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Die Erfindung betrifft eine Busbaranordnung für leistungselektronische Bauelemente. Außerdem betrifft die Erfindung eine Leistungselektronikanordnung aufweisend leistungselektronische Bauelemente, eine Busbaranordnung und eine Kühlanordnung. Außerdem betrifft die Erfindung eine Leistungselektronikanordnung aufweisend leistungselektronische Bauelemente und eine Busbaranordnung.
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DE 10 2015 206 992 A1 ist eine elektrische Baugruppe bekannt mit einer Leiterplatte, einem ersten und einem zweiten Leistungsbauteil und einem Kühlkörper, wobei der Kühlkörper eine erste Kontaktfläche für ein erstes Leistungsbauteil und eine zweite Kontaktfläche für ein zweites Leistungsbauteil aufweist, wobei die Kontaktflächen miteinander einen spitzen Winkel und einen Raum zur Aufnahme der Leistungsbauteile einschließen, wobei jedes Leistungsbauteil eine Anlagefläche zur Anlage an einer zugeordneten Kontaktfläche des Kühlkörpers aufweist und die Leistungsbauteile derart an der Leiterplatte befestigt sind, dass ihre Anlageflächen miteinander einen Winkel einschließen, der dem Öffnungswinkel der Kontaktflächen des Kühlkörpers entspricht.
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Aus dem Dokument
WO 2015/184546 A1 ist ein Stromrichter bekannt umfassend Sammelschienen, die eine doppelte Funktion zum Kühlen der elektronischen Schalter und zum Leiten von Strom zu oder von den elektronischen Schaltern haben. Die elektronischen Schalter, die in einem TO-220 oder einem ähnlichen Gehäuse untergebracht sind, sind mit der großen Lasche des Gehäuses direkt an die Stromschiene gelötet oder auf andere Weise befestigt, wodurch die Schalter effizient gekühlt werden. Da die Laschen elektrisch mit einem Teil des elektronischen Schalters verbunden sind, sind die Sammelschienen mit einem Teil der elektronischen Schaltung des Leistungswandlers verbunden.
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Aus dem Dokument
WO 2018/138530 A1 sind eine Halbleiteranordnung und ein die Halbleiteranordnung enthaltender Wechselrichter bekannt, insbesondere ein Wechselrichter zur Verwendung mit Bahnstromeinheiten, z.B. für On- und Off-Road-Fahrzeuge und stationäre Kraftumkehrung. In der Anordnung sind Halbleiterbauelemente thermisch und elektrisch mit einem Kühlkörper als Modul gekoppelt. Der Kühlkörper ist als eine Sammelschiene konfiguriert, um die eine oder mehreren Halbleitervorrichtungen elektrisch miteinander zu verbinden, um Leistung zwischen der einen oder den mehreren Halbleitervorrichtungen zu übertragen. Die Halbleitervorrichtungen können unter Verwendung der Struktur, an der sie angebracht sind, gekühlt werden und auch in ein Kühlmedium eingetaucht werden, um die Kühlung der Vorrichtung weiter zu erhöhen.
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Aus dem Dokument
WO 2018/138532 A1 ist eine Halbleiterkühlanordnung bekannt zum Kühlen von Halbleiterbauelementen, wie beispielsweise Leistungshalbleitern. Die Halbleiterkühlanordnung umfasst eine oder mehrere Halbleiteranordnungen, die in einer Kammer innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind. Das Gehäuse umfasst Einlass- und Auslassöffnungen zum Aufnehmen und Ausgeben eines Kühlmediums. Die Kammer wird mit einem Kühlmedium geflutet, um die Baugruppen zu kühlen. Die Anordnungen selbst umfassen jeweils einen Kühlkörper und eine oder mehrere Halbleiter-Leistungsbauelemente, die thermisch mit dem Kühlkörper gekoppelt sind. Der Kühlkörper umfasst Wärmeaustauschelemente in Form einer Vielzahl von Löchern in dem Kühlkörper, die sich durch den Kühlkörper von einer Oberfläche zu einer anderen Oberfläche erstrecken, sodass das Kühlmedium durch die Löcher strömt, um Wärme aus dem Kühlkörper abzuziehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Busbaranordnung baulich und/oder funktional zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eingangs genannte Leistungselektronikanordnungen baulich und/oder funktional zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Busbaranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einer Leistungselektronikanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einer Leistungselektronikanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Busbaranordnung kann zur Verwendung im Bereich der elektrischen Antriebstechnik, im Bereich regenerativ erzeugter Energie, insbesondere der Solartechnik oder der Windkrafttechnik, oder in Schaltnetzteilen dienen.
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Die Busbaranordnung kann wenigstens eine Busbar aufweisen. Die Busbaranordnung kann eine einzige Busbar oder mehrere voneinander baulich, elektrisch und/oder thermisch gesonderte Busbars aufweisen. Insofern kann vorliegend „Busbaranordnung“ auch „Busbar“ bedeuten.
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Die wenigstens eine Busbar kann auch als elektrische Sammelschiene bezeichnet werden. Die Busbaranordnung kann mehrere ähnliche oder gleiche Busbars aufweisen. Die Busbaranordnung kann mehrere Busbars aufweisen. Die wenigstens eine Busbar kann als gemeinsamer elektrische Leiter für mehrere leistungselektronische Bauelemente dienen. Die wenigstens eine Busbar kann dazu dienen, mehrere leistungselektronische Bauelemente miteinander elektrisch leitend zu verbinden. Die wenigstens eine Busbar kann zum zentralen Verteilen elektrischer Energie dienen. Die wenigstens eine Busbar kann als gemeinsamer thermischer Leiter für mehrere leistungselektronische Bauelemente dienen. Die wenigstens eine Busbar kann dazu dienen, mehrere leistungselektronische Bauelemente miteinander thermisch leitend zu verbinden. Die wenigstens eine Busbar kann zum zentralen Verteilen thermischer Energie dienen. Die wenigstens eine Busbar kann mechanisch als gemeinsamer Träger für mehrere leistungselektronische Bauelemente dienen.
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Die Busbaranordnung kann eine vorbestimmte Mindestwärmekapazität aufweisen. Die Mindestwärmekapazität kann derart vorbestimmt sein, dass leistungsspitzenbedingte Wärmemengen der leistungselektronischen Bauelemente zwischenspeicherbar sind. Leistungsspitzenbedingte Wärmemengen können Wärmemengen sein, die bei einer kurzzeitigen Beanspruchung der leistungselektronischen Bauelemente in ihrem oberen Leistungsbereich auftreten. Der obere Leistungsbereich kann ein Leistungsbereich zwischen 70% und 100%, insbesondere zwischen 80% und 100%, insbesondere zwischen 90% und 100%, insbesondere zwischen 95% und 100%, einer zulässigen Maximalbelastung der leistungselektronischen Bauelemente sein. Der Begriff „leistungsspitzenbedingte Wärmemengen“ kann zu Abgrenzung gegenüber „dauerlastbedingten Wärmemengen“ dienen. Eine Dauerlast kann ca. 50% von Leistungsspitzen betragen. Eine kurzzeitige Beanspruchung kann eine Beanspruchung von bis zu 25s, insbesondere von bis zu 20s, insbesondere von bis zu 15s, insbesondere von bis zu 10s, insbesondere von bis zu 5s, insbesondere von bis zu 2s, sein.
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Eine Wärmeleitfähigkeit der Busbaranordnung kann zum Temperaturausgleich zwischen den leistungselektronischen Bauelementen ausgelegt sein. Die Busbaranordnung kann eine vorbestimmte Mindestwärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Mindestwärmeleitfähigkeit kann derart vorbestimmt sein, dass Temperaturen zwischen den leistungselektronischen Bauelementen ausgleichbar sind. Die Mindestwärmeleitfähigkeit kann derart vorbestimmt sein, dass Temperaturen zwischen den leistungselektronischen Bauelementen innerhalb einer vorbestimmten Mindestzeit ausgleichbar sind. Die Busbaranordnung kann aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 100W/(m K) hergestellt sein. Die Busbaranordnung kann aus einem Metall, insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, hergestellt sein.
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Die Busbaranordnung kann eine Querschnittsfläche aufweisen, die insbesondere unter Berücksichtigung eines Bauraums, der erforderlichen Wärmekapazität und/oder der erforderlichen Wärmeleitfähigkeit ausgelegt ist. Die wenigstens eine Busbar kann eine Längsachse und eine entlang der Längsachse konstanten Querschnittsfläche aufweisen. Die Querschnittsfläche der wenigstens einen Busbar kann sowohl unter Berücksichtigung eines Bauraums als auch unter Berücksichtigung der erforderlichen Wärmekapazität ausgelegt sein. Eine Querschnittsfläche der Busbaranordnung kann eine Querschnittsfläche der wenigstens einen Busbar sein. Die Querschnittsfläche der wenigstens einen Busbar kann trapezförmig ausgeführt sein oder einen trapezförmigen Abschnitt aufweisen. Die Querschnittsfläche der wenigstens einen Busbar kann rechteckförmig ausgeführt sein oder einen rechteckförmigen Abschnitt aufweisen. Eine rechteckförmig ausgeführte Querschnittsfläche oder ein rechteckförmiger Abschnitt der Querschnittsfläche kann insbesondere im Hinblick auf einen Wärmeübergang zwischen der wenigstens einen Busbar und einer Kühlanordnung ausgelegt sein, beispielsweise um eine Wärmeübergangsfläche zu maximieren.
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Die Busbaranordnung kann wenigstens einen ersten Kontaktabschnitt für die leistungselektronischen Bauelemente aufweisen. Die Busbaranordnung kann zwei erste Kontaktabschnitte für die leistungselektronischen Bauelemente aufweisen. Die ersten Kontaktabschnitte können zueinander winklig angeordnet sein. Die ersten Kontaktabschnitte können den Schenkeln einer trapezförmig ausgeführten Querschnittsfläche oder einem trapezförmigen Abschnitt der Querschnittsfläche zugeordnet sein. Der wenigstens eine erste Kontaktabschnitt kann einer Seite einer rechteckförmig ausgeführten Querschnittsfläche zugeordnet sein. Die Busbaranordnung kann wenigstens einen zweiten Kontaktabschnitt für die leistungselektronischen Bauelemente für eine Kühlanordnung aufweisen. Der wenigstens eine erste Kontaktabschnitt und der wenigstens eine zweite Kontaktabschnitt können zueinander winklig angeordnet sein. Der wenigstens eine zweite Kontaktabschnitt kann einer Seite einer rechteckförmig ausgeführten Querschnittsfläche oder einem rechteckförmigen Abschnitt der Querschnittsfläche zugeordnet sein.
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Die Leistungselektronikanordnung kann zur Verwendung im Bereich der elektrischen Antriebstechnik, im Bereich regenerativ erzeugter Energie, insbesondere der Solartechnik oder der Windkrafttechnik, oder in Schaltnetzteilen dienen.
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Die leistungselektronischen Bauelemente können schaltende Bauelemente sein. Die leistungselektronischen Bauelemente können zum Umformen elektrischer Energie dienen. Die leistungselektronischen Bauelemente können zum Umrichten, insbesondere zum Frequenzumrichten dienen. Die leistungselektronischen Bauelemente können zum Wechselrichten dienen. Die leistungselektronischen Bauelemente können beispielsweise Diacs, bipolare Leistungstransistoren, Leistungs-MOSFETs, GTO-Thyristoren, IGBTs, Thyristoren, Triacs, Dioden oder Leistungskondensatoren sein.
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Die Kühlanordnung kann wenigstens einen Kühlkörper aufweisen. Der wenigstens eine Kühlkörper kann als Stiftkühlkörper ausgeführt sein. Die Kühlanordnung kann mithilfe eines Kühlmittels kühlbar sein. Das Kühlmittel kann ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, sein. Die Kühlanordnung kann Kühlmittelkanäle aufweisen.
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Die Leistungselektronikanordnung kann zwischen den leistungselektronischen Bauelementen und der Busbaranordnung einen niedrigeren Wärmewiderstand aufweisen. Der Wärmewiderstand zwischen den leistungselektronischen Bauelementen und der Busbaranordnung kann bezogen auf einen Wärmewiderstand zwischen der Busbaranordnung und der Kühlanordnung niedriger sein. Die Leistungselektronikanordnung kann zwischen der Busbaranordnung und der Kühlanordnung einen höheren Wärmewiderstand aufweisen. Der Wärmewiderstand zwischen der Busbaranordnung und der Kühlanordnung kann bezogen auf einen Wärmewiderstand zwischen den leistungselektronischen Bauelementen und der Busbaranordnung höher sein.
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Die Leistungselektronikanordnung kann zwischen den leistungselektronischen Bauelementen und der Busbaranordnung einen vorbestimmten niedrigeren Wärmewiderstand und zwischen der Busbaranordnung und der Kühlanordnung einen vorbestimmten höheren Wärmewiderstand aufweisen. Der vorbestimmte niedrigere Wärmewiderstand zwischen den leistungselektronischen Bauelementen und der Busbaranordnung und der vorbestimmte höhere Wärmewiderstand zwischen der Busbaranordnung und der Kühlanordnung können derart vorbestimmt und/oder aufeinander abgestimmt sein, dass leistungsspitzenbedingte Wärmemengen der leistungselektronischen Bauelemente zwischenspeicherbar sind. Der vorbestimmte niedrigere Wärmewiderstand zwischen den leistungselektronischen Bauelementen und der Busbaranordnung und vorbestimmte höhere Wärmewiderstand zwischen der Busbaranordnung und der Kühlanordnung können derart vorbestimmt und/oder aufeinander abgestimmt sein, dass nicht lediglich leistungsspitzenbedingte Wärmemengen zu der Kühlanordnung übergehen können.
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Die leistungselektronischen Bauelemente und die Busbaranordnung können miteinander unmittelbar verbunden sein. Die leistungselektronischen Bauelemente und die Busbaranordnung können miteinander mithilfe eines Wärmeleitmediums verbunden sein. Die leistungselektronischen Bauelemente und die Busbaranordnung können miteinander kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden sein. Die leistungselektronischen Bauelemente und die Busbaranordnung können miteinander verschraubt und/oder verlötet sein. Die Busbaranordnung und die Kühlanordnung können miteinander elektrisch isolierend verbunden sein. Die Busbaranordnung und die Kühlanordnung können miteinander elektrisch isolierend verbunden sein.
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Die leistungselektronischen Bauelemente können mithilfe der Busbaranordnung miteinander thermisch gekoppelt sein. Die leistungselektronischen Bauelemente können thermisch parallelgeschaltet sein.
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Mit der Erfindung wird eine Leistungsfähigkeit erhöht. Es werden elektrische, thermische und/oder mechanische Vorteile sowie Bauraumvorteile erzielt. Eine thermische Impedanz bei kurzen Leistungspulsen wird reduziert. Beispielsweise kann ein elektrischer Ausgangsstrom eines topologischen Schalters, der mehrere leistungselektronische Bauelemente aufweist, und damit eine Ausgangsleistung eines Inverters erhöht werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben.
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Es zeigen schematisch und beispielhaft:
- 1 eine Leistungselektronikanordnung mit leistungselektronischen Bauelementen, einer Busbaranordnung und einer Kühlanordnung,
- 2 eine Busbar mit einer Querschnittsfläche mit einem trapezförmigen Abschnitt und einem rechteckförmigen Abschnitt und leistungselektronische Bauelemente,
- 3 eine Anordnung von Busbars mit einer Querschnittsfläche mit einem trapezförmigen Abschnitt und einem rechteckförmigen Abschnitt,
- 4 Prinzipdarstellungen zur thermischen Koppelung leistungselektronischer Bauelemente,
- 5 einen qualitativen Effekt einer Busbaranordnung mit einer zum Zwischenspeichern von leistungsspitzenbedingten Wärmemengen leistungselektronischer Bauelemente ausgelegten Wärmekapazität und
- 6 eine Anordnung von Busbars mit einer rechteckförmigen Querschnittsfläche und leistungselektronische Bauelemente.
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1 zeigt eine Leistungselektronikanordnung 1 mit leistungselektronischen Bauelementen, wie 2, 3, einer Busbaranordnung 4 und einer Kühlanordnung 5. Die Leistungselektronikanordnung 1 als Umrichter für eine elektrische Maschine eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, wie Hybridelektrokraftfahrzeug oder Elektroauto.
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Die Busbaranordnung 4 weist mehrere Busbars, wie 6, 7 auf. 2 zeigt eine Busbar 6 mit leistungselektronischen Bauelementen 2, 3 in Detailansicht. Die Busbars 6, 7 weisen jeweils eine Querschnittsfläche mit einem trapezförmigen Abschnitt 8 und einem rechteckförmigen Abschnitt 9 auf. Die Busbars 6, 7 weisen jeweils eine prismaartige Form mit zwei zueinander winklig angeordneten ersten Kontaktabschnitten, die Schenkeln des trapezförmigen Abschnitts 8 der Querschnittsfläche zugeordnet sind, und einem zweiten Kontaktabschnitt, der einer Seite des rechteckförmigen Abschnitts 9 der Querschnittsfläche zugeordnet ist, auf.
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Mit ihrem zweiten Kontaktabschnitt sind die Busbars 6, 7 an der Kühlanordnung 5 angeordnet. Die Busbars 6, 7 weisen jeweils eine Längsachse auf und sind mit ihren Längsachsen zueinander parallel und voneinander beabstandet angeordnet. Zwischen den Busbars 6, 7 sind Aufnahmeräume für die leistungselektronischen Bauelementen 2, 3 gebildet. 3 zeigt eine parallele und voneinander beabstandete Anordnung von Busbars 6, 7 mit einer Querschnittsfläche mit einem trapezförmigen Abschnitt 8 und einem rechteckförmigen Abschnitt 9. Außerdem zeigt 3 eine Busbar 10 mit einem größeren Winkel zwischen den ersten Kontaktabschnitten. Die leistungselektronischen Bauelementen 2, 3 sind an den ersten Kontaktabschnitten der Busbars 6, 7 angeordnet. Die Kühlanordnung 5 weist einen Stiftkühlkörper auf und ist mithilfe eines Kühlmittels kühlbar.
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Die Leistungselektronikanordnung 1 weist zwischen den leistungselektronischen Bauelementen 2, 3 und der Busbaranordnung 4 einen vorbestimmten niedrigeren Wärmewiderstand und zwischen der Busbaranordnung 4 und der Kühlanordnung 5 einen vorbestimmten höheren Wärmewiderstand auf und die Busbaranordnung 4 weist eine vorbestimmte Mindestwärmekapazität auf.
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Der vorbestimmte niedrigere Wärmewiderstand zwischen den leistungselektronischen Bauelementen 2, 3 und der Busbaranordnung 4, der vorbestimmte höhere Wärmewiderstand zwischen der Busbaranordnung und der Kühlanordnung und die vorbestimmte Mindestwärmekapazität der Busbaranordnung 4 sind derart aufeinander abgestimmt, dass leistungsspitzenbedingte Wärmemengen der leistungselektronischen Bauelemente 2, 3 zwischengespeichert werden und nicht lediglich leistungsspitzenbedingte Wärmemengen, insbesondere dauerbetriebbedingte Wärmemengen, zu der Kühlanordnung 5 übergehen können.
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Die leistungselektronischen Bauelemente 2, 3 und die Busbaranordnung 4 sind miteinander unmittelbar oder miteinander mithilfe eines Wärmeleitmediums verbunden, beispielsweise verschraubt und/oder verlötet. Die Busbaranordnung 4 und die Kühlanordnung 5 sind miteinander elektrisch isolierend verbunden, wobei der vorbestimmte höhere Wärmewiderstand mithilfe einer elektrischen Isolation zwischen der Busbaranordnung 4 und der Kühlanordnung 5 dargestellt ist.
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Die leistungselektronischen Bauelemente 2, 3 sind mithilfe der Busbaranordnung 4 miteinander thermisch gekoppelt und thermisch parallelgeschaltet.
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4 zeigt Prinzipdarstellungen zur thermischen Koppelung der leistungselektronischen Bauelemente 2, 3. Ausgehend von einer Darstellung ohne thermische Koppelung ist zunächst thermische Koppelung mit entsprechendem Temperaturausgleich und nachfolgend eine dadurch ermöglichte verbesserte Ausnutzung einer zulässigen Maximaltemperatur über die mit der Busbaranordnung 4 thermisch gekoppelten leistungselektronischen Bauelemente 2, 3. Mithilfe der thermischen Kopplung kann für eine vorbestimmte Maximaltemperatur und vorgegebene Parameterstreuung der leistungselektronischen Bauelemente 2, 3, die einen unterschiedlichen Eintrag von Verlusten bedingt, eine höhere Leistung, beispielsweise ein höherer Inverterausgangsstrom, erreicht werden kann als ohne thermische Koppelung.
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Die Leistungselektronikanordnung 1 weist zwischen der Busbaranordnung 4 und der Kühlanordnung 5 eine derart vorbestimmte Mindestwärmeleitfähigkeit auf, dass Temperaturen zwischen den leistungselektronischen Bauelementen 2, 3 ausgeglichen werden können.
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5 zeigt ein Diagramm 11 zu einem qualitativen Effekt der Busbaranordnung 4 mit einer zum Zwischenspeichern von leistungsspitzenbedingten Wärmemengen leistungselektronischer Bauelemente 2, 3 ausgelegten Wärmekapazität. In dem Diagramm 11 ist auf einer x-Achse eine Zeit t und auf einer y-Achse eine thermische Impedanz Zth logarithmisch aufgetragen. Gegenüber einem zeitlichen Verlauf der thermische Impedanz 12 einer Leistungselektronikanordnung, bei der eine elektrische Isolation zwischen leistungselektronischen Bauelementen und einer Busbar erfolgt, wird durch unmittelbare Anordnung der leistungselektronischen Bauelemente 2, 3 an der Busbar 6, 7 ein zeitlicher Verlauf der thermischen Impedanz 13 ermöglicht, der in einem Zeitraum, in dem Leistungsspitzen auftreten, deutlich unterhalb der thermische Impedanz 12 liegt.
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6 zeigt eine Anordnung von Busbars 6, 7 mit einer rechteckförmigen Querschnittsfläche und leistungselektronische Bauelemente, wie 2, 3. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 bis 5 und die zugehörige Beschreibung verweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leistungselektronikanordnung
- 2
- Bauelemente
- 3
- Bauelemente
- 4
- Busbaranordnung
- 5
- Kühlanordnung
- 6
- Busbar
- 7
- Busbar
- 8
- Abschnitt
- 9
- Abschnitt
- 10
- Busbar
- 11
- Diagramm
- 12
- Impedanz
- 13
- Impedanz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015206992 A1 [0002]
- WO 2015/184546 A1 [0003]
- WO 2018/138530 A1 [0004]
- WO 2018/138532 A1 [0005]
