DE102020008153A1

DE102020008153A1 - Power electronic system with a switching device and with a liquid cooling device

Info

Publication number: DE102020008153A1
Application number: DE102020008153.3A
Authority: DE
Inventors: Marco Lederer; Christian Zeiler; Harald Kobolla
Original assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2022-06-09

Abstract

Vorgestellt wird ein leistungselektronisches System mit einer Schalteinrichtung und mit einer Flüssigkeitskühleinrichtung, wobei die Schalteinrichtung ein Plattenelement aufweist, auf dessen der Flüssigkeitskühleinrichtung abgewandten Seite auf voneinander elektrisch isolierten Leiterbahnen Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet und schaltungsgerecht mittels einer Verbindungseinrichtung verbunden sind, wobei die Flüssigkeitskühleinrichtung einen ersten Teilkörper mit einem Einströmvolumenbereich und einem Ausströmvolumenbereich und einen zweiten Teilkörper aufweist, wobei zwischen den beiden Teilkörpern ein Kühlvolumenbereich ausgebildet ist, wobei vom zweiten Teilkörper eine Mehrzahl von Wärmetransportkörpern in den Kühlvolumenbereich hineinragt, wobei der zweite Teilkörper, vorzugsweise vollständig, in einer Ausnehmung des ersten Teilkörpers angeordnet ist und die beiden Teilkörper stoffschlüssig und flüssigkeits-druckdicht miteinander verbunden sind und eine gemeinsame plane Oberfläche, die eine erste Hauptfläche ausbildet, aufweisen und wobei die Flüssigkeitskühleinrichtung dafür ausgebildet und vorgesehen ist mit einer Kühlflüssigkeit vom Einströmvolumenbereich über den Kühlvolumenbereich zum Ausströmvolumenbereich durchströmt zu werden, wobei der erste Teilkörper (30) aus einem ersten Werkstoff und der zweite Teilkörper (32) aus einem zweiten, vom ersten unterschiedlichen, Werkstoff besteht und wobei das Plattenelement der Schalteinrichtung kraftschlüssig auf der ersten Oberfläche angeordnet ist.A power electronic system with a switching device and with a liquid cooling device is presented, the switching device having a plate element, on the side of which facing away from the liquid cooling device power semiconductor components are arranged on conductor tracks which are electrically isolated from one another and are connected in a manner suitable for the circuit by means of a connecting device, the liquid cooling device having a first part-body with an inflow volume region and an outflow volume area and a second part-body, a cooling volume area being formed between the two part-bodies, a plurality of heat-transporting bodies protruding from the second part-body into the cooling-volume area, the second part-body being arranged, preferably completely, in a recess of the first part-body and the the two body parts are connected to one another in a material-to-material and liquid-pressure-tight manner and have a common planar top surface that forms a first main surface, and wherein the liquid cooling device is designed and provided for a cooling liquid to flow through it from the inflow volume area via the cooling volume area to the outflow volume area, wherein the first part-body (30) consists of a first material and the second part-body (32) consists of a second material, different from the first, and wherein the plate element of the switching device is arranged in a non-positive manner on the first surface.

Description

Die Erfindung beschreibt ein leistungselektronisches System mit einer Flüssigkeitskühleinrichtung und mit einer Schalteinrichtung, wobei diese vorzugsweise als Leistungshalbleitermodul ausgebildet ist.The invention describes a power electronic system with a liquid cooling device and with a switching device, which is preferably designed as a power semiconductor module.

Aus dem Stand der Technik, beispielhaft offenbart in der US 6,594,149 B2 , ist eine flüssigkeitsgekühlte Schaltungsvorrichtung bekannt. Diese umfasst ein Schaltmodul mit einem Schaltkreiselement und einer Schaltmodulgrundplatte, auf welcher das Schaltkreiselement angebracht ist, ein Schaltgehäuse zur Aufnahme des Schaltmoduls und eine Kühlflüssigkeitskammer zum Leiten einer Kühlflüssigkeit in Kontakt mit einer Rückseite einer Modulbasisplatte des Schaltmoduls.From the prior art, disclosed by way of example in US 6,594,149 B2 , a liquid-cooled circuit device is known. This includes a switch module with a circuit element and a switch module baseplate on which the circuit element is mounted, a switch housing for accommodating the switch module, and a cooling liquid chamber for conducting a cooling liquid in contact with a rear side of a module base plate of the switch module.

Ein ständiger Mangel bei derartigen Systemen liegt in der unzureichenden Kühlleistung, wobei die, typischerweise thermische, Energie, die in der Regel aus Verlusten der Schalteinrichtung resultiert, an ein Kühlmedium abgeführt werden muss, um die Schalteinrichtung vor Überhitzung und damit Zerstörung zu bewahren.A constant deficiency in such systems is the insufficient cooling capacity, with the typically thermal energy, which usually results from losses in the switching device, having to be dissipated to a cooling medium in order to protect the switching device from overheating and thus from being destroyed.

In Kenntnis dieser genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Flüssigkeitskühleinrichtung eines leistungselektronischen Systems derart weiter zu bilden, dass der Wärmeübergang von der Schalteinrichtung des leistungselektronischen Systems auf ein Kühlmedium, genauer auf eine Kühlflüssigkeit, verbessert wird.Knowing these circumstances, the invention is based on the object of further developing the liquid cooling device of a power electronic system in such a way that the heat transfer from the switching device of the power electronic system to a cooling medium, more precisely to a cooling liquid, is improved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein leistungselektronisches System mit einer Schalteinrichtung und mit einer Flüssigkeitskühleinrichtung, wobei die Schalteinrichtung ein Plattenelement aufweist, auf dessen der Flüssigkeitskühleinrichtung abgewandten Seite auf voneinander elektrisch isolierten Leiterbahnen Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet und schaltungsgerecht mittels einer Verbindungseinrichtung verbunden sind, wobei die Flüssigkeitskühleinrichtung einen ersten Teilkörper mit einem Einströmvolumenbereich und einem Ausströmvolumenbereich und einen zweiten Teilkörper aufweist, wobei zwischen den beiden Teilkörpern ein Kühlvolumenbereich ausgebildet ist, wobei vom zweiten Teilkörper eine Mehrzahl von Wärmetransportkörpern in den Kühlvolumenbereich hineinragen, wobei der zweite Teilkörper, vorzugsweise vollständig, in einer Ausnehmung des ersten Teilkörpers angeordnet ist und die beiden Teilkörper stoffschlüssig und flüssigkeits-druckdicht miteinander verbunden sind, eine gemeinsame plane Oberfläche, die eine erste Hauptfläche ausbildet, aufweisen und wobei die Flüssigkeitskühleinrichtung dafür ausgebildet und vorgesehenen ist mit einer Kühlflüssigkeit vom Einströmvolumenbereich über den Kühlvolumenbereich zum Ausströmvolumenbereich durchströmt zu werden, wobei der erste Teilkörper aus einem ersten Werkstoff und der zweite Teilkörper aus einem zweiten, vom ersten unterschiedlichen, Werkstoff besteht und wobei das Plattenelement der Schalteinrichtung kraftschlüssig auf der ersten Oberfläche angeordnet ist.This object is achieved according to the invention by a power electronic system with a switching device and with a liquid cooling device, the switching device having a plate element, on the side of which facing away from the liquid cooling device power semiconductor components are arranged on conductor tracks which are electrically insulated from one another and are connected in a circuit-compatible manner by means of a connecting device, the liquid cooling device having a first Partial body with an inflow volume area and an outflow volume area and a second part body, wherein a cooling volume area is formed between the two part bodies, wherein a plurality of heat transport bodies protrude from the second part body into the cooling volume area, the second part body, preferably completely, in a recess of the first part body is arranged and the two partial bodies are connected to one another in a materially bonded manner and in a liquid-pressure-tight manner d, have a common planar surface that forms a first main surface, and wherein the liquid cooling device is designed and provided for a cooling liquid to flow through it from the inflow volume area via the cooling volume area to the outflow volume area, the first part being made of a first material and the second part being made of a second material, different from the first, and wherein the plate element of the switching device is arranged in a non-positive manner on the first surface.

Es kann vorteilhaft sein, wenn das Plattenelement als eine Grundplatte oder ein leistungselektronisches Substrat ausgebildet ist. Sowohl die Grundplatte und das leistungselektronische Substrat oder nur dieses sind vorteilhafterweise Teil eines Leistungshalbleitermoduls.It can be advantageous if the plate element is in the form of a base plate or a power electronic substrate. Both the base plate and the electronic power substrate or only this are advantageously part of a power semiconductor module.

Es kann bevorzugt sein, wenn das Plattenelement vollständig nur auf der Teilfläche der ersten Oberfläche angeordnet ist, die durch den zweiten Teilkörper ausgebildet wird oder wobei das Plattenelement die Teilfläche des zweiten Teilkörpers zumindest an einer Seite überlappt und auch auf der Teilfläche des ersten Teilkörpers aufliegt.It can be preferred if the plate element is arranged completely only on the partial surface of the first surface that is formed by the second partial body or the plate element overlaps the partial surface of the second partial body at least on one side and also rests on the partial surface of the first partial body.

Auch kann es bevorzugt sein, wenn die Wärmetransportkörper eine runde, ovale, polyederförmige oder frei geformte Grundfläche aufweisen und spitz oder verjüngend oder nicht verjüngend ausgebildet sind und vorzugsweise mindestens ein Wärmetransportkörper, vorzugsweise eine Mehrzahl, und wiederum, vorzugsweise nicht alle der Wärmetransportkörper mit einer Bodenfläche des Kühlvolumenbereichs in mechanischem Kontakt stehen.It can also be preferred if the heat transport bodies have a round, oval, polyhedral or freely shaped base and are pointed or tapered or non-tapered and preferably at least one heat transport body, preferably a plurality, and again, preferably not all of the heat transport bodies with a bottom surface of the cooling volume area are in mechanical contact.

Ebenso bevorzugt ist es, wenn eine zweite Wärmeleitfähigkeit des zweiten Werkstoffs um mindestens 10%, vorzugsweise um mindestens 25% über einer ersten Wärmeleitfähigkeit des ersten Werkstoffs liegt und wobei die zweite Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise mindestens 230 W/(m K) beträgt.It is also preferred if a second thermal conductivity of the second material is at least 10%, preferably at least 25%, above a first thermal conductivity of the first material and the second thermal conductivity is preferably at least 230 W/(m K).

Es ist bevorzugt, wenn der erste Teilkörper einen Dom mit einer Domdeckfläche aufweist, die plan zur gemeinsamen Oberfläche angeordnet ist, und der Dom durch eine Ausnehmung des zweiten Teilkörpers hindurchreicht und vorzugsweise ein Sackloch mit einem Innengewinde aufweist.It is preferred if the first body part has a dome with a dome cover surface which is arranged plane to the common surface, and the dome extends through a recess in the second body part and preferably has a blind hole with an internal thread.

Es kann zudem vorteilhaft sein, wenn der erste Teilkörper eine Mehrzahl von gleichartigen Ausnehmungen aufweist, in denen gleichartige zweite Teilkörper angeordnet sind, somit eine Mehrzahl von Kühlvolumenbereichen ausgebildet werden und wobei der Einströmvolumenbereich und der Ausströmvolumenbereich jeweils eine Mehrzahl von Abzweigungen aufweisen, damit die Kühlvolumenbereiche parallel durchströmt werden können. Dabei können die zweiten Teilkörper quaderförmig ausgebildet sein und entlang ihrer Längsseiten in einer Reihe benachbart angeordnet sein. Hierdurch können die zugeordneten Kühlvolumenbereiche in Längsrichtung mit Kühlmedium durchströmt werden.It can also be advantageous if the first partial body has a plurality of similar recesses in which similar second partial bodies are arranged, thus forming a plurality of cooling volume areas and wherein the inflow volume area and the outflow volume area each have a number of branches, so that the cooling volume areas are parallel can be flowed through. In this case, the second part-bodies can be cuboid and arranged adjacent to one another in a row along their longitudinal sides. Through this the associated cooling volume areas can be flowed through with cooling medium in the longitudinal direction.

Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn der Einströmvolumenbereich einen Querschnittsverlauf aufweist, wobei einzelne Abzweigungen des Einströmvolumenbereichs jeweils mit gleicher Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit durchflossen werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dann der Ausströmvolumenbereich einen korrelierten Querschnittsverlauf wie der Einströmvolumenbereich aufweist.It can also be advantageous if the inflow volume area has a cross-sectional profile, with individual branches of the inflow volume area each having the same amount of liquid flowing through it per unit of time. It is particularly advantageous if the outflow volume area then has a cross-sectional profile that is correlated with the inflow volume area.

Es kann bevorzugt sein, wenn der erste Teilkörper ausgehend von einer zweiten Hauptfläche weitere Ausnehmungen aufweist, in denen weitere zweite Teilkörper stoffschlüssig und flüssigkeits-druckdicht angeordnet sind und wobei deren Oberflächen mit der zweiten Hauptseite eine weitere gemeinsame plane Oberfläche ausbilden und wobei auch deren Kühlvolumenbereich dazu ausgebildet und vorgesehen ist vom Einströmvolumenbereich über den Kühlvolumenbereich zum Ausströmvolumenbereich durchströmt zu werden. Dabei kann die erste und zweite Hauptfläche parallel zueinander und gegenüberliegend angeordnet sein.It can be preferred if the first partial body has further recesses, starting from a second main surface, in which further second partial bodies are arranged in a materially bonded and liquid-pressure-tight manner and with their surfaces forming a further common planar surface with the second main side and with their cooling volume area also forming this designed and intended to be flown through from the inflow volume area via the cooling volume area to the outflow volume area. In this case, the first and second main surfaces can be arranged parallel to one another and opposite one another.

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 genannten und hier oder im Folgenden erläuterten-Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen sich nicht ausschließenden Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the various configurations of the invention can be implemented individually or in any combination in order to achieve improvements. In particular, the features mentioned above and explained here or below can be used not only in the specified combinations, but also in other combinations that are not mutually exclusive, or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 8 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung oder von jeweiligen Teilen hiervon.

1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
3 zeigt einen Blick auf die Flüssigkeitskühleinrichtung dieser zweiten Ausgestaltung.
4 zeigt in dreidimensionaler Ansicht ein Leistungshalbleitermodul mit einer Schalteinrichtung dieser zweiten Ausgestaltung.
5 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine erste Ausgestaltung einer Flüssigkeitskühleinrichtung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
6 und 7 zeigen in dreidimensionaler Ansicht eine zweite Ausgestaltung einer Flüssigkeitskühleinrichtung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
8 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine dritte Ausgestaltung einer Flüssigkeitskühleinrichtung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.

Further explanations of the invention, advantageous details and features result from the following description of the 1 until 8th schematically illustrated embodiments of the invention or of respective parts thereof.

1 shows a section through a first embodiment of a power electronic system according to the invention.
2 shows a section through a second embodiment of a power electronic system according to the invention.
3 shows a view of the liquid cooling device of this second embodiment.
4 shows a three-dimensional view of a power semiconductor module with a switching device of this second embodiment.
5 shows a three-dimensional view of a first embodiment of a liquid cooling device of a power electronic system according to the invention.
6 and 7 show a three-dimensional view of a second embodiment of a liquid cooling device of a power electronic system according to the invention.
8th shows a three-dimensional view of a third embodiment of a liquid cooling device of a power electronic system according to the invention.

1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems 1. Dargestellt ist eine Flüssigkeitskühleinrichtung 3, die einen ersten und einen zweiten Teilkörper 30,32 aufweist. Der erste Teilkörper 30 weist einen Einströmvolumenbereich 34 und einen Ausströmvolumenbereich 38 auf, die sich jeweils in die Zeichenebene hinein erstrecken und hier jeweils einen Kanal ausbilden. Zwischen dem Einström- und dem Ausströmvolumenbereich 34,38 ist ein Kühlvolumenbereich 36 ausgebildet. 1 shows a section through a first embodiment of a power electronic system 1 according to the invention. A liquid cooling device 3 is shown, which has a first and a second partial body 30,32. The first partial body 30 has an inflow volume area 34 and an outflow volume area 38, which each extend into the plane of the drawing and each form a channel here. A cooling volume area 36 is formed between the inflow and outflow volume areas 34 , 38 .

Zur Ausbildung dieses Kühlvolumenbereichs 36 weist der erste Teilkörper 30 eine Ausnehmung 306 auf, in der ein zweiter Teilkörper 32 angeordnet ist. Dieser zweite Teilkörper 32 weist eine plattenartige Grundform und hiervon ausgehende und in den Kühlvolumenbereich 36 hineinragende Wärmetransportkörper 322 auf. Die plattenartige Grundform bildet auf ihrer dem Kühlvolumenbereich 36 abgewandten Seite eine plane Teilfläche 320 aus. Dies plane Teilfläche 320 bildet mit der umgebenden planen Teilfläche 302 des ersten Teilkörpers 30 eine gemeinsame plane erste Oberfläche 300 der Flüssigkeitskühleinrichtung 3 aus.In order to form this cooling volume region 36, the first part-body 30 has a recess 306 in which a second part-body 32 is arranged. This second partial body 32 has a plate-like basic shape and heat transport bodies 322 emanating therefrom and protruding into the cooling volume area 36 . The plate-like basic shape forms a planar partial surface 320 on its side facing away from the cooling volume area 36 . This flat partial surface 320 forms a common flat first surface 300 of the liquid cooling device 3 with the surrounding flat partial surface 302 of the first partial body 30 .

In dieser Ausführung liegt die plattenartige Grundform des zweiten Teilkörpers 32 umlaufend auf einer Auflagefläche des ersten Teilkörpers 30 auf. Zwischen einem Randbereich des zweiten Teilkörpers 32 und einem korrespondierenden Innenrand des ersten Teilkörpers 30 ist ein Verbindungsmittel 4, hier ein Hartlot 40 - vgl. 2, angeordnet. Hierdurch ist der zweite Teilkörper 32 stoffschlüssig und flüssigkeits-druckdicht in der Ausnehmung 306 angeordnet und der Kühlvolumenbereich 36 derart ausgebildet, dass er mit Kühlflüssigkeit vom Einströmvolumenbereich 34 zum Ausströmvolumenbereich 38 durchflossen werden kann. Das Hartlot 40 steht hier über die erste Oberfläche 300 hervor. Es kann allerdings auch gegenüber dieser zurückversetzt sein und somit einen Graben ausbilden. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Hartlot 40 nach der Anordnung hervorsteht und in einem weiteren Herstellungsschritt plan mit der ersten Oberfläche 300 geschliffen wird.In this embodiment, the plate-like basic shape of the second body part 32 lies circumferentially on a bearing surface of the first body part 30 . A connecting means 4, here a hard solder 40—cf. FIG. 2 , arranged. As a result, the second partial body 32 is arranged in the recess 306 in a materially bonded and liquid-pressure-tight manner and the cooling volume area 36 is designed in such a way that cooling liquid can flow through it from the inflow volume area 34 to the outflow volume area 38 . The hard solder 40 projects beyond the first surface 300 here. However, it can also be set back from this and thus form a ditch. It is particularly preferred if the hard solder 40 protrudes after the arrangement and is ground flat with the first surface 300 in a further production step.

Alternativ zur Hartlotverbindung 40 kann die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Teilköper 30,32 auch als eine Schweißverbindung ausgebildet sein. Im Fall einer bevorzugten Laserschweißverbindung wird kein explizites Verbindungsmittel angeordnet.As an alternative to the hard-soldered connection 40, the integral connection between the first and second partial bodies 30, 32 can also be designed as a welded connection. In the case of a preferred laser welded connection, no explicit connecting means is arranged.

Beide genannte Ausgestaltungen der stoffschlüssigen Verbindung sind insbesondere bevorzugt, wenn der erste Teilkörper 30 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung erster Wärmeleitfähigkeit und der zweite Teilkörper 32 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zweiter, höherer Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist. Eine derartige Ausgestaltung weist den wesentlichen Vorteil auf, dass der Werkstoff des ersten Teilkörpers 30 in Bezug auf seine mechanische Stabilität optimiert werden kann, während der zweite Teilkörper 32 in Bezug auf seine Wärmetransporteigenschaften optimiert werden kann. Die somit entstehende Hybrid-Flüssigkeitskühleinrichtung weist in der Summe ihrer physikalischen Eigenschaften wesentliche Vorteile gegenüber einer fachüblichen Flüssigkeitskühleinrichtung aus nur einem Werkstoff auf.Both of the aforementioned configurations of the material connection are particularly preferred if the first body part 30 is made of aluminum or an aluminum alloy with a first thermal conductivity and the second body part 32 is made of aluminum or an aluminum alloy with a second, higher thermal conductivity. Such a configuration has the significant advantage that the material of the first part-body 30 can be optimized with regard to its mechanical stability, while the second part-body 32 can be optimized with regard to its heat transport properties. In the sum of its physical properties, the resulting hybrid liquid cooling device has significant advantages compared to a conventional liquid cooling device made of only one material.

Auf der Teilfläche 320 des zweiten Teilkörpers 32 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einer Schalteinrichtung 2 angeordnet, die eine das Plattenelement 20 ausbildende Grundplatte 200 aufweist. Auf dieser Grundplatte 200, allerdings nicht dargestellt, ist ein fachübliches leistungselektronisches Substrat mit Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet. Weitere notwendige Komponenten des Leistungshalbleitermoduls bzw. der Schalteinrichtung wie Stromanschlusselemente sind ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht dargestellt.A power semiconductor module with a switching device 2 , which has a base plate 200 forming the plate element 20 , is arranged on the partial surface 320 of the second partial body 32 . A customary power electronic substrate with power semiconductor components is arranged on this base plate 200, although not shown. Other necessary components of the power semiconductor module or the switching device, such as power connection elements, are also not shown here for reasons of clarity.

Insbesondere bei besonders kompakten Ausgestaltungen des leistungselektronischen Systems 1 ragt das Plattenelement 20 in mindestens einer, vorzugsweise zwei gegenüberliegenden oder sogar allen Richtungen seitlich über den zweiten Teilkörper 32 bzw. dessen Teilfläche 320 hinaus.Particularly in the case of particularly compact configurations of the power electronic system 1, the plate element 20 projects laterally beyond the second partial body 32 or its partial surface 320 in at least one, preferably two opposite or even all directions.

2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems 1. Der erste Teilkörper 30 weist hier wiederum jeweils einen Einström- und Ausströmvolumenbereich 34,38 und eine Teilfläche 302 auf. Zudem weist der erste Teilkörper 30 zentral in der Ausnehmung 306 angeordnet einen Dom 31 mit einer Domdeckfläche 310 auf. Diese Domdeckfläche 310 ist plan zur Teilfläche 302 des ersten Teilkörpers 30 und auch zur gemeinsamen Oberfläche 300 ausgebildet und angeordnet. Der Dom 31 ist zylinderförmig ausgebildet und weist ein Sackloch 316 mit einem Innengewinde auf. 2 shows a section through a second embodiment of a power electronic system 1 according to the invention. In addition, the first partial body 30 has a dome 31 with a dome cover surface 310 arranged centrally in the recess 306 . This dome top surface 310 is designed and arranged flat to the partial surface 302 of the first partial body 30 and also to the common surface 300 . The dome 31 is cylindrical and has a blind hole 316 with an internal thread.

Der zweite Teilkörper 32 weist im Unterschied zu demjenigen gemäß der ersten Ausgestaltung eine zum Dom 31 korrespondierende Ausnehmung 324, vgl. 3, auf, durch die der Dom 31 hindurchreicht. Selbstverständlich ist auch zwischen dem Dom 31 und dem zweiten Teilkörper 32 eine stoffschlüssige und flüssigkeitsdruckdichte Verbindung 4, hier wieder rein beispielhaft mittels einem Hartlot 42, ausgebildet.In contrast to that according to the first embodiment, the second partial body 32 has a recess 324 corresponding to the dome 31, cf. 3 , through which the Dom 31 passes. Of course, between the dome 31 and the second body part 32 there is also an integral connection 4 which is impervious to liquid pressure, here again purely by way of example by means of a hard solder 42 .

Ebenfalls unterschiedlich zur ersten Ausgestaltung reichen einige der Wärmetransportkörper 322 nicht nur in den Kühlvolumenbereich 36 hinein, sondern bis zu dessen Bodenfläche 360 und bilden dort jeweils eine Abstützung gegen die Durchbiegung des zweiten Teilkörpers 32 aus.Also different from the first embodiment, some of the heat transport bodies 322 not only extend into the cooling volume region 36 but also to its bottom surface 360 and form a support there against the bending of the second part body 32 .

Die Schalteinrichtung 2 ist hier ebenfalls fachüblich ausgebildet, allerdings wird das Plattenelement 20 durch das leistungselektronische Substrat 202 der Schalteinrichtung 2 ausgebildet. Diese weist weiterhin eine zentrale Ausnehmung 216 für eine Befestigungseinrichtung, hier eine zur Ausnehmung des Doms korrespondierende Schraubverbindungseinrichtung 24, auf. Zudem dargestellt sind Leiterbahnen 220, Leistungshalbleiterbauelemente 222 und eine interne Verbindungseinrichtung 224 der Schalteinrichtung 2.The switching device 2 is also designed here as is customary in the art, but the plate element 20 is formed by the power electronic substrate 202 of the switching device 2 . This also has a central recess 216 for a fastening device, here a screw connection device 24 corresponding to the recess of the dome. Also shown are conductor tracks 220, power semiconductor components 222 and an internal connection device 224 of the switching device 2.

3 zeigt einen Blick auf die Flüssigkeitskühleinrichtung 3 dieser zweiten Ausgestaltung. Dargestellt ist die Teilfläche 302 des ersten Teilkörpers 30 und dessen Ausnehmung 306 zur Anordnung des zweiten Teilkörpers 32. Dargestellt ist weiterhin die Teilfläche 320 dieses zweiten Teilkörpers 32, sowie dessen Ausnehmung 324 für den Dom 31 des ersten Teilkörpers 30. Die stoffschlüssige Verbindung beider Teilkörper ist wie oben beschrieben ausgebildet. Zudem dargestellt ist die Lage der Wärmetransportkörper 322, die hier jeweils zylinderförmig ausgebildet sind. Selbstverständlich sind diese Wärmetransportkörper im Kühlvolumenbereich angeordnet. 3 shows a view of the liquid cooling device 3 of this second embodiment. Shown is the partial surface 302 of the first partial body 30 and its recess 306 for the arrangement of the second partial body 32. Also shown is the partial surface 320 of this second partial body 32, as well as its recess 324 for the dome 31 of the first partial body 30. The material connection of both partial bodies is formed as described above. Also shown is the position of the heat transport bodies 322, each of which is cylindrical here. Of course, these heat transport bodies are arranged in the cooling volume area.

4 zeigt in dreidimensionaler Ansicht ein Leistungshalbleitermodul mit einer Schalteinrichtung 2 dieser zweiten Ausgestaltung. Dieses Leistungshalbleitermodul weist die oben beschriebene Schalteinrichtung 2 samt leistungselektronischem Substrat 202 mit zentraler Ausnehmung 216 zur Anordnung der Schraubverbindungseinrichtung auf. Weiterhin dargestellt sind fachübliche elektrische Last- und Hilfskontakteinrichtungen 280,282,284. 4 shows a three-dimensional view of a power semiconductor module with a switching device 2 of this second embodiment. This power semiconductor module has the switching device 2 described above together with the power electronic substrate 202 with a central recess 216 for arranging the screw connection device. Electrical load and auxiliary contact devices 280, 282, 284 customary in the trade are also shown.

5 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine erste Ausgestaltung einer Flüssigkeitskühleinrichtung 3 eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems. Dargestellt ist ein erster Teilkörper 30 mit vier gleichartigen Ausnehmungen 306 zur jeweiligen Anordnung eines zweiten Teilkörpers 32. Der erste Teilkörper 30 weist wiederum einen Einström- und Ausströmvolumenbereich 34,38 auf, die hier als zwei parallele Kanäle ausgebildet sind und auf der der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden Fläche durch Abdeckungen 342,382 verschlossen sind. Von diesen Kanälen gehen jeweils Abzweigungen 340,380, vgl. auch 2, aus. Die Abzweigungen 340 des Einströmvolumenbereichs 34 sind dafür ausgebildet Kühlflüssigkeit in die jeweiligen Kühlvolumenbereiche 36 zu leiten. 5 shows a three-dimensional view of a first embodiment of a liquid cooling device 3 of a power electronic system according to the invention. A first partial body 30 is shown with four similar recesses 306 for the respective arrangement of a second partial body 32. The first partial body 30 in turn has an inflow and outflow volume region 34,38, which are designed here as two parallel channels and on the surface opposite the first major surface are closed by covers 342,382. Branches 340, 380 each go from these channels, see also 2 , out. The branches 340 of the inflow volume area 34 are designed to conduct cooling liquid into the respective cooling volume areas 36 .

Vorteilhafterweise ist der jeweilige Querschnitt der Abzweigungen 340 derart ausgestaltet, dass die einzelnen Kühlvolumenbereiche 36 jeweils mit gleicher Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit durchflossen werden. Die Abzweigungen 380 des Ausströmvolumenbereichs 38 sind analog hierzu ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann der Querschnittsverlauf dem Einström- und dem Ausströmvolumenbereich 34,38 entsprechend ausgebildet sein.Advantageously, the respective cross section of the branches 340 is designed in such a way that the individual cooling volume areas 36 are each traversed by the same amount of liquid per unit of time. The branches 380 of the outflow volume area 38 are designed analogously to this. Alternatively or additionally, the course of the cross section can be designed to correspond to the inflow and outflow volume areas 34 , 38 .

Die zweiten Teilkörper 32 sind im Grunde wie unter 1 beschrieben ausgebildet, wobei sie, genauer ihre plattenartige Grundform, quaderförmig ausgebildet sind. Die Ausnehmungen 306 des ersten Teilkörpers 30 und somit die zweiten Teilkörper 32 sind entlang ihrer Längsseiten in einer Reihe benachbart angeordnet. Der erste Teilkörper 30 ist, wie beschrieben, passend dazu ausgebildet, sodass die den zweiten Teilkörpern 32 jeweils zugeordneten Kühlvolumenbereiche 36 in Längsrichtung durchströmt werden.The second part bodies 32 are basically as below 1 described, wherein they, more precisely their plate-like basic shape, are cuboid. The recesses 306 of the first part-body 30 and thus the second part-body 32 are arranged adjacent in a row along their longitudinal sides. As described, the first part-body 30 is designed to match this, so that the cooling volume regions 36 assigned to the second part-bodies 32 are flown through in the longitudinal direction.

Materialtechnisch sind der erste und die zweiten Teilkörper 30,32, wie oben beschrieben, aus Materialien mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet. Dies gilt auch für die folgenden Ausführungsbeispiele.In terms of materials, the first and the second partial bodies 30, 32, as described above, are made of materials with different coefficients of thermal expansion. This also applies to the following exemplary embodiments.

6 und 7 zeigen in dreidimensionaler Ansicht eine zweite Ausgestaltung einer Flüssigkeitskühleinrichtung 3 eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems. Die Flüssigkeitskühleinrichtung 3 gemäß 6 zeigt eine durchgehend plane Oberfläche 300, durch die Teilflächen 302,320 des ersten und der, hier sechs, zweiten Teilkörper 30,32 ausgebildet wird. 7 zeigt zusätzliche Flüssigkeitsanschlusselemente zur Verbindung mit der Flüssigkeitskühleinrichtung. 6 and 7 show a three-dimensional view of a second embodiment of a liquid cooling device 3 of a power electronic system according to the invention. The liquid cooling device 3 according to 6 shows a continuously planar surface 300, is formed by the partial surfaces 302,320 of the first and the, here six, second partial bodies 30,32. 7 shows additional liquid connection elements for connection to the liquid cooling device.

8 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine dritte Ausgestaltung einer Flüssigkeitskühleinrichtung 3 eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems. Der erste, hier in sich mehrstückig ausgebildete Teilkörper 30 weist hier ausgehend von seiner zweiten, zur ersten parallelen Hauptfläche weitere Ausnehmungen 306 auf. In diesen sind weitere zweite Teilkörper 32 stoffschlüssig und flüssigkeits-druckdicht angeordnet. Diese Flüssigkeitskühleinrichtung 3 ist somit dafür ausgebildet, dass auf beiden Hauptseiten Schalteinrichtungen angeordnet werden können. Derartig ausgebildete leistungselektronische Systeme weisen dann eine besonders hohe Leistungsdichte bei geringeren äußeren Abmessungen auf. 8th shows a three-dimensional view of a third embodiment of a liquid cooling device 3 of a power electronic system according to the invention. The first sub-body 30, which here is of multi-piece design, has further recesses 306 starting from its second main surface, which is parallel to the first. Further second partial bodies 32 are arranged in these in a cohesive and liquid-pressure-tight manner. This liquid cooling device 3 is thus designed so that switching devices can be arranged on both main sides. Power electronic systems designed in this way then have a particularly high power density with smaller external dimensions.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

US 6594149 B2 [0002]

Claims

Power electronic system (1) with a switching device (2) and with a liquid cooling device (3), wherein the switching device (2) has a plate element (20), on the side of which facing away from the liquid cooling device (3) power semiconductor components (16) are arranged on conductor tracks (14) which are electrically insulated from one another and are connected in a manner suitable for the circuit by means of a connecting device (18), wherein the liquid cooling device (3) has a first part-body (30) with an inflow volume area (34) and an outflow volume area (38) and a second part-body (32), a cooling volume area (36) being formed between the two part-bodies, with the second part-body (32) a plurality of heat transport bodies (322) protrude into the cooling volume area (36), wherein the second body part (32) is arranged in a recess (306) of the first body part (30) and the two body parts (30, 32) are connected to one another in a materially bonded and liquid-pressure-tight manner and a common planar surface (300) which has a first main surface, and wherein the liquid cooling device (3) is designed and provided for a cooling liquid to flow through from the inflow volume area (34) via the cooling volume area (36) to the outflow volume area (38), the first partial body (30) being made of a first material and the second partial body (32) consists of a second material different from the first material and wherein the plate element (20) of the switching device (2) is positively arranged on the first surface (300).

power electronic system claim 1 , wherein the plate element (20) is designed as a base plate (200) or a power electronic substrate (202).

Power electronic system according to one of the preceding claims, wherein the plate element (20) is arranged completely only on the partial surface (302) of the first surface (300) which is formed by the second partial body (32) or wherein the plate element (20) forms the partial surface (320) of the second partial body (32) overlaps at least on one side and also rests on the partial surface (302) of the first partial body (30).

Power electronic system according to one of the preceding claims, wherein the heat transport bodies (322) have a round, oval, polyhedral or freely shaped base and are pointed or tapered or non-tapered and preferably at least one heat transport body (322), preferably a plurality, and again preferably not all of the heat transport bodies (322) are in mechanical contact with a bottom surface (360) of the cooling volume area (36).

Power electronic system according to one of the preceding claims, wherein a second thermal conductivity of the second material is at least 10%, preferably at least 25%, above a first thermal conductivity of the first material and the second thermal conductivity is preferably at least 230 W/(m K).

Power electronic system according to one of the preceding claims, wherein the first partial body (30) has a dome (31) with a dome cover surface (310) which is arranged planar to the common surface (300) and the dome (31) through a recess (324) of the second partial body (32) and preferably has a blind hole (316) with an internal thread.

Power electronic system according to one of the preceding claims, wherein the first partial body (30) has a plurality of similar recesses (306) in which similar second partial bodies (32) are arranged, thus forming a plurality of cooling volume areas (36) and wherein the inflow volume area (34) and the outflow volume area (38) each have a plurality of branches (340,380) so that the cooling volume areas (36) can be flown through in parallel.

power electronic system claim 7 , wherein the second sub-bodies (32) are cuboid and are arranged adjacent to one another in a row along their longitudinal sides, whereby the associated cooling volume regions (36) are traversed in the longitudinal direction.

power electronic system claim 7 or 8th , wherein the inflow volume area (34) has a cross-sectional profile, individual branches (340) of the inflow volume area (34) being traversed by the same amount of liquid per unit of time.

power electronic system claim 9 , wherein the outflow volume area (38) has a correlated cross-sectional profile as the inflow volume area (34).

power electronic system claim 7 until 10 , wherein the first partial body (30), starting from a second main surface, has further recesses in which further second partial bodies (32) are materially bonded and fluid-pressure are arranged densely and where their surfaces form a further common planar surface with the second main side and where their cooling volume area is also designed and intended to be flown through from the inflow volume area (34) via the cooling volume area (36) to the outflow volume area (38).

power electronic system claim 11 , wherein the first and second major surfaces are arranged parallel to each other and opposite each other.