DE102011075565A1 - Circuit module with cooling by phase change material - Google Patents
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Abstract
Ein Schaltungsmodul 30 umfasst eine elektrische Schaltung 32 mit einer elektrischen Komponente 36, die zumindest teilweise in ein Phasenwechselmaterial 42 eingebettet ist.A circuit module 30 comprises an electrical circuit 32 with an electrical component 36 which is at least partially embedded in a phase change material 42.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft ein Schaltungsmodul, insbesondere ein Schaltungsmodul mit Halbleiterschaltern für einen Wechselrichter für den elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs, wie beispielsweise einen Pkw, Lkw oder Bus.The invention relates to a circuit module, in particular a circuit module with semiconductor switches for an inverter for the electric drive of a vehicle, such as a car, truck or bus.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen wird häufig eine Gleichstromquelle verwendet, um den elektrischen Antrieb des Fahrzeugs mit Strom zu versorgen. Bei den dabei in der Regel eingesetzten Elektromotoren muss der Gleichstrom dabei von einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. Durch die in dem Schaltungsmodul des Wechselrichters entstehende Ohmsche Wärme, werden die elektrischen Komponenten des Schaltungsmoduls teilweise sehr heiß und müssen gekühlt werden.In electrically powered vehicles, a DC power source is often used to power the electric drive of the vehicle. In the case of the electric motors usually used in this case, the direct current must be converted from an inverter to alternating current. Due to the generated in the circuit module of the inverter resistive heat, the electrical components of the circuit module sometimes very hot and must be cooled.
Insbesondere bei elektrischen Komponenten, die nur zeitweise unter Strom stehen, was beispielsweise bei einem Schaltungsmodul eines Wechselrichters der Fall ist, schwankt die entstehende Ohmsche Wärme stark und es können Temperaturspitzen entstehen. Zum Abfangen kurzzeitiger Temperaturspitzen kann bei der Kühlung von elektrischen Komponenten ein Phasenwechselmaterial (PCM, Phase Change Material), beispielsweise Paraffin, eingesetzt werden. Especially with electrical components that are only temporarily under power, which is the case for example in a circuit module of an inverter, the resulting ohmic heat varies greatly and it can cause temperature peaks. To intercept short-term temperature peaks, a phase change material (PCM, phase change material), for example paraffin, can be used in the cooling of electrical components.
Beispielsweise ist aus der
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Aufgabe der Erfindung ist es, leicht herzustellende Schaltungsmodule bereitzustellen, die besonders effektiv mit einem Phasenwechselmaterial gekühlt werden können.The object of the invention is to provide easily manufactured circuit modules that can be cooled particularly effectively with a phase change material.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.This object is solved by the subject matter of the independent claim. Further embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and from the following description.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Schaltungsmodul, das eine elektrische Schaltung mit wenigstens einer elektrischen Komponente, einen Kühlkörper zur Abfuhr von Wärme aus der elektrischen Komponente und ein Phasenwechselmaterial zum Zwischenspeichern von elektrischer bzw. Ohmsche Wärme aus der elektrischen Komponente umfasst.A first aspect of the invention relates to a circuit module comprising an electrical circuit having at least one electrical component, a heat sink for dissipating heat from the electrical component, and a phase change material for latching electrical or resistive heat from the electrical component.
Die elektrische Schaltung kann dabei einen Wechselrichter für ein Fahrzeug bzw. zumindest einen Teil dieses Wechselrichters umfassen.The electrical circuit may include an inverter for a vehicle or at least a part of this inverter.
Eine elektrische Komponente einer elektrischen Schaltung kann sich dadurch auszeichnen, dass sie zumindest zeitweise von Strom durchflossen ist. Jedoch kann eine elektrische Komponente auch ein Kunststoffsubstrat für die stromdurchflossenen Bestandteile umfassen, wie etwa ein Kunststoffkörper in den eine integrierte Schaltung in der Regel eingegossen ist. Weiter ist es möglich, dass die elektrische Komponente selbstständig elektrische Wärme bzw. elektrische Wärme erzeugt, indem sie vom Strom durchflossen wird. Es ist aber auch möglich, dass die elektrische Komponente dadurch erwärmt wird, dass sie mit anderen elektrischen Komponenten thermisch in Verbindung steht, die diese Wärme erzeugen. Insbesondere können Leiterbahnen, die aus Kupfer hergestellt sind, derartige elektrische Komponenten sein, da Kupfer neben seiner guten Leitfähigkeit für Strom auch ein guter Wärmeleiter ist, der die in den mit den Leiterbahnen verbundenen Halbleiterbauelementen erzeugte Wärme aus diesen abführt.An electrical component of an electrical circuit can be characterized in that it is at least temporarily traversed by electricity. However, an electrical component may also include a plastic substrate for the current carrying components, such as a plastic body into which an integrated circuit is typically molded. Furthermore, it is possible for the electrical component to generate electrical heat or electrical heat on its own by flowing through the current. But it is also possible that the electrical component is heated by being thermally in communication with other electrical components that generate this heat. In particular, conductor tracks which are made of copper may be such electrical components, since copper, in addition to its good conductivity for electricity is also a good conductor of heat, which dissipates the heat generated in the semiconductor devices connected to the conductor tracks from these.
Die elektrische Komponente kann wenigstens ein Halbleiterbauelement, wie etwa eine Diode, einen Transistor, einen Thyristor, einen IGBT oder eine integrierte Schaltung und/oder eine Mehrzahl von Leiterbahnen, umfassen. Es ist zu verstehen, dass die eben genannten Halbleiterbauelemente, die dafür ausgeführt sind, im Hochspannungs- bzw. Hochstrombereich von beispielsweise mehr als 100 V (beispielsweise 400 V) bzw. mehr als 10 A, eingesetzt zu werden, besonders viel Ohmsche Wärme entwickeln und daher eine besonders effektive Kühlung benötigen können. Es ist aber auch möglich, elektrische Komponenten im Niedervoltbereich von weniger als 50 V, beispielsweise 42 V, mit den im Folgenden beschriebenen Anordnungen zu kühlen. The electrical component may comprise at least one semiconductor device, such as a diode, a transistor, a thyristor, an IGBT or an integrated circuit and / or a plurality of interconnects. It should be understood that the above-mentioned semiconductor devices designed to be used in the high voltage region of, for example, more than 100 V (for example, 400 V) or more than 10 A, develop particularly high Ohmic heat and therefore may require a particularly effective cooling. However, it is also possible to cool electrical components in the low-voltage range of less than 50 V, for example 42 V, with the arrangements described below.
Ein Phasenwechselmaterial ist im Allgemeinen ein Material, das in der Lage ist, bei der Aufnahme von Wärme bzw. bei der Abgabe von Wärme seinen Phasenzustand zu ändern. Beispielsweise kann das Material bei der Aufnahme von Wärme schmelzen, also von dem festen in den flüssigen Aggregatzustand übergehen, oder bei der Abgabe von Wärme erstarren, also von dem flüssigen in den festen Aggregatzustand übergehen. Obwohl ein Phasenwechselmaterial beim Phasenübergang Wärme abgibt oder Wärme aufnimmt, ändert sich seine Temperatur solange nicht, bis der Phasenübergang vollständig erfolgt ist. Auf diese Weise kann ein Phasenwechselmaterial dazu verwendet werden, Wärme zwischenzuspeichern, ohne dass sich seine Temperatur erhöht oder vermindert. Es ist dabei zu verstehen, dass das Phasenwechselmaterial dabei so gewählt sein kann, dass sein Phasenübergang bei einer Temperatur erfolgt, in dem sich auch die Temperatur der zu kühlenden Komponenten bewegt. Mit anderen Worten kann die Phasenübergangstemperatur des Phasenwechselmaterials derart gewählt sein, dass das bei dem Phasenwechselmaterial bei den im Schaltungsmodul auftretenden Temperaturwechseln ein Phasenübergang erfolgt. A phase change material is generally a material that is capable of changing its phase state upon the absorption of heat or the release of heat. For example, the material may melt during the absorption of heat, that is to pass from the solid to the liquid state, or solidify in the release of heat, so pass from the liquid to the solid state. Although a phase change material releases heat or absorbs heat during phase transition, its temperature does not change until the phase transition is complete. In this way, a phase change material can be used to buffer heat without its Temperature increased or decreased. It is to be understood that the phase change material may be selected such that its phase transition occurs at a temperature in which the temperature of the components to be cooled also moves. In other words, the phase transition temperature of the phase change material may be selected such that the phase change material undergoes a phase transition at the temperature changes occurring in the circuit module.
Insbesondere bei Bauteilen der Leistungselektronik, wie zum Beispiel den elektrischen Komponenten eines Wechselrichters, können mit einem Phasenwechselmaterial kurzzeitige Temperaturspitzen abgefangen werden. Beispielsweise können die Temperaturspitzen durch kurzzeitig wirkende durch die Bauteile fließende Ströme auftreten. Aufgrund der kompakten Bauweise der Bauteile bzw. deren Größe kann deren thermische Masse so klein sein, dass selbst während einer kurzen Bestromungsdauer die Temperatur stark ansteigt und danach wieder stark abfällt. Durch häufige hochfrequente Temperaturschwankungen kann jedoch die Lebensdauer von elektrischen Komponenten gemindert werden. Beispielsweise können bei einem Schaltungsmodul eines Wechselrichters Risse in einer Bondingstelle (Lötstelle) zu einer Platine entstehen. Ein Phasenwechselmaterial, das in thermischer Verbindung mit den elektrischen Komponenten der elektrischen Schaltung steht, kann die Temperaturschwankungen abmildern bzw. vermindern. Especially with components of power electronics, such as the electrical components of an inverter, short-term temperature peaks can be intercepted with a phase change material. For example, the temperature peaks can occur due to transient currents flowing through the components. Due to the compact design of the components or their size, the thermal mass can be so small that even during a short energizing the temperature rises sharply and then drops sharply again. Frequent high-frequency temperature fluctuations, however, can reduce the life of electrical components. For example, in a circuit module of an inverter cracks in a bonding point (solder joint) can be formed into a circuit board. A phase change material, which is in thermal connection with the electrical components of the electrical circuit, can mitigate or reduce the temperature fluctuations.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Komponente zumindest teilweise in das Phasenwechselmaterial eingebettet. Beispielsweise kann eine elektrische Komponente dann in ein Phasenwechselmaterial eingebettet sein, wenn sie an mehreren Seiten direkt mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt steht. Beispielsweise kann die elektrische Komponente zumindest teilweise in das Phasenwechselmaterial in der flüssigen Phase eingetaucht sein. Auch ist es möglich, dass die elektrische Komponente zumindest teilweise, aber auch möglicherweise vollständig von dem Phasenwechselmaterial umgeben ist und mit dem Phasenwechselmaterial in direktem thermischen Kontakt steht. Ein direkter thermischer Kontakt ist dabei von einem indirekten thermischen Kontakt zu unterscheiden, der durch ein zwischen der elektrischen Komponente und dem Phasenwechselmaterial angeordneten Übertragungskörper hergestellt werden kann. Mit anderen Worten ist bei einem direkten thermischen Kontakt kein Wärmeübertragungskörper zwischen der elektrischen Komponente und dem Phasenwechselmaterial angeordnet.According to one embodiment of the invention, the electrical component is at least partially embedded in the phase change material. For example, an electrical component may then be embedded in a phase change material if it is in direct contact with the phase change material on several sides. For example, the electrical component may be at least partially immersed in the phase change material in the liquid phase. It is also possible that the electrical component is at least partially, but also possibly completely surrounded by the phase change material and is in direct thermal contact with the phase change material. A direct thermal contact is to be distinguished from an indirect thermal contact, which can be produced by a transmission body arranged between the electrical component and the phase change material. In other words, in a direct thermal contact no heat transfer body between the electrical component and the phase change material is arranged.
Dadurch, dass die elektrische Komponente in das Phasenwechselmaterial eingebettet ist, wird das Phasenwechselmaterial ortsnah mit der zu kühlenden Stelle des Schaltungsmoduls, das heißt der elektrischen Komponente, in thermischen Kontakt gebracht. Dadurch kann sich eine besonders effektiver Wärmetransfer zwischen der elektrischen Komponente und dem Phasenwechselmaterial ergeben. Das Zwischenspeichern der elektrischen Wärme aus der elektrischen Komponente kann besonders effizient durchgeführt werden. Auf diese Weise kann die Lebensdauer der Elektronik bzw. der elektronischen Schaltung, insbesondere bei einem Wechselrichter und insbesondere auch bei Leistungselektronik, erhöht werden. Due to the fact that the electrical component is embedded in the phase change material, the phase change material is brought into thermal contact with the location of the circuit module to be cooled, that is the electrical component, in a localized manner. This can result in a particularly effective heat transfer between the electrical component and the phase change material. The buffering of the electrical heat from the electrical component can be carried out particularly efficiently. In this way, the life of the electronics or the electronic circuit, in particular in an inverter and in particular also in power electronics, can be increased.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Komponente vollständig in das Phasenwechselmaterial eingebettet. In diesem Fall kann die elektrische Komponente von allen Seiten vom Phasenwechselmaterial umschlossen sein und kann damit an allen ihren Außenflächen mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt stehen, wodurch sich eine sehr gute Wärmeübertragung zwischen der elektrischen Komponente und dem Phasenwechselmaterial ergibt.According to one embodiment of the invention, the electrical component is completely embedded in the phase change material. In this case, the electrical component may be enclosed on all sides by the phase change material and may thus be in contact with the phase change material on all its outer surfaces, resulting in a very good heat transfer between the electrical component and the phase change material.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Komponente in einem Gehäuse angeordnet, das zumindest teilweise mit dem Phasenwechselmaterial gefüllt ist. Beispielsweise kann sich die gesamte elektrische Schaltung bzw. eine Platine mit der elektrischen Schaltung in dem Gehäuse befinden.According to one embodiment of the invention, the electrical component is arranged in a housing which is at least partially filled with the phase change material. For example, the entire electrical circuit or a circuit board with the electrical circuit can be located in the housing.
An der Unterseite des Gehäuses kann auch der Kühlkörper des Schaltungsmoduls angebracht sein. Damit kann die elektrische Wärme aus der elektrischen Komponente im Phasenwechselmaterial in dem Gehäuse zwischengespeichert werden und von dem Gehäuse zum Kühlkörper übertragen werden. Ein Kühlkörper kann beispielsweise ein Bauelement aus einem gut thermisch leitenden Material, wie etwa Metall, umfassen, das dazu ausgeführt ist, Wärme auf ein weiteres Kühlmedium zu übertragen. Dazu kann der Kühlkörper beispielsweise Kühlrippen umfassen, die von einem Kühlmittel, wie etwa Luft oder Wasser, umströmt werden.At the bottom of the housing and the heat sink of the circuit module can be mounted. Thus, the electrical heat from the electrical component in the phase change material can be temporarily stored in the housing and transmitted from the housing to the heat sink. For example, a heat sink may comprise a device of a good thermal conductivity material, such as metal, configured to transfer heat to another cooling medium. For this purpose, the heat sink, for example, comprise cooling fins, which are flowed around by a coolant, such as air or water.
Beispielsweise ist es möglich, dass das Gehäuse, das mit dem Phasenwechselmaterial gefüllt ist, die elektrische Komponente vollständig umgibt. Mit anderen Worten kann das Gehäuse einen Austausch von Medien in seinem Inneren mit der Umgebung des Gehäuses verhindern. For example, it is possible for the housing, which is filled with the phase change material, to completely surround the electrical component. In other words, the housing can prevent an exchange of media in its interior with the environment of the housing.
Da bei vielen Schaltungsmodulen und insbesondere bei Schaltungsmodulen für einen Wechselrichter für ein Fahrzeug häufig schon ein Gehäuse zum Abschirmen der elektrischen Komponenten des Schaltungsmoduls vorhanden ist, kann durch das zumindest teilweise Füllen des Gehäuses mit einem Phasenwechselmaterial eine herstellungstechnisch einfach umsetzbare Ausführung eines Zwischenspeichers für Wärme bereitgestellt werden.Since in many circuit modules and in particular in circuit modules for an inverter for a vehicle often already a housing for shielding the electrical components of the circuit module is present, by the at least partially filling the housing with a phase change material a manufacturing technology easy to implement execution of a buffer for heat to be provided.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Gehäuse ein Material, das dazu ausgeführt ist, eine Ausdehnung des Phasenwechselmaterials beim Phasenübergang auszugleichen. Beispielsweise kann das Gehäuse eine flexible Membran umfassen oder teilweise mit einem kompressiblen Medium gefüllt sein. Beispielsweise kann in dem Gehäuse ein mit einem Gas gefüllter Freiraum vorhanden sein, wobei das Gas bei einer Ausdehnung des Phasenwechselmaterials im Gehäuse komprimiert wird.According to one embodiment of the invention, the housing comprises a material which is designed to compensate for an expansion of the phase change material during the phase transition. For example, the housing may comprise a flexible membrane or be partially filled with a compressible medium. For example, a space filled with a gas can be present in the housing, the gas being compressed when the phase change material in the housing expands.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Gehäuse wenigstens ein Kapillarloch. Das Kapillarloch kann ein Ausdehnen und ein Schrumpfen des Phasenwechselmaterials durch Luftausgleich aus dem Innenraum des Gehäuses mit der Umgebung ermöglichen, wobei ein Ausfließen von geschmolzenem Phasenwechselmaterial dadurch verhindert wird, dass die Öffnungsgröße des Kapillarlochs so gewählt wird, dass ein Ausfließen aufgrund von Kapillarkräften nicht möglich ist.According to one embodiment of the invention, the housing comprises at least one capillary hole. The capillary hole may allow expansion and shrinkage of the phase change material by balancing the interior of the housing with the environment, thereby preventing outflow of molten phase change material by selecting the opening size of the capillary so that flow out due to capillary forces is not possible ,
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Gehäuse einen mit Phasenmaterial getränkten Schwamm. Ein Schwamm kann dabei ein mechanisch starres bzw. mechanisch flexibles Material sein, das derart viele Kammern umfasst, so dass ein Großteil des von dem Schwamm eingenommenen Raums von Phasenwechselmaterial ausgefüllt ist, wenn dieses in die Kammern des Schwamms aufgesogen ist. Ein Schwamm kann jedes poröses, elastisches und/oder komprimierbares Material umfassen. Ein Schwamm kann verhindern, dass flüssiges Phasenwechselmaterial aus dem Gehäuse ausläuft, da das flüssige Phasenwechselmaterial durch Kapillarkräfte im Gewebe bzw. den Kammern des Schwamms gehalten wird.According to one embodiment of the invention, the housing comprises a phase material-impregnated sponge. A sponge may be a mechanically rigid or mechanically flexible material that comprises so many chambers, so that a large part of the space occupied by the sponge is filled by phase change material when it is absorbed into the chambers of the sponge. A sponge may comprise any porous, elastic and / or compressible material. A sponge can prevent liquid phase change material from leaking out of the housing as the liquid phase change material is held in the tissue or chambers of the sponge by capillary forces.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Phasenwechselmaterial Paraffin. Für die Speicherung und zum Abgeben von latenter Wärme, das heißt Wärme, die in einem Phasenübergang bzw. Phasenwechsel aufgenommen wird, können jedoch auch andere Materialen verwendet werden, wie beispielsweise anorganische Salze oder Salzgemische. Die Auswahl des Paraffins bzw. des Paraffingemisches kann sich nach dem Temperaturniveau richten, das in der elektrischen Komponente bzw. in der elektrischen Schaltung des Schaltungsmoduls als mittlere Temperatur eingestellt werden soll. Eine derartige Temperatur kann beispielsweise 150°C sein.According to one embodiment of the invention, the phase change material comprises paraffin. However, other materials may be used for storage and release of latent heat, that is, heat absorbed in a phase transition, such as inorganic salts or salt mixtures. The selection of the paraffin or the paraffin mixture may depend on the temperature level which is to be set in the electrical component or in the electrical circuit of the circuit module as the average temperature. Such a temperature may be, for example, 150 ° C.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Komponente in eine Leiterplatte bzw. Platine eingebettet, in die Körper aus Phasenwechselmaterial eingearbeitet sind. Beispielsweise können bereits beim Herstellen der Leiterplatte, die beispielsweise aus Kunststoff gegossen wird, Phasenwechselmaterial-Kügelchen, das heißt in Kunststoff gekapseltes Phasenwechselmaterial, eingegossen werden. Insbesondere, wenn derart viele Körper aus Phasenwechselmaterial in der Leiterplatte vorhanden sind, dass die elektrische Komponente an einer Vielzahl von Stellen seiner Oberfläche nahezu direkt von den Körpern aus Phasenwechselmaterial berührt wird, ist die elektrische Komponente in das Phasenwechselmaterial in den Körpern eingebettet.According to one embodiment of the invention, the electrical component is embedded in a printed circuit board or board, are incorporated in the body of phase change material. For example, phase-change material beads, ie phase-change material encapsulated in plastic, can already be cast during the production of the printed circuit board, which is cast, for example, from plastic. In particular, when there are so many bodies of phase change material in the circuit board that the electrical component is touched at a plurality of locations of its surface almost directly from the bodies of phase change material, the electrical component is embedded in the phase change material in the bodies.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Embodiments of the invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die
Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Basically, identical or similar parts are provided with the same reference numerals.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELENDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Wie aus der
In der
Die
Die
Das Gehäuse
Temperaturspitzen an elektronischen Bauteilen
Das in der
Das Gehäuse
In der
Die
Die
Das Phasenwechselmaterial
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.In addition, it should be noted that "encompassing" does not exclude other elements or steps, and "a" or "an" does not exclude a multitude. It should also be appreciated that features or steps described with reference to any of the above embodiments may also be used in combination with other features or steps of other embodiments described above. Reference signs in the claims are not to be considered as limiting.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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