DE202020106988U1

DE202020106988U1 - Gekühlte Halbleiterschalteranordnung

Info

Publication number: DE202020106988U1
Application number: DE202020106988.8U
Authority: DE
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2030-12-05
Also published as: CN214043944U; FI12564U1

Abstract

Gekühlte Halbleiterschalteranordnung, die umfasst:
einen Kühler, der einen Körperteil (2) umfasst, der eine erste Oberfläche (21) und eine zweite Oberfläche (22) aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des Körperteils (2) gelegen sind, und mindestens eine Kühlrippe (3), die sich in wärmeleitendem Kontakt mit der zweiten Oberfläche (22) des Körperteils (2) befindet;
mindestens ein Halbleiterschaltmodul (4), das sich in wärmeleitendem Kontakt mit der ersten Oberfläche (21) des Körperteils (2) des Kühlers befindet;
mindestens eine Sammelschiene, die sich in elektrisch leitendem Kontakt mit mindestens einem Halbleiterschaltmodul (4) befindet; dadurch gekennzeichnet, dass:
die erste Oberfläche (21) des Körperteils (2) des Kühlers in der Form nicht eben ist; und
mindestens eine Sammelschiene sich in wärmeleitendem Kontakt mit der ersten Oberfläche (21) des Körperteils (2) des Kühlers befindet.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine gekühlte Halbleiterschalteranordnung. Es ist bekannt, eine gekühlte Halbleiterschalteranordnung auszuführen, die ein Halbleiterschaltmodul, Sammelschienen und einen Kühler aufweist, wobei die Sammelschienen sich in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Halbleiterschaltmodul befinden, und wobei sich das Halbleiterschaltmodul in wärmeleitendem Kontakt mit einem Körperteil des Kühlers befindet, und wobei das Halbleiterschaltmodul durch Übertragen von Wärme von Kühlrippen des Kühlers an die Umgebungsluft gekühlt wird. In einer bekannten Lösung ist ein Halbleiterschaltmodul auf einem ebenen Körperteil eines Kühlers angeordnet, der sich in wärmeleitendem Kontakt mit den Kühlrippen des Kühlers befindet.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine gekühlte Halbleiterschalteranordnung zu entwickeln, die ein wirksameres Kühlen als bisher aufweist. Das Ziel der Erfindung wird durch eine gekühlte Halbleiterschalteranordnung erreicht, die durch das gekennzeichnet ist, was im unabhängigen Anspruch angegeben ist. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Die Erfindung basiert darauf, dass in einer gekühlten Halbleiterschalteranordnung die Oberfläche des Körperteils des Kühlers, welche Oberfläche sich in wärmeleitendem Kontakt mit dem Halbleiterschaltmodul befindet, nicht eben ist, und darauf, dass mindestens eine Sammelschiene, die sich in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Halbleiterschaltmodul befindet, in wärmeleitendem Kontakt mit der Oberfläche befindet.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen gekühlten Halbleiterschalteranordnung ist ein wirksameres Kühlen als zuvor. In einer Ausführungsform ist die Querschnittsfläche der gekühlten Sammelschiene kleiner im Vergleich zur Querschnittsfläche einer ungekühlten Sammelschiene.
Figurenliste
Die Erfindung wird nun im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen genauer beschrieben, in denen:

1 eine Seitenansicht einer gekühlten Halbleiterschalteranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
2 schräg von oben die gekühlte Halbleiterschalteranordnung gemäß 1 zeigt; und
3 eine Seitenansicht einer gekühlten Halbleiterschalteranordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist.

Genaue Beschreibung der Erfindung
Die gekühlte Halbleiterschalteranordnung gemäß 1 und 2 umfasst einen Kühler, sechs Halbleiterschaltmodule 4, fünf Sammelschienen, achtzehn Kondensatoren 6, und drei Drosselspulen 7.
Der Kühler umfasst einen Körperteil 2, der eine erste Oberfläche 21 und eine zweite Oberfläche 22 aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten des Körperteils 2 gelegen sind, und eine Vielzahl an Kühlrippen 3. Die Sammelschienen umfassen eine erste Gleichstrom-Sammelschiene 51, eine zweite Gleichstrom-Sammelschiene 52, und drei Wechselstrom-Sammelschienen 53.
Die Sammelschienen befinden sich in elektrisch leitendem Kontakt mit den Halbleiterschaltmodulen 4. Die Sammelschienen sind angepasst, elektrischen Strom aus dem Halbleiterschaltmodul 4 und in das Halbleiterschaltmodul 4 zu übertragen. Die Sammelschienen sind vom Kühler elektrisch isoliert. Die Wechselstrom-Sammelschienen 53 und die erste Gleichstrom-Sammelschiene 51 befinden sich in wärmeleitendem Kontakt mit einer ersten Oberfläche 21 des Körperteils 2 des Kühlers.
Die Sammelschienen sind aus Kupfer hergestellt. In alternativen Ausführungsformen sind die Sammelschienen aus Aluminium oder Legierungen hergestellt.
Jedes Halbleiterschaltmodul 4 befindet sich in wärmeleitendem Kontakt mit der ersten Oberfläche 21 des Körperteils 2 des Kühlers. Jedes Halbleiterschaltmodul 4 weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, die auf den gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterschaltmoduls 4 gelegen sind. Die Wechselstrom-Sammelschienen 53, die erste Gleichstrom-Sammelschiene 51, und die zweite Gleichstrom-Sammelschiene 52 sind mit der zweiten Oberfläche der Halbleiterschaltmodule 4 verbunden, wenn sich die erste Oberfläche der Halbleiterschaltmodule 4 in wärmeleitendem Kontakt mit der ersten Oberfläche 21 des Körperteils 2 des Kühlers befindet.
Jedes Halbleiterschaltmodul 4 umfasst eine Brückenschaltung einschließlich steuerbaren Halbleiterschaltern und ist angepasst, als ein Wechselrichter und ein Gleichrichter zu arbeiten. In alternativen Ausführungsformen umfasst das Halbleiterschaltmodul eine Brückenschaltung einschließlich steuerbaren Halbleiterschaltern, und ist angepasst, als ein Konverter zu arbeiten, um elektrische Energie von einer Form in eine andere umzuwandeln.
Die erste Oberfläche 21 des Körperteils 2 des Kühlers unterscheidet sich in der Form von eben, ist also nicht eben, dreidimensional. Die nicht ebene Form der ersten Oberfläche 21 des Körperteils 2 des Kühlers ermöglicht es, dass sich die Wechselstrom-Sammelschienen 53 und die erste Gleichstrom-Sammelschiene 51 in wärmeleitendem Kontakt mit der ersten Oberfläche 21 des Körperteils 2 des Kühlers befinden.
In alternativen Ausführungsformen befindet sich die erste Oberfläche des Körperteils des Kühlers in wärmeleitendem Kontakt mit sowohl mindestens einem Halbleiterschaltmodul als auch mindestens einer Sammelschiene. Auf diese Weise kann das Kühlen der Halbleiterschalteranordnung verstärkt und die erste Oberfläche des Körperteils des Kühlers besser für Wärmetransfer genutzt werden, verglichen mit einer Lösung, bei der das Halbleiterschaltmodul sich nur in wärmeleitendem Kontakt mit der ersten Oberfläche des Körperteils des Kühlers befindet.
Die Anschlüsse des Halbleiterschaltmoduls 4, durch die das Halbleiterschaltmodul 4 elektrisch mit den Sammelschienen verbunden ist, leiten Wärme zusammen mit Elektrizität. Das Kühlen der Anschlüsse des Halbleiterschaltmoduls 4, die mit den Sammelschienen verbunden sind, die sich in wärmeleitendem Kontakt mit der ersten Oberfläche 21 des Körperteils 2 des Kühlers befinden, ist aufgrund von Wärme verstärkt, die von den Anschlüssen zu den gekühlten Sammelschienen übergeht.
In einer Ausführungsform umfasst die erste Oberfläche des Körperteils des Kühlers eine Modulfläche, die eine Modulflächenebene definiert, und mindestens eine Busfläche, die eine Busflächenebene definiert. Mindestens ein Halbleiterschaltmodul befindet sich in wärmeleitendem Kontakt mit der Modulfläche, und mindestens eine Sammelschiene befindet sich in wärmeleitendem Kontakt mit mindestens einer Busfläche. Die Modulflächenebene und die Busflächenebene der ersten Oberfläche des Körperteils des Kühlers sind zueinander parallel und in einem Abstand voneinander angeordnet.
In der Halbleiterschalteranordnung der 1 und 2 umfasst die erste Oberfläche 21 des Körperteils 2 des Kühlers eine Modulfläche, mit der sich die Halbleiterschaltmodule 4 in wärmeleitendem Kontakt befinden, und zwei Busflächen, mit denen sich die Sammelschienen in wärmeleitendem Kontakt befinden. Die durch die Modulfläche definierte Modulflächenebene und die durch die Busflächen definierten entsprechenden Busflächenebenen sind zueinander parallel.
Wie in 1 gezeigt ist, ist die Modulflächenebene der ersten Oberfläche 21 des Körperteils 2 des Kühlers in vertikaler Richtung, dass heißt senkrecht zum Körperteil 2 des Kühlers, niedriger verglichen zu beiden Busflächen zueinander parallel, aber vertikal in verschiedenen Höhen. In anderen Worten ist die Modulflächenebene in einem Abstand von beiden Busflächenebenen angeordnet.
Der Körperteil 2 des Kühlers ist ein gleichförmiges Element. Die Kühlrippen 3 des Kühlers befinden sich in wärmeleitendem Kontakt mit der zweiten Oberfläche 22 des Körperteils 2. Die Kühlrippen 3 sind Vorsprünge, durch die Wärme an die Umgebungsluft übergeht. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Form der Kühlrippen frei gewählt werden.
In der Halbleiterschalteranordnung der 1 und 2 befinden sich die erste Gleichstrom-Sammelschiene 51 und die zweite Gleichstrom-Sammelschiene 52 in elektrisch leitendem Kontakt mit den Halbleiterschaltmodulen 4. Wie in 1 gezeigt ist, sind die erste Gleichstrom-Sammelschiene 51 und die zweite Gleichstrom-Sammelschiene 52 aufeinander in vertikaler Richtung angeordnet, dass heißt, in senkrechter Richtung bezogen auf die Ebenenrichtung des Körperteils 2 des Kühlers. Die erste Gleichstrom-Sammelschiene 51 befindet sich in wärmeleitendem Kontakt mit der ersten Oberfläche 21 des Körperteils 2 des Kühlers. In anderen Worten ist die erste Gleichstrom-Sammelschiene 51, was ihren zu kühlenden Abschnitt betrifft, gegen die erste Oberfläche 21 des Körperteils 2 des Kühlers.
Die zweite Gleichstrom-Sammelschiene 52 befindet sich nicht in wärmeleitendem Kontakt mit der ersten Oberfläche 21 des Körperteils 2 des Kühlers. In anderen Worten ist die zweite Gleichstrom-Sammelschiene 52 in einem Abstand vom Körperteil 2 des Kühlers angeordnet. Der Abstand zwischen der zweiten Gleichstrom-Sammelschiene 52 und dem Körperteil 2 des Kühlers bewirkt, dass der Wärmewiderstand zwischen der ersten Oberfläche 21 des Körperteils 2 des Kühlers und der zweiten Gleichstrom-Sammelschiene 52 höher ist als der Wärmewiderstand zwischen der ersten Oberfläche 21 des Körperteils 2 des Kühlers und der ersten Gleichstrom-Sammelschiene 51.
Die Querschnittsfläche der ersten Gleichstrom-Sammelschiene 51 ist kleiner als die der zweiten Gleichstrom-Sammelschiene 52. Die Verwendung einer kleineren Querschnittsfläche für die erste Gleichstrom-Sammelschiene 51 ist möglich, weil das Kühlen der ersten Gleichstrom-Sammelschiene 51 besser ist als das Kühlen der ersten Gleichstrom-Sammelschiene 52. Verwenden einer kleineren Querschnittsfläche in der ersten Gleichstrom-Sammelschiene 51 erzielt Materialeinsparungen.
Die Kondensatoren 6 sind elektrisch mit der ersten Gleichstrom-Sammelschiene 51 und der zweiten Gleichstrom-Sammelschiene 52 verbunden. Die Kondensatoren 6 sind zylinderförmig und so angeordnet, dass ihre Mittelachsen senkrecht zur Modulflächenebene sind.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer gekühlten Halbleiterschalteranordnung, die sich von der gekühlten Halbleiterschalteranordnung der 1 und 2 in der Gestaltung des Kühlers unterscheidet. Wie in 3 gesehen werden kann, befinden sich zusätzlich zu den Halbleiterschaltmodulen 4' nur die Wechselstrom-Sammelschienen 53' in wärmeleitendem Kontakt mit der ersten Oberfläche 21' des Körperteils 2' des Kühlers. Die erste Gleichstrom-Sammelschiene 51' und die zweite Gleichstrom-Sammelschiene 52' befinden sich nicht in wärmeleitendem Kontakt mit der ersten Oberfläche 21' des Körperteils 2' des Kühlers.
In der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist jede Drosselspule 7 elektrisch mit der entsprechenden Wechselstrom-Sammelschiene 53 verbunden. 3 zeigt die Drosselspulen nicht.
Die Form der zweiten Oberfläche 22 des Körperteils 2 des Kühlers ist nicht eben. Die Kühlrippen 3 befinden sich in Kontakt mit der zweiten Oberfläche 22 des Körperteils 2 des Kühlers durch die nicht ebene Kontaktoberfläche. In anderen Worten sind die Kühlrippen 3 so geformt, dass sie mit der Form der zweiten Oberfläche 22 übereinstimmen.
Die Kühlrippen 3 werden durch Laserschweißen an der zweiten Oberfläche 22 des Körperteils 2 des Kühlers befestigt. Laserschweißen erleichtert das Befestigen der Kühlrippen insbesondere in dem Fall, dass die zweite Oberfläche des Körperteils des Kühlers sich in der Form von eben unterscheidet und/oder die Form der Kühlrippen mehrdimensional ist.
Es wird einem Fachmann offensichtlich sein, dass die Grundidee der Erfindung auf viele verschiedene Weisen ausgeführt werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind daher nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern können innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche variieren.

Claims

Gekühlte Halbleiterschalteranordnung, die umfasst: einen Kühler, der einen Körperteil (2) umfasst, der eine erste Oberfläche (21) und eine zweite Oberfläche (22) aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des Körperteils (2) gelegen sind, und mindestens eine Kühlrippe (3), die sich in wärmeleitendem Kontakt mit der zweiten Oberfläche (22) des Körperteils (2) befindet; mindestens ein Halbleiterschaltmodul (4), das sich in wärmeleitendem Kontakt mit der ersten Oberfläche (21) des Körperteils (2) des Kühlers befindet; mindestens eine Sammelschiene, die sich in elektrisch leitendem Kontakt mit mindestens einem Halbleiterschaltmodul (4) befindet; dadurch gekennzeichnet, dass: die erste Oberfläche (21) des Körperteils (2) des Kühlers in der Form nicht eben ist; und mindestens eine Sammelschiene sich in wärmeleitendem Kontakt mit der ersten Oberfläche (21) des Körperteils (2) des Kühlers befindet.
Gekühlte Halbleiterschalteranordnung wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sammelschiene eine erste Gleichstrom-Sammelschiene (51) umfasst.
Gekühlte Halbleiterschalteranordnung wie in Anspruch 2 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalteranordnung eine zweite Gleichstrom-Sammelschiene (52) umfasst, die von der ersten Gleichstrom-Sammelschiene (51) elektrisch isoliert und so angeordnet ist, dass der Wärmewiderstand zwischen der ersten Oberfläche (21) des Körperteils (2) des Kühlers und der zweiten Gleichstrom-Sammelschiene (52) höher ist als der Wärmewiderstand zwischen der ersten Oberfläche (21) des Körperteils (2) des Kühlers und der ersten Gleichstrom-Sammelschiene (51).
Gekühlte Halbleiterschalteranordnung wie in Anspruch 3 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gleichstrom-Sammelschiene (52) in einem Abstand vom Körperteil (2) des Kühlers angeordnet ist.
Gekühlte Halbleiterschalteranordnung wie in Anspruch 3 oder 4 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der ersten Gleichstrom-Sammelschiene (51) kleiner ist als die der zweiten Gleichstrom-Sammelschiene (52).
Gekühlte Halbleiterschalteranordnung wie in einem beliebigen der Ansprüche 3-5 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren mindestens einen Kondensator (6) umfasst, der elektrisch mit der ersten Gleichstrom-Sammelschiene (51) und der zweiten Gleichstrom-Sammelschiene (52) verbunden ist.
Gekühlte Halbleiterschalteranordnung wie in einem beliebigen der voranstehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sammelschiene mindestens eine Wechselstrom-Sammelschiene (53) umfasst.
Gekühlte Halbleiterschalteranordnung wie in Anspruch 7 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die gekühlte Halbleiterschalteranordnung mindestens eine Drosselspule (7) umfasst, die elektrisch mit mindestens einer Wechselstrom-Sammelschiene (53) verbunden ist.
Gekühlte Halbleiterschalteranordnung wie in einem beliebigen der voranstehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oberfläche (22) des Körperteils (2) des Kühlers in der Form nicht eben ist.
Gekühlte Halbleiterschalteranordnung wie in einem beliebigen der voranstehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kühlrippe (3) durch Laserschweißen an der zweiten Oberfläche (22) des Körperteils (2) des Kühlers befestigt ist.