DE102017104970A1

DE102017104970A1 - Leistungselektronik-Baugruppe

Info

Publication number: DE102017104970A1
Application number: DE102017104970.3A
Authority: DE
Inventors: Guangyin Lei; Michael W. Degner; Edward Chan-Jiun JIH
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2017-09-14
Also published as: CN107181416B; CN107181416A; US9961808B2; US20170265337A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik-Baugruppe 120 mit mehreren Leistungsmoduln 122,124, 126 die jeweils einen Körper 156, eine im Körper 156 angeordnete Leistungsstufe 132 mit gegenüberliegenden Hauptseiten 110 und einen Kühlmittelkanal 204 aufweisen, der im Körper 156 an einer Stelle benachbart zu einer der Hauptseiten 110 liegt, wobei die Leistungsmoduln 122, 124, 126 gestapelt sind, so dass die Kühlmittelkanäle 204 mit den Leistungsstufen überlappen und mindestens ein Körper 156 eine Passage besitzt, die sich zwischen benachbarten Kanälen erstreckt, um die benachbarten Kanäle in Fluidverbindung zu bringen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Stromversorgungssysteme für einen elektrischen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs und insbesondere auf Leistungselektronik-Baugruppen.
Fahrzeuge wie z. B. batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs), Plug-in Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs) und Vollhybrid-Elektrofahrzeuge (FHEVs) enthalten eine Traktionsbatterie-Baugruppe als Energiequelle für eine oder mehrere Elektromotoren. Die Traktionsbatterie enthält Komponenten und Systeme, um die Leistung und den Betrieb des Fahrzeugs zu unterstützen. Ein Wechselrichter ist zwischen der Batterie und den Elektromotor elektrisch verbunden, um den von der Batterie stammenden Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, der mit den Elektromotoren kompatibel ist. Der Wechselrichter kann auch als Gleichrichter dienen, um Wechselstrom vom Elektromotor in mit der Batterie kompatiblen Strom zu konvertieren.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Leistungselektronik-Baugruppe viele Leistungsmoduln, die jeweils einen Körper, eine im Körper angeordnete Leistungsstufe mit gegenüberliegenden Hauptseiten und einen Kühlmittelkanal aufweisen, der im Körper an einer der Hauptseiten benachbarten Stelle ist. Die Module sind in einem Stapel angeordnet, so dass die Kühlmittelkanäle mit den Leistungsstufen überlappen. Mindestens ein Körper besitzt eine Passage, der sich zwischen benachbarten Kanälen erstreckt, um die benachbarten Kanäle fluidisch zu verbinden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst eine Leistungselektronik-Baugruppe viele Leistungsmoduln, die jeweils eine in einem Körper angeordnete Leistungsstufe aufweisen. Der Körper hat eine Rück- und eine Frontseite, die einen Fluidkanal mit einem Boden aufweist, der einen ersten Anschluss besitzt, der mit einem zweiten Anschluss in der Rückseite über eine Passage, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss erstreckt, verbunden ist. Die Module sind so gestapelt, so dass Fluid, das aus einem der zweiten Anschlüsse austritt, sofort in einen Fluidkanal fließt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst eine Leistungsmodulanordnung für einen Stromwandler ein erstes und ein zweites Leistungsmodul, die jeweils eine Leistungsstufe aufweisen, die in einem Körper mit Front- und Rückseite eingeschlossen ist. Die Leistungsmodule sind gestapelt angeordnet, so dass die Rückseite des ersten Leistungsmoduls an der Frontseite des zweiten Leistungsmoduls liegt. Eine Kühlmittelkammer ist in mindestens einem der zwischen den Leistungsstufen angeordneten Körper eingelassen und kann Fluid zur Kühlung der Leistungsstufen zirkulieren lassen. Jeder Körper umgrenzt auch eine Passage zwischen der Front- und Rückseite mit einem in der Kühlmittelkammer mündenden Anschluß.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, auf die sie aber keineswegs eingeschränkt ist. Darin zeigt:
1 ein schematisches Diagramm eines Hybridfahrzeug-Beispiels.
2 ein schematisches Diagramm eines Spannungswandlers und eines Stromwandlers.
3 eine perspektivische Ansicht eines Wandlers.
4 eine perspektivische Ansicht einer Leistungsmodulanordnung für einen Wandler
5 eine perspektivische Ansicht einer Leistungsstufe.
6A eine perspektivische Ansicht eines Leistungsmoduls nach einem Ausführungsbeispiel.
6B eine Rückansicht des Leistungsmoduls von 6A.
6C eine Frontansicht des Leistungsmoduls von 6A.
7 eine Seitenansicht eines Teils der Leistungsmodulanordnung von 4.
8 eine perspektivische Ansicht einer Leistungsmodulanordnungsendkappe von 4.
9 eine Seitenansicht einer weiteren Leistungsmodulanordnung.
10A eine Frontansicht eines der Leistungsmodule des ersten Satzes von Moduln der Anordnung von 9.
10B eine Rückansicht eines der Leistungsmodule des ersten Satzes.
11A eine Frontansicht eines der Leistungsmodule des zweiten Satzes von Moduln der Anordnung von 9.
11B eine Rückansicht eines der Leistungsmodule des zweiten Satzes Moduln.
12 eine Rückansicht einer der Endplatten der Anordnung von 9.
13 eine Frontansicht der anderen der Endplatten der Anordnung von 9.
14 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Leistungsmodulanordnung.
15 eine schematische Darstellung eines Kühlmittelkreislaufs der Leistungsmodulanordnung von 14.
16A eine Frontansicht eines Leistungsmoduls des ersten Satzes Moduln der Anordnung von 14.
16B eine Rückansicht eines der Leistungsmodule des ersten Satzes.
17A eine Frontansicht eines Leistungsmoduls des zweiten Satzes von Moduln der Anordnung von 15.
17B eine Rückansicht eines der Leistungsmodule des zweiten Satzes vom Moduln.
18 eine Seitenansicht der Leistungsmodulanordnung von 15; und.
19 eine perspektivische Ansicht einer Endplatte der Leistungsmodulanordnung von 15.
Es werden Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsbeispielen nur Beispiele sind und andere Ausführungsbeispiele verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich; Merkmale könnten übertrieben oder minimiert werden, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hierin offenbart sind, nicht einschränkend zu interpretieren, sondern nur als repräsentative Grundlage für den Fachmann, um die vorliegende Erfindung unterschiedlich einzusetzen. Wie der Fachmann verstehen wird, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf irgendeine der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in mindestens einer anderen Figur dargestellt sind, um Ausführungsbei-spiele zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die gezeigten Merkmalskombinationen stellen repräsentative Ausführungsbeispiele für typische Anwendungen dar. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Erfindung übereinstimmen, können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
Ein Beispiel eines PHEV ist in 1 dargestellt und wird allgemein als Fahrzeug 16 bezeichnet. Das Fahrzeug 16 umfasst einen Antriebsstrang 12 und wird von mindestens einem Elektromotor 18 mit Hilfe eines Verbrennungsmotors 20 angetrieben. Der Elektromotor 18 kann ein Wechselstrom-Elektromotor sein, der als "Motor" 18 in 1 dargestellt ist. Der Elektromotor 18 empfängt elektrische Energie und liefert Drehmoment für den Fahrzeugantrieb. Der Elektromotor 18 fungiert auch als Generator zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie durch regeneratives Bremsen.
Der Antriebsstrang 12 kann eine Leistungsverzweigungskonfiguration sein. Der Antriebsstrang 12 enthält den ersten Elektromotor 18 und einen zweiten Elektromotor 24. Der zweite Elektromotor 24 kann ein Wechselstrom-Elektromotor sein, der als "Generator" 24 in 1 dargestellt ist. Wie der erste Elektromotor 18 empfängt der zweite Elektromotor 24 elektrische Energie und liefert Ausgangsdrehmoment. Der zweite Elektromotor 24 fungiert auch als Generator zum Umwandeln von mechanischer in elektrische Energie und zur Optimierung des Energieflusses durch der Antriebsstrang 12. In anderen Ausführungsbeispielen weist der Antriebsstrang keine Leistungsverzweigungskonfiguration auf.
Der Antriebsstrang 12 kann ein Planetenradgetriebe 26 umfassen, das ein Sonnenrad 28, einen Planetenradträger 30 und ein Hohlrad 32 aufweist. Das Sonnenrad 28 ist mit einer Ausgangswelle des zweiten Elektromotors 24 zur Aufnahme von Drehmoment verbunden Generator Drehmoment Der Planetenradträger 30 ist mit einer Ausgangswelle des Verbrennungsmotors 20 zur Aufnahme von Motordrehmoment verbunden. Die Planetenradgetriebe 26 kombiniert das Generatordrehmoment und das Verbrennungsmotordrehmoment und liefert ein kombiniertes Abtriebsdrehmoment um das Hohlrad 32. Das Planetenradgetriebe 26 fungiert als stufenloses Getriebe ohne feste oder "gestufte" – Übersetzung.
Der Antriebsstrang 12 kann auch eine Einwegkupplung (O.W.C.) und eine Generatorbremse 33 umfassen. Die O.W.C. Ist mit der Ausgangswelle des Elektromotors 20 gekoppelt, um die Ausgangswelle nur in einer Richtung zu drehen. Die O.W.C. hindert der Antriebsstrang 12 daran, den Elektromotor 20 zurückzudrehen. Die Generatorbremse 33 ist mit der Ausgangswelle des zweiten Elektromotors 24 gekoppelt. Die Generatorbremse 33 kann aktiviert werden, um eine Drehung der Ausgangswelle des zweiten Elektromotors 24 und des Sonnenrads 28 zu bremsen oder zu hindern. Alternativ kann das OWC und die Generatorbremse 33 eliminiert werden und durch Steuerstrategien für den Verbrennungsmotor 20 und den zweiten Elektromotor 24 ersetzt werden.
Der Antriebsstrang 12 kann ferner eine Vorgelegewelle mit Zwischenzahnrädern mit einem ersten Zahnrad 34, einem zweiten Zahnrad 36 und einem dritten Zahnrad 38 aufweisen. Ein Planetenausgangszahnrad 40 ist mit dem Hohlrad 32 verbunden. Das Planetenabtriebszahnrad 40 kämmt mit dem ersten Zahnrad 34, um Drehmoment zwischen der Planetenradgetriebeeinheit 26 und der Vorgelegewelle zu übertragen. Ein Abtriebszahnrad 42 ist mit einer Ausgangswelle des ersten Elektromotors 18 verbunden. Das Abtrebszahnrad 42 kämmt mit dem zweiten Zahnrad 36 zum Übertragen von Drehmoment zwischen dem ersten Elektromotor 18 und der Vorgelegewelle. Ein Getriebeausgangszahnrad 44 ist mit einer Antriebswelle 46 verbunden. Die Antriebswelle 46 ist über ein Differenzial 50 mit einem Paar angetriebener Räder 48 gekoppelt. Das Getriebeausgangszahnrad 44 kämmt mit dem dritten Zahnrad 38 zur Übertragung von Drehmoment zwischen dem Antriebsstrang 12 und den angetriebenen Rädern 48.
Das Fahrzeug 16 umfasst eine Energiespeichervorrichtung, wie bspw. eine Traktionsbatterie 52 zum Speichern elektrischer Energie. Die Batterie 52 ist eine Hochspannungsbatterie, die elektrische Energie abgeben kann, um den ersten Elektromotor 18 und den zweite Elektromotor 24 zu betreiben. Die Batterie 52 empfängt auch elektrische Energie vom ersten Elektromotor 18 und zweiten Elektromotor 24, wenn sie als Generatoren arbeiten. Die Batterie 52 ist ein Akkumulator aus mehreren Batteriezellen (nicht gezeigt), wobei jedes Batteriemodul mehrere Batteriezellen (nicht gezeigt) enthält. Andere Ausführungsbeispiele des Fahrzeugs 16 betrachten verschiedene Arten von Energiespeichervorrichtungen, wie Kondensatoren und Brennstoffzellen (nicht gezeigt), welche die Batterie 52 ergänzen oder ersetzen. Ein Hochspannungsbus verbindet die Batterie 52 elektrisch mit dem ersten Elektromotor 18 und dem zweiten Elektromotor 24.
Das Fahrzeug enthält ein Batteriemanagementmodul (BECM) 54 zum Steuern der Batterie 52. Das BECM 54 empfängt eine Eingabe, die Fahrzeugbedingungen und Batteriezustände, wie bspw. Batterietemperatur, -spannung und -strom, anzeigt. Der BECM 54 berechnet und schätzt Batterieparameter, wie z. B. den Ladezustand der Batterie und die Batterieleistungsfähigkeit. Das BECM 54 liefert eine Ausgabe (BSOC, P_cap), die einen Batterieladezustand (BSOC) und die Batterieleistungsfähigkeit (P_cap) anderen Fahrzeugsystemen und -steuerungen anzeigt.
Das Fahrzeug 16 weist einen Gleichspannungswandler oder einen variablen Spannungswandler (VVC) 10 und einen Wechselrichter 56 auf. Der VVC 10 und der Wechselrichter 56 sind zwischen der Traktionsbatterie 52 und dem ersten Elektromotor 18 und zwischen der Batterie 52 und dem zweiten Elektromotor 24 angeschlossen. Der VVC 10 "verstärkt" oder erhöht das Spannungspotential der von der Batterie 52 gelieferten elektrischen Leistung. Der VVC 10 drückt oder verringert das Spannungspotential der an die Batterie 52 gelieferten elektrischen Energie in mindestens einem Ausführungsbeispiel. Der Wechselrichter 56 wandelt den von der Hauptbatterie 52 (durch den VVC 10) gelieferte Gleichstrome in Wechselstrom, um die Elektromotoren 18, 24 zu betreiben. Der Wechselrichter 56 richtet auch den von Elektromotoren 18, 24 gelieferten Wechselstrom in Gleichstrom zum Laden der Traktionsbatterie 52. Andere Ausführungsbeispiele des Antriebsstrangs 12 umfassen mehrere Wandler (nicht gezeigt), wie etwa einen Wandler, der jedem Elektromotor 18, 24 zugeordnet ist. Der VVC 10 enthält eine Induktionsanordnung 14.
Der Antriebsstrang 12 umfasst ein Getriebesteuermodul (TCM) 58 zum Steuern der Elektromotoren 18, 24, des VVC 10 und des Wechselrichters 56. Das TCM 58 kann unter anderem die Position, die Geschwindigkeit und den Energieverbrauch der Elektromotoren 18, 24 überwachen. Der TCM 58 überwacht auch elektrische Parameter (z. B. Spannung und Strom) an verschiedenen Stellen innerhalb des VVC 10 und des Wechselrichters 56. Das TCM 58 liefert Ausgangssignale, welche diesen Informationen entsprechen, an andere Fahrzeugsysteme.
Das Fahrzeug 16 umfasst eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC) 60, das mit anderen Fahrzeugsystemen und Steuerungen kommuniziert, um deren Funktion zu koordinieren. Obwohl es als einzelne Steuerung gezeigt ist, kann der VSC 60 mehrere Steuerungen umfassen, die verwendet werden können, mehrere Fahrzeugsysteme nach einer Gesamtfahrzeugsteuerlogik oder -software zu steuern.
Die Fahrzeugsteuerungen, einschließlich des VSC 60 und des TCM 58, haben im Allgemeinen eine beliebige Anzahl von Mikroprozessoren, ASICs, integrierten Schaltkreisen, (ICs), Speicher (z. B. FLASH, ROM, RAM, EPROM und / oder EEPROM) und Softwarecode, um miteinander zu kooperieren und Betriebsschrittfolgen durchzuführen. Die Steuerungen enthalten auch vorgegebene Daten oder "Nachschlagetabellen", die auf Berechnungen und Testdaten basieren und im Speicher gespeichert sind. Die VSC 60 kommuniziert mit anderen Fahrzeugsystemen und Steuerungen (z. B. dem BECM 54 und dem TCM 58) über eine oder mehrere drahtgebundene oder drahtlose Fahrzeugverbindungen unter Verwendung gemeinsamer Busprotokolle (z. B. CAN und LIN). Die VSC 60 empfängt den Eingang (PRND), der eine aktuelle Position des Antriebsstrang 12 darstellt (z.B. Park, Rückwärts, Neutral oder Antrieb). Die VSC 60 empfängt auch Eingaben (APP), die Fahrpedalstellungen darstellt. Die VSC 60 liefert eine Ausgabe, die ein Wunsch-Raddrehmoment, eine Wunsch-Motordrehzahl und einen Generatorbremsbefehl an den TCM 58 darstellt; sowie eine Kontaktsteuerung an das BECM 54.
Das Fahrzeug 16 enthält ein Motorsteuermodul (ECM) 64 zum Steuern des Verbrennungsmotors 20. Der VSC 60 liefert ein Ausgangssignal (Wunsch-Motordrehmoment) an das ECM 64, das auf einer Anzahl Eingangssignale einschließlich APP basiert und entspricht einem Fahrerwunsch nach Fahrzeugantrieb.
Wenn das Fahrzeug 16 ein PHEV ist, kann die Batterie 52 periodisch Wechselstrom von einer externen Stromversorgung oder -netz über einen Ladeanschluß 66 empfangen. Das Fahrzeug 16 enthält auch ein Bord-Ladegerät 68, das Wechselstrom vom Ladeanschluß 66 empfängt. Das Ladegerät 68 ist ein AC / DC-Wandler, der die empfangenen Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, der zum Laden der Batterie 52 geeignet ist. Im Gegenzug liefert das Ladegerät 68 Gleichstrom während des Aufladens an die Batterie 52. Obwohl im Zusammenhang mit einem PHEV 16 dargestellt und beschrieben, versteht es sich, dass der Wechselrichter 56 in anderen Arten von Elektrofahrzeugen, z. B. einem HEV oder einem BEV, implementiert werden kann.
In 2 ist ein elektrisches Schema des VVC 10 und des Wechselrichters 56 gezeigt. Die VVC 10 kann eine oder mehrere Leistungsstufen mit einer Transistorbasierten Schaltungsanordnung, wie bspw. einer Halbbrücke, umfassen. Jede Leistungsstufe enthält einen ersten Schaltkreis 70 und einen zweiten Schaltkreis 72 zur Verstärkung der Eingangsspannung (V_{_bat}), um eine Ausgangsspannung (V_{_dc}) bereitzustellen. Die erste Schaltkreis 70 kann einen ersten Transistor 74 umfassen, der parallel zu einer ersten Diode 76 geschaltet ist, jedoch geänderten Polarität hat (antiparallel). Die zweite Schaltkreis 72 kann einen zweiten Transistor 78 umfassen, der antiparallel zu einer zweiten Diode 80 geschaltet ist. Jeder Transistor 74, 78 kann irgendeine Art von steuerbarem Schalter t (Z.B. ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder Feldeffekttransistor (FET)) sein. Zusätzlich kann jeder Transistor 74, 78 einzeln durch den TCM 58 gesteuert werden. Die Wandleranordnung 14 ist als Eingangswandler dargestellt, der zwischen der Traktionsbatterie 52 und den Schaltkreisen 70, 72 in Reihe geschaltet ist. Der Wandler 14 erzeugt bei Stromfluß einen Magnetfluss. Wenn der sich der durch den Wandler 14 fließende Strom ändert, wird ein zeitvariables Magnetfeld erzeugt und eine Spannung induziert. Andere Ausführungsbeispiele des VVC 10 umfassen alternative Schaltungskonfigurationen.
Der Wechselrichter 56 kann mehrere Leistungsstufen mit einer auf Transistoren basiertenden Schaltkreisanordnung, wie bspw. in einer Baugruppe gestapelte Halbbrücken, umfassen. Jede Halbbrücke 82 kann eine positive Gleichstromleitung 84 besitzen, die mit einem positiven Gleichstromknoten der Batterie verbunden ist, und eine negative Gleichstromleitung 86, die mit einem negativen Gleichstromknoten der Batterie verbunden ist. Jede Halbbrücke 82 kann auch einen ersten Schaltkreis 88 und einen zweiten Schaltkreis 90 umfassen. Der erste Schaltkreis 88 kann einen ersten Transistor 92 umfassen, der parallel zu einer ersten Diode 94 geschaltet ist. Der zweite Schaltkreis 90 kann einen zweiten Transistor 96, der parallel zu einer zweiten Diode 98 geschaltet ist, beinhalten. Der erste und der zweite Transistor 92, 96 können IGBTs oder FETs sein. Die erste und die zweite Schaltkreis 88, 90 der Halbbrücke 82 wandeln den Gleichstrom der Batterie in einen Einphasen-Wechselstrom für die Wechselstromleitung 100 um. Jede Wechselstromleitung 100 ist elektrisch mit dem Elektromotor 18 oder dem Generator 24 verbunden.
Im Ausführungsbeispiel umfasst die VVC 10 zwei Leistungsstufen und der Wechselrichter neun Leistungsstufen (drei für den Generator 24 und sechs für den Elektromotor 18). In anderen Ausführungsbeispielen hat die VVC 10 eine Leistungsstufe und der Wechselrichter sechs Leistungsstufen (drei für den Generator 24 und drei für den Elektromotor 18). Die VVC-Leistungsstufen und die Wechselrichterleistungsstufen können identische Komponenten sein und allgemein als Leistungsstufen 82 bezeichnet werden. Sowohl die VVC-Leistungsstufen als auch die Wandlerleistungsstufen können in einem gemeinsamen Stapel angeordnet sein.
In 3 kann der Wechselrichter 56 auf einer Fahrzeugkomponente 110 angebracht sein, bspw. einer Körperstruktur, einem Rahmenelement oder einer Antriebsstrangkomponente. Der Wechselrichter 56 kann eine Leistungsmodulanordnung 112 umfassen, die elektrisch mit einem Leistungsverstärkerschaltkreis 111, einer Kondensator-Karte 116 und einem Steuerschaltkreis 118 verbunden ist. Die Leistungsmodulanordnung 112 kann mehrere Leistungsmoduln umfassen, die in einem Feld gestapelt sind und jeweils mindestens eine Halbbrücke, die in einer Leistungsstufe gepackt ist, haben.
Die 4 bis 19 und die zugehörige Diskussion beschreiben t Leistungsmodul-Baugruppen-Beispiele und deren Einzelkomponenten. Die Leistungsmodulbaugruppen können Teil eines Leistungselektroniksystems (bspw. eines Wechselrichters) sein. In 4 enthält ein Beispiel einer Leistungsmodulanordnung 120 mit vielen gestapelten Leistungsmoduln 122. Die Leistungsmodulanordnung 120 enthält ein erstes Leistungsmodul 124, das ein Ende des Stapels begrenzt und ein letztes Leistungsmodul 126, welches das andere Ende des Stapels begrenzt. Eine erste Endplatte 128 ist am ersten Modul 124 und eine zweite Endplatte 130 gegen das letzte Modul 126 angeordnet. Die Endplatten sandwhichen den Stapel und können diesen komprimieren, um den Zusammenhalt des Stapels zu unterstützen. Die Leistungsmodulanordnung 120 kann durch Klebstoff, Klammern oder Befestigungselemente, die sich durch die Leistungsmodulanordnung erstrecken, zusammenmontiert sein. Die Leistungsmodule 122 können alle gleich sein, oder die Leistungsmodulanordnung 120 umfasst mindestens zwei unterschiedliche Sätze Leistungsmoduln.
In 5 umfasst jedes Leistungsmodul 122 eine Leistungsstufe 132, welche die Halbleiterbauelemente enthält. Jede Leistungsstufe 132 kann einander gegenüberliegende Hauptseiten 110, gegenüberliegende Nebenseiten 112, eine Oberseite 138 und einen Boden 140 umfassen. Die Leistungsstufe 132 enthält auch einen positiven Gleichstromanschluss 142, einen negativen Gleichstromanschluss 144, einen Wechselstromanschluss 146 und mit den Halbleiterbauelementen der Leistungsstufe 132 elektrisch verbundene Signalstifte 148. Die Anordnung der Anschlüsse und Signalstifte kann je nach Ausführungsbeispiel variieren und ist nicht auf die gezeigte Konfiguration beschränkt. Bspw. können sich die Signalstifte 148 auf der linken Seite und die Anschlüsse 142, 144 und 146 auf der rechten Seite befinden. Eine erste Platte 150 ist die Außenoberfläche einer Hauptseite 110 und eine zweite Platte 152 die andere Außenoberfläche der Hauptseite 110 der Leistungsstufe 132. Die Platten 150, 152 können metallisch, aus Kunststoff, aus Komposit oder einer Kombination davon sein. Die Halbleiterbauelemente der Leistungsstufe 132 können mit Epoxyharz 154 oder einem anderen Füllstoff gefüllt sein, um die Halbleiterbauelemente gegenüber den Platten und anderen Komponenten elektrisch zu isolieren.
In 4, 6A–6C und 7 kann jedes Leistungsmodul 122 einen Körper 156 mit einer Frontseite 158, einer Rückseite 160, einer rechten Seite 162, einer linken Seite 164, einer Oberseite 166 und einer Unterseite 168, die entlang der Kanten miteinander verbunden sind, besitzen. Die Leistungsstufe 132 ist zumindest teilweise im Körper angeordnet. Der Körper 156 kann ein Polymer, bspw. Epoxyharz sein, das die Leistungsstufe 132 einkapselt. Teile der Leistungsstufe 132 können an mindestens einer Seite des Körpers 156 zugänglich sein. Bspw. können sich die Anschlüsse und die Signalstifte durch die linken und rechten Seite 162, 164 verlaufen und die Hauptseiten 110 können durch die Front- und Rückseite 158, 160 zugänglich sein
Die Leistungsmoduln 122 können im Stapel angeordnet sein, wobei die Frontseite 158 eines Moduls 122 an der Rückseite eines benachbarten Moduls und die Rückseite 160 an der Frontseite eines anderen benachbarten Moduls angeordnet ist. Eine Dichtung oder andere Dichtungseinrichtung kann zwischen aneinanderstoßenden Moduln liegen, um den Stapel abzudichten.
Ein Kühlmittelkreislauf kann innerhalb des Leistungsmoduls 122 ausgebildet sein, um Kühlmittel (bspw. ein Ethylenglykolgemisch) über die Leistungsstufen 132 zur Kühlung der Halbleiterbauelemente zu zirkulieren. Die Endplatten 128, 130 und die Leistungsmodule 122 umfassen Öffnungen, Passagen und Kanäle, die fluidisch miteinander verbunden sind und bilden den Kühlmittelkreislauf. Der Kühlmittelkreislauf kann parallel, seriell oder in einer Kombination von beiden angeordnet sein.
Das in den 6A–6C dargestellte Leistungsmodul 122 ist für einen seriellen Kühlmittelkreislauf ausgelegt. Im Beispiel sind die Leistungsmodule 122 alle gleich (d.h. identisch ausgelegt). Jedes Leistungsmodul 122 kann einen Kühlmittelkanal 172 besitzen, der durch die Frontseite 158 verläuft. Der Kühlmittelkanal 172 umfasst einen Boden 178 und eine Seitenwand 180, die sich zwischen der Außenfläche 170, der Frontseite 158 und dem Boden 178 erstreckt. Die Leistungsstufe 132 kann sich im Körper 156 befinden, so dass ein Teil des Bodens 178 durch die erste Platte 150 gebildet wird. Dadurch kann das Kühlmittel direkt über die erste Platte zirkulieren und die Kühleffizienz erhöhen, indem thermischer Widerstand zwischen dem Kühlmittel und der Leistungsstufe 132 entfernt wird.
Der Kühlmittelkanal 172 kann auch ein erstes Ende 174 und ein zweites Ende 176 umfassen. Das erste Ende 174 ist der Kühlmittelaufnahmebereich und der Ort, an dem das Kühlmittel in den Kanal 172 strömt. Eine Passage 182 innerhalb des Körper 156 erstreckt sich zwischen der Frontseite 158 und der Rückseite 160 und verbindet benachbarte Kühlmittelkanäle fluidisch. Anmerkung: Der Boden 178 gilt als Teil der Frontseite 158, obwohl er von der Front.-Außenoberfläche 170 nach innen zurückspringt. Die Passage 182 umfasst einen Einlaß 184 durch den Boden 178 nahe dem zweiten Ende 176 des Kanals, und einen Auslaß 186 durch die Rückseite 160. Die Passage 182 erstreckt sich diagonal (d.h die Passage erstreckt sich durch den Körper in einem schrägen Winkel relativ zur Front- oder Rückseite) durch den Körper 156, so dass die Einlässe- und Auslässe 184, 186 axial zueinander versetzt sind, wodurch die Öffnungen auf gegenüberliegenden Seiten der Längsmittellinie 188 des Körpers 156 liegen. In anderen Ausführungsbeispielen kann sich die Passage 182 diagonal erstrecken, so dass sich die Öffnungen auf gegenüberliegenden Seiten der radialen Mittellinie 190 des Körpers 156 befinden. Die diagonal verlaufende Passage 182 ermöglicht es dem Kühlmittel, jedes Modul 122 auf derselben Seite der Mittellinie 188 anzuströmen und zu verlassen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Auslaß 186 axial mit dem Kühlmitteleingang (erstes Ende) 174 ausgerichtet. Dadurch können alle Leistungsmodule 122 gleich sein, was die Kosten senken kann.
Jeder Auslaß 186 ist neben dem ersten Ende 174 des benachbarten Kühlmittelkanals angeordnet. Die Rückseiten 160 können im wesentlichen flach sein oder Kanäle aufweisen, die zum Kühlmittelkanal 172 passen. Wenn sie zusammengebaut wird, wirkt die Rückseite 160 mit der Frontseite 158 eines benachbarten Moduls 122 zusammen und stellt eine Decke für den Kühlmittelkanal 172 bereit. Die Leistungsstufe 132 kann im Körper 156 so positioniert sein, dass die zweite Platte 152 einen Abschnitt der Außenfläche der Rückseite 160 bildet. In einigen Ausführungsbeispielen kann die zweite Platte 152 im Wesentlichen bündig mit der Außenfläche 192 der Rückseite sein. Im Folgenden wird "im Wesentlichen bündig" verwendet, um zu erklären, dass zwei Flächen um bis 2 mm versetzt sind. Dadurch wird die zweite Platte 152 direkt mit dem durch den Kühlmittelkanal 172 zirkulierenden Kühlmittel in Kontakt gebracht.
Der Kühlmittelkanal 172 kann U-förmig sein, wobei die ersten Kühlkanalenden 174, 176 oberhalb der Oberseite 138 der Leistungsstufe 132 angeordnet sind und ein erstes Segment aufweisen, das sich vom ersten Kühlkanalende über die Leistungsstufe 132 zu einer Windung erstreckt, die in der Nähe des Bodens 140 der Leistungsstufe 132 liegt, und ein zweites Segment, das sich vom Windungsabschnitt zum zweiten Ende 176 erstreckt. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Kanal bspw. gerade, Z- oder W-förmig sein.
Jedes Modul 122 kann auch eine Rückführpassage 194 besitzen, die sich zwischen der Frontseite 158 und der Rückseite 160 unter einem Winkel erstreckt, der im Wesentlichen senkrecht zur Front- oder Rückseite ist. Jede Rückführpassage 194 bildet eine Rückführleitung, die sich axial durch den Stapel erstreckt. Die Rückführpassage 194 ist optional und wird nur benötigt, wenn die Fluidverbindungen für die Leistungsmodulanordnung 120 auf derselben Endplatte sein sollen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die erste Endplatte 128 einen Einlassanschluss 200 und einen Auslassanschluss 202. Die Anschlüsse 200, 202 verbinden sich mit Versor.gungs- und Rückführleitungen des Wärmemanagementsystems. Die Einlassöffnung 200 kann axial ausgerichtet in der Kühlmittelsammelfläche des ersten Moduls liegen und der Auslaß 202 kann mit der Rückführleitung 194 des ersten Moduls 124 ausgerichtet sein.
In 8 kann die zweite Endplatte 130 einen Kühlmittelkanal 204 zum Leiten von Kühlmittel vom Auslaß 186 des letzten Moduls 126 zur Rückführpassage 194 des letzten Moduls 126 besitzen. In Ausführungsbeispielen, in denen die Rückführpassage fehlt, enthält die zweite Endplatte eine Auslassöffnung, die mit der Austrittsöffnung ausgerichtet ist und mit der Rückführleitung des Wärmemanagementsystems verbunden ist. Der Kühlmittelkanal 204 umfasst einen Boden 210, der eine Vertiefung in der Außenfläche 214 der zweiten Endplatte 130 ist und eine Seitenwand 212, die sich zwischen dem Boden 210 und der Außenfläche 214 erstreckt. Die Kühlmittelkanäle 204 umfassen auch ein erstes Kühlmittelkanalende 206, das Fluid aufnimmt, das aus der Austrittsöffnung 186 des letzten Moduls 126 herausfließt, und ein zweites Ende 208, das neben der Rückführpassage 194 des letzten Moduls 126 angeordnet ist.
In den 9, 10 und 11 enthält eine weitere Leistungsmodulanordnung 250 viele Leistungsmoduln, die gestapelt zwischen einem Paar Endplatten 256, 258 angeordnet sind. Die Leistungsmodulanordnung 250 kann einen ersten Satz Leistungsmoduln 252 (A-Module) und einen zweiten Satz Leistungsmoduln 254 (B-Module), umfassen, die abwechselnd im Stapel angeordnet sind. Die A-Module 525 und die B-Module 254 können dieselbe Grundfläche und Form aufweisen, aber unterschiedlich geformte Kühlmittelkanäle und / oder unterschiedlich positionierte Passagen haben. Die Reihenfolge im Stapel entlang einer Stapellänge kann A, B, A, B usw. sein,. Der Stapel kann je nach Anzahl der Module mit einem A-Modul oder einem B-Modul enden. In diesem Beispiel ist das erste Modul 259 ein A-Modul und das letzte Modul 261 ebenfalls ein A-Modul. Jedes Modul enthält eine Leistungsstufe 280, die der oben beschriebenen Leistungsstufe 132 ähnlich sein kann.
Jedes Leistungsmodul (A-Modul) 252 kann einen Körper 260 mit einer Frontseite 262, einer Rückseite 264, einer Oberseite 266, einer Unterseite 268 und Seiten 269 umfassen. Jedes B-Modul 254 kann einen Körper 270 mit einer Frontseite 272, einer Rückseite 274, einer Oberseite 276, einem Boden 278 und Seiten 279 haben. Die Körper können Einrichtungen besitzen, die sich mit benachbarten Körpern unter Ausbildung eines sich durch den Stapel erstreckenden Kühlmittelkreislaufs verbinden. Der dargestellte Kühlmittelkreislauf ist in Reihe angeordnet. Die erste Endplatte 282 kann einen Auslassanschluss 255 und einen Einlassanschluss (nicht gezeigt) besitzen, die mit Versorgungs- und Rückführleitungen des Wärmemanagementsystems verbunden sind.
Jedes A-Modul 252 kann auch einen Front-Kühlmittelkanal 286 in der Frontseite 262 und einen hinteren Kühlmittelkanal 298 in der Rückseite 264 haben. Der Frontkanal 286 ist in der Außenoberfläche 288 der Frontseite 262 vertieft und umfasst einen Boden 290 und eine Seitenwand 292 zwischen dem Boden 290 und der Außenfläche 228. Der Rückkanal 298 ist in der Außenfläche 304 der Rückseite 264 vertieft und umfasst einen Boden 300 und eine Seitenwand 302, die sich zwischen dem Boden 300 und der Außenfläche 304 erstreckt. Die Leistungsstufe 280 kann im Körper 260 so angeordnet sein, dass eine erste Platte 282 einen Teil des Bodens 290 und eine zweite Platte 284 einen Teil des Bodens 300 bildet, wodurch Kühlmittel direkt über die Leistungsstufe 280 fließen kann. Eine erste Passage 310 durch den Körper 260 erstreckt sich zwischen der Frontseite 262 und der Rückseite 264. Die erste Passage 310 kann zwischen dem oberen Ende 266 und einem oberen Ende der Leistungsstufe 280 angeordnet sein. Die erste Passage 310 besitzt einen Einlass 312 im Boden 290 am zweiten Ende 296 des Frontkanals 286 und einen Auslass 314 im Boden 300 am ersten Ende 306 des hinteren Kanals 298. Die erste Passage 310 kann gerade den Körper 260 durchlaufen, so dass sie eine axiale Mittellinie der Passage 310 im Wesentlichen senkrecht zur Frontseite und / oder der Rückseite des Körpers 260 bildet.
Jedes B-Modul 254 kann auch einen Frontkühlmittelkanal 316 in der Frontseite 272 und einen hinteren Kühlmittelkanal 326 in der Rückseite 274 haben. Der Frontkanal 316 ist in der äußeren Oberfläche 336 der Frontseite 272 vertieft und umfasst einen Boden 322 und eine Seitenwand 324, die sich zwischen dem Boden 322 und der Außenfläche 336 erstreckt. Der hintere Kühlmittelkanal 326 ist in der Außenfläche 338 der Rückwand 274 vertieft und umfasst einen Boden 332 und eine Seitenwand 334, die sich zwischen dem Boden 332 und der Außenfläche 338 der Rückwand erstreckt. Die Leistungsstufe 280 kann im Körper 270 so angeordnet sein, dass die erste Platte 282 einen Teil des Bodens 322 bildet und eine zweite Platte 284 einen Teil des Bodens 332, wodurch das Kühlmittel direkt über die Leistungsstufe 280 fließt. Eine zweite Passage 340 verläuft durch den Körper 270 und erstreckt sich zwischen der Frontwand 272 und der Rückwand 274. Die Passage 340 kann zwischen dem Boden 278 und einer Oberseite der Leistungsstufe 280 angeordnet sein. Die Passage 340 umfasst einen Einlaß 342 im Boden 322 am zweiten Ende 320 des Frontkanals 316 und einen Auslass 344 im Boden 332 am ersten Ende 328 des Rückführkanals 326. Die Passage 340 kann gerade durch die Körper 270 verlaufen, so dass eine axiale Mittellinie der Passage 340 im Wesentlichen senkrecht zur Frontseite und / oder zur Rückseite des Körpers 270 ist. Der Kühlmitteleinlaß 174 des ersten Moduls 124 und der Auslassanschluss 202 können mit der Rückflußpassage 194 des ersten Moduls 124 ausgerichtet sein. In einigen Ausführungsformen können die A-Module 252 und die B-Module 254 nur einen Kühlmittelkanal auf einer Seite zum Modul enthalten, wie beispielsweise in 6A gezeigt ist.
Die Module können so gestapelt werden, dass die Vorderseite 262 eines A-Moduls 252 an der Rückseite 274 eines benachbarten B-Moduls 254 angeordnet ist und die Rückseite 264 des A-Moduls an der Vorderseite 272 eines weiteren benachbarten B-Moduls. Wenn gestapelt, arbeiten benachbarte vordere und hintere Kühlmittelkanäle zusammen, um Kühlmittelkammern 346 zu bilden, die mit den Modulen überlappen. Die Front- und hinteren Kühlmittelkanäle sind so geformt, dass sie sich beim Stapeln aneinander ausrichten. Beispielsweise ist der vordere Kanal 286 ein Spiegelbild des hinteren Kanals 298.
Die Passagen 310 und 340 verbinden die Kühlkammern 346 fluidisch miteinander, indem sie eine Fluidleitung bereitstellen, die sich durch die Moduln erstreckt. Im Betriebe verlässt bspw. Kühlmittel die erste Kühlkammer 346a über eine Kühlmittelpasage 310a. Die Austrittsöffnung 314 der Passage 310a befindet sich gegenüber dem Einlaß 318 des Frontkanals 316a. Der Empfangsbereich enthält keine Öffnung, um das Kühlmittel zu zwingen, generell nach unten über die Leistungsstufe 280 zum Einlaß 342 der Kühlmittelpassage 340a zu strömen. Kühlmittel strömt dann durch die Kühlmittelpassage 340a zur nächsten Kühlmittelkammer usw. über die Länge des Stapels nach unten.
Die Kanäle, Öffnungen und Passagen der Moduln können so verlaufen, dass Kühlmittel in einer ersten Richtung entlang der Frontseite und in einer zweiten Richtung entlang der Rückseite fließt, die generell entgegengesetzt zur ersten Richtung ist. Bspw. fließt für jedes A-Module 252 im allgemeinen Kühlmittel von oben nach unten entlang der Rückseite 264 und im allgemeinen von unten nach oben entlang der Frontseite 262. Beim B-Modul 254 kann umgekehrt das Kühlmittel im allgemeinen von oben nach unten entlang der Frontseite 272 und von unten nach oben entlang der Rückseite 272 fließen. Hierin bezeichnet der Begriff „im Allgemeinen fließt "die Gesamtströmungsrichtung des Kühlmittels im Gegensatz zur zufälligen Flussrichtung der einzelnen Moleküle der Flüssigkeit. Zum Beispiel ist der Kühlmittelstrom über die Rückseite 264 im Allgemeinen nach unten gerichtet, obwohl einige Kühlmittelmoleküle nach links, nach rechts oder auf einer Diagonale während ihrer Reise vom oberen Einlass zum unteren Auslass fließen können.
In einigen Ausführungsbeispielen können die Einlässe und Auslässe in der gleichen Endplatte angeordnet sein, wie bspw. der erste Endplatte 256. Wenn sich die Anschlüsse in derselben Endplatte befinden, ist eine Rückführleitung 348 erforderlich, um Kühlmittel vom letzten Modul 261 zum Auslaß auf der ersten Endplatte 256 rückzuführen. Die Rückführleitung 348 kann aus vielen Rückfühpassagen 350 bestehen. Jede Passage verläuft durch die Moduln und erstreckt sich zwischen einer entsprechenden Frontseite und Rückseite. Im Gegensatz zu den anderen Passagen 310, 340 können sich die Rückführpassagen 350 an der gleichen Stelle sowohl an den A-Moduln als auch an den B-Moduln befinden.
In 12 besitzt die erste Endplatte 256 einen Kühlmittelkanal 360, der mit dem Frontkanal 316 des ersten Moduls 259 zusammenarbeitet und die erste Kühlkammer 346a bildet. Der Kühlmittelkanal 360 kann in die erste Endplatte ähnlich den anderen Kühlmittelkanälen eingelassen sein. Der Kühlmittelkanal 360 umfasst ein erstes Ende 362, das mit dem Einlass 257 und ein zweites Ende 364, das mit dem Einlaß 312 der Passage 310a ausgerichtet ist.
In 13 besitzt die zweite Endplatte 258 einen Kühlmittelkanal 366, der mit dem Rückführkanal 298 des letzten Moduls 261 unter Bildung der letzten Kühlkammer 346b zusammenwirkt. Der Kühlmittelkanal 366 kann in die zweite Endplatte 258 ähnlich anderen Kühlmittelkanälen eingelassen sein. Der Kühlmittelkanal 366 hat ein erstes Ende 368, das mit dem zweiten Ende 308 des Rückführkanals 298 ausgerichtet ist, und ein zweites Ende 370, das mit der Rückführleitung 348 ausgerichtet ist.
In 14 enthält eine andere Leistungsmodulanordnung 400 einen ersten Satz Leistungsmoduln (A-Modul) 402 und einen zweiten Satz Leistungsmoduln (B-Moduln) 404, die abwechselnd entlang der Länge des Stapels angeordnet sind. Die erste Endplatte 406 und die zweite Endplatte 408 verbinden den Stapel von Moduln. Eine oder mehrere Endplatten können einen Einlass 410 und / oder einen Auslass 412 umfassen, der mit dem Wärmemanagementsystem verbunden ist. Jedes Module enthält Einrichtungen, die unter Bildung eines Kühlmittelkreislaufs, der sich durch die Leistungsmodulanordnung 400 zur Kühlung der Leistungsstufen erstreckt, zusammenwirken.
Der Kühlmittelkreislauf kann in einer kombinierten Parallelreihenschaltung angeordnet sein. Eine Parallelreihenschaltung ist eine Fluidschaltung, die zwei oder mehr parallele Schaltungen enthält, die in Reihe miteinander verbunden sind. 15 zeigt eine beispielhafte Parallelreihenschaltung 414. 15 ist eine schematische Darstellung des Kühlmittelflusses durch die Anordnung 400. Die in 15 gezeigten Linien und Kammern sind keine tatsächlichen Komponenten, die innerhalb der Anordnung 400 angeordnet sind Stattdessen umfasst die Anordnung 400 Passagen und Kanäle, die zusammenwirken, um die Grenzen der Verteiler und Kammern des in 15 gezeigten Kühlmittelkreislaufs 414 zu bilden.
Der Kühlmittelkreislauf 414 kann einen ersten parallelen Kühlmittelkreislauf 416 mit einem Versorgungsverteiler 422 und einem Rückführverteiler 424 umfassen. Der Kühlmittelkreislauf 414 enthält auch einen zweiten parallelen Kreislauf 418, der einen Versorgungsverteiler 428 und einen Rückführverteiler 430 enthält. Die parallelen Kreisläufe 416, 418 sind durch einen Verbindungskreislauf 420 fluidisch verbunden. Der Verbindungskreislauf 420 verbindet zwischen dem Rücklaufverteiler 424 und dem Versorgungsverteiler 428. Wie oben beschrieben, enthält die Leistungsmodulanordnung 400 mehrere Kühlmittelkammern, die zwischen benachbarten Moduln überlappen, um die Leistungsstufen zu kühlen. Der erste Kreislauf 416 kann erste Kammern 426 umfassen, die den Versorgungsverteiler 422 und den Rückführverteiler 424 fluidisch verbinden. Der zweite Kreislauf 418 kann zweite Kammern 432 umfassen, die den Versorgungsverteiler 428 und den Rückführverteiler 430 fluidisch verbinden
Der Versorgungsverteiler 422 kann sich nahe eines unteren linken Abschnitts der Anordnung 400 befinden und der Rücklaufverteiler 424 nahe eines oberen rechten Abschnitts der Anordnung 400 angeordnet sein. Somit fließt Kühlmittel durch die Kühlmittelkammern 426 nach unten. Der Versorgungsverteiler 428 kann sich in der Nähe eines oberen linken Abschnitts der Anordnung 400 befinden und der Rücklaufverteiler 430 kann nahe einem unteren rechten Abschnitt der Anordnung 400 angeordnet sein. Somit strömt Kühlmittel durch die Kühlmittelkammern 432 nach unten. Bei dieser Anordnung ist der Fluß in den Versorgungsverteilern 422, 428 in entgegengesetzten Richtungen, wie in den Rückführverteilern 424, 430. Der Fluß in den Kühlmittelkammern 426, 432 strömt ebenfalls allgemein entgegengesetzt. Der Verbindungskreislauf 420 kann an einem Ende der Anordnung 400 gegenüber den Einlässen und Auslässen 410, 412 angeordnet sein.
Parallele Kühlung und serielle Kühlung haben jeweils Vor- und Nachteile. Parallel ist vorzuziehen, wenn der Gesamtdruckverlust wichtig ist. Die Parallelschaltung der Kühlkanäle führt zu niedrigerem Druckabfall. Darüber hinaus können durch sorgfältige Auslegung des Kühlweges alle Kühlkanäle gleichzeitig die gleiche Menge an Kühlmittel passieren. Dies ermöglicht eine gleichmäßigere Kühlung jedes Halbleiters. Der Nachteil der Parallelkühlung ist die relativ geringe Durchflussmenge in jedem Kühlkanal. Andererseits hat die Reihenkühlung eine gleichmäßige Durchflussrate durch alle Kühlkanäle. Aber die Reihenkühlkreisläufe haben typischerweise einen höheren Gesamtdruckabfall, was für einige Systeme ein begrenzender Faktor ist. Die gemischt parallel-/serielle Kühlstrategie nutzt Vorteile sowohl der parallel- als auch der seriellen Kühlung und verringert die Nachteile. Die Kühlmittelströmungsrate in jedem Kanal ist höher als bei parallelen Kühldesigns und der Gesamtdruckabfall niedriger als bei seriellen Kkühldesigns.
In 16A und 16B kann jedes A-Modul 402 einen Körper 434 mit einer Frontseite 436 und einer Rückseite 438 umfassen. Die Frontseite 436 kann einen Kühlmittelkanal 440 mit einem Boden haben, der sich von einer Außenfläche zur Frontoberfläche erstreckt. Der Kühlmittelkanal 440 kann ein Einlassende 442 haben, das mit dem Versorgungsverteiler 422 verbunden ist und ein mit dem Rücklaufverteiler 424 verbundenes Auslassende 444. Im Betrieb fließt Kühlmittel vom Einlassende 442 über die Leistungsstufe 403 aus dem Auslassende 444. Die Rückseite 438 kann einen Kühlmittelkanal 446 mit einem Boden, der von einer Außenfläche des Rückseites vertieft ist, haben. Der Kühlmittelkanal 446 kann einen Einlass 448 haben, der mit dem Zufuhrverteiler 428 verbunden ist, und einen Auslass 450, der mit dem Rückführverteiler 430 verbunden ist.
Jedes A-Modul 402 kann vier Passagen 452, 454, 456 und 458 besitzen, die sich jeweils zwischen der Frontseite 436 und der Rückseite 438 erstrecken. Die Passage 452 bildet einen Abschnitt des Versorgungsverteilers 428, Passage 454 einen Abschnitt des Rückführverteilers 424, Passage 456 einen Abschnitt des Versorgungsverteilers 422 und die Passage 458 einen Abschnitt des Rückführverteilers 430. Auf der Frontseite 436 stehen die Passagen 454 und 456 in fluidischer Verbindung mit dem Frontkanal 440, damit Fluid über die Passagen in den Frontkanal 440 fließt und diesen wieder verlässt. Die Passagen 452 und 458 stehen nicht in Fluidverbindung mit dem Frontkanal 440 und das Kühlmittel fließt nicht aus diesen Passagen in den Kanal 440. Auf der Rückseite 438 stehen die Passagen 452 und 458 in fluidischer Verbindung mit dem Rückflußkanal 446, so daß Fluid in den Rückflußkanal 446 über die Passagen ein- und ausströmt. Die Passagen 454 und 456 stehen nicht in direkter Fluidverbindung mit dem Rückflußkanal 446 und das Kühlmittel fließt nicht aus diesen Passagen in den Kanal 446.
In 17A und 17B kann jedes B-Modul 404 einen Körper 460 mit einer Frontseite 462 und einer Rückseite 464 haben. Die Frontseite 462 kann einen Kühlmittelkanal 466 mit einem Boden besitzen, der sich von einer Außenfläche zur Front erstreckt. Der Kühlmittelkanal 466 kann einen Einlass 468 umfassen, der mit dem Versorgungsverteiler 428 verbunden ist und einen Auslass 470, der mit dem Rückführverteiler 430 verbunden ist. Im Betrieb fließt Kühlmittel vom Einlass 468 über die Leistungsstufe 403 aus dem Auslass 470. Die Rückseite 464 kann einen Kühlmittelkanal 472 mit einem Boden besitzen, der in einer Außenfläche der Rückseite vertieft ist. Der Kühlmittelkanal 472 kann einen Einlass 474 umfassen, der mit dem Zufuhrverteiler 422 verbunden ist und einen Auslass 476, der mit dem Rückführverteiler 424 verbunden ist.
Jedes B-Modul 404 kann vier Passagen 478, 480, 482 und 484 haben, die sich jeweils zwischen der Frontseite 462 und der Rückseite 464 erstrecken. Die Passage 478 bildet ein Segment des Versorgungsverteilers 428, die Passage 480 bildet einen Abschnitt des Rückführverteilers 424. Auf der Frontseite 465 sind die Passagen 478 und 484 in fluidischer Verbindung mit dem Frontkanal 466, so dass Fluid den Frontkanal 466 über die Passagen ein- und ausfließen kann. Die Passagen 480 und 482 stehen nicht in Fluidverbindung mit dem Frontkanal 466 und das Kühlmittel fließt nicht aus diesen Passagen in den Kanal 466. Auf der Rückseite 464 stehen die Passagen 480 und 482 in Fluidverbindung mit dem Rückführkanal 472, so daß Fluid in den Rückführkanal 472 über die Passagen fließt und diesen verläßt. Die Passagen 478 und 484 stehen nicht in Fluidverbindung mit dem Rückführkanal 472 und das Kühlmittel fließt nicht aus diesen Passagen in den Rückführkanal 472.
In 18 sind die Leistungsmoduln gestapelt, so dass die Rückseiten 438 der A-Moduln 402 gegen die Frontseite 462 der B-Moduln 404 und die Frontseite 436 der A-Moduln 402 gegen die Rückseite 464 der B-Moduln 404 angeordnet sind. Somit arbeiten die Frontkanäle 440 mit den Rückkanälen 472 zusammen und bilden die Kühlmittelkammern 426 des ersten Parallelen Kreislaufs 416 und die hinteren Kanäle 446 wirken mit den Frontkanälen 466 unter Bildung der Kühlmittelkammern 432 des zweiten Parallelen Kreislaufs 418 zusammen. Bei diesem Beispiel sind die Frontkanäle und die hinteren Kanäle jedes Moduls Teil eines anderen Parallelen Kreislaufs. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind für jedes A-Modul die Frontkanäle 440 Teil des ersten Parallelen Kreislaufs 416 und die hinteren Kanäle 446 sind Teil des zweiten Parallelen Kreislaufs 418 und für jedes B-Modul sind die Frontkanäle 466 Teil des zweiten Parallelen Kreislaufs 418 und die hinteren Kanäle 472 Teil des ersten Parallelen Kreislaufs 416.
In 19 kann die zweite Endplatte 408 einen flachen Kanal 488 haben, der mit dem benachbarten Rückführkanal 446 des letzten A-Moduls des Stapels unter Bildung der ersten Kühlmittelkammer 432 des zweiten Parallelen Kreislaufs 418 zusammenwirkt. Der flache Kanal 488 kann einen Boden 490 haben, der in der Außenfläche 492 der Endplatte vertieft ist. Da sich die Seitenwand 494 zwischen der Außenfläche 492 und dem Boden 490 erstreckt, kann die Endplatte 408 auch einen tiefen Kanal 496 umfassen, der den Verbindungskreislauf 420 begrenzt. Der tiefe Kanal 496 ist weiter in die Endplatte eingelassen als der flache Kanal 488. Der tiefe Kanal 496 kann einen Boden 498 und eine Seitenwand 500 haben. Teile der Seitenwand 500 erstrecken sich zwischen dem Boden 490 und dem Boden 498 und andere Abschnitte erstrecken sich zwischen der Außenfläche 492 der Endplatte und dem Boden 498. Die erste Endplatte 406 kann auch einen Kühlmittelkanal, der mit dem Frontkanal 440 des ersten Moduls zusammenwirkt, umfassen, um die erste Kühlmittelkammer 426 des ersten Parallelen Kreislaufs 416 zu bilden.
Während Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, sollen diese keineswegs alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst sind. Die in der Beschreibung verwendeten Worte sind beschreibend und nicht beschränkend, und selbstverständlich können verschiedene Änderungen vorgenommen werde, ohne vom Kern und Umfang der Erfindung abzuweichen. Wie beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispielen kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Während verschiedene Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, die Vorteile bieten oder gegenüber anderen Ausführungsbeispielen oder Ausführungsbeispielen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Merkmale bevorzugt sein können, erkennt der Fachmann, dass ein oder mehrere Merkmale verschlechtert sein können, um die erwünschten Gesamtsystemattribute, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen, zu erzielen. Diese Attribute können einschließen, sind aber nicht beschränkt auf Kosten, Robustheit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagevereinfachung usw. Als solche werden Ausführungsbeispiele beschrieben, die weniger wünschenswert als andere Ausführungsbeispiele des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere Merkmale sind, sie liegen aber keineswegs außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung und können für bestimmte Anwendungen erwünscht sein.
Bezugszeichenliste

10: variabler Spannungswandler (VVC)
12: Antriebsstrang
14: Wandleranordnung
16: Fahrzeug
18: Elektromotor
20: Verbrennungsmotor
24: zweiter Elektromotor
26: Planetenradgetriebe
28: Sonnenrad
30: Planetenradträger
32: Hohlrad
33: Generatorbremse
34: erstes Zahnrad,
36: zweites Zahnrad
38: drittes Zahnrad
40: Planetenradabtriebszahnrad
42: Abtriebszahnrad
44: Getriebeausgangszahnrad
45: Antriebswelle
48: angetriebene Räder
50: Differenzial
52: Traktionsbatterie
54: Batteriemagementmodul (BECM)
56: Wechselrichter
56: Getriebesteuermodul (TCM)
60: Fahrzeugsystemsteuerung (VSC)
64: Motorsteuerungsmodul ECM
66: Anschluß
68: Bordladegerät
70: erste Schalteinheit
72: zweite Schalteinheit
74: erster Transistor
76: erste Diode
78: zweiter Transistor
80: zweite Diode
82: Halbbrücke
84: positive Gleichstromleitung
86: negative Gleichstromleitung
88: erste Schalteinheit
90: zweite Schalteinheit
92: erster Transistor
94: erste Diode
96: zweiter Transistor
100: Wechselstromleitung
110: Hauptseite
111: Leistungsverstärkerschaltkreis
112: Leistungsmodulanordnung
116: Kondensatorkarte
118: Steuerplatine
120: Leistungsmodulanordnung
122: Leistungsmodul
124: erstes Leistungsmodul
126: letztes Leistungsmodul
128: erste Endplatte
130: zweite Endplatte
132: Leistungsstufe
138: Oberseite
140: Boden
142: positiver Gleichstromversorgungsanschluss
144: negativen Gleichstromversorgungsanschluss
146: Wechselstromversorgungsanschluss
148: Signalstifte
150: erste Platte
152: zweite Platte
154: Epoxyharz
156: Körper
158: Frontseite
160: Rückseite
162: rechte Seite
164: linke Seite
166: Oberseite
168: Unterseite
170: Außenfläche
172: Kühlmittelkanal
174: erstes Kühlmittelkanalende
176: zweites Kühlmittelkanalende
178: Kühlmittelkanalboden
180: Elektromotor
182: Passage
184: Einlaß
186: Auslaß
190: radiale Mittellinie
192: Rückseite
194: Rückführpassage
200: Einlassanschluss
202: Auslassanschluss.
204: Kühlmittelkanal
206: erstes Kühlmittelkanalende
208: zweites Kühlmittelkanalende
210: Boden
212: Seitenwand
214: Außenfläche
228: Außenfläche
250: Leistungsmodulanordnung
252: Leistungsmodul (A-Modul)
254: zweiter Satz Leistungsmoduln (B-Module),
255: Auslassanschluss
256: Endplatte
258: Endplatte
259: erstes Modul
260: Körper
261: letztes Modul
262: Frontseite
264: Rückseite
266: Oberseite
268: Unterseite
269: Seiten
270: Körper
272: Frontwand
274: Rückwand
276: Oberseite
278: Boden
279: Seiten
280: Leistungsstufe
282: erste Endplatte
284: zweite Platte
286: Front-Kühlmittelkanal
288: Außenoberfläche
290: Boden
292: Seitenwand
296: zweites Ende des Frontkühlmittelkanals
298: Rückkanal 298
300: Boden
302: Seitenwand
304: Außenfläche von 264
306: erste Ende 306 von Kanal 298
308: zweites Ende des hinteren Kanals 298
310: erste Passage durch Körper 260
310a: Kühlmittelpassage.
312: Eingangsöffnung
314: Auslass im Boden 300
316: Frontkühlkanal
318: Einlaß des Frontkanals 316a
324: Seitenwand
326: hinterer Kühlmittelkanal in der Rückseite 274
332: Boden
334: Seitenwand
336: Außenfläche
338: Außenfläche der Rückwand 274
340: zweite Passage durch den Körper 270
340a: Kühlmittelpassage
342: Eintrittsöffnung
344: Auslassöffnung
346: Kühlkammern
346a: erste Kühlkammer
348: Rückführleitung
350: Rückführpassage
360: Kühlmittelkanal
362: erstes Ende
364: zweites Ende
366: Kühlmittelkanal
346b: letzte Kühlkammer
368: erstes Ende,
270: zweites Ende, mit der Rückführleitung 348 ausgerichtet
400: Leistungsmodulanordnung
402: ersten Satz Moduln (A-Modul)
403: Leistungsstufe
404: zweiter Satz Leistungsmoduln (B-Moduln)
406: erste Endplatte
408: zweite Endplatte
410: Einlass
412: Auslassanschluss
414: Parallelreihenschaltung
416: erste Parallelschaltung / Kühlmittelkammer
418: zweite Parallelschaltung
420: Verbindungsschaltung
422: Versorgungsverteiler
424: Rückführverteiler
426: erste Kammer
428: Versorgungsverteiler
430: Rückführverteiler
432: zweite Kammern
430: Rückführverteiler
434: Körper
436: Frontseite
438: Rückseite
440: Front-Kühlmittelkanal
442: Einlassende
444: Auslassende
446: Rücklauf-Kühlmittelkanal
448: Einlassende 448
450: Aduslassende
452, 454, 456 und 458: Passagen im A-Modul
460: Körper
462: Frontseite der B-Moduln
464: Rückseite
466: Kühlmittelkanal
468: Einlass
470: Auslass
472: Rückfluß-Kühlmittelkanal
474: Einlassende
476: Auslassende
478, 480, 482, 484: Passagen
488: flacher Kanal
490: Boden
492: Außenfläche
494: Seitenwand
496: tiefer Kanal
498: Boden von 496
500: Seitenwand von 496

Claims

Leistungselektronik-Baugruppe (120, 250) mit: Leistungsmodulen, die jeweils einen Körper (156, 260, 270, 434, 460) eine im Körper angeordnete Leistungsstufe (82, 132, 280, 403) mit gegenüberliegenden Hauptseiten (110, 262, 264; 158, 160, 436, 438) und einen Kühlmittelkanal (172, 204, 286, 298, 326, 316, 366, 440, 446, 466, 472, 488) aufweisen, der im Körper (156, 260, 270, 434, 460) neben einer Hauptseite liegt, wobei die Moduln (122, 126, 220, 252, 254, 402, 404,) gestapelt sind, so dass die Kühlmittelkanäle mit den Leistungsstufen überlappen und mindestens einer der Körper eine Passage (182, 294, 450, 450a, 350, 452, 454, 546, 458) besitzt, die sich zwischen benachbarten Kanälen erstreckt.
Leistungselektronik-Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Körper (156, 260, 270, 434, 460) eine Außenfläche aufweist und der Kühlmittelkanal (172, 204, 286, 298, 326, 316, 366, 440, 446, 466, 472, 488) in den Körper eingelassen ist, so dass sich eine Seitenwand des Kühlmittelkanals von der Außenfläche (170, 192, 214, 228, 304, 336, 338, 492) zu einer Hauptseite der Leistungsstufe (280, 403) hin erstreckt.
Leistungselektronik-Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Passage eine Öffnung aufweist, die durch einen Boden (140, 210, 278, 290, 300, 322, 332, 490, 498) des Kühlmittelkanals verläuft.
Leistungselektronik-Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Passage ein erstes Ende auf einer Seite einer Längsmittellinie des Körpers und ein zweites Ende auf der anderen Seite der Längsmittellinie besitzt.
Leistungselektronik-Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Passage ein erstes Ende aufweist, das auf einer Seite einer Quer-Mittellinie des Körpers angeordnet ist, und ein zweites Ende, das auf der anderen Seite der Quer-Mittellinie angeordnet ist.
Leistungselektronik-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kühlmittelkanal einen in den Körper eingelassenen Boden aufweist, so dass eine der Hauptseiten (110) der Leistungsstufe (82, 132, 280, 403) einen Teil des Bodens bildet, wodurch Kühlmittel direkt über die Leistungsstufe (82, 132, 280, 403) fließt.
Leistungselektronik-Baugruppe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kondensatorkarte (116), die mit jeder Leistungsstufe (82, 132, 280, 403) elektrisch verbunden ist; und einen Leistungsverstärkerschaltkreis (111), der elektrisch mit jeder Leistungsstufe verbunden ist.