DE102019200011A1 - Elektrische Schaltung mit Kühlung insbesondere für Anwendungen in Luftfahrzeugen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung gibt Schaltungsanordnung (1) an und weist auf:
- einen ersten Kühlkörper (10) mit mindestens einem nach oben zumindest teilweise offenen ersten Kühlkanal (101),
- mindestens ein in dem ersten Kühlkanal (101) angeordnetes elektrisches Leistungsmodul (12),
- einen oberhalb des Leistungsmoduls (12) angeordneten zweiten Kühlkörper (11) mit mindestens einem zumindest teilweise nach oben offenen zweiten Kühlkanal (111),
- eine eine elektrische Schaltung (13) aufweisende Schaltungsträgerplatte (131), die auf dem zweiten Kühlkörper (11) derart angeordnet ist, dass sie den zweiten Kühlkanal (111) von oben her schließt, und
- Verbindungkanäle (14) zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkörper (10, 11), die ausgebildet sind, ein in den ersten Kühlkanal (10) einströmendes Kühlmedium teilweise in den zweiten Kühlkanal (11) und aus dem zweiten Kühlkanal (11) zu lenken.
Die Erfindung gibt auch einen Stromrichter (16) und ein Luftfahrzeug (17) mit einer derartigen Schaltungsanordnung (1) an.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem ersten Kühlkörper mit einem nach oben teilweise offenen ersten Kühlkanal und mit einem in dem ersten Kühlkanal angeordneten elektrischen Leistungsmodul. Die Erfindung betrifft auch einen Stromrichter und ein Luftfahrzeug mit einer derartigen Schaltungsanordnung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bei Stromrichtern werden zur Steuerung der Leistungsmodule Treiberschaltungen eingesetzt. Diese werden nach dem Stand der Technik auf organischen Leiterplatten realisiert und über Löt- oder auch Federkontakte mit den Leistungsmodulen, die die Halbleiterbauelemente enthalten, verbunden. Die Treiberplatine ist üblicherweise ungenügend an eine Kühlung des Leistungsmoduls angebunden. Die Kühlung der Treiberplatine erfolgt in der Regel über die Steuerungsanschlüsse, über Schraubverbindungen oder über eine Wärmeleitpaste, die punktuell die Wärmeerzeugung spreizt.
  • Bei schnellschaltenden Halbleiterbauelementen ist es jedoch vorteilhaft, eine sehr niederinduktive bzw. niederohmige Anbindung der Treiberplatine an die Halbleiterbauelemente zu realisieren, um die hohen Schaltgeschwindigkeiten erreichen zu können. D.h. die Treiberschaltung muss sehr nahe an das Wärme abgebende Leistungsmodul angebracht werden, was auch das freie Volumen eines Stromrichters reduziert. Dies erfordert jedoch eine sehr temperaturstabile Treiberschaltung, da die schnell schaltenden Bauelemente des Leistungsmoduls, basierend auf SiC oder GaN, zukünftig absehbar auch bei Temperaturen deutlich über 150 °C betrieben werden.
  • Die entstehende Abwärme der Halbleiterbauelemente kann aufgrund Konvektion und Strahlung zu kritischen Temperaturen auf bzw. in der Treiberschaltung führen. Des Weiteren kann es als Folge einer starken Miniaturisierung (d.h. hochgepackte Schaltungen auf der Platine) zu Hotspots auf der Treiberschaltung kommen.
  • Es ist üblich, das Schaltungslayout auf den Treiberplatinen wegen der thermischen Belastung der Bauteile zu entzerren sowie Zwischenschichten aus Kupfer einzulegen, um eine großflächige Spreizung für eine freien Konvektion zu erreichen. Die Kühlung erfolgt oftmals relativ unspezifisch über die Befestigungsschrauben an dem Gehäuse oder an der Kühlplatte. Ansonsten ist die thermische Anbindung durch das organische FR4 Material als Isolation relativ gering.
  • In der nachveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2018 216 859.8 ist eine Kühlung von Leistungsmodulen beispielhaft beschrieben.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, durch die eine Kühlung der Treiberschaltung in einem Stromrichter verbessert werden kann. Dies ist insbesondere für Anwendungen in der Luftfahrt von großer Bedeutung.
  • Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung besteht darin, über einen Bypass-Kühlkanal aus dem die Leistungsmodule kühlenden Hauptstrom eines Kühlmediums einen Teil des Kühlmediums abzuzweigen und für die Kühlung der Treiberschaltung zu verwenden.
  • Die Erfindung beansprucht eine Schaltungsanordnung, aufweisend:
    • - einen ersten Kühlkörper mit mindestens einem nach oben zumindest teilweise offenen ersten Kühlkanal und
    • - mindestens ein in dem ersten Kühlkanal angeordnetes elektrisches Leistungsmodul,
    • - einen oberhalb des Leistungsmoduls angeordneten zweiten Kühlkörper mit mindestens einem nach oben offenen zweiten Kühlkanal,
    • - eine eine elektrische Schaltung aufweisende Schaltungsträgerplatte, die auf dem zweiten Kühlkörper derart angeordnet ist, dass sie den zweiten Kühlkanal von oben her schließt, und
    • - Verbindungkanäle zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkörper, die ausgebildet sind, ein in den ersten Kühlkanal einströmendes Kühlmedium teilweise in den zweiten Kühlkanal und aus dem zweiten Kühlkanal zu lenken.
  • Dadurch wird eine mehrlagige Schaltungsanordnung mit einem Bypass für die Kühlung der Treiberschaltung geschaffen. Die Erfindung bietet mehrere Vorteile im Vergleich zu bekannten Lösungen:
    • - eine höhere mechanische Festigkeit/Steifigkeit, wodurch keine zusätzlichen Stützverschraubungen erforderlich sind,
    • - eine hohe Robustheit gegenüber Vibrationen,
    • - eine höhere Temperaturfestigkeit, wodurch eine kompaktere Bauweise möglich ist,
    • - ein kleinerer thermischer Ausdehnungskoeffizient, wodurch die Lebensdauer der Schaltungsanordnung steigt,
    • - eine höhere Wärmeleitfähigkeit,
    • - eine höhere chemische Beständigkeit/Korrosionsbeständigkeit gegenüber jeglicher Kühlflüssigkeit,
    • - eine höhere Kriechstromfestigkeit im Vergleich zu organischen Leiterplatten, wodurch die Zuverlässigkeit erhöht wird, und
    • - 3D Geometrien durch additive Herstellung der HTCC/LTCC, z.B. ist eine Kühlstruktur auf der Leiterplattenunterseite der Treiberschaltung möglich.
  • In einer Weiterbildung kann die elektrische Schaltung eine Treiberschaltung sein, die ausgebildet ist, das elektrische Leistungsmodul zu steuern.
  • In einer weiteren Ausgestaltung können in einer Bodenplatte des Leistungsmoduls erste Kühlrippen ausgebildet sein, die von dem Kühlmedium umströmbar sind.
  • In einer weiteren Ausprägung der Erfindung kann die Schaltungsträgerplatte ein Mulitilagensubstrat sein.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann die unterste Lage des Mulitilagensubstrats aus Keramik sein.
  • Durch eine entsprechende Metallisierung bzw. durch Metallinlays in der Keramik (bzw. umlaufend um die Keramik) sind u.a. auch geschweißte oder gelötete Dichtflächen zwischen dem Mulitilagensubstrat und dem zweiten Kühlkörper möglich.
  • In einer weiteren Ausgestaltung sind in der untersten Lage des Mulitilagensubstrats zweite Kühlrippen ausgebildete, die von dem Kühlmedium umströmbar sind.
  • In einer weiteren Ausbildung ist die elektrische Schaltung mit dem Leistungsmodul mittels Kontaktelementen verbunden, die zwischen den zweiten Kühlkanälen angeordnet sind.
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Schaltungsanordnung in einem Stromrichter eingesetzt.
  • Die Erfindung beansprucht einen Stromrichter, insbesondere einen Umrichter, mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
  • Als Umrichter, auch Inverter genannt, wird ein Stromrichter bezeichnet, der aus einer Wechselspannung oder Gleichspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderte Wechselspannung erzeugt. Häufig sind Umrichter als AC/DC-DC/AC-Umrichter oder DC/AC-Umrichter ausgebildet, wobei aus einer Eingangswechselspannung oder einer Eingangsgleichspannung über einen Gleichspannungszwischenkreis und getakteten Halbleitern eine Ausgangswechselspannung erzeugt wird.
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Schaltungsanordnung in einem Luftfahrzeug eingesetzt.
  • Die Erfindung beansprucht ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug, mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb.
  • Unter Luftfahrzeug wird jede Art von fliegendem Fortbewegungs- oder Transportmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden.
  • In einer Weiterbildung weist das Luftfahrzeug einen durch den Stromrichter mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor und einen durch den Elektromotor in Rotation versetzbaren Propeller auf.
  • Die Erfindung ist auch für die Bordnetzversorgung bei Luftfahrzeugen einsetzbar und für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen geeignet. Die beispielshafte Beanspruchung von Luftfahrzeugen ist nicht einschränkend für die Erfindung.
  • Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
  • Figurenliste
  • Es zeigen:
    • 1 einen Querschnitt durch eine Schaltungsanordnung gemäß Stand der Technik,
    • 2 eine Schnittansicht einer Schaltungsanordnung mit einer Bypasskühlung,
    • 3 eine weitere Schnittansicht
    • 4 eine räumliche Ansicht einer Schaltungsanordnung mit einer Bypasskühlung,
    • 5 eine räumliche Ansicht eines Schnitts durch eine Schaltungsanordnung mit einem Bypass zur Kühlung,
    • 6 ein Blockschaltbild eines Stromrichters mit einer Bypasskühlung und
    • 7 ein Luftfahrzeug mit einer elektrischen Schuberzeugungseinheit.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Schaltungsanordnung einer Leistungselektronik gemäß Stand der Technik, wie sie beispielsweise in einem Umrichter eingesetzt wird. Zu sehen ist ein erster Kühlkörper 10 auf dem ein Leistungsmodul 12 angeordnet ist. Eine darüberliegende Treiberschaltung 13 mit einer Schaltungsträgerplatte 131 ist mittels elektrisch leitfähiger Kontaktelemente 15 mit dem Leistungsmodul 12 elektrisch verbunden. Die Treiberschaltung 13 steuert die Leistungsmodule 12 in bekannter Weise.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Schaltungsanordnung 1 mit einer sogenannten „Bypasskühlung“. In einem ersten Kühlkörper 10 ist ein erster Kühlkanal 101 ausgebildet, durch den ein Hauptkühlstrom H eines nicht dargestellten Kühlmediums, beispielsweise Luft oder Wasser, strömt. Der erste Kühlkanal 101 ist nach oben hin offen und nimmt ein Leistungsmodul 12 auf. Das Leistungsmodul 12 weist eine Bodenplatte 121 auf, die vorzugsweise die Kavität des ersten Kühlkanals 101 von oben her dicht verschließt. An der Unterseite der Bodenplatte 121 sind erste Kühlrippen 122 ausgebildet. Diese werden von dem Hauptkühlstrom H u.a. entwärmt.
  • Oberhalb des Leistungsmoduls 12 befindet sich ein zweiter Kühlkörper 11 mit nach oben teilweise offenen zweiten Kühlkanälen 111. In die dadurch entstehende Kavität ist die Treiberschaltung 13 eingepasst. Die zweiten Kühlkanäle 111 sind mit dem ersten Kühlkanal 101 über Verbindungskanäle 14 verbunden, sodass aus dem Hauptkühlstrom H ein Nebenkühlstrom B (auch mit Sekundärkühlstrom oder Bypasskühlung bezeichenbar) des Kühlmediums abgezweigt wird. Der Nebenkühlstrom B durchströmt die zweiten Kühlkanäle 111 und kann so die Treiberschaltung 13 von unten her entwärmen.
  • Die Treiberschaltung 13 weist eine mehrlagige Schaltungsträgerplatte 131 (= Multilagensubstrat) auf, auf der und/oder in der nicht dargestellte elektrische Bauelemente für die Steuerung der Leistungsmodule 12 angeordnet sind. Die unterste Lage der Schaltungsträgerplatte 131 ist bevorzugt aus einer Keramik mit zweiten Kühlrippen 132. Diese keramische Kühlstruktur 132 kann einen metallischen Rand aufweisen oder eine Metallstruktur aufweisen, so dass eine dichte Verlötung und Verschweißung mit dem zweiten Kühlkörper 11 möglich ist.
  • Über Kontaktelemente 15 ist die Treiberschaltung 13 mit den Leistungsmodulen 12 elektrische verbunden. Die zweiten Kühlkanäle 111 und der zweite Kühlkörper 11 sind so ausgebildet, dass die Kontaktelemente 15 ungehindert den zweiten Kühlkörper 11 passieren können, wie in 3 anhand der Schnittansicht entlang der Ebene AA der 2 zu sehen ist. In 3 sind die Kontaktelemente 15, die keramische Kühlstruktur 132 der Schaltungsträgerplatte 131 sowie die zweiten Kühlkanäle 111 des zweiten Kühlkörpers 11 zu erkennen. Dargestellt ist auch der Nebenkühlstrom B.
  • Die Treiberschaltung 13 ist, wie bereits beschrieben, vorzugsweise mit einem keramischen Multilagensubstrat (HTCC, LTCC) realisiert, das zur Kühlung als Abschlussplatte in die offenen zweiten Kühlkanäle 111 eingesetzt ist. Die Treiberschaltung 13 ist über dem Leistungsmodul 12 mit minimalem Abstand zu den Halbleiterbauelementen angeordnet. Dies ist durch einen entsprechend ausgebildeten zweiten Kühlkörper 11 (z.B. durch 3D Druck oder Metallguss) möglich, der in einer zweiten räumlichen Ebene den Bypass aufweist. Der Bypass zur Kühlung ist ebenfalls offen ausgeführt, in den das keramische Treibersubstrat eingesetzt werden kann.
  • Bevorzugt besteht der zweite Kühlkanal 111 aus mehreren parallel durchströmten Kanälen, wodurch die Durchführung der Signal-Pins (z.B. Federkontaktstifte) möglich wird.
  • Die zusätzlichen keramischen Kühlstrukturen am Multilagensubstrat verbessern den Wärmeübergang zwischen dem Substrat und dem Kühlmedium.
  • 4 und 5 zeigen räumliche Ansichten einer Schaltungsanordnung 1 mit einer Bypasskühlung. Der Übersichtlichkeit wegen ist die Schaltungsträgerplatte 131 der Treiberschaltung 13 transparent dargestellt und zeigt keine Bauelemente. Dadurch sind die darunter liegenden Strukturen besser erkennbar. Durch den ersten Kühlkanal 101 des ersten Kühlkörpers 10 wird der Hauptkühlstrom H des nicht dargestellten Kühlmediums geleitet.
  • Mit Hilfe der Verbindungskanäle 14 wird aus dem Hauptkühlstrom H ein Nebenkühlstrom B abgezweigt und durch die zweiten Kühlkanäle 111 des zweiten Kühlkörpers 11 geführt. Der Hauptkühlstrom H ist für die Entwärmung der Leistungsmodule 12 verantwortlich, die sich oberhalb des ersten Kühlkörpers 10 befinden. Dazu ist der erste Kühlkanal 101 nach oben hin geöffnet und bildet somit eine Kavität, in die Bodenplatte 121 des Leistungsmoduls 12 eingepasst ist.
  • Die Kontaktelemente 15 stellen die elektrische Verbindung zwischen der Treiberschaltung 13 und den Leistungsmodulen 12 her. Die Schaltungsträgerplatte 131 ist bevorzugt mehrlagig ausgeführt und kann auf der der Bauelemente abgewandten Seite eine keramische Kühlstruktur mit zweiten Kühlrippen 132 aufweisen. Die ersten und zweiten Kühlrippen 122, 132 sind bevorzugt als Pin-Fins ausgeführt.
  • 6 zeigt ein Blockschaltbild eines Stromrichters 16, insbesondere eines Umrichters, mit einer Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 bis 5.
  • 7 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luftfahrzeug 17, insbesondere ein Flugzeug, mit einem Stromrichter 16 gemäß 6, der einen Elektromotor 181 mit elektrischer Energie versorgt. Der Elektromotor 181 treibt einen Propeller 182 an. Beide sind Teil einer elektrischen Schuberzeugungseinheit 18.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Schaltungsanordnung
    10
    Erster Kühlkörper
    101
    Erster Kühlkanal
    11
    Zweiter Kühlkörper
    111
    Zweiter Kühlkanal
    12
    Leistungsmodul
    121
    Bodenplatte des Leistungsmoduls 12
    122
    Erste Kühlrippen der Bodenplatte 121
    13
    Treiberschaltung
    131
    Schaltungsträgerplatte
    132
    Keramische Kühlstruktur mit zweiten Kühlrippen
    14
    Verbindungskanal
    15
    Kontaktelement
    16
    Stromrichter
    17
    Luftfahrzeug
    18
    Elektrische Schuberzeugungseinheit
    181
    Elektromotor
    182
    Propeller
    B
    Nebenkühlstrom (Bypass)
    H
    Hauptkühlstrom
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018216859 [0006]

Claims (12)

  1. Schaltungsanordnung (1), aufweisend: - einen ersten Kühlkörper (10) mit mindestens einem nach oben zumindest teilweise offenen ersten Kühlkanal (101) und - mindestens ein in dem ersten Kühlkanal (101) angeordnetes elektrisches Leistungsmodul (12), gekennzeichnet durch: - einen oberhalb des Leistungsmoduls (12) angeordneten zweiten Kühlkörper (11) mit mindestens einem zumindest teilweise nach oben offenen zweiten Kühlkanal (111), - eine eine elektrische Schaltung (13) aufweisende Schaltungsträgerplatte (131), die auf dem zweiten Kühlkörper (11) derart angeordnet ist, dass sie den zweiten Kühlkanal (111) von oben her schließt, und - Verbindungkanäle (14) zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkörper (10, 11), die ausgebildet sind, ein in den ersten Kühlkanal (10) einströmendes Kühlmedium teilweise in den zweiten Kühlkanal (11) und aus dem zweiten Kühlkanal (11) zu lenken.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung eine Treiberschaltung (13) ist, die ausgebildet ist, das elektrische Leistungsmodul (12) zu steuern.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch: - in einer Bodenplatte (121) des Leistungsmoduls (12) ausgebildete erste Kühlrippen (122), die von dem Kühlmedium umströmbar sind.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsträgerplatte (131) ein Mulitilagensubstrat ist.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unterste Lage des Mulitilagensubstrats aus Keramik ist.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch: - in der untersten Lage des Mulitilagensubstrats ausgebildete zweite Kühlrippen (132), die von dem Kühlmedium umströmbar sind.
  7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: - die elektrische Schaltung (13) mit dem Leistungsmodul (12) verbindende Kontaktelemente (15), die zwischen den zweiten Kühlkanälen (111) angeordnet sind.
  8. Stromrichter (16) mit einer Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  9. Stromrichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (16) ein Umrichter ist.
  10. Luftfahrzeug (17) mit einem Stromrichter (16) nach Anspruch 8 oder 9 für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb.
  11. Luftfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfahrzeug (17) ein Flugzeug ist.
  12. Luftfahrzeug nach Anspruch 10 und 11, gekennzeichnet durch: - einen durch den Stromrichter (16) mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor (181) und - einen durch den Elektromotor (181) in Rotation versetzbaren Propeller (182).
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