DE102018220998B4 - Power electronics arrangement with efficient cooling - Google Patents

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Abstract

Leistungselektronikanordnung (100, 101), aufweisend:- ein leistungselektronisches Bauelement (9);- ein Wärmeleitelement (11, 13);- einen Schaltungsträger (1) zum Tragen des Bauelements (9), der ein Durchgangsloch (2, 14) zur Aufnahme des Wärmeleitelements (11, 13) aufweist;- einen Kühlkörper (7) zur Kühlung der Leistungselektronikanordnung, der ein Sackloch (3) zur Aufnahme des Wärmeleitelements (11, 13) aufweist;- wobei der Schaltungsträger (1) auf dem Kühlkörper (7) aufliegt und mit dem Kühlkörper (7) thermisch verbunden ist;- das Wärmeleitelement (11, 13) in dem Durchgangsloch (2, 14) und dem Sackloch (3) angeordnet ist, mit dem Kühlkörper (7) an zwei oder mehr dem Kühlkörper (7) zugewandten Seiten thermisch verbunden ist und auf einer von dem Kühlkörper (7) abgewandten Seite eine Verbindungsfläche (4) aufweist; und- das Bauelement (9) auf der Verbindungsfläche (4) aufliegt und mit dem Wärmeleitelement (11, 13) direkt thermisch verbunden ist;- wobei der Kühlkörper (7) ferner einen Kühlkanal (6) zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit oder eines Kühlwassers aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass- der Kühlkörper (7) ferner einen Vorsprung (10) aufweist;- wobei der Vorsprung (10) sich von der Kühlflüssigkeit oder dem Kühlwasser an zwei oder mehr Seiten umströmbar in den Kühlkanal (6) erstreckt;- wobei das Sackloch (3) sich in dem Vorsprung (10) befindet.Power electronics arrangement (100, 101), comprising: - a power electronic component (9); - a heat-conducting element (11, 13); - a circuit carrier (1) for carrying the component (9), which has a through hole (2, 14) for receiving of the heat-conducting element (11, 13); - a heat sink (7) for cooling the power electronics arrangement, which has a blind hole (3) for receiving the heat-conducting element (11, 13); - the circuit carrier (1) on the heat sink (7) rests and is thermally connected to the heat sink (7); - the heat-conducting element (11, 13) is arranged in the through hole (2, 14) and the blind hole (3), with the heat sink (7) on two or more of the heat sink ( 7) is thermally connected to the sides facing it and has a connecting surface (4) on a side facing away from the heat sink (7); and- the component (9) rests on the connecting surface (4) and is directly thermally connected to the heat-conducting element (11, 13);- the heat sink (7) further has a cooling channel (6) for passing a cooling liquid or cooling water through, characterized in that - the heat sink (7) further has a projection (10); - the projection (10) extends into the cooling channel (6) so that the cooling liquid or the cooling water can flow around it on two or more sides; - the blind hole (3) is located in the projection (10).

Description

Technisches Gebiet:Technical area:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronikanordnung mit einer effizienten Kühlung, insb. für ein Hybridelektro-/Elektrofahrzeug.The present invention relates to a power electronics arrangement with efficient cooling, especially for a hybrid electric/electric vehicle.

Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:State of the art and object of the invention:

Leistungselektronikanordnungen, insb. für Hybridelektro-/Elektrofahrzeuge, weisen funktionsbedingt hohe Verlustleistungen und somit starke Abwärme auf, die zeitnah zu deren Entstehung von den Leistungselektronikanordnungen abgeführt werden müssen.Power electronics arrangements, especially for hybrid electric/electric vehicles, have high power losses due to their function and therefore a lot of waste heat, which must be dissipated by the power electronics arrangements as soon as they are created.

Die Druckschrift WO 92 / 22 090 A1 beschreibt eine elektronische Baugruppe mit einem im Betrieb Wärme erzeugenden elektronischen Gerät und einem wärmeleitenden Substrat, das über ein wärmeleitendes Material mit dem Gerät thermisch verbunden ist.The publication WO 92/22 090 A1 describes an electronic assembly with an electronic device that generates heat during operation and a heat-conducting substrate that is thermally connected to the device via a heat-conducting material.

Die Druckschrift US 2009/0 159 905 A1 beschreibt eine lichtemittierende Baugruppe mit einem Kühlkörper und einer lichtemittierenden Einheit, die zur Wärmeübertragung mit dem Kühlkörper verbunden ist. Die Einheit weist ein Substrat auf, das mit einem Durchgangsloch ausgebildet ist. Der Kühlkörper ist so am Substrat befestigt, dass ein Kühlkörper-Teil durch das Durchgangsloch hineinragt und mit der Einheit thermisch verbunden ist.The publication US 2009/0 159 905 A1 describes a light-emitting assembly with a heat sink and a light-emitting unit connected to the heat sink for heat transfer. The unit includes a substrate formed with a through hole. The heat sink is attached to the substrate such that a heat sink portion protrudes through the through hole and is thermally connected to the unit.

Die Druckschrift DE 20 2014 006 215 U1 beschreibt eine Leiterplatte mit einem zu kühlenden Baustein und einer Ausnehmung, innerhalb derer ein wärmeleitfähiges Kühlplättchen positioniert ist. Der Baustein ist mit dem Kühlplättchen thermisch verbunden.The publication DE 20 2014 006 215 U1 describes a circuit board with a component to be cooled and a recess within which a thermally conductive cooling plate is positioned. The module is thermally connected to the cooling plate.

Die Druckschrift US 5 094 769 A beschreibt eine wärmeleitende Verbindung, die die Leistungsverlustfähigkeit von leistungsstarken elektrischen Komponenten verbessert. Die Verbindung umfasst einen flüssigen Träger mit darin dispergierten thermischen Füllstoffpartikeln und einem Haftvermittler.The publication US 5,094,769 A describes a thermally conductive compound that improves the power dissipation capability of high-performance electrical components. The compound comprises a liquid carrier with thermal filler particles dispersed therein and an adhesion promoter.

Die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung besteht darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der eine Leistungselektronikanordnung effizient gekühlt werden kann.The object of the present application is to provide a possibility with which a power electronics arrangement can be cooled efficiently.

Beschreibung der Erfindung:Description of the invention:

Diese Aufgabe wird durch Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This task is solved by the subject matter of claim 1. Advantageous refinements are the subject of the subclaims.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Leistungselektronikanordnung bereitgestellt.According to a first aspect of the invention, a power electronics arrangement is provided.

Die Leistungselektronikanordnung weist mindestens ein leistungselektronisches Bauelement, mindestens ein Wärmeleitelement und mindestens einen Schaltungsträger zum Tragen des Bauelements sowie mindestens einen Kühlkörper zur Kühlung der Leistungselektronikanordnung auf. Der Schaltungsträger weist mindestens ein Durchgangsloch zur Aufnahme des Wärmeleitelements auf. Der Kühlkörper weist mindestens ein Sackloch zur Aufnahme des Wärmeleitelements auf. Der Schaltungsträger liegt auf dem Kühlkörper auf und ist mit dem Kühlkörper thermisch verbunden.The power electronics arrangement has at least one power electronics component, at least one heat-conducting element and at least one circuit carrier for carrying the component and at least one heat sink for cooling the power electronics arrangement. The circuit carrier has at least one through hole for receiving the heat-conducting element. The heat sink has at least one blind hole for receiving the heat-conducting element. The circuit carrier rests on the heat sink and is thermally connected to the heat sink.

Das Wärmeleitelement ist in dem Durchgangsloch und dem Sackloch angeordnet und mit dem Kühlkörper an zwei oder mehr dem Kühlkörper zugewandten Seiten thermisch verbunden. Mit anderen Worten, das Wärmeleitelement erstreckt sich von dem Durchgangsloch bis zu dem Sackloch. Das Wärmeleitelement weist auf einer von dem Kühlkörper abgewandten Seite eine Verbindungsfläche auf. Das Bauelement liegt auf der Verbindungsfläche auf und ist mit dem Wärmeleitelement direkt thermisch verbunden.The heat-conducting element is arranged in the through hole and the blind hole and is thermally connected to the heat sink on two or more sides facing the heat sink. In other words, the heat-conducting element extends from the through hole to the blind hole. The heat-conducting element has a connecting surface on a side facing away from the heat sink. The component rests on the connection surface and is directly thermally connected to the heat-conducting element.

Der Kühlkörper weist ferner einen Kühlkanal zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit oder eines Kühlwassers und mindestens einen Vorsprung auf, wobei der Vorsprung sich von der Kühlflüssigkeit oder dem Kühlwasser an zwei oder mehr Seiten umströmbar in den Kühlkanal erstreckt. Dabei befindet sich das Sackloch in dem Vorsprung.The heat sink further has a cooling channel for passing a cooling liquid or a cooling water through and at least one projection, the projection extending into the cooling channel so that the cooling liquid or the cooling water can flow around it on two or more sides. The blind hole is in the projection.

Hierbei ist ein Schaltungsträger Träger für (leistungs-)elektronische Bauelemente. Sie dienen der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung für die (leistungs-)elektronischen Bauelemente.A circuit carrier is a carrier for (power) electronic components. They are used for mechanical fastening and electrical connection for the (power) electronic components.

Hierbei bedeutet der Ausdruck „eine direkte thermische Verbindung“, dass die thermische Verbindung (insb. nur) über eine gut wärmeleitende direkte Verbindung, mittels bspw. Löten, Schweißen oder Kleben, hergestellt sind, insb. ohne bzw. mit einem nur vernachlässigbar geringen thermischen Widerstand der Verbindung.Here, the expression “a direct thermal connection” means that the thermal connection (in particular only) is made via a good heat-conducting direct connection, for example by means of soldering, welding or gluing, in particular without or with only a negligible thermal connection Resistance of the connection.

Dadurch, dass das Wärmeleitelement einerseits mit dem wärmeerzeugenden Bauelement über die Verbindungsfläche direkt thermisch verbunden ist und andererseits sich durch das Durchgangsloch an dem Schaltungsträger und bis zu dem Sackloch in dem Kühlkörper erstreckt, bildet dies einen direkten Wärmeübertragungsweg von dem Bauelement zu dem Kühlkörper. Dadurch, dass das Wärmeleitelement in dem Sackloch mit dem Kühlkörper an zwei oder mehr dem Kühlkörper zugewandten Seiten und somit dreidimensional thermisch verbunden ist, erfolgt die Wärmeübertragung von dem Wärmeleitelement an den Kühlkörper nicht nur über eine Kontaktebene (bspw. nur eine Stirnfläche des Wärmeleitelements), sondern über gesamte Oberflächen des im Sackloch befindlichen Abschnitts des Wärmeleitelements. Dies ermöglicht eine flächig ausgedehnte dreidimensionale Wärmeübertragung von dem Wärmeleitelement an den Kühlkörper mit einer verbesserten Temperaturspreizung.Because the heat-conducting element is, on the one hand, directly thermally connected to the heat-generating component via the connecting surface and, on the other hand, extends through the through hole on the circuit carrier and up to the blind hole in the heat sink, this forms a direct heat transfer path from the component to the heat sink. Because the heat-conducting element is in the blind hole with the heat sink on two or more sides facing the heat sink and thus thermally connected in three dimensions, the heat transfer from the heat-conducting element to the heat sink takes place not only via a contact plane (e.g. only one end face of the heat-conducting element), but over entire surfaces of the section of the heat-conducting element located in the blind hole. This enables a flat, three-dimensional heat transfer from the heat-conducting element to the heat sink with an improved temperature spread.

Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, mit der eine Leistungselektronikanordnung effizient gekühlt werden kann.This provides a possibility with which a power electronics arrangement can be cooled efficiently.

Das leistungselektronische Bauelement kann dabei über seine thermisch leitende Verbindungsfläche auf der von dem Kühlkörper abgewandten Stirnfläche des Wärmeleitelements körperlich und somit auch thermisch gut leitend angebunden werden. Sind die Verbindungsfläche des Bauelements und die Stirnfläche des Wärmeleitelements als lötfähige Verbindungsflächen ausgebildet, so kann das Bauelement über seine Verbindungsfläche direkt auf der Stirnfläche des Wärmeleitelements aufgelötet werden.The power electronic component can be connected physically and thus also in a thermally conductive manner via its thermally conductive connection surface on the end face of the heat-conducting element facing away from the heat sink. If the connecting surface of the component and the end face of the heat-conducting element are designed as solderable connecting surfaces, the component can be soldered directly to the end face of the heat-conducting element via its connecting surface.

Bspw. ist das Wärmeleitelement mit dem Schaltungsträger einstückig ausgebildet. Insb. ist das Wärmeleitelement in dem Schaltungsträger integriert. Das Wärmeleitelement kann dabei auf verschiedenste Art und Weise in dem Durchgangsloch angeordnet und mit dem Schaltungsträger körperlich verbunden sein. Bspw. ist das Wärmeleitelement an dem Schaltungsträger verlötet oder in dem Durchgangsloch eingepresst.For example, the heat-conducting element is formed in one piece with the circuit carrier. In particular, the heat-conducting element is integrated in the circuit carrier. The heat-conducting element can be arranged in the through hole in a variety of ways and physically connected to the circuit carrier. For example, the heat-conducting element is soldered to the circuit carrier or pressed into the through hole.

Bspw. ist die Verbindungsfläche des Wärmeleitelements zu einer von dem Kühlkörper abgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers flächenbündig ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine planare elektrische Anbindung des Bauelements mit dem Schaltungsträger bzw. Leiterbahnen auf dem Schaltungsträger und zugleich der thermischen Anbindung des Bauelements mit dem Wärmeleitelement.For example, the connecting surface of the heat-conducting element is designed to be flush with a surface of the circuit carrier facing away from the heat sink. This enables a planar electrical connection of the component to the circuit carrier or conductor tracks on the circuit carrier and at the same time the thermal connection of the component to the heat-conducting element.

Bspw. ist das Wärmeleitelement aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder einer wärmeleitenden Keramik oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet. Das Wärmeleitelement kann bspw. als ein zylindrischer Pin oder mit einem stangenförmigen Profil, wie z. B. Stab, ausgebildet sein.For example, the heat-conducting element is made of a metal or a metal alloy or a heat-conducting ceramic or aluminum or an aluminum alloy or copper or a copper alloy. The heat-conducting element can be, for example, as a cylindrical pin or with a rod-shaped profile, such as. B. rod.

Bspw. ist die Verbindungsfläche des Wärmeleitelements als eine lötfähige Fläche ausgebildet ist, und das Bauelement eine flächig ausgedehnte Lötfläche aufweist, die auf der Verbindungsfläche aufgelötet ist.For example, the connecting surface of the heat-conducting element is designed as a solderable surface, and the component has an extensive soldering surface that is soldered onto the connecting surface.

Bspw. ist das Wärmeleitelement zylinderförmig ausgebildet. Entsprechend weisen das Durchgangsloch und das Sackloch bspw. ein entsprechendes negatives weitgehend konturentreues zylinderförmiges Profil auf.For example, the heat-conducting element is cylindrical. Accordingly, the through hole and the blind hole, for example, have a corresponding negative, largely true-to-contour cylindrical profile.

Bspw. weist das Wärmeleitelement quer zu dessen Haupterstreckungsrichtung betrachtet einen T-förmigen Querschnitt auf. Analog zu dem Wärmeleitelement weist das Durchgangsloch bspw. in der Haupterstreckungsrichtung betrachtet einen T-förmigen Querschnitt auf.For example, the heat-conducting element has a T-shaped cross section when viewed transversely to its main extension direction. Analogous to the heat-conducting element, the through hole has a T-shaped cross section, for example when viewed in the main extension direction.

Bspw. weist das Wärmeleitelement an einem von dem Schaltungsträger abgewandten Ende einen konvexen oder kugelsegmentförmigen Endabschnitt auf. Analog weist das Sackloch bspw. eine zu dem Endabschnitt korrespondierende konkave oder kugelsegmentflächenförmige Bodenfläche auf.For example, the heat-conducting element has a convex or spherical segment-shaped end section at an end facing away from the circuit carrier. Analogously, the blind hole has, for example, a concave or spherical segment-shaped bottom surface corresponding to the end section.

Bspw. weist die Leistungselektronikanordnung ferner ein verformbares Wärmeleitmaterial (auf Englisch „Thermal Interface Material, TIM“) auf, das zwischen dem Wärmeleitelement und dem Kühlkörper und somit in dem Sackloch angeordnet ist und das Wärmeleitelement und den Kühlkörper miteinander thermisch verbindet und zugleich Fertigungstoleranzen zwischen dem Wärmeleitelement und dem Kühlkörper ausgleicht.For example, the power electronics arrangement further has a deformable heat-conducting material (“Thermal Interface Material, TIM”), which is arranged between the heat-conducting element and the heat sink and thus in the blind hole and thermally connects the heat-conducting element and the heat sink to one another and at the same time allows manufacturing tolerances between the Heat-conducting element and the heat sink are balanced.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:Short description of the drawings:

Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

  • 1 in einer schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungselektronikanordnung eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
  • 2 in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer weiteren Leistungselektronikanordnung eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawing. Show:
  • 1 in a schematic cross-sectional representation a section of a power electronics arrangement of a hybrid electric/electric vehicle according to a first exemplary embodiment of the invention; and
  • 2 in a further schematic cross-sectional representation a section of a further power electronics arrangement of a hybrid electric/electric vehicle according to a second exemplary embodiment of the invention.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:Detailed description of the drawings:

1 zeigt in einer schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungselektronikanordnung 100 eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. 1 shows a schematic cross-sectional representation of a section of a power electronics arrangement 100 of a hybrid electric/electric vehicle according to a first exemplary embodiment of the invention.

Die Leistungselektronikanordnung 100, bspw. ausgebildet als ein Inverter, weist einen Kühlkörper 7 zur Kühlung der Leistungselektronikanordnung 100 und einen Schaltungsträger 1 mit leistungselektronischen Bauelementen 9, wie z. B. Leistungshalbleiterschalter, auf.The power electronics arrangement 100, for example designed as an inverter, has a heat sink 7 for cooling the power electronics array voltage 100 and a circuit carrier 1 with power electronic components 9, such as. B. power semiconductor switch.

Der Kühlkörper 7 ist bspw. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet und weist einen Kühlkanal 6 zum Durchleiten eines Kühlwassers auf. Ferner weist der Kühlkörper 7 mehrere domförmig oder Kühlpin-artig ausgebildete Vorsprünge 10 auf, die sich von dem Kühlwasser an zwei oder mehr Seiten umströmbar in den Kühlkanal 6 erstrecken. Der Kühlkörper 7 weist Sacklöcher 3 zur Aufnahme von nachfolgend zu beschreibenden Wärmeleitelementen 11 auf, die zylinderförmig ausgebildet sind und sich jeweils in einem der Vorsprünge 10 befinden.The heat sink 7 is made, for example, of aluminum or an aluminum alloy and has a cooling channel 6 for passing cooling water through. Furthermore, the heat sink 7 has a plurality of dome-shaped or cooling pin-like projections 10, which extend into the cooling channel 6 so that the cooling water can flow around them on two or more sides. The heat sink 7 has blind holes 3 for receiving heat-conducting elements 11 to be described below, which are cylindrical and are each located in one of the projections 10.

Der Schaltungsträger 1 liegt über eine thermisch leitende Oberfläche auf einer planen Oberfläche des Kühlkörpers 7 auf und ist über ein verformbares Wärmeleitmaterial 8 (auf Englisch „Thermal Interface Material, TIM“), wie z. B. Wärmeleitpaste, mit dem Kühlkörper 7 thermisch verbunden, das zwischen dem Schaltungsträger 1 und dem Kühlkörper KK angebracht ist.The circuit carrier 1 rests on a flat surface of the heat sink 7 via a thermally conductive surface and is connected via a deformable heat-conducting material 8 (in English “Thermal Interface Material, TIM”), such as. B. thermal paste, thermally connected to the heat sink 7, which is attached between the circuit carrier 1 and the heat sink KK.

Auf einer von dem Kühlkörper 7 abgewandten Seite weist der Schaltungsträger 1 eine Oberfläche 5 auf, auf der die leistungselektronischen Bauelemente 9 angeordnet sind und über Leiterbahnen, die ebenfalls auf der Oberfläche 5 ausgebildet sind, miteinander und mit internen und/oder externen Schaltungskomponenten elektrisch verbunden sind. Der Schaltungsträger 1 weist ein oder mehrere zylinderförmige Durchgangslöcher 2 auf, die sich zwischen den beiden Oberflächen des Schaltungsträgers 1 erstrecken und zur Aufnahme der zuvor genannten Wärmeleitelemente 11 dienen. Der Schaltungsträger 1 ist auf dem Kühlkörper 7 derart platziert, dass die Durchgangslöcher 2 des Schaltungsträgers 1 und mit den jeweiligen korrespondierenden Sacklöchern 3 des Kühlkörpers 7 weitgehend fluchten.On a side facing away from the heat sink 7, the circuit carrier 1 has a surface 5 on which the power electronic components 9 are arranged and are electrically connected to one another and to internal and/or external circuit components via conductor tracks, which are also formed on the surface 5 . The circuit carrier 1 has one or more cylindrical through holes 2, which extend between the two surfaces of the circuit carrier 1 and serve to accommodate the aforementioned heat-conducting elements 11. The circuit carrier 1 is placed on the heat sink 7 in such a way that the through holes 2 of the circuit carrier 1 and the respective corresponding blind holes 3 of the heat sink 7 are largely aligned.

Funktionsbedingt weist die Leistungselektronikanordnung 100 bzw. die leistungselektronischen Bauelemente 9 während des Betriebs Verlustleistungen und somit störende Abwärme auf, die über den Kühlkörper 7 bzw. das durch den Kühlkanal 6 fließende Kühlwasser abgeführt werden müssen.Due to its function, the power electronics arrangement 100 or the power electronic components 9 have power losses and thus disruptive waste heat during operation, which must be dissipated via the heat sink 7 or the cooling water flowing through the cooling channel 6.

Zur effizienten Wärmeabführung von den Bauelementen 9 über den Kühlkörper 7 zu dem Kühlwasser weist die Leistungselektronikanordnung 100 Wärmeleitelemente 11 auf, die ebenfalls zylinderförmig ausgebildet sind und sich durch die jeweiligen Durchgangslöcher 2 und die jeweiligen Sacklöcher 3 erstrecken und bis zu Lochböden der jeweiligen Sacklöcher 3 reichen.For efficient heat dissipation from the components 9 via the heat sink 7 to the cooling water, the power electronics arrangement 100 has heat-conducting elements 11, which are also cylindrical and extend through the respective through holes 2 and the respective blind holes 3 and reach up to the perforated bottoms of the respective blind holes 3.

Dabei sind die Wärmeleitelemente 11 aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder einer wärmeleitenden Keramik, insb. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet. Ferner sind die Wärmeleitelemente 11 jeweils in einem der Durchgangslöcher 2 einpresst und somit mit dem Schaltungsträger 1 einstückig ausgebildet. Außerdem sind die Wärmeleitelemente 11 bzw. deren jeweiliger in dem Sackloch 3 befindlicher Teil an allen (zwei oder mehr) dem Kühlkörper 7 bzw. den Innenwänden der jeweiligen Sacklöcher 3 zugewandten Seiten mit den Innenwänden der jeweiligen Sacklöcher 3 und somit mit dem Kühlkörper 7 mehrdimensional thermisch verbunden.The heat-conducting elements 11 are made of a metal or a metal alloy or a heat-conducting ceramic, in particular made of aluminum or an aluminum alloy or copper or a copper alloy. Furthermore, the heat-conducting elements 11 are each pressed into one of the through holes 2 and are therefore formed in one piece with the circuit carrier 1. In addition, the heat-conducting elements 11 or their respective part located in the blind hole 3 are multi-dimensionally thermal on all (two or more) sides facing the heat sink 7 or the inner walls of the respective blind holes 3 with the inner walls of the respective blind holes 3 and thus with the heat sink 7 tied together.

Optional weisen die Wärmeleitelemente 11 an jeweiligem von dem Schaltungsträger 1 abgewandten Ende einen konvexen oder kugelsegmentförmigen Endabschnitt auf. Analog weisen die Sacklöcher 3 jeweils eine zu dem Endabschnitt der Wärmeleitelemente 11 korrespondierende konkave oder kugelsegmentflächenförmige Bodenfläche und somit ein negatives weitgehend konturentreues Profil auf.Optionally, the heat-conducting elements 11 have a convex or spherical segment-shaped end section at each end facing away from the circuit carrier 1. Analogously, the blind holes 3 each have a concave or spherical segment-shaped bottom surface corresponding to the end section of the heat-conducting elements 11 and thus a negative, largely true-to-contour profile.

Die Wärmeleitelemente 11 weisen auf jeweiliger von dem Kühlkörper 7 abgewandten Seite jeweils eine thermische Verbindungsfläche 4 auf, auf der jeweils eins der leistungselektronischen Bauelemente 9 aufliegen und mit den jeweiligen Wärmeleitelementen 11 thermisch verbunden sind. Im Falle, dass die Wärmeleitelemente 11 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet sind, sind die jeweiligen Verbindungsflächen 4 als lötfähige Flächen bspw. aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet. Die Bauelemente 9 weisen jeweils eine entsprechend flächig ausgedehnte Lötfläche 12 auf, die auf den Verbindungsflächen 4 der jeweiligen korrespondierenden Wärmeleitelemente 11 aufgelötet sind. Dabei sind die Verbindungsflächen 4 der Wärmeleitelemente 11 zu der Oberfläche 5 des Schaltungsträgers 1 flächenbündig ausgebildet, sodass die jeweiligen Bauelemente 9 über deren jeweiligen gesamten Unterseiten auf den Verbindungsflächen 4 der jeweiligen korrespondierenden Wärmeleitelemente 11 und der Oberfläche 5 des Schaltungsträgers 1 aufliegen und mit den Wärmeleitelementen 11 thermisch und mit den oben genannten Leiterbahnen auf der Oberfläche 5 des Schaltungsträgers 1 elektrisch verbunden sind.The heat-conducting elements 11 each have a thermal connection surface 4 on the respective side facing away from the heat sink 7, on which one of the power electronic components 9 rests and is thermally connected to the respective heat-conducting elements 11. In the event that the heat-conducting elements 11 are made of aluminum or an aluminum alloy, the respective connecting surfaces 4 are designed as solderable surfaces, for example made of copper or a copper alloy. The components 9 each have a correspondingly extended soldering surface 12, which are soldered onto the connecting surfaces 4 of the respective corresponding heat-conducting elements 11. The connecting surfaces 4 of the heat-conducting elements 11 are designed to be flush with the surface 5 of the circuit carrier 1, so that the respective components 9 rest over their entire undersides on the connecting surfaces 4 of the respective corresponding heat-conducting elements 11 and the surface 5 of the circuit carrier 1 and with the heat-conducting elements 11 thermally and electrically connected to the above-mentioned conductor tracks on the surface 5 of the circuit carrier 1.

Zwischen den Wärmeleitelementen 11 und den jeweiligen korrespondierenden Sachlöchern 3 weist die Leistungselektronikanordnung 100 ferner das Wärmeleitmaterial 8 auf, das Zwischenräume zwischen den jeweiligen Wärmeleitelementen 11 und den jeweiligen korrespondierenden Sachlöchern 3 füllt. Dadurch verbindet das Wärmeleitmaterial 8 die Wärmeleitelemente 11 und die jeweiligen korrespondierenden Sachlöcher 3 miteinander thermisch. Ferner gleicht das Wärmeleitmaterial 8 Fertigungstoleranzen zwischen den Wärmeleitelementen 11 und dem Kühlkörper 7 bzw. den jeweiligen korrespondierenden Sachlöchern 3 aus.Between the heat-conducting elements 11 and the respective corresponding material holes 3, the power electronics arrangement 100 also has the heat-conducting material 8, which fills gaps between the respective heat-conducting elements 11 and the respective corresponding material holes 3. As a result, the heat-conducting material 8 connects the heat-conducting elements 11 and the respective corres ponding material holes 3 thermally with each other. Furthermore, the heat-conducting material 8 compensates for manufacturing tolerances between the heat-conducting elements 11 and the heat sink 7 or the respective corresponding holes 3.

Die Abführung der Abwärme von den leistungselektronischen Bauelementen 9 erfolgt über die jeweiligen korrespondierenden Wärmeleitelemente 11, mit denen die Bauelemente 9 über die flächig ausgedehnte Lötflächen 12 thermisch verbunden sind. Die Wärmeleitelemente 11 nehmen die Abwärme von den leistungselektronischen Bauelementen 9 auf und leiten diese über die mehrdimensionale thermische Verbindung zu den Wänden der jeweiligen korrespondierenden Sachlöcher 3 und somit zu dem Kühlkörper 7. Die Abwärme wird dann von den jeweiligen Vorsprüngen 10 am Kühlkörper 7, die von dem durch den Kühlkanal 6 strömenden Kühlwasser umströmt werden, an das Kühlwasser abgegeben. Durch die direkten flächig ausgedehnten thermischen Anbindungen von den jeweiligen Bauelementen 9 zu den jeweiligen korrespondierenden Wärmeleitelementen 11 und die mehrdimensionalen thermischen Verbindungen von den Wärmeleitelementen 11 zu dem Kühlkörper 7 weisen die Wärmeübertragungswege von den Bauelementen 9 zu dem Kühlkörper 7 eine optimale Temperaturspreizung auf, was eine effiziente Kühlung der Bauelemente 9 und somit der Leistungselektronikanordnung 100 ermöglicht.The waste heat is dissipated from the power electronic components 9 via the respective corresponding heat-conducting elements 11, to which the components 9 are thermally connected via the flat soldering surfaces 12. The heat-conducting elements 11 absorb the waste heat from the power electronic components 9 and conduct it via the multi-dimensional thermal connection to the walls of the respective corresponding material holes 3 and thus to the heat sink 7. The waste heat is then from the respective projections 10 on the heat sink 7, which from the cooling water flowing through the cooling channel 6 is delivered to the cooling water. Due to the direct, extensive thermal connections from the respective components 9 to the respective corresponding heat-conducting elements 11 and the multi-dimensional thermal connections from the heat-conducting elements 11 to the heat sink 7, the heat transfer paths from the components 9 to the heat sink 7 have an optimal temperature spread, which is an efficient Cooling of the components 9 and thus the power electronics arrangement 100 is made possible.

2 zeigt in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer weiteren Leistungselektronikanordnung 101 eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. 2 shows, in a further schematic cross-sectional representation, a section of a further power electronics arrangement 101 of a hybrid electric/electric vehicle according to a second exemplary embodiment of the invention.

Die Leistungselektronikanordnung 101 in 2 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Leistungselektronikanordnung 100 dadurch, dass diese Wärmeleitelemente 13 aufweist, die quer zu dessen Haupterstreckungsrichtung 15 betrachtet einen T-förmigen Querschnitt aufweisen. Ferner weist die Leistungselektronikanordnung 101 einen Schaltungsträger 1 mit Durchgangslöcher 14 auf, das in der Haupterstreckungsrichtung 15 betrachtet analog zu den Wärmeleitelementen 13 ebenfalls einen T-förmigen Querschnitt aufweisen.The power electronics arrangement 101 in 2 differs from that in 1 illustrated power electronics arrangement 100 in that it has heat-conducting elements 13, which have a T-shaped cross section when viewed transversely to its main extension direction 15. Furthermore, the power electronics arrangement 101 has a circuit carrier 1 with through holes 14, which, viewed in the main extension direction 15, also have a T-shaped cross section, analogous to the heat-conducting elements 13.

Durch die T-förmige bzw. stufenförmige Ausformung weisen die Wärmeleitelemente 13 auf einer von dem Kühlkörper 7 abgewandten Seite eine vergleichsweise größere Verbindungsfläche 4 auf, die eine entsprechend flächig ausgedehnte thermische Verbindung und somit eine effiziente Wärmeaufnahme ermöglicht.Due to the T-shaped or step-shaped shape, the heat-conducting elements 13 have a comparatively larger connection surface 4 on a side facing away from the heat sink 7, which enables a correspondingly extended thermal connection and thus efficient heat absorption.

Claims (9)

Leistungselektronikanordnung (100, 101), aufweisend: - ein leistungselektronisches Bauelement (9); - ein Wärmeleitelement (11, 13); - einen Schaltungsträger (1) zum Tragen des Bauelements (9), der ein Durchgangsloch (2, 14) zur Aufnahme des Wärmeleitelements (11, 13) aufweist; - einen Kühlkörper (7) zur Kühlung der Leistungselektronikanordnung, der ein Sackloch (3) zur Aufnahme des Wärmeleitelements (11, 13) aufweist; - wobei der Schaltungsträger (1) auf dem Kühlkörper (7) aufliegt und mit dem Kühlkörper (7) thermisch verbunden ist; - das Wärmeleitelement (11, 13) in dem Durchgangsloch (2, 14) und dem Sackloch (3) angeordnet ist, mit dem Kühlkörper (7) an zwei oder mehr dem Kühlkörper (7) zugewandten Seiten thermisch verbunden ist und auf einer von dem Kühlkörper (7) abgewandten Seite eine Verbindungsfläche (4) aufweist; und - das Bauelement (9) auf der Verbindungsfläche (4) aufliegt und mit dem Wärmeleitelement (11, 13) direkt thermisch verbunden ist; - wobei der Kühlkörper (7) ferner einen Kühlkanal (6) zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit oder eines Kühlwassers aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - der Kühlkörper (7) ferner einen Vorsprung (10) aufweist; - wobei der Vorsprung (10) sich von der Kühlflüssigkeit oder dem Kühlwasser an zwei oder mehr Seiten umströmbar in den Kühlkanal (6) erstreckt; - wobei das Sackloch (3) sich in dem Vorsprung (10) befindet.Power electronics arrangement (100, 101), comprising: - a power electronic component (9); - a heat-conducting element (11, 13); - a circuit carrier (1) for carrying the component (9), which has a through hole (2, 14) for receiving the heat-conducting element (11, 13); - a heat sink (7) for cooling the power electronics arrangement, which has a blind hole (3) for receiving the heat-conducting element (11, 13); - wherein the circuit carrier (1) rests on the heat sink (7) and is thermally connected to the heat sink (7); - the heat-conducting element (11, 13) is arranged in the through hole (2, 14) and the blind hole (3), is thermally connected to the heat sink (7) on two or more sides facing the heat sink (7) and on one of the The side facing away from the heat sink (7) has a connecting surface (4); and - the component (9) rests on the connecting surface (4) and is directly thermally connected to the heat-conducting element (11, 13); - wherein the heat sink (7) further has a cooling channel (6) for passing a cooling liquid or a cooling water through, characterized in that - the heat sink (7) further has a projection (10); - wherein the projection (10) extends into the cooling channel (6) so that the cooling liquid or the cooling water can flow around it on two or more sides; - The blind hole (3) is located in the projection (10). Leistungselektronikanordnung (100, 101) nach Anspruch 1, wobei das Wärmeleitelement (11, 13) mit dem Schaltungsträger (1) einstückig ausgebildet ist.Power electronics arrangement (100, 101). Claim 1 , wherein the heat-conducting element (11, 13) is formed in one piece with the circuit carrier (1). Leistungselektronikanordnung (100, 101) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbindungsfläche (4) des Wärmeleitelements (11, 13) zu einer von dem Kühlkörper (7) abgewandten Oberfläche (5) des Schaltungsträgers (1) flächenbündig ausgebildet ist.Power electronics arrangement (100, 101). Claim 1 or 2 , wherein the connecting surface (4) of the heat-conducting element (11, 13) is designed to be flush with a surface (5) of the circuit carrier (1) facing away from the heat sink (7). Leistungselektronikanordnung (100, 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wärmeleitelement (11, 13) aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder einer wärmeleitenden Keramik oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist.Power electronics arrangement (100, 101) according to one of the preceding claims, wherein the heat-conducting element (11, 13) is formed from a metal or a metal alloy or a heat-conducting ceramic or aluminum or an aluminum alloy or copper or a copper alloy. Leistungselektronikanordnung (100, 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsfläche (4) des Wärmeleitelements (11, 13) als eine lötfähige Fläche ausgebildet ist, und das Bauelement (9) eine flächig ausgedehnte Lötfläche (12) aufweist, die auf der Verbindungsfläche (4) aufgelötet ist.Power electronics arrangement (100, 101) according to one of the preceding claims, wherein the connecting surface (4) of the heat-conducting element (11, 13) is designed as a solderable surface, and the component (9) has an extensive soldering surface (12) which is soldered onto the connecting surface (4). Leistungselektronikanordnung (100, 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wärmeleitelement (11, 13) zylinderförmig ausgebildet ist.Power electronics arrangement (100, 101) according to one of the preceding claims, wherein the heat-conducting element (11, 13) is cylindrical. Leistungselektronikanordnung (101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wärmeleitelement (13) quer zu dessen Haupterstreckungsrichtung (15) betrachtet einen T-förmigen Querschnitt aufweist, wobei das Durchgangsloch (14) in der Haupterstreckungsrichtung (15) betrachtet analog zu dem Wärmeleitelement (13) ebenfalls einen T-förmigen Querschnitt aufweist.Power electronics arrangement (101) according to one of the preceding claims, wherein the heat-conducting element (13) has a T-shaped cross section when viewed transversely to its main extension direction (15), the through hole (14) viewed in the main extension direction (15) being analogous to the heat-conducting element (13 ) also has a T-shaped cross section. Leistungselektronikanordnung (100, 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wärmeleitelement (11, 13) an einem von dem Schaltungsträger (1) abgewandten Ende einen konvexen oder kugelsegmentförmigen Endabschnitt aufweist, wobei das Sackloch (3) eine zu dem Endabschnitt korrespondierende konkave oder kugelsegmentflächenförmige Bodenfläche aufweist.Power electronics arrangement (100, 101) according to one of the preceding claims, wherein the heat-conducting element (11, 13) has a convex or spherical segment-shaped end section at an end facing away from the circuit carrier (1), the blind hole (3) having a concave or Has spherical segment-shaped bottom surface. Leistungselektronikanordnung (100, 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner ein verformbares Wärmeleitmaterial (8) aufweist, das zwischen dem Wärmeleitelement (11, 13) und dem Kühlkörper (7) und somit in dem Sackloch (3) angeordnet ist und das Wärmeleitelement (11, 13) und den Kühlkörper (7) miteinander thermisch verbindet und zugleich Fertigungstoleranzen zwischen dem Wärmeleitelement (11, 13) und dem Kühlkörper (7) ausgleicht.Power electronics arrangement (100, 101) according to one of the preceding claims, further comprising a deformable heat-conducting material (8) which is arranged between the heat-conducting element (11, 13) and the heat sink (7) and thus in the blind hole (3) and the heat-conducting element (11, 13) and the heat sink (7) thermally connects each other and at the same time compensates for manufacturing tolerances between the heat-conducting element (11, 13) and the heat sink (7).
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