表面导热接触。
电容器装置5布置在冷却装置的第二主表面32上，并且与冷却装置3且更精确地说是与其部分冷却表面导热接触。在这种情况下，冷却装置3的第一和第二主表面30、32彼此平行，并且在冷却装置上彼此相反。
在此，冷却装置3包括具有顺序流动方向的贯通流动通道310，其中，上述构件，即电容器装置5、DC连接装置60、功率半导体模块4和AC连接装置70按照该顺序冷却。
图3示出根据本发明的另一功率电子系统的简化示意图。在这种情况下，如那里提到地是，关于图2提到的构件被布置在相同的部分冷却表面上。
根据该设计的冷却装置3与根据图2的冷却装置基本上不同之处仅在于，冷却装置3具有平行流动方向，电容器装置5与功率半导体模块4沿该平行流动方向被同时冷却，即不是被顺序冷却。为此，贯通流动通道具有分离点和汇合点，在这些点处，流体流被相应地划分到两条贯通流动子通道312、314中或被重新组合起来。
在这些贯通流动子通道中的一条贯通流动子通道中314布置有可控阀316，其设计用以取决于功率半导体模块4的温度或电容器装置5的温度的参数中的至少一个参数来调节通过该相关联的贯通流动子通道314的流率。
图4示出根据本发明的第一功率电子系统1的另一视图。该图示出了每个DC连接装置60包括具有第一冷却段600的扁平DC母线，并且其中，该第一冷却段600的长度是DC母线的起作用段的长度的大致60％。
相应的AC连接装置7包括具有第二冷却段700的扁平AC母线，其中，第二冷却段700的长度也是AC母线的起作用段的长度的大致60％。
电容器装置5的上述两个电容器连接装置8中的一个具有第三冷却段800，所述第三冷却段800与冷却装置3的副表面34的部分冷却表面导热接触。
相应的DC连接装置60、62以低电感被连接到电容器装置5的被相应分配的电容器连接装置80、82。

Claims (14)

1.一种功率电子系统(1)，所述功率电子系统(1)具有外罩(2)、冷却装置(3)、功率半导体模块(4)和电容器装置(5)，
其中，所述冷却装置(3)具有第一主表面(30)和第二主表面(32)，
其中，所述功率半导体模块(4)布置在所述第一主表面(30)上并且与所述冷却装置(3)导热接触，并且所述电容器装置(5)布置在所述第二主表面(32)上并且与所述冷却装置(3)导热接触，其中，DC连接装置(60、62)被连接到所述功率半导体模块(4)的DC模块连接(42、44)，并且具有与所述冷却装置(3)导热接触的第一冷却段(600)。
2.根据权利要求1所述的功率电子系统，
其中，AC连接装置(70)被连接到所述功率半导体模块(4)的AC模块连接(46)，并且具有与所述冷却装置(3)导热接触的第二冷却段(700)。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的功率电子系统，
其中，所述电容器装置(5)的电容器连接装置(80、82)具有与所述冷却装置(3)导热接触的第三冷却段(800)。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的功率电子系统，
其中，所述冷却装置(3)被设计为具有入口和出口装置的流体冷却装置，所述入口和出口装置在一段中与所述外罩(2)的凹部相互作用，从而在那里形成流体连接装置(36、38)。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的功率电子系统，
其中，所述冷却装置(3)与所述外罩(2)形成为多件式单元。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的功率电子系统，
其中，所述冷却装置(3)被完全地布置在所述外罩(2)的内部(20)中，并且因此被所述外罩的内部包围。
7.根据权利要求1-2中任一项所述的功率电子系统，
其中，所述冷却装置(3)的所述第一主表面(30)和所述第二主表面(32)布置为彼此相反，或者布置为相对于彼此围成一定角度，该角度优选地为直角。
8.根据权利要求1-2中任一项所述的功率电子系统，
其中，所述DC连接装置(60、62)包括至少一条扁平DC母线，并且其中，所述第一冷却段(600、620)的长度是所述DC母线的起作用段的长度的至少30％，优选地为至少50％。
9.根据权利要求1-2中任一项所述的功率电子系统，
其中，相应的冷却段(600、700、800)布置在所述冷却装置(3)的所述第一主表面(30)或所述第二主表面(32)上或布置在所述冷却装置(3)的副表面(34)上。
10.根据权利要求1-2中任一项所述的功率电子系统，
其中，所述AC连接装置(7)包括至少一条扁平AC母线，并且其中，所述第二冷却段(700)的长度是所述AC母线的起作用段的长度的至少30％，优选地为至少50％。
11.根据权利要求3所述的功率电子系统，
其中，所述DC连接装置(60、62)以低电感被连接到所述电容器装置(5)的所述电容器连接装置(80、82)。
12.根据权利要求1-2中任一项所述的功率电子系统，
其中，所述冷却装置(3)具有流动方向，并且在所述流动方向上，所述电容器装置(5)在所述功率半导体模块(4)之前被冷却。
13.根据权利要求1-2中任一项所述的功率电子系统，
其中，所述冷却装置(3)具有流动方向，并且在所述流动方向上，所述电容器装置(5)与所述功率半导体模块(4)同时被冷却。
14.根据权利要求1-2中任一项所述的功率电子系统，
其中，所述冷却装置(3)具有多条贯通流动子通道(312、314)，并且在这些贯通流动子通道中的至少一条贯通流动子通道(314)中布置有可控阀(316)，所述可控阀被设计用以取决于所述功率半导体模块(4)的温度或所述电容器装置(5)的温度的参数中的至少一个参数来调节通过相关联的所述贯通流动子通道(314)的流率。
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