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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Leistungsmodule zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Leistungsmodule, insbesondere integrierte Leistungsmodule, finden bei Kraftfahrzeugen zunehmend Anwendungen. Derartige Leistungsmodule werden bspw. in DC/AC-Wechselrichtern (Invertern) eingesetzt, die dazu dienen, elektrische Maschinen wie Elektromotoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Die Leistungsmodule basieren auf Leistungshalbleitern, insbesondere Transistoren wie IGBTs, MOSFETs und HEMTs. Weitere Einsatzfelder sind DC/DC-Wandler und AC/DC-Gleichrichter (Converter) und Transformatoren.
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Aus den Leistungshalbleitern werden in der Regel Leistungsschalter gebildet, die in einer Brückenschaltung verwendet werden. Ein häufiges Beispiel ist die sogenannte Halbbrücke, die eine Highside-Komponente und eine Lowside-Komponente umfasst. Die Highside- und Lowside-Komponenten umfassen jeweils einen oder mehreren Leistungsschalter, nämlich Highside-Leistungsschalter bzw. Lowside-Leistungsschalter. Durch gezieltes Schalten der Highside- und Lowside-Leistungsschalter kann die Richtung des am Ausgang des Leistungsmoduls erzeugten Stroms (Ausgangsstroms) mit einem sehr kurzen Takt zwischen einer positiven Stromrichtung und einer negativen Stromrichtung verändert werden. Dies ermöglicht eine sogenannte Pulsbreitenmodulation, um im Falle eines DC/AC-Wechselrichters einen Wechselstrom basierend auf einem eingangsseitig des Leistungsmoduls eingespeisten Gleichstroms zu erzeugen.
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Das Leistungsmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Leistungsmodul wird vorzugsweise in einem DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) eingesetzt. Insbesondere dient das Leistungsmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter wird dazu verwendet, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu generieren.
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Das Leistungsmodul weist eine Mehrzahl von Halbleiterbauteilen bzw. Chips auf, um basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom einen Ausgangsstrom mittels Ansteuerung der einzelnen Halbleiterbauteile zu erzeugen. Die Ansteuerung der Halbleiterbauteile erfolgt mittels einer Ansteuerelektronik, die eine oder mehrere Leiterplatten aufweist, auf der eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen angebracht sind. Die Ansteuerelektronik umfasst vorzugsweise eine Controllerkomponente zur Erzeugung eines Steuersignals basierend auf einem Betriebszustand des Leistungsmoduls und eine Treiberkomponente zur Ansteuerung der Leistungsschalter basierend auf dem Steuersignal. Die Ansteuerung kann auf einer sogenannten Pulsbreitenmodulation beruhen. Im Fall eines Wechselrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen Gleichstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen Wechselstrom handelt.
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Im Betrieb des Leistungsmoduls werden häufig hohe Ströme durch die einzelnen Halbleiterbauteile geschickt. Dies ist insbesondere bei Hochvolt-Anwendungen, etwa 400V- und 800V-Anwendungen, der Fall. Es ist deshalb von großer Bedeutung, die im Betrieb des Leistungsmoduls entstehende Wärme abzuführen, um die Halbleiterbauteile nicht aufgrund einer Überhitzung zu beeinträchtigen. Zu diesem Zweck wird üblicherweise ein Kühlkörper vorgesehen, mit dem die Halbleiterbauteile in thermischer Kopplung stehen.
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Die einzelnen Halbleiterbauteile werden normalerweise zu sogenannten topologischen Schaltern zusammengefasst. Jeder topologische Schalter weist mehrere parallelgeschaltete Halbleiterbauteile auf, die innerhalb des jeweiligen topologischen Schalters vorzugsweise eine vollständige Halbbrücke mit einer Highside und einer Lowside bilden. Bei steigenden Anforderungen an die Menge der vom Elektroantrieb bereitzustellenden Fahrzeugleistung wächst auch der durch das Leistungsmodul zu übertragende Strom. Bei zumindest gleichbleibender Spannung erfordert dies eine Aufskalierung der Anzahl der topologischen Schalter.
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Bei den bisher bekannten Leistungsmodulen erfolgt die Kühlung der Leistungshalbleiter seriell. Dies bedeutet, dass das Kühlmedium nacheinander an den die Leistungsmodulen vorbeifließt und diese nacheinander beaufschlagt. Dies hat den Nachteil, dass die Kühlleistung des Kühlmediums stromabwärts sinkt, sodass die Leistungshalbleiter nicht gleichmäßig gekühlt werden. Dies kann zu Inhomogenitäten der Ströme führen, die durch die einzelnen Leistungsschalter getragen werden. Dies wirkt sich negativ auf die Funktionalität der Leistungsschalter aus.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Kühlkörper für Leistungsmodul zu ermöglichen, bei dem die Kühlung der Leistungshalbleiter gleichmäßiger erfolgt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kühlkörper, ein Leistungsmodul und einen Inverter gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
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Das Leistungsmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Leistungsmodul wird vorzugsweise in einem DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) eingesetzt. Insbesondere dient das Leistungsmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter wird dazu verwendet, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu generieren.
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Das Leistungsmodul weist mehrere Halbleiterbauteile bzw. Chips auf, die dazu dienen, basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom einen Ausgangsstrom mittels Ansteuerung der einzelnen Halbleiterbauteile zu erzeugen. Die Ansteuerung der topologischen Schalter erfolgt mittels einer Ansteuerelektronik, die vorzugsweise eine oder mehrere Leiterplatten aufweist, auf der eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen angebracht sind. Die Ansteuerelektronik umfasst vorzugsweise eine Controllerkomponente zur Erzeugung eines Steuersignals basierend auf einem Betriebszustand des Leistungsmoduls und eine Treiberkomponente zur Ansteuerung der Halbleiterbauteile basierend auf dem Steuersignal. Die Ansteuerung kann auf einer sogenannten Pulsbreitenmodulation beruhen. Im Fall eines Wechselrichters (Inverters) handelt es sich beim Eingangsstrom um einen Gleichstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen Wechselstrom handelt.
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Die mehreren Halbleiterbauteile sind in mehrere Bereiche aufgeteilt. Diese Bereiche bilden vorzugsweise jeweils eine Halbbrücke. Jede Halbbrücke kann als ein topologischer Schalter umfassend mehrere parallelgeschaltete Halbleiterbauteile verstanden werden. Jeder topologische Schalter umfasst eine Highside und eine Lowside, die zur Highside reihengeschaltet ist. Die Halbleiterbauteile („Chips“) umfassen jeweils einen IGBT, MOSFET oder HEMT. Das dem jeweiligen Halbleiterbauteil zugrunde liegende Halbleitermaterial umfasst vorzugsweise ein sogenanntes Wide-Bandgap-Semiconductor (Halbleiter mit einer großen Bandlücke) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN), kann alternativ oder zusätzlich kristallines und/oder amorphes Silizium umfassen. Der Eingangsstrom ist vorzugsweise ein Gleichstrom und der Ausgangsstrom ein mehrphasiger Wechselstrom ist. Jeder der mehreren Bereiche der Halbleiterbauteile ist weiter vorzugsweise einer Stromphase des Ausgangsstroms zugeordnet.
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Das Leistungsmodul umfasst ferner einen Kühlkörper, mit dem die Halbleiterbauteile in thermischer Kopplung stehen. Im Kühlkörper sind vorzugsweise Kühlleitungen zum Durchströmen eines Kühlmediums, etwa Wasser, ausgebildet. Der Kühlkörper umfasst mehrere voneinander getrennte Kühlsegmente. Diese Kühlsegmente weisen jeweils zur Kühlung eines zugehörigen Bereichs der Halbleiterbauteile einen separaten Kühleinlass und einen separaten Kühlauslass auf. Somit ist jedes Kühlsegment einem der mehreren Bereiche der Halbleiterbauteile in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung zugeordnet.
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Auf diese Weise können die verschiedenen Bereiche der Halbleiterbauteile unabhängig voneinander mit dem Kühlmedium durchströmt werden. Die Kühlleitungen hinsichtlich der verschiedenen Bereiche sind voneinander entkoppelt. Dies stellt sicher, dass kein Kühlmedium zwischen den verschiedenen Bereichen fließt und Wärme abführt. Somit können die Halbleiterbauteile der verschiedenen Bereiche gleichmäßig gekühlt werden. Dies erhöht die Homogenität der elektronischen Eigenschaften der Halbleiterbauteile der verschiedenen Bereiche. Die Funktionalität des Leistungsmoduls ist daher verbessert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers gemäß einer Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
- 3 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform.
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In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers 14 zum Durchströmen mit einem Kühlmedium gemäß einer Ausführungsform. Der Kühlkörper 14 dient zur Verwendung in einem Leistungsmodul 10, welches in 3 gezeigt ist. Der Kühlkörper 14 umfasst einen Grundkörper 142 und mehrere Kühlkanäle, die am Grundkörper 142 ausgebildet sind. Die mehreren Kühlkanäle umfassen mehrere Kühlsegmente 144a,b,c,d, die voneinander hinsichtlich des Kühlmedienflusses getrennt sind. Dies bedeutet, dass jedes Kühlsegment 144a,b,c,d ein abgeschlossenes System für das Kühlmedium bildet, sodass zwischen den Kühlsegmenten 144a,b,c,d kein Kühlmedium fließt. In jedem Kühlsegment 144a,b,c,d fließt das Kühlmedium durch einen Kühleinlass 146a,b,c,d in die Kühlleitung hinein und durch einen Kühlauslass 148a,b,c,d wieder aus der Kühlleitung heraus.
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Von den in 1 gezeigten vier Kühlsegmenten 144a,b,c,d sind beispielhaft drei Kühlsegmente 144a,b,c jeweils zur Kühlung eines bestimmten Bereichs mehrerer im Leistungsmodul 10 verbauten Halbleiterbauteile 12 vorgesehen (siehe 3). Die drei Kühlsegmente 144a,b,c sind daher den verschiedenen Bereichen der Halbleiterbauteile 12 in einer eins-zu-eins-Entsprechung zugeordnet. Das Leistungsmodul 10 kann in einem DC/AC-Wechselrichter (Inverter) enthalten sein. In diesem Fall werden basierend auf einem eingehenden Gleichstrom mittels der Halbleiterbauteile 12 ein ausgangsseitiger Wechselstrom mit mehreren Stromphasen erzeugt. In diesem Fall sind die verschiedenen Bereiche der Halbleiterbauteile 12 vorzugsweise nach den Stromphasen aufgeteilt: jeder Bereich ist einer von mehreren (drei) Stromphasen im Fall eines dreiphasigen Wechselstroms zugeordnet. Jedes Kühlsegment 144a,b,c,d umfasst eine einlassseitige Hauptkühlleitung 150a,b,c,d zum Hineinleiten des Kühlmediums und eine auslassseitige Hauptkühlleitung 158a,b,c,d zum Herausleiten des Kühlmediums.
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In den Kühlsegmenten 144a,b,c geht die jeweilige einlassseitige Hauptkühlleitung 150a,b,c in mehrere zueinander parallel angeordnete Halbleiterkühlsegmente (Kühlstränge) 152a,b.c über. Wie in 3 gezeigt, sind die Hauptleiterbauteile 12 direkt an den Halbleiterkühlsegmenten 152a,b,c angeordnet, sodass die Halbleiterkühlsegmente 152a,b,c mit den Halbleiterbauteilen 12 vertikal überlappen. Dies dient dazu, die einzelnen Halbleiterbauteile 142 parallel zueinander gekühlt werden, sodass die Kühlleistung gleichmäßig an die Halbleiterbauteile 142 verteilt wird.
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In den Kühlsegmenten 144b,c,d umfasst die einlassseitige Hauptkühlleitung 150b,c,d jeweils zwei seriell angeordnete Kondensatorkühlsegmente 154b,c,d. Wie in 3 gezeigt, sind mehrere Zwischenkreiskondensatoren 16 mittels einer zweiten Zwischenschicht 17 an den Kondensatorkühlsegmenten 154,b,c,d angeordnet, sodass die Kondensatorkühlsegmente 154b,c,d mit den Zwischenkreiskondensatoren 16 vertikal überlappen und wirksam gekühlt werden. Mehrere Befestigungspunkte 156b,c,d, an denen die Zwischenkreiskondensatoren 16 am Grundkörper 142 befestigt sind, sind ebenfalls in 1 gezeigt.
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Wie in 1 gezeigt, münden in den Kühlsegmenten 144a,b,c die Halbleiterkühlsegmente 152a,b,c in die jeweilige auslassseitige Hauptkühlleitung 158a,b,c. Die auslassseitige Hauptkühlleitung 158a,b,c (gestrichelt dargestellt) ist in einem gegenüber der einlassseitigen Hauptkühlleitung 150a,b,c verdickten Bereich des Grundkörpers 142 ausgebildet, wie 3 zeigt. Im vierten Kühlsegment 144d sind die einlassseitige und auslassseitige Hauptkühlleitung 150d, 158d auf der gleichen Seite des Grundkörpers 142 angeordnet.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers 24 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Kühlkörper 24 dient zur Verwendung im Leistungsmodul 20, welches in 3 gezeigt ist. Der Kühlkörper 24 umfasst, analog zur in 1 gezeigten Ausführungsform, einen Grundkörper 142 und mehrere Kühlkanäle, die am Grundkörper 142 ausgebildet sind. Die mehreren Kühlkanäle umfassen mehrere Kühlsegmente 244a,b,c,d,e die voneinander hinsichtlich des Kühlmedienflusses getrennt sind. In jedem Kühlsegment 244a,b,c,d,e fließt das Kühlmedium durch einen Kühleinlass 246a,b,c,d,e in die Kühlleitung hinein und durch einen Kühlauslass 248a,b,c,d,e wieder aus der Kühlleitung heraus. Im Unterschied zur in 1 gezeigten Ausführungsform, bei der die Kühlsegmente 144a,b,c,d einstückig ausgebildet sind, sind die Kühlsegmente 244b,c,d in 2 modular, vorzugsweise von dem gesamten Kühlkörper 24 trennbar und in diesen wiedereinbaubar, ausgebildet.
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Von den in 1 beispielhaft gezeigten fünf Kühlsegmenten 244a,b,c,d.e sind beispielhaft vier Kühlsegmente 244a,b,c,d jeweils zur Kühlung eines bestimmten Bereichs mehrerer im Leistungsmodul 20 verbauten Halbleiterbauteile 22 vorgesehen (siehe 3). Die vier Kühlsegmente 244a,b,c,d sind daher den verschiedenen Bereichen der Halbleiterbauteile 22 in einer eins-zu-eins-Entsprechung zugeordnet. Jedes Kühlsegment 244a,b,c,d,e umfasst, analog zur in 1 gezeigten Ausführungsform, eine einlassseitige Hauptkühlleitung 250a,b,c,d,e zum Hineinleiten des Kühlmediums und eine auslassseitige Hauptkühlleitung 258a,b,c,d,e zum Herausleiten des Kühlmediums.
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In den Kühlsegmenten 244a,b,c,d geht die jeweilige einlassseitige Hauptkühlleitung 250a,b,c,d in mehrere zueinander parallel angeordnete Halbleiterkühlsegmente (Kühlstränge) 252a,b.c,d über. Wie in 3 gezeigt, sind die Hauptleiterbauteile 22 direkt an den Halbleiterkühlsegmenten 252a,b,c,d angeordnet, sodass die Halbleiterkühlsegmente 252a,b,c,d mit den Halbleiterbauteilen 22 vertikal überlappen. Dies dient dazu, die einzelnen Halbleiterbauteile 242 parallel zueinander gekühlt werden, sodass die Kühlleistung gleichmäßig an die Halbleiterbauteile 242 verteilt wird.
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In den Kühlsegmenten 244b,c,d,e umfasst die einlassseitige Hauptkühlleitung 250b,c,d,e jeweils zwei seriell angeordnete Kondensatorkühlsegmente 254b,c,d,e. Wie in 3 gezeigt, sind mehrere Zwischenkreiskondensatoren 26 mittels der zweiten Zwischenschicht 27 an den Kondensatorkühlsegmenten 254,b,c,d,e angeordnet, sodass die Kondensatorkühlsegmente 254b,c,d,e mit den Zwischenkreiskondensatoren 26 vertikal überlappen und wirksam gekühlt werden. Mehrere Befestigungspunkte 256b,c,d,e an denen die Zwischenkreiskondensatoren 26 am Grundkörper 242 befestigt sind, sind ebenfalls in 2 gezeigt.
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Wie in 2 gezeigt, münden in den Kühlsegmenten 244a,b,c,d die Halbleiterkühlsegmente 252a,b,c,d in die jeweilige auslassseitige Hauptkühlleitung 258a,b,c,d. Die auslassseitige Hauptkühlleitung 258a,b,c,d (gestrichelt dargestellt) ist in einem gegenüber der einlassseitigen Hauptkühlleitung 250a,b,c,d verdickten Bereich des Grundkörpers 242 ausgebildet, wie 3 zeigt. Im vierten Kühlsegment 244e sind die einlassseitige und auslassseitige Hauptkühlleitung 250e, 258e auf der gleichen Seite des Grundkörpers 242 angeordnet.
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In 3 ist das Leistungsmodul 10, 20 schematisch dargestellt. Das Leistungsmodul 10, 20 umfasst den in 1 bzw. 2 gezeigten Kühlkörper 14, 24, mehrere Halbleiterbauteile 12, 22, mehrere Zwischenkreiskondensatoren 16, 26 sowie eine Ansteuerelektronik 18, 28 zur Ansteuerung der Halbleiterbauteile 12, 22. Die Ansteuerelektronik 18, 28 umfasst beispielsweise eine Leistungs- und Treiberplatine. Die Halbleiterbauteile 12, 22 sind, wie in 1 und 2 bereits gezeigt, an den Halbleiterkühlsegmenten 152a-c, 252a-d direkt angeordnet, wobei die Zwischenkreiskondensatoren 16, 26 direkt an den Kondensatorkühlsegmenten 154b-d, 254b-e angeordnet sind. Zwischen der Ansteuerelektronik 18, 28 und dem Kühlkörper 14, 24 ist eine erste Zwischenschicht 15, 25 angeordnet, um beide Komponenten miteinander zu verbinden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Leistungsmodul
- 12
- Halbleiterbauteile
- 14
- Kühlkörper
- 142
- Grundkörper
- 144a-d
- Kühlsegmente
- 146a-d
- Kühleinlass
- 148a-d
- Kühlauslass
- 150a-d
- einlassseitige Hauptkühlleitung
- 152a-c
- Halbleiterkühlsegmente
- 154b-d
- Kondensatorkühlsegmente
- 156b-d
- Befestigungspunkte
- 158a-d
- auslassseitige Hauptkühlleitung
- 15
- erste Zwischenschicht
- 16
- Zwischenkreiskondensatoren
- 17
- zweite Zwischenschicht
- 18
- Ansteuerelektronik
- 20
- Leistungsmodul
- 22
- Halbleiterbauteile
- 24
- Kühlkörper
- 242
- Grundkörper
- 244a-e
- Kühlsegmente
- 246a-e
- Kühleinlass
- 248a-e
- Kühlauslass
- 250a-e
- einlassseitige Hauptkühlleitung
- 252a-d
- Halbleiterkühluntersegmente
- 254b-e
- Kondensatorkühluntersegmente
- 256b-e
- Befestigungspunkte
- 258a-e
- auslassseitige Hauptkühlleitung
- 25
- erste Zwischenschicht
- 26
- Zwischenkreiskondensatoren
- 27
- zweite Zwischenschicht
- 28
- Ansteuerelektronik
