-
Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronikeinheit mit wenigstens einer Leiterplatte und mit einer Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Gattungsgemäße Leistungselektronikeinheiten sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Diese umfassen eine Leiterplatte - wie beispielsweise eine DBC-Platte (DBC: Direct Bonded Copper), - an der elektrische Bauteile - wie beispielsweise Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), MetallOxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder Dioden - angeordnet und verschaltet sind. Beim Betreiben der Leistungselektronikeinheit wird in den elektrischen Bauteilen Verlustleistung erzeugt, die zum Erhitzen der elektrischen Bauteile in der Leistungselektronikeinheit führt. Die aktuelle Arbeitstemperatur der elektrischen Bauteile hängt dabei von einem elektrischen Stromfluss in diesen ab und darf die maximal zulässige Betriebstemperatur nicht überschreiten. Die Betriebstemperatur hängt dabei von dem Betriebspunkt - Strom, Spannung, Frequenz, Phasenwinkel, Modulationsgrad - und Kühlung ab. Die maximal zulässige Betriebstemperatur sowie die Anzahl der Temperaturwechsel stellen somit einen limitierenden Faktor beim Betreiben der Leistungselektronikeinheit dar.
-
Um die Verlustleistung abzuführen und dadurch die elektrischen Bauteile vor Beschädigung und vor Ausfall zu schützen, müssen diese gekühlt werden. Dies kann direkt oder indirekt erfolgen. Bei einer indirekten Kühlung ist das elektrische Bauteil über eine thermische Anbindungsschicht - ein sogenanntes Thermisches Interface Material (TIM) - an eine Wärmesenke - beispielsweise eine von einem Kühlfluid durchströmbare Kühlplatte - angebunden. Da die Anbindungsschicht einen erheblichen Beitrag zum thermischen Widerstand leistet, sollte bei hohen Wärmestromdichten die Leistungselektronikeinheit direkt ohne die Anbindungsschicht gekühlt werden. Dabei bildet die Leiterplatte eine Wandung eines mit dem Kühlfluid durchströmbaren Kanals. Da die Leiterplatte - wie beispielsweise eine DBC-Platte - durch die Keramikplatte elektrisch isolierend ist, ist keine zusätzliche Isolierung der elektrischen Bauteile von dem Kühlfluid notwendig und die Leiterplatte sowie die elektrischen Bauteile können direkt gekühlt werden.
-
Bei den bereits bekannten Kühlkonzepten können jedoch an der Leiterplatte lokale Temperaturerhöhungen - sogenannte Hot-Spots - entstehen. Diese entsprechen den einzelnen sich erwärmenden elektrischen Bauteilen. Die lokalen Temperaturerhöhungen sind für das effiziente Betrieben der Leistungselektronik ausschlaggebend und bestimmen die aktuelle Arbeitstemperatur der Leistungselektronikeinheit. Nachteiligerweise können dadurch die sich weniger erwärmenden elektrischen Bauteile und dadurch die Leistungselektronikeinheit insgesamt nicht optimal betrieben werden.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für eine Leistungselektronikeinheit der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einer Leistungselektronikeinheit entstehende lokale Temperaturerhöhungen - sogenannte Hot-Spots - gezielt zu nivellieren, um dadurch die Leistungselektronikeinheit effektiver betreiben zu können. Eine Leistungselektronikeinheit weist wenigstens eine Leiterplatte und eine Kühlvorrichtung. Die wenigstens eine Leiterplatte weist dabei wenigstens ein Elektronikbauteil auf, das in einem Wärmeübertragungsbereich an einer Elektronikseite der wenigstens einen Leiterplatte flächig wärmeübertragend anliegt. Die Kühlvorrichtung weist dabei wenigstens einen Prallstrahlraum auf, der von einem Kühlfluid von einem Einlass zu einem Auslass durchströmbar ist. Der Prallstrahlraum ist ferner an einer der Elektronikseite gegenüberliegenden Kühlseite mit der wenigstens einen Leiterplatte wärmeübertragend verbunden, so dass die in dem wenigstens einen Elektronikbauteil erzeugte Verlustleistung in dem Wärmeübertragungsbereich an das Kühlfluid in dem Prallstrahlraum abgegeben werden kann. Erfindungsgemäß weist die Kühlvorrichtung wenigstens eine Düsenplatte mit wenigstens einer Strömungsdüse auf. Die Düsenplatte ist in dem Prallstrahlraum angeordnet und teilt diesen in wenigstens einen einlassseitigen Einlassraum und in wenigstens einen auslassseitigen Auslassraum auf. Dabei sind der wenigstens eine Einlassraum und der wenigstens eine Auslassraum über die wenigstens eine Strömungsdüse miteinander fluidisch verbunden. Ferner ist die wenigstens eine Strömungsdüse beabstandet zu dem Wärmeübertragungsbereich des wenigstens einen Elektronikbauteils angeordnet, so dass die wenigstens eine Strömungsdüse das durch den Einlass einströmende Kühlfluid zu dem Wärmeübertragungsbereich des Elektronikbauteils hin beschleunigt und leitet. Der Prallstrahlraum kann zumindest einseitig durch die Leiterplatte nach außen abgegrenzt sein.
-
In der erfindungsgemäßen Leistungselektronikeinheit strömt das Kühlfluid aus dem Einlass in den Einlassraum und wird über die wenigstens eine Strömungsdüse in den Auslassraum geleitet. Die Düsenplatte stellt auf diese Weise ein sogenanntes Plenumsrohr dar. Die wenigstens eine Strömungsdüse ist dabei beabstandet zu dem Wärmeübertragungsbereich des wenigstens einen Elektronikbauteils angeordnet, so dass das aus der Strömungsdüse ausströmende Kühlfluid zu dem Wärmeübertragungsbereich hin beschleunigt und geleitet wird. Das Kühlfluid trifft dabei auf die Kühlseite der Leiterplatte in dem Wärmeübertragungsbereich mit einer hohen Geschwindigkeit in Form eines Prallstrahls auf, wodurch der Wärmeübergangskoeffizient an dem Wärmeübertragungsbereich erhöht wird.
-
Unter der hohen Geschwindigkeit ist dabei zu verstehen, dass die Geschwindigkeit des aus der Strömungsdüse strömenden Kühlfluids vor dem Aufprall auf die Leiterplatte wesentlich höher als die Geschwindigkeit des Kühlfluids nach dem Aufprall auf die Leiterplatte und vor dem Austritt aus dem Auslassraum ist. Ein dem Wärmeübergangskoeffizient entsprechender Wärmestrom zwischen dem Kühlfluid und der Leiterplatte kann dadurch in dem Wärmeübertragungsbereich gezielt erhöht werden. Da die in dem wenigstens einen Elektronikbauteil erzeugte Verlustleistung in dem Wärmeübertragungsbereich an das Kühlfluid abgegeben wird, kann dadurch das Elektronikbauteil gezielt gekühlt werden und dadurch die lokalen Temperaturerhöhungen in der Leiterplatte gezielt nivelliert werden. Auf diese vorteilhafte Weise kann die aktuelle Arbeitstemperatur des wenigstens einen Elektronikbauteils reduziert und dadurch insgesamt die Leistungselektronikeinheit effizienter betrieben werden. Ist der Prallstrahlraum einseitig durch die Leiterplatte begrenzt, so kann die Leiterplatte unmittelbar von dem Kühlfluid umströmt und dadurch direkt gekühlt werden. Ist die Leiterplatte eine DBC-Platte, so kann die jeweilige Leistungselektronikeinheit durch eine Keramikplatte von dem Kühlfluid elektrisch isoliert sein. Insbesondere ist dadurch keine zusätzliche Isolierung der jeweiligen Leistungselektronikeinheit von dem Kühlfluid notwendig und die Leiterplatte sowie die jeweilige Leistungselektronikeinheit können effizient gekühlt werden.
-
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Strömungsdüse in der Düsenplatte durch eine Düsenöffnung und eine die Düsenöffnung umlaufende und von der Düsenplatte abstehende und in den Auslassraum gerichtete Düsenwandung gebildet ist. Die Düsenöffnung weist einen Strömungsquerschnitt auf, der die Geschwindigkeit des Kühlfluids beim Durchströmen der Düsenöffnung bestimmt. Dabei kann der Strömungsquerschnitt derart angepasst sein, dass das Kühlfluid auf die Leiterplatte in dem Wärmeübertragungsbereich mit einer hohen Geschwindigkeit trifft. Durch die Düsenwand kann dabei das Kühlfluid zu dem Wärmeübertragungsbereich geleitet werden.
-
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Düsenplatte in dem Prallstrahlraum parallel und beabstandet zu der wenigstens einen Leiterplatte angeordnet ist und die wenigstens eine Strömungsdüse auf den Wärmeübertragungsbereich unter einem Strahlwinkel gerichtet ist. Der Strahlwinkel kann dabei zwischen 30° und 150° liegen, liegt jedoch bevorzugt zwischen 80° und 100°. Der Strahlwinkel kann als ein Winkel zwischen einer Strahlachse des Kühlfluids und der Düsenplatte definiert sein. Der Strahlwinkel gibt folglich an, unter welchem Winkel zu der Düsenplatte das Kühlfluid aus der Strömungsdüse austritt. Weist die Düsenplatte mehrere nebeneinander angeordnete Strömungsdüsen auf, so können diese durch unterschiedliche Strahlwinkel in denselben Wärmeübertragungsbereich gerichtet sein und das wenigstens eine Elektronikbauteil in diesem Wärmeübertragungsbereich besonders intensiv gekühlt werden.
-
Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Leistungselektronikeinheit ist vorgesehen, dass ein Strömungsquerschnitt des wenigstens einen Einlassraumes sich von dem Einlass weg verkleinert und ein Strömungsquerschnitt des wenigstens einen Auslassraumes sich zu dem Auslass hin vergrößert. Auf diese vorteilhafte Weise kann die Geschwindigkeit des Kühlfluids in dem Einlassraum konstant gehalten werden, wodurch bei mehreren nebeneinander angeordneten Strömungsdüsen das Kühlfluid durch alle Strömungsdüsen mit einer gleichen Geschwindigkeit ausströmt und unabhängig von der Anordnung der Strömungsdüse zu dem Einlass eine identische Kühlwirkung der Leiterplatte durch die jeweilige Strömungsdüse bewirkt wird. Um die Geschwindigkeit des Kühlfluids auch in dem Auslassraum konstant zu halten, vergrößert sich entsprechend der Strömungsquerschnitt des Auslassraumes zu dem Auslass hin. Der jeweilige Strömungsquerschnitt ist dabei quer zur Hauptfließrichtung des Kühlfluids in dem Auslassraum oder in dem Einlassraum zu bestimmen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass ein Strömungsquerschnitt des wenigstens einen Einlassraumes und ein Strömungsquerschnitt des wenigstens einen Auslassraumes konstant sind.
-
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Einlassraum durch wenigstens einen Zulaufkanal gebildet ist, der den Einlass und die wenigstens eine Strömungsdüse fluidisch miteinander verbindet. Der wenigstens eine Zulaufkanal kann dabei einerseits durch die wenigstens eine Düsenplatte und anderseits durch wenigstens eine an der Düsenplatte anliegend festgelegte Abdeckplatte abgegrenzt sein. Auf diese Weise kann das Kühlfluid gezielt zu der wenigstens einen Strömungsdüse geleitet werden und zudem kann der Aufbau der Kühlvorrichtung vereinfacht werden. Vorteilhafterweise kann der wenigstens eine Auslassraum mit dem Auslass über wenigstens einen Ablaufkanal fluidisch verbunden sein, der einerseits durch die Düsenplatte und anderseits durch die Abdeckplatte abgegrenzt ist. Der wenigstens eine Ablaufkanal kann dabei mit dem Auslassraum über eine in der Düsenplatte ausgebildete Auslassöffnung fluidisch verbunden sein, die den wenigstens einen Ablaufkanal mit dem Auslassraum durch die Düsenplatte hindurch fluidisch verbindet. Vorteilhafterweise kann der wenigstens eine Zulaufkanal in der Düsenplatte und/oder in Abdeckplatte ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der wenigstens eine Ablaufkanal in der Düsenplatte und/oder in Abdeckplatte ausgebildet sein. Der wenigstens eine Zulaufkanal und der wenigstens eine Ablaufkanal können alternativ oder zusätzlich parallel zueinander angeordnet sein.
-
Zusätzlich kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass in der wenigstens einen Düsenplatte wenigstens zwei Strömungsdüsen benachbart ausgebildet sind und die wenigstens eine Auslassöffnung zwischen den benachbarten Strömungsdüsen angeordnet ist. Dadurch kann das Kühlfluid durch die Strömungsdüsen in den Auslassraum zuströmen und im Bereich zwischen den benachbarten Strömungsdüsen aus dem Auslassraum durch die Auslassöffnung ausströmen. Beim Aufprallen des Kühlfluids auf die Leiterplatte in dem Wärmeübertragungsbereich entstehen in dem Auslassraum seitlich an den jeweiligen Strömungsdüsen Wirbelbereiche. Bei den benachbarten Strömungsdüsen fallen diese Wirbelbereiche im Bereich zwischen den benachbarten Strömungsdüsen zusammen. Durch die in diesem Bereich angeordnete Auslassöffnung strömt das Kühlfluid aus dem Auslassraum aus, so dass der Druckverlust beim Rückströmen des Kühlfluids aus dem Auslassraum minimiert wird. Dadurch kann die Effizienz der Kühlvorrichtung erhöht und die Leistungselektronikeinheit effizienter betrieben werden.
-
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Auslassraum mit dem Auslass über wenigstens einen Seitenablaufkanal fluidisch verbunden ist. Der wenigstens eine Seitenablaufkanal kann dabei seitlich an der wenigstens einen Leiterplatte und der wenigstens einen Düsenplatte durch wenigstens eine Seitenplatte nach außen abgegrenzt sein. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung können der Auslassraum und der Einlassraum thermisch voneinander entkoppelt werden. Ferner kann die senkrecht zur Kühlfläche definierte Höhe der Kühlvorrichtung und dadurch der Bauraumbedarf für die Leistungselektronikeinheit reduziert werden. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Einlassraum mit dem Einlass über wenigstens eine in der Seitenplatte ausgebildete Einlassöffnung verbunden ist. Die Einlassöffnung kann dabei den Einlassraum durch die Seitenplatte hindurch mit dem Einlass verbinden.
-
Bei einer Weiterbildung der Leistungselektronikeinheit kann vorgesehen sein, dass die Leistungselektronikeinheit zwei einander mit der Kühlseite zugewandte Leiterplatten aufweist, zwischen denen der Prallstrahlraum angeordnet ist. Die Leistungselektronikeinheit kann zudem zwei aneinander angeordnete Düsenplatten aufweisen, die zueinander hin den wenigstens einen Einlassraum und zu den Leiterplatten hin zumindest bereichsweise den Auslassraum abgrenzen. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Leistungselektronikeinheit können zwei Leiterplatten durch die Kühlvorrichtung gekühlt werden, wodurch die Kühleffizienz in der Leistungselektronikeinheit erhöht werden kann. Ferner kann dadurch der für die Leistungselektronikeinheit notwendige Bauraum und das Eigengewicht der Leistungselektronikeinheit reduziert werden. Bei dieser Ausgestaltung der Leistungselektronikeinheit kann der wenigstens eine Auslassraum mit dem Auslass über wenigstens einen Seitenablaufkanal fluidisch verbunden sein. Der wenigstens eine Seitenablaufkanal kann dabei seitlich an den Leiterplatten und den Düsenplatten durch wenigstens eine Seitenplatte nach außen abgegrenzt sein. Zusätzlich kann der Einlassraum mit dem Einlass über wenigstens eine in der Seitenplatte ausgebildete Einlassöffnung verbunden sein. Die Einlassöffnung kann dabei den Einlassraum durch die Seitenplatte hindurch mit dem Einlass verbinden.
-
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Düsenplatte mehrere Strömungsdüsen aufweist, die nebeneinander angeordnet sind und wenigstens einen Strömungsbereich an der Düsenplatte bilden. Der wenigstens eine Strömungsbereich der wenigstens einen Düsenplatte kann dabei dem wenigstens einen Wärmeübertragungsbereich der wenigstens einen Leiterplatte gegenüberliegend und beabstandet angeordnet sein. Die in zu dem Strömungsbereich angeordneten Strömungsdüsen sind dabei zweckgemäß zu dem Wärmeübertragungsbereich gerichtet, so dass das Elektronikbauteil in dem Wärmeübertragungsbereich besonders effizient und intensiv durch die mehreren Strömungsdüsen gekühlt wird. Denkbar ist, dass die Düsenplatte mehrere solche Strömungsbereiche aufweist, die an der Düsenplatte verteilt angeordnet sind. Die jeweiligen Strömungsbereiche können dabei einzeln oder in Gruppen mehreren Wärmeübertragungsbereichen an der Kühlseite der Leiterplatte zugeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können auch die mehreren Wärmeübertragungsbereiche einzeln oder in Gruppen den jeweiligen Strömungsbereichen zugeordnet sein. Die einzelnen Strömungsbereiche können sich voneinander durch die Anzahl, die Anordnung, den Abstand zueinander oder die Ausrichtung der Strömungsdüsen unterscheiden. Grundsätzlich kann die Ausgestaltung des jeweiligen Strömungsbereichs an das Elektronikbauteil in dem korrespondierenden Wärmeübertragungsbereich angepasst sein. Beispielweise können der Strömungsbereich zum Kühlen eines sich strak erwärmenden Elektronikbauteils - wie beispielweise eines Halbleiters oder einer Diode - mehr Strömungsdüsen als der Strömungsbereich zum Kühlen eines sich schwach erwärmenden Elektronikbauteils aufweisen. Auf diese vorteilhafte Weise können die Temperaturunterschiede - sogenannte Hot-Spots - an der Leiterplatte nivelliert werden und dadurch die Leistungselektronikeinheit effizient betrieben werden.
-
Zusammenfassend können in der Leistungselektronikeinheit die sich schwach erwärmenden Elektronikbauteile und die sich strak erwärmenden Elektronikbauteile unterschiedlich intensiv gekühlt werden. Dadurch können die Temperaturunterschiede der Leiterplatte nivelliert werden, wodurch die Leistungselektronikeinheit effizient betrieben werden kann.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
-
Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 einen grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikeinheit in einer Schnittansicht;
- 2 eine mögliche Ausgestaltung einer Düsenplatte in einer Kühlvorrichtung einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikeinheit in einer Draufsicht;
- 3 eine mögliche Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikeinheit in einer Schnittansicht;
- 4 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikeinheit in einer ersten Ausführungsform;
- 5 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikeinheit in einer zweiten Ausführungsform;
- 6 und 7 Schnittansichten einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikeinheit in einer dritten Ausführungsform.
-
1 zeigt einen grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikeinheit 1 in einer Schnittansicht. Die Leistungselektronikeinheit 1 weist eine Leiterplatte 2 - hier eine DBC-Platte - mit einer Elektronikseite 2a und einer Kühlseite 2b auf. An der Elektronikseite 2a sind zwei Elektronikbauteile 3a und 3b - beispielsweise IGBT, MOSFET, Diode, Halbleiter oder auch andere - festgelegt, die über Leiterdrähte 4 miteinander elektrisch verschaltet und mit einer Schutzschicht 25 bedeckt sind. Das jeweilige Elektronikbauteil 3a und 3b liegt in einem Wärmeübertragungsbereich 5a und 5b an der Leiterplatte 2 wärmeübertragend an. Zum Kühlen der Elektronikbautele 3a und 3b weist die Leistungselektronikeinheit 1 eine Kühlvorrichtung 6 auf. Die Kühlvorrichtung 6 weist dabei einen Prallstrahlraum 7 auf, der von einem Kühlfluid 8 von einem Einlass 9 zu einem Auslass 10 durchströmbar ist. Der Prallstrahlraum 7 ist an die Kühlseite 2b der Leiterplatte 2 wärmeübertragend verbunden, wobei die Leiterplatte 2 den Prallstrahlraum 7 einseitig nach außen abgrenzt. Die in dem jeweiligen Elektronikbauteil 3a oder 3b erzeugte Verlustleistung wird in dem jeweiligen Wärmeübertragungsbereich 5a oder 5b an das Kühlfluid 8 in dem Prallstrahlraum 7 abgegeben und dadurch wird das jeweilige Elektronikbauteil 3a oder 3b direkt gekühlt.
-
Zum gezielten Kühlen der Elektronikbauteile 3a und 3b weist die Kühlvorrichtung 6 eine Düsenplatte 11 mit mehreren Strömungsdüsen 12 auf. Die jeweilige Strömungsdüse 12 ist dabei durch eine Düsenöffnung 20 in der Düsenplatte 11 gebildet. Die Düsenplatte 11 teilt den Prallstrahlraum 7 in einen einlassseitigen Einlassraum 13 und in einen auslassseitigen Auslassraum 14 auf, so dass der Einlassraum 13 und der Auslassraum 14 ausschließlich durch die Strömungsdüsen 12 miteinander fluidisch verbunden sind. Die Düsenplatte 11 ist dabei parallel und beabstandet zu der Leiterplatte 2 angeordnet, so dass der Einlassraum 13 bereichsweise durch die Düsenplatte 11 und eine Abdeckplatte 15 und der Auslassraum 14 bereichsweise durch die Leiterplatte 2 und die Düsenplatte 11 nach au-ßen abgegrenzt sind. In 1 ist nur ein Ausschnitt der Leistungselektronikeinheit 1 im Schnitt gezeigt. Es versteht sich von selbst, dass der Einlassraum 13 und der Auslassraum 14 auch seitlich geschlossen sind und nach außen ausschließlich über den Einlass 9 und den Auslass 10 fluidisch verbunden sind.
-
In der Leistungselektronikeinheit 1 strömt das Kühlfluid 8 aus dem Einlass 9 in den Einlassraum 13 und wird über die Strömungsdüsen 12 in den Auslassraum 14 geleitet, wie mit Pfeilen angedeutet. Das Kühlfluid 8 wird beim Durchströmen der Strömungsdüsen 12 zu dem jeweiligen Wärmeübertragungsbereich 5a oder 5b des jeweiligen Elektronikbauteils 3a oder 3b beschleunigt. Das Kühlfluid 8 trifft dabei auf die Kühlseite 2b der Leiterplatte 2 in dem jeweiligen Wärmeübertragungsbereich 5a oder 5b mit einer hohen Geschwindigkeit in Form eines Prallstrahls auf und der Wärmeübergangskoeffizient an dem Wärmeübertragungsbereich 5a oder 5b wird dadurch erhöht. Ein dem Wärmeübergangskoeffizient entsprechender Wärmestrom zwischen dem Kühlfluid 8 und der Leiterplatte 2 kann dadurch in dem jeweiligen Wärmeübertragungsbereich 5a oder 5b gezielt erhöht werden. Da die in dem jeweiligen Elektronikbauteil 3a und 3b erzeugte Verlustleistung in dem Wärmeübertragungsbereich 5a und 5b an das Kühlfluid 8 abgegeben wird, kann dadurch das Elektronikbauteil 3a und 3b gezielt gekühlt werden.
-
Die Strömungsdüsen 12 sind nebeneinander angeordnet und bilden zwei Strömungsbereiche 16a und 16b an der Düsenplatte 11. Der jeweilige Strömungsbereich 16a und 16b ist dem jeweiligen Wärmeübertragungsbereich 5a und 5b gegenüberliegend angeordnet, so dass das aus den Strömungsdüsen 12 in dem jeweiligen Strömungsbereich 16a oder 16b ausströmende Kühlfluid 8 gezielt das Elektronikbauteil 3a oder 3b in dem jeweiligen Wärmeübertragungsbereich 5a oder 5b kühlt. Die Strömungsbereiche 16a und 16b unterscheiden sich voneinander durch die Anzahl der Strömungsdüsen 12 pro Fläche und somit durch die Leistungsdichte. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Strömungsbereich 16a mehr Strömungsdüsen 12 pro Fläche und entsprechend eine höhere Leistungsdichte auf. Wie mit Pfeilen angedeutet, erwärmt sich das Elektronikbauteil 3a stärker als das Elektronikbauteil 3b und wird durch den Strömungsbereich 16a auch stärker als das Elektronikbauteil 3b gekühlt. Somit ist in diesem Ausführungsbeispiel die Leistungsdichte der Strömungsbereiche 16a und 16b an die Wärmestromdichte der Elektronikbauteile 3a und 3b in den jeweiligen Wärmeübertragungsbereichen 5a und 5b angepasst. Auf diese Weise werden in der Leistungselektronikeinheit 1 die lokalen Temperaturerhöhungen an der Leiterplatte 2 gezielt nivelliert. Die aktuelle Arbeitstemperatur der jeweiligen Elektronikbauteile 3a und 3b wird dadurch reduziert und die Leistungselektronikeinheit 1 kann insgesamt effizienter betrieben werden.
-
2 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung der Düsenplatte 11 zum Kühlen einer Halbbrücke mit einer Diode und einem IGBT. Die Düsenplatte 11 weist hier insgesamt zehn identische Strömungsbereiche 16 auf, die in vier Gruppen angeordnet sind. Das jeweilige Strömungsbereich 16 weist mehrere Strömungsdüsen 12 auf, die zum Kühlen des einzelnen Elektronikbauteils 3 vorgesehen sind.
-
3 zeigt eine mögliche Weiterbildung des Prallstrahlraums 7 in einer Schnittansicht. In diesem Ausführungsbeispiel verkleinert sich ein Strömungsquerschnitt des Einlassraumes 13 von dem Einlass 9 weg und ein Strömungsquerschnitt des Auslassraumes 14 vergrößert sich zu dem Auslass 10 hin. Dadurch bleibt der Volumenstrom des Kühlfluids 8 durch die jeweiligen in diesem Ausführungsbeispiel identischen Strömungsdüsen 12 konstant und das Kühlfluid 8 strömt durch alle Strömungsdüsen 12 mit einer gleichen Geschwindigkeit aus. So kann unabhängig von der Anordnung der Strömungsdüse 12 an dem Einlass 9 eine identische Kühlwirkung an der Leiterplatte 2 erzielt werden. Insgesamt kann durch eine derartige Ausgestaltung des Einlassraumes 13 und des Auslassraumes 14 die Leistungselektronikeinheit 1 effizient gekühlt werden.
-
4 zeigt eine Schnittansicht der Leistungselektronikeinheit 1 in einer ersten Ausführungsform. Hier ist der Einlassraum 13 durch Zulaufkanäle 17 gebildet, die den Einlass 9 - hier nicht zu sehen - und die Strömungsdüsen 12 fluidisch miteinander verbinden. Die Zulaufkanäle 17 sind dabei in der Düsenplatte 11 ausgebildet und sind einerseits durch die Düsenplatte 11 und anderseits durch die Abdeckplatte 15 abgegrenzt. Der Auslassraum 14 ist mit dem Auslass 10 - hier nicht zu sehen - über einen Ablaufkanal 18 fluidisch verbunden, der in der Abdeckplatte 15 ausgebildet ist. Der Ablaufkanal 18 ist einerseits durch die Düsenplatte 11 und anderseits durch die Abdeckplatte 15 abgegrenzt und mit dem Auslassraum 14 über eine in der Düsenplatte 11 ausgebildete Auslassöffnung 19 durch die Düsenplatte 11 hindurch fluidisch verbunden. Die Zulaufkanäle 17 und der Ablaufkanal 18 sind parallel zueinander angeordnet und verlaufen senkrecht zu der Zeichnungsebene.
-
Die beiden Strömungsdüsen 12 sind zum Kühlen der Elektronikbauteile 3a und 3b auf der leiterplatte 2 vorgesehen und sind nebeneinander in der Düsenplatte 11 angeordnet. Die Auslassöffnung 19 ist zwischen den Strömungsdüsen 12 angeordnet, so dass nach dem Aufprallen des Kühlfluids 8 auf die Wärmeübertragungsbereiche 5a und 5b der Leiterplatte 2 seitlich an den jeweiligen Strömungsdüsen 12 entstehende Wirbelströme zwischen den Strömungsdüsen 12 zusammenlaufen. Die Auslassöffnung 19 ist vorteilhafterweise in dem Bereich der zusammenlaufenden Wirbelströme angeordnet, so dass das Kühlfluid 8 direkt in den Ablaufkanal 18 und weiter zu dem Auslass 10 - hier nicht zu sehen - strömt. Dadurch können der Druckverlust in dem Auslassraum 14 minimiert und die Effizienz der Kühlvorrichtung erhöht werden. Die Strömung des Kühlfluid 8 in dem Auslassraum 14 ist mit Pfeilen angedeutet.
-
In dieser Ausführungsform der Leistungselektronikeinheit 1 sind die jeweiligen Strömungsbereiche 16a und 16b durch jeweils eine Strömungsdüse 12 gebildet.
-
Die jeweilige Strömungsdüse 12 ist dabei durch die Düsenöffnung 20 und eine Düsenwandung 23 gebildet, die die Düsenöffnung 20 umläuft und von der Düsenplatte 11 in den Auslassraum 14 absteht. Die Geschwindigkeit des Kühlfluids 8 beim Durchströmen der Düsenöffnung 20 beziehungsweise der Strömungsdüse 12 kann dabei durch einen Strömungsquerschnitt angepasst sein. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Strömungsdüsen 12 unter einem Strahlwinkel gleich 90° zu der Kühlseite 2b der Leiterplatte 2 ausgerichtet, so dass das Kühlfluid 8 über den kürzesten Weg zu dem Wärmeübertragungsbereichen 5a und 5b geleitet wird und unter dem Strahlwinkel gleich 90° auf die Leiterplatte 2 aufprallt.
-
5 zeigt eine Schnittansicht der Leistungselektronikeinheit 1 in einer zweiten Ausführungsform. Hier ist der Einlassraum 13 - identisch zu der ersten Ausführungsform - durch die Zulaufkanäle 17 gebildet, die einerseits durch die Düsenplatte 11 und andererseits durch die Abdeckplatte 15 nach außen abgegrenzt sind. Zum Ablaufen des Kühlfluids 8 aus dem Auslassraum 14 ist bei dieser Ausführungsform der Leistungselektronikeinheit 1 Seitenablaufkanäle 21 vorgesehen, die an der Leiterplatte 2 und an der Düsenplatte 11 seitlich angeordnet und durch jeweils eine Seitenplatte 22 nach außen abgegrenzt sind. Im Übrigen entspricht der Aufbau der hier gezeigten Leistungselektronikeinheit 1 der Leistungselektronikeinheit 1 in der ersten Ausführungsform. Die Strömung des Kühlfluid 8 in dem Auslassraum 14 ist mit Pfeilen angedeutet.
-
6 und 7 zeigen Schnittansichten der Leistungselektronikeinheit 1 in einer dritten Ausführungsform. Die Leistungselektronikeinheit 1 weist zwei Leiterplatten 2 auf, die mit der jeweiligen Kühlseite 2b einander zugewandt angeordnet sind. Zwischen den Leiterplatten 2 ist der Prallstrahlraum 7 angeordnet. Ferner weist die Leistungselektronikeinheit 1 zwei aneinander angeordnete Düsenplatten 11 auf, die zueinander hin den Einlassraum 13 und zu den Leiterplatten 2 hin den Auslassraum 14 abgrenzen. Seitlich ist der Auslassraum 14 durch die Seitenplatte 22 abgegrenzt, die zudem die Seitenablaufkanäle 21 abgrenzen. Der Einlassraum 13 ist mit dem Einlass 9 über eine in einer der Seitenplatten 22 ausgebildete Einlassöffnung 24 durch die jeweilige Seitenplatte 22 hindurch verbunden. Im Übrigen entspricht der Aufbau der hier gezeigten Leistungselektronikeinheit 1 der Leistungselektronikeinheit 1 in der zweiten Ausführungsform. Die Strömung des Kühlfluid 8 in dem Prallstrahlraum 7 ist mit Pfeilen angedeutet.
-
Zusammenfassend können in der Leistungselektronikeinheit 1 die sich schwach erwärmenden Elektronikbauteile 3b und die sich strak erwärmenden Elektronikbauteile 3a unterschiedlich intensiv gekühlt werden. Dadurch können die Temperaturunterschiede an der Leiterplatte 2 nivelliert werden, wodurch die Leistungselektronikeinheit 1 effizient betrieben werden kann.
