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Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper zur Kühlung eines Leistungsmoduls und ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers zur Kühlung eines Leistungsmoduls. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Komponente mit einem Kühlkörper sowie einen Spannungswandler mit der elektrischen Komponente und einen Antriebsstrang mit einem Spannungswandler.
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Stand der Technik
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Zur Wandlung der elektrischen Energie einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Hochspannungsbatterie oder einer Brennstoffzelle, wird in Fahrzeugen eine Leistungselektronik eingesetzt, insbesondere ein Wechselrichter oder ein Inverter, der die Gleichspannung in eine Wechselspannung wandelt. Hierfür wird beispielsweise die Gleichspannung mittels drei Halbbrücken getaktet geschaltet. So ergibt sich beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung zur Versorgung einer elektrischen Maschine. Diese elektrische Maschine kann für den Antrieb eines Fahrzeugs verwendet werden. Mit zunehmender Leistung der elektrischen Antriebe steigen die Verluste, die bei der Wandlung der Gleichspannung in die Wechselspannung entstehen, insbesondere an den Schaltelementen des Wechselrichters. Zur Kühlung der Schaltelemente werden Kühleinrichtungen verwendet, die mittels eines Fluids zumindest teilweise umflossen sind. Über das Fluid wird die Wärme abgeführt. Mittels neuer Entwicklungen wird die Leistungsdichte der Leistungselektroniken stets erhöht. Für deren Betrieb besteht daher der Bedarf effizienterer Kühleinrichtungen mit einer hohen Kühlleistung bei einem geringen Bauraumbedarf.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Kühlkörper zur Kühlung eines Schaltelements oder Leistungsmoduls bereitgestellt. Der Kühlkörper besteht aus einem ersten Material und umschließt einstückig einen Kern des Kühlkörpers aus einem zweiten Material. Das zweite Material weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material auf.
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Es wird ein Kühlkörper aus einem ersten Material zur Kühlung eines Leistungsmoduls bereitgestellt. Das erste Material ist insbesondere elektrisch isolierend. Zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des gesamten Kühlkörpers umschließt das erste Material des Kühlkörpers einstückig einen Kern des Kühlkörpers aus einem zweiten Material. Das zweite Material ist insbesondere ein hoch wärmeleitfähiges Material und weist somit insbesondere eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material auf. Das zweite Material ist bevorzugt fest. Bevorzugt liegen das umschließende erste Material und das zweite Material an den Berührflächen großflächig aufeinander auf. Zur Ableitung der von dem Kühlkörper aufgenommen Verlustwärme wird der den Kern umschließende Kühlkörper mindestens teilweise, insbesondere an einer ersten Außenflächenseite, von einem Kühlmedium umflossen oder umströmt. Vorteilhaft wird ein Kühlkörper zur Kühlung eines Leistungsmoduls bereitgestellt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind der Kühlkörper aus dem ersten Material und der Kern aus dem zweiten Material mittels eines additiven Verfahrens hergestellt.
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Der Kühlkörper, bestehend aus einem Kühlkörpermantel, aus einem ersten Material und der Kern des Kühlkörpers aus einem zweiten Material sind mittels eines additiven Verfahrens, insbesondere mittels 3D-Druck, Lasersintern oder Ceramic Injection Molding hergestellt. Insbesondere weist der Kühlkörper mindestens teilweise an einer Oberflächenseite des Kühlkörpers Kühlrippen oder eine Pin-Fin-Struktur auf. Diese Oberflächenseite ist insbesonders eine dem zu kühlenden Leistungsmodul oder Schaltelement gegegenüberliegende Seite des Kühlkörpers. Insbesondere wird der Kühlkörper mit dem Kern einstückig hergestellt. Dabei ensteht eine besonders gute thermische Verbindung des ersten und des zweiten Materials zur Optimierung der Wärmeübertragung zwischen erstem und zweitem Material. Vorteilhaft wird somit der mechanische Aufbau vereinfacht und gleichzeitig die Performance des Kühlkörpers verbessert.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Material des Kühlkörpers ein Isolator, insbesondere eine Keramik, und/oder weist das zweite Material des Kerns Graphit oder Kupfer auf.
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Das erste Material des Kühlkörpers ist ein Isolator. Bevorzugt besteht der Isolator aus einer Keramik, beispielsweise AlN, Si3N4, Al2O3. Diese Materialien sind elektrisch isolierend und gegenüber kühlenden Medien stabil. Keramik ist daher als äußeres Material des Kühlkörpers gut geeignet. Bevorzugt weist das zweite Material des Kerns Graphit oder Kupfer auf. Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des zweiten Materials wird der Anteil an Graphit oder Kupfer maximiert oder das zweite Material besteht sogar vollständig daraus. Insbesondere wird das Volumen- bzw. Massenverhältnis des ersten Materials zu dem zweiten Material so gewählt, dass sich eine hohe Wärmeleitfähigkeit des gesamten Kühlkörpers und des Kerns ergibt. Daher wird bevorzugt ein großes Volumen des zweiten Materials im Vergleich zum Volumen des ersten Materials verwendet. Insbesondere umfasst das Volumen des zweiten Materials mindestens ein Drittel des Volumens des ersten Materials. Vorteilhaft werden Materialien für einen Kühlkörper zur Kühlung eines Leistungsmoduls mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit bereitgestellt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Kühlkörper ein elektrisches leitfähiges drittes Material aufgebracht.
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An einer Außenfläche des ersten Materials des Kühlkörpers ist ein elektrisches leitfähiges drittes Material aufgebracht. Dieses dritte Material dient insbesondere der elektrischen Kontaktierung. Insbesondere liegt diese zweite Außenfläche des Kühlkörpers gegenüber der ersten Außenfläche des Kühlkörpers, an der ein Kühlmedium zur Kühlung des Kühlkörpers vorbeifließt. Vorteilhaft wird ein Kühlkörper mit einer mindestens teilweise elektrisch leitfähigen Oberfläche bereitgestellt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das dritte Material Kupfer auf, und ist insbesondere mittels eines additiven Verfahrens aufgebracht, insbesonders mittels Elektronenstrahl-Schmelzen.
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Zur Gewährleistung der elektrischen Leitfähigkeit des dritten Materials weist dieses Kupfer auf oder besteht insbesondere vollständig aus Kupfer. Insbesondere ist auch das dritte Material mittels eines additiven Verfahrens, insbesondere mittels Elektronenstrahl-Schmelzen auf das erste Material aufgebracht. Bevorzugt wird das dritte Material mehrstückig, beispielsweise als Kupferbahnen oder Kupferpads, auf das erste Material aufgebracht. So entstehen voneinander galvanisch getrennte elektrisch leitfähige Bereiche auf einer Außenfläche des Kühlkörpers. Diese können als Anschlusskontakte für unterschiedliche Potenziale einer anzubindenden elektrischen Schaltung oder Komponente dienen. Vorteilhaft wird ein Material für eine elektrisch leitende Kontaktfläche und ein zum Aufbringen der elektrisch leitfähigen Kontaktfläche verwendbares Verfahren bereitgestellt.
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Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Komponente mit einem bisher beschriebenen Kühlkörper. An das dritte Material ist ein Schaltelement aufgebracht.
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Es wird eine elektrische Komponente bereitgestellt, die einen Kühlkörper mit einem mit dem Kühlkörper verbundenen Schaltelement umfasst. Das Schaltelement, beispielsweise ein elektrischer Chip, ein IGBT oder ein Leistungshalbleiterschalter, sind auf das dritte Material aufgebracht. Beispielsweise kann die Aufbringung mittels eines Lötprozesses erfolgen. Ein Leistungshalbleiterschalter kann beispielsweise mittels Löten auf einer Fläche aus dem dritten Material auf dem Kühlkörper aufgebracht. Die einzelnen Anschlüsse des Leistungshalbleiterschalters können über weitere elektrische Kontaktierungen mit weiteren unabhängigen Aufbringungen des dritten Materials, bevorzugt Kontaktpads oder Kontaktbahnen, verbunden sein. Vorteilhaft wird eine elektrische Komponente bereitgestellt die einen einfach aufzubauenden und effizient wirkenden Kühlkörper umfasst.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die elektrische Komponente zur, insbesondere mechanischen, Stabilisierung der Verbindung des Schaltelements und des Kühlkörpers einen isolierenden Kunststoff, der mindestens einseitig auf den Kühlkörper und mindestens teilweise um das Schaltelement, oder das Schaltelement mindestens teilweise bedeckend, aufgebracht ist.
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Für einen mechanischen Schutz und zur Gewährleistung einer langanhaltenden elektrischen Kontaktierung des Schaltelements weist die elektrische Komponente einen isolierenden Kunststoff auf, welcher mindestens einseitig auf dem Kühlkörper aufgebracht ist und mindestens teilweise um das Schaltelement, insbesondere das Schaltelement umschließend, aufgebracht ist. Vorteilhaft wird eine robuste elektrische Komponente, beispielsweise für den Automotive-Einsatz, bereitgestellt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird der isolierende Kunststoff mittels eines additiven Verfahrens aufgebracht, insbesondere mittels Plastic Jet Printing.
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Zur Gewährleistung des einfachen Aufbaus der gesamten elektrischen Komponente wird auch der isolierende Kunststoff mittels eines additiven Verfahrens aufgebracht. Insbesondere eignet sich hierfür das Plastic Jet Printing Verfahren.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Spannungswandler mit einer beschriebenen elektrischen Komponente. Vorteilhaft wird ein Spannungswandler, insbesondere ein Wechselrichter, ein Inverter oder ein Gleichspannungswandler, zur Wandlung beispielsweise einer Hochvoltspannung in eine Niedervoltspannung bereitgestellt. Der Spannungswandler umfasst mindestens eine der bisher beschriebenen elektrischen Komponenten und lässt sich aufgrund der bisher beschriebenen Vorteile mit einer hohen Leistungsdichte und geringem Bauraumbedarf ausgestalten.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einem beschriebenen Spannungswandler. Vorteilhaft wird ein Antriebsstrang bereitgestellt der einen vorteilhaften Spannungswandler und insbesondere eine elektrische Maschine, oder eine Hochvoltbatterie umfasst.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers zur Kühlung eines Leistungsmoduls, wobei der Kühlkörper aus einem ersten Material besteht und einen Kern aus einem zweiten Material aufweist mit dem Verfahrensschritt: Umschließen des Kerns mit dem ersten Material.
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers bereitgestellt. Der Kühlkörper besteht dabei aus einem ersten Material, insbesondere ein elektrisch isolierendes Material. Der Kühlkörper weist einen Kern aus einem zweiten Material, insbesondere ein wärmeleitendes Material auf. Das Herstellungsverfahren umfasst den Schritt: Umschließen des Kerns mit dem ersten Material, insbesondere mittels eines additiven Verfahrens. Insbesondere wird sowohl der Kühlkörper als auch der Kern mittels eines additiven Verfahrens hergestellt wird. Bevorzugt werden die additiven Verfahren während der Herstellung des Kerns zeitgleich ausgeführt, so dass eine gute mechanische Verbindung des ersten und des zweiten Materials entsteht. Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem ein Kern aus einem zweiten Material mit einem Kühlkörper aus einem ersten Material umschlossen wird.
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Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des Kühlkörpers, der elektrischen Komponente des Spannungswandlers und des Antriebsstrangs auf das Verfahren und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Komponente mit einem Kühlkörper
- 2 eine schematische Darstellung eines Spannungswandlers
- 3 eine schematische Darstellung eines Antriebstrangs
- 4 ein schematisch dargestelltes Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers
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Ausführungsform der Erfindung
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Die 1 zeigt eine elektrische Komponente 150. Die elektrische Komponente 150 weist einen Kühlkörper 100 auf. Der Kühlkörper 100 ist aus einem ersten Material gefertigt. Der Kühlkörper 100 umfasst einen Kern 120 aus einem zweiten Material. Der Kühlkörper 100 umschließt mindestens teilweise den Kern 120, insbesondere umschließt der Kühlkörper 100 den Kern 120 vollständig. Das zweite Material des Kerns 120 kann bei teilweise umschlossenen Kern mit der umliegenden Umgebung in Wechselwirkung treten, bei einem vollständig umschlossenen Kern wird die gesamte Oberfläche des Kerns 120 von dem Kühlkörper 100 umschlossen und abgedeckt. Eine direkte Wechselwirkung zwischen dem zweiten Material des Kerns 120 und der Umgebung kann dann nicht erfolgen. Bevorzugt ist die Oberfläche des Kühlkörper 100 mindestens an einer Außenfläche des Kühlkörpers 100 mindestens teilweise mit Kühlrippen oder Pin-Fin-Strukturen 140 ausgestaltet. Dies führt zu einer Vergrößerung der wirksamen Oberfläche und verstärkt die Wärmeübertragung zu einem vorbeiströmenden oder vorbeifließenden Kühlmedium oder Kühlfluid. Bevorzugt füllen Teile des zweiten Materials des Kerns 120 auch einen Teil der Kühlrippen 140 des Kühlkörpers 100 aus. Auf den Kühlkörper 100 ist weiter ein elektrisch leitfähiges drittes Material 130 aufgebracht. Auch das Aufbringen des dritten Materials 130 erfolgt mittels eines additiven Verfahrens. Auf das dritte Material ist weiter ein Schaltelement 160 aufgebracht. Der Kühlkörper 100 dient bevorzugt der Kühlung eines Leistungsmoduls 110, welches in der 1 schematisch aus der Kombination des dritten Materials 130 und des Schaltelementes 160 dargestellt ist. Zur mechanischen Stabilisierung ist ferner ein isolierender Kunststoff 170 mindestens teilweise einseitig auf den Kühlkörper 100 und um das Schaltelement 160, insbesondere auch um das dritte Material 130, insbesondere umschließend, aufgebracht.
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2 zeigt einen schematisch dargestellten Spannungswandler 200, wie er beispielsweise in elektrischen Antriebssträngen oder Fahrzeugen zu Lande, zu Wasser oder in der Luft mit elektrischen Antriebssträngen verwendet wird. Die eingangsseitig anliegende Gleichspannung, die in der 2 mit den Potenzialen T+ und T- gekennzeichnet ist, wird innerhalb des Spannungswandlers 200 mittels einer B6-Brücke in eine dreiphasige Wechselspannung mit den Phasen u, v und w umgewandelt. Die hierzu notwendigen B6-Brücke weist eine Vielzahl an Schaltelementen 160 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel in die elektrischen Komponenten 150 mit einem Kühlkörper 100 integriert sind.
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Die 3 zeigt einen schematisch dargestellten Antriebsstrang 300 eines elektrischen Antriebes. Kernstück des Antriebsstrangs sind der Spannungswandler 200 zur Wandlung der Leistung einer elektrischen Batterie 210 oder einer Brennstoffzelle in eine dreiphasige Spannung zur Versorgung einer elektrischen Maschine 220. In diesem Ausführungsbeispiel treibt die elektrische Maschine 220 Antriebsachsen 240 an, welche wiederum mit Antriebsrädern 230 verbunden sind.
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Die 4 zeigt schematisch dargestellt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers 100 zur Kühlung eines Leistungsmoduls 110. Mit dem Schritt 405 startet das Verfahren. In Schritt 410 wird der Kern 120 des Kühlkörpers 100 mit dem ersten Material umschlossen. Mit Schritt 415 endet das Verfahren.
