DE102020200306A1

DE102020200306A1 - Kühlkörper, Leistungsmodulzusammenstellung und Wechselrichter

Info

Publication number: DE102020200306A1
Application number: DE102020200306.8A
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: CN113114051A; CN215528883U; JP2021121165A

Abstract

Ein Kühlkörper, eine Leistungsmodulzusammenstellung und ein Wechselrichter werden offenbart. Der Kühlkörper umfasst drei Kühlplatten mit parallelen Längsrichtungen, ein Verbindungsteil, das sich entlang der Längsrichtung erstreckt, wobei eine Seite von jeder Kühlplatte in der Längsrichtung mit dem Verbindungsteil gekoppelt ist, mindestens ein erster Kühlkanal im Innern von mindestens einer Kühlplatte vorgesehen ist und sich entlang der Längsrichtung der Kühlplatte erstreckt und/oder ein zweiter Kühlkanal im Innern des Verbindungsteils vorgesehen ist und sich entlang der Längsrichtung der Kühlplatte erstreckt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper, eine Leistungsmodulzusammenstellung und einen Wechselrichter mit kompakten Strukturen.
STAND DER TECHNIK
Wie in 1 gezeigt ist, wird ein Wechselrichter mit parallelen Leistungsbauelementen offenbart. Der Wechselrichter beinhaltet ein Kühlsystem 100, das eine Plattengestalt aufweist, und Leistungsbauelemente 200 (wie etwa ein SiC-Bauelement) werden parallel auf der Oberfläche des Kühlsystems 100 durch Klammern fixiert. Über den Leistungsbauelementen ist eine PCB mit Kondensatoren 300 bereitgestellt. In 1 ist eine dreiphasige Anwendung gezeigt, und 401, 402, 403 repräsentieren jeweils eine U-Phase, eine V-Phase und eine W-Phase. Kühlmittel strömt durch einen Einlass 1 in das Kühlsystem und strömt durch einen Auslass 2 aus dem Kühlsystem aus. Dieser herkömmliche Wechselrichter benötigt aufgrund seines flächigen Kühlkörpers mehr Einbauraum. Weiterhin werden manche Leistungsbauelemente nicht ausreichend heruntergekühlt, da in diesem Wechselrichter üblicherweise Serpentinenkühlkanäle verwendet werden und eine Temperaturunausgeglichenheit geschaffen wird.
KURZDARSTELLUNG
Um die Temperaturausgeglichenheit zu verbessern, wird ein Kühlkörper offenbart, und der Kühlkörper umfasst drei Kühlplatten mit parallelen Längsrichtungen, ein Verbindungsteil, das sich entlang der Längsrichtung erstreckt, wobei eine Seite von jeder Kühlplatte in der Längsrichtung mit dem Verbindungsteil gekoppelt ist, mindestens ein erster Kühlkanal im Innern von mindestens einer Kühlplatte vorgesehen ist und sich entlang der Längsrichtung der Kühlplatte erstreckt und/oder ein zweiter Kühlkanal im Innern des Verbindungsteils vorgesehen ist und sich entlang der Längsrichtung der Kühlplatte erstreckt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ebenfalls eine Leistungsmodulzusammenstellung, die den oben erwähnten Kühlkörper enthält, offenbart. Die Leistungsmodulzusammenstellung umfasst ferner drei Gruppen von Leistungsbauelementen, die jeweils den drei Kühlplatten entsprechen, die Leistungsbauelemente von jeder Gruppe stellen eine Oberzweigschaltung und eine Unterzweigschaltung dar, die Oberzweigschaltung und die Unterzweigschaltung von jeder Gruppe sind jeweils auf zwei entgegengesetzten Oberflächen der jeweiligen Kühlplatte angeordnet.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ebenfalls ein Wechselrichter offenbart. Der Wechselrichter umfasst eine oben erwähnte Leistungsmodulzusammenstellung, umfasst ferner mindestens einen Kondensator und ein elektrisch mit dem Kondensator gekoppeltes PCB-Modul.
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 Perspektivansicht eines herkömmlichen Wechselrichters.
2 veranschaulicht eine erste Perspektivansicht eines Wechselrichters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 veranschaulicht eine zweite Perspektivansicht eines Wechselrichters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4 veranschaulicht eine Perspektivansicht eines Kühlkörpers gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei durch beliebige zwei angrenzende Kühlplatten definierte Winkel stumpfe Winkel sind.
5 veranschaulicht eine Perspektivansicht eines Kühlkörpers gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei jeder durch zwei angrenzende Kühlplatten definierte Winkel ein spitzer Winkel ist.
6 veranschaulicht eine Perspektivquerschnittsansicht des ersten Kühlkanals gemäß der Ausführungsform von 2.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben. Wir nehmen zuerst Bezug auf 2 und 3, in denen ein Kühlkörper drei Kühlplatten 11, 12 und 13 mit parallelen Längsrichtungen (die Längsrichtung ist als L gekennzeichnet) umfasst. Bei dieser Ausführungsform erstellen drei Kühlplatten 11, 12 und 13 eine T-förmige Struktur, nämlich dadurch, dass die Kühlplatte 13 senkrecht zu den zwei anderen Kühlplatten 11, 12 steht. Der Kühlkörper umfasst ferner ein Verbindungsteil 10, das sich entlang der Längsrichtung L erstreckt, und wobei eine Seite von jeder Kühlplatte in der Längsrichtung mit dem Verbindungsteil 10 gekoppelt ist. Wie in 2 und 3 gezeigt ist, ist das Verbindungsteil 10 in die Kühlplatte 11 integriert. Es versteht sich, dass ein unabhängiges Glied als das Verbindungsteil verwendet werden kann, statt ein Glied zu verwenden, das in die in 2 und 3 gezeigte Kühlplatte integriert ist.
Bei einer Ausführungsform (beispielsweise mit geringem Kühlmittelbedarf) ist ein erster Kühlkanal 21 im Innern der Kühlplatte 13 vorgesehen und erstreckt sich entlang der Längsrichtung L der Kühlplatte. Kühlmittel tritt durch einen Einlass an einem Ende der Kühlplatte 13 in den ersten Kühlkanal 21 ein und tritt über einen Auslass an dem anderen Ende der Kühlplatte 13 aus dem ersten Kühlkanal 21 aus. In diesem Falle genügt ein erster Kühlkanal, da der Kühlmittelbedarf niedrig ist (beispielsweise sind Heizwerte der abzukühlenden Halbleiterbauelemente klein). Bei einer anderen Ausführungsform sind jeweils beide der Kühlplatten 12, 13 mit ersten Kühlkanälen versehen. Wir beziehen uns auf 6, in der kammförmige erste Kühlkanäle 21 jeweils im Innern der Kühlplatte 12, 13 vorgesehen sind. Mit diesem Design werden die Kühlplatten bei Kühlmittelströmung sowohl in der Längsrichtung L als auch in der Richtung senkrecht zur Längsrichtung L ausreichend heruntergekühlt. In diesem Falle kommunizieren die in verschiedenen Kühlplatten 12, 13 vorgesehenen Kühlkanäle 21 miteinander, womit sich alle ersten Kühlkanäle einen Einlass teilen könnten. Wie in 6 gezeigt ist, beinhaltet jeder erste Kühlkanal 21 Kammverzweigungen und der erste Kühlkanal 21 in verschiedenen Kühlplatten 12,13 kommuniziert mit jedem anderen über diese Kammverzeigungen. Es versteht sich, dass der erste Kühlkanal auch mit einer anderen Gestalt als der in 6 gezeigten Kammgestalt oder mit einem Querschnitt, wie etwa einem geraden Kanal oder einem Kanal mit Serpentinengestalt verwendet werden kann.
Zurück zu 2 und 3, wo jede Kühlplatte 11, 12 oder 13 zwei entgegengesetzte Oberflächen zum Montieren der Leistungsbauelemente 3, wie etwa SiC-Bauelemente, aufweist. Drei Gruppen von Leistungsbauelementen 3 sind auf dem Kühlkörper montiert, um eine Leistungsmodulzusammenstellung für ein dreiphasiges System zu bilden. Die Leistungsbauelemente von jeder Gruppe stellen eine Oberzweigschaltung und eine Unterzweigschaltung dar. Die Oberzweigschaltung von einer Gruppe ist auf einer Oberfläche von einer Kühlplatte vorgesehen und die Unterzweigschaltung derselben Gruppe ist auf der entgegengesetzten Oberfläche derselben Kühlplatte vorgesehen. Die durch die Leistungsbauelemente 3 während Schaltens erzeugte Wärme wird schnell mit dem strömenden Kühlmittel abgeführt.
Ein Wechselrichter ist durch Kopplung der oben erwähnten Leistungsmodulzusammenstellung mit einem Kondensator 4 und einem elektrisch mit dem Kondensator 4 gekoppelten PCB-Modul ausgebildet. Der Kondensator 4 ist unterhalb der Kühlplatten 12, 13 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform umfasst das PCB-Modul drei PCBs 5, die den drei Kühlplatten entsprechen.
Wir beziehen uns nun auf 4, in der ein Kühlkörper mit einer anderen Gestalt offenbart ist. In dieser Ausführungsform sind die drei durch beliebige zwei angrenzende Kühlplatten definierte Winkel stumpfe Winkel, beispielsweise 120°. Mit diesem Design gibt es zwischen zwei angrenzenden Kühlplatten mehr Platz zum Bereitstellen der Leistungsbauelemente und der Kondensatoren. Außerdem ist in diesem Kühlkörper anstelle des Vorsehens eines ersten Kühlkanals in der Kühlplatte ein zweiter Kühlkanal 22 im Innern des Verbindungsteils vorgesehen. Der zweite Kühlkanal 22 erstreckt sich entlang der Längsrichtung L der Kühlplatte.
Wir beziehen uns nun auf 5, in der ein Kühlkörper mit einem anderen Design dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform sind alle durch zwei angrenzende Kühlplatten definierte Winkel spitze Winkel. Eine Leistungsmodulzusammenstellung ist durch Vorsehen von Leistungsbauelementen auf den entgegengesetzten Oberflächen der Kühlplatten ausgebildet. Damit wird für einen Wechselrichter, der diese Leistungsmodulzusammenstellung beinhaltet, ein Kondensator 4 mit einer zum Kühlkörper komplementären Gestalt unter dem Kühlkörper vorgesehen, was den Wechselrichter kompakter macht, womit weniger Installationsraum benötigt wird, wenn der Wechselrichter in einem EV eingesetzt wird.
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: drei Kühlplatten mit parallelen Längsrichtungen, ein Verbindungsteil, das sich entlang der Längsrichtung erstreckt, wobei eine Seite von jeder Kühlplatte in der Längsrichtung mit dem Verbindungsteil gekoppelt ist,
Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei mindestens ein erster Kühlkanal im Innern von mindestens einer Kühlplatte vorgesehen ist und sich entlang der Längsrichtung der Kühlplatte erstreckt.
Kühlkörper nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein zweiter Kühlkanal im Innern des Verbindungsteils vorgesehen ist und sich entlang der Längsrichtung der Kühlplatte erstreckt.
Kühlkörper nach Anspruch 3, wobei der erste Kühlkanal eine Serpentinenform oder eine Kammform aufweist.
Kühlkörper nach Anspruch 4, wobei die ersten Kühlkanäle in verschiedenen Kühlplatten miteinander kommunizieren.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1-5, wobei mindestens ein durch zwei angrenzende Kühlplatten definierter Winkel ein spitzer Winkel ist.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der durch beliebige zwei angrenzende Kühlplatten definierte Winkel ein stumpfer Winkel ist.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1-5, wobei eine Kühlplatte zu den anderen zwei Kühlplatten senkrecht steht.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1-5, wobei das Verbindungsteil mit mindestens einer der Kühlplatten integriert ist.
Leistungsmodulzusammenstellung, die einen Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1-9 umfasst, wobei die Leistungsmodulzusammenstellung ferner drei Gruppen von Leistungsbauelementen, die jeweils den drei Kühlplatten entsprechen, umfasst, die Leistungsbauelemente von jeder Gruppe eine Oberzweigschaltung und eine Unterzweigschaltung darstellen, wobei die Oberzweigschaltung und die Unterzweigschaltung von jeder Gruppe jeweils auf zwei entgegengesetzten Oberflächen der jeweiligen Kühlplatte angeordnet sind.
Wechselrichter, umfassend die Leistungsmodulzusammenstellung nach Anspruch 10, ferner umfassend mindestens einen Kondensator und ein elektrisch mit dem Kondensator gekoppeltes PCB-Modul.
Wechselrichter nach Anspruch 11, wobei der Kondensator zwischen zwei angrenzenden Kühlplatten vorgesehen ist.
Wechselrichter nach Anspruch 11, wobei das PCB-Modul drei PCBs umfasst, die jeweils den drei Kühlplatten entsprechen.