DE102016218151A1

DE102016218151A1 - Integrierter Elektronikbausatz mit direkter aktiver Kondensatorkühlung über Sammelschienen

Info

Publication number: DE102016218151A1
Application number: DE102016218151.3A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Gramann; Cédric Blaes; Daniel Eckstein
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2018-03-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten Elektronikbausatz (1), mit wenigstens einem auf wenigstens einer Stromsammelschiene (2) aufgebrachten Kondensator (3), wobei die Stromsammelschiene (2) an einem eine Temperatursenke (5) stellenden Kühlbauteil (4) angebunden ist, wobei die Stromsammelschiene (2) unter Zwischenschaltung einer elektrischen Isolationsschicht (6) an dem Kühlbauteil (4) (direkt) befestigt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten Elektronikbausatz, mit wenigstens einem auf wenigstens einer Stromsammelschiene aufgebrachten Kondensator, wobei die Stromsammelschiene an einem eine Temperatursenke stellenden Kühlbauteil angebunden ist.
Aus dem Kraftfahrzeugbereich sind gattungsgemäße Elektronikbausätze, wie bspw. Leistungselektroniken bereits bekannt. In diesem Zusammenhang offenbart etwa die DE 10 2014 215 892 A1 einen Kühldeckel zum gezielten Kühlen von Leistungsendstufenmodulen, eine Leistungselektronik mit dem Kühldeckel und ein Hybridmodul mit einer integrierten Leistungselektronik.
Des Weiteren ist interner Stand der Technik bekannt, der noch nicht veröffentlicht worden ist, jedoch bereits als deutsche Patentanmeldung am 17.12.2015 unter dem Aktenzeichen 10 2015 225 645.6 beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereicht wurde. Hierin ist eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Leistungselektronik mittels eines Kühlmediums offenbart, wobei die Kühlvorrichtung ein Kühlgehäuse, einen Einlass für ein Kühlmedium und einen Auslass für ein Kühlmedium aufweist, wobei das Kühlgehäuse einen ersten Fluidkanal mit einem ersten Teilbereich, einem zweiten Teilbereich und einem dritten Teilbereich aufweist, und wobei die drei Teilbereiche des Kühlgehäuses in Fließrichtung hintereinander angeordnet und miteinander verbunden sind, und der erste Teilbereich eine Querschnittsfläche aufweist, die im Verlauf vom Einlass zum Auslass hin abnimmt.
Bisher erfolgt die Kühlung des Kondensators in Systemen mit hoher Leistungsdichte insbesondere in Systemen mit integrierter Elektronik mit sehr hoher Leistungsdichte, in der Regel durch die Anbindung des Vergusses oder des Gehäuses an eine Stelle mit niedriger Temperatur, wie z.B. das Gehäuse oder eine Kühlplatte. Die Wärmeableitung wird über den Verguss und das Gehäuse geführt. Diese klassische Kühlanbindung des Kondensators ist nur so gut wie die Wärmeleitfähigkeit des Vergusses bzw. des Gehäuses und kommt somit in Systemen mit hoher Leistungsdichte an ihre Grenzen, d.h. der Wärmeeintrag aufgrund der thermischen Randbedingungen kann eine Leistungsreduktion des Systems bedingen. Die eingesetzten Kondensatoren müssen entsprechend größer dimensioniert werden um eine solche thermische Belastung zu verhindern, wodurch der Bauraum vergrößert werden muss.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern, und insbesondere einen Elektronikbausatz vorzusehen, bei dem die Kondensatoren in einen vordefinierten Bauraum integriert werden können, und diese gleichzeitig so kühlen zu können, dass bei gleichem Volumen größere Ströme geführt werden können, ohne dass das System dadurch überfordert wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird bei einem gattungsgemäßen Elektronikbausatz erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Stromsammelschiene unter Zwischenschaltung einer elektrischen Isolationsschicht an dem Kühlbauteil direkt befestigt ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend erläutert.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn die elektrische Isolationsschicht von einer Folie gestellt ist. Eine Folie weist nur einer sehr geringe Dicke auf, so dass diese auf den notwendigen Bauraum quasi keinen Einfluss hat. Darüber hinaus ist eine Folie flexibel und kann den Konturen des Kühlbauteils problemlos angepasst werden.
Eine beispielhafte Ausführungsform sieht vor, dass auf der Stromsammelschiene eine Wärmeleitschiene angeordnet ist, wobei zwischen der Wärmeleitschiene und der Stromsammelschiene eine elektrische Zusatzisolation vorgesehen ist. Aufgrund dieser Zusatzisolation können die Wärmeleitschienen direkt auf dem Kühler angebracht werden. Hierdurch kann eine Verdopplung der Sammelschienen (sog. Busbars) umgesetzt werden, wodurch eine höhere thermische Kapazität erreicht wird und kurzzeitige Spitzenbelastungen können besser abgefangen werden. Somit wird eine höhere Integrationsdichte erzielt.
Die Wärmeleitschiene ist vorteilhafterweise von einer Zusatzschiene mit wenigstens einem Anbringungsfortsatz gestellt, wobei der Anbringungsfortsatz an dem Kühlbauteil befestigt ist.
Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn auf der Stromsammelschiene eine Vielzahl von Kondensatoren entlang der Längsrichtung der Stromsammelschiene befestigt ist. Diese können als Flachwickel, Schichtwickel oder als Rundwickel ausgebildet sein.
Für das Kühlbauteil hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn es als ein Wärmetauscher ausgebildet ist. Somit ist die Isolierung an einer Stelle angebunden, die als Wärmesenke dient, d.h. an der die Temperatur verhältnismäßig niedrig ist.
Hierfür ist es von Vorteil, wenn der Wärmetauscher eine Kontaktfläche zum in Kontakt treten mit der Isolationsschicht und zum Stellen von Befestigungsbereichen für die Stromsammelschiene besitzt.
Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Isolationsschicht maximal halb so dick wie die Dicke der Stromsammelschiene ausgebildet ist, und bspw. zwischen 1 µm und 900 µm dick ist.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn im Wärmetauscher Kühlfluidleitkanäle vorhanden sind. Diese nehmen die entstandene / erzeugte Wärme der Kondensatoren auf und kühlen dadurch den Elektronikbausatz.
Mit anderen Worten besteht die Erfindung darin, dass die Kühlung durch nahezu direkte Anbindung der stromführenden Schienen (Stromsammelschienen) zu dem kühlenden Medium optimiert wird. Hierbei wird der Kondensator so vergossen, dass nach dem Gießprozess die nach außen zeigende Fläche in Richtung des Kühlmediums noch frei zugänglich ist.
Diese wird durch eine elektrisch isolierende Folie (Isolationsschicht) mit einer Dicke im µm-Bereich vollständig bedeckt. Die isolierte Fläche kann dann auf einen Kühler angebunden werden. Dieser Kühler besteht aus einem Werkstoff mit vorzugsweise hohem Wärmeleitwert, wie bspw. Aluminium. Beim Betrieb erwärmen sich die stromführenden Schienen, welche bspw. aus Kupfer bestehen, des Kondensators und geben die Verlustwärme über die dünngehaltene Isolationsschicht an das Kühlaggregat ab. Durch die geringe Dicke der Isolationsschicht wird erreicht, dass der Wärmeübergangswiderstand möglichst klein bleibt. Vorteilhafterweise ist die Fläche des Wärmeübergangs möglichst groß gestaltet. Darüber hinaus können durch eine solche Isolation Vibrationen vorgebeugt werden.
Anders gesagt betrifft die Erfindung das Kühlen von Kondensatoren in integrierten Elektronikbausätzen, welche durch direkte Ableitung der Wärme über sogenannte Hot Spots innerhalb der Kondensatoren an einen Kühlkörper mittels Sammelschienen realisiert ist. Genauer gesagt, sind stromleitende Sammelschienen der Kondensatoren thermisch mit einem Kühlkörper über eine dünne elektrisch isolierende Schicht verbunden, welche zwischen diesen angeordnet ist. Alternativ ist eine elektrische Isolationsschicht auf den stromleitenden Sammelschienen vorgesehen und eine wärmeleitende Schicht zweiter Sammelschienen ist auf dieser elektrisch isolierenden Schicht vorgesehen. Die wärmeleitende Schicht ist (direkt) mit dem Kühlkörper verbunden.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Figuren näher erläutert, in denen unterschiedliche Ausführungsformen dargestellt sind. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines integrierten Elektronikbausatzes; und
2 eine zweite beispielhafte Ausführungsform des Elektronikbausatzes in perspektivischer Ansicht.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch in anderen Ausführungsbeispielen realisiert werden. Sie sind also untereinander austauschbar.
1 zeigt einen integrierten Elektronikbausatz 1, welcher Stromsammelschienen 2 und eine Vielzahl (hier fünf) an Kondensatoren 3 aufweist, die zusammen auch als Kondensatorpaket bezeichnet werden können. Die Stromsammelschienen 2 sind mit einem Kühlbauteil 4, welches eine Temperatursenke 5 stellt, über eine zwischengeschaltete Isolationsschicht 6 verbunden. Hierfür sind an den Stromsammelschienen 2 Befestigungsbereiche 7 vorgesehen, die in einem Winkel von der Stromsammelschiene 2 nach außen abstehen.
Die Kondensatoren 3 können als Rundwickel, Schichtwickel oder als Flachwickel ausgebildet sein. Rundwickel lassen sich bei kleinen Breiten schnell und fest wickeln. Jedoch sind Rundwickel für das Zusammenbauen vieler Wickel auf engem Raum ungünstig. Flachwickel hingegen können einfach zu einem Paket übereinander geschichtet werden und durch ein Stahlband oder durch Isolierpapier zusammengehalten. Jedoch sind für den hierin offenbarten integrierten Elektronikbausatz beide Kondensator-Bauarten denkbar.
Die Isolationsschicht 6 ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel als eine dünne Folie 8 ausgebildet, welche zwischen den Stromsammelschienen 2 und dem Kühlbauteil 4 auf einer Kontaktoberfläche 9 des Kühlbauteils 4 angeordnet ist. Das Kühlbauteil 4 ist in der hier gezeigten Ausführungsform als ein Wärmetauscher 10 ausgebildet, welcher in seiner Längsrichtung verlaufende Kühlfluidleitkanäle 11 (hier einer gezeigt) aufweist. Das durch die Kühlfluidleitkanäle 11 strömende Kühlfluid nimmt die von den Kondensatoren 3 während des Betriebs erzeugte Wärme, die über die Stromsammelschienen 2 und die dünne Isolationsschicht 8 auf das Kühlbauteil 4 übertragen wird, auf, transportiert diese weiter (weg von dem integrierten Elektronikbausatz 1) und kühlt somit den integrierten Elektronikbausatz 1.
Die als Folie 8 ausgebildete Isolationsschicht 6 stellt eine große Fläche für den Wärmeübergang von den Kondensatoren 3 über die Stromsammelschienen 2 zum Kühlkörper 6 bereit und stellt aufgrund ihrer nur sehr geringen Dicke, welche sich im µm-Bereich befindet, nur einen sehr geringen Wärmeübergangswiderstand dar.
Die Stromsammelschienen 2 bestehen vorzugsweise aus einem Material mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit, wie bspw. Kupfer. Die während des Betriebs erzeugte Wärme der Kondensatoren 3 wird über seine Stromsammelschienen 2 und die als Folie 8 ausgebildete Isolationsschicht 6 an das Kühlbauteil 4 abgegeben. Das Kühlbauteil 4 besteht vorzugsweise aus einem Material mit hohem Wärmeleitwert, wie bspw. Aluminium.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform des integrierten Elektronikbausatzes 1. Hierbei ist zusätzlich zu der Isolationsschicht 6 zwischen der Kontaktoberfläche 9 des Kühlbauteils 4 und den Stromsammelschienen 2 auch eine Zusatzisolation 12 auf den Stromsammelschienen 2 aufgebracht / vorgesehen. Auf diese Zusatzisolation 12 folgt wiederum eine zweite Schicht Stromsammelschienen, die als Zusatzschiene 13 in Form einer Wärmeleitschiene 14 ausgebildet sind.
Die Wärmeleitschienen 14 sind über die Zusatzisolation 12 gegenüber den Stromsammelschienen 2 elektrisch isoliert, weshalb sie über Anbindungsfortsätze 15 direkt auf den Kühler 4 angebunden werden können. Die Stromsammelschienen 2 sind wie auch schon in dem ersten Ausführungsbeispiel (siehe 1) über die Befestigungsbereiche 7 unter Zwischenschaltung der Isolationsschicht 6 mit dem Kühlbauteil 4 verbunden bzw. daran befestigt.
Eine solche Anordnung ermöglicht eine Verdopplung der verbauten Stromsammelschienen 2, 14, wodurch eine höhere thermische Kapazität erreicht wird als in der als erstes Ausführungsbeispiel erläuterten Variante des integrierten Elektronikbausatzes 1. Dadurch können kurzzeitige Spitzenbelastungen besser abgefangen werden und die Integrationsdichte kann erhöht werden.
Diese zweite beispielshafte Ausführungsform hat den Vorteil, dass durch die Verdopplung der Sammelschienen (die Stromsammelschienen 2 und die Wärmeleitschiene 14) eine höhere thermische Kapazität erreicht werden kann und kurzzeitige Spitzenbelastungen besser abgefangen werden können. Dadurch lässt sich die Integrationsdichte erhöhen.
Bezugszeichenliste

1: Elektronikbausatz
2: Stromsammelschiene
3: Kondensator
4: Kühlbauteil
5: Temperatursenke
6: Isolationsschicht
7: Befestigungsvorrichtung
8: Folie
9: Kontaktoberfläche
10: Wärmetauscher
11: Kühlfluidleitkanal
12: Zusatzisolation
13: Zusatzschiene
14: Wärmeleitschiene
15: Anbindungsfortsatz
16: Befestigungsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014215892 A1 [0002]
DE 102015225645 [0003]

Claims

Integrierter Elektronikbausatz (1), mit wenigstens einem auf wenigstens einer Stromsammelschiene (2) aufgebrachten Kondensator (3), wobei die Stromsammelschiene (2) an einem eine Temperatursenke (5) stellenden Kühlbauteil (4) angebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsammelschiene (2) unter Zwischenschaltung einer elektrischen Isolationsschicht (6) an dem Kühlbauteil (4) befestigt ist.
Integrierter Elektronikbausatz (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolationsschicht (6) von einer Folie (8) gestellt ist.
Integrierter Elektronikbausatz (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Stromsammelschiene (2) eine Wärmeleitschiene (14) angeordnet ist, wobei zwischen der Wärmeleitschiene (14) und der Stromsammelschiene (2) eine elektrische Zusatzisolation (12) vorgesehen ist.
Integrierter Elektronikbausatz (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitschiene (14) von einer Zusatzschiene (13) mit wenigstens einem Anbringungsfortsatz (15) gestellt ist, wobei der Anbringungsfortsatz (15) an dem Kühlbauteil (14) befestigt ist.
Integrierter Elektronikbausatz (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Stromsammelschiene (2) eine Vielzahl von Kondensatoren (3) entlang der Längsrichtung der Stromsammelschiene (2) befestigt ist.
Integrierter Elektronikbausatz (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlbauteil (4) als ein Wärmetauscher (10) ausgebildet ist.
Integrierter Elektronikbausatz (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) eine Kontaktfläche (9) zum in Kontakt treten mit der Isolationsschicht (6) und zum Stellen von Befestigungsbereichen (16) für die Stromsammelschiene (2) besitzt.
Integrierter Elektronikbausatz (1) gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauscher (10) Kühlfluidleitkanäle (11) vorhanden sind.
Integrierter Elektronikbausatz (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (6) maximal halb so dick wie die Dicke der Stromsammelschiene (2) ausgebildet ist.
Integrierter Elektronikbausatz (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (6) zwischen 1 µm und 900 µm dick ist.