DE202012012767U1 - Power semiconductor module system - Google Patents
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Abstract
Leistungshalbleitermodulsystem mit einer ersten und einer zweiten Leistungshalbleitermoduleinrichtung (70, 80), wobei die erste Leistungshalbleitermoduleinrichtung (70) einen ersten Kühlkörper (4) und ein erstes Leistungshalbleitermodul (2), das auf einer ersten Hauptseite (8) des ersten Kühlkörpers (4) angeordnet ist und die zweite Leistungshalbleitermoduleinrichtung (80) einen zweiten Kühlkörper (5) und ein zweites Leistungshalbleitermodul (3), das auf einer ersten Hauptseite (9) des zweiten Kühlkörpers (5) angeordnet ist, aufweisen, wobei das erste Leistungshalbleitermodul (2) und das zweite Leistungshalbleitermodul (3) jeweilig Leistungshalbleiterbauelemente, Laststromanschlusselemente (55) und ein Gehäuse (69) aufweisen, wobei durch den ersten Kühlkörper (9) ein von einer ersten Nebenseite (12) des ersten Kühlkörpers (4) zu einer der ersten Nebenseite (12) des ersten Kühlkörpers (4) gegenüberliegenden zweiten Nebenseite (22) des ersten Kühlkörpers (4) von einer Flüssigkeit durchströmbarer erster Kanal (11) des ersten Kühlkörpers (4) verläuft, wobei durch den zweiten Kühlkörper (5) ein von einer ersten Nebenseite (16) des zweiten Kühlkörpers (5) zu einer der ersten Nebenseite (16) des zweiten Kühlkörpers (5) gegenüberliegenden zweiten Nebenseite (15) des zweiten Kühlkörpers (5) von einer Flüssigkeit durchströmbarer erster Kanal (14) des zweiten Kühlkörpers (5) verläuft, wobei das Leistungshalbleitermodulsystem (1) ein erstes Verbindungselement (17) aufweist, wobei durch das erste Verbindungselement (17) ein von einer ersten Seite (19) des ersten Verbindungselements (17) zu einer der ersten Seite (19) des ersten Verbindungselements (17) gegenüberliegenden zweiten Seite (18) des ersten Verbindungselements (17) von einer Flüssigkeit durchströmbarer erster Kanal (20) des ersten Verbindungselements (17) verläuft, wobei das erste Verbindungselement (17) mittels einer Schraubverbindung (21) mit der ersten Nebenseite (12) des ersten Kühlkörpers (4) verbunden ist und der erste Kanal (20) des ersten Verbindungselements (17) fluchtend mit der auf ersten Nebenseite (12) des ersten Kühlkörpers (4) angeordneten Öffnung des ersten Kanals (11) des ersten Kühlkörpers (4) angeordnet ist, wobei das erste Verbindungelement (17) einen über die erste Nebenseite (12) des ersten Kühlkörpers (4) hervorstehenden Überhang (23) aufweist, wobei das Leistungshalbleitermodulsystem (1) ein zweites Verbindungselement (24) aufweist, wobei durch das zweite Verbindungselement (24) ein von einer ersten Seite (25) des zweiten Verbindungselements (24) zu einer der ersten Seite (25) des zweiten Verbindungselements (24) gegenüberliegenden zweiten Seite (26) des zweiten Verbindungselements (24) von einer Flüssigkeit durchströmbarer erster Kanal (27) des zweiten Verbindungselements (24) verläuft, wobei das zweite Verbindungselement (24) mittels einer Schraubverbindung (28) mit der zweiten Nebenseite (15) des zweiten Kühlkörpers (5) verbunden ist und der erste Kanal (27) des zweiten Verbindungselements (24) fluchtend mit der auf der zweiten Nebenseite (15) des zweiten Kühlkörpers (5) angeordneten Öffnung des ersten Kanals (14) des zweiten Kühlkörpers (5) angeordnet ist, wobei das zweite Verbindungelement (24) einen über die zweite Nebenseite (15) des zweiten Kühlkörpers (5) hervorstehenden Überhang (30) aufweist, wobei der erste Kanal (20) des ersten Verbindungelements (17) und der erste Kanal (27) des zweiten Verbindungelements (24) zueinander fluchtet angeordnet sind und das erste und das zweite Verbindungelement (17, 24) mittels einer an dem Überhang (23, 30) des ersten und zweiten Verbindungelements (17, 24) angeordneten Schraubverbindung (31) miteinander verbunden sind.A power semiconductor module system comprising first and second power semiconductor module means (70,80), wherein the first power semiconductor module means (70) comprises a first heat sink (4) and a first power semiconductor module (2) disposed on a first main side (8) of the first heat sink (4) and the second power semiconductor module device (80) has a second heat sink (5) and a second power semiconductor module (3) arranged on a first main side (9) of the second heat sink (5), wherein the first power semiconductor module (2) and the second power semiconductor module (3) respectively comprise power semiconductor components, load current connection elements (55) and a housing (69), one of a first side (12) of the first heat sink (4) to one of the first side (12) through the first heat sink (9) of the first heat sink (4) opposite second side (22) of the first heat sink (4) of an F Liquen durchströmbarer first channel (11) of the first heat sink (4), wherein by the second heat sink (5) from a first side (16) of the second heat sink (5) to one of the first side (16) of the second heat sink (5 a second passage (14) of the second heat sink (5) through which fluid can pass, the power semiconductor module system (1) having a first connection element (17), wherein the first connection element (17) 17) a first channel (20) through which a liquid can flow, from a first side (19) of the first connecting element (17) to a second side (18) of the first connecting element (17) opposite the first side (19) of the first connecting element (17) ) of the first connecting element (17), wherein the first connecting element (17) by means of a screw connection (21) with the first side (12) of the ers Heat sink (4) is connected and the first channel (20) of the first connecting element (17) arranged in alignment with the first side (12) of the first heat sink (4) arranged opening of the first channel (11) of the first heat sink (4) wherein the first connection element (17) has an overhang (23) protruding beyond the first side (12) of the first heat sink (4), wherein the power semiconductor module system (1) has a second connection element (24). 24) a first channel (27) of a second side (26) of the second connecting element (24) which can be flowed through by a liquid from a first side (25) of the second connecting element (24) to one of the first side (25) of the second connecting element (24) ) of the second connecting element (24), wherein the second connecting element (24) by means of a screw connection (28) with the second side (15) of the second heat sink (5) and the first channel (27) of the second connection element (24) is arranged in alignment with the second side (15) of the second heat sink (5) arranged opening of the first channel (14) of the second heat sink (5) wherein the second connection element (24) has an overhang (30) projecting beyond the second side (15) of the second heat sink (5), the first channel (20) of the first connection element (17) and the first channel (27) of the first connection element (17) second connecting element (24) are aligned with each other and the first and the second connecting element (17, 24) by means of one on the overhang (23, 30) of the first and second connecting element (17, 24) arranged screw connection (31) are interconnected.
Description
Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodulsystem. The invention relates to a power semiconductor module system.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Leistungshalbleitermodulen sind im Allgemeinen auf einem Substrat Leistungshalbleiterbauelemente, wie z.B. Leistungshalbleiterschalter und Dioden angeordnet und mittels einer Leitungsschicht des Substrats und einer elektrischen Verbindungeinrichtung, die z.B. in Form von Bonddrähten und/oder einem Folienverbund vorliegen kann, miteinander elektrisch leitend verbunden. In power semiconductor modules known in the art, power semiconductor devices, such as silicon dioxide, are generally deposited on a substrate. Power semiconductor switches and diodes are arranged and connected by means of a conductor layer of the substrate and an electrical connection means, e.g. may be in the form of bonding wires and / or a film composite, electrically conductively connected to each other.
Die Leistungshalbleiterschalter liegen im Allgemeinen in Form von Transistoren, wie z.B. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), oder in Form von Thyristoren vor. The power semiconductor switches are generally in the form of transistors, e.g. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) or MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), or in the form of thyristors.
Mit Hilfe eines Stromrichters werden im Allgemeinen elektrische Ströme und Spannungen gleich-, wechsel- oder umgerichtet. With the aid of a power converter, electrical currents and voltages are generally rectified, reversed or reversed.
Insbesondere zur Realisierung eines techniküblichen Stromrichters mit größerer elektrischer Leistung (z.B. für Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen), werden dabei im Allgemeinen eine große Zahl Leistungshalbleitermodule zur Kühlung Ihrer Leistungshalbleiterbauelemente auf einem einzelnen großen Kühlkörper angeordnet und an Ihren Lastanschlusselementen miteinander zu einem Stromrichter, elektrisch leitend verbunden. Dies hat den Nachteil, dass in Abhängigkeit der für die gewünschte elektrische Leistung des Stromrichters benötigen Anzahl von Leistungshalbleitermodulen, die Größe des Kühlkörpers angepasst werden muss und somit der Kühlkörper unterschiedlich groß für Stromrichter mit unterschiedlicher elektrische Leistung gefertigt werden muss, was die Herstellung des Stromrichters aufwändig macht. In particular, for the realization of a conventional power converter with greater electrical power (for example for wind turbines and photovoltaic systems), a large number of power semiconductor modules for cooling your power semiconductor components are generally arranged on a single large heat sink and electrically connected at their load connection elements to a power converter. This has the disadvantage that, depending on the required for the desired electrical power of the power converter number of power semiconductor modules, the size of the heat sink must be adjusted and thus the heat sink of different sizes must be made for power converters with different electrical power, which makes the manufacture of the power converter consuming power.
Aus der
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Leistungshalbleitermodulsystem, das an unterschiedliche elektrische Leistungen anpassbar ist. The object of the invention is a power semiconductor module system which can be adapted to different electrical powers.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleitermodulsystem mit einer ersten und einer zweiten Leistungshalbleitermoduleinrichtung, wobei die erste Leistungshalbleitermoduleinrichtung einen ersten Kühlkörper und ein erstes Leistungshalbleitermodul, das auf einer ersten Hauptseite des ersten Kühlkörpers angeordnet ist und die zweite Leistungshalbleitermoduleinrichtung einen zweiten Kühlkörper und ein zweites Leistungshalbleitermodul, das auf einer ersten Hauptseite des zweiten Kühlkörpers angeordnet ist, aufweisen, wobei das erste Leistungshalbleitermodul und das zweite Leistungshalbleitermodul jeweilig Leistungshalbleiterbauelemente, Laststromanschlusselemente und ein Gehäuse aufweisen, wobei durch den ersten Kühlkörper ein von einer ersten Nebenseite des ersten Kühlkörpers zu einer der ersten Nebenseite des ersten Kühlkörpers gegenüberliegenden zweiten Nebenseite des ersten Kühlkörpers von einer Flüssigkeit durchströmbarer erster Kanal des ersten Kühlkörpers verläuft, wobei durch den zweiten Kühlkörper ein von einer ersten Nebenseite des zweiten Kühlkörpers zu einer der ersten Nebenseite des zweiten Kühlkörpers gegenüberliegenden zweiten Nebenseite des zweiten Kühlkörpers von einer Flüssigkeit durchströmbarer erster Kanal des zweiten Kühlkörpers verläuft, wobei das Leistungshalbleitermodulsystem ein erstes Verbindungselement aufweist, wobei durch das erste Verbindungselement ein von einer ersten Seite des ersten Verbindungselements zu einer der ersten Seite des ersten Verbindungselements gegenüberliegenden zweiten Seite des ersten Verbindungselements von einer Flüssigkeit durchströmbarer erster Kanal des ersten Verbindungselements verläuft, wobei das erste Verbindungselement mittels einer Schraubverbindung mit der ersten Nebenseite des ersten Kühlkörpers verbunden ist und der erste Kanal des ersten Verbindungselements fluchtend mit der auf ersten Nebenseite des ersten Kühlkörpers angeordneten Öffnung des ersten Kanals des ersten Kühlkörpers angeordnet ist, wobei das erste Verbindungelement einen über die erste Nebenseite des ersten Kühlkörpers hervorstehenden Überhang aufweist, wobei das Leistungshalbleitermodulsystem ein zweites Verbindungselement aufweist, wobei durch das zweite Verbindungselement ein von einer ersten Seite des zweiten Verbindungselements zu einer der ersten Seite des zweiten Verbindungselements gegenüberliegenden zweiten Seite des zweiten Verbindungselements von einer Flüssigkeit durchströmbarer erster Kanal des zweiten Verbindungselements verläuft, wobei das zweite Verbindungselement mittels einer Schraubverbindung mit der zweiten Nebenseite des zweiten Kühlkörpers verbunden ist und der erste Kanal des zweiten Verbindungselements fluchtend mit der auf der zweiten Nebenseite des zweiten Kühlkörpers angeordneten Öffnung des ersten Kanals des zweiten Kühlkörpers angeordnet ist, wobei das zweite Verbindungelement einen über die zweite Nebenseite des zweiten Kühlkörpers hervorstehenden Überhang aufweist, wobei der erste Kanal des ersten Verbindungelements und der erste Kanal des zweiten Verbindungelements zueinander fluchtet angeordnet sind und das erste und das zweite Verbindungelement mittels einer an dem Überhang des ersten und zweiten Verbindungelements angeordneten Schraubverbindung miteinander verbunden sind. This object is achieved by a power semiconductor module system having a first and a second power semiconductor module device, the first power semiconductor module device having a first heat sink and a first power semiconductor module arranged on a first main side of the first heat sink and the second power semiconductor module device a second heat sink and a second power semiconductor module is disposed on a first main side of the second heat sink, wherein the first power semiconductor module and the second power semiconductor module respectively comprise power semiconductor devices, load current connection elements and a housing, wherein by the first heat sink from a first side of the first heat sink to one of the first side of the first heat sink opposite second side of the first heat sink of a liquid-permeable first channel of the first heat sink it runs, wherein by the second heat sink extends from a first side of the second heat sink to one of the first side of the second heat sink opposite second side of the second heat sink of a liquid-flow-through first channel of the second heat sink, wherein the power semiconductor module system comprises a first connection element a first passage of the first connecting member through which a liquid can flow through the first connecting element extends from a first side of the first connecting element to a first side of the first connecting element, the first connecting element being connected to the first side of the first connecting element by means of a screw connection Heat sink is connected and the first channel of the first connecting element in alignment with the arranged on the first side of the first heat sink opening of the first Channel of the first heat sink is arranged, wherein the first connection element has a projecting over the first side of the first heat sink overhang, wherein the power semiconductor module system comprises a second connection element, wherein by the second connection element from a first side of the second connection element to one of the first side of The second connecting element is connected by means of a screw connection to the second side of the second heat sink and the first channel of the second connecting element is aligned with the on the second side of the second second heat sink arranged opening of the first channel of the second heat sink is arranged, wherein the second connection element via the second side of the second second heatsink projecting overhang, wherein the first channel of the first connection element and the first channel of the second connection element are aligned with each other and the first and the second connection element are interconnected by means arranged on the overhang of the first and second connection element screw.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen: Embodiments of the invention are illustrated in the figures and are explained in more detail below. Showing:
In
Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodulsystem
Erfindungsgemäß ist das Leistungshalbleitermodulsystem modular aus einer beliebigen Anzahl von Leistungshalbleitermoduleinrichtungen aufgebaut, deren Kühlkörper mittels erfindungsgemäßer Verbindungselemente zu dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodulsystem zusammengebaut werden können. Entsprechend der gewünschten elektrischen Leistung des Leistungshalbleitermodulsystem, das vorzugsweise einen Stromrichter ausbildet, können im technischen Rahmen praktisch beliebig viele Leistungshalbleitermoduleinrichtungen mittels der Verbindungselemente verbunden werden und somit die elektrische Leistung des Leistungshalbleitermodulsystems bzw. des Stromrichters an die gewünschte elektrischen Leistung angepasst werden. According to the invention, the power semiconductor module system is modularly constructed from any desired number of power semiconductor module devices whose heat sinks can be assembled to the power semiconductor module system according to the invention by means of connecting elements according to the invention. According to the desired electrical power of the power semiconductor module system, which preferably forms a power converter, virtually any number of power semiconductor module devices can be connected by means of the connecting elements and thus the electrical power of the power semiconductor module system or the power converter can be adapted to the desired electrical power.
Vorzugsweise sind die Leistungshalbleitermoduleinrichtungen identisch oder nahezu identisch aufgebaut und liegen vorzugsweise in Form von standardisierten Leistungshalbleitermoduleinrichtungen vor, die in großer Stückzahl und somit kostengünstig herstellbar sind. Weiterhin können, wie beim Ausführungsbeispiel die Leistungshalbleitermoduleinrichtungen jeweilig mehrere, vorzugsweise identisch aufgebaute Leistungshalbleitermodule aufweisen. Vorzugsweise ist auf den Leistungshalbleitermodulen zur Steuerung der Leistungshalbleitermodule eine der jeweiligen Leistungshalbleitermoduleinrichtung zugeordnete Steuereinrichtung
Im Rahmen des Ausführungsbeispiels sind die erste, zweite und dritte Leistungshalbleitermoduleinrichtung
Durch den ersten Kühlkörper
Das Leistungshalbleitermodulsystem
Das Leistungshalbleitermodulsystem
Der erste Kanal
Vorzugsweise verläuft die an dem Überhang
Vorzugsweise weisen das erste und zweite Verbindungelements
Alternativ kann die an dem Überhang
Im Rahmen des Ausführungsbeispiels verläuft durch den ersten Kühlkörper
Im Rahmen des Ausführungsbeispiels verläuft durch das erste Verbindungselement
Im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels weist das Leistungshalbleitermodulsystem
Vorzugsweise ist zwischen dem ersten Kühlköper
Im Rahmen des Ausführungsbeispiels der Erfindung weist das Leistungshalbleitermodulsystem
Das zweite Abschlusselement
Vorzugsweise ist zwischen dem ersten Kühlköper
Vorzugsweise weist das Leistungshalbleitermodulsystem
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass vorzugsweise die Kanäle der Kühlkörper orthogonal zur ihren jeweiligen Öffnungen durch die Kühlkörper verlaufen. It should be noted at this point that preferably the channels of the heat sinks extend orthogonal to their respective openings through the heat sink.
Die Leistungshalbleiterbauelemente können z.B. in Form von Leistungshalbleiterschalter oder Dioden vorliegen, wobei die Leistungshalbleiterschalter z.B. in Form von Transistoren, wie z.B. IGBTs oder MOSFETs, oder in Form von Thyristoren vorliegen können. The power semiconductor devices may be e.g. in the form of power semiconductor switches or diodes, the power semiconductor switches being e.g. in the form of transistors, e.g. IGBTs or MOSFETs, or may be in the form of thyristors.
Weiterhin sei angemerkt, dass die Kühlkörper vorzugsweise als Flüssigkeitskühlkörper ausgebildet sind. Die dabei durch die Kanäle fließende Flüssigkeit kann z.B. in Form von Wasser oder einem Öl vorliegen. Furthermore, it should be noted that the heat sinks are preferably formed as a liquid cooling body. The liquid flowing through the channels may e.g. in the form of water or an oil.
Weiterhin sei angemerkt, dass in den Kanälen der Kühlkörper zur Verwirbelung der durch die Kanäle der Kühlkörper fließenden Flüssigkeit spiralförmige Elemente angeordnet sein können. It should also be noted that spiral elements can be arranged in the channels of the heat sinks for swirling the liquid flowing through the channels of the heat sinks.
Ferner sei angemerkt, dass in
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