DE102019134650A1

DE102019134650A1 - Leistungselektronisches System mit einem Gehäuse, einer Kühleinrichtung, einem Leistungshalbleitermodul und einer Kondensatoreinrichtung

Info

Publication number: DE102019134650A1
Application number: DE102019134650.9A
Authority: DE
Inventors: Roland Bittner; Sandro Bulovic; Johannes Klier
Original assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: US11259448B2; CN112992530A; CN112992530B; US20210204442A1; DE102019134650B4

Abstract

Vorgestellt wird ein leistungselektronisches System mit einem Gehäuse, mit einer Kühleinrichtung, mit einem Leistungshalbleitermodul und mit einer Kondensatoreinrichtung, wobei ein Kühlabschnitt einer Kondensatoranschlusseinrichtung in thermisch leitendem Kontakt mit einer Kühlfläche der Kühleinrichtung steht.

Description

Die Erfindung betrifft ein leistungselektronisches System mit einem Gehäuse, mit einer Kühleinrichtung, mit einem Leistungshalbleitermodul, mit einer Kondensatoreinrichtung und mit mindestens einer Kondensatoranschlusseinrichtung, die die Kondensatoreinrichtung mit dem Leistungshalbleitermodul elektrisch verbindet.
Die DE 10 2015 113 873 B3 offenbart als Stand der Technik eine leistungselektronische Baugruppe, die mit einem Gehäuse und mit einer darin angeordneten Kondensatoreinrichtung ausgebildet ist, wobei das Gehäuse eine im Inneren angeordnete Kühlfläche aufweist, die dazu ausgebildet ist mittels einer im Gehäuse integrierten oder externen Kühleinrichtung gekühlt zu werden und wobei die Kondensatoreinrichtung einen Kondensator mit je einer Kontakteinrichtung erster und zweiter Polarität und eine Kondensatorverschienung aufweist. Diese Kondensatorverschienung weist einen ersten flächigen Metallformkörper und einen zweiten flächigen Metallformkörper auf, wobei der erste flächige Metallformkörper mit der ersten Kontakteinrichtung erster Polarität und der zweite flächige Metallformkörper mit der zweiten Kontakteinrichtung zweiter Polarität elektrisch leitend verbunden sind. Weiterhin weist ein erster Abschnitt des ersten Metallformkörpers einen ersten Unterabschnitt auf, der parallel zu und beabstandet von der Kühlfläche angeordnet ist und einen zweiten Unterabschnitt aufweist, der mit der Kühlfläche in thermischem Kontakt steht, wobei beide Unterabschnitte durch einen Zwischenabschnitt miteinander verbunden sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Kühlung relevanter Komponenten eines leistungselektronischen Systems weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein leistungselektronisches System mit einem Gehäuse, mit einer Kühleinrichtung, mit einem Leistungshalbleitermodul und mit einer Kondensatoreinrichtung, wobei ein Kühlabschnitt einer Kondensatoranschlusseinrichtung in thermisch leitendem Kontakt mit einer Kühlfläche der Kühleinrichtung steht.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Kühleinrichtung integraler Teil des Gehäuses ist oder in dem Gehäuse angeordnet ist. Unter einem integralen Teil des Gehäuses soll verstanden werden, dass das Gehäuse als solches signifikant zur Kühlung von Komponenten des leistungselektronischen Systems beiträgt. Anschlusselemente für eine im Inneren des Gehäuses angeordnete Kühleinrichtung fallen nicht unter diesen Begriff.
Es ist insbesondere bevorzugt, wenn die Kühlfläche auf einem Podest oder in einer Vertiefung angeordnet ist.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der Kühlabschnitt fächerartig, oder fingerartig, oder als beliebige Mischform hieraus ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, wenn die Kondensatoranschlusseinrichtungen jeweils als zwei flächige Metallformkörper mit je einer Kontakteinrichtung ausgebildet sind und jeweils einen Verbindungsabschnitt zwischen der Kondensatoreinrichtung und der Kontakteinrichtung aufweisen. Hierbei können die Verbindungsabschnitte einer der Kondensatoranschlusseinrichtungen stapelartig angeordnet sein und parallel zueinander verlaufen und es kann zwischen den Verbindungsabschnitten ein Isolierstoff, vorzugsweise eine Isolierstofffolie, angeordnet sein.
Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn der Verbindungsabschnitt in seinem Verlauf eine Abkantung, vorzugsweise eine Mehrzahl von Abkantungen, aufweist.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Kühlabschnitt als Kühlfortsatz, beispielhaft als nasenartiger Kühlfortsatz, ausgebildet ist, der integraler Teil des Verbindungsabschnitts ist und nicht zur Stromtragfähigkeit der Kondensatoranschlusseinrichtung beiträgt. In diesem Fall liegt der Kühlabschnitt nicht in unmittelbarer Stromflussrichtung. Dies kann realisiert sein, indem der Kühlfortsatz in einer ersten Ausgestaltung seitlich von dem Verbindungsabschnitt hervorsteht. Es kann alternativ realisiert sein, indem der Kühlfortsatz in einer zweiten Ausgestaltung im Bereich einer Abkantung als nicht abgekanteter Teil des Verbindungsabschnitts ausgebildet ist.
Es kann bevorzugt sein, wenn der Kühlabschnitt im Bereich eines U-förmig abgekanteten Abschnitts des Verbindungsabschnitts angeordnet ist. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Verbindungsabschnitte einer der Kondensatoranschlusseinrichtungen stapelartig angeordnet sind und derjenige Verbindungsabschnitt, der benachbart zur Kühlfläche angeordnet ist, mittels des U-förmigen Abschnitts gekühlt wird und der andere Verbindungsabschnitt mittels eines Kühlfortsatzes gekühlt wird.
Die Kühleinrichtung kann als Flüssigkeitskühleinrichtung mit einer Zu- und einer Ablaufeinrichtung oder als Luftkühleinrichtung ausgebildet sein.
Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se oder explizit ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale, insbesondere das Leistungshalbleitermodul, auch mehrfach in dem erfindungsgemäßen System vorhanden sein.
Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 und 5 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.

1 zeigt zwei Ansichten einer ersten Ausgestaltung einer Kondensatoranschlusseinrichtung.
2 zeigt zwei Ansichten einer zweiten Ausgestaltung einer Kondensatoranschlusseinrichtung.
3 zeigt eine Kondensatoreinrichtung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
4 und 5 zeigen verschieden dreidimensionale Ansichten eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.

1 zeigt zwei Ansichten einer ersten Ausgestaltung, sowie einer alternativen Ausführungsform, einer Kondensatoranschlusseinrichtung 80. Dargestellt ist ein Teil einer Kondensatoranschlusseinrichtung 80, nämlich ein Abschnitt eines Metallformkörpers 800 mit einer Abkantung 806. Die Stromflussrichtung innerhalb des Verbindungsabschnitts 804 von einer Kondensatoreinrichtung weg oder zu einer Kondensatoreinrichtung hin ist durch Pfeile dargestellt. In einem Abschnitt des Metallformkörpers 800 ist ein Kühlabschnitt 808 ausgebildet, der als rechtwinklig zur Stromflussrichtung wegstehender Kühlabschnitt 808, also als Kühlfortsatz, ausgebildet ist.
Offensichtlich trägt dieser Kühlabschnitt 808 nicht zur Stromtragfähigkeit der Kondensatoranschlusseinrichtung 80 bei, da er die Querschnittsfläche des Metallformkörpers 800 nur lokal vergrößert und zudem nicht in Stromflussrichtung angeordnet ist.
Weiterhin dargestellt ist eine Kühlfläche 300 einer Kühleinrichtung 3. Auf dieser Kühlfläche 300 liegt der Kühlabschnitt 808 vollständig oder zumindest, wie hier dargestellt, zu einem wesentlichen Teil auf. Ein wesentlicher Teil ist gegeben, wenn es sich um mindestens 80% der Fläche, die sich aus der Projektion des Kühlabschnitts ergibt, auf der zugeordneten Kühlfläche aufliegt.
In 1a und 1b ist der Kühlabschnitt 808 des Metallformkörpers 800 des Verbindungsabschnitts 804 im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet, während in 1c der Kühlabschnitt 808 die Form von fächerförmig ausgestellten Fingern aufweist.
2 zeigt zwei Ansichten einer zweiten Ausgestaltung, sowie einer alternativen Ausführungsform, einer Kondensatoranschlusseinrichtung 80. Dargestellt ist wiederum ein Teil einer Kondensatoranschlusseinrichtung 80, nämlich ein Abschnitt eines Metallformkörpers 800 des Verbindungsabschnitts 804 mit einer Abkantung 806. Die Stromflussrichtung von einer Kondensatoreinrichtung weg oder zu einer Kondensatoreinrichtung hin ist durch Pfeile dargestellt. In einem Abschnitt des Metallformkörpers 800 ist ein Kühlabschnitt 808 ausgebildet, der als nasenartiger Kühlfortsatz im Bereich einer Abkantung 806 als nicht abgekanteter Teil des Verbindungsabschnitts 804 ausgebildet ist. Der Kühlabschnitt 808 erstreckt sich hier in der Fläche des ersten Abschnitts weiter, während der zur Stromtragfähigkeit beitragende zweite Abschnitt des Metallformkörpers 800 nach der Abkantung in andere Richtung, hier senkrecht zum ersten, verläuft.
Offensichtlich trägt dieser Kühlabschnitt 808 nicht zur Stromtragfähigkeit der Kondensatoranschlusseinrichtung 80 bei, da er nicht in Stromflussrichtung angeordnet ist.
In 2a und 2b ist der Kühlabschnitt 808 im Wesentlichen quaderförmig und plan ausgebildet, während in 2c der Kühlabschnitt 808 einen z-förmig abgekanteten Abschnitt aufweist. Der Kühlabschnitt 808 dieser Ausgestaltung liegt flächig auf einer zugeordneten Kühlfläche 300 einer Kühleinrichtung 3 unmittelbar auf. Unter dem Begriff unmittelbar aufliegen wird jeweils verstanden, dass zwischen der Kühlfläche 300 und dem Kühlabschnitt 808 ausschließlich nur ein Isolierstoffkörper 380, insbesondere aus einer Keramik- oder aus einer Kunststofffolie, angeordnet ist. Der Kühlabschnitt 808 ist damit unmittelbar thermisch leitend mit der Kühleinrichtung 3 verbunden.
3 zeigt eine Kondensatoreinrichtung 5 eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems. Diese Kondensatoreinrichtung 5 weist ein Kondensatorgehäuse 50 und zwei Kondensatoranschlusseinrichtungen 80,82 auf. Die erste Kondensatoranschlusseinrichtung 80 dient der Verbindung mit einem Leistungshalbleitermodul (vgl. 4 und 5) und weist zwei flächige Metallformkörper 800,810 auf, die einer ersten und einer zweiten Polarität zugeordnet sind. Zwischen diesen Metallformkörpern 800,810 ist eine Isolierstofffolie 840 zur elektrischen Isolation der Metallformkörper gegeneinander angeordnet.
Jeder der Metallformkörper 800,810 weist drei Kontakteinrichtungen 802,812, hier Druckkontakteinrichtungen auf, die dafür vorgesehen sind jeweils mit den Gleichstrom-Anschlusselementen der drei Phasen des Leistungshalbleitermoduls verbunden zu werden.
Die beiden Metallformkörper 800,810 weisen weiterhin in ihrem Verlauf von der Kondensatoreinrichtung 5 zu den Kontakteinrichtungen 802,812 eine Mehrzahl von Abkantungen 806,816 auf, die dazu dienen die Kontakteinrichtungen 802,812 passend zum Leistungshalbleitermodul zu positionieren.
Der erste und der zweite Metallformkörper 800,810 der ersten Kondensatoranschlusseinrichtung 80 bilden einen Stapel aus, wobei jeweils parallel zu einer Kühlfläche 300, vgl. 4 und 5, einer Kühleinrichtung verlaufende Abschnitte des zweiten Metallformkörpers 810 zwischen dem jeweiligen Abschnitt des ersten Metallformkörpers 800 und der Kühlfläche 300 angeordnet sind.
Der erste Metallformkörper 800 der ersten Kondensatoranschlusseinrichtung 80 weist zwei zusätzliche Kühlabschnitte 808 auf, die im Grund wie diejenigen gemäß 2a und 2b ausgebildet sind. Diese flächigen Kühlabschnitte 808 bilden somit Kühlfortsätze aus, die nicht zum Stromfluss und damit zur Stromtragfähigkeit des ersten Metallformkörpers 800 beitragen. Die Kühlabschnitte 808 sind im Bereich einer der Abkantungen 806 als nicht abgekanteter Bereich des ersten Metallformkörpers 800 ausgebildet, vgl. 2. Sie sind somit integraler Teil des Metallformkörpers 800, da sie einstückig mit diesem ausgebildet sind.
Der zweite Metallformkörper 810 der ersten Kondensatoranschlusseinrichtung 80 weist drei Kühlabschnitte 818 auf, die in Stromflussrichtung angeordnet sind und somit zur Stromtragfähigkeit dieses zweiten Metallformkörpers 810 beitragen. Diese Kühlabschnitte 818 sind im Bereich U-förmig abgekanteter Abschnitte des Metallformkörpers 810, als Fußabschnitt dieses U-förmig abgekanteten Abschnitts ausgebildet.
Somit weist der zweite Metallformkörper 810, bzw. Verbindungsabschnitt 814, der Kondensatoranschlusseinrichtung 5, der in einem Abschnitt seines Verlaufs unmittelbar benachbart zu einer Kühlfläche 300 angeordnet ist, einen Kühlabschnitt 808 auf, der zur Stromtragfähigkeit des Metallformkörpers 810 beiträgt, während der erste Metallformkörper 800, bzw. Verbindungsabschnitt 804, der Kondensatoranschlusseinrichtung 80, der in dem zugeordneten, parallelen Abschnitt seines Verlaufs mittelbar benachbart zu der Kühlfläche 300 angeordnet ist, einen Kühlabschnitt 808 in Form eines Kühlfortsatzes aufweist, der nicht zur Stromtragfähigkeit des Metallformkörpers 800 beiträgt.
Die zweite Kondensatoranschlusseinrichtung 82 dient der Verbindung der Kondensatoreinrichtung mit einem externen Anschlusselement (vgl. 4 und 5) des leistungselektronischen Systems und damit dessen Gleichstromversorgung und weist zwei flächige Metallformkörper 820,830 auf, die wiederum einer ersten und einer zweiten Polarität zugeordnet sind.
Beide Metallformkörper 820,830 der zweiten Kondensatoranschlusseinrichtung 82 weisen jeweils unmittelbar an der Kondensatoreinrichtung 5 angeordnete Kühlabschnitte 828,838 auf, die jeweils als in einem U-förmig abgekanteten Abschnitt des Verbindungsabschnitts 824,834 angeordnet sind. Der Fußabschnitt der jeweiligen U-förmig abgekanteten Abschnitte steht in unmittelbarem thermisch leitenden Kontakt mit einer zugeordneten Kühlfläche 302 einer Kühleinrichtung 3, vgl. 4 und 5.
4 und 5 zeigen zwei verschiedene dreidimensionale Ansichten eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems 1. Im Schnitt dargestellt ist hierbei das Gehäuse 2 des leistungselektronischen Systems 1, das hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit gleichzeitig die Kühleinrichtung 3, hier eine Flüssigkeitskühleinrichtung, ausbildet, mit einer Mehrzahl von Kühlhohlräumen 32. In dem Gehäuse 2 angeordnet sind ein Leistungshalbleitermodul 4 und eine Kondensatoreinrichtung 5. Das Gehäuse 2 weist unter anderem weitere Komponenten, wie Gleich- 60, 62 und Wechselstromlastanschlusselemente 64 auf.
Die Kühleinrichtung 3 weist eine Mehrzahl von Kühlflächen 300, 302 auf. Auf einer dieser Kühlflächen ist das Leistungshalbleitermodul 4 angeordnet und thermisch leitend mit der Kühleinrichtung 3 verbunden. Das Leistungshalbleitermodul 4 ist insbesondere dazu ausgebildet, aus einem Eingangsgleichstrom einen dreiphasigen Ausgangsgleichstrom zu erzeugen, der insbesondere dem Antrieb eines Motors in einem Elektrofahrzeug dient.
Die Kondensatoreinrichtung 5 weist, wie unter 3 beschrieben, ein Kondensatorgehäuse 50 und zwei Kondensatoranschlusseinrichtungen 80,82 auf.
Diese Kondensatoranschlusseinrichtungen 80,82 sind unter 3 ausführlich beschrieben ausgebildet.
In 4 ist explizit dargestellt die Anbindung des Kühlabschnitts 828 des Verbindungsabschnitts 824 eines Metallformkörpers 820 der zweiten Kondensatoranschlusseinrichtung 82. Dieser Kühlabschnitt 828 steht in einer Vertiefung der Kühleinrichtung in unmittelbarem thermisch leitendem Kontakt mit dieser. Hierbei ist der Kühlabschnitt 828 im Bereich eines U-förmig abgekanteten Abschnitts des Verbindungsabschnitts 824 angeordnet.
In 5 ist explizit dargestellt die Anbindung des Kühlabschnitts 808, bzw. des Kühlfortsatzes, des ersten Verbindungsabschnitts 804 des ersten Metallformkörpers 800 der ersten Kondensatoranschlusseinrichtung 80. Dieser Kühlfortsatz steht in einer Vertiefung 320 der Kühleinrichtung 3 in unmittelbarem thermisch leitendem Kontakt mit dieser.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015113873 B3 [0002]

Claims

Leistungselektronisches System (1) mit einem Gehäuse (2), mit einer Kühleinrichtung (3), mit einem Leistungshalbleitermodul 4 und mit einer Kondensatoreinrichtung (5), wobei ein Kühlabschnitt (808,818,828,838) einer Kondensatoranschlusseinrichtung (80,82) in thermisch leitendem Kontakt mit einer Kühlfläche (300,302) der Kühleinrichtung (3) steht.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 1, wobei die Kühleinrichtung (3) integraler Teil des Gehäuses (2) ist oder in dem Gehäuse (2) angeordnet ist.
Leistungselektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlfläche (302) auf einem Podest oder in einer Vertiefung (320) angeordnet ist.
Leistungselektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlabschnitt (808) fächerartig, oder fingerartig, oder als Mischform hieraus ausgebildet ist.
Leistungselektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kondensatoranschlusseinrichtung (80,82) jeweils als zwei flächige Metallformkörper (800,810,820,830) mit je einer Kontakteinrichtung (802,812,822,832) ausgebildet sind und jeweils einen Verbindungsabschnitt (804,814,824,834) zwischen der Kondensatoreinrichtung (5) und der Kontakteinrichtung (802,812,822,832) aufweist.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 5 wobei die Verbindungsabschnitte (804,814) einer der Kondensatoranschlusseinrichtungen (80) stapelartig angeordnet sind und parallel zueinander verlaufen und wobei zwischen den Verbindungsabschnitten ein Isolierstoff, vorzugsweise eine Isolierstofffolie (840), angeordnet ist.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Verbindungsabschnitt (804,814,824,834) in seinem Verlauf eine Abkantung (806,816,826,836) vorzugsweise eine Mehrzahl von Abkantungen, aufweist.
Leistungselektronisches System nach einem der Ansprüche 5 bis 7 wobei der Kühlabschnitt (808,818) als Kühlfortsatz ausgebildet ist, der integraler Teil des Verbindungsabschnitts (804,814) ist und nicht zur Stromtragfähigkeit der Kondensatoranschlusseinrichtung (80) beiträgt.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 8, wobei der Kühlfortsatz in einer ersten Ausgestaltung seitlich von dem Verbindungsabschnitt (804) hervorsteht.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 8, wobei der Kühlfortsatz in einer zweiten Ausgestaltung im Bereich einer Abkantung (816,826,836) als nicht abgekanteter Teil des Verbindungsabschnitts (814,824,834) ausgebildet ist.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 7 wobei der Kühlabschnitt (818,828,838) im Bereich eines U-förmig abgekanteten Abschnitts des Verbindungsabschnitts (814,824,834) angeordnet ist.
Leistungselektronisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Kühleinrichtung (3) als Flüssigkeitskühleinrichtung mit einer Zu- und einer Ablaufeinrichtung oder als Luftkühleinrichtung ausgebildet ist.