DE102019111792A1 - Device for setting a cooling of a liquid-cooled power semiconductor of power electronics, in particular for use in an electric traction drive of a vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung einer Kühlung eines flüssigkeitsgekühlten Leistungshalbleiters einer Leistungselektronik, insbesondere zum Einsatz in einem elektrischen Traktionsantrieb eines Fahrzeuges, umfassend eine Kühlstruktur (4), die an dem Leistungshalbleiter (2) angeordnet ist, wobei der Leistungshalbleiter (2) an einem Gehäuse (5) positioniert ist und ein Boden (6) des Gehäuses (5) einen Abstand (8) zu der Kühlstruktur (4) aufweist, durch welchen ein Kühlmittel geleitet ist. Bei einer Vorrichtung, bei welcher bei niedriger Pumpleistung eine optimale Kühlung des Leistungshalbleiters erreicht wird, ist der Abstand (8) zwischen dem Boden (6) des Gehäuses (5) und der Kühlstruktur (4) variabel einstellbar.

Figure DE102019111792A1_0000
The invention relates to a device for setting a cooling of a liquid-cooled power semiconductor of power electronics, in particular for use in an electric traction drive of a vehicle, comprising a cooling structure (4) which is arranged on the power semiconductor (2), the power semiconductor (2) on a Housing (5) is positioned and a bottom (6) of the housing (5) is at a distance (8) from the cooling structure (4) through which a coolant is passed. In a device in which optimum cooling of the power semiconductor is achieved at low pump power, the distance (8) between the base (6) of the housing (5) and the cooling structure (4) can be variably adjusted.
Figure DE102019111792A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung einer Kühlung eines flüssigkeitsgekühlten Leistungshalbleiters einer Leistungselektronik, insbesondere zum Einsatz in einem elektrischen Traktionsantrieb eines Fahrzeuges, umfassend eine Kühlstruktur, die an dem Leistungshalbleiter angeordnet ist, wobei der Leistungshalbleiter an einem Gehäuse positioniert ist und ein Boden des Gehäuses einen Abstand zu der Kühlstruktur aufweist, durch welchen ein Kühlmittel geleitet ist.The invention relates to a device for setting a cooling of a liquid-cooled power semiconductor of power electronics, in particular for use in an electric traction drive of a vehicle, comprising a cooling structure which is arranged on the power semiconductor, the power semiconductor being positioned on a housing and a bottom of the housing a Having a distance to the cooling structure through which a coolant is passed.

In elektrischen Traktionsantrieben von Fahrzeugen werden Leistungshalbleiter zur Antriebsregelung/-steuerung verwendet. Diese Leistungshalbleiter werden durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt. Eine am Leistungshalbleiter angeordnete Kühlstruktur weist beispielsweise eine Mäanderstruktur oder eine ähnliche Struktur auf, um einen möglichst geringen thermischen Übergangswiderstand zwischen Kühlmedium und Leistungshalbleiter zu erreichen. Das Kühlmedium bewegt sich in einem Bypass zwischen der Kühlstruktur und einem Boden eines Gehäuses, in welchem der Leistungshalbleiter platziert ist. Der Leistungshalbleiter ist meist auf einen bestimmten Betriebspunkt mit niedriger Kühlmitteltemperatur und der damit einhergehenden hohen Viskosität ausgelegt. Die Kühlung des Leistungshalbleiters wird nach der Volllast des Leistungshalbleiters ausgelegt. Anhand dieser Anforderung erzeugt die Kühlstruktur der Leistungshalbleiter einen großen Druckabfall, die entsprechend große Kühlpumpen notwendig machen. Dadurch entstehen jedoch starke Performanceeinbußen bei einer höheren Kühlmitteltemperatur. Dies mach einen Kompromiss zwischen dem Volumenstrom des Kühlmediums und der Performance des Leistungshalbleiters notwendig.In electric traction drives in vehicles, power semiconductors are used for drive regulation / control. These power semiconductors are cooled by a cooling liquid. A cooling structure arranged on the power semiconductor has, for example, a meandering structure or a similar structure in order to achieve the lowest possible thermal contact resistance between the cooling medium and the power semiconductor. The cooling medium moves in a bypass between the cooling structure and a bottom of a housing in which the power semiconductor is placed. The power semiconductor is usually designed for a specific operating point with a low coolant temperature and the associated high viscosity. The cooling of the power semiconductor is designed according to the full load of the power semiconductor. Based on this requirement, the cooling structure of the power semiconductors creates a large pressure drop, which makes correspondingly large cooling pumps necessary. However, this results in severe performance losses at a higher coolant temperature. This makes a compromise between the volume flow of the cooling medium and the performance of the power semiconductor necessary.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Einstellung einer Kühlung eines Leistungshalbleiters anzugeben, bei welcher bei niedriger Pumpleistung eine optimale Kühlung des Leistungshalbleiters erreicht wird.The invention is based on the object of specifying a device for setting a cooling of a power semiconductor, in which an optimal cooling of the power semiconductor is achieved at low pump power.

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Abstand zwischen dem Boden des Gehäuses und der Kühlstruktur variabel einstellbar ist. Durch die Variation des Abstandes zwischen dem Boden des Gehäuses und der Kühlstruktur wird der Druckabfall entscheidend beeinflusst. Durch den Bypass-Fluss der Kühlflüssigkeit sinkt bei größerem Abstand der Druckabfall, wobei ein größerer Volumenstrom der Kühlflüssigkeit eingestellt werden kann. According to the invention, the object is achieved in that the distance between the bottom of the housing and the cooling structure is variably adjustable. By varying the distance between the bottom of the housing and the cooling structure, the pressure drop is decisively influenced. Due to the bypass flow of the cooling liquid, the pressure drop decreases with a greater distance, whereby a larger volume flow of the cooling liquid can be set.

Bei einem kleineren Abstand zwischen dem Boden des Gehäuses und der Kühlstruktur wird eine starke Anströmung der Kühlstruktur und deren Entwärmung sichergestellt.With a smaller distance between the bottom of the housing and the cooling structure, a strong flow of air onto the cooling structure and its cooling is ensured.

Vorteilhafterweise ist zwischen dem Boden des Gehäuses und der Kühlstruktur eine Membran zur hydraulischen oder pneumatischen Einstellung des Abstandes gelagert. Somit ist eine Variation des Abstandes besonders einfach und kontinuierlich einstellbar.A membrane for hydraulic or pneumatic adjustment of the distance is advantageously mounted between the bottom of the housing and the cooling structure. A variation of the distance can thus be adjusted particularly easily and continuously.

In einer Alternative ist zwischen dem Boden des Gehäuses und der Kühlstruktur eine mechanische Verstelleinheit zur Einstellung des Abstandes gelagert. Diese mechanische Stelleinheit kann vorteilhafterweise mittels einem das Kühlmittel antreibenden Pumpenaktors eingestellt werden, wodurch zusätzliche Hilfsmittel zur Betätigung der mechanischen Verstelleinheit entfallen können.In an alternative, a mechanical adjustment unit for adjusting the distance is mounted between the bottom of the housing and the cooling structure. This mechanical adjusting unit can advantageously be adjusted by means of a pump actuator that drives the coolant, whereby additional aids for actuating the mechanical adjusting unit can be dispensed with.

Alternativ ist zwischen dem Boden des Gehäuses und der Kühlstruktur mindestens eine flexible Dichtung zur Einstellung des Abstandes gelagert. Hier wird der Abstand über eine Steifigkeit der Dichtung eingestellt. Dabei handelt es sich um eine besonders kostengünstige Variante, da keine Aktorik zur Betätigung der Dichtung benötigt wird.Alternatively, at least one flexible seal for adjusting the distance is mounted between the bottom of the housing and the cooling structure. Here the distance is set via a rigidity of the seal. This is a particularly cost-effective variant, since no actuators are required to operate the seal.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Einige davon sollen anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.The invention allows numerous embodiments. Some of these will be explained in more detail with reference to the figures shown in the drawing.

Es zeigen:

  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Show it:
  • 1 a first embodiment of the device according to the invention,
  • 2 another embodiment of the device according to the invention,
  • 3 another embodiment of the device according to the invention.

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt Diese Vorrichtung 1 umfasst einen Leistungshalbleiter 2, an dessen Unterseite 3 eine Kühlstruktur 4 befestigt ist. Der Leistungshalbleiter 2 ist in einem Gehäuse 5 positioniert, wobei die Kühlstruktur 4 einem Boden 6 des Gehäuses 5 zugewandt ist, der eine Kühlkörperwanne 7 umfasst. Zwischen der Kühlstruktur 4 und der Kühlkörperwanne 7 erstreckt sich ein Bypass für den Strom der Kühlflüssigkeit, welcher einen Abstand 8 zwischen Kühlstruktur 4 und Kühlkörperwanne 7 einstellt. Die Kühlflüssigkeit fließt durch einen Kühlmittelvorlauf 9 des Gehäuses 5 in den Bypass und tritt durch einen Kühlmittel-Rücklauf 10 des Gehäuses 5 wieder aus diesem aus. Der Leistungshalbleiter 2 ist über eine Dichtung 11 gegen das Gehäuse 5 abgedichtet.In 1 a first embodiment of the device according to the invention is shown This device 1 includes a power semiconductor 2 , at the bottom 3 a cooling structure 4th is attached. The power semiconductor 2 is in a housing 5 positioned, the cooling structure 4th a floor 6th of the housing 5 is facing, which is a heat sink pan 7th includes. Between the cooling structure 4th and the heatsink pan 7th extends a bypass for the flow of the cooling liquid, which a distance 8th between cooling structure 4th and heat sink pan 7th adjusts. The coolant flows through a coolant supply line 9 of the housing 5 into the bypass and passes through a coolant return 10 of the housing 5 back out of this. The power semiconductor 2 is about a seal 11 against the housing 5 sealed.

Die Kühlkörperwanne 7 ist mit einer Membran 12 abgedeckt. In der Kühlkörperwanne 7 befindet sich eine Flüssigkeit oder ein Gas, deren Volumen variabel einstellbar ist, wodurch sich der Abstand der Membran 12 zur Kühlstruktur 4 des Leistungshalbleiters 2 verändert. Die Flüssigkeit oder des Gases wird dazu hydraulisch oder pneumatisch angetrieben. Durch den veränderten Abstand 8, durch welchem der Bypass-Kühlmittelstrom fließt, wird eine Anlagenkennlinie des Leistungshalbleiters 2 verschoben. Somit kann der Verfahrweg des Bodens in Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Leistungshalbleiters eingestellt werden.The heat sink tray 7th is with a membrane 12 covered. In the heat sink tray 7th If there is a liquid or a gas, the volume of which is variably adjustable, which increases the distance between the membrane 12 to the cooling structure 4th of the power semiconductor 2 changed. The liquid or gas is driven hydraulically or pneumatically for this purpose. Because of the changed distance 8th , through which the bypass coolant flow flows, becomes a system characteristic curve of the power semiconductor 2 postponed. The travel path of the floor can thus be adjusted depending on the operating point of the power semiconductor.

In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 13 dargestellt, bei welchem eine bewegliche Bodenplatte 17 beidseitig über je eine flexible Dichtung 14 an dem Gehäuse 5 angebunden ist. Da die flexible Dichtung 14 bei unterschiedlichen Temperaturen eine variierende Steifigkeit aufweist, verändert sich der Abstand zwischen Bodenplatte 17 und Kühlstruktur 4 entsprechend, was ebenfalls zu einer Anpassung der Anlagenkennlinie des Leistungshalbleiters 2 führt.In 2 is a further embodiment of the device according to the invention 13 shown in which a movable base plate 17th a flexible seal on both sides 14th on the housing 5 is connected. Because the flexible seal 14th has a varying stiffness at different temperatures, the distance between the base plate changes 17th and cooling structure 4th accordingly, which also leads to an adaptation of the system characteristic of the power semiconductor 2 leads.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 15 ist in 3 gezeigt. Der Abstand 8 zwischen der Bodenplatte 17 und Kühlstruktur 4 wird in diesem Fall durch eine mechanische Verstelleinheit 16 variiert. Diese Verstelleinheit 16 ist zwischen der beweglichen Bodenplatte 17 und dem Boden 6 des Gehäuses 2 angeordnet und wird zur Variation des Abstandes 8 beispielsweise durch einen nicht weiter dargestellten Pumpenaktor zur Anpassung der Anlagenkennlinie des Leistungshalbleiters 2 an den aktuellen Betriebspunkt des Leistungshalbleiters 2 bewegt.Another embodiment of the device according to the invention 15th is in 3 shown. The distance 8th between the base plate 17th and cooling structure 4th is in this case by a mechanical adjustment unit 16 varies. This adjustment unit 16 is between the movable base plate 17th and the ground 6th of the housing 2 arranged and is used to vary the distance 8th for example by a pump actuator, not shown, to adapt the system characteristic of the power semiconductor 2 to the current operating point of the power semiconductor 2 emotional.

Bei jedem der beschriebenen Lösungen muss der Abstand 8 bei niedriger Kühlmitteltemperatur und hoher Viskosität der Kühlflüssigkeit groß eingestellt werden. Dadurch verringert sich der Druckabfall im Bypass und es wird mehr Volumenstrom des Kühlmittels gefördert. Die Erwärmung des Leistungshalbleiters 2 wird durch den hohen Volumenstrom als auch durch die hohe Temperaturdifferenz zwischen Kühlflüssigkeitsdifferenz und Temperatur des Silizium-Chips des Leistungshalbleiters 2 sichergestellt.For each of the solutions described, the distance 8th can be set large at low coolant temperature and high viscosity of the coolant. This reduces the pressure drop in the bypass and more volume flow of the coolant is conveyed. The heating of the power semiconductor 2 is due to the high volume flow as well as the high temperature difference between the coolant difference and the temperature of the silicon chip of the power semiconductor 2 ensured.

Bei hoher Kühlmitteltemperatur und geringer Viskosität der Kühlflüssigkeit muss der Abstand 8 klein eingestellt werden, wodurch eine starke Anströmung der Kühlstruktur 4 und deren Entwärmung sichergestellt wird.If the coolant temperature is high and the viscosity of the coolant is low, the distance must be 8th can be set small, creating a strong flow to the cooling structure 4th and their cooling is ensured.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Vorrichtungcontraption
22
LeistungshalbleiterPower semiconductors
33
Unterseitebottom
44th
KühlstrukturCooling structure
55
Gehäusecasing
66th
Bodenground
77th
KühlkörperwanneHeat sink tray
88th
Abstanddistance
99
Kühlmittel-VorlaufCoolant supply
1010
Kühlmittel-RücklaufCoolant return
1111
Dichtungpoetry
1212
Membranmembrane
1313
Vorrichtungcontraption
1414th
Flexible DichtungFlexible seal
1515th
Vorrichtungcontraption
1616
VerstelleinheitAdjustment unit
1717th
BodenplatteBase plate

Claims (4)

Vorrichtung zur Einstellung einer Kühlung eines flüssigkeitsgekühlten Leistungshalbleiters einer Leistungselektronik, insbesondere zum Einsatz in einem elektrischen Traktionsantrieb eines Fahrzeuges, umfassend eine Kühlstruktur (4), die an dem Leistungshalbleiter (2) angeordnet ist, wobei der Leistungshalbleiter (2) an einem Gehäuse (5) positioniert ist und ein Boden (6) des Gehäuses (5) einen Abstand (8) zu der Kühlstruktur (4) aufweist, durch welchen ein Kühlmittel geleitet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (8) zwischen dem Boden (6, 17) des Gehäuses (5) und der Kühlstruktur (4) variabel einstellbar ist.Device for setting a cooling of a liquid-cooled power semiconductor of power electronics, in particular for use in an electric traction drive of a vehicle, comprising a cooling structure (4) which is arranged on the power semiconductor (2), the power semiconductor (2) on a housing (5) is positioned and a floor (6) of the housing (5) is at a distance (8) from the cooling structure (4) through which a coolant is passed, characterized in that the distance (8) between the floor (6, 17) of the housing (5) and the cooling structure (4) is variably adjustable. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Boden (6, 17) des Gehäuses (5) und der Kühlstruktur (4) eine Membran (12) zur hydraulischen oder pneumatischen Einstellung des Abstandes (8) gelagert ist.Device according to Claim 1 , characterized in that a membrane (12) for hydraulic or pneumatic adjustment of the distance (8) is mounted between the bottom (6, 17) of the housing (5) and the cooling structure (4). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Boden (6, 17) des Gehäuses (5) und der Kühlstruktur (4) eine mechanische Verstelleinheit (16) zur Einstellung des Abstandes (8) gelagert ist.Device according to Claim 1 , characterized in that a mechanical adjustment unit (16) for setting the distance (8) is mounted between the base (6, 17) of the housing (5) and the cooling structure (4). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Boden (6, 17) des Gehäuses (5) und der Kühlstruktur (4) mindestens eine flexible Dichtung (14) zur Einstellung des Abstandes (8) gelagert ist.Device according to Claim 1 , characterized in that at least one flexible seal (14) for adjusting the distance (8) is mounted between the bottom (6, 17) of the housing (5) and the cooling structure (4).
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