DE202020101852U1

DE202020101852U1 - Thermische Schnittstelle für mehrere diskrete elektronische Vorrichtungen

Info

Publication number: DE202020101852U1
Application number: DE202020101852.3U
Authority: DE
Original assignee: Dana TM4 Inc
Current assignee: Dana TM4 Inc
Priority date: 2019-04-05
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2020-07-23
Anticipated expiration: 2030-04-04
Also published as: US11647611B2; CA3077851A1; US20200321263A1; CN211959879U

Abstract

Thermische Schnittstelle für mehrere diskrete elektronische Halbleitervorrichtungen, wobei die Schnittstelle umfasst:
eine sich von einer Basis erstreckende thermisch leitende Struktur;
eine in Bezug auf die thermisch leitende Struktur in einer festen Lagebeziehung montierte und mit diskreten elektronischen Komponenten bestückte PCB;
wobei jede der mehreren diskreten elektronischen Halbleitervorrichtungen eine Hülse und sich von der Hülse erstreckende Anschlussstifte aufweist, und wobei sich jede Hülse in einer Richtung erstreckt, die im Wesentlichen parallel zu einer zu einer Ebene ist, die die PCB über einen Rand der PCB hinaus umfasst; und
eine Klemmleiste, die an der thermisch leitenden Struktur gesichert ist und dazu angepasst ist, jede Hülse zwischen der Klemmleiste und einer Oberfläche der thermisch leitenden Struktur komprimierend zu sichern und einen thermischen Kontakt zwischen einer Oberfläche von jeder Hülse und der Oberfläche der thermisch leitenden Struktur aufrechtzuerhalten.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 62/830,030 mit dem Titel „Thermal Interface For Plurality Of Discrete Electronic Devices“, eingereicht am 5. April 2019, in Anspruch, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme für alle Zwecke einbezogen wird.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft diskrete elektronische Vorrichtungen, und genauer eine thermische Beherrschung von Wärme, die von diskreten elektronischen Vorrichtungen, etwa in Kraftfahrzeugsystemen eingesetzten Schaltvorrichtungen, erzeugt wird.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK UND KURZFASSUNG
Elektrische Fahrzeuge und Elektro-Hybridfahrzeuge nutzen Leistungselektronik und elektrische Komponenten, die während eines Betriebs erhebliche Mengen an Wärme erzeugen. Zum Beispiel können die Automobil-Elektromotoren, die in elektrischen Fahrzeugen und Elektro-Hybridfahrzeugen verwendet werden, Mehrphasen-Wechselstrommotoren umfassen, die einen Wechselrichter benötigen, um Gleichstromleistung nutzen zu können, die von Batterien geliefert wird. Ein Gleichrichter kann erforderlich sein, um Wechselstromleistung in Gleichstromleistung zum Laden der Batterien umzuwandeln. Weiterhin können Gleichspannungswandler erforderlich sein, um Gleichspannungspegel innerhalb des Leistungselektroniksystem hoch- oder tiefzusetzen. Solche Fahrzeugwechselrichter und Gleichspannungswandler beinhalten typischerweise diskrete Schaltkomponenten, die erhebliche Wärme erzeugen.
Zum Beispiel beinhalten Fahrzeugwechselrichter und/oder Gleichspannungswandler typischerweise Anordnungen mehrerer diskreter elektronischer Halbleiterschaltvorrichtungen, die wärmeerzeugende diskrete Halbleiter-Festkörperschaltvorrichtungen, die gewöhnlich in Fahrzeug-Leistungselektroniksystemen enthalten sind. Ein Beispiel für eine elektronische Schaltvorrichtung, die häufig in Leistungselektroniksystemen verwendet wird, ist ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), der eine Leistungshalbleiter-Schaltvorrichtung ist, von der bekannt ist, dass sie einen hohen Wirkungsgrad mit schnellem Schalten kombiniert. Jeder IGBT umfasst typischerweise eine als einzelne oder diskrete Einheit gebaute elektronische Vorrichtung, wie etwa elektronische Vorrichtungen vor der Erfindung integrierter Schaltungen (Chips), als alle Transistoren, Widerstände, Kondensatoren und Dioden diskrete Vorrichtung umfassten. Diskrete elektronische Komponenten werden vielfach in Verstärkern und anderen elektronischen Produkten verwendet, die erhebliche Mengen an Strom verbrauchen und typischerweise erhebliche Mengen an Wärme erzeugen.
Eine effektive und effiziente Kühlung der elektronischen Halbleitervorrichtungen, die in Fahrzeug-Leistungselektroniksystemen enthalten sind, ist wünschenswert, um einen effizienten Systembetrieb sicherzustellen, ein Bauteilversagen zu verhindern und das Gewicht und das Volumen der Leistungselektroniksysteme zu minimieren oder verringern. Ferner sind Leistungselektroniksysteme in Fahrzeuganwendungen während eines Fahrzeugbetriebs in hohem Maße zyklischen Temperaturschwankungen und physikalischen Belastungen ausgesetzt, und somit werden wünschenswerterweise Lösungen für die Beherrschung von Wärme in elektronischen Halbleitervorrichtungen auf eine Weise implementiert, die kombinierte thermische und physikalische Belastungen berücksichtigt, denen solche Vorrichtungen im Verlauf ihrer Standzeit ausgesetzt werden. Somit besteht ein Bedarf an effektiven Lösungen für die Beherrschung von Wärme in diskreten elektronischen Halbleitervorrichtungen, die elektronische Schaltvorrichtungen einschließen.
Um zumindest manche von den oben genannten und weitere Probleme zu lösen, werden Ausführungsbeispiele für eine thermische Schnittstelle für mehrere diskrete elektronische Vorrichtungen angegeben. Ein erster Aspekt der Offenbarung betrifft ein elektronisches System, das umfasst: ein Gehäuse mit einer thermisch leitenden Struktur, die von einer Wand der Struktur absteht, eine PCB, die innerhalb des Gehäuses montiert ist, eine Halbleitervorrichtung, die eine Halbleiterschaltung umfasst, die in einer Hülse verkapselt ist, und Anschlussstifte für die Halbleiterschaltung, die von der Hülse abstehen. Die abstehenden Anschlussstifte werden so, dass die Hülse von der PCB absteht, an der PCB gesichert. Eine Klemmleiste, die an der thermisch leitenden Struktur gesichert ist, weist ein Federklemmelement auf, das an der Hülse anliegt, um eine Oberfläche der Hülse mit einer Oberfläche der thermisch leitenden Struktur in thermischem Kontakt zu halten.
Gemäß einem anderen Aspekt wird eine thermische Schnittstelle offenbart, die aufweist: eine thermisch leitende Struktur; eine PCB, die in Bezug auf die thermisch leitende Struktur in einer festen Lagebeziehung gesichert ist; mehrere Halbleitervorrichtungen, die jeweils eine Halbleiterschaltung umfassen, die in einer Hülse verkapselt ist, und Anschlussstifte für die Halbleiterschaltung, die von der Hülse abstehen, wobei die abstehenden Anschlussstifte an der PCB gesichert sind; und eine Klemmleiste, die an der thermisch leitenden Struktur gesichert ist und mehrere Federklemmelemente aufweist, wobei jedes Federklemmelement jeweils an der Hülse einer entsprechenden Halbleitervorrichtung anliegt, um eine Oberfläche der Hülse in thermischem Kontakt mit der thermisch leitenden Struktur zu halten.
Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Kraftfahrzeug-Leistungselektroniksystem offenbart, das eine thermische Schnittstelle für mehrere diskrete elektronische Halbleitervorrichtungen aufweist, wobei das System aufweist: ein Gehäuse, das dazu angepasst ist, die mehreren Vorrichtungen in einem umschlossenen Raum zu umschließen, wobei das Gehäuse eine sich von einer Wand des Gehäuses nach innen in den umschlossenen Raum hinein erstreckende thermisch leitende Struktur aufweist; eine PCB, die in dem umschlossenen Raum montiert ist und mit diskreten elektronischen Komponenten bestückt ist; wobei jede der mehreren diskreten elektronischen Halbleitervorrichtungen eine Hülse und von der Hülse abstehende Anschlussstifte aufweist, und wobei jede Hülse sich in eine Richtung erstreckt, die im Wesentlichen parallel zu einer Ebene ist, die die PCB über einen Rand der PCB hinaus umfasst; und eine Klemmleiste, die an der thermisch leitenden Struktur gesichert ist und mehrere Federklemmelemente aufweist, wobei jedes Federklemmelement jeweils eines der mehreren Vorrichtungen komprimierend sichert, um einen thermischen Kontakt zwischen einer Oberfläche der Vorrichtungshülse und einer auf der thermisch leitenden Struktur angeordneten thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Unterlage aufrechtzuerhalten.
Es sei klargestellt, dass die obige Kurzfassung in vereinfachter Form einen Überblick über eine Auswahl von Konzepten liefern soll, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben sind. Dies soll keine wesentlichen oder entscheidenden Merkmale des beanspruchten Gegenstandes identifizieren, dessen Umfang einzig durch die der detaillierten Beschreibung folgenden Ansprüche definiert ist. Weiterhin ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Ausführungen beschränkt, die beliebige der oben oder in einem beliebigen Teil dieser Offenbarung aufgeführte Nachteile lösen.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen sind hier als Teil der Anmeldung enthalten. Die hierin beschriebenen Zeichnungen stellen Ausführungsformen des vorliegend offenbarten Gegenstands dar und sollen ausgewählte Prinzipien und die Lehren der vorliegenden Offenbarung erläutern. Jedoch stellen die Zeichnungen nicht alle möglichen Implementierungen des vorliegend offenbarten Gegenstands dar und sollen den Bereich der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise beschränken.

1 eine perspektivische Teil-Explosionsansicht eines Leistungselektroniksystems gemäß Ausführungsbeispielen ist.
2 eine perspektivische Sicht von oben auf ein Elektronikmodul des Systems von 1 ist.
3 eine Endansicht des Elektronikmoduls von 2 ist.
4 eine perspektivische Ansicht der Unterseite des Elektronikmoduls von 4 ist.
5 eine perspektivische Ansicht einer Halbleiterleistungsvorrichtung des Elektronikmoduls von 2 ist.
6 eine schematische Ansicht einer Halbleiterschaltung der Vorrichtung von 5 ist.
7 eine schematische, perspektivische Teilansicht des Elektronikmoduls von 2 innerhalb eines Gehäuses des Leistungselektroniksystems von 1 ist.
8 eine partielle, schematische Teil-Endansicht des Elektronikmoduls von 2 innerhalb eines Gehäuses des Leistungselektroniksystems von 1 ist.
9 eine partielle Querschnittansicht entlang einer Linie IX-IX von 7 ist.
10 eine perspektivische Ansicht einer isolierenden Endhülse ist, die in dem Leistungselektroniksystem von 1 verwendet wird.
11 eine Schnittansicht der isolierenden Endhülse von 10.
12 eine Draufsicht auf ein wärmeleitendes Pad ist, das in dem Leistungselektroniksystem von 1 verwendet wird.
13 eine Draufsicht auf eine Klemmleiste ist, die in dem Leistungselektroniksystem von 1 verwendet wird.
14 eine Schnittansicht der Klemmleiste entlang der Linie XIV-XIV von 13 ist.
15 eine Endansicht der Klemmleiste von 13 ist.
16 eine perspektivische Ansicht der Klemmleiste von 13 ist.
17 eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts von 14 ist, der von einem Kreis XVII angegeben wird.

In verschiedenen Figuren können gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Komponenten zu bezeichnen. Die 1-4 sind gemäß einigen Ausführungsformen ungefähr maßstabsgetreu dargestellt. Die 7-9 sind gemäß einigen Ausführungsformen mit in der Größe zueinander proportionalen Bauteilen dargestellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es ist davon auszugehen, dass die Erfindung verschiedene alternative Orientierungen und Schrittabfolgen annehmen kann, sofern nicht ausdrücklich gegenteilig vorgeschrieben. Es ist zudem davon auszugehen, dass die in den angefügten Zeichnungen veranschaulichten und in der nachfolgenden Patentschrift beschriebenen spezifischen Anordnungen und Systeme nur Ausführungsbeispiele der hierin definierten erfinderischen Idee sind. Somit sollen konkrete Abmessungen, Richtungen oder andere physische Eigenschaften in Bezug auf die offenbarten Ausführungsformen nicht als Beschränkungen aufgefasst werden, solange nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Auch wenn dies nicht der Fall sein muss, können gleiche Elemente in verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen innerhalb dieses Abschnitts der Anmeldung gemeinsam mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet werden.
Zur Übersicht stellt 1 eine Explosionsansicht eines Kraftfahrzeug-Leistungselektroniksystems mit einem Gehäuse und einer Abdeckung zum Umschließen einer thermischen Schnittstelle für mehrere diskrete elektronische Halbleitervorrichtungen dar. 2 bis 5 stehen verschiedene Beispiele für Ausrichtungen und Ansichten von einer PCB und an dieser befestigten diskreten elektronischen Komponenten dar. 6 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels einer Schaltkomponente. 7 und 8 stellen ein Beispiel für eine thermische Schnittstelle dar, die Gehäuse für mehrere zwischen einer Klemmleiste und einer thermisch leitenden Struktur gehaltene diskrete Halbleitervorrichtungen umfassen, wobei sich die thermische Schnittstellenbaugruppe von einem planaren Rand der PCB weg erstreckt. 9 bis 11 stellen Beispiele für Detailansichten einer Klemmleiste, welche bevorzugt thermisch leitend und elektrisch isolierend an der thermisch leitenden Struktur befestigt ist, dar. Und 12 bis 17 stellen Beispiele für Detailansichten einer Klemmleiste dar, wobei die Klemmleiste darin ausgebildete Federklemmelemente aufweist.
Die Erfinder haben festgestellt, dass bei Kraftfahrzeugsystem Verbesserungen erforderlich sind, beispielsweise bei Batterieladesystemen mit Wechselrichtern und/oder Gleichspannungswandlern, die Schaltkomponenten aufweisen, welche erhebliche Wärme erzeugen. Konfigurationen für Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) (wärmeerzeugende Halbleiterschaltgeräte) die ein Verbinden der IGBTs mit einem 90-Grad-Winkel an einer PCB oder Löten der Anschlussstifte jedes IGBTs an eine Kupfersammelschiene aufweisen, können weniger kompakt und kosteneffizient als erwünscht sein, insbesondere bei der Verwendung multipler Schaltkomponenten. Die Erfinder haben die hierin beschriebenen Ausführungsformen entdeckt und erfunden, welche ein Ausrichten einer Mehrzahl von Schaltkomponenten wie IGBTs, sodass sich diese von einem Rand der PCB in paralleler Ausrichtung nach außen erstrecken, und ein zwischen den Schaltern gleichmäßiges Zusammendrücken von jedem der Schalterhülsen zwischen einer U-förmigen/U-Kanal-förmigen thermisch leitenden Schiene und einer zum sich von einer Gehäusewand (wobei das Gehäuse die Leistungselektronik und elektrische Komponenten des Systems umschließt) einwärts Erstrecken ausgebildeten thermisch leitenden Struktur umfassen, aufweisend ein wärmeleitendes Pad zwischen den Schalterhülsen und dem Gehäuse. Die Kompressionsschiene weist vorzugsweise integral ausgebildete Klemmvorrichtungen zum Aufrechterhalten des Kontakts zwischen der Schalterhülse und dem wärmeleitenden Pad auf. Die Erfinder haben entdeckt, dass die erzeugte Wärme auf diese Weise von anderen elektrischen Komponenten im System räumlich weiter entfernt abgeleitet werden kann, wodurch das Wärmemanagement des Systems insgesamt verbessert wird; das Leistungselektroniksystem kann eine kompaktere Einheit umfassen, welche eine geringere Höhe als ein System aufweist, welches die Schaltkomponenten in einer anderen Ausrichtung als aufwärts von einem Rand der PCB und allgemein parallel zu dieser umfasst; und das System umfasst thermisch leitende Struktur, die sich vom Gehäusematerial erstreckt, statt zusätzliche Ventilatoren, wärmeableitende Rippenstrukturen, Löten an Kupfersammelschienen und/oder andere Verfahren zu erfordern, wodurch Komplexität und Kosten verringert werden.
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht von ausgewählten Komponenten eines Leistungselektroniksystems 100 und zeigt eine mögliche Implementierung eines Wärmebeherrschungssystems gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung. Wie aus der folgenden Beschreibung hervorgehen wird, kann das hierin beschriebene Wärmebeherrschungssystem außer in dem konkreten elektronischen System, das in 1 gezeigt ist, auch in anderen Konfigurationen angewendet und in anderen Arten von Leistungselektronikschaltungen und Leistungselektroniksystemen verwendet werden.
In dem der Erläuterung dienenden Beispiel von 1 weist das Leistungselektroniksystem 100 unter anderem auf: ein Gehäuse 102, mehrere elektronische Module 104 (in 1 ist nur ein Modul 104 gezeigt), die in einer Kammer 108 des Gehäuses 102 aufgenommen sind, und eine vordere Abdeckung 106, die an dem Gehäuse 102 gesichert werden kann, um den Inhalt der Kammer 108 vor äußeren Elementen zu schützen. In dem dargestellten Beispiel ist das Leistungselektroniksystem 100 ein isoliertes bidirektionales Gleichspannungswandlersystem, und die Leistungselektronikmodule 104 sind jeweils isolierte bidirektionale Gleichspannungswandlermodule. Was dies betrifft, so ist in dem dargestellten Beispiel jedes Elektronikmodul 104 dafür ausgelegt, in einem ersten DCDC-direktionalen Modus zu arbeiten, um eine von einer Gleichrichter-/Wechselrichterschaltung empfangene Gleichspannung mit einem ersten Strom-/Spannungspegel auf einen zweiten Strom-/Spannungspegel zu wandeln, und in einem zweiten DCDC-direktionalen Modus zu arbeiten, um die umgekehrte Operation auszuführen um die Gleichrichter-/Wechselrichterschaltung mit Gleichstrom, der in Wechselstrom für einen Motor umgewandelt werden kann, zu beliefern.
In Ausführungsbeispielen weist das Gehäuse 102 vier Seitenwände 111 und eine Rückwand 113 auf, die eine innere Kammer 108 definieren, und das Gehäuse 102 ist aus einem starren, thermisch leitenden Material, beispielsweise Metall, gebildet. In dem dargestellten Beispiel weist die Gehäusekammer 108 mehrere (z.B. vier, wie im dargestellten Beispiel) Teilkammerregionen 110 auf, von denen jede dafür ausgelegt ist, ein entsprechendes elektronisches Modul 104 aufzunehmen. Jede von den Teilkammerregionen 110 wird entlang einer Seite durch eine entsprechende thermisch leitende Tragstruktur 112, die von der Rückwand 113 des Gehäuses 102 absteht, begrenzt. In dem Beispiel von 1 ist jede Tragstruktur 112 als Teil des Gehäuses 102 ausgebildet und somit thermisch in dieses integriert, und ist eine im Allgemeinen rechtwinklige Struktur, die eine plane Auflagefläche 114 bildet. In Ausführungsbeispielen weist das Gehäuse 102 mehrere PCB-Montagestrukturen 166 auf, die von der Gehäuserückwand 113 in die Teilkammerregionen 110 hinein vorstehen. Die Montagestrukturen 166 weisen jeweils ein vorderes Ende auf, das eine mit einem Gewinde versehene Öffnung für eine entsprechende Maschinenschraube definiert.
In dem dargestellten Beispiel ist das Gehäuse 102 aus einem einzigen, einheitlichen Stück Aluminium oder Aluminiumlegierung gebildet, das maschinell bearbeitet worden ist, um die in 1 gezeigte Gehäusestruktur zu erzeugen. In alternativen Ausführungsbeispielen kann das Gehäuse 102 als einheitliche Struktur gegossen oder geformt werden. In manchen alternativen Beispielen kann das Gehäuse 102 aus mehreren diskreten Komponenten gebildet werden, die miteinander verschweißt oder auf andere Weise aneinander gesichert werden, und in manchen Beispielen können zumindest manche von den Gehäusekomponenten extrudierte Komponenten sein.
Die 2 bis 4 stellen ein Beispiel für ein elektronisches Modul 104 detaillierter dar. Das elektronische Modul 104 weist eine gedruckte Schaltung (PCB) 116 auf, die mehrere kleinere elektronische Komponenten 118, die auf einer Seite (zum Beispiel einer vorderen PCB-Seite, wie in 2 gezeigt) montiert sind, sowie mehrere größere diskrete elektronische Komponenten 120 einschließt, die an der PCB 116 auf deren entgegengesetzter Seite (zum Beispiel einer hinteren PCB-Seite, die in 4 dargestellt ist) montiert sind. In einem Ausführungsbeispiel liegen die elektronischen Komponenten 118 auf der PCB-Vorderseite auf der PCB 116 auf und können zum Beispiel Steuerschaltungskomponenten, wie etwa Widerstände, Kondensatoren, Transformatoren, und andere aktive und passive Komponenten einschließen. Die elektronischen Komponenten 120 auf der PCB-Rückseite können unter anderem ein größeres Volumen, eine hohe Spannung, hohe Temperaturen erzeugende Leistungsschaltungskomponenten, wie etwa Kondensatormodule, Widerstandsmodule und Transformatormodule, einschließen. In Ausführungsbeispielen sind gestaffelte Auflageflächen an der hinteren Wand 113 des Gehäuses 102 bereitgestellt, die zumindest an manchen von den elektronischen Komponenten 120 auf der unteren PCB-Seite der PCB 116 anliegen, was dem doppelten Zweck des Stützens der elektronischen Komponenten 120 und des Bereitstellens einer Wärmesenke für diese Komponenten dient. Die Konfiguration, der Typ und die Funktionsweise der elektronischen Komponenten 118, 120 können in verschiedenen Ausführungsformen viele unterschiedliche Formen annehmen und sind nicht das eigentliche Thema der vorliegenden Offenbarung, solange nichts anderes angegeben wird.
In der vorliegenden Offenbarung ist von besonderem Interesse, dass das elektronische Modul 104 eine Reihe diskreter Leistungshalbleitervorrichtungen aufweist, zum Beispiel elektronische Schaltvorrichtungen 122, die entlang eines Randes der PCB 116 gesichert sind. Die elektronischen Schaltvorrichtungen 122 sind insofern diskret, als sie jeweils unabhängige physische Einheiten sind, die jeweils unabhängig voneinander physisch an eine PCB 116 montiert werden. Wie in den 5 und 6 angegeben ist, weist jede elektronische Schaltvorrichtung 122 einen entsprechenden Halbleiterschalterstromkreis 123 auf, der in einer nicht-leitenden rechteckigen Hülse 124 verkapselt ist. Ein Satz leitender Stifte 126 steht von Anschlüssen eines Schalterstromkreises 123 ab und von einem Ende der Hülse 124 nach außen vor. In dem dargestellten Beispiel weist der elektronische Schalterstromkreis 123 einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) mit einer antiparallelen Diode auf. Der IGBT weist Kollektor-, Emitter-, Kelvin-Emitter- und Gate-Anschlüsse auf, die elektrisch jeweils mit einem entsprechenden Stift 126, das heißt mit einem Kollektorstift C, einem Emitterstift E, einem Kelvin-Emitterstift K und eine Gate-Stift G verbunden sind. In Ausführungsbeispielen ist eine hintere Oberfläche der Hülse 124 mit einem leitfähigen Pad 128 bedeckt, das über den Kollektorstift C elektrisch mit dem IGBT-Kollektor des Schalterstromkreises 123 gekoppelt ist. In einem nicht-beschränkenden Ausführungsbeispiel wird jede von den diskreten elektronischen Schaltvorrichtungen 122 von einem INFINEON TM high speed IGBT mit der Teilenummer 1KZ50N65EH5 mit der Bezeichnung 650V DuoPack IGBT und einer Diode gebildet. In einem Ausführungsbeispiel stehen Stifte 126 jeweils über eine Länge von ungefähr 20 mm (0,787 Inch) von der Hülse 124 ab, und die Hülse 124 weist Vorderseiten- und Rückseitenabmessungen von ungefähr 21 mm (0,83 Inch) mal 16 mm (0,63 Inch) und eine Dicke von ungefähr 5 mm (0,2 Inch) auf.
Wie in den 2 bis 4 gezeigt ist, sind in der dargestellten Ausführungsform Sätze von metallbeschichteten Durchkontaktierungen (Plated-Through-Holes, PTHs) 130 in einer Reihe durch die PCB 116 hindurch bereitgestellt, um die Stifte 126 der diskreten elektronischen Schaltvorrichtungen 122 aufzunehmen und zu sichern. Vor oder während der PCB-Montage werden die Stifte 126 der einzelnen elektronischen Schaltvorrichtungen 122 an einer mittleren Stelle gebogen, um ihnen eine 90-Grad-Biegung zu verleihen, und die gebogenen Anschlussenden der Stifte 126 werden durch entsprechende PTHs 130 hindurch aufgenommen und in diesen verlötet, um die elektronischen Schaltvorrichtungen 122 an der PCB 116 zu sichern. Wie in den 2 bis 4 dargestellt ist, liegen die PTHs 130 in einer Reihe, die sich ausreichend nahe an einem Seitenrand 132 der PCB 116 befindet, dass die Hülsen 124 der einzelnen Schaltvorrichtungen 122 lateral auswärts vom Seitenrand 132 abstehen können. Wie am besten aus 3 ersichtlich ist, ist in dem dargestellten Beispiel ein Spalt „g“ zwischen der Hülse 124 jeder Schaltvorrichtung 122 und dem PCB-Rand 132 vorhanden. In der dargestellten Ausführungsform stehen die Schaltvorrichtungen 122 so vom PCB-Rand 132 ab, dass sie physisch gleich ausgerichtet sind, wobei ihre jeweiligen Hülsen 124 in einer Ebene liegen, die ungefähr parallel zur PCB-Ebene ist. In manchen Ausführungsbeispielen befindet sich der Spalt „g“ am schmalsten Punkt zwischen der Hülse 124 und dem PCB-Rand 132 innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0,5 mm und 3 mm (0,02 Inch bis 0,12 Inch). In der dargestellten Ausführungsform werden die Stifte 126 von jeder Schaltvorrichtung 122 von der hinteren Oberfläche der PCB 116 aus in die PTHs 130 eingeführt, mit dem Ergebnis, dass die hintere Oberfläche jeder elektronischen Schaltvorrichtung 122 ungefähr parallel zur hinteren Oberfläche der PCB 116 und über einen Abstand „d“ von dieser nach hinten versetzt ist. In Ausführungsbeispielen liegt der Oberflächenversatzabstand „d“ in einem Bereich von ungefähr 1 mm bis 4 mm (0,04 Inch bis 0,16 Inch). In dem dargestellten Beispiel ist, wie in den Seitenansichten von 3 und 8 am besten zu sehen ist, die obere oder vordere Seite der PCB 116 zur entsprechenden oberen Oberfläche von jedem Gehäuse 124 versetzt.
Die Installation des elektronischen Moduls 104 innerhalb des Gehäuses 102 wird nun unter Bezugnahme auf die Explosionsansicht von 1, die Teilansicht von 7 und die Schnittansicht von 8 beschrieben. Während des Zusammenbaus des Leistungselektroniksystems 100 wird das elektronische Modul 104 so in seiner entsprechenden Teilkammerregion 110 platziert, dass zumindest manche von den rückseitigen elektronischen Komponenten 120 des Moduls auf entsprechenden thermischen Auflageflächen, die von der Gehäuserückwand 113 definiert werden, aufliegen. Die PCB 116 sitzt auf den vorderen Enden von PCB-Montagestrukturen 166, die in einer Teilkammerregion liegen, und wird mit einem oder mehreren Befestigungsmitteln, wie etwa Maschinenschrauben 164, daran befestigt, mit einem oder mehreren Befestigungsmitteln, wie etwa Maschinenschrauben 164.
Wie in den Figuren gezeigt ist, wird die Reihe elektronischer Schaltervorrichtungen 122 des elektronischen Moduls 104 so angeordnet, dass ihre jeweiligen Hülsen 124 entlang der planen Auflagefläche 114 der thermisch leitenden Tragstruktur 112 liegen, die sich entlang der und angrenzend an die PCB 116 erstreckt. Insbesondere steht die hintere Oberfläche der elektronischen Schaltvorrichtungen 122 mit der planen Auflagefläche 114 in thermischem Kontakt.
Wie in 1, 7 und 8 gezeigt ist, wird in der dargestellten Ausführungsform eine längliche Klemmleiste 140 verwendet, um die Reihe elektronischer Schaltvorrichtungen 122 durch Andrücken an der thermisch leitenden Tragstruktur 112 zu sichern. In der dargestellten Ausführungsform wird die Klemmleiste 140 unter Verwendung von Befestigungsmitteln wie etwa Sechskant-Maschinenschrauben 142 an der thermisch leitenden Tragstruktur 112 gesichert. Was dies betrifft, so sind an der thermisch leitenden Tragstruktur 112 in Ausführungsbeispielen, wie in 1 gezeigt, entsprechend viele zylindrische Vorsprünge 144 ausgebildet, die über die Auflagefläche 114 überstehen. Die Vorsprünge 144 definieren jeweils eine entsprechende, mit einem Gewinde versehene Öffnung innerhalb der leitenden Tragstruktur 112 zum Aufnehmen des Endes einer entsprechenden von den Maschinenschrauben 142.
9 ist eine Schnittansicht, die eine Maschinenschraube 142 darstellt, die sich durch die Öffnung erstreckt, die von einem der Vorsprünge 144 definiert wird. Wie in den 1, 7 und 9 gezeigt ist, wird in Ausführungsbeispielen während des Zusammenbaus ein elektrisch isolierender zylindrischer Ring oder eine Endhülse 136 vor der Installation des Moduls 104 an jedem der Vorsprünge 144 montiert. Die isolierenden Endhülsen 136 werden bereitgestellt, um jegliche freiliegenden leitenden Elemente der elektronischen Schaltvorrichtungen 122 vor einem unbeabsichtigten Kontakt oder elektrischer Lichtbogenbildung mit Vorsprüngen 144 zu isolieren. Die 10 und 11 zeigen weitere perspektivische und Schnittansichten einer isolierenden Endhülse 136 gemäß Ausführungsbeispielen. Wie in den Figuren zu sehen ist, kann die isolierende Endhülse 136 an ihrem hinteren Ende einen radialen Flansch 138 aufweisen, der mit der thermisch leitenden Tragstruktur 112 an der Stelle, wo der Vorsprung 144 vom Rest der thermisch leitenden Tragstruktur 112 absteht, um einen Umfang des Vorsprungs 144 herum in Kontakt kommt. In manchen Beispielen kann in der Auflagefläche 114 um jeden Vorsprung 144 herum in Umfangsrichtung eine Ausnehmung ausgebildet werden, um den Flansch 138 aufzunehmen. Auch wenn die Vorsprünge 144 und ihre entsprechenden isolierenden Endhülsen 136 oben als zylindrisch beschrieben wurden, könnten sie auch andere Formen aufweisen, wie beispielsweise polygonale oder ovale. Auch wenn in den Figuren diese Vorsprünge 144 und drei entsprechende Maschinenschrauben 142 zum Sichern der Klemmleiste 134 dargestellt sind, können in anderen Ausführungsformen weniger oder mehr davon verwendet werden.
In Ausführungsbeispielen liegt eine elektrisch isolierende, thermisch leitende Grenzschicht, beispielsweise ein wärmeleitendes Pad 134, zwischen der Reihe elektronischer Schaltvorrichtungen 122 und einer nach vorne gewandten Auflagefläche 114 der thermisch leitenden Tragstruktur 112. Wie in den 1, 7, 8 und 12 gezeigt ist, ist in Ausführungsbeispielen das wärmeleitende Pad 134 so gestaltet, dass es die Auflagefläche 114 der thermisch leitenden Tragstruktur 112 abdeckt und entsprechende Durchgangsöffnungen 146 für die von einer Endhülse umgebenen Vorsprünge 144 definiert. In einem nicht-beschränkenden Beispiel weist das wärmeleitende Pad 134 ungefähr rechtwinklige Oberflächenabmessungen von 188 mm (7,40 Inch) mal 32 mm (1,26 Inch) auf. In einem Ausführungsbeispiel wird das wärmeleitende Pad 134 unter Verwendung eines elektrisch isolierenden SIL-PAD(™)-Materials, das von Bergquist erhältlich ist, implementiert. Wie oben angegeben, können elektronische Schaltvorrichtungen 122 in manchen Beispielen ein freiliegendes rückseitiges Kollektoranschluss-Pad an einer Rückseite der Hülse aufweisen, und in zumindest manchen Ausführungsbeispielen hat das wärmeleitende Pad 134 die Funktion, das rückseitige Kollektoranschluss-Pad elektrisch von der thermisch leitenden Tragstruktur 112 zu isolieren, während es gleichzeitig eine gleichmäßige thermisch leitende Grenzschicht zwischen der Hülse 124 jeder diskreten Schaltvorrichtung 122 und der Oberfläche 114 der thermisch leitenden Tragstruktur 112 bereitstellt.
Die 13 bis 15 stellen ein Ausführungsbeispiel einer Klemmleiste 140 dar. Wie oben angegeben wird die Klemmleiste 140 verwendet, um die Reihe diskreter elektronischer Schaltvorrichtungen 122 und insbesondere die Hülsen 124 dieser Vorrichtungen durch Andrücken an der Auflagefläche 114 der thermisch leitenden Tragstruktur 112 zu sichern. Die Abmessungen jeder Schaltvorrichtungshülse 124 können zwischen den elektronischen Schaltvorrichtungen 122 aufgrund von Herstellungstoleranzen variieren, und außerdem kann es während des Betriebs zu einer thermisch bedingten Ausdehnung und Zusammenziehung der Hülsen 124 kommen. Ferner kann es während des Betriebs aufgrund von Vibration und/oder thermischer Ausdehnung/Zusammenziehung zu einer relativen Bewegung der PCB 116 und der thermisch leitenden Tragstruktur 112 kommen. Daher ist die Klemmleiste 140 in manchen Ausführungsformen dafür ausgelegt, individuell eine abgegrenzte, flexible Druckkraft auf jede der Schaltvorrichtungshülsen 124 auszuüben, um diesen Faktoren Rechnung zu tragen.
Was dies betrifft, so weist die Klemmleiste 140, wie in 13 bis 16 gezeigt ist, mehrere vorstehende elastische Klemmelemente 150 auf, die jeweils dafür ausgelegt sind, auf eine entsprechende Schaltvorrichtungshülse 124 zu drücken, um die Schaltvorrichtungshülse 124 an der Auflagefläche 114 der thermisch leitenden Tragstruktur 112 festzuhalten. In anderen Ausführungsformen ist die Klemmleiste 140 eine längliche U-Schiene aus Metall mit einem länglichen mittleren Basiswandelement 152, das auf einander entgegengesetzten Seiten durch längliche, einander gegenüberliegende Seitenwände 154, 156 begrenzt wird. In Ausführungsbeispielen werden elastische Klemmelemente 150 durch Schneiden U-förmiger Laschen aus dem mittleren Basiswandelement 152 und Biegen jeder der resultierenden Laschen, um eine Blattfederstruktur zu bilden, gebildet. 17 stellt eine seitliche Schnittansicht eines elastischen Federklemmelements 150 detaillierter dar. Wie in den 13 bis 16 gezeigt ist, weist das elastische Federklemmelement 150 ein festliegendes erstes Ende 158, das an der Basiswand 152 befestigt ist, und ein freies Ende 162 auf. Das elastische Federklemmelement 150 weist eine mittlere hakenförmige Biegung zwischen seinem ersten, festliegenden Ende 158 und seinem freien Ende 162 auf, um einen Kontaktabschnitt 160 bereitzustellen, der über einen Abstand „a“ unter einer unteren Oberfläche der Basiswand 152 vorsteht. In einem der Erläuterung dienenden Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand a ungefähr 3,1 mm (0,122 Inch).
In manchen Beispielen kann eine Stanzoperation verwendet werden, um elastische Klemmelemente 150 aus die Basiswand 152 zu schneiden und zu bilden. In manchen Beispielen kann die Klemmleiste 140 aus einem planen, rechteckigen Metallrohling gebildet werden, der anhand einer oder mehrerer Stanzoperationen gestanzt wird, um die Seitenwände 154, 156, Klemmelemente 150 und Befestigungslöcher 162 auszubilden. In der dargestellten Ausführungsform sind acht elastische Klemmelemente 150 entlang der Länge der Basiswand 152 ausgebildet, um jeweils acht diskrete Schaltvorrichtungshülsen 124 an der Auflagefläche 114 der thermisch leitenden Tragstruktur 112 zu sichern. In der dargestellten Ausführungsform sind drei Befestigungslöcher 162 durch die Basiswand 152 hindurch so definiert, dass sie an entsprechenden zylindrischen Vorsprüngen 144 der thermisch leitenden Tragstruktur 112 ausgerichtet sind und entsprechende Maschinenschrauben 142 aufnehmen, um die Klemmleiste 140 unbeweglich an der thermisch leitenden Tragstruktur 112 zu sichern. Wenn die Klemmleiste 140 unbeweglich gesichert ist, drückt der Kontaktabschnitt 160 jedes elastischen Federklemmelements 150 eine entsprechende Hülse 124 einer elektronischen Schaltvorrichtung gegen ein wärmeleitendes Pad 134 und eine Auflagefläche 114. In der dargestellten Ausführungsform liegen zwei von den Befestigungslöchern 162 nahe an einander entgegengesetzten Enden der Klemmleiste 140, und ein Befestigungsloch 162 liegt mittig auf der Klemmleiste 140, wobei eine gleiche Zahl elastischer Klemmelemente 150 auf jeder Seite des mittigen Befestigungslochs 162 liegt. In manchen Beispielen können die elastischen Klemmelemente 150, die auf einer Seite des mittigen Befestigungslochs 162 liegen, in einer zu den elastischen Klemmelementen 150, die auf der anderen Seite des mittigen Befestigungslochs 162 liegen, entgegengesetzten Richtung ausgerichtet sein.
Wie am besten aus 9 ersichtlich ist, weisen in Ausführungsbeispielen die Befestigungslöcher 162, die von der Basiswand 152 der Klemmleiste 140 definiert werden, jeweils einen kleineren Durchmesser auf als die zylindrischen Vorsprünge 144, die von der thermisch leitenden Tragstruktur 112 abstehen, wodurch die Basiswand 152 der Klemmleiste 140 an den vorstehenden Enden der zylindrischen Vorsprünge 144 aufliegen und daran gesichert werden kann, wodurch ein Spalt „b“ zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Klemmleisten-Basiswand 152 und jeder von den Hülsen 124 der elektronischen Schaltvorrichtungen bereitgestellt wird. Der Spalt „b“ ist kleiner als der Abstand „a“, über den der Kontaktabschnitt 160 der einzelnen Federklemmelemente 150 von der unteren Oberfläche der Basiswand 152 vorsteht. In einem der Erläuterung dienenden Ausführungsbeispiel misst der Spalt „b“ ungefähr 2 mm (0,08 Inch).
In manchen Beispielen kann eine Klemmleiste 140 aus Edelstahl, Aluminium, Aluminiumlegierung oder einer anderen Metalllegierung gebildet werden. In manchen Beispielen kann die Klemmleiste 140 aus Kunststoffmaterial gebildet werden.
Die Verwendung einer thermisch leitenden Tragstruktur 112, die nicht direkt an der PCB 116 gesichert ist und die thermisch in die hintere Wand 113 des Gehäuses 102 integriert ist, kann zumindest in manchen Ausführungsbeispielen eine effiziente Ableitung von Wärme von den elektronischen Schaltvorrichtungen 122 ermöglichen. Die Verwendung einer Klemmleiste 140, die eine Reihe unabhängiger, komprimierbarer Klemmelemente 150 aufweist, ermöglicht eine gleichzeitige Aufbringung unterschiedlicher elastischer Klemmkräfte auf die einzelnen elektronischen Schaltvorrichtungen 122, wodurch Unterschieden zwischen elektronischen Schaltvorrichtungen 122 Rechnung getragen werden kann und außerdem Belastungen verringert werden, die andernfalls aufgrund von zyklischen Temperaturschwankungen und Vibrationskräften auf die Schweißnähte zwischen Stiften 126 und der PCB 116 ausgeübt werden würden.
In manchen Ausführungsbeispielen werden Schaltvorrichtungsstifte 126 in der entgegengesetzten Richtung gebogen und ist die PCB 116 so gestaltet, dass die Stifte 126 jeder Schaltvorrichtung 122 von der vorderen Oberfläche der PCB 116 her durch PTHs 130 eingeführt werden, in welchem Fall die hintere Oberfläche jeder Schaltvorrichtung 122 ungefähr parallel zur vorderen Oberfläche der PCB 116 und zu dieser nach vorne versetzt sein würde. In manchen Beispielen könnten die Auflagefläche 114 und die Schaltvorrichtungen 122 in einem Winkel angeordnet werden, der nicht parallel zur Ebene der PCB 116 ist.
Wie wiederum in 7 und 8 dargestellt ist, wird der Rand des Elektronikmoduls 104 mit sich auswärts und von dem Rand der PCB 116 weg erstreckenden Hülsen mehrerer Schaltkreiselemente 122 gezeigt, die zwischen Federklemmelementen 150 einer U-förmigen Klemmleiste 140 und wärmeleitendem Pad-Material 134 und thermisch leitender Struktur 112 des Gehäuses 102 zusammengedrückt sind. Wie in 7 gezeigt sind mehrere elektronische Schaltvorrichtungen 122 in einer Reihe angeordnet und durch die U-Kanal-Klemmleiste 140 so geklemmt, dass sie in thermischem Kontakt mit dem wärmeleitendem Pad 134 und der darunterliegenden thermisch leitenden Struktur 112 bleibt. Jede der Befestigungsmittel 142 und Endhülsen 136 sichern die Klemmleiste 140 vorzugsweise an der thermisch leitenden Struktur 112. Wie in 8 gezeigt weist eine die Klemmleiste 140, die Halbleiterhülsen 124, das thermische Pad und die thermisch leitende Struktur 112 umfassende Klemmleistenbaugruppe eine Klemmleistenbaugruppenhöhe auf, die sich in den vom Gehäuse 102 und der Abdeckung 106 umschlossenen Raum erstreckt und ist auswärts und weg von dem Rand der PCB 116 angeordnet. Wie gezeigt sind die die Klemmleiste 140 umfassende Klemmleistenbaugruppe, eine die PCB 116 umfassende PCB-Baugruppe und die an der Unterseite der PCB 116 befestigten diskreten elektronischen Komponenten nebeneinander angeordnet, wobei Stifte 126 der Schaltvorrichtungen 122 die Baugruppe der Klemmleiste 140 und die Baugruppe der PCB 116 miteinander verbinden. Die Anordnung nebeneinander ermöglicht Abschnitte der Gehäuserückwand (oder Rückwandmaterial, oder Basis, oder Basismaterial) 113 zwischen jedem Paar von Klemmleiste und PCB-Baugruppen. Eine solche Anordnung nebeneinander ermöglicht eine räumliche Trennung der diskreten elektronischen Komponenten des elektrischen Systems 100. Eine solche Anordnung nebeneinander sieht ferner vor, dass die Höhe der Gehäuseseitenwände 111 auf Grundlage der Klemmleiste oder der PCB-Baugruppen bestimmt wird und eine geringere Höhe (in einer Richtung, die von der Gehäusebasis/Rückwand 112 weg weist und nach innen zum vom Gehäuse 102 und der Abdeckung 106 umschlossenen Raum hin weist) aufweist, als wenn die Höhe auf Grundlage einer Kombination von einer (Klemmleisten- oder PCB-) Baugruppe und zumindest einem Teil der anderen (PCB- oder Klemmleisten-) Baugruppe bestimmt würde.
Ebenfalls wie in 8 gezeigt umfasst die thermisch leitende Struktur 112 vorzugsweise Material, das sich von der Gehäuserückwand (oder Basis) 113 nach innen in den vom Gehäuse 102 und der Abdeckung 106 umschlossenen Raum in einer Richtung erstreckt, die im Wesentlichen senkrecht zur PCB 126 und den Hülsen 124 ist, wobei die PCB 116 und die Hülsen 124 im Wesentlichen parallel zueinander sind, sodass sich die den unteren Abschnitt von jeder Klemmleistenbaugruppe bildende thermisch leitende Struktur 112 von der Gehäuserückwand 113 nach innen zu einer Höhe der thermisch leitenden Struktur erstreckt, die groß genug ist, um eine obere Oberfläche von jedem Gehäuse 124 oberhalb (in der von der Gehäuserückwand 113 weg weisenden Richtung) mindestens einer unteren Oberfläche der PCB 116 anzuordnen, wobei die untere Oberfläche der PCB 116 die darauf befestigten diskreten elektronischen Komponenten 120 aufweist.
In manchen Ausführungsformen erstreckt sich die den unteren Abschnitt von jeder Klemmleistenbaugruppe bildende thermisch leitende Struktur 112 vom der Gehäusebasis/-rückwand 113 nach innen zu einer Höhe der thermisch leitenden Struktur, die groß genug ist, dass ein Abstand zwischen der Klemmleiste 140 und der Basis/Rückwand 113 gleich groß wie oder größer ist als eine Höhe der größten der an der unteren Oberfläche der PCB 116 befestigten diskreten elektronischen Komponenten 120, oder gleich groß wie oder größer ist als ein Abstand zwischen der Basis und der unteren Oberfläche der PCB 116. Die thermisch leitende Struktur 112 erstreckt sich daher, wie in 8 dargestellt, vorzugsweise ausreichend weit von der Rückwand 113 weg, um die an der unteren Oberfläche der PCB 116 befestigten diskreten Komponenten aufzunehmen.
In einer Ausführungsform weist eine thermische Schnittstelle für mehrere diskrete elektronische Halbleitervorrichtungen eine sich von einer Basis erstreckende thermisch leitende Struktur, eine in Bezug auf die thermisch leitende Struktur in einer festen Lagebeziehung montierte und mit diskreten elektronischen Komponenten bestückte PCB auf, wobei jede der mehreren diskreten elektronischen Halbleitervorrichtungen eine Hülse und sich von der Hülse erstreckende Anschlussstifte aufweist, und wobei sich jede Hülse in einer Richtung erstreckt, die im Wesentlichen Parallel zu einer zu einer Ebene ist, die die PCB über einen Rand der PCB hinaus umfasst; und eine Klemmleiste, die an der thermisch leitenden Struktur gesichert ist und dazu angepasst ist, jede Hülse zwischen der Klemmleiste und einer Oberfläche der thermisch leitenden Struktur komprimierend zu sichern und einen thermischen Kontakt zwischen einer Oberfläche von jeder Hülse und der Oberfläche der thermisch leitenden Struktur aufrechtzuerhalten.
In einem Aspekt umfasst die Schnittstelle ferner eine thermisch leitende und elektrisch isolierende Unterlage, die auf der Oberfläche der thermisch leitenden Struktur zwischen der Oberfläche von jeder Hülse und der thermisch leitenden Struktur angeordnet ist.
In einem Aspekt umfasst die Klemmleiste mehrere Federklemmelemente, wobei jedes Federklemmelement eine entsprechende der mehreren Vorrichtungen komprimierend sichert, um einen thermischen Kontakt zwischen einer Oberfläche der Vorrichtungshülse und der thermisch leitenden Struktur aufrechtzuerhalten.
In einem Aspekt sind die mehreren Federklemmelemente an einer Basiswand der Klemmleiste ausgebildet.
In einem Aspekt umfasst die Klemmleiste eine U-förmige Leiste, wobei die Basiswand entlang einander entgegengesetzten Seitenenden durch Seitenwände begrenzt wird.
In einem Aspekt umfasst jede der mehreren diskreten elektronischen Halbleitervorrichtungen einen Schaltkreis.
In einem Aspekt umfasst jede der mehreren diskreten elektronischen Halbleitervorrichtungen einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT).
In einem Aspekt ist die thermisch leitende Struktur integral mit der Basis ausgebildet, wobei die PCB an der Basis montiert ist.
In einem Aspekt umfasst die Klemmleiste mehrere Federklemmelemente, wobei jedes Federklemmelement jeweils eine entsprechende der mehreren Vorrichtungen komprimierend sichert, um einen thermischen Kontakt zwischen einer Oberfläche der Vorrichtungshülse und einer auf der thermisch leitenden Struktur angeordneten thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Unterlage aufrechtzuerhalten.
In einem Aspekt erstreckt sich die thermisch leitende Struktur von der Basis in eine Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der PCB und im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche von jeder Hülse ist, wobei die Oberflächen von jeder Hülse im Wesentlichen parallel zueinander sind, sodass sich die thermisch leitende Struktur von der Basis erstreckt, um einen erforderlichen Abstand zwischen der Basis und einer unteren Oberfläche der PCB aufzunehmen, wobei die diskreten elektronischen Komponenten an der unteren Oberfläche der PCB befestigt sind.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst in einem Kraftfahrzeug-Leistungselektroniksystem mit einer thermischen Schnittstelle für mehrere diskrete elektronische Halbleitervorrichtungen das System: ein Gehäuse, das dazu angepasst ist, die mehreren Vorrichtungen in einem umschlossenen Raum zu umschließen, wobei das Gehäuse eine sich von einer Wand des Gehäuses nach innen in den umschlossenen Raum hinein erstreckende thermisch leitende Struktur aufweist; eine PCB, die in dem umschlossenen Raum montiert ist und mit diskreten elektronischen Komponenten bestückt ist; wobei jede der mehreren diskreten elektronischen Halbleitervorrichtungen eine Hülse und von der Hülse abstehende Anschlussstifte aufweist, und wobei jede Hülse sich in eine Richtung erstreckt, die im Wesentlichen parallel zu einer Ebene ist, die die PCB über einen Rand der PCB hinaus umfasst; und eine Klemmleiste, die an der thermisch leitenden Struktur gesichert ist und dazu angepasst ist, jede Hülse zwischen der Klemmleiste und einer Oberfläche der thermisch leitenden Struktur komprimierend zu sichern, und einen thermischen Kontakt zwischen einer Oberfläche von jeder Hülse und der Oberfläche der thermisch leitenden Struktur aufrechtzuerhalten.
In einem Aspekt umfasst das System ferner eine auf der thermisch leitenden Struktur angeordete thermisch leitende und elektrisch isolierende Unterlage.
In einem Aspekt umfasst die Klemmleiste mehrere Federklemmelemente, wobei jedes Federklemmelement jeweils eine entsprechende der mehreren Vorrichtungen komprimierend sichert, um einen thermischen Kontakt zwischen einer Oberfläche der Vorrichtungshülse und der thermisch leitenden Struktur aufrechtzuerhalten.
In einem Aspekt sind die mehreren Federklemmelemente an einer Basiswand der Klemmleiste ausgebildet.
In einem Aspekt umfasst die Klemmleiste eine U-förmige Leiste, wobei die Basiswand entlang einander entgegengesetzten Seitenenden durch Seitenwände begrenzt wird.
In einem Aspekt umfasst jede der mehreren diskreten elektronischen Halbleitervorrichtungen einen Schaltkreis.
In einem Aspekt umfasst jede der mehreren diskreten elektronischen Halbleitervorrichtungen einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT).
In einem Aspekt ist die thermisch leitende Struktur integral mit der Basis ausgebildet, wobei die PCB an der Basis montiert ist.
In einem Aspekt umfasst die Klemmleiste mehrere Federklemmelemente, wobei jedes Federklemmelement jeweils eine entsprechende der mehreren Vorrichtungen komprimierend sichert, um einen thermischen Kontakt zwischen einer Oberfläche der Vorrichtungshülse und einer auf der thermisch leitenden Struktur angeordneten thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Unterlage aufrechtzuerhalten.
In einem Aspekt erstreckt sich die thermisch leitende Struktur von der Gehäusewand nach innen in den umschlossen Raum in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der PCB und im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche von jeder Hülse ist, wobei die Oberflächen von jeder Hülse im Wesentlichen parallel zueinander sind, sodass sich die thermisch leitende Struktur von der Gehäusewand nach innen erstreckt, um einen erforderlichen Abstand zwischen der Gehäusewand und einer unteren Oberfläche der PCB aufzunehmen, wobei die diskreten elektronischen Komponenten an der unteren Oberfläche der PCB befestigt sind.
1-4 und 7-9 zeigen Beispielkonfigurationen mit relativer Anordnung der verschiedenen Komponenten. Wenn sie einander direkt kontaktierend oder direkt gekoppelt sind, dann können solche Elemente zumindest in einem Beispiel als direkt kontaktierend bzw. direkt gekoppelt bezeichnet werden. Ebenso können als zusammenhängend oder angrenzend gezeigte Elemente zumindest in einem Beispiel zusammenhängend sein bzw. aneinander angrenzen. Beispielsweise können in Flächenkontakt miteinander stehende Komponenten in Flächenkontakt bezeichnet werden. In einem weiteren Beispiel können getrennt angeordnete Elemente, die dazwischen nur einen Raum und keine weiteren Komponenten aufweisen, zumindest in einem Beispiel als solche bezeichnet werden. In einem noch weiteren Beispiel können über/unter einander, an gegenüberliegenden Enden zueinander, oder links/rechts gegenüber einander gezeigte Elemente als solche bezeichnet werden, relativ zueinander. Ferner kann, wie in den Figuren gezeigt, ein oberstes Element oder ein oberster Punkt eines Elements als „Spitze“ der Komponente und ein unteres Element oder Punks des Elements als „Boden“ der Komponente in zumindest einem Beispiel bezeichnet werden. Wie hier verwendet können Spitze/Boden, ober/unter, über/unter relativ zu einer vertikalen Achse der Figuren sein und verwendet werden, um die Anordnung von Elementen der Figuren relativ zu einander zu beschreiben. Insofern sind in einem Beispiel Elemente, die über anderen Elementen gezeigt werden, vertikal über den anderen Elementen angeordnet. In einem weiteren Beispiel können Formen der in den Figuren abgebildeten Elemente als solche Formen (z. B. eine kreisförmige, gerade, planare, gebogene, gerundete, abgeschrägte, abgewinkelte Form und dergleichen) aufweisend bezeichnet werden. Ferner können einander kreuzend gezeigte Elemente zumindest in einem Beispiel als kreuzende Elemente oder einander kreuzend bezeichnet werden. Weiterhin kann ein innerhalb eines anderen Elements oder außerhalb eines anderen Elements gezeigte Element in einem Beispiel als solches bezeichnet werden.
Es können bestimmte Anpassungen und Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden. Daher sind die oben erörterten Ausführungsformen als erläuternd, aber nicht als beschränkend aufzufassen. Die vorliegende Offenbarung soll in ihrem Bereich nicht von den hierin beschriebenen konkreten Ausführungsformen beschränkt werden. Weitere Ausführungsbeispiele könnten auch alle von den Schritten, Merkmalen, Zusammensetzungen und Verbindungen, auf die in dieser Beschreibung Bezug genommen oder hingewiesen wird, einzeln oder gemeinsam und alle Kombinationen aus zwei oder mehr von den Schritten oder Merkmalen aufweisen.
In diesem Dokument kann die Verwendung des Wortes „ein“ oder „eine“, wenn es in den Ansprüchen und/oder der Beschreibung in Verbindung mit dem Begriff „umfassen“ verwendet wird, „nur ein/eine“ bedeuten, ist aber auch konsistent mit der Bedeutung „ein/eine oder mehrere“, „mindestens ein/eine“ und „ein/eine oder mehr als ein/eine“. Ebenso kann das Wort „ein anderer/eine andere/ein anderes“ zumindest einen zweiten/eine zweite/ein zweites oder mehr bedeuten. Die Wörter „umfassend“ (und jede Form von umfassend, wie etwa „umfassen'” und umfasst), „aufweisend“ (und jede Form von aufweisend, wie etwa „aufweisen“ und „weist auf“), „einschließen“ (und jede Form von einschließend, wie etwa „einschließen“ und „schließt ein“) oder „enthalten“ (und jede Form von enthalten, wie etwa „enthalten“ und „enthält“) sind inklusiv und offen und schließen zusätzliche, nicht genannte Elemente oder Verfahrensschritte nicht aus.
In der vorliegenden Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen wird unterschiedliche Terminologie, die direktionaler, geometrischer und/oder räumlicher Natur ist, wie etwa „longitudinal“, „horizontal“, „frontal“, „vorwärts“, „rückwärts“, „hinten“, „rückseitig“, „aufwärts“, „abwärts“ usw. verwendet. Man beachte, dass eine solche Terminologie verwendet wird, um die Beschreibung zu vereinfachen, und nur in einem relativen Sinne, und in keiner Weise als Angabe einer absoluten Richtung oder Ausrichtung aufzufassen ist.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können einen oder mehrere Wertebereiche (zum Beispiel Größe, Versatz und Feldstärke usw.) einschließen. Man beachte, dass ein Wertebereich alle Werte innerhalb des Bereichs einschließen soll, einschließlich der Werte, die den Bereich definieren, und von Werten, die an den Bereich angrenzen und die zum gleichen oder zu einem im Wesentlichen gleichen Ergebnis führen wie der Wert, der unmittelbar an den Wert angrenzt, der die Grenze des Bereichs definiert. Zum Beispiel wird ein Fachmann verstehen, dass eine 10%ige Variation der oberen oder unteren Grenze eines Bereichs völlig angemessen sein kann und in die Offenbarung eingeschlossen ist. Genauer ist die Variation der oberen oder unteren Grenze eines Bereichs der größere Wert von 5 % und dem, was in der Technik allgemein anerkannt wird.
In der Beschreibung werden relative Ausdrücke, wie etwa die Wörter ,etwa‘ und ,ungefähr‘ verwendet. Durch diese Ausdrucksweise soll eine Variabilität von mindestens 10 % in Bezug auf die angegebene Zahl oder den angegebenen Bereich einbezogen werden. Diese Variabilität kann plus 10 % oder negativ 10 % der konkret angegebenen Zahl betragen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62830030 [0001]

Claims

Thermische Schnittstelle für mehrere diskrete elektronische Halbleitervorrichtungen, wobei die Schnittstelle umfasst: eine sich von einer Basis erstreckende thermisch leitende Struktur; eine in Bezug auf die thermisch leitende Struktur in einer festen Lagebeziehung montierte und mit diskreten elektronischen Komponenten bestückte PCB; wobei jede der mehreren diskreten elektronischen Halbleitervorrichtungen eine Hülse und sich von der Hülse erstreckende Anschlussstifte aufweist, und wobei sich jede Hülse in einer Richtung erstreckt, die im Wesentlichen parallel zu einer zu einer Ebene ist, die die PCB über einen Rand der PCB hinaus umfasst; und eine Klemmleiste, die an der thermisch leitenden Struktur gesichert ist und dazu angepasst ist, jede Hülse zwischen der Klemmleiste und einer Oberfläche der thermisch leitenden Struktur komprimierend zu sichern und einen thermischen Kontakt zwischen einer Oberfläche von jeder Hülse und der Oberfläche der thermisch leitenden Struktur aufrechtzuerhalten.
Schnittstelle nach Anspruch 1, ferner umfassend eine thermisch leitende und elektrisch isolierende Unterlage, die auf der Oberfläche der thermisch leitenden Struktur zwischen der Oberfläche von jeder Hülse und der thermisch leitenden Struktur angeordnet ist.
Schnittstelle nach Anspruch 1, wobei die Klemmleiste mehrere Federklemmelemente umfasst, wobei jedes Federklemmelement jeweils eines der mehreren Vorrichtungen komprimierend sichert, um einen thermischen Kontakt zwischen einer Oberfläche der Vorrichtungshülse und der thermisch leitenden Struktur aufrechtzuerhalten.
Schnittstelle nach Anspruch 3, wobei die mehreren Federklemmelemente an einer Basiswand der Klemmleiste ausgebildet sind.
Schnittstelle nach Anspruch 4, wobei die Klemmleiste eine U-förmige Leiste umfasst, wobei die Basiswand entlang einander entgegengesetzten Seitenenden durch Seitenwände begrenzt wird.
Schnittstelle nach Anspruch 1, wobei jede der mehreren diskreten elektronischen Halbleitervorrichtungen einen Schaltkreis umfasst.
Schnittstelle nach Anspruch 6, wobei jede der mehreren diskreten elektronischen Halbleitervorrichtungen einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) umfasst.
Schnittstelle nach Anspruch 1, wobei die thermisch leitende Struktur integral mit der Basis ausgebildet ist, wobei die PCB an der Basis montiert ist.
Schnittstelle nach Anspruch 1, wobei die die Klemmleiste mehrere Federklemmelemente umfasst, wobei jedes Federklemmelement jeweils eine entsprechende der mehreren Vorrichtungen komprimierend sichert, um einen thermischen Kontakt zwischen einer Oberfläche der Vorrichtungshülse und einer auf der thermisch leitenden Struktur angeordneten thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Unterlage aufrechtzuerhalten.
Schnittstelle nach Anspruch 1, wobei sich die thermisch leitende Struktur sich von der Basis in eine Richtung erstreckt, die im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der PCB und im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche von jeder Hülse ist, wobei die Oberflächen von jeder Hülse im Wesentlichen parallel zueinander sind, sodass sich die thermisch leitende Struktur von der Basis erstreckt, um einen erforderlichen Abstand zwischen der Basis und einer unteren Oberfläche der PCB aufzunehmen, wobei die diskreten elektronischen Komponenten an der unteren Oberfläche der PCB befestigt sind.