DE102021130926A1

DE102021130926A1 - Flüssigkeitsgekühlte Leistungselektronikeinheit

Info

Publication number: DE102021130926A1
Application number: DE102021130926.3A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Barkow; Patrick Fuchs; Timijan Velic; Bernd Eckardt; Maximilian Hofmann; Hubert Rauh; André Müller; Benjamin Bayer; Jordan Sorge
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2023-05-25
Also published as: CN116169886A; US20230164963A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine flüssigkeitsgekühlte Leistungselektronikeinheit (10) mit einem Leiterbahnen (22) aufweisenden plattenförmigen Platinenkörper (20), wobei die Leistungselektronikeinheit (10) eine Nassseite (W) mit einem eine dielektrische Kühlflüssigkeit (100) führenden Nassraum (30) und eine fluidisch getrennte Trockenseite (D) aufweist. Auf der Nassseite (W) sind innerhalb des Nassraums (30) mindestens zwei Hochvolt-Leistungshalbleiter (40, 40`) auf dem Platinenkörper (20) angeordnet, die durch die Kühlflüssigkeit (100) gekühlt werden. Auf der Trockenseite (D) des Platinenkörpers (20) eine elektronische Niedervolt-Schaltung (50) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine flüssigkeitsgekühlte Leistungselektronikeinheit mit mehreren Hochvolt-Leistungshalbleitern und mit einer elektronischen Niedervolt-Schaltung zur Ansteuerung der Hochvolt-Leistungshalbleiter. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Leistungselektronikeinheit eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Traktionsantrieb, beispielsweise auf eine Leistungselektronikeinheit eines Umrichters oder Wandlers für den Ladeprozess der Traktionsbatterie oder für den Motorbetrieb.
An derartige Leistungselektronikeinheiten gibt es hohe Anforderungen bezüglich der Kühlung und der galvanischen Trennung der Hochvolt-Leistungshalbleiter und einer Niedervolt-Schaltung zur Steuerung der Leistungshalbleiter. Eine Flüssigkeitskühlung von Hochvolt-Leistungshalbleitern ist aus DE 10 2007 050 417 A1 bekannt. Allerdings wäre bei einer derartigen Anordnung die Niedervolt-Schaltung als separate Einheit vorzusehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte flüssigkeitsgekühlte Leistungselektronikeinheit mit einer integrierten elektronischen Niedervolt-Schaltung zu schaffen, die galvanisch getrennt ist von den Leistungshalbleitern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine flüssigkeitsgekühlte Leistungselektronikeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die erfindungsgemäße flüssigkeitsgekühlte Leistungselektronikeinheit weist einen Leiterbahnen aufweisenden plattenförmigen Platinenkörper auf, wobei eine Nassseite, auf der eine dielektrischen Kühlflüssigkeit fließt, und eine Trockenseite fluidisch voneinander getrennt sind. Die Leistungselektronikeinheit bildet auf der Nassseite einen von der dielektrischen Kühlflüssigkeit durchströmten Nassraum, wobei alle Hochvolt-Leistungshalbleiter bzw. die gesamte Hochvolt-Schaltung auf der Nassseite des Platinenkörpers bzw. in dem Nassraum angeordnet sind bzw. ist. Die Hochvolt- Leistungshalbleiter sind durch auf dem Platinenkörper aufgebrachte Leiterbahnen elektrisch miteinander verbunden. Alle Hochvolt-Leistungshalbleiter sind vorzugsweise in einem einzigen Nassraum angeordnet. Die elektronische Niedervolt-Schaltung dagegen ist auf der Trockenseite des Platinenkörpers angeordnet, und ist auf diese Weise daher fluidisch isoliert und getrennt von der Nassseite bzw. von dem Hochvolt-Leistungsteil.
Unter einer Niedervolt-Schaltung wird vorliegend eine Schaltung verstanden, die elektrische Spannungen von maximal 60 V aufweist. Die Hochvolt-Schaltung arbeitet mit elektrischen Spannungen von mehr als 60 V, insbesondere mit elektrischen Spannungen von mehreren 100 V bis zu über 1000 V. Die Niedervolt-Schaltung und die Hochvolt-Schaltung sind daher vorzugsweise galvanisch getrennt voneinander, wobei diese Trennung identisch zu der fluidischen Trennung verläuft. Da die Niedervolt-Schaltung die Hochvolt-Leistungshalbleiter steuert, besteht zwischen der Niedervolt-Schaltung und den Hochvolt-Leistungshalbleitern mindestens eine potenzialtrennende Signalverbindung zur Übertragung der Steuerungssignale von der Niedervolt-Schaltung zu den Hochvolt-Leistungshalbleitern. Die potenzialtrennende Signalverbindung kann optisch, kapazitiv und/oder induktiv ausgebildet sein.
Grundsätzlich können die Hochvolt-Leistungshalbleiter und bzw. kann der Hochvolt-Leistungsteil einerseits und die Niedervolt-Schaltung andererseits nebeneinander auf derselben Seite des plattenförmigen Platinenkörpers angeordnet sein, wobei die fluidische Trennung zwischen dem Hochvolt-Leistungsteil und der Niedervolt-Schaltung durch eine fluiddicht auf den Platinenkörpers aufgesetzte Trennwand gebildet wird.
Besonders bevorzugt trennt jedoch der plattenförmige Platinenkörper selbst den Nassraum von dem Trockenraum, so dass der Hochvolt-Leistungsteil mit den Hochvolt-Leistungshalbleitern auf der einen Grundfläche des Platinenkörpers und die Niedervolt-Schaltung auf der gegenüberliegenden Grundfläche des Platinenkörpers angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein sehr kompakter Aufbau der gesamten Leistungselektronikeinheit realisiert werden.
Vorzugsweise ist auf der distalen Seite eines Hochvolt-Leistungshalbleiters oder mehrerer Hochvolt-Leistungshalbleiter jeweils ein Kühlkörper aufgebracht, der die Wärmespreizung verbessert und die effektive Wärme-Austauschfläche entsprechend vergrößert. Der Kühlkörper kann ein Metall-Kühlkörper sein, kann jedoch auch aus einem Kunststoff-Vergussmaterial bestehen, mit dem der betreffende Leistungshalbleiter umschlossen ist. Der Kühlkörper kann Rippen oder Nadeln zur Flächenvergrößerung aufweisen.
Vorzugsweise ist in den Kunststoff-Platinenkörper eine Metallplatte integriert, die sich über den größten Teil der Grundfläche des Platinenkörpers und parallel zu den beiden Grundflächen des Platinenkörpers erstreckt. Die Metallplatte ist elektrisch isoliert in den Platinenkörper eingegossen. Die Metallplatte dient zum Einen der besseren Wärmeverteilung bzw. Wärmespreizung und dient zum Anderen insbesondere der mechanischen Stabilisierung des Platinenkörpers, der auf seiner Nassseite einem gewissen Überdruck der dielektrischen Kühlflüssigkeit ausgesetzt sein kann. Vorzugsweise ist die Metallplatte eine dicke Kupferplatte.
Vorzugsweise ist auf der Nassseite des Platinenkörpers ein Sensor zur Ermittlung einer physikalischen Größe der dielektrischen Kühlflüssigkeit angeordnet, der informationell mit der Niedervolt-Schaltung verbunden ist. Der Sensor bestimmt beispielsweise die Temperatur der Kühlflüssigkeit, ihren Verschmutzungsgrad, ihre Leitfähigkeit und/oder ihre Strömungsgeschwindigkeit.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt schematisch im Längsschnitt eine flüssigkeitsgekühlte Leistungselektronikeinheit mit einem plattenförmigen Platinenkörper, der die Nassseite mit einer dielektrischen Kühlflüssigkeit fluidisch und elektrisch trennt von der Trockenseite, auf der eine elektronische Niedervolt-Schaltung angeordnet ist.
In der Figur ist schematisch eine flüssigkeitsgekühlte Leistungselektronikeinheit 10 dargestellt, die beispielsweise einen Umrichter in einem Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Traktionsantrieb bildet. Die Leistungselektronikeinheit 10 weist einen plattenförmigen Platinenkörper 20 auf, der beidseitig mit mehreren elektronischen Bauelementen bestückt ist. Der Platinenkörper 20 trennt eine Nassseite W und eine Trockenseite D fluidisch und galvanisch voneinander. Auf der Nassseite W bildet die Leistungselektronikeinheit 10 einen fluidisch geschlossenen Nassraum 30, in dem eine dielektrischen Kühlflüssigkeit 100 zwischen einem Kühlflüssigkeits- Einlass 35 und einem Kühlflüssigkeits- Auslass 36 des Nassraums 30 fließt.
Auf der Nassseite W des Platinenkörpers 20 sind innerhalb des Nassraum 30 mehrere Hochvolt-Leistungshalbleiter 40,40` auf dem Platinenkörper 20 angeordnet und elektrisch über auf der Nassseite W des Platinenkörpers 20 angeordnete Leiterbahnen 22 mit anderen elektronischen Bauteilen direkt elektrisch verbunden. Die Arbeitsspannung der Hochvolt-Leistungshalbleiter 40,40' beträgt mehrere 100 V, beispielsweise 400 V oder 800 V.
Jeder Leistungshalbleiter 40,40' weist einen Kühlkörper 80,82 auf, der eine Wärmespreizung und eine Vergrößerung der wärmeaustauschenden Oberfläche bewirkt. Der eine Kühlkörper 80 ist vorliegend ein Metall-Kühlkörper, der mit einer Vielzahl distal abragender Kühlrippen versehen ist und mit dem betreffenden Leistungshalbleiter 40 thermisch gekoppelt ist, beispielsweise verklebt ist. Der andere Kühlkörper 82 wird vorliegend von einem Kunststoff-Vergusskörper 84 gebildet, der den betreffenden Leistungshalbleiter 40' fluiddicht abschließt, da dieser flüssigkeitsempfindlich ist. Auch der Vergusskörper-Kühlkörper 82 bildet distal abragende Kühlrippen aus.
Auf der Trockenseite D, die vorliegend einen offenen Trockenraum 32 bildet, der alternativ auch geschlossen ausgebildet sein kann, ist eine elektronische Niedervolt-Schaltung 50 vorgesehen, die mit einer Arbeitsspannung von maximal 60 V betrieben wird. Die Niedervolt-Schaltung 50 steuert, regelt und überwacht die von den Hochvolt-Leistungshalbleitern 40,40` gebildete Hochvolt-Schaltung 42. Insbesondere werden durch die Niedervolt-Schaltung 50 die Hochvolt-Leistungshalbleiter 40,40' angesteuert.
Der plattenförmige Platinenkörper 20 wird von einem elektrisch nicht-leitenden Kunststoff-Grundkörper 22 gebildet, in den ungefähr mittig eine zu den beiden Grundflächen parallele Kupfer-Metallplatte 24 eingebettet ist, die den Platinenkörper 20 insbesondere in Bezug auf Normalkräfte mechanisch stabilisiert und die ferner eine großflächige Wärmespreizung der in den Leistungshalbleitern 40,40` generierten Wärme bewirkt.
Die Hochvolt-Leistungshalbleiter 40,40' sind über eine potenzialtrennende Signalverbindung 60 informationell mit der Niedervolt-Schaltung 50 verbunden. Ferner ist auch ein Nassraum-seitiger Sensor 70 zur Ermittlung mehrerer physikalischer Größen der Kühlflüssigkeit 100 über die genannte Signalverbindung mit der Niedervolt-Schaltung 50 bidirektional informationell verbunden. Der Sensor 70 ermittelt unter anderem die Temperatur, die elektrische Leitfähigkeit und die Flussgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit 100.
Die Signalverbindung 60 wird von einem induktiven Senderempfänger-Element 62 auf der Nassseite W und einem korrespondierenden induktiven Senderempfänger-Element 61 auf der Trockenseite D gebildet. Die Platinenkörper-Metallplatte 24 weist in diesem Bereich eine Öffnung 25 auf, die die induktive Übertragung durch den Platinenkörper 20 hindurch in diesem Bereich zulässt.
Die Niedervolt-Schaltung 50 ist über einen Anschlussstecker 90 mit einer fahrzeugseitigen Steuerung elektrisch verbunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007050417 A1 [0002]

Claims

Flüssigkeitsgekühlte Leistungselektronikeinheit (10) mit einem Leiterbahnen (22) aufweisenden plattenförmigen Platinenkörper (20), wobei die Leistungselektronikeinheit (10) eine Nassseite (W) mit einem eine dielektrische Kühlflüssigkeit (100) führenden Nassraum (30) und eine fluidisch getrennte Trockenseite (D) aufweist, auf der Nassseite (W) innerhalb des Nassraums (30) mindestens zwei Hochvolt-Leistungshalbleiter (40, 40`) auf dem Platinenkörper (20) angeordnet sind, die durch die Kühlflüssigkeit (100) gekühlt werden, und auf der Trockenseite (D) des Platinenkörpers (20) eine elektronische Niedervolt-Schaltung (50) angeordnet ist.
Flüssigkeitsgekühlte Leistungselektronikeinheit (10) nach Anspruch 1, wobei der Platinenkörper (20) den Nassraum (30) und den Trockenraum (32) fluidisch voneinander trennt.
Flüssigkeitsgekühlte Leistungselektronikeinheit (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Niedervolt-Schaltung (50) und die Hochvolt-Leistungshalbleiter (40, 40`) galvanisch voneinander getrennt sind und zwischen der Niedervolt-Schaltung (50) und den Hochvolt-Leistungshalbleitern (40, 40`) eine potentialtrennende Signalverbindung (60) besteht.
Flüssigkeitsgekühlte Leistungselektronikeinheit (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei auf den distalen Seiten der Hochvolt-Leistungshalbleiter (40, 40`) ein Kühlkörper (80,82) aufgebracht ist.
Flüssigkeitsgekühlte Leistungselektronikeinheit (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in den Kunststoff-Platinenkörper (20) eine Metallplatte (24) integriert ist.
Flüssigkeitsgekühlte Leistungselektronikeinheit (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei auf der Nassseite (W) des Platinenkörpers (20) ein Sensor (70) zur Ermittlung einer physikalischen Größe der Kühlflüssigkeit (100) angeordnet ist, der informationell mit der Niedervolt-Schaltung (50) verbunden ist.