DE102007003875A1 - Stromrichter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit wenigstens zwei Leistungshalbleitermodulen (4, 6), die thermisch leitend mit einem Kühlkörper (2) mechanisch verbunden sind, die mittels einer laminierten Verschienung (8) untereinander elektrisch verschaltet sind. Erfindungsgemäß ist wenigstens eine Stromschiene (12, 14, 16) dieser laminierten Vorrichtung (8) mittels wenigstens einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Vorrichtung (10) mit dem Kühlkörper (2) thermisch verknüpft. Somit erhält man einen Stromrichter, dessen laminierte Verschienung (8) mittels wenigstens einer Vorrichtung (10) entwärmt werden kann.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichter mit Leistungshalbleitermodulen, die thermisch leitend mit einem Kühlkörper mechanisch verbunden sind, und die mittels einer laminierten Verschienung elektrisch leitend verknüpft sind.
- Derartige Stromrichter, insbesondere für höhere Leistungen, sind im Handel erhältlich. Bei derartigen Stromrichtern sind dessen abschaltbare Leistungshalbleitermodule niederinduktiv verschient. Dies wird dadurch erreicht, dass die verwendeten Stromschienen flächig ausgeführt und übereinander zu einem Schienenstapel gestapelt sind. Jeweils zwischen zwei flächigen Stromschienen ist eine flächig ausgeführte Isolierschiene angeordnet. Diese Isolierschienen überragen die flächigen Stromschienen, damit die Grenzwerte für Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden können. Somit weist eine derartige niederinduktive Verschienung mindestens zwei Stromschienen und mindestens eine Isolierschiene auf. Um die Verschienung der verwendeten Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters möglichst kompakt zu gestalten, ist dieses Schienenpaket laminiert aufgebaut. Durch das verwendete Laminiermaterial weist diese laminierte Verschienung eine Temperaturgrenze von beispielsweise 105°C auf.
- Da die auf dem Markt vorhandenen abschaltbaren Leistungshalbleitermodule, insbesondere IGBT-Module, immer leistungsstärker werden, steigt die Stromdichte in den Stromschienen der laminierten Verschienung an. Dadurch steigt die Temperatur der laminierten Verschienung mehr an, wodurch es immer schwieriger wird, die Temperaturgrenze der laminierten Verschienung einzuhalten.
- Nahe liegende Lösungen dieses Problems sind, einerseits die flächigen Stromschienen dicker auszuführen und andererseits die laminierte Verschienung zu kühlen, beispielsweise durch Eigenkonvektion. Dickere Stromschienen sind kostspieliger und weisen ein höheres Gewicht auf. Um die laminierte Verschienung durch Eigenkonvektion zu kühlen, muss diese im Stromrichter derart angeordnet werden, dass ein Kühlungsstrom über diese laminierte Verschienung streichen kann. Dadurch muss ein handelsüblicher Stromrichter neu entflechtet werden. Unter Umständen erhöht sich dadurch die parasitäre Induktivität der laminierten Verschienung.
- Aus der
WO 2005/109505 A1 - Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter anzugeben, dessen laminierte Verschienung mit einfachen Mitteln entwärmt werden kann, wobei dieser Stromrichter nicht neu entflechtet bzw. neu konstruiert werden muss.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels wenigstens einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Vorrichtung gelöst, die wenigstens eine Stromschiene der laminierten Verschienung mit dem Kühlkörper thermisch verknüpft. Durch diese Vorrichtung ist wenigstens eine Stromschiene der laminierten Verschienung an den Kühlkörper thermisch angebunden. Wie viele derartige Vorrichtungen vorgesehen werden müssen, hängt von der Höhe der abzuführenden Wärme ab. Nebenbei stützt diese Vorrichtung zusätzlich die laminierte Verschienung ab. Durch die Verwendung von elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Vorrichtungen können die bisherigen Elemente (laminierte Verschienung, wenigstens zwei Leistungshalbleitermodule, Kühlkörper) eines Stromrichters weiter verwendet werden.
- Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromrichters ist jede Stromschiene der laminierten Verschienung mittels wenigstens einer Vorrichtung mit dem Kühlkörper der Leistungshalbleitermodule thermisch leitend verbunden. Dadurch wird jede Stromschiene dieser laminierten Verschienung entwärmt.
- Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stromrichters sind den Unteransprüchen 3 bis 11 zu entnehmen.
- Zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Stromrichters wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform schematisch veranschaulicht ist.
- In dieser Figur sind mit
2 ein Kühlkörper, mit4 und6 jeweils ein Leistungshalbleitermodul, mit8 eine laminierte Verschienung und mit10 eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Vorrichtung gekennzeichnet. Diese beiden abschaltbaren Leistungshalbleitermodule4 und6 sind mit dem Kühlkörper2 lösbar befestigt, wobei als Kühlkörper2 ein Luftkühlkörper oder ein Flüssigkeitskühlkörper vorgesehen ist. Die laminierte Verschienung weist drei Stromschienen12 ,14 und16 auf, die jeweils untereinander mittels einer Iso lierschiene18 bzw.20 voneinander getrennt sind. Diese laminierte Verschienung8 ist auf den elektrischen Anschlüssen224 ,244 und226 ,246 eines jeden Leistungshalbleitermoduls4 und6 gesteckt. Bei diesen elektrischen Anschlüssen224 ,244 und226 ,246 kann es sich um Lötstifte oder Schraubbolzen handeln. Ab einem vorbestimmten Leistungsvermögen des abschaltbaren Leistungshalbleitermoduls4 bzw.6 weisen die abschaltbaren Leistungshalbleitermodule4 ,6 als elektrische Anschlüsse224 ,244 und226 ,246 nur noch Schraubbolzen auf. - Gemäß dieser Figur sind die elektrischen Anschlüsse
224 und244 des abschaltbaren Leistungshalbleitermoduls4 mit der Stromschiene12 und14 der laminierten Verschienung8 elektrisch leitend verbunden. Demgegenüber sind die elektrischen Anschlüsse und226 und246 mit den Stromschienen14 und16 der laminierten Verschienung8 elektrisch leitend verbunden. Wird angenommen, dass die Stromschiene12 ein Pluspotential und die Stromschiene16 der laminierten Vorrichtung8 ein Minuspotential aufweist, so bilden diese beiden Leistungshalbleitermodule4 und6 einen Brückenzweig. Da außerdem der elektrische Anschluss244 des Leistungshalbleitermoduls4 und der elektrische Anschluss226 des abschaltbaren Leistungshalbleitermoduls6 mit ein und derselben Stromschiene14 elektrisch leitend verbunden sind, sind diese beiden Leistungshalbleiterschalter4 und6 , insbesondere IGBT-Module, elektrisch in Reihe geschaltet, wobei diese verbindende Stromschiene14 einen wechselspannungsseitigen Anschluss dieses Brückenzweiges bildet. - Außerdem ist in dem in dieser Figur dargestellten Stromrichter eine Vorrichtung
10 dargestellt, die aus einem elektrisch isolierend und thermisch leitenden Material besteht. Diese Vorrichtung10 ist einerseits mit dem Kühlkörper2 und andererseits mit der Stromschiene16 der laminierten Vorrichtung8 thermisch verbunden. Dadurch wird die in der laminierten Verschienung8 entstehende Verlustleistung zum Kühlkörper2 abgeführt. Das heißt, bezüglich dieser Vorrichtung10 wird die laminierte Verschienung8 entwärmt. Wie viele Vorrichtun gen10 benötigt werden, hängt von der in der laminierten Verschienung8 entstehenden Verlustleistung ab. Wie in dieser Figur dargestellt, ist die Vorrichtung10 nur mit der unteren Stromschiene16 der laminierten Vorrichtung8 thermisch gekoppelt. Dadurch wird diese Stromschiene16 direkt gekühlt, wogegen die beiden anderen Stromschienen14 und12 sich über die Isolierschichten20 und18 rückkühlen. Wenn mehrere derartige Vorrichtungen10 vorgesehen sind, kann jede Vorrichtung10 thermisch leitend mit einer Stromschiene12 ,14 und16 der laminierten Verschienung8 thermisch verbunden sein. Dadurch weist diese laminierte Verschienung8 neben den elektrischen Durchführungen für die elektrischen Anschlüsse224 ,244 ,226 und246 noch thermische Durchführungen auf. Dadurch kann jede Stromschiene12 ,14 und16 der laminierten Verschienung8 jeweils durch wenigstens eine Vorrichtung10 direkt entwärmt werden. - Der Vorteil dieses Stromrichters besteht darin, dass ein im Handel erhältlicher Umrichter nachträglich mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
10 zur Entwärmung wenigstens einer Stromschiene12 bzw.14 bzw.16 einer laminierten Verschienung8 entwärmt werden kann, damit eine Temperaturgrenze des Laminatmaterials der Verschienung8 eingehalten werden kann. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2005/109505 A1 [0005]
Claims (11)
- Stromrichter mit wenigstens zwei Leistungshalbleitermodulen (
4 ,6 ), die thermisch leitend mit einem Kühlkörper (2 ) mechanisch verbunden sind, die mittels einer laminierten Verschienung (8 ) untereinander elektrisch verschaltet sind, wobei wenigstens eine Stromschiene (12 ,14 ,16 ) dieser laminierten Vorrichtung (8 ) mittels wenigstens einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Vorrichtung (10 ) mit dem Kühlkörper (2 ) thermisch verknüpft ist. - Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stromschiene (
12 ,14 ,16 ) der laminierten Verschienung (8 ) mittels wenigstens einer Vorrichtung (10 ) mit dem Kühlkörper (2 ) thermisch leitend verbunden ist. - Stromrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch isolierende und thermisch leitende Vorrichtung (
10 ) eine Stütze vorgesehen ist. - Stromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende und thermisch leitende Vorrichtung (
10 ) mit der laminierten Vorrichtung (8 ) lösbar verbunden ist. - Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende und thermisch leitende Vorrichtung (
10 ) mit dem Kühlkörper (2 ) lösbar verbunden ist. - Stromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laminierte Verschienung (
8 ) wenigstens zwei Stromschienen (12 ,14 ,16 ) aufweist. - Stromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlkörper (
2 ) ein Luftkühlkörper vorgesehen ist. - Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlkörper (
2 ) ein Flüssigkeitskühlköper vorgesehen ist. - Stromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungshalbleitermodul (
4 ,6 ) ein IGBT-Modul vorgesehen ist. - Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungshalbleitermodul (
4 ,6 ) ein MOSFET-Modul vorgesehen ist. - Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungshalbleitermodul (
4 ,6 ) ein Dioden-Modul vorgesehen ist.
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