DE102021100533A1

DE102021100533A1 - Electrical circuit breaker

Info

Publication number: DE102021100533A1
Application number: DE102021100533.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Gramann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-01-13
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2022-07-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leistungsschalter (1), umfassend einen Halbleiterkörper (2), einen Kühlkörper (3), Mittel (4) zur wärmeleitenden Verbindung von Halbleiterkörper (2) und Kühlkörper (3) sowie ein Gehäuse (6). Dabei ist der Kühlkörper (3) derart ausgebildet, dass er zum Zwecke der Wärmeabfuhr aus dem Halbleiterkörper (2) die zu kühlende Oberfläche des Halbleiterkörpers (2) vergrößert und die Wärme an ein Kühlmedium (5) weitertransportiert. Gemäß der Erfindung sind die Mittel (4) zur wärmeleitenden Verbindung von Halbleiterkörper (2) und Kühlkörper (3) elektrisch leitend ausgebildet, wobei der Kühlkörper (3) einen elektrischen Stromanschluss (300) aufweist, der elektrisch leitend mit dem zweiten elektrischen Stromanschluss (200) des Halbleiterkörpers (2) verbunden ist, so dass der durch den Halbleiterkörper (2) geschaltete Strom zwischen dem ersten elektrischen Stromanschluss (100) des Halbleiterkörpers (2) und dem zweiten elektrischen Stromanschluss (300) des Kühlkörpers (3) schaltbar ist.The invention relates to an electrical circuit breaker (1), comprising a semiconductor body (2), a heat sink (3), means (4) for the thermally conductive connection of semiconductor body (2) and heat sink (3), and a housing (6). The heat sink (3) is designed in such a way that it enlarges the surface of the semiconductor body (2) to be cooled for the purpose of dissipating heat from the semiconductor body (2) and transports the heat further to a cooling medium (5). According to the invention, the means (4) for the thermally conductive connection of the semiconductor body (2) and heat sink (3) are designed to be electrically conductive, the heat sink (3) having an electrical power connection (300) which is electrically conductive to the second electrical power connection (200 ) of the semiconductor body (2) is connected, so that the current switched through the semiconductor body (2) can be switched between the first electrical current connection (100) of the semiconductor body (2) and the second electrical current connection (300) of the heat sink (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leistungsschalter, insbesondere einen elektrischen Leistungsschalter zur Ansteuerung einer elektrischen Traktionsmaschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Der Leistungsschalter umfasst zumindest einen Halbleiterkörper mit einer ersten Oberfläche für einen ersten elektrischen Stromanschluss und mit einer der ersten Oberfläche insbesondere gegenüberliegend ausgebildeten zweiten Oberfläche für einen zweiten elektrischen Stromanschluss, wobei in einem gesperrten Zustand des Leistungsschalters eine Leitung von elektrischem Strom zwischen dem ersten Stromanschluss und dem zweiten Stromanschluss unterbunden ist und in einem leitenden Zustand des Leistungsschalters eine Leitung des elektrischen Stroms zwischen dem ersten Stromanschluss und dem zweiten Stromanschluss zugelassen ist. Ferner umfasst der Leistungsschalter einen Kühlkörper sowie Mittel zur wärmeleitenden Verbindung von Halbleiterkörper und Kühlkörper, wobei der Kühlkörper derart ausgebildet ist, dass er zum Zwecke der Wärmeabfuhr aus dem Halbleiterkörper die zu kühlende Oberfläche des Halbleiterkörpers vergrößert bzw. aufspreizt und die Wärme an ein Kühlmedium weitertransportiert. Darüber hinaus umfasst der Leistungsschalter ein Gehäuse.The present invention relates to an electric circuit breaker, in particular an electric circuit breaker for controlling an electric traction machine of an electrically drivable motor vehicle. The circuit breaker comprises at least one semiconductor body with a first surface for a first electrical power connection and with a second surface, in particular opposite the first surface, for a second electrical power connection, with electrical power being conducted between the first power connection and the second power connection is prevented and in a conductive state of the circuit breaker conduction of the electric current between the first power connection and the second power connection is permitted. The circuit breaker also includes a heat sink and means for the thermally conductive connection of the semiconductor body and heat sink, the heat sink being designed in such a way that, for the purpose of dissipating heat from the semiconductor body, it enlarges or spreads the surface of the semiconductor body to be cooled and transports the heat on to a cooling medium. In addition, the circuit breaker includes a housing.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene elektrische Leistungsschalter zur Ansteuerung elektrischer Maschinen bekannt. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2017 221 184 A1 eine Stromrichterkomponente für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebsmaschine, insbesondere für ein effektives Energiemanagement eines elektrischen Antriebsstrangs, sowie ein Halbleitermodul einer solchen Stromrichterkomponente. Derartige Leistungsschalter sind hinlänglich bekannt und in aller Regel als auf einer gemeinsamen Trägerplatine angeordnete Halbleiter ausgebildet.Various electrical circuit breakers for controlling electrical machines are known from the prior art. For example, describes the DE 10 2017 221 184 A1 a power converter component for a motor vehicle with an electric drive machine, in particular for effective energy management of an electric drive train, and a semiconductor module of such a power converter component. Circuit breakers of this type are well known and are generally designed as semiconductors arranged on a common carrier board.

Bei derartigen Leistungsschaltern ist der Wechsel vom Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) hin zum Leistungsschalter auf Basis von Siliziumcarbid (SiC) nahezu vollzogen. Das bedeutet, dass schon alleine dadurch die Verlustenergien stark reduziert sind, aber dass gleichzeitig durch die sehr kleinen Flächen der Halbleiterkörper (sogenannte Chips oder DIE's) letztendlich die Verlustenergiedichte (Energie je Flächeneinheit) sogar gewachsen ist. Da das Material, hier stellvertretend SiC (oder auch Galliumnitrid (GaN)) sehr teuer ist, muss versucht werden die hohen Verlustwärmedichten technisch auch umsetzten zu können.In the case of such power switches, the transition from the insulated gate bipolar transistor (IGBT) to the power switch based on silicon carbide (SiC) is almost complete. This means that this alone greatly reduces the energy loss, but at the same time the energy loss density (energy per unit area) has actually increased due to the very small areas of the semiconductor bodies (so-called chips or DIEs). Since the material, in this case SiC (or gallium nitride (GaN)) is very expensive, an attempt must be made to be able to technically implement the high heat loss densities.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Leistungsschalter bereitzustellen, der im Hinblick auf seine Kühlung weiter optimiert ist. Darüber hinaus soll durch den neuartigen Leistungsschalter eine bauraumoptimierte Verwendung innerhalb einer elektrischen Maschine realisierbar sein.The object of the invention is to provide a circuit breaker which is further optimized with regard to its cooling. In addition, the novel circuit breaker should be able to be used within an electrical machine in a space-optimized manner.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektrischen Leistungsschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Ein erfindungsgemäßer elektrischer Leistungsschalter umfasst zumindest einen Halbleiterkörper mit einer ersten Oberfläche für einen ersten elektrischen Stromanschluss und mit einer der ersten Oberfläche insbesondere gegenüberliegend ausgebildeten zweiten Oberfläche für einen zweiten elektrischen Stromanschluss, wobei in einem gesperrten Zustand des Leistungsschalters eine Leitung von elektrischem Strom zwischen dem ersten Stromanschluss und dem zweiten Stromanschluss unterbunden ist und in einem leitenden Zustand des Leistungsschalters eine Leitung des elektrischen Stroms zwischen dem ersten Stromanschluss und dem zweiten Stromanschluss zugelassen ist. Darüber hinaus umfasst der Leistungsschalter einen Kühlkörper sowie Mittel zur wärmeleitenden Verbindung von Halbleiterkörper und Kühlkörper und ein Gehäuse. Der Kühlkörper ist dabei derart ausgebildet, dass er zum Zwecke der Wärmeabfuhr aus dem Halbleiterkörper die zu kühlende Oberfläche des Halbleiterkörpers vergrößert bzw. aufspreizt und die Wärme an ein Kühlmedium weitertransportiert. Gemäß der Erfindung sind die Mittel zur wärmeleitenden Verbindung von Halbleiterkörper und Kühlkörper elektrisch leitend ausgebildet. Ferner weist der Kühlkörper erfindungsgemäß einen elektrischen Stromanschluss auf, der durch den elektrisch leitend ausgebildeten Kühlkörper und die elektrisch leitend ausgebildeten Mittel zur wärmeleitenden Verbindung zwischen Halbleiterkörper und Kühlkörper elektrisch leitend mit dem zweiten elektrischen Stromanschluss des Halbleiterkörpers verbunden ist, so dass der durch den Halbleiterkörper geschaltete Strom zwischen dem ersten elektrischen Stromanschluss des Halbleiterkörpers und dem zweiten elektrischen Stromanschluss des Kühlkörpers schaltbar ist. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass ein modulartiger Halbleiterschalter bereitgestellt werden konnte, der im Hinblick auf seine Kühleigenschaften weiter optimiert ist.This object is achieved by an electrical circuit breaker having the features of patent claim 1. An electrical circuit breaker according to the invention comprises at least one semiconductor body with a first surface for a first electrical power connection and with a second surface for a second electrical power connection, which is formed opposite the first surface in particular, wherein conduction of electric current between the first power connection and the second power connection is prevented in a blocked state of the circuit breaker and conduction of electric current between the first power connection and the second power connection is permitted in a conducting state of the circuit breaker. In addition, the circuit breaker includes a heat sink and means for the thermally conductive connection of the semiconductor body and heat sink and a housing. The heat sink is designed in such a way that, for the purpose of dissipating heat from the semiconductor body, it enlarges or spreads the surface of the semiconductor body to be cooled and transports the heat further to a cooling medium. According to the invention, the means for the thermally conductive connection of the semiconductor body and heat sink are designed to be electrically conductive. According to the invention, the heat sink also has an electrical current connection, which is electrically conductively connected to the second electrical current connection of the semiconductor body by the electrically conductive heat sink and the electrically conductive means for the thermally conductive connection between the semiconductor body and heat sink, so that the current switched through the semiconductor body can be switched between the first electrical power connection of the semiconductor body and the second electrical power connection of the heat sink. This achieves the advantage that a modular semiconductor switch could be provided which is further optimized with regard to its cooling properties.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.Further advantageous refinements of the invention are specified in the dependently formulated claims. The features listed individually in the dependent claims can be combined with one another in a technologically meaningful manner and can define further refinements of the invention. In addition, the features specified in the claims are specified and explained in more detail in the description, with further preferred configurations of the invention being presented.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse derart ausgebildet ist, dass es den Kühlkörper auf seiner dem Halbleiterkörper abgewandten Seite zumindest bereichsweise umhaust, derart, dass zwischen Gehäuse und der umhausten Oberfläche des Kühlkörpers ein Kühlraum zur Aufnahme eines Kühlmediums gebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass hierdurch ein platzsparendes Modulkonzept bereitgestellt werden konnte, wobei einzelne gleichartig aufgebaute Halbleiterschaltermodule optimiert gekühlt und platzsparend in einem Verbund variabel anordenbar sind.According to an advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the housing is designed in such a way that it at least partially encloses the heat sink on its side facing away from the semiconductor body, such that a cooling space for accommodating a cooling medium is formed between the housing and the encased surface of the heat sink . The advantage of this configuration is that it makes it possible to provide a space-saving module concept, with individual semiconductor switch modules having the same structure being optimally cooled and being variably arrangeable in a network to save space.

Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Kühlmedium elektrisch leitend ist, insbesondere wasserbasiert ausgebildet ist oder aus Wasser besteht. Hierdurch kann eine sehr effiziente Kühlung mit hohen Wärmeübertragungskoeffizienten erreicht werden. According to a further preferred further development of the invention, it can also be provided that the cooling medium is electrically conductive, in particular is designed to be water-based or consists of water. As a result, very efficient cooling with high heat transfer coefficients can be achieved.

Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Kühlkörper innerhalb des durch das Gehäuse gebildeten Kühlraums auf seiner Oberfläche eine Isolierschicht zur elektrischen Isolation zwischen dem Kühlkörper und dem innerhalb des Kühlraums befindlichem Kühlmedium aufweist, wodurch mit konstruktiv einfachen Mitteln eine effektive elektrische Isolierung gegenüber dem Gehäuse (und damit nach außen) gewährleistet ist.Furthermore, according to a likewise advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the heat sink has an insulating layer on its surface within the cooling space formed by the housing for electrical insulation between the heat sink and the cooling medium located within the cooling space, whereby a effective electrical insulation from the housing (and thus from the outside) is guaranteed.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Kühlkörper und der auf dem Kühlkörper angeordnete Halbleiterkörper - mit Ausnahme der Halbleiterkörperoberfläche, auf der auf dem Halbleiterkörper der erste Stromanschluss ausgebildet ist und mit Ausnahme eines Bereichs des Kühlkörpers, der für den elektrischen Stromanschluss des Kühlkörpers vorgesehen ist - vollständig von einer Isolierschicht zur elektrischen Isolation überzogen ist (siehe 2). Hierdurch lässt sich insbesondere mit konstruktiv und herstellungstechnisch einfachen Mitteln eine besonders effiziente Isolierung der Modulgrenze und der elektrisch kritischen Bereiche erreichen. Alternativ hierzu kann vorgesehen werden, dass der Kühlkörper - mit Ausnahme eines den ersten Stromanschluss des Halbleiterkörpers bildenden Bereichs zur elektrischen Kontaktierung der ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers und mit Ausnahme eines Bereichs für den elektrischen Stromanschluss des Kühlkörpers - vollständig von einer Isolierschicht zur elektrischen Isolation überzogen ist (siehe 3). Insbesondere dadurch, dass hier neben der Isolierung des Kühlkörpers zusätzlich der Halbleiterkörper (das sog. DIE) auf seiner dem Kühlkörper gegenüberliegenden Fläche als auch seitlich isoliert ist, werden elektrisch kritische Überschlagsflächen wirkungsvoll isoliert. Insbesondere bei einer Zusammenschaltung mehrerer Halbleiterschalter miteinander werden somit hohe Freiheitsgrade im geometrischen Aufbau ermöglicht, ohne dass weitere Isoliermaßnahmen erforderlich wären.According to a further particularly preferred embodiment of the invention, it can be provided that the cooling body and the semiconductor body arranged on the cooling body - with the exception of the semiconductor body surface on which the first current connection is formed on the semiconductor body and with the exception of a region of the cooling body which is used for the electrical power connection of the heat sink is provided - is completely covered by an insulating layer for electrical insulation (see 2 ). In this way, a particularly efficient insulation of the module boundary and the electrically critical areas can be achieved, in particular with means that are simple in terms of design and production technology. As an alternative to this, it can be provided that the heat sink--with the exception of an area forming the first power connection of the semiconductor body for making electrical contact with the first surface of the semiconductor body and with the exception of a region for the electrical power connection of the heat sink--is completely covered by an insulating layer for electrical insulation ( please refer 3 ). Electrically critical flashover areas are effectively insulated, in particular because the semiconductor body (the so-called DIE) is insulated on its surface opposite the heat sink as well as on its side in addition to the insulation of the heat sink. In particular when several semiconductor switches are interconnected with one another, a high degree of freedom in the geometric structure is thus made possible without the need for further insulating measures.

Mit Vorteil sind die Mittel zur wärmeleitenden Verbindung von Halbleiterkörper und Kühlkörper durch eine Sinterschicht zwischen Halbleiterkörper und Kühlkörper gebildet sind. Hierdurch wird eine im Hinblick auf die Wärmeübertragung zwischen Halbleiterkörper und Kühlkörper optimierte Verbindung und damit eine verbesserte Entwärmung des Halbleiterkörpers gewährleistet.The means for the thermally conductive connection of the semiconductor body and the heat sink are advantageously formed by a sintered layer between the semiconductor body and the heat sink. This ensures a connection that is optimized with regard to the heat transfer between the semiconductor body and the heat sink, and thus improved cooling of the semiconductor body.

Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Lösung zur Verbindung von Halbleiterkörper und Kühlkörper kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Mittel zur wärmeleitenden Verbindung von Halbleiterkörper und Kühlkörper durch eine Pressverbundschicht zwischen Halbleiterkörper und Kühlkörper gebildet sind. Dabei kann der Pressverbund mit oder ohne eine sogenannte Interface- bzw. Wärmeleitpaste erfolgen.As an alternative to the above-described solution for connecting the semiconductor body and the heat sink, it can be advantageous to further develop the invention such that the means for the thermally conductive connection of the semiconductor body and the heat sink are formed by a pressed composite layer between the semiconductor body and the heat sink. The press-fit can be made with or without a so-called interface or thermally conductive paste.

Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der Kühlkörper auf seiner dem Halbleiterkörper abgekehrten Seite eine Oberfläche mit einer oberflächenvergrößernden Struktur aufweist und auf seiner dem Halbleiterkörper zugewandten Seite eine topfförmige Aufnahme zur Positionierung des Halbleiterkörpers aufweist. Hierdurch kann zum einen eine optimierte Entwärmung des Halbleiterkörpers erreicht und zum anderen eine verbesserte Montage des Halbleiterkörpers am Kühlkörper erreicht werden.According to a further preferred embodiment of the subject matter of the invention, it can be provided that the heat sink has a surface with a surface-enlarging structure on its side facing away from the semiconductor body and has a pot-shaped receptacle for positioning the semiconductor body on its side facing the semiconductor body. In this way, on the one hand, optimized cooling of the semiconductor body can be achieved and, on the other hand, improved assembly of the semiconductor body on the heat sink can be achieved.

Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass der Halbleiterkörper in der topfförmigen Aufnahme mit einem Vergußmaterial vergossen ist. Ist der Halbleiterkörper bzw. das DIE fest mit dem Spreizer verbunden, kann die elektrische Isolierung durch eine Maskierung auch im Bereich des DIE's aufgebracht werden, damit die Spannungsfestigkeit von DIE Ober- zu Unterfläche gegeben ist. Für ein bewegliches DIE-Attach muss ebenfalls die elektrische Isolierung eingebracht sein. Hierfür kann der Spreizer auch in der Wanne für das DIE elektrisch isoliert und das DIE dann in der Wanne durch den „Verguß“ (welcher z. B. ein SILGEL sein kann) isoliert und auch fixiert werden.Finally, the invention can also be implemented in an advantageous manner such that the semiconductor body is encapsulated in the pot-shaped receptacle with an encapsulation material. If the semiconductor body or the DIE is firmly connected to the spreader, the electrical insulation can also be applied by masking in the area of the DIE, so that the dielectric strength of the DIE surface to the lower surface is given. Electrical insulation must also be installed for a movable DIE attach. For this purpose, the spreader can also be electrically insulated in the tub for the DIE and the DIE can then be isolated and also fixed in the tub by the "casting" (which can be a SILGEL, for example).

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können.The invention and the technical environment are explained in more detail below with reference to the figures. It should be pointed out that the invention should not be limited by the exemplary embodiments shown. In particular, it is unless explicitly stated otherwise, it is also possible to extract partial aspects of the facts explained in the figures and to combine them with other components and findings from the present description and/or figures. In particular, it should be pointed out that the figures and in particular the proportions shown are only schematic. The same reference symbols designate the same objects, so that explanations from other figures can be used as a supplement if necessary.

Es zeigen:

1 einen elektrischen Leistungsschalter gemäß der Erfindung in einer ersten möglichen Ausführungsform in schematischer Schnittdarstellung,
2 einen elektrischen Leistungsschalter gemäß der Erfindung in einer zweiten möglichen Ausführungsform in schematischer Schnittdarstellung, und
3 einen elektrischen Leistungsschalter gemäß der Erfindung in einer zweiten möglichen Ausführungsform in schematischer Schnittdarstellung.

Show it:

1 an electrical circuit breaker according to the invention in a first possible embodiment in a schematic sectional view,
2 an electrical circuit breaker according to the invention in a second possible embodiment in a schematic sectional view, and
3 an electrical circuit breaker according to the invention in a second possible embodiment in a schematic sectional view.

1 zeigt einen elektrischen Leistungsschalter 1 gemäß der Erfindung in einer ersten möglichen Ausführungsform in schematischer Schnittdarstellung. Der gezeigte Leistungsschalter 1 umfasst einen Halbleiterkörper 2 mit einer ersten (oberen) Oberfläche 21 für einen ersten elektrischen Stromanschluss 100 und mit einer der ersten Oberfläche 21 gegenüberliegend ausgebildeten zweiten (unteren) Oberfläche 22 für einen zweiten elektrischen Stromanschluss 200, wobei in einem gesperrten Zustand des Leistungsschalters 1 eine Leitung von elektrischem Strom zwischen dem ersten Stromanschluss 100 und dem zweiten Stromanschluss 200 unterbunden ist und in einem leitenden Zustand des Leistungsschalters 1 eine Leitung des elektrischen Stroms zwischen dem ersten Stromanschluss 100 und dem zweiten Stromanschluss 200 gewährleistet ist. Der Leistungsschalter 1 umfasst ferner einen insbesondere metallisch ausgebildeten Kühlkörper 3, Mittel 4 zur wärmeleitenden Verbindung von Halbleiterkörper 2 und Kühlkörper 3 sowie ein den Kühlkörper 3 auf seiner dem Halbleiterkörper 2 abgekehrten Seite umhausendes, insbesondere aus Kunststoff gebildetes, Gehäuse 6. Dabei ist das Gehäuse 6 gegenüber dem Kühlkörper 3, bzw. der zwischen Gehäuse 6 und Kühlkörper 3 gebildete Kühlraum 7, über die dem Kühlkörper 3 zugekehrte Stirnseite der Seitenwände umlaufend über Dichtmittel 11 abgedichtet. Der Kühlkörper 3 ist derart ausgebildet, dass er zum Zwecke der Wärmeabfuhr aus dem Halbleiterkörper 2 die zu kühlende Oberfläche des Halbleiterkörpers 2 durch senkrecht aus der Ebene herausstehende Kühlrippen aufspreizt und die Wärme an ein Kühlmedium 5 innerhalb des Gehäuses 6 weitertransportiert. Die Mittel 4 zur wärmeleitenden Verbindung von Halbleiterkörper 2 und Kühlkörper 3 sind elektrisch leitend ausgebildet und beispielsweise durch eine Sinterschicht gebildet. Der elektrisch leitend ausgebildete Kühlkörper 3 bildet an einer Stelle außerhalb des Gehäuses 6 einen elektrischen Stromanschluss 300 aus, der elektrisch leitend mit dem zweiten elektrischen Stromanschluss 200 des Halbleiterkörpers 2 verbunden ist, so dass der durch den Halbleiterkörper 2 geschaltete Strom zwischen dem ersten elektrischen Stromanschluss 100 des Halbleiterkörpers 2 und dem elektrischen Stromanschluss 300 des Kühlkörpers 3 schaltbar ist. Somit kann über den elektrischen Stromanschluss 300 der Anschluss an dem Leistungsschalter 1 erfolgen. Der Kühlkörper 3 weist innerhalb des durch das Gehäuse 6 gebildeten Kühlraums 7 auf seiner Oberfläche eine Isolierschicht 8 zur elektrischen Isolation zwischen dem Kühlkörper 3 und dem innerhalb des Kühlraums 7 befindlichem Kühlmedium 5 auf. Die 1 zeigt des Weiteren, dass der Kühlkörper 3 und der auf dem Kühlkörper 3 angeordnete Halbleiterkörper 2 - mit Ausnahme der dem Kühlkörper abgekehrten Halbleiterkörperoberfläche, auf der auf dem Halbleiterkörper 2 der erste Stromanschluss 100 ausgebildet ist, und mit Ausnahme eines Bereichs des Kühlkörpers 3, der für den elektrischen Stromanschluss 300 des Kühlkörpers 3 vorgesehen ist - vollständig von einer Isolierschicht 8 zur elektrischen Isolation überzogen ist. 1 shows an electrical circuit breaker 1 according to the invention in a first possible embodiment in a schematic sectional view. The circuit breaker 1 shown comprises a semiconductor body 2 with a first (upper) surface 21 for a first electrical power connection 100 and with a second (lower) surface 22 formed opposite the first surface 21 for a second electrical power connection 200, wherein in a blocked state of the Circuit breaker 1 conduction of electric current between the first current connection 100 and the second current connection 200 is prevented and in a conductive state of the circuit breaker 1 conduction of the electric current between the first current connection 100 and the second current connection 200 is guaranteed. The circuit breaker 1 also comprises a heat sink 3, in particular made of metal, means 4 for the thermally conductive connection of the semiconductor body 2 and heat sink 3, and a housing 6, in particular made of plastic, enclosing the heat sink 3 on its side facing away from the semiconductor body 2. The housing 6 relative to the heat sink 3, or the cooling chamber 7 formed between the housing 6 and the heat sink 3, is sealed circumferentially by sealing means 11 via the end face of the side walls facing the heat sink 3. The heat sink 3 is designed in such a way that, for the purpose of dissipating heat from the semiconductor body 2 , it spreads open the surface of the semiconductor body 2 to be cooled by cooling ribs protruding perpendicularly out of the plane and transports the heat to a cooling medium 5 within the housing 6 . The means 4 for the thermally conductive connection of the semiconductor body 2 and the heat sink 3 are designed to be electrically conductive and are formed, for example, by a sintered layer. The electrically conductive heat sink 3 forms an electrical power connection 300 at a point outside of the housing 6, which is electrically conductively connected to the second electrical power connection 200 of the semiconductor body 2, so that the current switched through the semiconductor body 2 between the first electrical power connection 100 of the semiconductor body 2 and the electrical power connection 300 of the heat sink 3 can be switched. The connection to the circuit breaker 1 can thus be made via the electrical power connection 300 . Inside the cooling space 7 formed by the housing 6 , the cooling body 3 has an insulating layer 8 on its surface for electrical insulation between the cooling body 3 and the cooling medium 5 located inside the cooling space 7 . the 1 also shows that the heat sink 3 and the semiconductor body 2 arranged on the heat sink 3 - with the exception of the semiconductor body surface facing away from the heat sink, on which the first current connection 100 is formed on the semiconductor body 2, and with the exception of a region of the heat sink 3 which is the electrical power connection 300 of the heat sink 3 is provided - is completely covered by an insulating layer 8 for electrical insulation.

2 zeigt einen elektrischen Leistungsschalter 1 gemäß der Erfindung in einer zweiten möglichen Ausführungsform in schematischer Schnittdarstellung. Der Aufbau ist ähnlich zu dem in 1 beschriebenen Aufbau. Der wesentliche Unterschied zum Aufbau gemäß 1 besteht darin, dass der Kühlkörper 3 auf seiner dem Halbleiterkörper 2 zugekehrten bzw. seiner dem Gehäuse 6 abgekehrten Seite bereichsweise eine topfartige Aufnahme 9 zur Positionierung des Halbleiterkörpers 2 ausgebildet aufweist. Innerhalb der Aufnahme 9 ist der Halbleiterkörper 2 seitlich gegen die seitlichen Wände elektrisch isoliert und durch eine Vergussmasse 10 entsprechend fixiert. 2 shows an electrical circuit breaker 1 according to the invention in a second possible embodiment in a schematic sectional view. The structure is similar to that in 1 described structure. The main difference to the structure according to 1 consists in that the heat sink 3 has a pot-like receptacle 9 for positioning the semiconductor body 2 in some areas on its side facing the semiconductor body 2 or on its side facing away from the housing 6 . Inside the receptacle 9, the semiconductor body 2 is electrically insulated laterally against the lateral walls and is appropriately fixed by a casting compound 10.

3 zeigt einen elektrischen Leistungsschalter 1 gemäß der Erfindung in einer dritten möglichen Ausführungsform in schematischer Schnittdarstellung. Der Aufbau ist auch hier ähnlich zu dem in 1 beschriebenen Aufbau. Der wesentliche Unterschied zum Aufbau gemäß 1 besteht darin, dass der Halbleiterkörper 2 auf seiner dem Kühlkörper 3 abgekehrten Oberfläche zur Bildung des ersten Stromanschlusses 100 diesen in Form einer Anschlussleitung integriert ausbildet, indem ein Anschlussleiter 101 mit dem Stromanschluss 100 elektrisch kontaktiert wird und der Anschlussleiter 101 zumindest bereichsweise gemeinsam mit dem Kühlkörper 3 und dem Halbleiterkörper 2 mittels der elektrischen Isolierschicht 8 überzogen ist. 3 shows an electrical circuit breaker 1 according to the invention in a third possible embodiment in a schematic sectional view. The structure here is also similar to that in 1 described structure. The main difference to the structure according to 1 is that the semiconductor body 2 forms the first power connection 100 on its surface facing away from the heat sink 3 in an integrated manner in the form of a connecting line, in that a connecting conductor 101 is electrically contacted with the power connection 100 and the connecting conductor 101 is at least partially jointly with the heat sink 3 and the semiconductor body 2 is covered by the electrically insulating layer 8 .

Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.The invention is not limited to the embodiments shown in the figures. The foregoing description is therefore not to be considered as limiting but as illustrative. The following patent claims are to be understood in such a way that a mentioned feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of other features. If the patent claims and the above description define 'first' and 'second' feature, this designation serves to distinguish between two similar features without establishing a ranking.

BezugszeichenlisteReference List

11: Leistungsschaltercircuit breaker
22: Halbleiterkörpersemiconductor body
33: Kühlkörperheatsink
44: MittelMiddle
55: Kühlmediumcooling medium
66: GehäuseHousing
77: Kühlraumfridge
88th: Isolierschichtinsulating layer
99: Aufnahme (im Kühlkörper)recording (in the heatsink)
1010: Vergussmassepotting compound
1111: Dichtmittelsealant
2121: erste Oberflächefirst surface
100100: erster Stromanschlussfirst power connection
2222: zweite Oberflächesecond surface
200200: zweiter Stromanschlusssecond power connector
300300: Stromanschluss (Kühlkörper)power connector (heatsink)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102017221184 A1 [0002]

Claims

Electrical circuit breaker (1), comprising - a semiconductor body (2) with a first surface (21) for a first electrical current connection (100) and with a first surface (21) (in particular opposite) formed second surface (22) for a second electrical power connection (200), in a blocked state of the power switch (1) conduction of electrical power between the first power connection (100) and the second power connection (200) is prevented and in a conductive state of the circuit breaker (1) conduction of the electrical current is permitted between the first power connection (100) and the second power connection (200), - a heat sink (3), - means (4) for the thermally conductive connection of the semiconductor body (2) and heat sink (3), the heat sink (3 ) is designed in such a way that for the purpose of dissipating heat from the semiconductor body (2), it increases the surface of the semiconductor body (2) to be cooled (see izt) and transports the heat to a cooling medium (5), and comprising - a housing (6), characterized in that - the means (4) for the thermally conductive connection of the semiconductor body (2) and the heat sink (3) are designed to be electrically conductive, and - the heat sink (3) has an electrical power connection (300) which is electrically conductively connected to the second electrical power connection (200) of the semiconductor body (2), so that the current switched through the semiconductor body (2) between the first electrical power connection (100) of the semiconductor body (2) and the second electrical power connection (300) of the heat sink (3) can be switched.

Circuit breaker (1) after claim 1 , characterized in that - the housing (6) is designed in such a way that it at least partially encloses the heat sink (3) on its side facing away from the semiconductor body (2), such that between the housing (6) and the encased surface of the heat sink ( 3) a cooling chamber (7) is formed for receiving a cooling medium.

Circuit breaker (1) after claim 2 , characterized in that the cooling medium is electrically conductive, is designed in particular water-based or consists of water.

Circuit breaker (1) according to any one of the preceding claims 2 - 3 , characterized in that the heat sink (3) within the cooling space (7) formed by the housing (6) has an insulating layer (8) on its surface for electrical insulation between the heat sink (3) and the cooling medium located within the cooling space (7). having.

Circuit breaker (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat sink (3) and the semiconductor body (2) arranged on the heat sink (3) - with the exception of the semiconductor body surface on which the first current connection ( 100) and, with the exception of an area of the heat sink (3) that is provided for the electrical power connection (300) of the heat sink (3), is completely covered by an insulating layer (8) for electrical insulation.

Circuit breaker (1) according to any one of the preceding Claims 1 - 4 , characterized in that the heat sink (3) - with the exception of an area forming the first electrical connection (100) of the semiconductor body (2) for making electrical contact with the first surface (21) of the semiconductor body (2) and with the exception of an area for the electrical power connection (300) of the heat sink (3) - is completely covered by an insulating layer (8) for electrical insulation.

Circuit breaker (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the means (4) for the thermally conductive connection of semiconductor body (2) and heat sink (3) are formed by a sintered layer between semiconductor body (2) and heat sink (3).

Circuit breaker (1) according to any one of the preceding Claims 1 - 6 , characterized in that the means (4) for the thermally conductive connection of the semiconductor body (2) and heat sink (3) are formed by a pressed composite layer between the semiconductor body (2) and heat sink (3).

Circuit breaker (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat sink (3) has a surface with a surface-enlarging structure on its side facing away from the semiconductor body (2) and a pot-shaped receptacle (9) for positioning on its side facing the semiconductor body of the semiconductor body (2).

Circuit breaker (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor body (2) is cast in the pot-shaped receptacle (9) with a casting material (10).