DE102010027955A1 - Gestapelte Busschienen-Anordnung mit integrierter Kühlung - Google Patents

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Abstract

Eine gestapelte Busschienen-Anordnung umfasst zwei oder mehr Busschienen-Unteranordnungen, wobei jede eine Mehrzahl von Busschienen mit einer oder mehreren daran befestigten Leistungs-Halbleitervorrichtungen (zum Beispiel IGBTs, Leistungsdioden und dergleichen) umfasst. Jede Busschiene weist ein internes integriertes Kühlungssystem einschließlich einem oder mehreren Fluidkanälen in Verbindung mit einem Einlass und einem Auslass auf. Die Busschienenanordnungen sind derart gestapelt, dass ihre entsprechenden Einlässe und Auslässe ausgerichtet sind und Kühlmittel somit parallel dort hindurch fließen kann.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Halbleitervorrichtungen, und insbesondere das Wärmemanagement in Leistungs-Halbleiterkomponenten, welche eine oder mehrere Busschienen umfassen.
  • Hintergrund
  • Highend-Motorsysteme, wie zum Beispiel solche, welche in Hybrid-Fahrzeugen verwendet werden, werden oftmals unter Verwendung von einem oder mehreren Hochleistungsmodulen gesteuert. Beispielsweise besteht ein Traktions-Antriebssystem aus einer Antriebseinheit (Motor und Getriebe) und einem Wechselrichter zum Steuern des Motors. Der Wechselrichter und die Antriebseinheit sind typischerweise in getrennten Gehäusen untergebracht.
  • Der Wechselrichter umfasst im Allgemeinen einen IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) und eine große Siliziumdiode. Diese Leistungskomponenten sind befestigt (zum Beispiel gelötet) auf DBC(Direct Bond Copper)-Substraten, welche Kupferschichten mit einer dazwischen liegenden isolierenden Keramikschicht umfassen. Drahtverbindungen oder andere Verschaltungen werden verwendet, um eine elektrische Verbindung zwischen einer Busschiene (typischerweise eine massive Kupferschiene) und den verschiedenen Komponenten bereitzustellen, wobei die Busschiene eine elektrische Verbindung mit externen Systemen bereitstellt.
  • Es ist wünschenswert, die Komplexität, Gewicht, und Volumen solcher elektronischen Komponenten zu reduzieren, während ihre Wärmeübergangseigenschaften verbessert werden. Typischerweise verwenden herkömmliche Busschienen-Anordnungen große Wärmesenken oder luftgekühlte Einheiten, was in zusätzlichen Komponenten, erhöhten Kosten, und zusätzlich benötigtem Raum resultiert.
  • Dementsprechend besteht ein Bedarf für verbesserte Wärmeübertragungsverfahren in Leistungsvorrichtungen wie denen in Verbindung mit Motorsteuerungs-Wechselrichtern verwendeten. Andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und dem vorangegangenen technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung kann mit Bezug zu der detaillierten Beschreibung und Ansprüchen in Verbindung mit den folgenden Figuren gewonnen werden, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren ähnliche Elemente bezeichnen.
  • 1 ist eine vereinfachte Übersicht einer Busschienen-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine Querschnitts-Seitenansicht der Busschienen-Anordnung aus 1;
  • 3 ist eine Querschnittsansicht eines in 2 besonders kenntlich gemachten Abschnittes;
  • 4 ist ein konzeptionelles Wärmeübergangs-Diagramm im Hinblick auf die vorliegende Erfindung;
  • 5 ist eine perspektivische Gesamtansicht einer Busschienen-Unteranordnung gemäß einer alternativen Ausführungsform;
  • 6 ist eine alternative Ansicht der in 5 gezeigten Busschienen-Unteranordnung;
  • 7 ist eine beispielhafte gestapelte Busschienen-Anordnung;
  • 8 ist eine alternative Ansicht der Anordnung aus 7;
  • 9 ist eine Explosionszeichnung einer Busschienen-Unteranordnung gemäß einer Ausführungsform; und
  • 10 ist eine perspektivische Ansicht einer gestapelten Busschiene gemäß einer Ausführungsform.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die folgende detaillierte Beschreibung dient lediglich der Veranschaulichung und ist nicht dazu gedacht, die Ausführungsformen der Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen dieser Ausführungsformen zu beschränken. Weiterhin ist nicht beabsichtigt, an eine ausdrückliche oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem vorangegangenen tech nischen Gebiet, Hintergrund, kurze Zusammenfassung oder in der folgenden detaillierten Beschreibung präsentiert wurden bzw. werden. Die Erfindung kann hierin bezüglich funktioneller und/oder logischer Block-Komponenten und verschiedener Bearbeitungsschritte beschrieben werden. Es wird bevorzugt, dass solche Block-Komponenten durch jede Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmware-Komponenten ausgeführt werden können, welche eingerichtet sind, um die spezifizierten Funktionen auszuführen. Aus Gründen der Kürze werden herkömmliche Techniken und Systeme, welche Halbleiter-Herstellung, Transistor-Theorie, Aufbau und Energiemodule betreffen, hier nicht im Detail beschrieben.
  • Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung eine gestapelte Busschienen-Anordnung, welche eine oder mehrere Busschienen-Unteranordnungen umfasst, wobei jede eine Mehrzahl von Busschienen mit einer oder mehreren daran befestigten Leistungs-Halbleitervorrichtungen (zum Beispiel IGBTs, Leistungsdioden und dergleichen) umfassen. Jede Busschiene weist ein internes integriertes Kühlsystem einschließlich eines oder mehrerer Fluid-Kanäle in Verbindung mit einem Einlass und einem Auslass auf. Die Busschienen-Anordnungen sind in der Weise gestapelt, dass ihre entsprechenden Einlässe und Auslässe ausgerichtet sind und ein Kühlmittel dann parallel da hindurchfließen kann. Auf diese Art integrierte Leistungsvorrichtungen können eine verbesserte Wärmeableitung bereitstellen, wodurch Kosten, Gewicht, und Platzbedarf der sich ergebenden Leistungskomponente reduziert werden.
  • Die Eigenschaften solcher Busschienen-Anordnungen und -Unteranordnungen wird nun im Sinne einer Abgrenzung beschrieben. Wie oben erwähnt, umfasst ein in Verbindung mit einem Motor verwendeter Wechselrichter typischerweise einen oder mehrere IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode), welche mit entsprechenden Dioden (zum Beispiel Siliziumdioden) gekoppelt sind. Diese Komponenten sind typischerweise auf DBC(Direct Bond Copper)-Substraten montiert (zum Beispiel gelötet), wobei die gegenüberliegende Seite des DBC als die Schnittstelle zu einer Wärmesenke fungiert. Die Chip- und Dioden-Seite ist jeweils mit den Busschienen-Anschlüssen verbunden (mittels Drähten oder dergleichen).
  • Jedoch sind gemäß den Busschienen der vorliegenden Erfindung die Leistungskomponenten selber (zum Beispiel eine IGBT-Komponente) und Leistungsdioden direkt auf den Busschienen befestigt, wobei die beiden Komponenten in geeigneter Weise verbunden sind. Die Busschienen dienen als Wärmesenken, wobei sie selber unter Verwendung von Mikrokanälen, Mikrogin-Finnen, Direktkühlung, oder jedem anderen Wärmeübertragungs-Verfahren gekühlt werden können, wie weiter unten detaillierter gezeigt wird. Die Erfindung kann außerdem, zusätzlich zu IGBTs, mit anderen Vorrichtungen wie zum Beispiel WBG(Wide Band Gap)-Vorrichtungen, beispielsweise als aus Siliziumcarbid (SiC) hergestellter VJFET (Vertical Junction Field Effect Transistor) oder als aus Galliumnitrid (GaN) hergestellter HFET (Horizontal Field Effect Transistor), verwendet werden.
  • 1 ist eine vereinfachte Draufsicht auf eine beispielhafte Busschienen-Anordnung 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie dargestellt, umfasst Anordnung 100 eine Mehrzahl von Busschienen mit einem positiven Anschluss 110 und einem negativen Anschluss 112, wobei sich jeder Anschluss nach außen erstreckt und dazu eingerichtet ist, in der herkömmlichen Weise mit externen Komponenten elektrisch zu kommunizieren. In ähnlicher Weise weist Busschiene 162 einen Ausgangsknoten 114 auf, welcher für elektrische Kopplung mit einer AC-Vorrichtung, wie zum Beispiel einem Antriebsmotor, ausgelegt ist.
  • Zwei Verteiler, 120 und 130, sind mit gegenüberliegenden Enden der Anordnung 100 gekoppelt. Verteiler 120 ist in Fluid-Verbindung mit einem Auslass 122, wobei Verteiler 130 in Fluid-Verbindung mit Auslass 132 ist. Verteiler 120 ist dazu eingerichtet, Kühlmittel von einer unter Druck stehenden Strömung zu empfangen, und Verteiler 130 steht in Fluid-Verbindung mit, zum Beispiel, einem stromabwärts angeordneten Wärmetauscher, welcher dazu eingerichtet ist, Wärme von ausströmendem Kühlmittel zu entfernen.
  • Verschiedene Halbleiter-Komponenten, wie zum Beispiel IGBT 102 und 104, Dioden 106 und 108, sowie ein Gate-Driver 107, sind direkt mit den verschiedenen Busschienen verbunden, wie es weiter unten im Detail beschrieben ist.
  • Während des Betriebs übertragen die Busschienen von den positiven und negativen Knoten 110 und 112 einer DC-Quelle aufgenommenen Strom zu jeder Leistungsdiode und/oder IGBT-Vorrichtung, welche damit verbunden ist, wodurch ein einphasiges AC-Signal erzeugt wird, welches über Busschiene 162 beispielsweise zu einem Fahrzeug-AC-System übertragen wird. Busschienen-Anordnung 100 wird mit einem Kühlmittel gekühlt, welches von erstem Verteiler 120 durch Kühlmittel-Kanäle (unten dargestellt) wenigstens einer Busschiene strömt, und durch den zweiten Verteiler 130 austritt, wo es zum Kühlen zu einem Wärmetauscher strömen kann, und wieder zu Busschienen-Anordnung 100 zurückzirkuliert. Wie in der teilweisen Schnittansicht dargestellt, sind verschiedene Anschlüsse – zum Beispiel Anschlüsse 125, 126, 127 und 128 – in den Busschienen ausgebildet, um die Übertragung von Fluid da hindurch zu ermöglichen.
  • Insbesondere umfasst mit Bezug zu 2 Busschienen-Anordnung 120 eine positive DC-Busschiene 160, eine negative DC-Busschiene 164, eine AC-Busschiene 162, und eine beliebige Anzahl von Leistungs-Vorrichtungen, wie zum Beispiel IGBTs und/oder Leistungsdioden (102, 106, 202 und 204). In der dargestellten Ausführungsform ist DC-Busschiene 160 mit einem darauf montierten ersten IGBT 102 und einer ersten Leistungsdiode 106 gekoppelt, sowie mit dem positiven Knoten einer DC-Quelle, wie zum Beispiel eine Batterie oder Brennstoffzelle (nicht dargestellt). In ähnlicher Weise ist die negative DC-Busschiene 164 mit einem zweiten IGBT 204 und einer zweiten Leistungsdiode 202 gekoppelt, sowie mit dem negativen Knoten einer DC-Quelle (nicht dargestellt). Jede dieser Leistungsvorrichtungen weist eine erste Seite auf, welche direkt an einer entsprechenden Busschienen-Oberfläche befestigt ist, und zwar unter Verwendung von Lötmittel oder dergleichen in herkömmlicher Weise.
  • Elektrische Verbindung zwischen Leistungsvorrichtung und AC-Busschiene 162 wird mit Drahtverbindung, direktem Anlöten oder einem beliebigen anderen Verfahren hergestellt. Während des Betriebs wandeln diese Leistungsvorrichtung zusammen DC-Signale, welche durch positive und negative Busschienen 160 und 164 empfangen wurden, in ein einphasiges AC-Ausgangssignal um, welches mittels AC-Busschiene 162 zu einem AC-System, wie zum Beispiel einem Antriebsmotor, übertragen wird.
  • In einer Ausführungsform ist jede Busschiene 160, 162 und 164 zusammengesetzt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, und ist mit einer gegenüberliegenden Busschiene lediglich mittels der oben beschriebenen Leistungsvorrichtungen elektrisch verbunden. Jede Busschiene kann vollständig oder teilweise mit Metall überzogen sein – zum Beispiel mit Nickel oder Zinn, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
  • Ein Isoliermaterial, wie zum Beispiel ein Epoxidharz, kann in die Zwischenräume zwischen den Busschienen 160, 162 und 164 eingefügt werden, um die Leistungsvorrichtungen zu vergießen und elektrische Isolierung sowie Schutz vor Umwelteinflüssen bereitzustellen.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht einer Busschienen-Anordnung 100 entlang des Abschnitts A-A in 2. Wie dargestellt, umfasst Busschienen-Anordnung 100 DC-Busschienen 160 und 164, welche in einem einzelnen Stapel angeordnet sind, wobei Busschiene 162 dazwischen angeordnet ist. IGBT-Leistungskomponenten 102, 202, 104 und 302 sind dazwischen angeordnet, um die gewünschte elektrische Funktionalität zu erzielen. Befestigen von Halbleitervorrichtungen an Busschienen kann mittels Löten oder dergleichen in jeder herkömmlichen Weise ausgeführt sein.
  • In einer Ausführungsform weist wenigstens eine der Busschienen 160, 162, und/oder 164 eine Mehrzahl von kontinuierlichen Kanälen auf, durch welche ein dielektrisches Kühl-Fluid strömen kann, wobei jeder Kanal ein erstes Ende und ein zweites Ende jeweils in Fluid-Verbindung mit ersten und zweiten Verteilern 120 und 130 (2) aufweist. Die Kanäle können in integraler Weise in jeder Busschiene aus gebildet sein, oder können durch Befestigen einer Dichtplatte an einem Körper mit einer Mehrzahl von in einer Oberfläche ausgebildeten Ausnehmungen ausgebildet sein. Beispielsweise kann, wie in 3 dargestellt, DC-Busschiene 100 Dichtplatten 310 umfassen, welche auf einer oberen Oberfläche von Körper 312 angeordnet sind, und daran befestigt sind (beispielsweise unter Verwendung von Lötmittel), wobei eine erste Mehrzahl von Kanälen 314 gebildet wird. In jedem Fall weisen die Kanäle 314 jeweils einen Einlass und einen Auslass jeweils in Fluid-Verbindung mit erstem Verteiler 120 und zweitem Verteiler 130 (2).
  • Der erste Verteiler 120 stellt einen Vorrat von unter Druck stehendem Kühlmittel bereit, welches durch die Kanäle 314 jeder Busschiene strömt, um diese zu kühlen. Das durch die Kanäle strömende Kühlmittel absorbiert in der Busschienen-Anordnung 100 erzeugte Wärme und tritt in den zweiten Verteiler 130 in einem erwärmten Zustand aus, wo es auf einen stromabwärts angeordneten Wärmetauscher zum Kühlen und nachfolgendem Zurückführen in den ersten Verteiler 120 gerichtet werden kann.
  • Dementsprechend macht die vorliegende Busschienen-Anordnung viel der typischen IGBT-Schnittstellenelemente überflüssig. Die kompakte, vertikal gestapelte Konfiguration dieser Anordnung kann verwendet werden, um einen kleineren Power Electronics Bay (PEB) oder Wechselrichter-Gehäuse für maximale Integration in einen Motor herzustellen. Das Befestigen von Vorrichtungen an verschiedenen Busschienen wird vorzugsweise in einer Weise ausgeführt, um Streu-Induktivität auf ein Minimum zu reduzieren, was hinsichtlich Rohrschaltfrequenzen von Vorteil ist und Brummstörungen reduziert. Dies wiederum unterstützt die Größenreduzie rung anderer Komponenten, wie zum Beispiel Kondensatoren und Induktivitäten.
  • Im Allgemeinen kann eine Anzahl von integrierten Kühlsystemen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. 4 ist ein konzeptionelles Blockdiagramm, welches den Wärmestrom im System darstellt. Wärme vom Leistungselement 502 wird, wie dargestellt, zu Busschiene 504 geleitet. Die zu Busschiene 504 übertragene Wärme wird dann in geeigneter Weise an die Umgebung abgeführt – beispielsweise mittels Leitung, Konvektion (erzwungen oder frei) und/oder Strahlung. In einer Ausführungsform wird beispielsweise ein thermisches Subsystem 506 verwendet, um die Wärmeableitung zu erhöhen. Ein solches Subsystem 506 kann direktes Kühlen, Mikrogin-Finnen, Mikrokanäle, Phasenänderung oder jedes andere derzeit bekannte oder später entwickelte Wärmeübertragungssystem umfassen.
  • Es wird nun mit Bezug auf 5–8 eine gestapelte Busschienen-Anordnung beschrieben. Wie in 5 und 6 dargestellt, umfasst eine Busschienen-Unteranordnung 500, wie oben beschrieben, einen positiven DC-Anschluss 110, einen negativen DC-Anschluss 112, und einen AC-Anschluss 114. Jede Unteranordnung 500 umfasst außerdem einen Einlass 122 und einen Auslass 132. Ein oder mehrere Kanäle sind innerhalb des Gehäuses von Unteranordnung 500 zur Aufnahme eines strömenden Kühlmittels bereitgestellt, wie es auch bereits oben beschrieben wurde. In der dargestellten Ausführungsform umfasst jede Unteranordnung 500 geeignete Befestigungsmittel, zum Beispiel Befestigungslöcher 510, 515 und 513, welche an verschiedenen Punkten entlang ihres Umfangs positioniert sind. Eine Mehrzahl von Verbindungen oder Anschlüssen 520 erstreckt sich von Unteranordnung 500 und er möglichen so eine elektrische Verbindung zu darin umschlossenen verschiedenen Leistungskomponenten.
  • Jede Unteranordnung 500 weist zwei im Allgemeinen flache Oberflächen auf gegenüberliegenden Seiten auf – zum Beispiel Oberflächen 510 und 513. Dies ermöglicht, dass mehrere Module parallel zueinander mit ihren Einlässen 122 und Auslässen 132 ausgerichtet „gestapelt” werden können. Eine solche Ausführungsform ist in 7 und 8 dargestellt. Ein oder mehrere O-Ringe oder andere Dichtmittel können ebenfalls bereitgestellt werden.
  • Eine Steuerungskarte 602 oder andere Elektronik kann in geeigneter Weise mit Verbindungen 520 gekoppelt werden, welche ebenso wie dargestellt ausgerichtet sind. Steuerungskarte 602 umfasst eine beliebige Anzahl von Komponenten, welche in der Lage, die verschiedenen IGBTs, Dioden und andere Komponenten innerhalb jeder Unteranordnung 500 zu steuern.
  • Wie dargestellt, umfasst die gestapelte Busschienen-Anordnung 600 eine Mehrzahl (in dieser Ausführungsform sechs) von Busschienen-Unteranordnungen 500, welche wie dargestellt gestapelt sind (Unteranordnungen 500a–f). Ihre entsprechenden DC-Anschlüsse (110, 112) und AC-Anschluss (114) sind ebenfalls für eine einfachere Verbindung ausgerichtet. Anordnung 600 kann einphasig oder mehrphasig sein. Befestigungsmittel (zum Beispiel Bolzen oder Schrauben 606, 607 und 608) sind in entsprechenden Befestigungslöchern (510, 514, und 513) angeordnet, um die Unteranordnungen 500 fest zusammenzuhalten und das Austreten von Kühlmittel zwischen jeweiligen Einlässen und Auslässen zu vermeiden.
  • Ein Kopfstück 603 ist ebenfalls mit der Mehrzahl von Unteranordnungen 500 gekoppelt, so dass ein Einlassanschluss 604 und ein Auslassanschluss 605 jeweils mit den Einlässen 122 und Auslässen 132 ausgerichtet ist. Anschlüsse 604 und 605 sind eingerichtet, um eine Verbindung mit jeder geeigneten Kühlmittelquelle herzustellen. In einer Ausführungsform wird ein Kühlmittel auf Wasserbasis und geringer Leitfähigkeit verwendet, wie zum Beispiel ein Gemisch aus Ethylenglykol und Wasser im Verhältnis 50/50, mit einer Flussrate von etwa 0,5 bis 5,0 l/min.
  • 9 stellt eine Explosionsansicht einer Busschienen-Unteranordnung 900 gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung dar. Wie dargestellt, umfassen die Schichten, in einer Reihenfolge von oben nach unten, eine positive Busschiene 110, verschiedene Halbleiterelemente 902 (zum Beispiel IGBTs, Dioden, wie oben beschrieben), und eine Wärmesenke 908, welche Kühlmittel-Eingang/-Ausgänge 904 aufweist und mit Wärmesenke 910 im Eingriff ist. Eine weitere Schicht mit Halbleiter-Vorrichtungen 903, und eine negative Busschiene 912 mit einem Gate-Driver-Schaltkreis 107, Chip-Kondensator 912, und integriertem Metallsubstrat (IMS) sind darauf bereitgestellt.
  • Eine Mehrzahl von Busschienen-Anordnungen (900), wie in 9 dargestellt, kann dann wie in 10 dargestellt, zusammengesetzt werden. Wie gezeigt ist jedes Paar von Wärmesenken 908, 910 zusammen gelötet oder hartgelötet, oder durch jedes andere Verfahren in den Plastikgehäusen 1002 fixiert. Ein positiver Anschluss 1004 und ein negativer Anschluss 1006 sind zum Verbinden mit jeweils den positiven und negativen Busschienen-Anschlüssen 110 und 112 jeder Unteranordnung bereitgestellt.
  • Es ist offensichtlich, dass die oben beschriebenen sich ergebenden Anordnungen kompakt und hinsichtlich Wärmeübertragung hocheffizient sind. Das heißt, im Vergleich zu herkömmlichen Modulen weisen die Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung geringes Gewicht, geringen Platzbedarf, geringe Induktivität, Flexibilität beim Skalieren und Wechselrichter-/Motor-Integration auf, und können außerdem die Filterkapazität reduzieren. Außerdem wird in günstiger Weise eine Verbindung mit internen Leistungskomponenten und externen elektrischen Anschlüssen ermöglicht. Weiterhin kann durch parallele Konfiguration der Einlässe und Auslässe – das heißt in der Weise, dass das Kühlmittel parallel durch jede Unteranordnung 500 strömt – der resultierende Kühlmitteldruckabfall reduziert werden.
  • Während in der vorangegangenen detaillierten Beschreibung wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform dargestellt worden ist, wird darauf hingewiesen, dass eine große Anzahl von Variationen existiert. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass die hierin beschriebene beispielhafte Ausführungsform oder Ausführungsformen nicht dazu gedacht sind, den Umfang, die Anwendbarkeit oder Konfiguration der Erfindung in irgendeiner Weise zu begrenzen. Vielmehr stellt die vorangegangene detaillierte Beschreibung dem Fachmann eine nützliche Hilfe für die Ausführung der beschriebenen Ausführungsform oder Ausführungsformen bereit. Es wird davon ausgegangen, dass verschiedene Änderungen hinsichtlich Funktion und Anordnung der Elemente gemacht werden können, ohne den Umfang der Erfindung und ihrer rechtlichen Äquivalente davon zu verlassen.
  • Weitere Ausführungsformen
    • 1. Gestapelte Busschienen-Anordnung, umfassend: Eine Mehrzahl von Busschienen-Unteranordnungen, wobei jede eine Mehrzahl von Busschienen mit einer oder mehreren darauf befestigten Leistungs-Halbleitervorrichtungen umfasst, und ein integriertes Kühlsystem einschließlich eines Einlasses, eines Auslasses, und einem oder mehreren Fluid-Kanälen in Verbindung mit dem Einlass und dem Auslass; wobei die Mehrzahl von Busschienen-Anordnungen in der Weise gestapelt ist, so dass ihre entsprechenden Einlässe und Auslässe ausgerichtet sind; einen ersten Anschluss, welcher mit den ausgerichteten Einlassen gekoppelt ist; und einen zweiten Anschluss, welcher mit den ausgerichteten Auslässen gekoppelt ist.
    • 2. Gestapelte Busschienen-Anordnung nach Ausführungsform 1, wobei das integrierte Kühlsystem innerhalb jeder Busschienen-Unteranordnung eine oder mehrere Mikrofinnen umfasst.
    • 3. Gestapelte Busschienen-Anordnung nach Ausführungsform 1, wobei das integrierte Kühlsystem innerhalb jeder Busschienen-Unteranordnung einen oder mehrere Mikrokanäle umfasst.
    • 4. Gestapelte Busschienen-Anordnung nach Ausführungsform 1, wobei die eine oder mehreren Leistungs-Halbleitervorrichtungen wenigstens eine IGBT-Vorrichtung und wenigstens eine damit elektrisch gekoppelte Diode umfassen.
    • 5. Gestapelte Busschienen-Anordnung nach Ausführungsform 1, wobei jede von der Mehrzahl der Busschienen einen ersten DC-Anschluss, einen zweiten DC-Anschluss, und einen AC-Anschluss umfasst.
    • 6. Gestapelte Busschienen-Anordnung nach Ausführungsform 1, weiterhin umfassend Polymer-Isolierschichten zwischen der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitervorrichtungen.
    • 7. Gestapelte Busschienen-Anordnung nach Ausführungsform 3, wobei der zweite Anschluss mit einem Stator eines Motors gekoppelt ist.
    • B. Gestapelte Busschienen-Anordnung nach Ausführungsform 1, wobei die Mehrzahl von Busschienen eine Kupferlegierung umfasst.
    • 9. Gestapelte Busschienen-Anordnung nach Ausführungsform 1, wobei die Mehrzahl von Busschienen-Anordnungen jeweils ein Substrat aus einem integrierten Metall umfasst.
    • 10. Fahrzeug-Wechselrichtermodul, insbesondere umfassend eine gestapelte Busschienen-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Fahrzeug-Wechselrichtermodul umfasst: Eine Mehrzahl von Busschienen-Unteranordnungen, wobei jede eine Mehrzahl von Busschienen mit Paaren von damit verbundenen IGBT-Vorrichtungen und Leistungsdioden umfasst, sowie ein integriertes Kühlsystem einschließlich eines Einlasses, eines Auslasses, und einem oder mehrerer Fluid-Kanäle in Verbindung mit dem Einlass und dem Auslass; wobei die Mehrzahl von Busschienen-Anordnungen derart gestapelt ist, dass ihre entsprechenden Einlässe und Auslässe ausgerichtet sind, so dass ein Kühlmittel parallel durch jede von der Mehrzahl von Busschienen strömt.
    • 11. Fahrzeug-Wechselrichtermodul nach Ausführungsform 10, wobei das integrierte Kühlsystem innerhalb jeder Busschienen-Unteranordnung eine oder mehrere Mikrofinnen umfasst.
    • 12. Fahrzeug-Wechselrichtermodul nach Ausführungsform 10, wobei das integrierte Kühlsystem innerhalb jeder Busschienen-Unteranordnung einen oder mehrere Mikrokanäle umfasst.
    • 13. Fahrzeug-Wechselrichtermodul nach Ausführungsform 10, wobei jede von der Mehrzahl der Busschienen einen ersten DC-Anschluss, einen zweiten DC-Anschluss, und einen AC-Anschluss umfasst.
    • 14. Fahrzeug-Wechselrichtermodul nach Ausführungsform 10, weiterhin umfassend Polymer-Isolierschichten zwischen der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitervorrichtungen.
    • 15. Fahrzeug-Wechselrichtermodul nach Ausführungsform 3, wobei der zweite Anschluss mit einem Stator eines Motors gekoppelt ist.
    • 16. Verfahren zum Kühlen eines Wechselrichtermoduls mit einer Mehrzahl von darin befestigten Leistungs-Halbleitervorrichtungen, insbesondere ein Wechselrichter-Modul nach Anspruch 7, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Mehrzahl von Busschienen-Unteranordnungen, wobei jede eine Mehrzahl von Busschienen mit Paaren von daran befestigten IGBT-Vorrichtungen und Leistungsdioden umfasst, sowie ein integriertes Kühlsystem einschließlich eines Einlasses, eines Auslasses, und einem oder mehrerer Fluid-Kanäle in Verbindung mit dem Einlass und dem Auslass; Zusammenstapeln und Sichern der Mehrzahl von Busschienen-Unteranordnungen, so dass ihre entsprechenden Einlässe und Auslässe ausgerichtet sind; Koppeln einer Kühlmittel-Quelle mit den ausgerichteten Einlässen und ausgerichteten Auslässen; und Zirkulieren eines Kühlmittels durch Busschienen, so dass das Kühlmittel parallel durch die Busschienen strömt und von den Leistungs-Halbleitervorrichtungen erzeugte Wärme dorthin transportiert wird.
    • 17. Verfahren nach Ausführungsform 16, wobei das Bereitstellen einer Mehrzahl von Busschienen ein Bereitstellen von Busschienen mit einer Mehrzahl von in den Fluidkanälen angeordneten Mikrofinnen umfasst.
    • 18. Verfahren nach Ausführungsform 16, wobei das Bereitstellen einer Mehrzahl von Busschienen ein Bereitstellen von Busschienen mit einer Mehrzahl von in den Fluidkanälen angeordneten Mikrokanälen umfasst.
    • 19. Verfahren nach Ausführungsform 16, wobei die ausgerichteten Auslässe mit einem Motor-Stator gekoppelt sind.
    • 20. Verfahren nach Ausführungsform 16, wobei das Kühlmittel ein Kühlmittel auf Wasserbasis mit geringer Leitfähigkeit umfasst.

Claims (10)

  1. Gestapelte Busschienen-Anordnung, umfassend: Eine Mehrzahl von Busschienen-Unteranordnungen, wobei jede eine Mehrzahl von Busschienen mit einer oder mehreren darauf befestigten Leistungs-Halbleitervorrichtungen umfasst, und ein integriertes Kühlsystem einschließlich eines Einlasses, eines Auslasses, und einem oder mehreren Fluid-Kanälen in Verbindung mit dem Einlass und dem Auslass; wobei die Mehrzahl von Busschienen-Anordnungen in der Weise gestapelt ist, so dass ihre entsprechenden Einlässe und Auslässe ausgerichtet sind; einen ersten Anschluss, welcher mit den ausgerichteten Einlässen gekoppelt ist; und einen zweiten Anschluss, welcher mit den ausgerichteten Auslässen gekoppelt ist.
  2. Gestapelte Busschienen-Anordnung nach Anspruch 1, wobei das integrierte Kühlsystem innerhalb jeder Busschienen-Unteranordnung eine oder mehrere Mikrofinnen und/oder einen oder mehrere Mikrokanäle umfasst.
  3. Gestapelte Busschienen-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die eine oder mehreren Leistungs-Halbleitervorrichtungen wenigstens eine IGBT-Vorrichtung und wenigstens eine damit elektrisch gekoppelte Diode umfassen.
  4. Gestapelte Busschienen-Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei jede von der Mehrzahl der Busschienen einen ersten DC-Anschluss, einen zweiten DC-Anschluss, und einen AC-Anschluss umfasst.
  5. Gestapelte Busschienen-Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiterhin umfassend Polymer-Isolierschichten zwischen der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitervorrichtungen.
  6. Gestapelte Busschienen-Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Busschienen-Unteranordnungen ein Substrat aus Kupferlegierung und/oder mit einem integrierten Metall umfasst.
  7. Fahrzeug-Wechselrichtermodul, insbesondere umfassend eine gestapelte Busschienen-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Fahrzeug-Wechselrichtermodul umfasst: Eine Mehrzahl von Busschienen-Unteranordnungen, wobei jede eine Mehrzahl von Busschienen mit Paaren von damit verbundenen IGBT-Vorrichtungen und Leistungsdioden umfasst, sowie ein integriertes Kühlsystem einschließlich eines Einlasses, eines Auslasses, und einem oder mehrerer Fluid-Kanäle in Verbindung mit dem Einlass und dem Auslass; wobei die Mehrzahl von Busschienen-Anordnungen derart gestapelt ist, dass ihre entsprechenden Einlässe und Auslässe ausgerichtet sind, so dass ein Kühlmittel parallel durch jede von der Mehrzahl von Busschienen strömt.
  8. Verfahren zum Kühlen eines Wechselrichtermoduls mit einer Mehrzahl von darin befestigten Leistungs- Halbleitervorrichtungen, insbesondere ein Wechselrichter-Modul nach Anspruch 7, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Mehrzahl von Busschienen-Unteranordnungen, wobei jede eine Mehrzahl von Busschienen mit Paaren von daran befestigten IGBT-Vorrichtungen und Leistungsdioden umfasst, sowie ein integriertes Kühlsystem einschließlich eines Einlasses, eines Auslasses, und einem oder mehrerer Fluid-Kanäle in Verbindung mit dem Einlass und dem Auslass; Zusammenstapeln und Sichern der Mehrzahl von Busschienen-Unteranordnungen, so dass ihre entsprechenden Einlässe und Auslässe ausgerichtet sind; Koppeln einer Kühlmittel-Quelle mit den ausgerichteten Einlässen und ausgerichteten Auslässen; und Zirkulieren eines Kühlmittels durch Busschienen, so dass das Kühlmittel parallel durch die Busschienen strömt und von den Leistungs-Halbleitervorrichtungen erzeugte Wärme dorthin transportiert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die ausgerichteten Auslässe mit einem Motor-Stator gekoppelt sind.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Kühlmittel ein Kühlmittel auf Wasserbasis mit geringer Leitfähigkeit umfasst.
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