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Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für ein Leistungselektronikmodul zum Kühlen einer leistungselektronischen Baugruppe des Leistungselektronikmoduls. Die Kühleinrichtung weist einen Kühlkörper zum Abführen einer Abwärme von zumindest einem, an einer Platine angeordneten leistungselektronischen Bauelement der leistungselektronischen Baugruppe auf. Außerdem weist die Kühleinrichtung zumindest ein Wärmeleitelement zur Bereitstellung eines Wärmeleitpfades zwischen dem zumindest einen leistungselektronischen Bauelement und dem Kühlkörper auf. Die Erfindung betrifft außerdem ein Leistungselektronikmodul sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Leistungselektronikmodule für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche Leistungselektronikmodule können beispielsweise Stromrichter sein und eine leistungselektronische Baugruppe mit mehreren leistungselektronischen Bauelementen, beispielsweise Leistungshalbleiterschalter, aufweisen, welche auf einer Platine angeordnet sind. Im Betrieb des Leistungselektronikmoduls entsteht an den leistungselektronischen Bauelementen eine Verlustwärme bzw. Abwärme, durch welche das Leistungselektronikmodul überhitzen kann. Zum Kühlen des leistungselektronischen Bauelementes kann die Platine, beispielsweise mittels einer Trägerplatte, an einem Kühlkörper angeordnet werden, sodass ein Wärmeleitpfad von dem leistungselektronischen Bauelement über die Platine, und gegebenenfalls die Trägerplatte, zu dem Kühlkörper gebildet wird. Der dabei resultierende Temperaturgradient und damit die Kühleffizienz werden durch die Wärmeleitfähigkeiten der beteiligten Materialschichten und die thermischen Kontaktwiderstände zwischen diesen Materialschichten charakterisiert. Die erreichbare Kühleffizienz begrenzt dabei einen Betriebsbereich der leistungselektronischen Bauelemente, beispielsweise eine Schaltfrequenz der Leistungshalbleiterschalter, und/oder eine Miniaturisierung der leistungselektronischen Bauelemente.
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Aus der
DE 10 2007 057 533 B4 ist ein Kühlkörper mit einem Grundkörper, der mit Strukturen zur Vergrößerung einer wärmeabgebenden Oberfläche versehen ist, bekannt. Der Grundkörper und die mit dem Grundkörper einstückig ausgebildeten Strukturen sind aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet. Außerdem weist der Kühlkörper eine Mehrzahl von metallischen Formteilen auf, die jeweils voneinander elektrisch isoliert sind, wobei jedes Formteil einen Befestigungsabschnitt zum Befestigen an einer Wärmequelle und einen Wärmetransport-Abschnitt aufweist. Solche Wärmequellen können beispielsweise elektronische Schaltungen oder Baugruppen sein. Zumindest der Wärmetransport-Abschnitt jedes metallischen Formteils ist mit dem Grundkörper mechanisch verbunden. Die metallischen Formteile wirken aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit wie Wärmespreizer und sorgen damit für eine großflächige Wärmeeinkopplung in den Grundkörper. Ein solcher Kühlkörper weist den Nachteil auf, dass er speziell für die zu kühlende elektronische Baugruppe hergestellt werden muss, da Positionen der Formteile an dem Kühlkörper an Positionen der Wärmequellen auf der Platine angepasst werden müssen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mit welcher leistungselektronische Bauelemente eines Leistungselektronikmoduls auf einfache und effiziente Weise gekühlt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühleinrichtung, ein Leistungselektronikmodul sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung für ein Leistungselektronikmodul dient zum Kühlen einer leistungselektronischen Baugruppe des Leistungselektronikmoduls. Die Kühleinrichtung weist einen Kühlkörper zum Abführen einer Abwärme von zumindest einem, an einer Platine angeordneten leistungselektronischen Bauelement der leistungselektronischen Baugruppe auf. Außerdem weist die Kühleinrichtung zumindest ein Wärmeleitelement zur Bereitstellung eines Wärmeleitpfades zwischen dem zumindest einen leistungselektronischen Bauelement und dem Kühlkörper auf. Das zumindest eine Wärmeleitelement ist als ein zu dem Kühlkörper separater Kühladapter mit einem Wärmeleitkern ausgebildet. Der Kühladapter ist zwischen dem Kühlkörper und der leistungselektronischen Baugruppe anordenbar und dazu ausgelegt, einen Abstand zwischen dem zumindest einen leistungselektronischen Bauelement und dem Kühlkörper lokal zu überbrücken.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Leistungselektronikmodul mit einer leistungselektronischen Baugruppe und zumindest einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung. Die leistungselektronische Baugruppe weist eine Platine und zumindest ein leistungselektronisches Bauelement, welches an der Platine befestigt ist, auf. Das zumindest eine leistungselektronische Bauelement kann beispielsweise als ein Leistungshalbleiterschalter in Form von einem Halbleiterchip ausgebildet sein. Das zumindest eine leistungselektronische Bauelement ist auf der Platine bzw. einer Leiterplatte, beispielsweise mittels Chipbonding, befestigt und dort elektrisch kontaktiert.
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Zum Kühlen des zumindest einen leistungselektronischen Bauelementes, welches im Betrieb des Leistungselektronikmoduls eine Wärmequelle ausbildet, ist der Kühlkörper vorgesehen. Der Kühlkörper kann beispielsweise eine Kühlplatte sein, welche zumindest einen Kühlkanal zum Leiten eines Kühlmittels aufweist. Dabei ist die Platine insbesondere derart zu dem Kühlkörper positioniert und an diesem befestigt, dass diejenige Seite der Platine, an welcher das zumindest eine zu kühlende leistungselektronische Bauelement angeordnet ist, dem Kühlkörper zugewandt ist. Außerdem ist im befestigten Zustand der Platine am Kühlkörper ein Zwischenraum zwischen der Platine und dem Kühlkörper ausgebildet. Der durch diesen Zwischenraum gebildete Abstand wird lokal mittels des zumindest einen Wärmeleitelementes überbrückt, welches außerdem den Wärmeleitpfad zwischen dem leistungselektronischen Bauelement und dem Kühlkörper bereitstellt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich nur in den Bereichen des Zwischenraumes Wärmeleitelemente befinden, welche an Positionen der leistungselektronischen Bauelemente auf der Platine angrenzen.
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Das Wärmeleitelement ist dabei ein separates Bauteil in Form von dem Kühladapter, welcher an beliebigen Positionen des Kühlkörpers angeordnet werden kann. Der Kühladapter wird derart in dem Zwischenraum angeordnet, dass sich der Wärmeleitkern zwischen dem Kühlkörper und dem zumindest einen Bauelement befindet und somit den Kühlkörper mit dem zumindest einen leistungselektronischen Bauelement thermisch koppeln kann. Der Wärmeleitkern ist dabei aus einem gut wärmeleitfähigen Material, beispielsweise Kupfer, ausgebildet. Das Wärmeleitelement ist insbesondere nicht einstückig mit dem Kühlkörper ausgebildet oder in ein Material des Kühlkörpers integriert. Der Kühladapter kann dabei zwischen dem Kühlkörper und der Platine verpresst bzw. eingeklemmt sein. Zusätzlich kann der Kühladapter, beispielsweise über eine thermisch leitfähige Klebefolie, an dem Kühlkörper und der leistungselektronischen Baugruppe befestigt werden.
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Mittels des Kühladapters kann somit ein gezielter, lokaler Einsatz eines hoch wärmeleitenden Materials erfolgen. Es muss also nicht die leitungselektronische Baugruppe über ihre gesamte Fläche mit einem thermisch leitfähigen Material an den Kühlkörper angebunden werden, sodass die Kühleinrichtung besonders kostengünstig ausgebildet ist.
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Besonders bevorzugt weist die Kühleinrichtung eine Trägerplatte auf, welche an dem Kühlkörper befestigt ist und welche dazu ausgelegt ist, die Platine des Leitungsmoduls an dem Kühlkörper zu halten, wobei die Trägerplatte zumindest eine, zu dem zumindest einen leistungselektronischen Bauelement fluchtend angeordnete Durchgangsöffnung aufweist, in welche der zumindest ein Kühladapter eingesteckt ist. Insbesondere ist die Trägerplatte aus einem Material ausgebildet, dessen Wärmeleitfähigkeit geringer ist als eine Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitkerns. Die Trägerplatte kann beispielsweise mit dem Kühlkörper verschraubt sein. Die Verwendung der Trägerplatte ermöglicht eine Vormontage der Platine für die folgende Montage an dem Kühlkörper.
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Ein Wärmeleitpfad zwischen der Platine und dem Kühlkörper, welcher unter Einbindung des Trägerplattenmaterials durch die Trägerplatte hindurchführen würde, ist durch die thermischen Eigenschaften des Trägerplattenmaterials sowie die Dicke der Trägerplatte beschränkt. Materialien mit guten thermischen Eigenschaften sind dabei teuer. Um die Kühleinrichtung besonders kostengünstig auszubilden, wird der Wärmeleitpfad ohne Einbindung des Trägerplattenmaterials durch die Trägerplatte hindurchgeführt. Dazu werden die Durchgangsöffnungen in die Trägerplatte eingebracht und die Kühladapter in den Durchgangsöffnungen angeordnet. Der Wärmeleitpfad zwischen der leistungselektronischen Baugruppe und dem Kühlkörper wird somit durch den Wärmeleitkern des Kühladapters unter Ausschluss des Trägerplattenmaterials gebildet. Dadurch kann die Trägerpatte aus einem kostengünstigen Material, beispielsweise Kunststoff oder Aluminium, gefertigt sein, welches nicht hinsichtlich seiner thermischen Eigenschaften optimiert ist. Darüber hinaus dient der Kühladapter zum Toleranzausgleich zwischen der Trägerplatte und der Platine, welcher nahe an der Wärmequelle stattfindet.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Wärmeleitkern eine erste Oberfläche, beispielsweise eine Oberseite, zum Anbringen an der leistungselektronischen Baugruppe, beispielsweise direkt an dem zumindest einen leistungselektronischen Bauelement, und eine zweite Oberfläche, beispielsweise eine Unterseite, zum Anbringen an dem Kühlkörper auf. Über die erste Oberfläche erfolgt der Wärmeeintrag von der leistungselektronischen Baugruppe in den Wärmeleitkern und über die zweite Oberfläche erfolgt die Wärmeabgabe von dem Wärmeleitkern an den Kühlkörper. Der Wärmeleitkern kann beispielsweise zylinderförmig ausgebildet sein und durch Stanzen hergestellt werden. Der Kühladapter dient durch den großflächigen thermischen Kontakt zwischen dem leistungselektronischen Bauelement und der Oberfläche des Wärmeleitkerns außerdem der Wärmespreizung am Ort der Wärmequelle. Durch diese Wärmespreizung kann die Abwärme effizient abgeführt werden.
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Darüber hinaus weist der Kühladapter eine, eine Mantelfläche des Wärmeleitkerns zumindest teilweise umgebende Ummantelung auf, welche insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist. Die Ummantelung ist zwischen dem Wärmeleitkern und der Trägerplatte angeordnet und dazu ausgelegt, den Kühladapter an der Trägerplatte zu halten. Die Ummantelung kann beispielsweise aus einem Kunststoff oder einer Keramik gebildet sein. Die Ummantelung erstreckt sich dabei entlang des Wärmeleitpfades zwischen der Trägerplatte und dem Wärmeleitkern, wobei die Oberseite und die Unterseite zum Kontaktieren mit der leistungselektronischen Baugruppe und dem Kühlkörper freiliegen. Beispielweise kann der Wärmeleitkern mit der Ummantelung umspritzt oder pressverbunden sein. Durch das elektrisch nichtleitende Material der Ummantelung wird der Wärmeleitkern von der Umgebung, beispielsweise der Trägerplatte, galvanisch getrennt. Die elektrochemische Spannungsreihe zwischen dem Wärmeleitkern und einem umgebenden Material bzw. der Trägerplatte wird dadurch unterbrochen. Der Einsatz von einem nicht beschichteten Kupferwärmeleitkern in einer Aluminiumträgerplatte wird dadurch dauerhaft möglich. Außerdem kann dadurch die elektrische Isolation der Leistungshalbleiter zur Umgebung kann werden Zusätzlich kann der Wärmeleitkern auch elektrisch isolierend beschichtet werden, wodurch mit geeigneten thermischen Interfacematerialien eine doppelte Isolation hergestellt werden kann.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Ummantelung zumindest abschnittsweise einen seitlich von dem Wärmeleitkern abstehenden Kragen aufweist, welcher im eingesteckten Zustand des Kühladapters zum Halten des Kühladapters an der Trägerplatte auf der Trägerplatte aufliegt. Im Bereich des Kragens weist der Kühladapter somit einen Durchmesser auf, welcher größer ist als ein Durchmesser der Durchgangsöffnung in der Trägerplatte. Dadurch liegt der Kühladapter im Bereich des Kragens auf einem die Durchgangsöffnung umgebenden Bereich der Trägerplatte auf und wird somit dort gehalten. Vorzugsweise sind an dem Kragen Federelemente ausgebildet, welche dazu ausgelegt sind, den Kühladapter von der Trägerplatte wegzudrücken und dabei den Wärmeleitkern an das zumindest eine leistungselektronische Bauelement anzupressen. Die Federelemente können beispielsweise als elastische, in Richtung der Trägerplatte gebogene Kragenbereiche ausgebildet sein. Die Federelemente stellen eine Anpresskraft für den Kühladapter an die leistungselektronische Baugruppe bereit. So kann eine robuste thermische Verbindung zwischen dem Wärmeleitkern und dem zu kühlenden Bauelement hergestellt werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Ummantelung Positionierpins auf, welche in Positionieröffnungen der Platine zum Positionieren des Kühladapters einführbar sind. Durch Verwendung der Positionierpins bzw. Positionierstifte kann die Positionierung des Kühladapters bezüglich der Wärmequelle sichergestellt werden. Insbesondere weisen die Positionierpins Verbindungselemente, beispielsweise Schnapphaken, zum mechanischen Verbinden mit der Platine auf. Die Schnapphaken bilden beispielsweise mit einem Rand der Positionieröffnungen der Platine eine Schnappverbindung bzw. Clipsverbindung aus.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem erfindungsgemäßen Leistungselektronikmodul. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug in Form von einem Personenkraftwagen.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Leistungselektronikmodul sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Leistungselektronikmoduls;
- 2 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines Leistungselektronikmoduls;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform eines Leistungselektronikmoduls;
- 4a, 4b unterschiedliche Perspektivdarstellungen einer Ausführungsform eines Kühladapters;
- 5 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines Leistungselektronikmoduls mit dem Kühladapter gemäß 4a, 4b.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1, 2, 3 und 5 zeigen Ausführungsformen eines Leistungselektronikmoduls 1 für ein hier nicht gezeigtes elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Das Leistungselektronikmodul 1 weist eine leistungselektronische Baugruppe 2 mit einer Platine 3 und zumindest einem leistungselektronischen Bauelement 4 auf. Das zumindest eine leistungselektronische Bauelement 4 kann beispielsweise ein SiC-Leistungshalbleiter oder ein GaN-Leistungshalbleiter sein. Das leistungselektronische Bauelement 4 bildet eine Wärmequelle aus, deren Wärme zum Vermeiden einer Überhitzung abgeführt werden soll. Dazu weist das Leistungselektronikmodul 1 eine Kühleinrichtung 5 auf, welche hier einen Kühlkörper 6 und eine Trägerplatte 7 aufweist. Die Trägerplatte 7 ist beispielsweise aus Kunststoff oder Aluminium ausgebildet und, beispielsweise über Verschraubungen 8, an dem Kühlkörper 6 befestigt. Die Trägerplatte 7 erlaubt eine einfache Montage der leistungselektronischen Baugruppe 2 an dem Kühlkörper 6. Dazu weist die Trägerplatte 7 hier Erhebungen 9 auf, auf welche die Platine 3 aufgelegt werden kann und an welchen die Platine 3 mittels Verschraubungen 10 befestigt werden kann. Hier ist die Platine 3 derart an der Trägerplatte 7 angeordnet, dass das leistungselektronische Bauelement 4 dem Kühlkörper 6 zugewandt ist. Durch die Befestigung der Platine 3 an der Trägerplatte 7 ist das leistungselektronische Bauelement 4 in einem Abstand zu dem Kühlkörper 6 angeordnet.
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Zur thermischen Anbindung der Wärmequelle, also des leistungselektronischen Bauelementes 4, an den Kühlkörper 6 weist die Kühleinrichtung 5 außerdem ein Wärmeleitelement 11 auf. Das Wärmeleitelement 11 ist als ein zu dem Kühlkörper 6 separater Kühladapter 12 ausgebildet. Der Kühladapter kann an eine thermische Schnittstelle zwischen die leistungselektronische Baugruppe 2 und den Kühlkörper 6 gebracht werden, um den Abstand durch Ausbildung eines Wärmeleitpfades zwischen dem leistungselektronischen Bauelement 4 und dem Kühlkörper 6 zu überbrücken. Der Kühladapter 12 weist einen Wärmeleitkern 13 bzw. ein Insert, beispielsweise aus Kuper, auf und leitet die Wärme von dem leistungselektronischen Bauelement 4 zu dem Kühlkörper 6 ohne Einbeziehung der Trägerplatte 7 in den Wärmeleitpfad.
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Dazu ist in der Trägerplatte 7 eine Durchgangsöffnung 14, beispielsweise ein Loch, angeordnet, in welcher der Kühladapter 12 angeordnet ist. Durch den Kühladapter 12 kommt es zur Spreizung der Wärme von dem thermisch belasteten leistungselektronischen Bauelement 4 zu dem Kühlkörper 6. Der Kühladapter 12 kann an das thermisch belastete Bauelement 4 sowie an den Kühlkörper 6 durch eine möglichst dünne Schicht 15 eines Interfacematerials, beispielsweise eine thermisch leitfähige Klebefolie, thermisch gekoppelt werden, was in einem geringen thermischen Widerstand mündet. Durch Einsatz eines Wärmeleitkerns 13 mit hoher thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, lässt sich die Abwärme effizient spreizen. So kann die Trägerplatte 7 aus kostengünstigeren Materialien mit geringerer thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise Aluminium oder Kunststoff, hergestellt werden
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Bei der Ausführungsform gemäß 2, 3 und 5 weist der Kühladapter 12 außerdem eine den Wärmeleitkern 13 teilweise umgebende Ummantelung 16 auf. Die Ummantelung 16 kann aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff oder einer Keramik, hergestellt sein. Die Ummantelung 16 weist zumindest abschnittsweise einen Kragen 17 auf, welcher auf der Trägerplatte 7 aufliegt und über welchen der Kühladapter 12 an der Trägerplatte 7 gehalten ist. Bei der Ausführungsform gemäß 3 und 5 weist die Ummantelung 16 außerdem Positionierpins 18 auf, welche in Positionieröffnungen 19 der Platine 3 eingeführt werden können. Die Positionierpins 18 können beispielsweise Schnapphaken aufweisen, welche mit einem Rand der Durchgangsöffnung 19 verhaken und somit den Kühladapter 12 an der Platine 7 befestigen.
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4a und 4b zeigen schematische Perspektivdarstellungen des Kühladapters 12. 4a zeigt eine Draufsicht auf den Kühladapter 12, wobei eine erste Oberfläche 20 des Wärmeleitkerns 13 eine Oberseite ist, welche an der leistungselektronischen Baugruppe 2 angeordnet wird. 4b zeigt eine Unteransicht des Kühladapters 12, wobei eine der ersten Oberfläche 20 gegenüberliegende zweite Oberfläche 21 des Wärmeleitkerns 13 eine Unterseite ist, welche an dem Kühlkörper 6 angeordnet wird. Der Wärmeleitkern 13 ist hier zylindrisch mit kreisförmigen Oberflächen 20, 21 ausgebildet. Der Kragen 17, welcher hier durch mehrere Kragenabschnitte ausgebildet ist, weist Federelemente 22 auf. Die Federelemente 22 sind hier als elastische, gebogene Kragenbereiche 23 der Kragenabschnitte 17 ausgebildet. Diese Federelemente 22 stehen an der Durchgangsöffnung 14 in der Trägerplatte 7 über und drücken den Kühladapter 12, wie in 5 gezeigt, von der Trägerplatte 7 weg. Dadurch wird der Wärmeleitkern 13 an die leistungselektronische Baugruppe 2, insbesondere unmittelbar an das leistungselektronische Bauelement 4 angepresst. Der Kühladapter 12 sorgt somit auch für einen Toleranzausgleich nahe an der Wärmequelle.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007057533 B4 [0003]
