DE102015115145A1

DE102015115145A1 - Converter arrangement with higher integration density

Info

Publication number: DE102015115145A1
Application number: DE102015115145.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Müller
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2035-09-10
Also published as: DE102015115145B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranordnung (1) aufweisend: wenigstens ein Halbleiterleitermodul (2); wenigstens einen elektrischen Kondensator (6, 7, 8); wenigstens einen Kühlkörper (3) mit einer Stift- oder Rippenkühlstruktur (4), wobei der elektrische Kondensator (6, 7, 8) unmittelbar am Kühlkörper (3) befestigt ist.The invention relates to a power converter arrangement (1) comprising: at least one semiconductor conductor module (2); at least one electrical capacitor (6, 7, 8); at least one heat sink (3) with a pin or rib cooling structure (4), wherein the electrical capacitor (6, 7, 8) is attached directly to the heat sink (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranordnung. In bestimmten Schaltungsanwendungen ist es erforderlich, einen oder mehrere Halbleiterbauelemente, die auf ein oder mehrere Leistungshalbleitermodule verteilt sind, an einen Kondensator anzuschließen. Bei einem solchen Kondensator kann es sich beispielsweise um einen Zwischenkreiskondensator einer Stromrichteranordnung handeln. In Umrichtern bzw. Frequenzumrichtern sind neben einem Kühlkörper derartige Zwischenkreiskondensatoren für die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie vorgesehen, um das Leistungshalbleitermodul mit elektrischer Energie zu versorgen und eine geeignete Kühlung während des Betriebs zu gewährleisten.The invention relates to a power converter arrangement. In certain circuit applications, it is necessary to connect one or more semiconductor devices distributed to one or more power semiconductor modules to a capacitor. Such a capacitor may be, for example, an intermediate circuit capacitor of a converter arrangement. In converters or frequency converters, in addition to a heat sink, such intermediate circuit capacitors are provided for the intermediate storage of electrical energy in order to supply the power semiconductor module with electrical energy and to ensure suitable cooling during operation.

Besonders wenn sie für den Betrieb an hohen Spannungen ausgelegt sind und/oder hohe Kapazitäten erfordern, benötigen solche Kondensatoren viel Raumvolumen und sind deshalb außerhalb des Leistungshalbleitermoduls angeordnet und mittels elektrischer Anschlussleitungen an dieses angeschlossen. Die Herstellung einer solchen elektrischen Verbindung erfordert jedoch eine Anzahl von Einzelkomponenten und ist damit aufwändig.Especially if they are designed for operation at high voltages and / or require high capacitances, such capacitors require a lot of space and are therefore arranged outside the power semiconductor module and connected by means of electrical connection lines to this. However, the production of such an electrical connection requires a number of individual components and is therefore expensive.

Bedingt durch die Größe und Lage der Kondensatoren wird hierdurch das Volumen der Stromrichteranordnung vergrößert/bestimmt und die maximale Leistung pro Volumen beschränkt. Zusätzlich ist regelmäßig eine Kühlung vorzusehen, die die Kondensatoren sicher unterhalb der maximalen Betriebstemperatur hält. Die Ausführung dieser Kühlung ist teilweise additiv zur Kühlung der Leistungshalbleitermodule, welche über den Kühler bzw. Kühlkörper erfolgt, vorgesehen.Due to the size and position of the capacitors, the volume of the converter arrangement is thereby increased / determined and limits the maximum power per volume. In addition, cooling must be provided regularly, which keeps the capacitors safely below the maximum operating temperature. The execution of this cooling is partly additive for cooling the power semiconductor modules, which takes place via the cooler or heat sink provided.

Des Weiteren können mechanische Schwingungen auf das System wirken, die zu einer Ermüdung der elektrischen Verbindung zwischen dem Kondensator und dem Halbleitermodul führen und final in einem Systemausfall resultieren. Ursächlich hierfür ist die punktuell angebundene Masse des Kondensators an die entsprechende Leiterplatte.Furthermore, mechanical oscillations may be applied to the system that lead to fatigue in the electrical connection between the capacitor and the semiconductor module and ultimately result in a system failure. The reason for this is the selectively connected mass of the capacitor to the corresponding circuit board.

Die Anbindung der Kondensatoren erfolgt in den meisten Stromrichteranordnungen höherinduktiv, wodurch zusätzliche Komponenten (Snubber-Kondensatoren) zur Verringerung dieser zusätzlich eingebrachten Induktivitäten eingesetzt werden.The connection of the capacitors is highly inductively in most power converter arrangements, whereby additional components (snubber capacitors) are used to reduce these additionally introduced inductances.

Es ist ferner bekannt, einen Kühlkörper als Träger für mehrere Halbleitermodule heranzuziehen, denn aufgrund des regelmäßig als Material für den Kühlkörper verwendeten Metalls, wie Aluminium oder Kupfer, eignet sich der Kühlkörper für eine solche tragende Funktion und weist regelmäßig von Hause aus ein vergleichsweise großes Bauvolumen auf.It is also known to use a heat sink as a carrier for a plurality of semiconductor modules, because due to the metal used regularly as a material for the heat sink, such as aluminum or copper, the heat sink is suitable for such a supporting function and regularly has a comparatively large volume of construction on.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Stromrichteranordnung zu schaffen, die eine vergleichsweise hohe Integrationsdichte aufweist, deren Montageaufwand verringert ist, die störunanfälliger ist und/oder bei der parasitäre Effekte verringert sind.The object of the present invention is to provide a power converter arrangement, which has a comparatively high integration density, the assembly cost is reduced, which is störunanfälliger and / or reduced in the parasitic effects.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stromrichteranordnung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie durch ein Montageverfahren des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers ist Gegenstand eines weiteren nebengeordneten Anspruchs. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.This object is achieved by a power converter arrangement with the features of claim 1 and by an assembly method of the independent claim. An advantageous method for producing a heat sink is the subject of a further independent claim. Further, particularly advantageous embodiments of the invention disclose the dependent claims. It should be noted that the features listed individually in the claims can be combined with each other in any technically meaningful manner and show further embodiments of the invention. The description additionally characterizes and specifies the invention, in particular in connection with the figures.

Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranordnung. Als Stromrichter werden ruhende elektrische Geräte, das heißt ohne bewegliche Teile, aber nicht notwendig stationär – zur Umwandlung einer eingespeisten elektrischen Stromart (Gleichstrom, Wechselstrom) in die jeweils andere, oder zur Änderung charakteristischer Parameter wie der Spannung und der Frequenz verstanden. Die erfindungsgemäße Stromrichteranordnung weist wenigstens ein Halbleiterleitermodul auf, nachfolgend auch kurz Modul genannt. Als erfindungsgemäßes Halbleitermodul wird ein wenigstens ein durch Anschlusselemente kontaktierbares zum Zwecke zur elektrischen Isolation in einem Gehäuse angeordnetes elektrisches Halbleiterbauelement verstanden. Das Gehäuse ist regelmäßig aus einem Kunststoff hergestellt.The invention relates to a power converter arrangement. As power converters are stationary electrical equipment, that is, without moving parts, but not necessarily stationary - to convert an injected electric current (DC, AC) in the other, or to change characteristic parameters such as the voltage and the frequency understood. The converter arrangement according to the invention has at least one semiconductor conductor module, hereinafter also called module for short. The semiconductor module according to the invention is understood to mean at least one electrical semiconductor component that can be contacted by connection elements for the purpose of electrical insulation in a housing. The housing is regularly made of a plastic.

Bevorzugt umfasst das Modul wenigstens ein Halbleiterbauelement ausgewählt aus der Gruppe, welche beinhaltet: ein siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR), Leistungsregler, Leistungstransistor, Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), Leistungsgleichrichter, eine Diode, beispielsweise eine Schottky-Diode, ein J-FET, ein Thyristor, beispielsweise ein Gate-Turn-Off-Thyristor, ein Gate-Communicated-Thyristor, ein TRIAC, ein DIAC ein Fotothyristor oder Kombinationen daraus. Das Halbleiterbauelement an sich ist bevorzugt ein gehäuseloses Halbleiterbauelement, wie ein Halbleiterdie (auch als Halbleiternacktchips bezeichnet) oder Halbleiterchip, ausgeführt, wobei die Halbleiternacktchips oder Halbleiterchips in Form eines Halbleitermaterialblocks bereitgestellt sein können, der aus einem Halbleiter-Wafer hergestellt und aus diesem ausgeschnitten ist, oder in einer anderen Form, die weiteren Verarbeitungsschritten unterzogen wurden.The module preferably comprises at least one semiconductor component selected from the group consisting of: a silicon-controlled rectifier (SCR), power regulator, power transistor, insulated gate bipolar transistor (IGBT), metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), power rectifier, a diode, for example a Schottky Diode, a J-FET, a thyristor, such as a gate turn-off thyristor, a gate-communicated thyristor, a TRIAC, a DIAC, a photothyristor, or combinations thereof. As such, the semiconductor device itself is preferably a package-less semiconductor device, such as a semiconductor die (also referred to as semiconductor die), wherein the semiconductor dies or semiconductor chips may be provided in the form of a semiconductor material block made from and cut out of a semiconductor wafer. or in another form subjected to further processing steps.

Bevorzugt ist das oder sind die Halbleiterbauelemente des Moduls auf einer Hauptseite eines elektrisch isolierenden, thermisch leitenden, ebenfalls bevorzugt zum Modul gehörigen Substrats angeordnet. Das Substrat weist beispielsweise eine Isolations-, dielektrische oder Keramikschicht und eine erste Metallschicht auf seiner ersten Hauptoberfläche und eine zweite Metallschicht, auch Kaschierung genannt, auf seiner zweiten, der ersten gegenüberliegenden Hauptoberfläche auf. Beispielsweise handelt es sich um ein direkt kupfergebondetes(DCB-)Substrate, ein direkt aluminiumgebondetes(DAB-)Substrat und ein aktives Metalllötsubstrat. Die erste Metallschicht bildet beispielsweise Schaltungsstrukturen aus, die beispielsweise in IMS(insulated metall subtrat)-Technik aufgebracht sind. Die zweite Hauptoberfläche des Substrats ist bevorzugt für die thermisch leitende Anordnung an einem Kühlkörper vorgesehen und definiert beispielsweise eine Außenoberfläche des Halbleitermoduls. Preferably, this or the semiconductor components of the module on a main side of an electrically insulating, thermally conductive, also preferably belonging to the module substrate is arranged. The substrate has, for example, an insulation, dielectric or ceramic layer and a first metal layer on its first main surface and a second metal layer, also called lamination, on its second, the first opposing main surface. For example, it is a direct copper bonded (DCB) substrate, a direct aluminum bonded (DAB) substrate and an active metal solder substrate. The first metal layer forms, for example, circuit structures which are applied, for example, in IMS (insulated metal substrate) technology. The second main surface of the substrate is preferably provided for the thermally conductive arrangement on a heat sink and defines, for example, an outer surface of the semiconductor module.

Die erfindungsgemäße Stromrichteranordnung weist wenigstens einen elektrischen Kondensator aus. Der Begriff elektrischer Kondensator ist weit auszulegen und weist im Allgemeinen zwei elektrisch leitfähige Flächen, im Folgenden Elektroden genannt, und ein sogenanntes Dielektrikum aus elektrisch isolierenden Material zwischen den Elektroden auf. Beispielsweise handelt es dabei um einen Aluminium-Elektrolytkondensator. Der Kondensator weist bevorzugt einen Schichtaufbau, bevorzugt einen Folienschichtaufbau auf. Das Dielektrikum ist beispielsweise eine Keramikschicht, eine mit einem keramischen Füllstoff versehene Polymerschicht, wie sie beispielsweise bei der sogenannten IMS-(Insolated Metal Subtrate)-Technologie als Isolatorschicht verwendet wird. Bevorzugt handelt es sich um einen ein oder mehrere Polypropylenfolien als Dielektrikum aufweisenden Folienkondensator.The converter arrangement according to the invention has at least one electrical capacitor. The term electrical capacitor is to be interpreted broadly and generally has two electrically conductive surfaces, hereinafter referred to as electrodes, and a so-called dielectric of electrically insulating material between the electrodes. For example, it is an aluminum electrolytic capacitor. The capacitor preferably has a layer structure, preferably a foil layer structure. The dielectric is, for example, a ceramic layer, a polymer layer provided with a ceramic filler, as used, for example, in the so-called IMS (Insolated Metal Subtrate) technology as insulator layer. It is preferably a one or more polypropylene films as a dielectric film capacitor.

Bevorzugt handelt es sich bei dem Kondensator um einen sogenannten Zwischenkreiskondensator, d. h. um einen elektrischen Kondensator in dem Zwischenkreis von mehreren Stromrichteranordnungen. Seine Aufgabe ist beispielsweise die energetische Verkopplung mehrerer elektrischer Netze miteinander auf einer gemeinsamen Gleichspannungsebene.Preferably, the capacitor is a so-called intermediate circuit capacitor, d. H. around an electrical capacitor in the intermediate circuit of several power converter arrangements. His task is, for example, the energetic coupling of several electrical networks together on a common DC voltage level.

Erfindungsgemäß umfasst die Stromrichteranordnung ferner einen eine Stift- oder Rippenkühlstruktur aufweisenden Kühlkörper. Der Begriff Stift- oder Rippenkühlstruktur ist weit auszulegen und meint eine jegliche strukturelle Maßnahme zur Vergrößerung einer wärmeabgebenden Fläche, damit der Kühlkörper als „Kühler” fungiert und damit der Wärmeabgabe an ein die Stifte oder Rippen umgebendes Medium, wie Luft, dient. Folglich kann diese Struktur regelmäßig und unregelmäßig sein. Beispielsweise handelt es sich um eine Struktur aus parallelen, gleichmäßig beabstandeten Rippen. Der Kühlkörper ist im Wesentlichen aus einem Metall, wie Kupfer, Aluminium, einer metallischen Legierung und/oder einer Keramik.According to the invention, the power converter arrangement further comprises a heat sink having a pin or rib cooling structure. The term pin or fin cooling structure is to be construed broadly and means any structural measure to increase a heat-emitting surface so that the heat sink functions as a "cooler" and thus serves to dissipate heat to a medium surrounding the pins or fins, such as air. Consequently, this structure can be regular and irregular. For example, it is a structure of parallel, evenly spaced ribs. The heat sink is essentially made of a metal, such as copper, aluminum, a metallic alloy and / or a ceramic.

Erfindungsgemäß ist der elektrische Kondensator unmittelbar am Kühlkörper befestigt. Eine unmittelbare Befestigung des elektrischen Kondensators am Kühlkörper im Sinne der Erfindung meint, dass die Befestigung nicht über andere zwingend vorgesehene Komponenten der Stromrichteranordnung, wie das Halbleitermodul erfolgt. Beispielsweise erfolgt die Befestigung durch Befestigungsmittel, wie solche die eine kraftschlüssige oder stoffschlüssige Verbindung zwischen dem elektrischen Kondensator und dem Kühlkörper herstellen, wie eine Klebeschicht. Der Begriff „unmittelbar” soll aber nicht zwingend eine angrenzende Anordnung des elektrischen Kondensators an den Kühlkörper beinhalten, so soll die Anordnung einer elektrischen Isolierschicht, wie eine Kunststoffschicht, bevorzugt einer Polypropylenfolie, zwischen dem Kühlkörper und dem elektrischen Kondensator mit umfasst sein. Bevorzugt ist zwischen dem zwischen dem Kühlkörper und dem elektrischen Kondensator eine elektrische isolierende aber thermisch leitende Schicht vorgesehen, wie eine Keramikschicht.According to the invention, the electrical capacitor is attached directly to the heat sink. An immediate attachment of the electrical capacitor to the heat sink in the context of the invention means that the attachment does not have other mandatory components of the power converter arrangement, such as the semiconductor module. For example, the fastening is effected by fastening means, such as those which produce a frictional or cohesive connection between the electrical capacitor and the heat sink, such as an adhesive layer. However, the term "immediate" should not necessarily include an adjacent arrangement of the electrical capacitor to the heat sink, so should the arrangement of an electrical insulating layer, such as a plastic layer, preferably a polypropylene film, be included between the heat sink and the electric capacitor. Between the heat sink and the electric capacitor, an electrically insulating but thermally conductive layer is preferably provided, such as a ceramic layer.

Durch die unmittelbare Befestigung am Kühlkörper wird die Kombination und Integration zwei bisher getrennter Komponenten erreicht und dementsprechend die Leistungs- und Packungsdichte einer Stromrichteranordnung erhöht. Das Volumen des Kühlerkörpers ändert sich wenn überhaupt nur geringfügig; seine Funktionalität nimmt allerdings zu (Kühlung, Systemstabilität und Speicherung von elektrischer Energie).The direct attachment to the heat sink, the combination and integration of two previously separate components is achieved and, accordingly, increases the power and packaging density of a power converter assembly. The volume of the radiator body changes only slightly, if at all; however, its functionality is increasing (cooling, system stability and storage of electrical energy).

Durch die Integration des elektrischen Kondensators in den Kühlkörper wird ersterer durch das gleiche Kühlsystem wie das Halbleitermodul gekühlt. Ein separater Kühlkörper zur Kühlung des elektrischen Kondensators selbst – wie bisher – muss nicht mehr vorgesehen werden.By integrating the electrical capacitor into the heat sink, the former is cooled by the same cooling system as the semiconductor module. A separate heat sink for cooling the electric capacitor itself - as before - no longer needs to be provided.

Des Weiteren wird gegenüber den bisherigen Lösungen, bei denen der oder die elektrischen Kondensatoren auf der Leiterplatte angeordnet sind, das potentielle Ausfallrisiko minimiert, denn bei der bekannten Stromrichteranordnung besteht die Gefahr, wenn dieser Schwingungen ausgesetzt wird, dass die vergleichsweise große Masse des elektrischen Kondensators zu einer Zug-/Biegebelastung an den Verbindungsstellen (Lötung) und der Leiterplatte selbst. Durch die erfindungsgemäße unmittelbare Befestigung des elektrischen Kondensators an dem Kühlkörper selbst, der häufig die stabile Basis einer Stromrichteranordnung selbst darstellt, können diese beiden Belastungen bzw. Ausfallmechanismen vermieden werden.Furthermore, compared to the previous solutions in which the one or more electrical capacitors are arranged on the circuit board, the potential risk of failure is minimized, because in the known converter arrangement there is the danger, if this vibration is exposed, that the comparatively large mass of the electric capacitor a tensile / bending load at the connection points (soldering) and the circuit board itself. By the inventive direct attachment of the electric capacitor to the heat sink itself, which often represents the stable base of a power converter itself, these two loads or failure mechanisms can be avoided.

Durch die dargestellte Vorgehensweise ist zudem eine Leitungslängen verkürzende und damit vergleichsweise niederinduktive Anbindung des elektrischen Kondensators an das Halbleitermodul bzw. die entsprechende Leiterplatte möglich, was vorteilhaft zu einer Verringerung von parasitären Effekten (Oszillationen während des Schaltbetriebs; Überspannung am Leistungshalbleiter) führt. The illustrated procedure also makes possible a line length shortening and thus comparatively low-inductive connection of the electrical capacitor to the semiconductor module or the corresponding printed circuit board, which advantageously leads to a reduction of parasitic effects (oscillations during switching operation; overvoltage at the power semiconductor).

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der elektrische Kondensator in einem durch den Kühlkörper definierten Außenvolumen wenigstens teilweise, bevorzugt bis auf die zur elektrischen Kontaktierung notwendigen Anschlüsse des elektrischen Kondensators darin aufgenommen; anders ausgedrückt, ist der elektrische Kondensator in den Kühlkörper wenigstens teilweise bevorzugt möglichst ganz integriert.According to a preferred embodiment, the electrical capacitor is accommodated in an outer volume defined by the heat sink at least partially, preferably up to the terminals of the electric capacitor necessary for electrical contacting; In other words, the electrical capacitor is preferably at least partially integrated into the heat sink as completely as possible.

Zur Bewirkung einer effektiven Kühlung des elektrischen Kondensators ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der elektrische Kondensator in einem durch einen Stift oder eine Rippe der Rippenkühlstruktur definierten Volumen wenigstens teilweise aufgenommen, um eine effektive Kühlung des elektrischen Kondensators zu bewirken.In order to effect effective cooling of the electrical capacitor, according to a preferred embodiment, the electrical capacitor is at least partially accommodated in a volume defined by a pin or rib of the fin cooling structure to effect effective cooling of the electrical capacitor.

Die beiden vorgenannten Integrationen werden beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die den elektrischen Kondensator definierende Elektrodenstruktur mit dem Material des Kühlkörpers in einem formgebenden Verfahren umspritzt oder um umgossen wird.The two aforementioned integrations are achieved, for example, by encapsulating or encapsulating the electrode structure defining the electrical capacitor with the material of the heat sink in a molding process.

Gemäß einer bevorzugten, einfach herzustellenden Ausgestaltung ist der elektrische Kondensator wenigstens teilweise in einer Ausnehmung des Kühlkörpers, noch bevorzugter einer Ausnehmung eines Stiftes oder einer Rippe, der Stift- oder Rippenkühlstruktur angeordnet. Beispielsweise ist der elektrische Kondensator formschlüssig in der Ausnehmung aufgenommen.According to a preferred, easily manufactured embodiment, the electrical capacitor is at least partially disposed in a recess of the heat sink, more preferably a recess of a pin or a rib, the pin or rib cooling structure. For example, the electric capacitor is positively received in the recess.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Rippe einen C-förmigen Querschnitt auf. Beispielsweise handelt es sich um ein im Strangguss- oder im Kaltfließpressverfahren hergestelltes Strangprofil aus Aluminium. Der im Innern des C-Profils bereitgestellte Hohlraum dient der Aufnahme des elektrischen Kondensators. Beispielsweise dient einer der endständigen Bögen des C-Profils der Verankerung, bspw. Verpressung, mit einer zum Kühlkörper gehörigen Grundplatte, während der andere Bogen des C-Profils das freie Ende der Rippe definiert und den elektrischen Kondensator vor mechanischen Schäden schützend übergreift.According to a further preferred embodiment, the rib has a C-shaped cross-section. For example, it is an extruded profile made of aluminum in continuous casting or cold extrusion. The provided inside the C-profile cavity serves to receive the electrical capacitor. For example, one of the terminal arches of the C-profile anchoring, for example. Compression, with one belonging to the heatsink base plate, while the other arc of the C-profile defines the free end of the rib and the electrical capacitor overlaps protectively against mechanical damage.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist zwischen dem elektrischen Kondensator und dem Kühlkörper eine Isolierschicht, beispielsweise eine Polypropylenfolie, angeordnet. In einer anderen Ausgestaltung ist die Isolierschicht eine mit einem keramischen Füllstoff versehene Polymerschicht. Eine derartige Schicht ist beispielsweise vorhanden wenn die Elektroden des elektrischen Kondensators in „Insulated Metal Subtrate”-(IMS)-Technik hergestellt wird.According to a further embodiment, an insulating layer, for example a polypropylene film, is arranged between the electric capacitor and the heat sink. In another embodiment, the insulating layer is provided with a ceramic filler polymer layer. Such a layer is present, for example, when the electrodes of the electrical capacitor are manufactured in Insulated Metal Subtrate (IMS) technology.

Die elektrischen Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung des elektrischen Kondensators sind in einer Ausgestaltung außerhalb des Außenvolumens angeordnet, bevorzugt sind sie versetzt zueinander angeordnet, um die Luft- und Kriechstromstrecken zu vergrößern.The electrical connections for electrical contacting of the electrical capacitor are arranged in one embodiment outside of the outer volume, they are preferably arranged offset from one another to increase the air and Kriechstromstrecken.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Stromrichteranordnung sind wenigstens zwei Kühlkörper vorgesehen, wobei das wenigstens eine beidseitig zu kühlende Halbleitermodul zwischen den Kühlkörpern angeordnet ist. Gemäß einer anderen Variante sind zwei Module mit zwischen den Modulen angeordneten elektrischen Anschlusselementen, wie Stromschienen oder Wellenleitern, zwischen den zwei Kühlkörpern angeordnet.According to a preferred embodiment of the power converter arrangement, at least two heat sinks are provided, wherein the at least one semiconductor module to be cooled on both sides is arranged between the heat sinks. According to another variant, two modules with electrical connection elements arranged between the modules, such as busbars or waveguides, are arranged between the two heat sinks.

Gemäß einer bevorzugten, vergleichsweise einfach herzustellenden Variante der Stromrichteranordnung weist der Kühlkörper eine Grundplatte auf und die Rippe oder der Stift ist jeweils kraft-, form- oder stoffschlüssig mit der Grundplatte verbunden, beispielsweise verpresst.According to a preferred, comparatively easy to manufacture variant of the power converter arrangement, the heat sink on a base plate and the rib or the pin is in each case positively, positively or materially connected to the base plate, for example, pressed.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Montage eines Stromrichteranordnung, welches folgende Schritte aufweist: Bereitstellen wenigstens eines Halbleiterleitermoduls; Bereitstellen wenigstens eines Kühlkörpers, wobei an dem Kühlkörper wenigstens ein elektrischer Kondensators befestigt ist. In einem zeitlich nachfolgenden Schritt erfolgt das Befestigen des Halbleitermoduls an dem Kühlkörper samt elektrischem Kondensator. Somit erfolgt in einem einzigen Montageschritt die Befestigung der Komponenten der Stromrichteranordnung aus Modul und Kühlkörper.The invention further relates to a method for assembling a power converter arrangement, which comprises the following steps: providing at least one semiconductor conductor module; Providing at least one heat sink, wherein at least one electrical capacitor is attached to the heat sink. In a temporally subsequent step, the fastening of the semiconductor module to the heat sink with electrical capacitor takes place. Thus, in a single assembly step, the attachment of the components of the power converter assembly of the module and heat sink.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlkörperanordnung mit elektrischem Kondensator. In einem Bereitstellungsschritt wird eine Grundplatte für den Kühlkörper bereitgestellt. In einem weiteren Bereitstellungsschritt wird eine Stift- oder Rippenkühlstruktur bereitgestellt. In einem Einbringungsschritt wird ein elektrischer Kondensator in wenigstens eine Rippe oder einen Stift der Stift- oder Rippenkühlstruktur eingebracht. In einem Befestigungsschritt erfolgt ein kraft-, form- oder stoffschlüssiges Verbinden der Rippen oder der Stifte mit der Grundplatte. Der Befestigungsschritt kann zeitlich vor oder zeitlich nach dem Einbringen des elektrischen Kondensators erfolgen.The invention further relates to a method for producing a heat sink arrangement with an electric capacitor. In a provisioning step, a base plate for the heat sink is provided. In another providing step, a pin or rib cooling structure is provided. In an introduction step, an electrical capacitor is introduced into at least one rib or pin of the pin or fin cooling structure. In a fastening step, a force, form or cohesive joining of the ribs or pins with the base plate takes place. The attachment step may be timed before or after the introduction of the electrical capacitor.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. In diesen Zeichnungen zeigen schematisch: Further features and advantages of the invention will become apparent from the claims and the following description of non-limiting embodiments of the invention, which are explained in more detail below with reference to the drawings. In these drawings show schematically:

1a eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung; 1a a perspective view of an embodiment of the power converter assembly according to the invention;

1b eine Detailschnittansicht der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung aus 1a; 1b a detailed sectional view of the power converter arrangement according to the invention 1a ;

2a eine perspektivische Ansicht des Kühlkörpers der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung aus 1a; 2a a perspective view of the heat sink of the power converter arrangement according to the invention 1a ;

2b eine Detailansicht des Kühlkörpers der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung aus 1a; 2 B a detailed view of the heat sink of the power converter arrangement according to the invention 1a ;

2c eine Schnittansicht durch die elektrischen Anschlüsse des elektrischen Kondensators der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung aus 1a; 2c a sectional view through the electrical connections of the electrical capacitor of the power converter arrangement according to the invention 1a ;

3 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung mit zugehörigen elektrischen Anschlüssen. 3 a perspective view of another embodiment of a power converter assembly according to the invention with associated electrical connections.

In 1a ist eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung 1 gezeigt. Diese umfasst ein Halbleitermodul 2, welches mit seiner den elektrischen Anschlüssen 2a abgewandten und zu kühlenden Seite auf einem Kühlkörper 3 angeordnet ist. Der Kühlkörper 3 weist einen Grundkörper 5 aus Aluminium auf, der eine erste Hauptoberfläche aufweist, die die zuvor erwähnte Anlagefläche für das Halbleitermodul 2 definiert. Auf der dieser Anlagefläche gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers 3 ist eine Rippenstruktur 4 aus gleichmäßig beabstandeten, gleichförmige zueinander parallel verlaufenden Rippen 4 vorgesehen, um eine Wärmeabfuhr mittels des die Rippen 4 umgebenden Mediums, wie Luft, zu realisieren. Die Rippe 4 aus einem Aluminium-Strangprofil ist in eine Ausnehmung des Grundkörpers 5 eingepresst. Die Rippe 4, wie 1b im Detail zeigt, dient nicht nur der Wärmeabfuhr für das Halbleitermodul 2 sondern auch der Aufnahme eines elektrischen Kondensators 6, 7, 8 der in der vorliegenden Stromrichteranordnung 1 als Zwischenkreiskondensator verschaltet ist. Die Aufnahme wird durch eine Ausnehmung in der Rippe 4 bereitgestellt, die sich aufgrund des C-förmigen Profils der Rippe 4 ergibt. Die beiden endständigen Bögen 4a, 4b des C-Profils umgreifen dabei den in der Ausnehmung eingebrachten, elektrischen Kondensator 6, 7, 8. Einer der Bögen 4a bildet den Fuß zur Verankerung in der Grundplatte 5 des Kühlkörpers 3, während der andere Bogen 4b das freie Ende der Kühlrippe 4 definiert. Der in dem durch die Rippe 4 definierten Hohlraum angeordnete, elektrische Kondensator 6, 7, 8 weist einen Folienschichtaufbau mit einer ersten Elektrodenschicht 6 einer zweiten Elektrodenschicht 7 und dazwischen angeordneter Polypropylenfolie 8 als Dielektrikum auf. Zur elektrischen Isolation ist eine zwischen dem elektrischen Kondensator 6, 7, 8 und der Rippe 4 eine Isolationsschicht 9a in Form einer weiteren Polypropylenfolie sowie eine äußere Isolationsschicht 9b ebenfalls in Form noch einer weiteren Polypropylenfolie vorgesehen.In 1a is a schematic view of a power converter arrangement according to the invention 1 shown. This includes a semiconductor module 2 which with its the electrical connections 2a facing away and to be cooled side on a heat sink 3 is arranged. The heat sink 3 has a basic body 5 aluminum, having a first major surface, which is the aforementioned contact surface for the semiconductor module 2 Are defined. On the side of the heat sink opposite this contact surface 3 is a rib structure 4 of uniformly spaced, uniform mutually parallel ribs 4 provided a heat dissipation by means of the ribs 4 surrounding medium, such as air to realize. The rib 4 from an aluminum extruded profile is in a recess of the body 5 pressed. The rib 4 , as 1b shows in detail, not only serves the heat dissipation for the semiconductor module 2 but also the inclusion of an electrical capacitor 6 . 7 . 8th in the present power converter arrangement 1 is interconnected as a DC link capacitor. The picture is taken through a recess in the rib 4 provided due to the C-shaped profile of the rib 4 results. The two terminal arches 4a . 4b of the C-profile encompass thereby introduced in the recess, electric capacitor 6 . 7 . 8th , One of the bows 4a forms the foot for anchoring in the base plate 5 of the heat sink 3 while the other bow 4b the free end of the cooling fin 4 Are defined. The one in the one by the rib 4 defined cavity arranged, electrical capacitor 6 . 7 . 8th has a foil layer construction with a first electrode layer 6 a second electrode layer 7 and interposed polypropylene film 8th as a dielectric. For electrical isolation is a between the electric capacitor 6 . 7 . 8th and the rib 4 an insulation layer 9a in the form of another polypropylene film and an outer insulating layer 9b also provided in the form of another polypropylene film.

Anhand der 2a, 2b und 2c werden die elektrischen Anschlüsse 6a, 7a des elektrischen Kondensators 6, 7, 8 sowie die damit elektrisch leitend verbundenen Leitungen erläutert. In 2a ist der Kühlkörper 3 der Stromrichteranordnung aus 1a in perspektivischer Darstellung gezeigt. Dieser weist, wie zuvor beschrieben einen Grundkörper 5 und mehrere damit wärmeleitend verbundene Rippen 4 auf. In wenigstens einer der Rippen 4, hier eine der äußersten Rippen, ist ein elektrischer Kondensator 6, 7, 8 eingebracht. Zu dessen elektrischen Kontaktierung sind der Anschluss 6a für die erste Elektrode und der Anschluss 7a für die zweite Elektrode im Bereich einer der beiden Stirnseiten der Rippe 4 nach außen geführt und freiliegend angeordnet. Wie anhand der 2b verdeutlicht werden soll, sind diese Anschlüsse 6a, 7a in Richtung der Rippenhöhe versetzt zueinander angeordnet. Die elektrische Kontaktierung der Anschlüsse 6a, 7a erfolgt mittels eine Wellenleiters 10. Dieser Wellenleiter 10 weist einen Schichtaufbau aus zwei äußeren Metallisierungen 12, 13 und einer dazwischen liegenden Isolationsschicht 11 zur elektrischen Isolierung der Metallisierungen 12, 13 auf. Angrenzend an die jeweilige Metallisierung 12, 13 sind die Anschlüsse 6a, 7a angeordnet. Es kann eine Verschraubung oder einer Verpressung zur elektrischen Druckkontaktierung zwischen dem Wellenleiter 10 und dem jeweiligen Anschluss 6a beziehungsweise 7a vorgesehen sein. Anhand der 2c ist zu erkennen, dass der jeweilige Wellenleiter 10, der der elektrischen Kontaktierung des in einer Rippe vorgesehenen, elektrischen Kondensators dient, T-förmig ausgebildet ist und an seinem Ende jeweils eine Anlagefläche aufweist, um damit einen elektrisch leitenden Kontakt mit einer Leiterplatte 14 herzustellen.Based on 2a . 2 B and 2c become the electrical connections 6a . 7a of the electrical capacitor 6 . 7 . 8th and the lines electrically connected thereto explained. In 2a is the heat sink 3 the power converter arrangement 1a shown in perspective. This has, as described above, a main body 5 and a plurality of ribs thermally conductive therewith 4 on. In at least one of the ribs 4 , here one of the outermost ribs, is an electrical capacitor 6 . 7 . 8th brought in. To its electrical contact are the connection 6a for the first electrode and the connection 7a for the second electrode in the region of one of the two end faces of the rib 4 guided to the outside and arranged exposed. As based on the 2 B should be clarified, these are connections 6a . 7a offset from one another in the direction of the rib height. The electrical contacting of the connections 6a . 7a takes place by means of a waveguide 10 , This waveguide 10 has a layer structure of two outer metallizations 12 . 13 and an intervening insulating layer 11 for electrical insulation of the metallizations 12 . 13 on. Adjacent to the respective metallization 12 . 13 are the connections 6a . 7a arranged. It may be a screw or compression for electrical pressure contact between the waveguide 10 and the respective connection 6a respectively 7a be provided. Based on 2c it can be seen that the respective waveguide 10 , which is used for electrical contacting of the provided in a rib, electrical capacitor, T-shaped and has at its end in each case a contact surface, in order to make an electrically conductive contact with a circuit board 14 manufacture.

In 3 ist eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung mit zwei Kühlkörpern 3 und zwei Halbleitermodulen 2 vorgesehen, deren mit elektrischen Anschlüssen versehenen Seiten einander zugewandt mit einer dazwischen liegenden Leiterplatte 14 angeordnet sind. Angrenzend an die zu kühlenden abgewandten Seiten der Module 2 ist jeweils eine Grundplatte 5 des zugeordneten Kühlkörpers 3 angeordnet. In wenigstens einer der Rippen 4 der beiden Kühlkörper 3 ist ein in der 3 nicht näher bezeichneter, weil durch das Material der Rippe 4 verdeckter, elektrischer Kondensator, vorgesehen, dessen elektrischen Anschlüsse 6a, 7a lediglich aus einer der Stirnseiten der Rippen 4 hervorstehen. Diese Anschlüsse 6a, 7a sind jeweils mit einem T-förmigen, ebenfalls auf der Leiterplatte 14 aufsitzenden und mit der Leiterplatte 14 elektrisch leitend verbundenen Wellenleiter 10 elektrisch leitend verbunden, beispielsweise durch eine Schraubkontaktierung. In einer nicht dargestellten, aber einer der in 3 gezeigten ähnlichen Ausgestaltung sind zwei Kühlkörper und lediglich ein zwischen den Kühlkörpern angeordnetes Halbleitermodul vorgesehen, wobei es sich um ein zweiseitig zu kühlendes Halbleitermodul handelt.In 3 is a further embodiment of a power converter arrangement according to the invention with two heat sinks 3 and two semiconductor modules 2 provided, which provided with electrical terminals sides facing each other with an intermediate circuit board 14 are arranged. Adjacent to the opposite sides of the modules to be cooled 2 is each a base plate 5 of the associated heat sink 3 arranged. In at least one of the ribs 4 the two heatsinks 3 is one in the 3 unspecified because of the material of the rib 4 concealed, electrical capacitor, provided, its electrical connections 6a . 7a only from one of the front sides of the ribs 4 protrude. These connections 6a . 7a are each with a T-shaped, also on the circuit board 14 sitting and with the circuit board 14 electrically connected waveguide 10 electrically connected, for example by a screw. In one not shown, but one of in 3 shown similar embodiment, two heat sink and only one arranged between the heat sink semiconductor module are provided, which is a two-sided cooling semiconductor module.

Claims

Converter arrangement ( 1 ) comprising: at least one semiconductor conductor module ( 2 ); at least one electrical capacitor ( 6 . 7 . 8th ); at least one heat sink ( 3 ) with a pin or rib cooling structure ( 4 ), wherein the electrical capacitor ( 6 . 7 . 8th ) directly on the heat sink ( 3 ) is attached.

Converter arrangement ( 1 ) according to claim 1, wherein the electrical capacitor ( 6 . 7 . 8th ) at least partially in one through the heat sink ( 3 ) defined outer volume is added.

Converter arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the electric capacitor ( 6 . 7 . 8th ) at least partially in one by a pin or a rib ( 4 ) of the pin or rib cooling structure defined volume is added.

Converter arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the electric capacitor ( 6 . 7 . 8th ) at least partially in a recess of the heat sink ( 3 ), preferably a recess of the pin or the rib ( 4 ) is arranged.

Converter arrangement ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein the rib ( 4 ) has a C-shaped cross-section.

Converter arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the electric capacitor ( 6 . 7 . 8th ) is a film capacitor.

Converter arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein between the electrical capacitor ( 6 . 7 . 8th ) and the heat sink ( 3 ) an insulating layer ( 9a ), For example, a polypropylene film is arranged.

Converter arrangement ( 1 ) according to any one of the preceding claims, further comprising connections ( 6a . 7a ) for electrically contacting the electrical capacitor ( 6 . 7 . 8th ) are provided, which are arranged offset from one another outside the pin or rib cooling structure.

Converter arrangement ( 1 ) according to the preceding claim, with at least two heat sinks ( 3 ), wherein the at least one, preferably two semiconductor modules ( 2 ), between the heat sinks ( 3 ) are arranged.

Converter arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the heat sink ( 3 ) a base plate ( 5 ) and the rib ( 4 ) or the pin in each case by force, form or material fit with the base plate ( 5 ) connected is.

Method for assembling a converter arrangement ( 1 ) comprising the following steps: providing at least one semiconductor conductor module ( 2 ); Providing at least one heat sink ( 3 ), wherein on the heat sink ( 3 ) at least one electrical capacitor ( 6 . 7 . 8th ) is attached; Temporarily attaching the semiconductor module ( 2 ) on the heat sink ( 3 ).

Method for producing a heat sink arrangement with an electric capacitor ( 6 . 7 . 8th ) comprising the following steps: providing the base plate ( 5 ) for the heat sink ( 3 ); Providing a pin or rib cooling structure ( 4 ) for the heat sink ( 3 ); Inserting an electrical capacitor ( 6 . 7 . 8th ) in at least one rib ( 4 ) or a pin of the pin or rib cooling structure: force, form or materially connecting at least one rib ( 4 ) or a pin with the base plate ( 5 ).