DE102016223889A1

DE102016223889A1 - Stapelbares Elektronikmodul, Wechselrichter und Kraftfahrzeugantriebsstrang

Info

Publication number: DE102016223889A1
Application number: DE102016223889.2A
Authority: DE
Inventors: Julia Sonntag; Michael Kohr; Gerhard Müller
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2018-06-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektronikmodul zumindest aufweisend ein Elektronikbauteil (1), einen Kühlkörper (2) auf dem das Elektronikbauteil (1) angeordnet ist und der zumindest eine Kühlfläche (3) aufweist, an dem ein Kühlmedium zur Wärmeabfuhr vorbeiströmbar ist, ein Gehäuse (4), das mit dem Kühlkörper (2) fest verbunden ist und das seitlich (S) zur Kühlfläche (3) einen Abschluss für das Kühlmedium bildet. Hierbei ist das Gehäuse (4) in Richtung oberhalb (O) und unterhalb (U) der Kühlfläche (3) dazu ausgebildet, mit jeweils einem weiteren Modul, insbesondere einem Gehäusemodul oder einem gleichartigen oder identischen Elektronikmodul, gestapelt zu werden. Außerdem weist das Gehäuse (4) zumindest einen Durchgang (8) für das Kühlmedium auf zum Leiten des Kühlmediums an der Kühlfläche (3) vorbei und zu den mit dem Elektronikmodul in Richtung oberhalb (O) und unterhalb (U) der Kühlfläche (3) gestapelten weiteren Modulen. Die Erfindung betrifft auch einen Wechselrichter mit einem solchen Elektronikmodul sowie einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einem solchen Wechselrichter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronikmodul mit einem Elektronikbauteil sowie einem Kühlkörper auf dem das Elektronikbauteil angeordnet ist und der eine Kühlfläche aufweist, an dem ein Kühlmedium zur Wärmeabfuhr vorbeiströmen kann. Das Elektronikmodul weist ein Gehäuse auf, das mit dem Kühlkörper fest verbunden ist und das einen Abschluss für das Kühlmedium bildet.
Die Erfindung betrifft auch einen Wechselrichter, der solche Module aufweist, und sie betrifft einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer E-Maschine als Traktionsantrieb mit einem solchen Wechselrichter.
Es sind stapelbare Elektronikmodule bekannt, die jeweils an eine externe Kühlplatte angeordnet werden. Es sind auch übereinander anordbare Elektronikmodule bekannt, die zusammen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Aus solchen Modulen kann ein Wechselrichter aufgebaut werden, der beispielsweise zur elektrischen Bestromung einer E-Maschine eines Kraftfahrzeugs einsetzbar ist.
Aus der EP 2 019 429 A1 ist ein Modul für eine Leistungselektronik bekannt, das eine Entwärmung über zwei gegenüberliegende Kühlflächen des Moduls ermöglicht. Das Modul selbst weist kein eigenes kühlmittelführendes Gehäuse auf. Somit wird ein extra Gehäuse benötigt, welches ein Kühlmedium an den Kühlflächen vorbeiführt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die in den Hauptansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen hiervon sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Demnach wird ein Elektronikmodul vorgeschlagen, ein Wechselrichter sowie ein Kraftfahrzeugantriebsstrang.
Das vorgeschlagene Elektronikmodul weist zumindest ein im Betrieb Wärme abgebendes Elektronikbauteil auf. Dies kann insbesondere ein Leistungselektronikbauteil sein, wie insbesondere ein Leistungshalbleiter, wie beispielsweise ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). Das Elektronikmodul weist außerdem einen Kühlkörper auf, auf dem das Elektronikbauteil angeordnet ist. Der Kühlkörper verfügt über zumindest eine Kühlfläche, an dem ein Kühlmedium zur Wärmeabfuhr vom Elektronikbauteil vorbeiströmbar ist. Das Kühlmedium kann insbesondere eine Kühlflüssigkeit sein. Die Kühlfläche verfügt bevorzugt über eine Kühlstruktur, also eine speziell zur Kühlung ausgeführte Oberflächenstruktur. Die Kühlfläche kann daher insbesondere über so genannte Pin-Fins oder Kühlrippen oder eine vergleichbare Oberflächenstruktur zur Kühlung verfügen.
Des Weiteren ist ein Gehäuse vorgesehen, das mit dem Kühlkörper fest verbunden ist. Das Gehäuse kann dabei insbesondere einstückig mit dem Kühlkörper ausgeführt sein, oder das Gehäuse kann kraft-, stoff- oder formschlüssig mit dem Kühlkörper verbunden sein. Das Gehäuse bildet seitlich zu der Kühlfläche einen Abschluss für das Kühlmedium. In Richtung seitlich der Kühlfläche ist das Gehäuse somit dicht ausgeführt, sodass das Kühlmedium dort nicht unkontrolliert oder ungewollt aus dem Gehäuse in die Umgebung austreten kann. Es können optional allerdings gezielte Zu- und Ableitungen von Kühlmedium seitlich des Gehäuse vorgesehen sein, um Kühlmedium von dort dem Gehäuse gezielt zu- oder abzuführen. Das Gehäuse bildet also seitlich zu der Kühlfläche einen Abschluss für das Kühlmedium, damit dieses nicht unkontrolliert oder ungewollt aus dem Gehäuse austreten kann.
Das Gehäuse ist in Richtung oberhalb und unterhalb der Kühlfläche dazu ausgebildet, mit jeweils zumindest einem weiteren Modul gestapelt zu werden. Sowohl auf, als auch unterhalb des Elektronikmoduls können also weitere Module angebracht werden, um einen Modulstapel zu bilden.
Außerdem weist das Gehäuse zumindest einen Durchgang für das Kühlmedium auf. Dieser ist zum Leiten des Kühlmediums an der Kühlfläche vorbei und zu den mit dem Elektronikmodul in Richtung oberhalb und unterhalb der Kühlfläche gestapelten weiteren Modulen ausgeführt. Mit anderen Worten dient der Durchgang also zum Durchleiten des Kühlmediums durch das Elektronikmodul hindurch und an der Kühlfläche vorbei.
Der Durchgang führt insbesondere von einem Bereich oberhalb der Kühlfläche zu einem Bereich unterhalb der Kühlfläche. Somit kann von einem oberhalb der Kühlfläche auf das Elektronikmodul gestapelten Modul das Kühlmedium aufgenommen werden und zu einem unterhalb der Kühlfläche auf das Elektronikmodul gestapelten weiteren Modul weitergeleitet werden. Dabei streicht das Kühlmedium an der Kühlfläche vorbei und nimmt Wärme hiervon auf.
Durch diese Maßnahmen kann auf das Elektronikmodul oberhalb und unterhalb jeweils ein weiteres Modul aufgesetzt werden. Das Kühlmedium wird mittels des Durchgangs in axialer Richtung durch den Modulstapel hindurchgeführt. Seitlich zu der Kühlfläche ist der Modulstapel mit dem Elektronikmodul für das Kühlmedium dicht, sodass dort kein ungewollter Austritt von Kühlmedium in eine Umgebung stattfinden kann.
Damit auf das Elektronikmodul weitere Module gestapelt werden können, ist das Gehäuse entsprechend ausgeführt. Insbesondere verfügt das Gehäuse in Richtung oberhalb und unterhalb der Kühlfläche (= in axialer Richtung) über entsprechende Schnittstellen, wie insbesondere miteinander korrespondierende Dichtflächen, Nuten, Federn (für eine Nut-Feder-Verbindung) oder Sicken. Dadurch ist es möglich, dass auf das Elektronikmodul ein identisches oder gleichartiges Elektronikmodul gestapelt werden kann. Es können auf das Elektronikmodul jedoch auch kompatible Gehäusemodule oder vielfältig andere Module aufgesetzt werden. Gehäusemodule verfügen dabei selbst über keine Elektronikkomponenten und dienen beispielsweise nur zur Verlängerung des Modulstapels oder zur gezielten Strömungsführung des Kühlmediums oder zum Zu- oder Abführen von Kühlmedium oder zur Aufhängung/Lagerung des Stapels.
Durch diese Maßnahmen wird ein flexibles Elektronikmodul bereitgestellt, das um beliebig viele weitere Module, insbesondere identische oder gleichartige Elektronikmodule, erweiterbar ist. Gleichzeitig wird für einen damit geschaffenen Modulstapel kein separates Gehäuse benötigt. Mit anderen Worten ergeben die vorgeschlagenen Maßnahmen eine Stapelbarkeit des Elektronikmoduls in axialer Richtung (in Richtung oberhalb und unterhalb der Kühlfläche) und eine seitliche Dichtigkeit für das Kühlmedium (seitlich zur Kühlfläche).
Den oberen und den unteren Abschluss eines Modulstapels können insbesondere Gehäusemodule bilden, deren Oberseite bzw. Unterseite im Wesentlichen abgeschlossen sind. So ein Gehäusemodul kann eine Abschlussplatte bilden, die auf ein axiales Ende des Stapels wie ein normales Modul aufgesetzt wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Elektronikmodul ein oder mehrere Elektronikbauteile zur Bildung eines Wechselrichters aufweist. Mittels eines Wechselrichters kann ein Gleichstrom in einen Wechselstrom umgewandelt werden und/oder umgekehrt. Ein besonders bevorzugtes Elektronikmodul weist daher Leistungselektronikbauteile auf, die eine elektrische Halbbrücke bilden. Dann weist das Elektronikmodul insbesondere einen ersten (Highside-)Leistungshalbleiter und einen zweiten (Lowside-)Leistungshalbleiter auf, insbesondere je ein IGBT oder MOSFET. Aus mehreren identischen oder vergleichbaren Elektronikmodulen kann dann beispielsweise eine elektrische Vollbrücke gebildet werden. Beispielsweise kann mit drei solcher Elektronikmodule, die dann bevorzugt direkt aufeinander gestapelt sind, ein B6-Wechselrichter gebildet werden.
Die Kühlfläche kann so innerhalb des Gehäuses angeordnet sein, dass diese senkrecht zur Stapelrichtung (= axiale Richtung eines Elektronikmoduls) liegt, also senkrecht zu der Richtung, in der die Module aufeinander gestapelt werden. Somit liegen die Kühlflächen von aufeinander gestapelten, identischen Elektronikmodulen stets parallel zueinander. Alternativ dazu kann die Kühlfläche jedoch auch zur Stapelrichtung geneigt sein. Hierdurch kann sich eine verbesserte Durchströmung von Kühlmedium ergeben.
Das Gehäuse kann insbesondere rahmenförmig sein. Innerhalb des Rahmens ist dann der Kühlkörper mit dem Elektronikbauteil und dem Durchgang für das Kühlmedium vorgesehen. Der Durchgang kann insbesondere durch einen oder mehrere Durchbrüche im Rahmen in axialer Richtung gebildet werden. Der Rahmen ist so ausgebildet, dass weitere, damit korrespondierende Module oberhalb und unterhalb daran angefügt/gestapelt werden können. Diese Module weisen dann dementsprechend bevorzugt ebenfalls ein rahmenförmiges Gehäuse auf.
Wenn das Gehäuse rahmenförmig ausgeführt ist, bildet es in Richtung seitlich des Rahmens den Abschluss für das Kühlmedium. In Richtung oberhalb und unterhalb des Rahmens ist es dann dazu ausgebildet, jeweils mit dem weiteren Modul gestapelt zu werden.
Bevorzugt verfügt der Kühlkörper des Elektronikmoduls über zwei gegenüberliegende Kühlflächen. Zwischen diesen ist dann das Elektronikbauteil angeordnet. Es kann dann also an zwei gegenüberliegende Seiten Wärme abgeben. Die Kühlflächen weisen dann bevorzugt zueinander korrespondierende Kühlstrukturen auf, beispielsweise sind sie spiegelbildlich oder komplementär zueinander ausgeführt. Wenn nun zwei oder mehr identische Elektronikmodule aufeinander gestapelt werden, können somit die miteinander korrespondierenden Kühlflächen benachbarter Elektronikmodule bündig aneinander anliegen. Dadurch kann sich eine verbesserte Kühlwirkung im Modulstapel ergeben.
Bevorzugt weist das Elektronikmodul zur Bildung des Durchgangs für das Kühlmedium einen ersten und einen zweiten Durchbruch in dem Kühlkörper oder in dem Gehäuse auf. Die Kühlfläche ist dann zwischen dem ersten und zweiten Durchbruch angeordnet ist. Somit kann das Kühlmedium einfach über die Kühlfläche geführt werden. Die Durchbrüche führen insbesondere zu zwei gegenüberliegenden Seiten des Kühlkörpers. Wenn der Kühlkörper über zwei gegenüberliegende Kühlflächen aufweist sind die Durchbrüche bevorzugt so ausgeführt, dass sie die Kühlflächen miteinander verbinden. Somit kann Kühlmedium über die Durchbrüche von der einen Kühlfläche zu der anderen Kühlfläche gelangen.
Bevorzugt verfügt das Gehäuse seitlich zu der Kühlfläche zumindest über einen Durchbruch zur elektrischen Kontaktierung des Elektronikbauteils von außerhalb des Gehäuses. Dadurch kann die elektrische Kontaktierung einfach erfolgen. Bevorzugt ist das Elektronikbauteil vollständig über diesen zumindest einen Durchbruch kontaktiert. D.h. es besteht kein Bedarf zu Kontaktierungen an anderer Stelle des Elektronikmoduls. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Kontaktierung des Elektronikbauteils jedoch vollständig oder teilweise durch eine elektrische Schnittstelle im Gehäuse zu einem auf das Elektronikmodul gestapelten weiteren Modul erfolgen.
Bevorzugt ist das Elektronikbauteil mittels Gussmasse mit dem Kühlkörper vergossen. Insbesondere ist das Elektronikbauteil mit der Gussmasse dicht gegenüber dem Kühlmedium vergossen. Somit kann einfach eine Dichtheit des Elektronikbauteils gegenüber dem Kühlmedium bewirkt werden. Die Gussmasse ist bevorzugt ein Duroplast, insbesondere ein Harz. Die Gussmasse kann ein Teil des Gehäuses und/oder des Kühlkörpers bilden. Die Gussmasse kann beispielsweise durch Spritzgießen oder Niederdruckgießen oder auf andere geeignete Weise mit dem Kühlkörper vergossen werden.
Das Elektronikbauteil kann in einer Vertiefung des Kühlkörpers angeordnet sein. Das Elektronikmodul kann dann in der Vertiefung auf den Kühlkörper aufgelegt sein und darauf befestigt sein, insbesondere kann es aufgeklebt oder aufgelötet oder aufgesintert oder darin mit der Gussmasse eingegossen sein. Das Elektronikbauteil kann auch in einer parallel zu der Kühlfläche verlaufenden Öffnung in dem Kühlkörper angeordnet sein. Insbesondere kann es dann in den Kühlkörper und das Gehäuse eingeschoben sein. Somit kann es einfach von einer Seitenfläche des Gehäuses kontaktiert werden. Hierbei kann sich die Öffnung von einer Seitenfläche des Gehäuses in den Kühlkörper erstrecken.
Die Öffnung zum Einschieben des Elektronikbauteils kann sich auch einer Seitenfläche des Gehäuses durch den Kühlkörper zu einer gegenüberliegenden anderen Seitenfläche des Gehäuses erstreckt. Das Elektronikbauteil ist dann insbesondere durch das Gehäuse und den Kühlkörper durchgeschoben, sodass es von beiden Seitenflächen des Rahmens elektrisch kontaktiert werden kann. Eine solche Öffnung kann einfach hergestellt werden, beispielsweise durch Fräsen oder Bohren.
Der Kühlkörper kann einen Durchbruch von der Öffnung zum Einschieben des Elektronikbauteils in das Innere des Gehäuses aufweisen. Somit kann ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Elektronikbauteil im Kühlkörper und dem das Gehäuse durchströmenden Kühlmedium hergestellt werden. Dies kann die Kühlung des Elektronikbauteils verbessern.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Gehäuse und/oder der Kühlkörper des Elektronikmoduls zumindest zweiteilig ausgeführt. Zumindest das erste Kühlkörperteil weist dann die Kühlfläche auf. Die Kühlkörperteile zusammen nehmen dann das Elektronikbauteil auf. So ist das Elektronikbauteil zwischen den zwei Kühlkörperteilen eingebettet. Dabei kann das erste Kühlkörperteil gegenüberliegend zu seiner Kühlfläche eine Vertiefung aufweisen, in der das Elektronikbauteil angeordnet ist. Diese Vertiefung kann dann von dem zweiten Kühlkörperteil abgedeckt sein, wodurch das Elektronikbauteil in dem Kühlkörper eingeschlossen ist. Bevorzugt weist das zweite Kühlkörperteil ebenfalls eine Kühlfläche auf, die dann zu der Kühlfläche auf dem ersten Kühlkörperteil gegenüberliegt. In diesem Fall ist das Elektronikbauteil also zwischen den Kühlflächen der beiden Kühlkörperteile angeordnet und kann zu beiden Kühlflächen Wärme abgeben.
Es wird angemerkt, dass das Gehäuse und/oder der Kühlkörper vollständig oder teilweise aus einem Metall, wie beispielsweise Eisen oder Aluminium (dies beinhaltet auch Fe- oder AI-Lergierungen) bestehen kann. Hierdurch kann gut Wärme vom Elektronikbauteil abgeführt werden. Insbesondere kann das Gehäuse und/oder der Kühlkörper daher vollständig oder zumindest teilweise aus Metall bestehen.
Der Kühlkörper besteht bevorzugt aus einem gut wärmeleitenden Metall, insbesondere Silber, Kupfer oder Aluminium (dies beinhaltet auch Ag-, Al- oder Cu-Legierungen).
Das Gehäuse und/oder der Kühlkörper kann alternativ oder zusätzlich auch aus einem Kunststoff bestehen oder aus einer Keramik. Somit kann das Gehäuse und/oder der Kühlkörper vollständig oder teilweise aus Kunststoff oder Keramik bestehen. Insbesondere besteht das Gehäuse und/oder der Kühlkörper aus mehreren Werkstoffen, wie beispielsweise zumindest aus einem Metallteil und zumindest einem Kunststoffteil.
Der Kühlkörper- oder Gehäuseteil aus Kunststoff ist hierbei insbesondere an den jeweils anderen Kühlkörper- oder Gehäuseteil aus anderem Werkstoff angegossen. Er besteht somit aus Gussmasse. Besonders dafür geeignete Kunststoffe sind Duroplaste, insbesondere Harze.
In einer besonders bevorzugten Ausführung besteht der Kühlkörper aus Metall, während das rahmenförmige Gehäuse aus einem Kunststoff besteht. Hierdurch kann das Gehäuse eine besonders vorteilhafte Form erhalten. So kann das Gehäuse beispielsweise Verbindungselemente oder Schnittstellen oder Dichtstellen für die unterhalb und/oder oberhalb darauf gestapelten weiteren Module integriert aufweisen.
Besonders bevorzugt ist das Elektronikbauteil mit Gussmasse, insbesondere einem Gießharz, mit dem Kühlkörper vergossen. Das Elektronikbauteil ist also auf dem Kühlkörper angeordnet, insbesondere in einer Vertiefung, und ist mit Gussmasse eingegossen. Somit ist es vibrationsfest und elektrisch isoliert mit dem Kühlkörper verbunden. Außerdem ist es somit gegenüber dem Kühlmedium abgedichtet. Die Gussmasse kann gleichzeitig mit dem Gehäuse verbunden, insbesondere daran angegossen sein, beispielsweise um das Elektronikbauteil hermetisch abzuschließen. Die Gussmasse bildet kann dann selbst einen Teil des Kühlkörpers und gegebenenfalls des Gehäuses bilden.
Der vorgeschlagene Wechselrichter dient vorzugsweise zur elektrischen Bestromung einer E-Maschine. Er zeichnet sich durch mehrere der vorgeschlagenen Elektronikmodule aus, die gestapelt sind. Beispielsweise können die Elektronikmodule unmittelbar aufeinander gestapelt sein. Wie erläutert kann beispielsweise ein B6-Wechselrichter durch einen Stapel von drei Elektronikmodulen gebildet sein, wenn die drei Elektronikmodule jeweils eine elektrische Halbbrücke mit Leistungshalbleitern als Elektronikbauteile aufweisen. Ein solcher Wechselrichter kann durch die einfache Massenfertigbarkeit solcher Elektronikmodule kostengünstig aufgebaut werden. Die Verwendung weiterer Kühlstrukturen kann entfallen. Außerdem ist ein solcher Wechselrichter einfach skalierbar, da beliebig viele Module aufeinander stapelbar sind.
Der ebenfalls vorgeschlagene Kraftfahrzeugantriebsstrang weist eine E-Maschine als Traktionsantrieb auf. Die E-Maschine dient also zum Fahrzeugvortrieb oder zur Fahrzeugverzögerung. Bei der Fahrzeugverzögerung arbeiten die E-Maschine und der Wechselrichter bevorzugt generatorisch und laden die Batterie. Der Antriebsstrang kann daher für ein rein elektrisch angetriebenes E-Fahrzeug dienen, oder er kann mit einem Verbrennungsmotor für ein Hybridfahrzeug dienen. Der Kraftfahrzeugantriebsstrang zeichnet sich durch den vorgeschlagenen Wechselrichter zur elektrischen Bestromung der E-Maschine aus. Der Wechselrichter weist also, wie erläutert, einen Stapel aus mehreren der vorgeschlagenen Elektronikmodule auf.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

1 eine dreidimensionale Ansicht einer erste Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
2 einen Schnitt durch die erste Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
3 einen weiteren Schnitt durch die erste Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
4 eine Draufsicht auf die erste Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
5 einen Schnitt durch einen Stapel aus mehreren Elektronikmodulen der ersten Ausführungsform,
6 eine dreidimensionale Ansicht eines Stapels aus mehreren Elektronikmodulen der ersten Ausführungsform,
7 eine dreidimensionale Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
8 eine weitere dreidimensionale Ansicht der zweiten Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
9 eine dreidimensionale Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
10 eine weitere dreidimensionale Ansicht der dritten Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
11 einen Schnitt durch einen Stapel aus mehreren Elektronikmodulen der dritten Ausführungsform,
12 einen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
13 einen Schnitt durch einen Stapel aus mehreren Elektronikmodulen der vierten Ausführungsform,
14 eine dreidimensionale Ansicht einer fünften Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
15 eine dreidimensionale Ansicht eines Kühlkörpers der fünften Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
16 eine weitere dreidimensionale Ansicht des Kühlkörpers der fünften Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
17 eine Draufsicht auf die fünfte Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
18 einen Schnitt durch die fünfte Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
19 einen weiteren Schnitt durch die fünfte Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
20 einen Schnitt durch einen Stapel aus mehreren Elektronikmodulen der fünften Ausführungsform,
21 eine geschnittene dreidimensionale Ansicht eines Stapels aus mehreren Elektronikmodulen der fünften Ausführungsform,
22 einen Schnitt durch eine sechste Ausführungsform eines Elektronikmoduls,
23 einen Schnitt durch einen Stapel aus mehreren Elektronikmodulen der sechsten Ausführungsform,
24 einen Kraftfahrzeugantriebsstrang.

In den Figuren sind gleiche oder zumindest funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figuren zeigen, mit Ausnahme von 24, ein Elektronikmodul mit einem im Betrieb Wärme abgebenden Elektronikbauteil 1. Das Elektronikmodul weist zudem einen Kühlkörper 2 mit einer Kühlfläche 3 auf, an der ein Kühlmedium, insbesondere ein flüssiges Kühlmedium, zur Wärmeabfuhr vorbeiströmen kann. Zur Vergrößerung der Oberfläche weist der Kühlkörper 2 an der Kühlfläche 3 eine entsprechende Oberflächenstruktur zur Kühlung auf. Beispielhaft ist eine so genannte Pin-Fin-Struktur gezeigt. Es können jedoch auch andere geeignete Oberflächenstrukturen vorgesehen sein, wie beispielsweise Kühlrippen oder Vertiefungen oder Dellen oder Noppen. Das Elektronikbauteil 1 ist fest auf dem Kühlkörper 2 angeordnet. Bevorzugt ist es darauf aufgeklebt, aufgelötet oder aufgesintert. Es kann somit gut Wärme an den Kühlkörper 2 abgeben.
Das Elektronikbauteil kann insbesondere einen oder mehrere Leistungshalbleiter, wie einen IGBT oder MOSFET, aufweisen. Das Elektronikbauteil kann insbesondere eine Leiterplatte / PCB (= printed circuit board) oder ein Keramiksubstrat aufweisen, auf dem ein oder mehrere Leistungshalbleiter angeordnet sind. Das Elektronikbauteil kann eine elektrische Halbbrücke mit zumindest zwei Leistungshalbleitern bilden.
Das Elektronikmodul weist darüber hinaus ein Gehäuse 4 auf, das mit dem Kühlkörper 2 fest verbunden ist. Dazu ist das Gehäuse 4 bevorzugt einstückig mit dem Kühlkörper 2 ausgeführt. Gehäuse 4 und Kühlkörper 2 bilden dann also ein gemeinsames Bauteil. Alternativ kann das Gehäuse 4 auch kraft-, stoff- oder formschlüssig mit dem Kühlkörper 2 verbunden sein. Das Gehäuse 4 dient seitlich (= in seitlicher Richtung) zur Kühlfläche 3 als Abschluss für das Kühlmedium, sodass seitlich zur Kühlfläche 3 kein Kühlmedium ungewollt in eine Umgebung austreten kann.
Das Gehäuse 4 ist außerdem in Richtung oberhalb und unterhalb der Kühlfläche 3 (= in axialer Richtung) dazu ausgebildet, mit jeweils einem weiteren Modul gestapelt zu werden. Hierzu weist das Gehäuse 4 vorliegend in Richtung oberhalb und unterhalb der Kühlfläche 3 je eine Dichtfläche 5, 5' auf, die mit einem darauf gestapelten weiteren Modul dichtend für das Kühlmedium wirkt. Bevorzugt weist eine oder es weisen beide der Dichtflächen 5, 5' eine Nut 6 auf, um eine elastische Dichtung 7 aufzunehmen. In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist lediglich eine der Dichtflächen 5' eine solche Nut 6 samt Dichtung 7 auf. Wenn das gezeigte Elektronikmodul dann mit weiteren Modulen gestapelt wird, wie beispielsweise mit identischen Elektronikmodulen (siehe insbesondere 5), liegt diese Dichtung 7 an der gegenüberliegenden Dichtfläche 5 des benachbarten Moduls an und verhindert dadurch ein seitliches ungewolltes Austreten von Kühlmedium. Die Dichtflächen 5, 5' liegen parallel zueinander. Es ist jedoch möglich, dass diese gewinkelt zueinander liegen.
Die Kühlfläche 3 liegt parallel zu den Dichtflächen 5, 5'. Somit liegen diese in einem Stapel aus identischen Elektronikmodulen stets parallel zu einander. Auch hier ist es jedoch möglich, die Kühlfläche 3 und die Dichtflächen 5, 5' gewinkelt zueinander auszuführen.
Zum besseren Verständnis der Richtungsangaben sind beispielhaft in 2 und 5 die Richtungen „unterhalb und oberhalb der Kühlfläche 3“ (= axiale Richtungen) sowie die Richtung „seitlich zur Kühlfläche 3“ durch Pfeile gezeigt. Hierbei bedeutet U = unterhalb der Kühlfläche 3 und O = oberhalb der Kühlfläche 3 und S = seitlich zur Kühlfläche 3. In den übrigen Figuren gilt dies entsprechend.
Es wird angemerkt, dass das Gehäuse 4 des Elektronikmoduls bevorzugt dazu ausgeführt ist, mit identischen Elektronikmodulen gestapelt zu werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass kompatible andere Module, wie insbesondere Gehäusemodule, darauf stapelbar sind. Ein solches Gehäusemodul weist selbst kein Elektronikbauteil auf und dient beispielsweise zur Strömungsführung und/oder zum axialen Abschluss des Modulstapels und/oder zur Aufhängung/Lagerung des Modulstapels.
Das Elektronikmodul verfügt auch über zumindest einen Durchgang 8 für das Kühlmedium. Dieser ist dazu ausgeführt, das Kühlmedium an der Kühlfläche 3 vorbei und zu den oberhalb und unterhalb der Kühlfläche 3 gestapelten weiteren Module zu leiten. Der Durchgang 8 bildet also in axialer Richtung des Modulstapels eine Öffnung, um das Kühlmedium durch die einzelnen Module des Stapels hindurchzuleiten. Somit kann es an einem axialen Ende des Stapels zugeführt werden und an einem anderen axialen Ende abgeführt werden, wobei die Kühlflächen 3 in den Elektronikmodulen jeweils durchströmt werden. Es ist auch möglich, dass das Kühlmedium auf demselben axialen Ende zu- und abgeführt wird, wobei die Kühlflächen 3 in den Elektronikmodulen jeweils durchströmt werden.
Vorliegend weisen die in den Figuren gezeigten Elektronikmodule beispielhaft genau zwei Durchbrüche 8A, 8B zur Bildung des Durchgangs 8 auf. Die jeweiligen Kühlflächen 3 liegen dann zwischen diesen Durchbrüchen 8A, 8B. Der Durchgang 8 bzw. die zugehörigen Durchbrüche 8A, 8B führen in axialer Richtung vollständig durch das Elektronikmodul hindurch. Somit verbindet der Durchgang 8 / die Durchbrüche 8A, 8B die zwei gegenüberliegenden Seiten des Kühlkörpers 2 im Elektronikmodul.
Vorliegend sind die Gehäuse 4 der in den Figuren gezeigten Elektronikmodule rahmenförmig ausgeführt. Somit umschließen sie in seitlicher Richtung S den Kühlkörper 2 mit dem Elektronikbauteil 1 und sind gleichzeitig in axialer Richtung U, O durch den Durchgang 8 für Kühlmedium offen. Es kann vorgesehen sein, dass das jeweilige Gehäuse 4 seitlich über einen oder mehrere weitere Durchbrüche für das Kühlmedium aufweist, um gezielt Kühlmedium von seitlich des Elektronikmoduls zu- oder abzuführen. Die gezeigten rahmenförmigen Gehäuse 4 sind zudem beispielhaft rechteckig ausgeführt. Das Gehäuse 4 kann jedoch alternativ auch beispielsweise kreisförmig oder vieleckig ausgeführt sein.
Darüber hinaus verfügen die gezeigten Gehäuse 4 jeweils seitlich zu der Kühlfläche 3 über ein oder mehrere Durchbrüche 9 zur elektrischen Kontaktierung des Elektronikbauteils 1 von außerhalb des Gehäuses 4. Diese Durchbrüche 9 dienen dazu, elektrische Anschlüsse 12 zur elektrischen Kontaktierung des Elektronikbauteils 1 seitlich aus dem Gehäuse 4 herauszuführen. Bei den Anschlüssen 12 handelt es sich insbesondere um Hochvoltkontakte und/oder Signalkontakte. Entsprechend unterschiedlich können die Anschlüsse 12 dimensioniert und ausgeführt sein. Die Anschlüsse 12 sind beispielsweise jeweils in entsprechend geeigneter Weise als Stecker oder Buchsen ausgeführt.
Das Elektronikbauteil 1 ist jeweils mit Gussmasse 10 mit dem Kühlkörper 2 vergossen. Somit ist es ortsfest an dem Kühlkörper 2 angeordnet. Die Gussmasse 10 kann bei einigen Ausführungsbeispielen des Elektronikmoduls vollständig oder teilweise das Gehäuse 4 und/oder den Kühlkörper 2 bilden. Die Gussmasse 10 dichtet das Elektronikbauteil 1 insbesondere gegenüber dem Kühlmedium ab.
Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen liegt zumindest eine Seite des Elektronikbauteils 1 direkt an dem Kühlkörper 2 an. Somit ist der Wärmeübergang von Elektronikbauteil 1 auf Kühlkörper 2 besonders gut. Dabei kann das Elektronikbauteil 1 Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad aufweisen und damit an dem Kühlkörper 2 anliegen. Alternativ dazu kann das Elektronikbauteil 1 auch direkt auf den Kühlkörper 2 aufgelötet oder aufgesintert sein, also stoffschlüssig damit verbunden sein.
Im Folgenden wird auf die Besonderheiten der in den Figuren dargestellten beispielhaften Ausführungsformen der Elektronikmodule im Einzelnen eingegangen. Im Übrigen gelten für diese Ausführungsformen die oben genannten Sachverhalte.
Die 1 bis 4 zeigen eine erste beispielhafte Ausführungsform des Elektronikmoduls. In 1 ist diese erste Ausführungsform dreidimensional dargestellt. 2 zeigt einen Schnitt durch das Elektronikmodul entlang der in den 1, 3 und 4 gezeigten Achse A-A, während 3 einen Schnitt durch das Elektronikmodul entlang der in 2 gezeigten Achse B-B zeigt.
Bei dieser ersten Ausführungsform weist das Elektronikbauteil 1 in dem Kühlkörper 2 und dem Gehäuse 4 einer Vertiefung 11 auf (siehe insbesondere 2). Diese ist in einer ersten Seite des Kühlkörpers 2 angeordnet, während die Kühlfläche 3 auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers 2 angeordnet ist. Das Elektronikbauteil 1 ist mit Gussmasse 10 in der Vertiefung 11 eingegossen. Somit ist das Elektronikbauteil 1 ortsfest in dem Kühlkörper 2 eingebettet und gegenüber dem Kühlmedium abgedichtet. Eine Seite des Elektronikbauteils 1 liegt direkt an dem Kühlkörper 2 an.
Die Gussmasse 10 ragt im Bereich der elektrischen Anschlüssen 12 (an den Durchbrüchen 9) an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Gehäuses 4 aus dem Gehäuse 4 hervor (siehe insbesondere 3 und 4). Die Gussmasse 10 kann also selbst als ein Teil des Gehäuses 4 und des Kühlkörpers 2 aufgefasst werden. Die elektrischen Anschlüsse 12 ragen aus der Gussmasse 10 an den zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Gehäuses 4 hervor. Das Elektronikbauteil 1 ist durch diese Anschlüssen 12 vollständig elektrisch kontaktierbar.
Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, dass zumindest ein elektrischer Anschluss für das Elektronikbauteil 1 im Bereich der Dichtfläche 5 und/oder der Dichtfläche 5' vorgesehen ist, um ein dort angeordnetes weiteres Modul direkt elektrisch kontaktieren zu können. Dieser Anschluss verläuft dann in Richtung oberhalb und/oder unterhalb der Kühlfläche 3 (also in axialer Richtung O, U). Dadurch können die auf das Elektronikmodul gestapelten weiteren Module einfach mit ihm elektrisch kontaktiert werden. Somit ist beispielsweise ein Signalaustausch zwischen den gestapelten Modulen ohne eine externe Kontaktierung möglich. Die Position und Art solcher axialen Anschlüsse können normiert sein, um sicherzugehen, dass unterschiedliche Module stapelbar sind und diese beim Stapeln gleichzeitig miteinander elektrisch kontaktiert werden.
Bei der ersten Ausführungsform ist das Gehäuse 4 mit dem Kühlkörper 2 einstückig ausgebildet. Gehäuse 4 und Kühlkörper 2 sind somit aus einem Stück gefertigt, beispielsweise wurden sie zusammen aus dem Vollen oder aus einem vorgeformten gemeinsamen Rohling ausgefräst. Grundsätzlich ist es jedoch möglich, dass Gehäuse 4 und Kühlkörper 2 aus unterschiedlichen und miteinander fest (formschlüssig oder kraftschlüssig oder stoffschlüssig) verbundenen Bauteilen bestehen.
Die 5 und 6 zeigen je einen Stapel von identischen Elektronikmodulen der ersten Ausführungsform. Wie aus 5 und 6 hervorgeht, sind die Gehäuse 4 der Elektronikmodule in axialer Richtung so ausgebildet, dass diese zueinander kompatibel sind. Sie korrespondieren also zueinander. In axialer Richtung U, O gesehen passt die Unterseite je Elektronikmodule somit auf dessen Oberseite. Insbesondere ist dazu je Elektronikmodul die Unterseite des Gehäuses 4 korrespondierend zu dessen Oberseite ausgebildet. Mit anderen Worten passt die Dichtfläche 5 zu der Dichtfläche 5'.
Eines der axialen Enden des Stapels (unteres Ende) wird vorliegend durch ein mit den Elektronikmodulen kompatibles Gehäusemodul 13 gebildet. Im gezeigten Fall bildet eine Abschlussplatte das Gehäusemodul 13. Das Gehäusemodul 13 weist einen Durchgang 8 für das Kühlmedium auf, der eine Verlängerung der Durchgänge 8 durch den Stapel bildet. Durch diesen Durchgang 8 ist dem Stapel das Kühlmedium zu- oder abführbar. Das Gehäusemodul 13 bildet dort einen axialen Abschluss der Durchbrüche 8B für das Kühlmedium und eine Öffnung für die gegenüberliegenden Durchbrüche 8A im Stapel. Durch das Gehäusemodul 13 ist dadurch sichergestellt, dass auch an die axial letzte Kühlfläche 3 im Stapel (die unterste Kühlfläche 3 in 5) das Kühlmedium gelangen kann.
An dem gegenüberliegenden axialen Ende des Stapels (oberes Ende) ist kein extra Gehäusemodul 13 vorgesehen. Stattdessen ist der Durchbruch 8A des dortigen Elektronikmoduls durch einen Stopfen 14 dicht abgeschlossen. Somit bildet dort der Stopfen 14 einen axialen Abschluss der Durchbrüche 8A für das Kühlmedium. Der durch den Stopfen 14 axial abgeschlossene Durchbruch 8A liegt gegenüber zu dem vom Gehäusemodul 8 axial abgeschlossene Durchbruch 8B, im Detail liegt er diametral gegenüber. Die Durchbrüche 8B der Elektronikmodule im Stapel dienen dadurch gemeinsam als Verteilerkanal für das Kühlmedium. Hierüber können die Kühlflächen 3 mit frischem Kühlmedium versorgt werden. Demgegenüber dienen die anderen Durchbrüche 8A der Elektronikmodule im Stapel als Sammlerkanal für das Kühlmedium. Hierüber kann das von den Kühlflächen 3 aufgewärmte Kühlmedium abgeführt werden.
In 5 ist beispielhaft mit Pfeilen eine Kühlmediumströmung durch die Durchbrüche 8A, 8B bzw. dem Durchgang 8 und an den Kühlflächen 3 vorbei eingezeichnet. Hieraus ist ersichtlich, dass durch diesen Aufbau des Stapels alle der Kühlflächen 3 von Kühlmedium umströmt werden.
Die 7 und 8 zeigen eine zweite Ausführungsform eines Elektronikmoduls. Der Übersicht halber ist eine Gussmasse zum Eingießen des Elektronikbauteils 1 in den Kühlkörper 2 nicht dargestellt.
Bei der zweiten Ausführungsform weist das Gehäuse 4 und der Kühlkörper 2 eine durchgängige und parallel zur Kühlfläche 3 verlaufende Öffnung 15 auf. Die Öffnung 15 führt durch zwei gegenüberliegende Seitenflächen des Gehäuses 4. Die Öffnung 15 dient zum einen zur elektrischen Kontaktierung des Elektronikbauteils 1. Sie kann daher auch als Durchbruch 9 zur Kontaktierung angesehen werden. Zum anderen ist die Öffnung 15 ausreichend groß dimensioniert, sodass das Elektronikbauteil 1 von einer Seitenfläche des Gehäuses 4 in das Modul einschiebbar ist. Der Einschiebvorgang ist in 8 sinnbildlich dargestellt. Nachdem das Elektronikbauteil 1 in die Öffnung 15 eingeschoben wurde, kann die Öffnung 15 mit Gussmasse verfüllt werden.
Die Öffnung 15 weist optional einen fensterartigen Durchbruch 16 auf, der von der Öffnung 15 in das Innere des Gehäuses 4 führt. Der Durchbruch 16 kann ebenfalls mit Gussmasse verfüllt werden. Alternativ kann der Durchbruch 16 auch zumindest teilweise offen bleiben, sodass das Kühlmedium direkt zumindest zu einem Teil, beispielsweise einer Kühloberfläche, des Elektronikbauteils 1 gelangen kann.
Im Übrigen gelten auch für diese zweite Ausführungsform die obigen Erläuterungen.
Die 9 und 10 zeigen eine dritte Ausführungsform eines Elektronikmoduls. Diese dritte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Gehäuse 4 und der Kühlkörper 2 mehrteilig ausgeführt sind. Im Detail sind sie zweiteilig ausgeführt, also mit einem ersten Gehäuseteil 4A und einem zweiten Gehäuseteil 4B sowie mit einem ersten Kühlkörperteil 2A und einen zweiten Kühlkörperteil 2B. Hierbei ist das erste Gehäuseteil 4A mit dem ersten Kühlkörperteil 2A einstückig ausgebildet, und das zweite Gehäuseteil 4B ist mit dem zweiten Kühlkörperteil 2B einstückig ausgebildet. Alternativ bilden die Gehäuseteile 4A, 4B und Kühlkörperteil 2A, 2B unterschiedliche Bauteile, die jedoch entsprechend fest miteinander verbunden sind.
Das Elektronikbauteil 1 ist zwischen den Kühlkörperteilen 2A, 2B eingebettet. Dies ist aus 10 ersichtlich, die den Vorgang des Zusammenfügens der Teile 2A, 2B, 4A, 4B sinnbildlich darstellt.
Eines der Kühlkörperteilen 2A und 2B sowie das entsprechende Gehäuseteil 4A und 4B verfügt über eine Vertiefung 11, in der das Elektronikbauteil angeordnet ist. Das andere der Kühlkörperteile 2A, 2B weist dann die Kühlfläche 3 auf (siehe insbesondere 10 und 11). Auch hier kann die Vertiefung 11 mit Gussmasse verfüllt werden.
11 zeigt einen Stapel mit Elektronikmodulen der dritten Ausführungsform. Auch hier ist, vergleichbar zu den Stapeln gemäß 5 und 6, ein axiales Ende des Stapels durch ein plattenförmiges Gehäusemodul 13 gebildet sowie am anderen Ende des Stapels einer der Durchbrüche 8A mit einem Stopfen 14 axial abgeschlossen. Die sich dadurch ausbildende Kühlmediumströmung entspricht somit derjenigen aus 5.
Im Übrigen gelten auch für diese dritte Ausführungsform die obigen Erläuterungen.
Die 12 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Elektronikmoduls. Diese vierte Ausführungsform gleicht in weiten Teilen der dritten Ausführungsform. Im Unterschied hierzu zeichnet sich die vierte Ausführungsform dadurch aus, dass das erste Gehäuse- und Kühlkörperteil 2A, 4A durch Gussmasse 10 gebildet ist. Das Elektronikmodul kann also beispielsweise dadurch gebildet werden, dass das Elektronikbauteil 1 zunächst in Gussmasse eingegossen wird, die im ausgehärteten Zustand dann das erste Gehäuse- und Kühlkörperteil 2A, 4A bildet. Das erste Gehäuse- und Kühlkörperteil 2A, 4A mit dem darin eingegossenen Elektronikbauteil 1 kann dann auf das zweite Gehäuse- und Kühlkörperteil 2B, 4B aufgesetzt werden. Alternativ dazu kann das Elektronikbauteil 1 auch zuerst auf dem zweiten Gehäuse- und Kühlkörperteil 2B, 4B angeordnet werden und anschließend mit Gussmasse vergossen werden, die im ausgehärteten Zustand dann das erste Gehäuse- und Kühlkörperteil 2A, 4A bildet.
Ein solches erstes Gehäuse- und Kühlkörperteil 2A, 4A aus Gussmasse 10 ist beispielsweise durch Spritzgießen oder Niederdruckgießen herstellbar.
13 zeigt einen Stapel von Elektronikmodulen der vierten Ausführungsform. 13 zeigt außerdem Anschlüsse 17 für das Kühlmedium. Die Anschlüsse 17 sind dicht auf den jeweiligen Durchgang 8 im axial letzten Modul des Stapels angeordnet. Dadurch kann der Stapel einfach an ein Kühlsystem angeschlossen werden. Derartige Anschlüsse 17 können auch bei allen anderen in den Figuren gezeigten Stapeln vorgesehen sein.
Im Übrigen gelten auch für diese vierte Ausführungsform die obigen Erläuterungen.
Die 14 bis 19 zeigen Aspekte einer fünften beispielhaften Ausführungsform eines Elektronikmoduls. 14 zeigt diese erste Ausführungsform dreidimensional. 15 und 16 zeigen einen Kühlkörper 2 dieser fünften Ausführungsform dreidimensional. 17 zeigt eine Draufsicht auf die fünfte Ausführungsform. 18 zeigt einen Schnitt durch das Elektronikmodul entlang der in 17 gezeigten Achse C-C, während 19 einen Schnitt durch das Elektronikmodul entlang der in 17 gezeigten Achse D-D zeigt.
Die fünfte Ausführungsform zeichnet sich durch einen mehrteiligen Kühlkörper 2 aus sowie durch einen aus Kunststoff bestehendes Gehäuse 4. Kühlkörper 2 und Gehäuse 4 bilden also zueinander unterschiedliche Teile, d.h. diese sind nicht einstückig miteinander ausgeführt. Kühlkörper 2 und Gehäuse 4 sind jedoch fest miteinander verbunden.
Im Detail besteht der Kühlkörper 2 aus einem ersten und einem zweiten Kühlkörperteil 2A, 2B. Diese nehmen das Elektronikbauteil 1 auf. Das Elektronikbauteil ist also zwischen den Kühlkörperteilen 2A, 2B eingebettet (siehe insbesondere 15 und 16). Die elektrischen Anschlüsse 12 ragen seitlich von den Kühlkörperteilen 2A, 2B hervor. Zumindest eines, bevorzugt jedoch beide der Kühlkörperteile 2A, 2B verfügen über eine Kühlfläche 3.
Das Gehäuse 4 ist bei der fünften Ausführungsform ein Gussteil. Die beiden Kühlkörperteile 2A, 2B mit dem dazwischenliegenden Elektronikbauteil 1 sind in das Gehäuse 4 eingegossen. Das Gehäuse 4 besteht also aus einer Gussmasse 10 aus Kunststoff, insbesondere einem Duroplast, insbesondere einem Gießharz. Dadurch ist das Gehäuse 4 mit den Kühlkörperteilen 2A, 2B und dem dazwischen befindlichen Elektronikbauteil 1 formschlüssig fest verbunden.
Die Anschlüsse 12 verlaufen vom der Elektronikbauteil 1 ausgehend innerhalb der Gussmasse 10 des Gehäuses 4 zu den Seitenwänden des Gehäuses 4 (siehe insbesondere 19). Sie stehen seitlich aus dem Gehäuse 4 hervor. Durch entsprechende Formgebung im Bereich der hervorstehenden Enden der Anschlüsse 12 kann das Gehäuse 4 dort gleichzeitig Stecker- oder Buchsengehäuse für die Anschlüsse 12 ausbilden.
Die Gussmasse 10 des Gehäuses 4 befindet sich insbesondere auch in dem Raum zwischen den Kühlkörperteilen 2A, 2B, der nicht vom Elektronikbauteil 1 eingenommen wird. Dadurch ergibt sich eine sehr vibrationsresistente Baueinheit. Durch die beiden Kühlflächen 3 des Kühlkörpers vergrößert sich auch die Kühloberfläche und damit die abführbare Wärmeleistung.
20 zeigt einen Stapel von Elektronikmodulen der fünften Ausführungsform. 21 zeigt den Stapel in einer teilgeschnittenen dreidimensionalen Darstellung.
Wie aus 20 hervorgeht, reicht es bei der fünften Ausführungsform des Elektronikmoduls nicht aus, einen der beiden Durchbrüche 8A, 8B des am axialen Ende befindlichen Elektronikmoduls durch einen Stopfen 14 zu verschließen, damit das Kühlmedium an alle Kühlflächen 3 im Stapel gelangt. Denn hierdurch wäre entweder die oberste oder die unterste Kühlfläche 3 im Stapel nicht von Kühlmedium umströmt. Stattdessen ist daher an beiden axialen Enden des Stapels je ein Gehäusemodul 13 vorgesehen. Die Gehäusemodule 13 bilden jeweils einen axialen Abschluss für einen der Durchbrüche 8A, 8B, sodass sich der Durchgang 8 durch alle Elektronikmodule im Stapel ergibt. Hierdurch gelangt Kühlmedium an alle Kühlflächen 3 des Stapels.
Aus 20 und 21 ist außerdem ersichtlich, dass die Oberflächenstrukturen der Kühlflächen 3 jedes Elektronikmoduls bevorzugt miteinander korrespondieren. So können die Kühlflächen 3 auf den Kühlkörperteilen 2A, 2B beispielsweise spiegelbildlich zueinander ausgeführt sein. Wenn dann zwei identische Elektronikmodule aufeinander gestapelt sind, befinden sich die spiegelbildlichen Oberflächenstrukturen benachbart zueinander und korrespondieren miteinander.
Im den gezeigten Ausführungsbeispielen weisen die Kühlflächen 3 beispielhaft eine Pin-Fin-Struktur auf. Dadurch, dass die Kühlflächen 3 auf den Kühlkörperteilen 2A, 2B spiegelbildlich zueinander ausgeführt sind, befinden sich im Stapel die Pins der Kühlflächen 3 des einen Elektronikmoduls direkt benachbart zu den Pins der Kühlflächen 3 des benachbarten Elektronikmoduls. Die Pins stehen sich in axialer Richtung des Stapels also direkt gegenüber. Dadurch kann eine Strömung des Kühlmediums gezielt gelenkt werden und dessen Kühlwirkung verbessert werden. Es ist somit beispielsweise auch möglich, dass die Pins oder andere Oberflächenstrukturen im Stapel gezielt ineinandergreifen um das Kühlmedium zu leiten und/oder um eine vorteilhafte turbulente Kühlmediumströmung zu erreichen.
Im Übrigen gelten auch für diese fünfte Ausführungsform die obigen Erläuterungen.
Die 22 zeigt eine sechste Ausführungsform eines Elektronikmoduls. Diese sechste Ausführungsform gleicht in weiten Teilen der fünften Ausführungsform. Im Unterschied hierzu zeichnet sich die sechste Ausführungsform dadurch aus, dass auf dem Elektronikbauteil 1 ein Wärmeleitelement 18 angeordnet ist. Hierbei kann es sich beispielweise um eine Heatpipe, ein Keramiksubstrat oder dergleichen handeln. Im einfachsten Fall wird das Wärmeleitelement 18 durch ein Block aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff gebildet. Das Wärmeleitelement 18 ist zusammen mit dem Elektronikbauteil 1 zwischen den Kühlkörperteilen 2A, 2B angeordnet. Es stellt eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem Elektronikbauteil 1 und dem zweiten Kühlkörperteil 2B her. Das Elektronikbauteil 1 selbst ist auf dem ersten Kühlkörperteil 2A angeordnet. Das Wärmeleitelement 18 überbrückt somit den ansonsten von Gussmasse 10 des Gehäuses 4 verfüllten Zwischenraum zwischen dem Elektronikbauteil 1 und dem zweiten Kühlkörperteil 2B.
23 zeigt einen Stapel von Elektronikmodulen der sechsten Ausführungsform.
Im Übrigen gelten auch für diese sechste Ausführungsform die obigen Erläuterungen.
24 zeigt einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, aufweisend eine E-Maschine 19 als ein Traktionsantrieb sowie einen Wechselrichter 20 zur elektrischen Bestromung der E-Maschine 19. Bei der E-Maschine 19 kann es sich insbesondere um eine Drehfeldmaschine handeln, wie eine Synchron- oder Asynchronmaschine. Die E-Maschine 19 wird über Phasenleitungen mit Wechselstrom vom Wechselrichter 20 versorgt. Der Wechselrichter 20 bezieht die dazu nötige elektrische Energie über Gleichstromleitungen aus einem elektrischen Energiespeicher 21, wie beispielsweise aus einem Akkumulator oder Kondensator. Der elektrische Energiespeicher 21 liefert also einen Gleichstrom. Dieser wird vom Wechselrichter 20 in Wechselstrom für die E-Maschine 19 gewandelt. Die E-Maschine 19 treibt dadurch dann beispielsweise Fahrzeugräder 22 an.
Der Wechselrichter 20 ist vorliegend aus einem Stapel von Elektronikmodulen aufgebaut. Dazu werden zwei oder mehr der hier vorgeschlagenen Elektronikmodule eingesetzt. Der Wechselrichter 20 kann beispielsweise einen Stapel gemäß einer der 6, 11, 13, 20, 23 aufweisen oder damit aufgebaut sein.
Bezugszeichenliste

1: Elektronikbauteil
2: Kühlkörper
3: Kühlfläche
4: Gehäuse
5,5': Dichtfläche
6: Nut
7: Dichtung
8: Durchgang
8A, 8B: Durchbruch
9: Durchbruch
10: Gussmasse
11: Vertiefung
12: elektrischer Anschluss
13: Gehäusemodul
14: Stopfen
15: Öffnung
16: Durchbruch
17: Anschluss für Kühlmedium
18: Wärmeleitelement
19: E-Maschine
20: Wechselrichter
21: elektrischer Energiespeicher
22: Fahrzeugrad
O: Richtung oberhalb der Kühlfläche 3, axiale Richtung
U: Richtung unterhalb der Kühlfläche 3, axiale Richtung
S: seitliche Richtung

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

EP 2019429 A1 [0004]

Claims

Elektronikmodul zumindest aufweisend ein Elektronikbauteil (1), einen Kühlkörper (2) auf dem das Elektronikbauteil (1) angeordnet ist und der zumindest eine Kühlfläche (3) aufweist, an dem ein Kühlmedium zur Wärmeabfuhr vorbeiströmbar ist, ein Gehäuse (4), das mit dem Kühlkörper (2) fest verbunden ist und das seitlich (S) zur Kühlfläche (3) einen Abschluss für das Kühlmedium bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) in Richtung oberhalb (O) und unterhalb (U) der Kühlfläche (3) dazu ausgebildet ist, mit jeweils einem weiteren Modul, insbesondere einem Gehäusemodul oder einem gleichartigen oder identischen Elektronikmodul, gestapelt zu werden, und dass das Gehäuse (4) zumindest einen Durchgang (8) für das Kühlmedium aufweist zum Leiten des Kühlmediums an der Kühlfläche (3) vorbei und zu den mit dem Elektronikmodul in Richtung oberhalb (O) und unterhalb (U) der Kühlfläche (3) gestapelten weiteren Modulen.
Elektronikmodul nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (4) rahmenförmig ist und in Richtung seitlich (S) des Rahmens den Abschluss für das Kühlmedium bildet und in Richtung oberhalb (O) und unterhalb (U) des Rahmens dazu ausgebildet ist, mit jeweils dem weiteren Modul gestapelt zu werden.
Elektronikmodul nach Anspruch 2, wobei zur Bildung des Durchgangs (8) ein erster und zweiter Durchbruch (8A, 8B) besteht und die Kühlfläche (3) zwischen dem ersten und zweiten Durchbruch (8A, 8B) angeordnet ist.
Elektronikmodul nach Anspruch 3, wobei der erste und zweite Durchbruch (8A, 8B) jeweils zu zwei gegenüberliegenden Seiten des Kühlkörpers (2) führt.
Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (4) seitlich (S) zu der Kühlfläche (3) zumindest einen Durchbruch (9) zur elektrischen Kontaktierung des Elektronikbauteils (1) von außerhalb des Gehäuses (4) aufweist.
Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Elektronikbauteil (1) mit Gussmasse (10) mit dem Kühlkörper (2) vergossen ist.
Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Elektronikbauteil (1) in einer Vertiefung (11) in dem Kühlkörper (2) angeordnet ist
Elektronikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Elektronikbauteil (1) in einer parallel zu der Kühlfläche verlaufenden Öffnung (15) in dem Kühlkörper (2) angeordnet ist.
Elektronikmodul nach Anspruch 8, wobei sich die Öffnung (15) von einer Seitenfläche des Gehäuses (4) in den Kühlkörper (2) erstreckt.
Elektronikmodul nach einem der Ansprüche 8 und 9, wobei der Kühlkörper (2) einen Durchbruch (16) von der Öffnung (15) ins Innere des Gehäuses (4) aufweist.
Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (2) zumindest zweiteilig (2A, 2B) ausgeführt ist, und ein erstes der Kühlkörperteile (2A) die Kühlfläche (3) aufweist und wobei die Kühlkörperteile (2A, 2B) zusammen das Elektronikbauteil (1) aufnehmen.
Elektronikmodul nach Anspruch 11, wobei zumindest das erste oder zweite Kühlkörperteil (2A, 2B) gegenüberliegend zur Kühlfläche (3) eine Vertiefung (11) aufweist, in der das Elektronikbauteil (1) angeordnet ist.
Elektronikmodul nach einem der Ansprüche 11 und 12, wobei das zweite Kühlkörperteil (2B) eine Kühlfläche (3) aufweist, die zur Kühlfläche (3) auf dem ersten Kühlkörperteil (2A) gegenüberliegt, und wobei das Elektronikbauteil (1) zwischen diesen Kühlflächen (3) angeordnet ist.
Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend zumindest eine elektrische Halbbrücke mit einem ersten und einem zweiten Leistungshalbleiter als Elektronikbauteil (1).
Wechselrichter (20) zur elektrischen Bestromung einer E-Maschine (19), gekennzeichnet durch mehrere gestapelte Elektronikmodule nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer E-Maschine (19) als Traktionsantrieb, gekennzeichnet durch einen Wechselrichter (20) zur elektrischen Bestromung der E-Maschine (19) nach Anspruch 15.