-
Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter und ein Verfahren zur Herstellung eines Frequenzumrichters.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumrichter und ein Verfahren zur Herstellung eines Frequenzumrichters zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Leistungsdichte und eine einfache Fertigbarkeit des Frequenzumrichters ermöglichen.
-
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Frequenzumrichter nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Frequenzumrichters nach Anspruch 9.
-
Hinsichtlich grundlegender Funktionen, Eigenschaften und Bestandteile von Frequenzumrichtern sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
-
Der Frequenzumrichter weist eine erste Leiterplatte auf, auf der ein oder mehrere Leistungshalbleitermodule angeordnet ist/sind, beispielsweise in Form eines oder mehrerer insulatedgate bipolar Transistor(IGBT)-Module. Es versteht sich, dass auf der ersten Leiterplatte weitere Bauelemente angeordnet sein können, wie beispielsweise ein Mikroprozessor oder ein digitaler Signalprozessor, analoge Schaltkreise, Sensoren, usw.
-
Der Frequenzumrichter weist weiter eine zweite Leiterplatte auf, auf der eine Anzahl (beispielsweise 1 bis 20) von Zwischenkreiskondensatoren angeordnet ist. Es versteht sich, dass auf der zweiten Leiterplatte weitere Bauelemente angeordnet sein können, wie beispielsweise Entstördrosseln, Steckverbinder, Widerstände, usw.
-
Die erste Leiterplatte und die zweite Leiterplatte stehen in einem rechten Winkel zueinander. Mit anderen Worten stehen eine erste Ebene, die durch die erste Leiterplatte definiert ist bzw. in der die erste Leiterplatte liegt, und eine zweite Ebene, die durch die zweite Leiterplatte definiert ist bzw. in der die zweite Leiterplatte liegt, in einem rechten Winkel zueinander. Die erste Leiterplatte und die zweite Leiterplatte sind an einer Anzahl von Lötstellen miteinander verlötet. Mittels der Lötstellen können korrespondierende Leiterbahnen der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte elektrisch miteinander verbunden bzw. kontaktiert werden.
-
Der Frequenzumrichter weist weiter einen beispielsweise metallischen Kühlkörper auf. Die erste Leiterplatte und die zweite Leiterplatte sind mechanisch mit dem Kühlkörper, beispielsweise lösbar, gekoppelt. Das oder die Leistungshalbleitermodule sind wärmeleitend mit dem Kühlkörper gekoppelt.
-
Der Kühlkörper kann einen Kühlluftkanal zur Kühlluftführung aufweisen, wobei in dem Kühlluftkanal Kühlrippen oder Kühlfinnen angeordnet sind.
-
Der Frequenzumrichter kann ein elektrisch isolierendes Kunststoffformteil aufweisen, wobei das Kunststoffformteil den Kühlkörper derart umschließt bzw. überdeckt, dass die erste Leiterplatte und die zweite Leiterplatte jeweils in mit dem Kühlkörper verbundenem Zustand elektrisch vom Kühlkörper isoliert sind.
-
Das elektrisch isolierende Kunststoffformteil und der Kühlkörper können korrespondierende Rastelemente zur Bildung einer rastenden Verbindung zwischen Kunststoffformteil und Kühlkörper aufweisen.
-
Die Zwischenkreiskondensatoren können dazu ausgebildet sein, eine aus einer Netzwechselspannung erzeugte Zwischenkreisspannung zu puffern. Das Leistungshalbleitermodul kann eine Anzahl von Brückenzweigen aufweisen, die mit der Zwischenkreisspannung gespeist sind und die zur Erzeugung einer Ansteuerspannung für einen Elektromotor ausgebildet sind. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
-
Auf der ersten Leiterplatte kann ein Gleichrichter, beispielsweise ein Dreiphasengleichrichter, angeordnet sein, wobei der Gleichrichter dazu ausgebildet ist, die Zwischenkreisspannung aus einer, beispielsweise dreiphasigen, Netzwechselspannung zu erzeugen, wobei der Gleichrichter wärmeleitend mit dem Kühlkörper gekoppelt ist.
-
Die erste Leiterplatte kann im Bereich der Lötstellen eine Anzahl von Durchtrittsöffnungen aufweisen. Die zweite Leiterplatte kann im Bereich der Lötstellen 6 eine Anzahl von Zapfen 13 aufweisen, wobei die Zapfen die Durchtrittsöffnungen durchdringen. Auf einer Oberfläche der Zapfen können Leiterbahnen geführt sein, wobei am Rand der Durchtrittsöffnungen korrespondierende Leiterbahnen vorgesehen sind. Beim Verlöten werden die auf der Oberfläche der Zapfen verlaufenden Leiterbahnen mit den korrespondierenden Leiterbahnen am Rand der Durchtrittsöffnungen elektrisch verbunden, so dass Signale (beispielsweise Ströme, Spannungen, Zwischenkreisspannung, usw.) zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte übertragen werden können.
-
Auf der zweiten Leiterplatte kann/können ein oder mehrere Steckverbinder angeordnet sein, wobei der oder die Steckverbinder beispielswiese Anschlusspole (U, V, W, L1, L2, L3) für ein Wechselstromnetz, einen Drehstrommotor, usw. aufweisen kann/können.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines oben genannten Frequenzumrichters. Das Verfahren weist folgende Schritte auf.
-
Die erste Leiterplatte wird mit dem oder den Leistungshalbleitern und weiteren herkömmlichen Bauelementen, soweit diese für den Betrieb des Frequenzumrichters erforderlich sind, bestückt. Nach dem Bestücken wird die erste Leiterplatte herkömmlich einem Lötvorgang unterzogen.
-
Entsprechend wird die zweite Leiterplatte mit den Zwischenkreiskondensatoren und weiteren herkömmlichen Bauelementen, soweit diese für den Betrieb des Frequenzumrichters erforderlich sind, bestückt. Nach dem Bestücken wird die zweite Leiterplatte herkömmlich einem Lötvorgang unterzogen.
-
Die erste und die zweite Leiterplatte können gleichzeitig oder nacheinander bestückt und gelötet werden.
-
Anschließend werden die bestückte und gelötete erste Leiterplatte und die bestückte und gelötete zweite Leiterplatte mit dem Kühlkörper zum Bilden eines mechanischen Verbundes mechanisch gekoppelt, beispielsweise verschraubt. Der Kühlkörper bildet hierbei eine Montageschablone, so dass die erste Leiterplatte und die zweite Leiterplatte nach dem mechanischen Verbinden ordnungsgemäß ausgerichtet und in einem rechten Winkel zueinander stehen.
-
Für den Fall, dass die erste Leiterplatte im Bereich der Lötstellen Durchtrittsöffnungen aufweist und die zweite Leiterplatte im Bereich der Lötstellen korrespondierende Zapfen aufweist, können die Zapfen der zweiten Leiterplatte durch korrespondierende Durchtrittsöffnungen der ersten Leiterplatte durchgesteckt sein, bevor die Leiterplatten beispielsweise mit dem Kühlkörper verschraubt werden.
-
Für den Fall, dass der Frequenzumrichter ein elektrisch isolierendes Kunststoffformteil aufweist, kann zunächst das Kunststoffformteil mit dem Kühlkörper mechanisch gekoppelt werden, wobei anschließen die erste Leiterplatte und die zweite Leiterplatte mit dem Verbund aus Kühlkörper und Kunststoffformteil mechanisch gekoppelt werden.
-
Anschließend wird der mechanische Verbund aus erster Leiterplatte, zweiter Leiterplatte, gegebenenfalls Kunststoffformteil und Kühlkörper derart einem Lötprozess unterzogen, dass die Anzahl von Lötstellen miteinander verlötet ist.
-
Hierzu kann beispielsweise ein Wellenlötverfahren verwendet werden, wobei die Lötstellen geeignet einer Lötwelle ausgesetzt werden.
-
Es können beispielsweise Leiterbahnen auf den Zapfen der zweiten Leiterplatte mit Leiterbahnen der ersten Leiterplatte, die am Rand der Durchtrittsöffnungen enden, miteinander verlötet werden.
-
Erfindungsgemäß weist der Kühlkörper eine Doppelfunktion auf. Zum einen dient er herkömmlich zur Kühlung von wärmeerzeugenden Bauelementen, wie beispielsweise Leistungshalbleitermodulen und Gleichrichtern. Zum anderen dient er zur mechanischen Fixierung und Ausrichtung der ersten und der zweiten Leiterplatte vor einem Lötvorgang, bei dem die beiden Leiterplatten miteinander verlötet werden. Der fertig verlötete Verbund kann dann ohne weitere Nachbearbeitung weiterverarbeitet werden, beispielsweise in ein Gehäuse des Frequenzumrichters eingesetzt werden.
-
Der Kühlkörper kann einen, insbesondere metallischen, Grundkörper mit dem Kühlluftkanal und eine Anzahl von Kühlrippen oder Kühlfinnen aufweisen, wobei die Kühlrippen in dem Kühlluftkanal, insbesondere in Längsrichtung des Kühlluftkanals, angeordnet sind.
-
Der Kühlkörper kann wie folgt hergestellt werden.
-
Die Kühlrippen werden getrennt von dem Grundkörper hergestellt bzw. gefertigt.
-
Die Kühlrippen werden anschließend in ein Gießwerkzeug bzw. in ein hierfür ausgestaltetes Element eines mehrelementigen Gießwerkzeugs eingelegt bzw. eingesetzt, wobei das Gießwerkzeug bzw. dessen geometrische Gestaltung die Form des Grundkörpers definiert.
-
Nach dem Einlegen der Kühlrippen wird Metallschmelze in das Gießwerkzeug, gegebenenfalls unter hohem Druck, eingeleitet, wodurch der Grundkörper erzeugt wird. Gleichzeitig wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und den Kühlrippen hergestellt. Das Gießwerkzeug kann derart ausgestaltet sein, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und den Kühlrippen nur in bestimmten Bereichen der Kühlrippen bewirkt wird, beispielsweise in Bereichen der Kühlrippen, die dem Kühlluftkanal am nächsten liegen.
-
Die Kühlrippen können mittels Strangpressen hergestellt werden. Beispielsweise können aus stranggepressten flachen Endlosprofilen mittels Stanzen die Kühlrippen formgebend vereinzelt werden, wobei mittels geeigneter Stanzwerkzeuge gewünschte Umrisse herstellbar sind.
-
Die Kühlrippen können derart in das Gießwerkzeug eingelegt werden, dass sich die Kühlrippen in einer Längsrichtung des Kühlkanals erstrecken.
-
Die Kühlrippen können parallel zueinander und hochkant in das Gießwerkzeug eingelegt werden, wobei ein Abstand zwischen benachbarten Kühlrippen in einem Bereich zwischen 3 mm und 7 mm liegt. Der Abstand kann genau 5 mm betragen.
-
Die Kühlrippen können eine Dicke in einem Bereich zwischen 1 mm und 1,4 mm aufweisen. Die Dicke kann genau 1,2 mm betragen.
-
Die Kühlrippen können eine (maximale) Höhe in einem Bereich zwischen 40 mm und 60 mm aufweisen, wobei die Kühlrippen ein Höhenprofil aufweisen können.
-
Die Kühlrippen können eine Länge in einem Bereich zwischen 160 mm und 200 mm aufweisen. Die Länge kann genau 180 mm betragen.
-
Die Anzahl der Kühlrippen kann in einem Bereich zwischen 8 und 12 liegen.
-
Das Werkzeug kann derart ausgebildet sein, dass der Grundkörper eine Kontaktfläche aufweist, die zur wärmeleitenden Kopplung mit einem Leistungshalbleiterbauelement des Frequenzumrichters vorgesehen ist.
-
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigen:
-
1 einen Frequenzumrichter in perspektivischer Darstellung,
-
2 eine erste Leiterplatte, eine zweite Leiterplatte, einen Kühlkörper und ein Kunststoffformteil des in 1 gezeigten Frequenzumrichters in perspektivischer Darstellung,
-
3 einen mechanischen Verbund aus der ersten Leiterplatte, der zweiten Leiterplatte, dem Kunststoffformteil und dem Kühlkörper von 2 in perspektivischer Darstellung,
-
4 die in den 2 bis 4 gezeigte erste Leiterplatte in einer Draufsicht,
-
5 den Kühlkörper aus einer weiteren Perspektive und
-
6 ein Gießwerkzeug zur Herstellung des Kühlkörpers.
-
1 zeigt einen Frequenzumrichter 1 in perspektivischer Darstellung. Der Frequenzumrichter 1 dient herkömmlich zur Ansteuerung eines nicht dargestellten Drehstrom-Elektromotors.
-
Wie in 1 dargestellt, weist der Frequenzumrichter 1 einen Steckverbinder 10 auf, mittels dem er herkömmlich an ein Drehstromnetz angeschlossen werden kann. Der Steckverbinder 10 kann weitere, typische Anschlusspole aufweisen. Zum Anschließen des Drehstrom-Elektromotors weist der Frequenzumrichter 1 auf einer gegenüberliegenden Seite einen weiteren Steckverbinder 15 auf (siehe 2).
-
Ein Lüfter 14 des Frequenzumrichters 1 ist dazu ausgebildet, einen Kühlluftstrom über Kühlrippen 8 eines Kühlkörpers 7 (siehe 2) zu führen, wobei ein Teil des Kühlluftstrom ins Innere des Frequenzumrichters 1 geführt wird, um Wärme aus dem Inneren des Frequenzumrichters 1 abzuführen.
-
2 zeigt eine erste Leiterplatte 2, eine zweite Leiterplatte 4, den Kühlkörper 7 und ein Kunststoffformteil 9 des in 1 gezeigten Frequenzumrichters 1 in perspektivischer Darstellung (Explosionsdarstellung).
-
Bezugnehmend auf 4 sind auf der ersten Leiterplatte 2, neben weiteren Bauelementen, ein Leistungshalbleitermodul 3 und ein Dreiphasengleichrichter 11 angeordnet. Weiter weist die erste Leiterplatte 2 mehrere Durchtrittsöffnungen 12 auf, die von elektrischen Kontaktstellen umgeben sind.
-
Das Leistungshalbleitermodul 3 weist eine Anzahl (beispielsweise 3) von Brückenzweigen auf, die mit einer Zwischenkreisspannung gespeist sind und die herkömmlich zur Erzeugung einer Ansteuerspannung für den Elektromotor ausgebildet sind.
-
Der Dreiphasengleichrichter 11 ist dazu ausgebildet, die Zwischenkreisspannung aus den Spannungen des Drehstromnetzes zu erzeugen. Das Leistungshalbleitermodul 3 ist mit einer zugehörigen Kontaktfläche 16 (siehe 2) des Kühlkörpers 7 wärmeleitend verbunden. Entsprechend ist der Dreiphasengleichrichter 11 mit einer zugehörigen Kontaktfläche 17 (siehe 2) des Kühlkörpers 7 wärmeleitend verbunden.
-
Bezugnehmend auf die 2 und 3 sind auf der zweiten Leiterplatte 4, neben weiteren Bauelementen, eine Anzahl von Zwischenkreiskondensatoren 5 und die Steckverbinder 10 und 15 angeordnet.
-
Die Zwischenkreiskondensatoren 5 sind herkömmlich dazu ausgebildet, die Zwischenkreisspannung zu puffern.
-
Der in 3 dargestellte mechanische (und in Teilen auch elektrische) Verbund aus der ersten Leiterplatte 2, der zweiten Leiterplatte 4, dem Kunststoffformteil 9 und dem Kühlkörper 7 wird wie folgt beschrieben hergestellt.
-
Zunächst werden die erste und die zweite Leiterplatte 2 und 4 herkömmlich mit zugehörigen Bauelementen bestückt. Nach dem Bestücken werden die erste und die zweite Leiterplatte 2 und 4 getrennt voneinander herkömmlich gelötet.
-
Anschließend wird das Kunststoffformteil 9 mechanisch mit dem Kühlkörper 7 verbunden, beispielsweise indem es auf den Kühlkörper 7 aufgerastet wird.
-
Nun werden die die erste Leiterplatte 2 und die zweite Leiterplatte 4 mit dem Kühlkörper 7 verschraubt, wobei zuvor Zapfen 13 (siehe 2) der zweiten Leiterplatte 4 durch korrespondierende der Durchtrittsöffnungen 12 der ersten Leiterplatte 2 gesteckt werden. Nach dem Verschrauben mit dem Kühlkörper 7 stehen die erste Leiterplatte 2 und die zweite Leiterplatte 4 in einem rechten Winkel zueinander.
-
Schließlich wird der mechanische Verbund aus erster Leiterplatte 2, zweiter Leiterplatte 4, Kunststoffformkörper 9 und Kühlkörper 7 einem Wellenlötprozess unterzogen, so dass im Bereich der Durchtrittsöffnungen 12 Lötverbindungen 6 zwischen der ersten Leiterplatte 2 und der zweiten Leiterplatte gebildet werden. Hierzu wird beispielsweise die in 3 sichtbare Seite der ersten Leiterplatte 2 mit der Lötwelle beaufschlagt.
-
Der derart hergestellte Verbund kann anschließend mit Gehäuseteilen ergänzt werden bzw. in ein Gehäuse eingesetzt werden, wobei Teile des Kühlkörpers 7 eine äußere Begrenzung bilden.
-
Erfindungsgemäß weist der Kühlkörper 7 eine Doppelfunktion auf. Zum einen dient er herkömmlich zur Kühlung von wärmeerzeugenden Bauelementen, wie beispielsweise einem Leistungshalbleitermodul 3 und einem Gleichrichter 11. Zum anderen dient er zur mechanischen Fixierung und Ausrichtung der ersten und der zweiten Leiterplatte 2 und 4 vor einem Lötvorgang, bei dem die beiden Leiterplatten 2 und 4 miteinander verlötet werden. Der fertig verlötete Verbund kann dann ohne weitere Nachbearbeitung weiterverarbeitet werden, beispielsweise in ein Gehäuse des Frequenzumrichters 1 eingesetzt werden.
-
Mittels des erfindungsgemäßen Montage-, Kühl und Lötkonzepts lässt kann ein Frequenzumrichter und ein Verfahren zur Herstellung eines Frequenzumrichters zur Verfügung gestellt werden, die eine hohe Leistungsdichte und eine einfache Fertigbarkeit des Frequenzumrichters ermöglichen.
-
5 zeigt den Kühlkörper 7 aus einer weiteren Perspektive.
-
Der Kühlkörper 7 weist einen Grundkörper 7a mit einem Kühlluftkanal 18 auf. Der Kühlkörper 7 weist weiter eine Anzahl von elf Kühlrippen 8 auf, wobei die Kühlrippen 8 in dem Kühlluftkanal 18 in Längsrichtung, parallel zueinander, äquidistant angeordnet sind. Die Kühlrippen 8 sind mit einer Oberfläche des Kühlluftkanals 18 stoffschlüssig verbunden.
-
Die Kühlrippen 8 sind mittels Alu-Strangpressen hergestellt und der Grundkörper 7a ist mittels eines Alu-Gießverfahrens hergestellt, wobei während des Gießens eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Kühlrippen 8 und dem Grundkörper 7a bewirkt wird, indem die Kühlrippen 8 teilweise umgossen werden.
-
Hierzu werden die Kühlrippen 8 derart parallel zueinander in ein Gießwerkzeug 19 (siehe 6) eingelegt, dass diese sich in einer Längsrichtung des Kühlkanals 18 erstrecken, wobei ein Abstand zwischen benachbarten Kühlrippen 8 ca. 5 mm beträgt. Die Kühlrippen 8 weisen jeweils eine Dicke D von ca. 1,24 mm und jeweils eine maximale Höhe H von 50 mm auf. Die Kühlrippen 8 sind an ihrer dem Grundkörper 7a zugewandten Seite in Längsrichtung profiliert.
-
Beim Gießen ergibt sich aufgrund der Ausgestaltung des Gießwerkzeugs 19 eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Kühlrippen 8 und dem entstehenden Grundkörper 7a.
-
Der erfindungsgemäße Kühlkörper 7 weist mit seinen Kühlrippen 8, die fein strukturiert und eng benachbart angeordnet sind, eine hohe Kühlleistung auf, wodurch hohe Leistungsdichten möglich sind. Derart fein strukturierte und eng benachbart angeordnete Kühlrippen 8 sind mittels eines herkömmlichen Gießverfahrens jedoch nicht herstellbar. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ermöglicht es, den Grundkörper 7a in einfacher Weise und kostengünstig mittels Gießen herzustellen, wobei durch das Vorfertigen der Kühlrippen 8 und das Einsetzen der Kühlrippen 8 in das Gießwerkzeug die erforderliche Strukturierung erreicht werden kann. Durch die erfindungsgemäße Kombination von zwei Herstellungsverfahren kann ein optimaler Kompromiss zwischen Kühlleistung einerseits und Herstellungskosten andererseits erzielt werden.
