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 ist eine Leistungshalbleiterschaltung bekannt, deren Verschienung gekühlt wird. Bei dieser Leistungshalbleiterschaltung ist wenigstens ein Modul auf einer als Plus- oder Minus-Platte dienenden plattenförmigen Stromschiene außenseitig aufgelötet. Die Plus- bzw. Minus-Schiene sind üblicherweise als oberste bzw. unterste Platte eines Platten-Verschienungspaketes angeordnet. Diese Deckschiene, auf der das Modul aufgebracht ist, wird direkt von einer Kühleinrichtung gekühlt, wobei diese Kühleinrichtung als Luft- oder Flüssigkeitskühlung ausgebildet ist. Diese Kühleinrichtung ist sandwichartig zwischen der Deckschiene und unter Zwischenlage einer Isolierung einer weiteren, in einer parallelen Ebene liegenden plattenförmigen Stromschiene angeordnet. Ferner ist unter Zwischenlage einer weiteren Isolierschicht eine unterseitige Stromschiene vorgesehen. Diese Stromschienen bilden zusammen mit der Kühleinrichtung eine sehr kompakte Anordnung. Die Elemente dieses Verschienungspaketes sind durch Laminieren miteinander verbunden. Da es sich bei dieser Leistungshalbleiterschaltung um einen Wechselrichter handelt, sind unter diesem Verschienungspaket zwei Zwischenkreiskondensatoren angeordnet, die über Verschraubungen mit der oberen bzw. unteren Stromschiene verbunden sind.
  • 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, mit 4 und 6 jeweils ein Leistungshalbleitermodul, mit 8 eine laminierte Verschienung und mit 10 eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Vorrichtung gekennzeichnet. Diese beiden abschaltbaren Leistungshalbleitermodule 4 und 6 sind mit dem Kühlkörper 2 lösbar befestigt, wobei als Kühlkörper 2 ein Luftkühlkörper oder ein Flüssigkeitskühlkörper vorgesehen ist. Die laminierte Verschienung weist drei Stromschienen 12, 14 und 16 auf, die jeweils untereinander mittels einer Iso lierschiene 18 bzw. 20 voneinander getrennt sind. Diese laminierte Verschienung 8 ist auf den elektrischen Anschlüssen 224 , 244 und 226 , 246 eines jeden Leistungshalbleitermoduls 4 und 6 gesteckt. Bei diesen elektrischen Anschlüssen 224 , 244 und 226 , 246 kann es sich um Lötstifte oder Schraubbolzen handeln. Ab einem vorbestimmten Leistungsvermögen des abschaltbaren Leistungshalbleitermoduls 4 bzw. 6 weisen die abschaltbaren Leistungshalbleitermodule 4, 6 als elektrische Anschlüsse 224 , 244 und 226 , 246 nur noch Schraubbolzen auf.
  • Gemäß dieser Figur sind die elektrischen Anschlüsse 224 und 244 des abschaltbaren Leistungshalbleitermoduls 4 mit der Stromschiene 12 und 14 der laminierten Verschienung 8 elektrisch leitend verbunden. Demgegenüber sind die elektrischen Anschlüsse und 226 und 246 mit den Stromschienen 14 und 16 der laminierten Verschienung 8 elektrisch leitend verbunden. Wird angenommen, dass die Stromschiene 12 ein Pluspotential und die Stromschiene 16 der laminierten Vorrichtung 8 ein Minuspotential aufweist, so bilden diese beiden Leistungshalbleitermodule 4 und 6 einen Brückenzweig. Da außerdem der elektrische Anschluss 244 des Leistungshalbleitermoduls 4 und der elektrische Anschluss 226 des abschaltbaren Leistungshalbleitermoduls 6 mit ein und derselben Stromschiene 14 elektrisch leitend verbunden sind, sind diese beiden Leistungshalbleiterschalter 4 und 6, insbesondere IGBT-Module, elektrisch in Reihe geschaltet, wobei diese verbindende Stromschiene 14 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 Vorrichtung 10 ist einerseits mit dem Kühlkörper 2 und andererseits mit der Stromschiene 16 der laminierten Vorrichtung 8 thermisch verbunden. Dadurch wird die in der laminierten Verschienung 8 entstehende Verlustleistung zum Kühlkörper 2 abgeführt. Das heißt, bezüglich dieser Vorrichtung 10 wird die laminierte Verschienung 8 entwärmt. Wie viele Vorrichtun gen 10 benötigt werden, hängt von der in der laminierten Verschienung 8 entstehenden Verlustleistung ab. Wie in dieser Figur dargestellt, ist die Vorrichtung 10 nur mit der unteren Stromschiene 16 der laminierten Vorrichtung 8 thermisch gekoppelt. Dadurch wird diese Stromschiene 16 direkt gekühlt, wogegen die beiden anderen Stromschienen 14 und 12 sich über die Isolierschichten 20 und 18 rückkühlen. Wenn mehrere derartige Vorrichtungen 10 vorgesehen sind, kann jede Vorrichtung 10 thermisch leitend mit einer Stromschiene 12, 14 und 16 der laminierten Verschienung 8 thermisch verbunden sein. Dadurch weist diese laminierte Verschienung 8 neben den elektrischen Durchführungen für die elektrischen Anschlüsse 224 , 244 , 226 und 246 noch thermische Durchführungen auf. Dadurch kann jede Stromschiene 12, 14 und 16 der laminierten Verschienung 8 jeweils durch wenigstens eine Vorrichtung 10 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 Stromschiene 12 bzw. 14 bzw. 16 einer laminierten Verschienung 8 entwärmt werden kann, damit eine Temperaturgrenze des Laminatmaterials der Verschienung 8 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)

  1. 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.
  2. 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.
  3. Stromrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch isolierende und thermisch leitende Vorrichtung (10) eine Stütze vorgesehen ist.
  4. 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.
  5. 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.
  6. Stromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laminierte Verschienung (8) wenigstens zwei Stromschienen (12, 14, 16) aufweist.
  7. Stromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlkörper (2) ein Luftkühlkörper vorgesehen ist.
  8. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlkörper (2) ein Flüssigkeitskühlköper vorgesehen ist.
  9. Stromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungshalbleitermodul (4, 6) ein IGBT-Modul vorgesehen ist.
  10. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungshalbleitermodul (4, 6) ein MOSFET-Modul vorgesehen ist.
  11. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungshalbleitermodul (4, 6) ein Dioden-Modul vorgesehen ist.
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