DE102015200375B4

DE102015200375B4 - Frequenzumrichter

Info

Publication number: DE102015200375B4
Application number: DE102015200375.2A
Authority: DE
Inventors: Dieter Tanner; Beat Heim
Original assignee: Lenze Swiss AG
Current assignee: Lenze Swiss AG
Priority date: 2015-01-13
Filing date: 2015-01-13
Publication date: 2022-12-08
Anticipated expiration: 2035-01-14
Also published as: DE102015200375A1

Abstract

Frequenzumrichter (1), aufweisend:- mindestens ein wärmeerzeugendes Leistungshalbleiterbauelement (2),- einen einstückig gebildeten Kühlkörper (3), wobei der Kühlkörper (3) aufweist:- einen ersten, U-förmigen Gehäuseabschnitt (4), wobei der erste Gehäuseabschnitt (4) einen nach oben offenen Kühlluftkanal (5) bildet, der durch eine innere Begrenzungswand (10), eine äußere Begrenzungswand (15) und einen Boden (13) begrenzt ist, wobei innerhalb des Kühlluftkanals (5) Kühlrippen (6) vorgesehen sind, und wobei auf einer den Kühlrippen (6) abgewandten Seite des Bodens (13) eine Kontaktfläche (7) zum wärmeleitenden Kontaktieren des Leistungshalbleiterbauelements (2) vorgesehen ist, und- einen zweiten, flächigen Gehäuseabschnitt (8), wobei der zweite Gehäuseabschnitt (8) an eine Oberkante (9) der inneren Begrenzungswand (10) des Kühlluftkanals (5) angeformt ist, und- eine Leiterplatte (11), wobei auf der Leiterplatte (11) das mindestens eine wärmeerzeugende Leistungshalbleiterbauelement (2) und eine Anzahl von Kondensatoren (12) angeordnet sind, wobei der erste Gehäuseabschnitt (4) das Leistungshalbleiterbauelement (2) überdeckt und der zweite Gehäuseabschnitt (8) die Anzahl von Kondensatoren (12) überdeckt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter mit einem Kühlkörper.
Die EP 2 089 962 B1 offenbart einen Frequenzumrichter mit einem Kühlkörper, wobei der Kühlkörper Kühlrippen aufweist. Ein Lüfter ist dazu vorgesehen, Kühlluft über die Kühlrippen zu führen. Der Frequenzumrichter weist weiter eine Leiterplatte auf, wobei auf der Leiterplatte eine Anzahl von Kondensatoren angeordnet ist.
Die US 2010/0202109 A1 zeigt einen Frequenzumrichter mit wärmeerzeugenden Leistungshalbleiterbauelementen und einem zugehörigen Kühlkörper, wobei der Kühlkörper einen Kühlluftkanal aufweist, in dem Kühlrippen vorgesehen sind.
Die DE 10 2004 030 457 A1 zeigt einen Wechselrichter mit einem Gehäuse mit einem Kühlaggregat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumrichter mit einem zuverlässigen Kühlkonzept zur Verfügung zu stellen, der einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Frequenzumrichter nach Anspruch 1.
Der Frequenzumrichter weist mindestens ein wärmeerzeugendes Leistungshalbleiterbauelement auf, beispielsweise in Form eines oder mehrerer insulated-Gate bipolar Transistor(IGBT)-Module.
Der Frequenzumrichter weist weiter einen einstückig gebildeten, insbesondere metallischen, Kühlkörper auf, beispielsweise aus Aluminium.
Der Kühlkörper weist einen ersten, U-förmigen Gehäuseabschnitt bzw. ein erstes, U-förmiges Gehäuseteil auf. Der U-förmige Gehäuseabschnitt bildet aufgrund seiner U-Form einen nach oben (nach einer Seite) offenen, insbesondere in Längsrichtung verlaufenden Kühlluftkanal bzw. ein nach oben offenes Kühlluftführungsmittel. Der Kühlluftkanal wird durch eine innere Begrenzungswand, eine äußere Begrenzungswand und einen Boden begrenzt bzw. gebildet bzw. definiert, wobei die Begrenzungswände und der Boden gemeinsam ein „U“ bilden. Die äußere Begrenzungswand der beiden Begrenzungswände ist diejenige Begrenzungswand, die zumindest teilweise räumlich äußere Grenzen des Frequenzumrichters definiert. Die innere Begrenzungswand liegt der äußeren Begrenzungswand gegenüber.
Innerhalb des Kühlluftkanals, auf dem Boden angeformt sind in Längsrichtung des Kühlluftkanals verlaufende Kühlrippen vorgesehen. Auf einer den Kühlrippen abgewandten Seite des Bodens ist eine Kontaktfläche vorgesehen, die zum wärmeleitenden Kontaktieren des Leistungshalbleiterbauelements ausgebildet ist.
Der Kühlkörper weist weiter einen zweiten, flächigen, insbesondere ebenen, Gehäuseabschnitt bzw. ein zweites, flächiges, insbesondere ebenes, Gehäuseteil auf. Der zweite Gehäuseabschnitt ist an eine Oberkante bzw. einen oberen (maximale Entfernung zum Boden) Rand der inneren Begrenzungswand des Kühlluftkanals angeformt.
Der Frequenzumrichter weist eine oder mehrere Leiterplatten auf, wobei auf der Leiterplatte das mindestens eine wärmeerzeugende Leistungshalbleiterbauelement und eine Anzahl von Kondensatoren (beispielsweise 1 bis 4 Kondensatoren) angeordnet sind. Der erste Gehäuseabschnitt überdeckt das Leistungshalbleiterbauelement derart, dass seine Kontaktfläche mit dem Leistungshalbleiterbauelement wärmeleitend kontaktiert ist. Der zweite Gehäuseabschnitt überdeckt die Anzahl von Kondensatoren. Diese Anordnung ermöglicht eine effiziente Kühlung des Leistungshalbleiterbauelements mittels des ersten Gehäuseabschnitts sowie eine effiziente Kühlung der Kondensatoren bzw. eines Volumens, in dem die Kondensatoren angeordnet sind und das zumindest teilweise von dem zweiten Gehäuseabschnitt begrenzt ist, mittels des zweiten Gehäuseabschnitts.
Der Boden des Kühlluftkanals kann eine Bodenebene definieren bzw. in einer Bodenebene liegen und die Leiterplatte kann eine Leiterplattenebene definieren bzw. in einer Leiterplattenebene liegen. Die Bodenebene kann parallel zu der Leiterplattenebene sein.
Der zweite Gehäuseabschnitt kann eine Deckelebene definieren bzw. in einer Deckelebene liegen, wobei die Bodenebene parallel zu der Deckelebene und der Leiterplattenebene sein kann.
Der zweite Gehäuseabschnitt kann oberflächenvergrößernd strukturiert sein, beispielsweise Kühlrippen aufweisen, wobei die Kühlrippen des zweiten Gehäuseabschnitts und die Kühlrippen des Kühlluftkanals parallel verlaufen können und in derselben Höhe enden können.
Der Frequenzumrichter kann ein Gehäuse aufweisen, wobei das Leistungshalbleiterbauelement, die Leiterplatte und die Kondensatoren innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Eine Anzahl (beispielsweise zwei) von Seitenwänden des Gehäuses kann durch den Kühlkörper gebildet sein, so dass der Kühlkörper eine Doppelfunktion aufweisen kann, nämlich kühlend und gleichzeitig Seitenwand-bildend.
Die innere Begrenzungswand des Kühlluftkanals kann mindestens eine im Kühlluftstrom verlaufende Öffnung aufweisen, durch die im Kühlluftkanal geführte Kühlluft in Richtung der Kondensatoren abgezweigt wird.
Der Frequenzumrichter kann einen Lüfter aufweisen, der dazu ausgebildet ist, Kühlluft durch den Kühlluftkanal zu bewegen. Der Lüfter kann beispielsweise an einem Anfang bzw. einem Ende des Kühlluftkanals angeordnet sein.
Die äußere Begrenzungswand des Kühlluftkanals kann Befestigungselemente, beispielsweise in Form von Gewindebohrungen, Rastelementen, usw., aufweisen, die dazu ausgebildet sind, den Frequenzumrichter lösbar beispielsweise in einem Schaltschrank zu befestigen.
Der Kühlkörper kann beispielsweise ein Alu-Strangguss-Formteil oder ein Alu-Strangpress-Formteil sein.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigen:

1 einen erfindungsgemäßen Kühlkörper eines Frequenzumrichters in perspektivischer Darstellung aus einer ersten Perspektive,
2 den erfindungsgemäßen Kühlkörper in perspektivischer Darstellung aus einer weiteren Perspektive,
3 eine Leiterplatte des Frequenzumrichters in perspektivischer Darstellung,
4 einen Verbund aus dem Kühlkörper und der Leiterplatte in perspektivischer Darstellung und
5 den Frequenzumrichter in perspektivischer Darstellung.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kühlkörper 3 eines Frequenzumrichters 1 (siehe 4 und 5) in perspektivischer Darstellung aus einer ersten Perspektive.
Der Kühlkörper 3 weist einen ersten, U-förmigen Gehäuseabschnitt 4 und einen zweiten im Wesentlichen ebenen Gehäuseabschnitt 8 auf, wobei der zweite Gehäuseabschnitt 8 an den ersten Gehäuseabschnitt 4 angeformt ist. Der Kühlkörper kann beispielsweise ein Alu-Strangguss-Formkörper oder ein Alu-Strangpress-Formkörper sein.
Der erste Gehäuseabschnitt 4 weist einen nach oben offenen Kühlluftkanal 5 auf, der durch eine innere Begrenzungswand 10, eine äußere Begrenzungswand 15 und einen Boden 13 begrenzt ist.
Im Kühlluftkanal 5, auf dem Boden 13 sind Kühlrippen 6 angeformt, die in Längsrichtung des Kühlluftkanals 5 verlaufen.
Auf einer den Kühlrippen 6 abgewandten Seite des Bodens 13 ist eine Kontaktfläche 7 vorgesehen (siehe 2), die dazu ausgebildet ist, mit einem Leistungshalbleiterbauelement 2 (siehe 3) in Form eines IGBT-Moduls wärmeleitend verbunden zu werden.
Der zweite Gehäuseabschnitt 8 ist an einen oberen Rand 9 der inneren Begrenzungswand 10 des Kühlluftkanals 5 angeformt.
Wie in den 3 und 4 dargestellt, weist der Frequenzumrichter 1 eine Leiterplatte 11 auf. Bezugnehmend auf 3 sind auf der Leiterplatte 11 das wärmeerzeugende Leistungshalbleiterbauelement 2 und eine Anzahl von Kondensatoren 12 angeordnet, die beispielsweise als Zwischenkreiskondensatoren dienen können oder andere elektrische Funktionen des Frequenzumrichters 1 erfüllen können. Auf der Leiterplatte 11 sind noch weitere, herkömmliche Bauelemente angeordnet, die für den Betrieb des Frequenzumrichters 1 notwendig sind. Im Übrigen sei hinsichtlich der grundsätzlichen Funktionen des Leistungshalbleiterbauelements 2, der Kondensatoren 12 als auch der weiteren Bauelemente auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Weiter bezugnehmend auf 4 überdeckt der erste Gehäuseabschnitt 4 das Leistungshalbleiterbauelement 2 und der zweite Gehäuseabschnitt 8 überdeckt die Kondensatoren 12.
Der Boden 13 des Kühlluftkanals 5 definiert eine Bodenebene, die Leiterplatte 11 definiert eine Leiterplattenebene und der zweite Gehäuseabschnitt 8 definiert eine Deckelebene, wobei die genannten Ebenen zueinander parallel verlaufen.
Der zweite Gehäuseabschnitt 8 ist mittels kleiner Kühlrippen oberflächenvergrößernd strukturiert, wobei die Kühlrippen 6 des Kühlkanals 5 und die Kühlrippen des zweiten Gehäuseabschnitts 8 oberflächenbündig verlaufen.
Bezugnehmend auf 5 weist der Frequenzumrichter 1 ein Gehäuse auf, wobei das Leistungshalbleiterbauelement 2, die Leiterplatte 11 und die Kondensatoren 12 innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. In der Orientierung gemäß 5 wird eine linke und eine obere Seitenwand des Gehäuses durch den Kühlkörper 3 gebildet.
Bezugnehmend auf 2 weist die innere Begrenzungswand 10 des Kühlluftkanals 5 zwei Öffnungen 14 auf, durch die im Kühlluftkanal 5 geführte Kühlluft in Richtung der Kondensatoren 12 abgezweigt wird.
Bezugnehmend auf 5 weist der Frequenzumrichter 1 einen Lüfter 17 auf, der dazu ausgebildet ist, Kühlluft durch den Kühlluftkanal 5 zu bewegen.
Bezugnehmend auf die 1 und 5 weist die äußere Begrenzungswand 15 des Kühlluftkanals 5 Befestigungselemente 16 auf, die dazu ausgebildet sind, den Frequenzumrichter 1 lösbar zu befestigen, beispielsweise in eine korrespondierende Aufnahmeeinheit einer Anlage einzurasten.

Claims

Frequenzumrichter (1), aufweisend: - mindestens ein wärmeerzeugendes Leistungshalbleiterbauelement (2), - einen einstückig gebildeten Kühlkörper (3), wobei der Kühlkörper (3) aufweist: - einen ersten, U-förmigen Gehäuseabschnitt (4), wobei der erste Gehäuseabschnitt (4) einen nach oben offenen Kühlluftkanal (5) bildet, der durch eine innere Begrenzungswand (10), eine äußere Begrenzungswand (15) und einen Boden (13) begrenzt ist, wobei innerhalb des Kühlluftkanals (5) Kühlrippen (6) vorgesehen sind, und wobei auf einer den Kühlrippen (6) abgewandten Seite des Bodens (13) eine Kontaktfläche (7) zum wärmeleitenden Kontaktieren des Leistungshalbleiterbauelements (2) vorgesehen ist, und - einen zweiten, flächigen Gehäuseabschnitt (8), wobei der zweite Gehäuseabschnitt (8) an eine Oberkante (9) der inneren Begrenzungswand (10) des Kühlluftkanals (5) angeformt ist, und - eine Leiterplatte (11), wobei auf der Leiterplatte (11) das mindestens eine wärmeerzeugende Leistungshalbleiterbauelement (2) und eine Anzahl von Kondensatoren (12) angeordnet sind, wobei der erste Gehäuseabschnitt (4) das Leistungshalbleiterbauelement (2) überdeckt und der zweite Gehäuseabschnitt (8) die Anzahl von Kondensatoren (12) überdeckt.
Frequenzumrichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Boden (13) des Kühlluftkanals (5) eine Bodenebene definiert und - die Leiterplatte (11) eine Leiterplattenebene definiert, wobei die Bodenebene parallel zu der Leiterplattenebene ist.
Frequenzumrichter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der zweite Gehäuseabschnitt (8) eine Deckelebene definiert, wobei die Bodenebene parallel zu der Deckelebene ist.
Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der zweite Gehäuseabschnitt (8) oberflächenvergrößernd strukturiert ist.
Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Frequenzumrichter (1) ein Gehäuse aufweist, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (2), die Leiterplatte (11) und die Kondensatoren (12) innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, wobei eine Anzahl von Seitenwänden des Gehäuses durch den Kühlkörper (3) gebildet ist.
Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die innere Begrenzungswand (10) des Kühlluftkanals (5) mindestens eine Öffnung (14) aufweist, durch die im Kühlluftkanal (5) geführte Kühlluft in Richtung der Kondensatoren (12) abgezweigt wird.
Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, - einen Lüfter (17), der dazu ausgebildet ist, Kühlluft durch den Kühlluftkanal (5) zu drücken oder zu saugen.
Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, - die äußere Begrenzungswand (15) des Kühlluftkanals (5) Befestigungselemente (16) aufweist, die dazu ausgebildet sind, den Frequenzumrichter (1) lösbar zu befestigen.
Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Kühlkörper (3) ein Strangguss-Formteil oder ein Strangpress-Formteil ist.