DE102019218956A1

DE102019218956A1 - Leistungselektronik

Info

Publication number: DE102019218956A1
Application number: DE102019218956.3A
Authority: DE
Inventors: Matthias Ganz; Jessica Kansy
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2021-06-10
Also published as: WO2021110362A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik (1) mit einer Platine (2) und darauf angeordneten Elektronikkomponenten (3).Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Leistungselektronik (1) mit Platine (2) und Elektronikkomponenten (3) mittels einer elektrisch isolierenden Folie (6) fluiddicht eingehaust ist.Hierdurch lassen sich die Vorteile einer direkten Kühlung und einer indirekten Kühlung kombinieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronik mit einer Platine und darauf angeordneten Elektronikkomponenten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Kühlanordnung mit einem Kühlkreislauf mit einem elektrisch nicht isolierenden Kühlfluid und einer solchen Leistungselektronik. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Einhausen einer solchen Leistungselektronik.
Eine Leistungselektronik mit Platine und darauf angeordneten Elektronikkomponenten wird heute vielfältig eingesetzt, insbesondere um unterschiedlichste Prozesse überwachen, steuern oder regeln zu können. Beim Betrieb der Leistungselektronik entsteht dabei jedoch Wärme, beispielsweise durch Schaltverluste oder einen Stromfluss, wobei es je nach entstehender Wärme erforderlich sein kann, die Leistungselektronik zu kühlen, um diese in einem für den Betrieb optimalen Temperaturfenster halten zu können.
Zur Kühlung einer solchen Leistungselektronik stehen dabei prinzipiell zwei unterschiedliche Möglichkeiten zur Auswahl, nämlich eine indirekte Kühlung, bei welcher die Leistungselektronik mit beispielsweise einer Kühlplatte wärmeübertragend verbunden und diese Kühlplatte mittels eines Kühlfluids gekühlt wird, oder eine direkte Kühlung über ein elektrisch nicht leitendes Fluid. Bei der direkten Kühlung steht somit das Kühlfluid mit der Wärmequelle, das heißt hier also der Leistungselektronik bzw. den elektronischen Komponenten in direktem Kontakt. Der thermische Widerstand der wärmeübertragenden Strecke kann somit klein gehalten werden, wobei elektrisch nicht leitende Fluide zumeist ungeeignete Stoffeigenschaften hinsichtlich ihres thermischen Verhaltens aufweisen, wie beispielsweise eine geringe spezifische Wärmekapazität, Dichte sowie einen eingeschränkten Temperaturbereich. Des Weiteren bedingt der Einsatz eines solchen Kühlfluids einen eigenen Kühlkreislauf mit den hierfür klassischen Komponenten, wie beispielsweise eine Kühlfluidpumpe, einen Filter bzw. Ventile. Bei der indirekten Kühlung wird - wie eingangs erwähnt - ein separater Wärmeübertrager, beispielsweise eine Kühlplatte, an das zu temperierende Objekt, hier also an die Leistungselektronik, angebracht und wärmeübertragend mit dieser verbunden. Da das Kühlfluid räumlich getrennt von der Leistungselektronik strömt, können auch elektrisch nicht isolierende, insbesondere elektrisch leitende, Kühlfluide eingesetzt werden. Hierfür kommt beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch in Frage, welches optimale Stoffeigenschaften aufweist. Da insbesondere in Kraftfahrzeugen oftmals bereits ein Niedertemperaturkreislauf vorgesehen ist, müssen rein theoretisch nur wenige zusätzliche Komponenten in diesen Niedertemperaturkreislauf eingefügt werden. Nachteilig bei einer derartigen indirekten Kühlung sind jedoch der vergleichsweise hohe thermische Widerstand in der wärmeübertragenden Strecke sowie die Anbindung des Wärmeübertragers an das zu kühlende Objekt, hier also beispielsweise an die Leistungselektronik.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Leistungselektronik der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die jeweiligen Vorteile einer direkten Kühlung, nämliche eines geringen thermischen Widerstandes in Bezug auf die wärmeübertragende Strecke, und einer indirekten Kühlung, nämlich dem Einsatz eines Wasser-Glykol-Gemisches, zu kombinieren. Um dies zu verwirklichen wird eine erfindungsgemäßen Leistungselektronik mit einer Platine und darauf angeordneten Elektronikkomponenten mittels einer elektrisch isolierenden und sehr dünnen Folien fluiddicht eingehaust. Durch die elektrisch isolierende Folie, welche nur wenige µm dick sein kann, kann somit eine direkte bzw. eine quasi direkte Kühlung der Elektronikkomponenten mit beispielsweise einem elektrisch leitenden Kühlfluid, insbesondere mit einem Wasser-Glykol-Gemisch, erreicht werden, ohne einen Kurzschluss befürchten zu müssen. Die „hauchdünne“ elektrisch isolierende Folie stellt somit eine Kühlplatte eines indirekten Kühlsystems dar, welches den Einsatz eines elektrisch nicht isolierenden, insbesondere eines elektrisch leitenden, Kühlfluids und damit eines Kühlfluids mit deutlichen verbesserten Stoffeigenschaften erlaubt, jedoch ebenso eine elektrische Trennung bzw. Isolierung der Elektronikkomponenten von dem Kühlfluid ermöglicht. Somit können die Vorteile einer direkten und einer indirekten Kühlung bei einer solchen Leistungselektronik kombiniert werden, wodurch diese prinzipiell auf einem geringeren Temperaturniveau betrieben und dadurch deren Lebensdauer verlängert werden kann.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Folie beständig gegenüber einem Wasser-Glykol-Gemisch. Hierdurch ist der Einsatz eines derartigen Wasser-Glykol-Gemisches mit optimalen Stoffeigenschaften, insbesondere hinsichtlich spezifischer Wärmekapazität, Dichte und einsetzbarem Temperaturbereich, möglich, ohne dass befürchtet werden muss, dass die Folie langfristig durch das Wasser-Glykol-Gemisch angegriffen und gegebenenfalls zerstört wird. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Folie eine Dicke von ca. 20µm aufweist. Durch eine derartige geringe Dicke können ein besonders geringer thermischer Widerstand in der Wärmeübertragungsstrecke und damit eine besonders effiziente Kühlung der Leistungselektronik bzw. deren Elektronikkomponenten erreicht werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Folie eine Schmelz- oder Zersetzungstemperatur von größer als 90°C, bevorzugt von größer als 120°C auf. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die Folie auch bei höheren Temperaturen des Kühlfluids, das heißt beispielsweise des Wasser-Glykol-Gemisches, keinen Schaden nimmt und zuverlässig langfristig eine elektrische Isolierung der Elektronikkomponenten von dem Kühlfluid ermöglicht.
Zweckmäßig kann dabei die Folie aus Kunststoff, insbesondere aus Polyvinylchlorid (PVC) oder aus Silikon ausgebildet sein. Beide derartige Kunststoffe bieten dabei die Möglichkeit einer sehr dünnen Ausbildung der Folie bei gleichzeitig hoher Temperaturbeständigkeit und hoher Beständigkeit gegenüber dem Wasser-Glykol-Gemisch. Zudem besitzt beispielsweise Polyvinylchlorid eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von ca. 30 kV/mm, wodurch selbst hauchdünne PVC-Folien eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit besitzen. Silikonkautschuk beispielsweise hat eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von ca. 20 kV/mm und stellt somit ebenfalls einen optimalen elektrischen Isolator dar, der äußerst dünne Folien ermöglicht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weisen/weist die Platine und/oder die elektronischen Komponenten abgerundete Eckbereiche auf. Bei der Einhausung der Leistungselektronik mit der elektrisch isolierenden Folie darf letztere nicht beschädigt werden, um die elektrisch isolierende Wirkung aufrecht zu erhalten. Zur Vermeidung von Schäden sind deshalb die Platinen und/die Elektronikkomponenten vorzugsweise ohne scharfe Kanten und Ecken ausgeführt. Hierdurch kann insbesondere ein unbeabsichtigtes und vor allem unerwünschtes Durchstechen der Folie beim Einhausen der Leistungselektronik zuverlässig vermieden werden.
Zweckmäßig sind die Elektronikkomponenten nach ihrer Höhe gruppiert auf der Platine angeordnet. Eine derartige Gruppierung der einzelnen Elektronikkomponenten ist empfehlenswert, um eine möglichst lokal homogene Topologie zu erzielen, die ebenfalls die Gefahr eines unerwünschten Durchstechens der Folie beim Einhausen der Leistungselektronik zumindest reduziert.
Zusätzlicher oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Folie eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von zumindest 4 kV aufweist.
Zweckmäßig weist die Leistungselektronik ein Anschlusskabel zum Anschluss an beispielsweise eine Energieversorgung auf, das mittels der elektrisch isolierenden Folie zumindest am Übergang zur Platine und/oder am Übergang zu zumindest einer elektronischen Komponente fluiddicht eingehaust ist. Insbesondere eine Kabelführung stellt dabei hohe Anforderungen an die Einhausung mit der Folie dar, die stets gewährleisten muss, dass auch Zwischenräume zwischen dem jeweiligen Anschlusskabel und der Folie geschlossen sind. Um beispielsweise eine dichte Kabeldurchführung zu ermöglichen, ist eine Verstärkung der Siegelnaht im Bereich der Durchführung empfohlen. Eine Materialanhäufung kann dabei die Zwischenräume zwischen dem Anschlusskabel und der Siegelnaht mit Schmelzgut füllen. Besonders bevorzugt ist hierbei, sofern eine elektrische Isolierung des Anschlusskabels aus demselben Material ausgebildet ist wie die Folie und dadurch ähnliche Materialeigenschaften, wie beispielsweise Schmelztemperatur und molekularen Aufbau besitzt und dadurch eine gute stoffschlüssige Verbindung ermöglicht. Darüber hinaus ist auch empfehlenswert, eine an die Siegelnaht angepasste Kabelgeometrie, beispielsweise in der Art eines Flachkabels für das Anschlusskabel, auszuwählen und dadurch die fluiddichte Einhausung zu erleichtern. Auch eine Durchmesserreduzierung des durchzuführenden Anschlusskabels oder die Aufteilung des Anschlusskabels in mehrere kleine Anschlussteilkabel erzielt hierbei gleichwertige Effekte.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Folie eine Permeabilität P von P < 10 g/(m²d) auf. Mit Permeabilität kann hierbei insbesondere eine Gaspermeabiltät gemeint sein. Die Permeabilität P der verwendeten Folie wirkt sich dabei auf zwei unterschiedliche Arten auf die Funktionstüchtigkeit, das heißt die Dichtheit, der Einhausung aus. Zum einen ist hier die Durchlässigkeit von Kunststoffen gegenüber Gasen zu nennen, welche einen zwischen, beispielsweise den Elektronikkomponenten und der Folien herrschenden Unterdruck verringert und dadurch längerfristig zu einer Ablösung der Folie von den Elektronikkomponenten bzw. der Platine führen kann. Dies kann zu einem höheren thermischen Widerstand führen, der eine Erhöhung der Betriebstemperatur der Leistungselektronik zur Folge hat, was diese langfristig schädigen kann. Der zweite Punkt bezieht sich ebenfalls auf die Durchlässigkeit von Gasen, welche in kleinste Räume zwischen der elektrisch isolierenden Folie und der Leistungselektronik eindringen und dort kondensieren können, was unter Umständen zu einem Kurzschluss und damit zu einem Ausfall der Leistungselektronik führen kann. Durch den geforderten Grenzwert der Permeabilität P, kann sowohl ein Ablösen der Folie von der Leistungselektronik als auch ein Kondensieren von Wasserdampf zwischen der Folie und der Leistungselektronik zuverlässig vermieden werden.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Kühlanordnung mit einem Kühlkreislauf anzugeben, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem elektrisch nicht isolierenden Kühlfluid, beispielsweise einem Wasser-Glykol-Gemisch, und einer Leistungselektronik entsprechend den vorangegangenen Absätzen, wobei die Leistungselektronik lediglich durch die Folie vom Kühlfluid, hier also von dem Wasser-Glykol-Gemisch getrennt ist. Mit der Begrifflichkeit „nicht elektrisch isolierendem Kühlfluid“ soll ein Kühlfluid gemeint sein, das eine Leitfähigkeit hat, die zu hoch ist, um das Kühlfluid für eine herkömmliche direkte Kühlung einzusetzen. Mittels einer derartigen Kühlanordnung können einerseits eine geringe thermische Wegstrecke und damit ein geringer thermischer Widerstand und eine optimale Wärmeübertragung erreicht werden und andererseits der Einsatz eines hinsichtlich beispielsweise spezifischer Wärmekapazität und Dichte optimalen Kühlfluids. Von besonderem Vorteil bei einer derartigen Kühlanordnung ist darüber hinaus, dass die Leistungselektronik in einen ohnehin bereits am Kraftfahrzeug vorhandenen Niedertemperaturkühlkreislauf angeschlossen werden kann und deshalb keinen eigenen Kühlkreislauf mit eigener Pumpe, eigenem Filter etc. erfordert. Hierdurch kann eine deutliche kostengünstigere und zugleich hinsichtlich der Temperierung bzw. Kühlung effektivere Lösung geschaffen werden.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zum Einhausen einer in den vorherigen Absätzen beschrieben Leistungselektronik anzugeben, bei dem die Folie mittels einer der nachfolgenden Verfahren auf die Leistungselektronik aufgebracht wird:

- thermoplastisches Verfahren mit nachfolgendem Unterdruck, oder
- thermoplastisches Verfahren mit vorhergehendem Unterdruck, oder
- Formfixierung durch Nachpolymerisation.

Sämtliche drei Verfahren bieten dabei sowohl eine optimale und dichte Anlage der Folie an die Leistungselektronik, insbesondere an deren Elektronikkomponenten, und dadurch einen geringen thermischen Widerstand in der Wärmeübertragungsstrecke als auch eine automatisierte Fertigung.
Beim thermoplastischen Verfahren mit nachfolgendem Unterdruck wird dabei die Folie zunächst über die Leistungselektronik gezogen bzw. gelegt und soweit erwärmt, dass es sich im Fließbereich bzw. in einem leicht verformbaren Zustand befindet. Anschließend wird ein Unterdruck zwischen der Folie und der Leistungselektronik angelegt, beispielsweise ein Vakuum, woraufhin sich die Folie an eine Kontur der Leistungselektronik, insbesondere der Platine und der Elektronikkomponenten, anpasst. Anschließend wird die Folie abgekühlt und erstarrt hierbei und ermöglicht dadurch die fluiddichte Einhausung der Leistungselektronik, welche nun nur durch die sehr dünne Folie von dem Kühlfluid getrennt und damit quasi direkt mit einem elektrisch leitenden Kühlfluid, beispielsweise einem Wasser-Glykol-Gemisch, gekühlt werden kann. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt insbesondere auch darin, dass die Anpassung der Folie an die Kontur der Leistungselektronik nicht mehr ausschließlich durch den Unterdruck gegeben ist, sondern durch eine dauerhafte Ausformung der Folie entlang dieser Kontur. Selbst bei einem Nachlassen des Unterdrucks über längere Zeit bleibt somit der thermische Kontakt bestmöglich erhalten.
Bei der zweiten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ebenfalls die Folie über die Leistungselektronik gezogen bzw. gelegt und anschließend ein Unterdruck zwischen der Folie und der Leistungselektronik erzeugt, woraufhin sich diese an die Kontur der Leistungselektronik, beispielsweise der Elektronikkomponenten, anpasst. Derartige elektronische Komponenten können beispielsweise Transistoren, MOSFETs oder IGBTs sein. Anschließend wir die Folie soweit erwärmt, dass sie sich im Fließbereich befindet und dadurch besonders eng an die zu kühlenden Komponenten anliegt. Nach dem Abkühlen und Erstarren der Folie ist auch bei diesem alternativen Verfahren die Leistungselektronik zuverlässig fluiddicht eingehaust. Dieses Verfahren ähnelt dabei dem Aufbringen eines Schrumpfschlauches, wobei sich die Folie durch das Zusammenziehen während des Erwärmens noch stärker an die Kontur bzw. Oberfläche der Leistungselektronik, das heißt beispielsweise deren elektronischen Komponenten, anpasst und dadurch einen optimalen Wärmeübertrag ermöglicht. Auch hier kann eine dauerhafte Ausformung der Folie entlang der Kontur erreicht werden, die selbst bei einem Nachlassen des Unterdrucks über die Zeit den thermischen Kontakt bestmöglichst aufrechterhält.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend der dritten Alternative wird zunächst eine elektrisch isolierende Folie aus noch nicht vollständig polymerisiertem Material über die Leistungselektronik gezogen bzw. gestülpt oder gelegt und anschließend ein Unterdruck zwischen der Folie und der Leistungselektronik erzeugt, woraufhin sich diese einer Außenkontur der Leistungselektronik anpasst. Anschließend wird die Folie ausgehärtet, beispielsweise mittels UV-Licht, einem Beheizen oder dem Aufbringen einer Sauerstoffatmosphäre. Auch hierdurch kann ein langfristig dichtes Anliegen der Folie an den zu kühlenden elektronischen Komponenten und eine fluiddichte Einhausung derselben erreicht werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,

1 eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Leistungselektronik,
2 eine Schnittdarstellung durch einen Bereich der in der 1 dargestellten Leistungselektronik,
3 eine weitere erfindungsgemäße Leistungselektronik,
4 eine Schnittdarstellung durch ein Anschlusskabel,
5 eine Darstellung wie in 4, jedoch bei optimiertem und als Flachkabel ausgebildetem Anschlusskabel.

Entsprechend den 1 bis 3, weist eine erfindungsgemäße Leistungselektronik 1 eine Platine 2, sowie darauf angeordnete Elektronikkomponenten 3 auf. Derartige Elektronikkomponenten können beispielsweise Transistoren oder MOSFETs sein. Um eine optimierte Kühlung bzw. generell Temperierung der Leistungselektronik 1 erreichen zu können, wurde diese derart ausgestaltet, dass sie mittels eines elektrisch nicht isolierenden, insbesondere eines elektrisch leitenden, Kühlfluids 4, beispielsweise eines Wasser-Glykol-Gemisches 5 direkt bzw. quasi direkt kühlbar ist. Erreicht werden kann dies dadurch, dass die Leistungselektronik 1 mit ihrer Platine 2 und den Elektronikkomponenten 3 mittels einer hauchdünnen elektrisch isolierenden Folie 6 fluiddicht überzogen bzw. eingehaust ist. Durch die Verwendung eines herkömmlichen Kühlfluids 4, beispielsweise eines Wasser-Glykol-Gemisches 5, kann ein Kühlfluid 4 mit hoher spezifischer Wärmekapazität, optimierter Dichte und breitem Temperaturanwendungsbereich verwendet werden. Darüber hinaus kann durch die sehr dünne Folie 6 ein äußerst geringer thermischer Widerstand in der Wärmeübertragungsstrecke erreicht werden, wodurch die Leistungselektronik 1 insgesamt auf einem geringerem Temperaturniveau betrieben und dadurch deren Lebensdauer verlängert bzw. die Gefahr von Ausfällen reduziert werden kann. Auch ist ein kurzzeitiges Überschreiten einzelner Betriebsparameter möglich.
Die Folie 6 ist dabei beständig gegenüber dem Wasser-Glykol-Gemisch 5 und kann eine Dicke von lediglich 20µm aufweisen. Hierdurch wird die Wärmeübertragungsstecke extrem reduziert im Vergleich zu bislang bei einer indirekten Kühlung verwendeten Kühlplatten. Die Beständigkeit der Folie 6 gegenüber dem Wasser-Glykol-Gemisch ist selbstverständlich über den gesamten Temperaturbereich gegeben sowie unter zusätzlichem Einfluss von Sauerstoff.
Die Folie 6 kann eine Schmelz- oder Zersetzungstemperatur von größer als 90°C, bevorzugt sogar von größer als 120°C aufweisen und dadurch im gesamten Temperaturbereich des Kühlfluids 4 eingesetzt werden. Selbstverständlich können dabei die Temperaturbeständigkeitsanforderungen der Folie 6 an die auftretenden Betriebstemperaturen der Leistungselektronik 1 angepasst werden. Die Folie 6 kann aus Kunststoff, insbesondere aus Polyvinylchlorid (PVC), aus Polypropylen oder aus Silikon ausgebildet sein, wobei derartige Kunststoffe eine vergleichsweise hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit von größer als 20 kV/mm aufweisen. Als unterer Grenzwert sollte die Folie eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von zumindest 4 kV aufweisen, um langfristig Kurzschlüsse ausschließen zu können. Insbesondere die Verwendung eine Polypropylenfolie mit 20µm Dicke bietet sich dabei an, da sich diese gut an die Außenkontur der Leistungselektronik, insbesondere der Elektronikkomponenten 3 anlegt und zudem zumindest bis zu einer Betriebstemperatur von 100°C weder schmilzt noch sich zersetzt.
Die Folie 6 sollte einen möglichst geringen thermischen Widerstand aufweisen. Dies wird unter anderem durch eine möglichst geringe Foliendicke d erreicht. Der thermische Widerstand Rth der Folie 6 sowie deren Dicke d hängt mit der Verlustleistung Q, der Elektronikkomponenten 3, der Temperatur T_F des Kühlfluids 4, der Wärmeleitfähigkeit λ der Folie 6 und der maximal zulässigen Oberflächentemperatur T_O der Elektronikkomponenten 3 zusammen, woraus sich folgender Zusammenhang ergibt: $R_{t h} = \frac{T_{o} - T_{F}}{\dot{Q}} {und d=R}_{t h} λ A$
Zum weiteren Schutz der Folie 6 beim Aufbringen auf die Leistungselektronik 1 kann vorgesehen sein, dass Eckbereiche 7 der Elektronikkomponenten 3 und/oder der Platine 2 abgerundet sind, wie dies gemäß den 1 und 3 dargestellt ist, wodurch insbesondere ein unbeabsichtigtes Durchstechen der Folie 6 beim Aufbringen auf die Leistungselektronik 1 vermieden werden kann. Darüber hinaus können die elektronischen Komponenten 3 nach ihrer Höhe gruppiert auf der Platine 2 angeordnet sein, wie dies beispielsweise gemäß der 1 dargestellt ist, wobei flache Ausführungen und Bauformen gegenüber hohen Bauformen zu bevorzugen sind. Um dabei eine lokale homogene Topologie zu erzielen, ist es sinnvoll, Elektronikkomponenten 3 gleicher Höhe zusammenzufassen bzw. zu platzieren.
Betrachtet man die 1, 2 sowie 4 und 5, so kann man erkennen, dass die Leistungselektronik 1 ein Anschlusskabel 8 zum Anschluss an beispielsweise eine elektrische Energieversorgung aufweist, das mittels der elektrisch isolierenden Folie 6 zumindest am Übergang zur Platine 2 und/oder zumindest am Übergang zu zumindest einer Elektronikkomponente 3 fluiddicht eingehaust ist (vgl. insbesondere die 2 sowie 4 und 5. Dabei kann auch ein Querschnitt des Anschlusskabels 8 beispielsweise hinsichtlich seines Durchmessers reduziert werden, wobei auch denkbar ist, das Anschlusskabel 8 in mehrere kleine Kabel aufzuteilen, wodurch insbesondere Zwischenräume 9, die gegebenenfalls mit einem Material aufgefüllt bzw. versiegelt werden müssen, reduziert werden können. Um eine dichte Kabeldurchführung zu ermöglichen, ist eine Verstärkung, beispielsweise einer Siegelnaht 11 im Bereich der Durchführung zu empfehlen. Über eine Materialanhäufung 10 lassen sich die Zwischenräume 9 zwischen dem Anschlusskabel 8 und der Siegelnaht 11 mit Schmelzgut füllen. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Material einer Isolierung des Anschlusskabels 8, beispielsweise Polypropylen, PVC oder silikonhaltige Kunststoffe, an das Material der Siegelnaht 11 bzw. der Folie 6 angepasst bzw. gleich zu diesem ist. Ein gleiches Material bzw. eine geeignete Materialkombination (ähnliche Eigenschaften, Schmelztemperatur und molekularer Aufbau) ermöglichen eine optimierte stoffschlüssige Verbindung. Besonders die Verwendung von als Flachkabeln ausgebildeten Anschlusskabeln 8, wie dies gemäß der 5 dargestellt ist, verringert die Zwischenräume 9 und vereinfacht dadurch das fluiddichte Einhausen bzw. Einbinden des Anschlusskabels 8 in die Folie 6.
Die Folie 6 kann eine Permeabilität P von weniger als 10 g/(m²d) aufweisen, um ein Eindiffundieren von Gasen bzw. Wasser in einen Zwischenraum zwischen der Folie 6 und der Leistungselektronik 1 zuverlässig verhindern zu können. Die Permeabilität P des für die Folie 6 verwendeten Kunststoffs wirkt sich dabei auf zwei unterschiedliche Arten auf die Funktionstüchtigkeit der Leistungselektronik aus: Der erste Punkt ist die Durchlässigkeit der Folie 6 für Gase, die einen Unterdruck zwischen beispielsweise den Elektronikkomponenten 3 und der Folie verringert und dadurch langfristig zu einer Ablösung der Folie 6 von der Bauteilkontur der Leistungselektronik 1 führen kann. Dies kann zu einem höheren thermischen Widerstand führen, der eine Erhöhung der Elektroniktemperatur und dadurch eine langfristig Reduzierung deren Lebensdauer zur Folge hat. Der zweite Punkt bezieht sich ebenso auf die Durchlässigkeit von Gasen, da diese in dem Zwischenraum zwischen den Elektronikkomponenten 3 und der Folie 6 kondensieren können, was langfristig zu einem Kurzschluss und damit einem Ausfall der Leistungselektronik 1 führen kann. Hier ist insbesondere die Diffusion von Wasserdampf und das Kondensieren von Wasser zu nennen. Ist die Permeabilität P des Materials der Folie 6 zu hoch, so kann diese eine Beschichtung 12 bzw. eine Schutzschicht aufweisen, um den zuvor beschriebenen geforderten Grenzwert für die Permeabilität P einzuhalten. Selbstverständlich ist auch eine mehrschichtige Folie 6 denkbar.
Eingesetzt wird die erfindungsgemäße Leistungselektronik 1 beispielsweise in einem Kraftfahrzeug 13 mit einem Kühlkreislauf, mit einem elektrisch nicht isolierenden, insbesondere einem elektrisch leitenden, Kühlfluid 4, beispielsweise einem Wasser-Glykol-Gemisch 5, welches über die Folie 6 und damit aufgrund der sehr geringen Dicke der Folie 6 quasi direkt mit der zu temperierenden, insbesondere mit der zu kühlenden Leistungselektronik 1 in wärmeübertragendem Kontakt steht. Durch die Folie 6 kann insbesondere die Verwendung eines elektrisch nicht isolierenden, insbesondere eines elektrisch leitenden, Kühlfluids 4 ermöglicht werden, so dass die Leistungselektronik 1 in eine Kühlanordnung 14 des Kraftfahrzeugs 1, beispielsweise in einen Niedertemperaturkühlkreislauf, problemlos eingebettet werden kann, was den großen Vorteil bietet, dass kein separates, elektrisch nicht leitendes Kühlfluid zusammen mit einer separaten Pumpe, einem separatem Filter etc. eingesetzt werden muss.
Im Folgenden werden noch kurz drei unterschiedliche Verfahren zum Einhausen der Leistungselektronik 1 bzw. der Anschlusskabel 8 mittels einer elektrisch nicht leitenden Folie 6 beschrieben, bei dem die Folie 6 beispielsweise mittels thermoplastischem Verfahren, mittels Verfahren mit Formgedächtnis oder mittels einer Formfixierung durch Nachpolymerisation fluiddicht und enganliegend auf die Leistungselektronik 1 aufgebracht wird.
Bei einer ersten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst die Folie 6 über die Leistungselektronik 1 gezogen bzw. gestülpt, wobei selbstverständlich auch zwei Folien 6 verwendet werden können, zwischen denen die Leistungselektronik 1 eingelegt wird. Anschließend wird die Folie 6 soweit erwärmt, dass sie sich im Fließbereich befindet, woraufhin ein Unterdruck zwischen der Folie 6 und der Leistungselektronik 1 angelegt wird und sich die Folie 6 an eine Außenkontur der Leistungselektronik 1, beispielsweise der Elektronikkomponenten 3 und der Platine 2 anpasst. Anschließend lässt man die Folie 6 abkühlen bzw. kühlt diese ab, woraufhin diese erstarrt. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die Anpassung der Folie 6 bzw. der Folien 6 an die Kontur der Elektronikkomponenten 3 bzw. generell an die Kontur der Leistungselektronik 1 nicht mehr ausschließlich durch den Unterdruck gegeben ist, sondern durch die dauerhafte plastische Verformung der Folie 6 entlang der Kontur. Selbst bei einem Nachlassen des Unterdrucks zwischen Leistungselektronik 1 und Folie 6 über die Zeit bleibt der thermische Kontakt und damit eine optimale Wärmeübertragung bestmöglich erhalten.
Bei einer zweiten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst die Folie 6 über die Leistungselektronik 1 gezogen und anschließend ein Unterdruck zwischen der Folie 6 und der Leistungselektronik 1 angelegt, woraufhin sich die Folie 6 an eine Außenkontur der Leistungselektronik 1 anpasst. Anschließend wird die Folie 6 bis in den Fließbereich erwärmt, wodurch sie sich ähnlich einem Schrumpfschlauch noch stärker an die Oberfläche bzw. Kontur der Leistungselektronik 1 anlegt. Die Folie 6 kann Formgedächtniseigenschaften aufweisen. Mittels dieser Verfahrensvariante kann somit ein äußerst dichtes Einhausen, das heißt ein äußerst geringer Abstand zwischen der Folie 6 und der Leistungselektronik 1 bzw. der Platine 2 und den Elektronikkomponenten 3 an nahezu allen Stellen und damit ein optimaler Wärmeübertrag erreicht werden.
Bei einer dritten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Folie 6 aus noch nicht vollständig polymerisiertem Material über die Leistungselektronik 1 gezogen bzw. die Leistungselektronik 1 in eine derartige Folie 6 eingepackt, woraufhin ein Unterdruck zwischen der Folie 6 und der Leistungselektronik 1 angelegt wird und sich dadurch die Folie 6 konturtreu an eine Kontur der Leistungselektronik 1 bzw. der Elektronikkomponenten 3 und der Platine 2 anliegt. Anschließend wird beispielsweise durch ein Bestrahlen mittels UV-Licht, ein Beheizen oder das Aufbringen einer Sauerstoffatmosphäre die Folie 6 ausgehärtet, wodurch ebenfalls eine dauerhafte plastische Verformung der Folie 6 erreicht werden kann, so dass selbst bei einem Nachlassen des Unterdrucks zwischen den Elektronikkomponenten 3 und der Folie 6 ein enges Anliegen der Folie 6 an der Leistungselektronik 1 bzw. an der Platine 2 und den Elektronikkomponenten 3 und damit ein optimaler Wärmeübertrag erhalten bleibt.
Mit der erfindungsgemäßen Leistungselektronik 1 und der erfindungsgemäßen Kühlanordnung 14 ist es erstmals möglich, die Vorteile einer quasi direkten Kühlung mit einem geringen thermischen Widerstand in der Wärmeübertragungsstrecke mit den Vorteilen einer indirekten Kühlung mit einem elektrisch leitenden Kühlfluid 4 zu kombinieren und dadurch die Kühlung der Leistungselektronik 1 erheblich zu verbessern.

Claims

Leistungselektronik (1) mit einer Platine (2) und darauf angeordneten Elektronikkomponenten (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (1) mit Platine (2) und Elektronikkomponenten (3) mittels einer elektrisch isolierenden Folie (6) fluiddicht eingehaust ist.
Leistungselektronik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass die Folie (6) beständig gegenüber einem Wasser-Glykol-Gemisch (5) ist, und/oder - dass die Folie (6) eine Dicke von <150 µm, bevorzugt <100 µm, besonders bevorzugt ca. 20 µm, aufweist.
Leistungselektronik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, - dass die Folie (6) eine Schmelz- oder Zersetzungstemperatur von größer als 90 °C, bevorzugt von größer als 120 °C, aufweist, und/oder - dass die Folie (6) aus Kunststoff, insbesondere aus Polyvinylchlorid (PVC), aus Polypropylen oder aus Silikon, ausgebildet ist.
Leistungselektronik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (2) und/oder die Elektronikkomponenten (3) abgerundete Eckbereiche (7) aufweisen/aufweist.
Leistungselektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, - dass die Elektronikkomponenten (3) nach ihrer Höhe gruppiert auf der Platine (2) angeordnet sind, und/oder - dass die Folie (6) eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von zumindest 4 kV aufweist.
Leistungselektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (1) ein Anschlusskabel (8) aufweist, das mittels der elektrisch isolierenden Folie (6) zumindest am Übergang zur Platine (2) und/oder zu zumindest einer elektronischen Komponente (3) fluiddicht eingehaust ist.
Leistungselektronik nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Isolierung des Anschlusskabels (8) aus demselben Material ausgebildet ist wie die Folie (6).
Leistungselektronik nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die Folie (6) eine Permeabilität P von P < 10 g/(m²d) aufweist, und/oder - dass die Folie (6) eine Beschichtung (12) und/oder eine Schicht zur Reduzierung einer Gaspermeabilität aufweist.
Kühlanordnung (14) mit einem Kühlkreislauf, insbesondere in einem Kraftfahrzeug (13), mit einem Kühlfluid (4) und einer Leistungselektronik (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, - wobei die Leistungselektronik (1) direkt durch das Kühlfluid (4) gekühlt ist und - wobei sich zwischen den Elektronikkomponenten (3) und dem Kühlfluid (4) nur die elektrisch isolierende Folie (6) befindet und - wobei das Kühlfluid (4) nicht elektrisch isolierend ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid (4) ein Wasser-Glykol-Gemisch (5) ist.
Verfahren zum Einhausen einer Leistungselektronik (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mittels einer elektrisch nicht leitenden Folie (6), bei dem die Folie (6) mittels einer der nachfolgenden Verfahren auf die Leistungselektronik (1) aufgebracht ist, - thermoplastisches Verfahren mit nachfolgendem Unterdruck, oder - thermoplastisches Verfahren mit vorhergehendem Unterdruck, oder - Formfixierung durch Nachpolymerisation.
Verfahren nach Anspruch 11, erste Alternative, dadurch gekennzeichnet, dass - die Folie (6) über die Leistungselektronik (1) gezogen wird, - die Folie (6) soweit erwärmt wird, dass sie sich im Fließbereich befindet, - ein Unterdruck zwischen der Folie (6) und der Leistungselektronik (1) angelegt wird und sich die Folie (1) an eine Kontur der Platine (2) und der Elektronikkomponenten (3), das heißt der Leistungselektronik (1), anpasst, - die Folie (6) abgekühlt wird und erstarrt.
Verfahren nach Anspruch 11, zweite Alternative, dadurch gekennzeichnet, - die Folie (6) über die Leistungselektronik (1) gezogen wird, - ein Unterdruck zwischen der Folie (6) und der Leistungselektronik (1) angelegt wird und sich die Folie (1) an eine Kontur der Platine (2) und der Elektronikkomponenten (3), das heißt der Leistungselektronik (1), anpasst, - die Folie (6) soweit erwärmt wird, dass sie sich im Fließbereich befindet, - die Folie (6) abgekühlt wird und erstarrt.
Verfahren nach Anspruch 11, dritte Alternative, dadurch gekennzeichnet, - eine Folie (6) aus noch nicht vollständig polymerisiertem Material über die Leistungselektronik (1) gezogen wird, - ein Unterdruck zwischen der Folie (6) und der Leistungselektronik (1) angelegt wird und sich die Folie (1) an eine Kontur der Platine (2) und der Elektronikkomponenten (3), das heißt der Leistungselektronik (1), anpasst, - die Folie (6) ausgehärtet wird, beispielsweise durch UV-Licht, Beheizen oder das Aufbringen einer Sauerstoffatmosphäre.