DE10112264A1 - Elektrische Einheit - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäß wird eine elektrische Einheit, die ein elektrisches Bauteil (2) und einen mit diesem verbundenen Kühlkörper (1) sowie eine Temperatursensor (3) aufweist, über eine gute thermische Kopplung mit einer niedrigschmelzenden Masse (4) in Verbindung gebracht. Hierdurch ändert sich vorteilhaft der Temperaturverlauf des Kühlkörpers (1), wenn sich dieser aufgrund einer erhöhten Strombelastung des elektrischen Bauteils (2) erwärmt. Bei Erreichen der Schmelztemperatur der Masse (4) wird diese aufgeschmolzen, so dass vorübergehend die Temperatur des Kühlkörpers (1) annähernd konstant bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Einheit, die ein elektrisches Bauteil und einen mit diesem verbundenen Kühl­ körper sowie einen Temperatursensor zur Messung der Tempera­ tur des Kühlkörpers aufweist.

Eine derartige elektrische Einheit findet sich bei Geräten am Elektromarkt vielfach in Anwendung und gehört somit zum Stand der Technik.

Fig. 1 zeigt eine solche Einheit, die einen Kühlkörper 1 auf­ weist, an dem ein Leistungshalbleiter 2 angeschraubt ist. Mittels eines Temperatursensors 3 wird die Temperatur des Kühlkörpers 2 gemessen und somit aufgrund der guten thermi­ schen Kopplung zwischen dem Leistungshalbleiter 2 und dem Kühlkörper 1 auch ein relativ genaues Abbild der Temperatur am Leistungshalbleiter 2 gewonnen.

Die Temperaturmessung ist hierbei mit dem Problem verbunden, dass die Temperatursensoren mit einem Toleranzband behaftet sind und die Umgebungstemperatur einen großen Einfluss auf die absolute Höhe der Temperatur des Kühlkörpers haben. Dem­ zufolge muss die gemessene Temperatur mit einem relativ großen Sicherheitsabstand beaufschlagt werden, um die thermi­ sche Zerstörung des Halbleiters auf jeden Fall zu verhindern.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektri­ sche Einheit der oben genannten Art zu schaffen, bei der der Einfluss des Toleranzbandes der Temperatursensoren und der Umgehungstemperatur weitgehend ausgeschaltet ist.

Die Aufgabe wird erfinderisch dadurch gelöst, dass eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem Kühlkörper und einer niedrigschmelzenden Masse besteht, die dazu dient bei Temperaturerhöhung des Kühlkörpers als Folge einer erhöhten Strom­ belastung des elektrischen Bauteils und Erreichen der Schmelztemperatur aufzuschmelzen, um für einen von der zuge­ führten Wärmeenergie abhängigen Zeitraum die Temperatur des Kühlkörpers annähernd konstant zu halten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteran­ sprüchen 2 bis 7 zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine elektrische Einheit aus einem Kühlkörper und einen mit diesem verbundenen Leistungshalbleiter sowie einem Temperatursensor gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2, 3 eine erfindungsgemäße elektrische Einheit aus einem Kühlkörper mit integrierten Schmelzmaterial, einem Leistungshalbleiter und einem Temperatursensor und

Fig. 4 einen idealisierten Temperaturverlauf ohne und mit Nutzung der Schmelzwärme einer niedrigschmelzenden Masse.

In Fig. 1 ist ein Kühlkörper 1 dargestellt, auf dem ein Leis­ tungshalbleiter 2 aufgeschraubt ist. Die von dem Leistungs­ halbleiter 2 oder auch einem beliebig anderen elektrischen Bauteil durch Strombelastung erzeugte Verlustwärme wird über den Kühlkörper 1 üblicherweise im Normalbetrieb abgeführt. Um eine thermische Überbelastung des elektrischen Bauteils 2 zu vermeiden, wird mit einem Temperatursensor 3 die Temperatur des Kühlkörpers 1 überwacht, wozu der Temperatursensor 3 in der Nähe des elektrischen Bauteils 2, vornehmlich am/im Kühl­ körper 1 befestigt wird. Hiermit wird eine gute thermische Kupplung erreicht, die ein relativ genaues Abbild der Tempe­ ratur am Leistungshalbleiter 2 bzw. an dem elektrischen Bau­ element ermöglicht. Somit kann der Leistungshalbleiter 2 bei einer unzulässig hohen Erwärmung abgeschaltet werden. Diese Ausführung entspricht dem Stand der Technik.

Erfindungsgemäß wird eine niedrigschmelzende Masse 4 (insbe­ sondere eine Metallmasse), mit dem Kühlkörper 1 gemäß Fig. 2 und 3 verbunden, wobei diese Verbindung eine hohe Wärmeleit­ fähigkeit besitzt. Die niedrigschmelzende Masse 4 dient dazu, bei Temperaturerhöhung des Kühlkörpers 1 als Folge einer er­ höhten Strombelastung des Leistungshalbleiters 2 und Errei­ chen der Schmelztemperatur aufzuschmelzen, um für einen von der zugeführten Wärmeenergie abhängigen Zeitraum die Tempe­ ratur des Kühlkörpers 1 annähernd konstant zu halten, wie in Fig. 4 dargestellt.

Bei der Ausführungsform der elektrischen Einheit gemäß Fig. 2, die den Kühlkörper 1, den damit verbundenen Leistungshalblei­ ter 2 und den Temperatursensor 3 umfasst, ist der Kühlkörper 1 mit Bohrlöchern 5 versehen, in die als Patronen ausgeführte niedrigschmelzende Massen 4 eingesteckt sind.

Eine andere Ausführungsform ist in Fig. 3 dargestellt, bei der abweichend von der elektrischen Einheit gemäß Fig. 2 die nie­ drigschmelzende Masse 4 quaderförmig ausgebildet ist und über die Seitenflächen eng mit dem Kühlkörper 1 z. B. durch Ver­ klebung verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform misst der Temperatursensor 3 die Temperatur des Schmelzmediums 4.

Fig. 4 zeigt die idealisierten Temperaturverläufe mit und ohne Nutzung der Schmelzwärme der erfindungsgemäßen elektrischen Einheiten gemäß Fig. 2 und 3. Dabei ist die Temperatur T über der Zeit t aufgetragen. Die Gerade bei der Temperatur T1 gibt die thermische Zerstörgrenze des Leistungshalbleiters 2 bzw. des elektrischen Bauteils wieder. Der im Koordinatenursprung beginnende Temperaturverlauf A mit durchgezogener Linie er­ gibt sich, wenn die vom Leistungshalbleiter 2 erzeugte Ver­ lustwärme größer ist als die vom Kühlkörper 1 abgeführte Wär­ meenergie. Der Kurvenverlauf beginnt mit einer starken Steigung, die mit höheren Temperaturen abnimmt. Nach der Zeit t1 erreicht der Temperaturverlauf A die thermische Zerstörgrenze T1 des Halbleiters 2, d. h., dass nur die Zeitdauer t1 zur Temperaturmessung und zum Ergreifen von Maßnahmen zur Verfü­ gung steht, um eine Zerstörung des Halbleiters oder des elek­ trischen Bauelements zu verhindern. Die vorteilhafte Eigen­ schaft der Schmelzwärme durch die niedrigschmelzende Masse 4 sorgt für den in Kurve B gezeigten Verlauf mit folgendem Ver­ halten:

• 1. Ist die zugeführte Wärmemenge kleiner als die maximal durch den Kühlkörper 1 abgeführte Wärmemenge so verhält sich die Erwärmung im bekannten Maß und das Schmelzmate­ rial 4 wird nicht geschmolzen. Es stellt sich somit eine konstante Temperatur ein.
• 2. Überschreitet die zugeführte Wärmemenge die maximal durch den Kühlkörper 1 abführbare Wärmemenge, so wird sich zu­ nächst die Temperatur erhöhen bis das Schmelzmaterial 4 zu schmelzen beginnt. Hier wird die Schmelztemperatur TS so­ lange konstant bleiben, bis das gesamte Schmelzmaterial 4 geschmolzen ist. Danach steigt die Temperatur rapide an. Durch das Schmelzmaterial zu der Zeitdauer t1, die sich ohne Nutzung des Schmelzmaterials 4 bis zum Erreichen der thermischen Zerstörgrenze T1 des Leistungshalbleiters 2 ergibt, die Reservezeit t_R hinzugewonnen, um durch Tempe­ raturmessung und daraufhin stromreduzierende Maßnahmen die thermische Zerstörung des Leistungsschalters 2 zu vermei­ den.

Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass das ΔT der Temperatur in einer vergleichbaren Zeiteinheit unter Nutzung des Schmelzmaterials 4 größer ist. Somit kann der Temperatursen­ sor mit einer größeren Toleranz behaftet sein bzw. der Auf­ wand für eine Umgebungstemperaturkompensation gering gehalten werden. Außerdem sind durch das Schmelzen des Schmelzmate­ rials 4 im Kühlkörper 1 Reserven für einen kurzzeitigen Überlastfall vorhanden, so dass z. B. ein Leistungshalbleiter nicht sofort abgeschaltet werden muss.

Durch die zusätzlichen Zeitreserven führt wird u. a. ermög­ licht, dass eine mit dem Temperatursensor 3 in Verbindung stehende Auswerte- und Steuereinrichtung abhängig von der gemessenen Temperatur den Belastungsstrom des elektrischen Bauteils 2 verändert.

Claims (7)

1. Elektrische Einheit, die ein elektrisches Bauteil (2) und einen mit diesem verbundenen Kühlkörper (1) sowie einen Tem­ peratursensor (3) zur Messung der Temperatur des Kühlkörpers (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem Kühlkör­ per (3) und einer niedrigschmelzenden Masse (4) besteht, die dazu dient, bei Temperaturerhöhung des Kühlkörpers (1) als Folge einer erhöhten Strombelastung des elektrischen Bautei­ les (2) und Erreichen der Schmelztemperatur aufzuschmelzen, um für einen von der zugeführten Wärmeenergie abhängigen Zeitraum die Temperatur des Kühlkörpers (1) annähernd kons­ tant zu halten.

2. Elektrische Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) mit mindestens einer Ausnehmung (5) versehen ist, in der sich die niedrig schmelzende Masse (4) befindet.

3. Elektrische Einheit nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass die Ausneh­ mung als Bohrloch (5) ausgeführt ist, in dass die als Patrone (4) ausgeführte Masse eingesteckt ist.

4. Elektrische Einheit nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (4) von außen an den Kühlkörper (1) oder an sein Gehäuse angeklebt ist.

5. Elektrische Einheit nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) mit einer Auswerte- und Steuer­ einrichtung in Verbindung steht, die abhängig von der gemes­ senen Temperatur den Belastungsstrom des elektrischen Bau­ teils (2) verändert.

6. Elektrische Einheit nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauteil ein Leistungshalbleiter (2) ist.

7. Elektrische Einheit nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) mit der niedrigschmelzenden Masse (4) verbunden ist.