DE102020200301A1

DE102020200301A1 - Kühlkörper und Leistungsmodulzusammenstellung

Info

Publication number: DE102020200301A1
Application number: DE102020200301.7A
Authority: DE
Inventors: Wei Liu
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-01-13
Filing date: 2020-01-13
Publication date: 2021-07-15
Also published as: CN113113368A; CN214203665U; JP2021114598A

Abstract

Ein Kühlkörper und eine Leistungsmodulzusammenstellung werden offenbart. Der Kühlkörper umfasst einen Einlass, einen Auslass und eine Kühlplatte mit einer Frontoberfläche, wobei die Kühlplatte einen Einlasskanal beinhaltet, der mit dem Einlass kommuniziert, einen Auslasskanal, der mit dem Auslass kommuniziert, und mehrere Kühleinheiten, die an der Frontoberfläche entlang einer Längsrichtung des Einlasskanals vorgesehen sind, wobei jede Kühleinheit einen ersten Kühlkanal, einen zweiten Kühlkanal parallel zu dem ersten Kühlkanal und mindestens einen Separator zwischen dem ersten Kühlkanal und dem zweiten Kühlkanal umfasst, wobei der Einlasskanal zu dem Auslasskanal parallel ist, jeder erste Kühlkanal mit dem Einlasskanal kommuniziert, jeder zweite Kühlkanal mit dem Auslasskanal kommuniziert, der Separator ausgelegt ist zum Leiten von Kühlmittel von dem ersten Kühlkanal zu dem zweiten Kühlkanal.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper und eine Leistungsmodulzusammenstellung, insbesondere einen Kühlkörper für Halbleiterbauelemente mit hoher Schaltgeschwindigkeit und eine gut stromausgleichende Leistungsmodulzusammenstellung.
STAND DER TECHNIK
Herkömmlicherweise weist ein Kühlsystem 1 eines Wechselrichters eine plattenförmige Gestalt auf und Leistungschips 2 (wie etwa SiC-Bauelemente) sind parallelgeschaltet auf der Oberfläche der Platte fixiert (in 1 ist eine dreiphasige Anwendung gezeigt, wobei 31, 32, 33 jeweils eine U-Phase, eine V-Phase und eine W-Phase repräsentieren). Das Kühlmittel strömt durch einen Einlass 11 in das Kühlsystem und strömt durch einen Auslass 12 aus dem Kühlsystem aus. Wir nehmen Bezug auf 2 und 3, in denen herkömmliche Serpentinenkühlrohre verwendet werden, und der Einlass 1 und der Auslass 2 auf derselben Seite des Kühlsystems vorgesehen sind und Leistungschips entlang dieser Serpentinenkühlrohre vorgesehen sind (in 2 und 3 ist der Kühlmittelstrom als die Pfeile angedeutet) und somit wird die durch die Leistungschips erzeugte Wärme durch die Strömung 3 des Kühlmittels abgeführt. Allerdings ist die Temperatur nahe dem Auslass höher als die Temperatur nahe dem Einlass, da die Temperatur des Kühlmittels selbst während des Wärmeaustauschprozesses zunimmt, was eine unausgeglichene Temperatur verursacht. Die Temperaturverteilung wird mit zunehmender Anzahl von parallel angeordneten Leistungschips ungleichmäßiger. Allgemein ausgedrückt benötigt ein Elektrofahrzeug (EV - Electric Vehicle) einen größeren Strom und verwendet viel mehr SiC-Bauelemente, und, falls die SiC-Bauelemente wie in 1 gezeigt weiter parallel angeordnet sind, würde aufgrund der unausgeglichenen Temperatur ein Nichtausgeglichen-Strom erzeugt, der dazu führen kann, dass manche der SiC-Bauelemente sogar zerstört würden.
KURZDARSTELLUNG
Um die Temperaturausgeglichenheit zu verbessern, wird ein Kühlkörper offenbart, und der Kühlkörper umfasst einen Einlass an einem Ende des Kühlkörpers und einen Auslass an dem entgegengesetzten Ende des Kühlkörpers, eine Kühlplatte mit einer Frontoberfläche, einen Einlasskanal, der mit dem Einlass kommuniziert, einen Auslasskanal, der mit dem Auslass kommuniziert, und mehrere Kühleinheiten, die an der Frontoberfläche entlang einer Längsrichtung des Einlasskanals vorgesehen sind, wobei jede Kühleinheit einen ersten Kühlkanal, einen zweiten Kühlkanal parallel zu dem ersten Kühlkanal und mindestens einen Separator zwischen dem ersten Kühlkanal und dem zweiten Kühlkanal umfasst, wobei der Einlasskanal zu dem Auslasskanal parallel ist, jeder erste Kühlkanal mit dem Einlasskanal kommuniziert, jeder zweite Kühlkanal mit dem Auslasskanal kommuniziert, der Separator ausgelegt ist zum Leiten von Kühlmittel von dem ersten Kühlkanal zu dem zweiten Kühlkanal.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ebenfalls eine Leistungsmodulzusammenstellung offenbart. Die Leistungsmodulzusammenstellung umfasst einen oben erwähnten Kühlkörper und umfasst ferner Folgendes: mehrere Leistungsbauelemente, die auf einer Rückoberfläche der Kühlplatte angeordnet sind, wobei die Rückoberfläche zu der Frontoberfläche entgegengesetzt ist, und/oder die Leistungsmodulzusammenstellung umfasst ferner mehrere Leistungsbauelemente, die auf einer Außenoberfläche der Abdeckung angeordnet sind.
Andere Aspekte und Vorteile der Ausführungsformen werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich, welche durch Beispielangabe die Prinzipien der beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichen.
Figurenliste
Die beschriebenen Ausführungsformen und die Vorteile davon können am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden. Diese Zeichnungen begrenzen in keinster Weise jegliche Änderungen von Form und Detail, die von einer Fachperson an den beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von dem Wesen und dem Schutzumfang der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen.

1 veranschaulicht eine parallele Leistungschipanordnung in einer dreiphasigen Anwendung.
2 veranschaulicht eine herkömmliche Kühlmittelströmung.
3 veranschaulicht eine weitere herkömmliche Kühlmittelströmung.
4 veranschaulicht eine Perspektivansicht einer Kühlplatte in der ersten Ausführungsform der Erfindung.
5 veranschaulicht eine Draufsicht auf die Kühlplatte von 4.
6 veranschaulicht eine Explosionsansicht einer Leistungsmodulzusammenstellung, die einen Kühlkörper der ersten Ausführungsform beinhaltet.
7 veranschaulicht eine Perspektivansicht einer Kühlplatte in der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
8 veranschaulicht die Draufsicht auf die Kühlplatte von 7.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben. Wir beziehen uns auf die 4-6, in denen eine Leistungsmodulzusammenstellung einen fluidgefüllten Kühlkörper aufweist, der eine Kühlplatte 3 und eine Abdeckung 5 umfasst. Bei der ersten Ausführungsform umfasst der Kühlkörper einen Einlass 1 an einem Ende und einen Auslass 2 an dem entgegengesetzten Ende. Der Einlass 1 erlaubt es Kühlmittel, in die Kanäle im Innern des Kühlkörpers einzutreten, und der Auslass 2 erlaubt es Kühlmittel, aus dem Kühlkörper auszutreten. Die Kühlplatte 3 mit einer rechteckigen Gestalt weist eine Frontoberfläche 31, einen Einlasskanal 32, der mit dem Einlass 1 kommuniziert, einen Auslasskanal 33, der mit dem Auslass 2 kommuniziert, und mehrere Kühleinheiten 30, die auf der Frontoberfläche 31 vorgesehen sind, auf. Die Kühleinheiten 30 sind entlang einer Längsrichtung des Einlasskanals vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform ist der Einlasskanal 32 zu dem Auslasskanal 33 parallel.
In jeder Kühleinheit sind ein erster Kühlkanal 41, ein zweiter Kühlkanal 42, parallel zu dem ersten Kühlkanal 41, und mehrere Separatoren 43 zwischen dem ersten Kühlkanal 41 und dem zweiten Kühlkanal 42 vorgesehen. Somit greifen auf der Frontoberfläche 31 mehrere erste Kühlkanäle 41 und mehrere zweite Kühlkanäle 42 fingerartig ineinander. Alle ersten Kühlkanäle 41 und alle zweiten Kühlkanäle 42 stehen zu dem Einlasskanal 32 und dem Auslasskanal 33 senkrecht. Jeder des ersten Kühlkanals 41 kommuniziert mit dem Einlasskanal 32 und jeder des zweiten Kühlkanals 42 kommuniziert mit dem Auslasskanal 33, somit wird durch diese Kanäle eine Kammgestalt ausgebildet und das Kühlmittel kann von dem Einlasskanal 32 in verschiedene Kühleinheiten auseinanderlaufen und sich in kurzer Zeit durch die ersten Kühlkanäle 41 über die ganze Kühlplatte ausbreiten.
Darüber hinaus wird das Kühlmittel in jeder Kühleinheit 30 durch die Separatoren 43 von dem ersten Kühlkanal 41 zu dem zweiten Kühlkanal 42 geleitet. Das durch alle der zweiten Kühlkanäle 42 strömende Kühlmittel wird schließlich zu dem Auslasskanal 33 zusammengeführt und tritt aus dem Kühlkörper aus. Bei dieser Ausführungsform sind die Separatoren 43 Streifen, die zu dem ersten Kühlkanal 41 senkrecht liegen. Es versteht sich, dass auch Separatoren mit anderer Gestalt zum Leiten von Kühlmittelströmungen verwendet werden können, wie etwa mehrere Säulen, die sich entlang einer Richtung senkrecht zu dem ersten Kühlkanal 41 erstrecken.
Der Kühlkörper umfasst ferner eine Abdeckung 5, die der Frontoberfläche 31 zugewandt ist. Wenn die Abdeckung 5 mit der Kühlplatte 3 zusammengebaut wird, wird das Kühlmittel im Innern des Kühlkörpers versiegelt. Die Abdeckung 5 weist eine Außenoberfläche 51 und eine Innenoberfläche, die der Außenoberfläche 51 entgegengesetzt ist, auf. Wenn der Kühlkörper zusammengebaut und versiegelt ist, ist die Innenoberfläche der Frontoberfläche 31 zugewandt.
Wir beziehen uns nun auf 6, wo der Kühlkörper in einer Leistungsmodulzusammenstellung zum Abkühlen von Leistungsbauelementen verwendet wird. Mehrere Leistungsbauelemente 6 sind auf der Außenoberfläche 51 angeordnet. Die Leistungsbauelemente 6 sind SiC-Chips oder MOSFET-Chips mit hoher Schaltfrequenz. Die Leistungsbauelemente 6 sind in drei Gruppen aufgeteilt und jede Gruppe entspricht einer Phase in einem dreiphasigen System. Leistungsbauelemente in jeder Gruppe erstrecken sich entlang einer Richtung parallel zu dem ersten Kühlkanal 41. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Leistungsbauelemente anstelle der Außenoberfläche 51 der Abdeckung 5 auf einer Rückoberfläche der Kühlplatte, die der Frontoberfläche 31 entgegengesetzt ist, vorgesehen. In dieser Leistungsmodulzusammenstellung ist die Stromausgeglichenheit stärker bevorzugt, da keine offensichtliche ungleichförmige Temperaturverteilung auftreten wird.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst jede Kühleinheit ferner einen zusätzlichen zweiten Kühlkanal parallel zu dem ersten Kühlkanal, wobei der zusätzliche zweite Kühlkanal mit dem Auslasskanal kommuniziert, wobei der erste Kühlkanal zwischen dem zweiten Kühlkanal und dem zusätzlichen zweiten Kühlkanal liegt. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform teilen sich die angrenzenden Kühleinheiten einen zweiten Kühlkanal oder einen zusätzlichen zweiten Kühlkanal. Der zusätzliche zweite Kühlkanal in einer Kühleinheit ist nämlich auch der zweite Kühlkanal in der angrenzenden Kühleinheit. Wir beziehen uns auf 7 und 8, wo jeweils eine Perspektivansicht und eine Draufsicht der Kühlplatte in der zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht sind. In diesem Falle wird das Kühlmittel von dem Einlasskanal 32 zuerst in die ersten Kühlkanäle 41 verteilt, dann wird das Kühlmittel durch Separatoren 43 in jeder Kühleinheit 30 geleitet und weiter in den zweiten Kühlkanal und den zusätzlichen zweiten Kühlkanal (beide als 42 bezeichnet) aufgeteilt, wie durch die Pfeile angedeutet ist. Danach wird das aufgeteilte Kühlmittel in dem Auslasskanal 33 zusammengeführt und über den Auslass 2 des Kühlkörpers ausgelassen. Mit diesem Design wird das Kühlmittel vollständig ausgebreitet und der gesamte Kühlkörper wird effektiv heruntergekühlt.
Eine Reihe von alternativen Strukturelementen und Verarbeitungsschritten wurde für die bevorzugte Ausführungsform vorgeschlagen. Obgleich daher die Erfindung mit Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Beschreibung für die Erfindung veranschaulichend und ist nicht als die Erfindung beschränkend aufzufassen. Verschiedene Modifikationen und Anwendungen können dem Fachmann in den Sinn kommen, ohne vom wahren Wesen und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert ist.

Claims

Kühlkörper, der Folgendes umfasst: einen Einlass an einem Ende des Kühlkörpers und einen Auslass an dem entgegengesetzten Ende des Kühlkörpers, eine Kühlplatte mit einer Frontoberfläche, einen Einlasskanal, der mit dem Einlass kommuniziert, einen Auslasskanal, der mit dem Auslass kommuniziert, und mehrere Kühleinheiten, die an der Frontoberfläche entlang einer Längsrichtung des Einlasskanals vorgesehen sind, wobei jede Kühleinheit einen ersten Kühlkanal, einen zweiten Kühlkanal parallel zu dem ersten Kühlkanal und mindestens einen Separator zwischen dem ersten Kühlkanal und dem zweiten Kühlkanal umfasst, wobei der Einlasskanal zu dem Auslasskanal parallel ist, jeder erste Kühlkanal mit dem Einlasskanal kommuniziert, jeder zweite Kühlkanal mit dem Auslasskanal kommuniziert, der Separator ausgelegt ist zum Leiten von Kühlmittel von dem ersten Kühlkanal zu dem zweiten Kühlkanal.
Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Kühleinheit ferner einen zusätzlichen zweiten Kühlkanal parallel zu dem ersten Kühlkanal aufweist, wobei der zusätzliche zweite Kühlkanal mit dem Auslasskanal kommuniziert, wobei sich der erste Kühlkanal zwischen dem zweiten Kühlkanal und dem zusätzlichen zweiten Kühlkanal befindet.
Kühlkörper nach Anspruch 2, wobei sich die angrenzenden Kühleinheiten einen zweiten Kühlkanal oder einen zusätzlichen zweiten Kühlkanal teilen.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1-3, wobei der Separator ein Streifen ist, der zu dem ersten Kühlkanal senkrecht steht.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1-3, wobei der Kühlkörper ferner eine Abdeckung umfasst, die der Frontoberfläche zugewandt ist und mit der Kühlplatte zusammengebaut ist, um das Kühlmittel im Inneren des Kühlkörpers zu versiegeln.
Leistungsmodulzusammenstellung, die einen Kühlkörper umfasst, der durch einen der Ansprüche 1-5 definiert ist, wobei die Leistungsmodulzusammenstellung ferner mehrere Leistungsbauelemente umfasst, die auf einer Rückoberfläche der Kühlplatte angeordnet sind, die Rückoberfläche der Frontoberfläche entgegengesetzt ist und/oder die Leistungsmodulzusammenstellung ferner mehrere Leistungsbauelemente umfasst, die auf einer Außenoberfläche der Abdeckung angeordnet sind.