DE4244721A1 - Electrical machine with fluid-cooled semiconductor elements - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit fluidgekühlten Halbleiter-Ventilen.The invention relates to an electrical machine fluid-cooled semiconductor valves.
Zur Steuerung elektrischer Geräte und Maschinen werden in großem Umfang Halbleiterventile eingesetzt. Maßgebend für die Art des einzusetzenden Ventils ist einerseits die Größe der zu steuernden Leistung und andererseits die maximale Betriebsfrequenz. Thyristoren und Triacs werden bei Netzfrequenz, d. h. in der Größenordnung von 50 Hz, eingesetzt und erlauben Leistungssteuerungen bis in der Größenordnung von 10 Megawatt. Für eine Vielzahl Anwen dungsfälle, insbesondere bei der Steuerung elektrischer Maschinen, werden jedoch höhere Schaltfrequenzen bis nahe an den Mega-Hertz-Bereich gefordert. Für Anwendungsfälle dieser Art werden Leistungstransistoren eingesetzt. Im Frequenzbereich um 10 kHz bei Leistungen in der Größen ordnung zwischen 10 und 100 kW können BIMOS-Leistungs transistoren und IGBT-Leistungstransistoren (Insulated Gate Bipolar Transistor) eingesetzt werden. Zu höheren Frequenzen hin, jedoch bei niedrigeren Leistungen, werden üblicherweise MOSFET-Leistungstransistoren eingesetzt.To control electrical devices and machines are in large scale semiconductor valves used. Relevant for the type of valve to be used is the one Size of the power to be controlled and on the other hand the maximum operating frequency. Thyristors and triacs at mains frequency, d. H. in the order of 50 Hz, used and allow power controls up to The order of 10 megawatts. For a variety of applications cases, especially in the control of electrical Machines, however, have higher switching frequencies up to close to the mega hertz range. For use cases power transistors of this type are used. in the Frequency range around 10 kHz with powers in sizes Order between 10 and 100 kW can BIMOS power transistors and IGBT power transistors (insulated Gate bipolar transistor) can be used. To higher ones Frequencies, but at lower powers usually used MOSFET power transistors.
Leistungshalbleiterelemente müssen gekühlt werden. Im aktiven Bereich des Halbleiterelements dürfen die Tempe raturen nicht über verhältnismäßig niedrige Temperatur werte hinaus ansteigen. Die Verlustwärme muß nicht nur durch das Halbleitersubstrat hindurch abgeführt werden, sondern auch durch Elektrodenplattierungen und mehr schichtige Trägerplatten, auf die das Halbleitersubstrat aufgebracht ist. Bei Leistungstransistoren der vorstehend erläuterten Art ist das Halbleitersubstrat zumindest auf einer Seite flächig mit einer den gesamten aktiven Be reich des Substrats überlappenden, je nach Typ den Kol lektor oder die Drain-Elektrode bildenden Basis-Metall plattierung versehen. Die übrigen Elektroden des Transi stors, also Basis und Emitter oder Gate- bzw. Source- Elektrode, sind auf der gegenüberliegenden Flachseite des Halbleitersubstrats zugänglich. Bei herkömmlichen Lei stungstransistoren schließt an die flächige Basis-Metall plattierung eine fluidgekühlte Kühlkörperanordnung an, die die Verlustwärme des aktiven Bereichs des Transistors durch das Halbleitersubstrat und die Basis-Metallplattie rung hindurch abführt. Da die Temperatur im aktiven Bereich gleichmäßig innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte gehalten werden muß, kommt es darauf an, daß die Kühlkör peranordnung flächig mit gleichmäßigen Wärmeübergangsei genschaften an das Halbleitersubstrat des Halbleiterele ments anschließt. Ein direkter Anschluß des Kühlkörpers an das Halbleitersubstrat ist angesichts der hohen Span nungen (1000 V und mehr) und hohen Ströme (beispielsweise 100 Ampere) in der Regel nicht möglich, so daß das Halb leitersubstrat auf einem Isolierträger aufgebracht werden muß, über den bei bisherigen Leistungstransistoranordnun gen die Verlustwärme aus dem Halbleiterelement in die Kühlanordnung abgeleitet werden muß. So ist es üblich, das Halbleiterelement auf einer beidseitig kupferplat tierten Keramikplatte aufzubringen und die Keramikplatte mit der dem Halbleiterelement fernen Seite auf eine Trägerplatte, zum Beispiel aus Stahl, aufzulöten. Die Stahlplatte wird ihrerseits mit einer Zwischenschicht einer Wärmeleitpaste auf das beispielsweise wassergekühl te Kühlelement aufgesetzt.Power semiconductor elements have to be cooled. in the active area of the semiconductor element, the tempe temperatures do not exceed relatively low temperatures values increase. The heat loss must not only are dissipated through the semiconductor substrate, but also through electrode plating and more layered carrier plates on which the semiconductor substrate is applied. For power transistors of the above explained type, the semiconductor substrate is at least on one side with the entire active loading overlapping of the substrate, depending on the type, the col detector or base metal forming the drain electrode provided with plating. The remaining electrodes of the Transi stors, i.e. base and emitter or gate or source Electrode, are on the opposite flat side of the Semiconductor substrate accessible. With conventional lei The transistor connects to the flat base metal plating a fluid-cooled heat sink assembly, which is the heat loss of the active area of the transistor through the semiconductor substrate and the base metal plate leads through. Because the temperature in the active Range evenly within the specified limit values must be kept, it is important that the heat sink flat arrangement with uniform heat transfer egg properties to the semiconductor substrate of the semiconductor element joins. A direct connection of the heat sink to the semiconductor substrate is given the high span voltages (1000 V and more) and high currents (for example 100 amps) usually not possible, so the half conductor substrate are applied to an insulating substrate must, over the previous power transistor arrangement against the heat loss from the semiconductor element in the Cooling arrangement must be derived. So it is common the semiconductor element on a copper plate on both sides Apply ceramic plate and the ceramic plate with the side remote from the semiconductor element on a Bracket, for example made of steel, to be soldered. The Steel plate is in turn with an intermediate layer a thermal paste on the water-cooled, for example te cooling element attached.
Geeignete Kühlkörperanordnungen sind beispielsweise aus EP-A-447 835 bekannt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Schaltleistungskapazität von Leistungstransistoren vielfach nicht vollständig ausge nutzt werden kann, oder aber es zu Ausfällen von Lei stungstransistoren kommt, wenn in der die Keramikplatte mit der Stahlplatte verbindenden Lötschicht oder in der Wärmeleitpastenbeschichtung Inhomogenitäten verbleiben, die zu einer lokalen Überhitzung des Halbleiterelements und damit zur Zerstörung des Transistors führen können.Suitable heat sink arrangements are known for example from EP-A-447 835. It has However, it has been shown that the switching power capacity of Power transistors are often not completely out can be used, or it can lead to failures of lei The transistor comes when the ceramic plate with the steel plate connecting solder layer or in the Thermal paste coating inhomogeneities remain, that leads to local overheating of the semiconductor element and can lead to the destruction of the transistor.
Zur Verbesserung der Kühlwirkung von Leistungstransisto ren ist es bekannt, die auf der substratfernen Seite angeschlossenen Zuleitungsbänder mit Kühlkörpern zu versehen, die die Kühlung des aktiven Bereichs des Halb leiterelements verstärken (EP-A-252 429 und EP-A-449 435). Gleichfalls ist es bekannt (EP-A-260 370), auf der von der aktiven Fläche fernen Flachseite des Halbleiter elements einen mit Kühlrippen versehenen Kühlkörper stoffschlüssig anzubringen und die Kühlrippen einer Kühlluftströmung auszusetzen.To improve the cooling effect of power transisto ren, it is known that on the side remote from the substrate connected supply strips with heat sinks provided the cooling of the active area of the half reinforce the conductor element (EP-A-252 429 and EP-A-449 435). It is also known (EP-A-260 370) on which flat side of the semiconductor remote from the active surface elements a heat sink with cooling fins attach cohesively and the cooling fins one Suspend cooling air flow.
Schließlich ist es aus der DE-A-41 01 205 bekannt, das plattenförmige Halbleiterelement einer Leistungsdiode bzw. eines Leistungsthyristors in einem Kühlfluidkanal anzuordnen und beidseitig durch nachgiebige Kontaktbür sten zu kontaktieren. Die Kontaktbürsten bestehen jeweils aus einer Vielzahl einzelner untereinander paralleler Drahtstücke, die durch das am Halbleiterelement entlang strömende Kühlfluid gekühlt werden. Die Kontaktbürsten erlauben jedoch keine flächige Wärmeabfuhr, wie sie für die Kühlung des Halbleiterelements eines Leistungstransi stors erforderlich wäre. Als Kühlfluid wird in DE-A- 41 01 205 Wasser, Luft, Öl oder ein kohlenwasserstoffhal tiges Kühlmittel vorgeschlagen.Finally, it is known from DE-A-41 01 205 the plate-shaped semiconductor element of a power diode or a power thyristor in a cooling fluid channel to arrange and on both sides by compliant contact to contact. The contact brushes are made in each case from a multitude of individual ones parallel to each other Pieces of wire passing through the along the semiconductor element flowing cooling fluid to be cooled. The contact brushes However, do not allow flat heat dissipation, as for cooling the semiconductor element of a power transmission would be required. As cooling fluid in DE-A- 41 01 205 water, air, oil or a hydrocarbon term coolant proposed.
Bei herkömmlichen, von elektrischen Ventilen gesteuerten elektrischen Geräten oder Maschinen sind die elektrischen Ventile in der Regel gesondert von dem zu steuernden elektrischen Gerät angeordnet, und für die Kühlung der Ventile einerseits und des Geräts andererseits sind in der Regel gesonderte Kühlkreisläufe vorgesehen. Dies trifft insbesondere für elektrische Maschinen, d. h. elektrische Generatoren oder Motoren zu, die über elek trische Ventile geschaltet und/oder kommutiert werden sollen. Kompakte elektrische Maschinen hoher Leistungs dichte sind erforderlich, wenn sie zum Antrieb von Fahr zeugen, beispielsweise Kraftfahrzeugen, eingesetzt wer den, wie dies zum Beispiel in P. Ehrhart "Das elektrische Getriebe von Magnet-Motor für PKW und Omnibusse" VDI Berichte Nr. 178, 1991, Seiten 611 bis 622, beschrieben ist. Für solche Anwendungsfälle geeignete Motoren sind beispielsweise aus der EP-A-159 005 bekannt; Steuerschal tungen für solche Motoren sind in der EP-A-340 686 be schrieben. Derartige Motoren haben beispielsweise eine Leistung von mehreren 100 kW bei einer Betriebsspannung von etwa 1000 V und entsprechenden Strömen.In conventional, controlled by electric valves electrical devices or machines are the electrical ones Valves usually separate from the one to be controlled electrical device arranged, and for cooling the Valves on the one hand and the device on the other are in usually separate cooling circuits are provided. This especially applies to electrical machines, d. H. electrical generators or motors too, which have elec trical valves are switched and / or commutated should. Compact high-performance electrical machines densities are required if they are used to drive driving witness, for example motor vehicles, who used the, as for example in P. Ehrhart "The electrical Gearbox of magnetic motor for cars and buses "VDI Reports No. 178, 1991, pages 611 to 622 is. Suitable motors for such applications known for example from EP-A-159 005; Control scarf Lines for such motors are in EP-A-340 686 be wrote. Such motors have, for example Power of several 100 kW at an operating voltage of about 1000 V and corresponding currents.
Es ist Aufgabe der Erfindung, den Platzbedarf einer elektrischen Maschine, bei der es sich um einen Generator oder einen Motor, insbesondere für die Verwendung in einem Fahrzeugantrieb handeln kann, weiter zu verringern und zugleich das Betriebsverhalten der Maschine zu ver bessern.It is an object of the invention to take up the space electrical machine, which is a generator or an engine, especially for use in a vehicle drive can act to further reduce and at the same time ver the operating behavior of the machine improve.
Ausgehend von einer elektrischen Maschine, deren Feld wicklungen an von einer Steuerschaltung steuerbare Halb leiter-Ventile, insbesondere in Form von Leistungstransi storen angeschlossen sind, wird dieses Ziel dadurch er reicht, daß die Feldwicklung in Wärmetauschkontakt mit einer Fluid-Kühlanordnung steht, in deren zu einer Bau einheit mit den Feldwicklungen vereinigten Kühlfluidkanal die Kühlanordnung eine Zwangsströmung eines Kühlfluids, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, erzeugt und daß die Halbleiterventile ebenfalls Bestandteil der Baueinheit sind und mit dem Kühlfluid in dem Kühlfluidkanal gleich falls in Wärmetauschkontakt steht. Die Halbleiterventile sind damit in die elektrische Maschine integriert und werden gemeinsam gekühlt. Die Halbleiterventile können kompakter aufgebaut werden als bisher üblich. Die räumli che Nähe der zu schaltenden Feldwicklungen zu den Halb leiterventilen mindert darüber hinaus Zuleitungsindukti vitäten beträchtlich, was die Schaltgeschwindigkeit der Halbleiterventile erhöht und dadurch das Betriebsverhal ten der elektrischen Maschine verbessert.Starting from an electrical machine whose field Windings on half controllable by a control circuit ladder valves, especially in the form of power transfers are connected to this goal is sufficient for the field winding to be in heat exchange contact with is a fluid cooling assembly, in their construction Cooling fluid channel integrated with the field windings the cooling arrangement a forced flow of a cooling fluid, especially a coolant, and that the Semiconductor valves also part of the assembly are the same as the cooling fluid in the cooling fluid channel if in heat exchange contact. The semiconductor valves are thus integrated in the electrical machine and are cooled together. The semiconductor valves can be more compact than usual. The spatial che proximity of the field windings to be switched to the half Conductor valves also reduce supply inductances vities considerably what the switching speed of the Semiconductor valves increased and thereby the operating behavior electrical machine.
In einer bevorzugten Ausgestaltung bilden die Feldwick lungen der elektrischen Maschine eine Statorwicklung und sind in Umfangsrichtung des Stators verteilt angeordnet, wie dies beispielsweise in der EP-A-159 005 beschrieben ist. Um die Zuleitungen möglichst kurz zu halten, sind die Halbleiterventile an dem Stator in räumlicher Nach barschaft der mit ihnen verbundenen Feldwicklung bzw. Feldwicklungen angeordnet.In a preferred embodiment, the field wick form lungs of the electrical machine a stator winding and are distributed in the circumferential direction of the stator, as described for example in EP-A-159 005 is. To keep the supply lines as short as possible, the semiconductor valves on the stator in spatial after the field development associated with them or Field windings arranged.
Der Stator der zweckmäßigerweise einen Permanentmagnet rotor, insbesondere einen Permanentmagnet-Außenrotor umfassenden Maschine hat bevorzugt ein die Feldwicklungen tragendes Blechpaket mit einer zentrischen Aussparung, in der zumindest ein Teil der Halbleiterventile angeordnet ist. Dementsprechend verlaufen auch Teile des Kühlfluid kanals durch diese Aussparung. Zumindest ein Teil der Halbleiterventile kann jedoch auch im Bereich einer axialen Stirnwand des Stators in Wärmetauschkontakt mit in diesem Bereich verlaufenden Teilen des Kühlfluidkanals stehen. In beiden Fällen kann ohnehin vorhandener Bauraum oder aber ohnehin bereits für Teile des Kühlfluidkanals genutzter Bauraum zur Unterbringung der Halbleiterventile ausgenutzt werden. Die Anordnung sollte jedoch so getrof fen sein, daß die Feldwicklungen in Strömungsrichtung des Kühlfluids hinter den Halbleiterventilen in Wärmetausch kontakt mit dem Kühlfluid stehen, um die Kühlung der Halbleiterventile vorrangig sicherzustellen.The stator expediently a permanent magnet rotor, in particular a permanent magnet outer rotor machine comprising preferably has the field windings load-bearing laminated core with a central recess, in the at least part of the semiconductor valves arranged is. Parts of the cooling fluid also run accordingly channel through this recess. At least part of the However, semiconductor valves can also be in the range of one axial end wall of the stator in heat exchange contact with parts of the cooling fluid channel running in this area stand. In both cases, there is already space available or already for parts of the cooling fluid channel anyway space used to accommodate the semiconductor valves be exploited. The arrangement should be so fen be that the field windings in the direction of flow of Cooling fluids behind the semiconductor valves in heat exchange contact with the cooling fluid to cool the Ensure priority for semiconductor valves.
Bei den Halbleiterventilen der vorstehend erläuterten elektrischen Maschine handelt es sich bevorzugt um fluid gekühlte Leistungstransistoranordnungen. Um zuverlässiger als bisher für eine gleichmäßige Kühlung des Halbleiter elements der Leistungstransistoranordnung der Maschine zu sorgen, werden bevorzugt Leistungstransistoranordnungen vorgesehen, welche umfassen:In the semiconductor valves of the above electrical machine is preferably fluid cooled power transistor devices. To be more reliable than before for a uniform cooling of the semiconductor elements of the power transistor arrangement of the machine worry, power transistor arrangements are preferred provided which include:
- - ein plattenförmiges Transistor-Halbleiterelement, das auf einer ersten seiner Flachseiten eine die gesamte Flachseite abdeckende, geschlossenflächig stoffschlüs sig an mit dem Halbleiterelement verbundene Metallelek trode und auf seiner zweiten Flachseite mehrere im Abstand voneinander stoffschlüssig an dem Halbleiter element angebrachte Anschlüsse trägt,- A plate-shaped transistor semiconductor element, the on a first of its flat sides the whole Flat side covering, closed surface material cohesion sig on metal electrode connected to the semiconductor element trode and several on its second flat side Distance from each other cohesively on the semiconductor element attached connections,
- - einen in Richtung der ersten Flachseite über das Halb leiterelement vorstehenden, elektrisch isolierenden Isolierträger, an dem das Halbleiterelement mit dem Isolierträger zugewandter erster Flachseite gehalten ist und- one towards the first flat side across the half conductor element protruding, electrically insulating Insulator on which the semiconductor element with the Insulation carrier facing first flat side held is and
- - eine in Wärmeübertragungskontakt mit zumindest einer der Flachseiten des Halbleiterelements stehende Fluid- Kühlanordnung mit einem Kühlfluidkanal und Mitteln zur Erzeugung einer Zwangsströmung eines Kühlfluids in dem Kühlfluidkanal, wobei insbesondere vorgesehen ist, daß der Isolierträger oder/und das Halbleiterele ment mit einer seiner gegebenenfalls mit einer Schutzbe schichtung versehenen Flachseiten direkt der Kühlfluid- Zwangsströmung in dem Kühlfluidkanal ausgesetzt ist.- One in heat transfer contact with at least one of the flat sides of the semiconductor element Cooling arrangement with a cooling fluid channel and means for Generating a forced flow of a cooling fluid in the Cooling fluid channel, in particular providing that the insulating support and / or the semiconductor element ment with one of its, if necessary, with a protective cover layered flat sides directly the cooling fluid Forced flow in the cooling fluid channel is exposed.
Dieser Ausgestaltung liegt die Idee zugrunde, die bei herkömmlichen Leistungstransistoren für die Befestigung am Kühlkörper vorgesehenen Trägerplatten bis auf den für den Betrieb erforderlichen Isolierträger wegzulassen und statt dessen den Isolierträger bzw. das gegebenen falls mit einer dünnen Schutzbeschichtung versehene Halbleiterelement direkt und über seine gesamte Flachsei tenfläche dem Kühlfluid auszusetzen. Auf diese Weise läßt sich eine gleichmäßige Kühlung des Halbleiterele ments erreichen, da stoffschlüssige Verbindungen zwi schen aufeinanderfolgenden Materialschichten, beispiels weise von Trägerplatten oder dergleichen, auf ein Minimum beschränkt sind. Bei dem Kühlfluid kann es sich um ein Gas, vorzugsweise ein unter Druck stehendes Gas, wie zum Beispiel Stickstoff, oder eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser oder Öl, speziell Öl auf Mineralbasis oder Paraffinbasis, oder ein synthetisches Öl handeln; es kann sich aber auch um ein Zwei-Phasen-Fluid, vorzugswei se ein Kältemittel oder CO2 handeln.This embodiment is based on the idea of omitting the carrier plates provided in conventional power transistors for fastening to the heat sink except for the insulating carrier required for operation and instead of the insulating carrier or, if appropriate, provided with a thin protective coating, the semiconductor element directly and over its entire flat surface exposed to the cooling fluid. In this way, uniform cooling of the semiconductor element can be achieved since cohesive connections between consecutive layers of material, for example of carrier plates or the like, are limited to a minimum. The cooling fluid can be a gas, preferably a pressurized gas, such as nitrogen, or a liquid, such as water or oil, especially mineral-based or paraffin-based oil, or a synthetic oil; but it can also be a two-phase fluid, preferably a refrigerant or CO 2 .
Diese Idee ist speziell für IGBT-Leistungstransistoren geeignet, jedoch auch für MOSFET-Leistungstransistoren, die bei hohen Betriebsfrequenzen Leistungen im Bereich von 100 kW und mehr und insbesondere Ströme von 5-100 A bei Spannungen von 100-1000 V schalten können.This idea is especially for IGBT power transistors suitable, but also for MOSFET power transistors, the services in the area at high operating frequencies of 100 kW and more and especially currents of 5-100 A can switch at voltages of 100-1000 V.
Der Isolierträger wird wie bisher zur Befestigung des Halbleiterelements ausgenutzt. Bei dem Isolierträger kann es sich um eine Trägerplatte aus Isoliermaterial, insbe sondere Keramik handeln, an der das Halbleiterelement mit seiner Metallelektrode geschlossenflächig, stoffschlüssig angebracht ist. Alternativ kann der Isolierträger aber auch als zumindest auf einer Flachseite mit einer Iso lierschicht versehene Metallplatte ausgebildet sein, also beispielsweise als mit einer isolierenden Oxidschicht versehene Metallplatte ausgebildet sein. Die letztgenann te Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Metallplatte zugleich integral die Metallelektrode bildet.The insulating support is used to attach the Utilized semiconductor element. With the insulating support can it is a carrier plate made of insulating material, in particular act special ceramics on which the semiconductor element its metal electrode closed surface, cohesive is appropriate. Alternatively, the insulating support can also as at least on a flat side with an iso lierschicht provided metal plate be formed, so for example as with an insulating oxide layer provided metal plate may be formed. The latter te configuration is particularly advantageous if the metal plate at the same time integrally the metal electrode forms.
Das Halbleiterelement kann vollständig in dem Kühlfluid kanal angeordnet sein, so daß das Kühlfluid sowohl auf der Seite des zweckmäßigerweise als Platte ausgebildeten Isolierträgers als auch auf der dem Isolierträger abge wandten Seite des Halbleiterelements kühlend entlang strömt. In einer bevorzugten Ausgestaltung mit einem plattenförmigen Isolierträger ist jedoch vorgesehen, daß der Isolierträger eine Wand des Kühlfluidkanals bildet. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Isolierträger mehrere Halbleiterelemente neben einander, insbesondere in Richtung der Kühlfluid-Zwangs strömung hintereinander angeordnet gemeinsam trägt, da sich auf diese Weise mehrere elektrische Ventile, bei spielsweise in Form von ein oder mehreren Halb- oder Vollbrücken modulartig aufbauen lassen. Zu besonders einfachen Lösungen gelangt man, wenn zumindest zwei sich gegenüberliegende Wände des Kühlfluidkanals durch plat tenförmige, jeweils wenigstens ein Halbleiterelement tragende Isolierträger gebildet sind. Um eine gleichmäßi ge Kühlung und Wärmedehnung zu erreichen, tragen die beiden sich gegenüberliegenden Isolierträger bevorzugt eine gleiche Anzahl Halbleiterelemente. In der einfach sten Ausgestaltung genügt es, wenn die sich gegenüberlie genden Isolierträger durch Dichtleisten zu einem in Umfangsrichtung geschlossenen Kühlfluidkanal verbunden sind.The semiconductor element can completely in the cooling fluid can be arranged so that the cooling fluid both on the side of the suitably designed as a plate Insulating carrier as well as on the insulating carrier cooling side along the side of the semiconductor element flows. In a preferred embodiment with a plate-shaped insulating support is provided, however, that the insulating support forms a wall of the cooling fluid channel. This configuration is particularly useful if the insulating support has several semiconductor elements next to it each other, especially in the direction of the cooling fluid constraint flow arranged one behind the other, because this way several electrical valves, at for example in the form of one or more half or Have full bridges built in modules. Too special simple solutions can be achieved if at least two are opposite walls of the cooling fluid channel through plat ten-shaped, at least one semiconductor element load-bearing insulating supports are formed. To ensure an even To achieve cooling and thermal expansion, the preferred two opposite insulating supports an equal number of semiconductor elements. In the simple Most configuration is sufficient if the opposing insulating carrier through sealing strips to an in Circumferential direction closed cooling fluid channel connected are.
Bei den vorstehend erläuterten Ausgestaltungen, bei welchen die Isolierträger Wände des Kühlfluidkanals bilden, können die Halbleiterelemente auf der Innenseite des Kühlfluidkanals oder auch auf der Außenseite angeord net sein, wobei letztere Gestaltung den Vorteil hat, daß sie leichter angeschlossen werden kann.In the embodiments explained above, at which the insulating support walls of the cooling fluid channel can form the semiconductor elements on the inside of the cooling fluid channel or also arranged on the outside be net, the latter design has the advantage that it can be connected more easily.
Bei herkömmlichen Leistungstransistoren überlappt der üblicherweise plattenförmige Isolierträger geschlossen flächig das Halbleiterelement. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann im Gegensatz zu Isolier trägern herkömmlicher Leistungstransistoren der Isolier träger auch so ausgebildet sein, daß er nur partiell mit dem Halbleiterelement überlappt, vorzugsweise gerade so viel, daß das Halbleiterelement dauerhaft an dem Isolier träger befestigt werden kann. Dies hat den Vorteil, daß auch die mit der Metallelektrode versehene Flachseite des Halbleiterelements ohne Zwischenschaltung des Isolierträ gers unmittelbar der Kühlfluidströmung ausgesetzt werden kann. Als Isolierträger werden damit Wände des Kühlfluid kanals ausgenutzt. Der Isolierträger, bei dem es sich wiederum um eine Isoliermaterial-Platte handeln kann, ist mit einer durchgehenden Aussparung versehen, an deren Rändern das Halbleiterelement befestigt ist, und zumin dest mit seiner ersten Flachseite durch die Aussparung hindurch der Kühlfluidströmung ausgesetzt ist. Insbeson dere kann der Isolierträger quer zur ersten Flachseite des Halbleiterelements verlaufende Seitenwände des Kühlfluidkanals bilden, beispielsweise in der Form, daß der Isolierträger zumindest im Bereich der Aussparung im wesentlichen U-förmigen Querschnitt hat, so daß an den Rändern der durch den U-förmigen Querschnitt gebildeten Schenkel das Halbleiterelement aufsitzt.In conventional power transistors, the overlaps usually closed plate-shaped insulating supports flat the semiconductor element. In a preferred one Embodiment of the invention can be in contrast to Isolier carriers of conventional power transistors of the insulation carrier should also be designed so that it only partially with overlaps the semiconductor element, preferably just so much that the semiconductor element permanently on the insulator carrier can be attached. This has the advantage that also the flat side of the metal electrode Semiconductor element without interposing the Isolierträ gers are directly exposed to the cooling fluid flow can. Walls of the cooling fluid are thus used as insulating supports channel exploited. The insulator that it is can in turn be an insulating material plate provided with a continuous recess, at the Edges the semiconductor element is attached, and at least least with its first flat side through the recess exposed to the flow of cooling fluid. In particular the insulating support can do this transversely to the first flat side of the semiconductor element extending side walls of the Form cooling fluid channel, for example in the form that the insulating support at least in the area of Has recess essentially U-shaped cross-section, so that on the edges of the through the U-shaped cross section formed leg sits on the semiconductor element.
Es versteht sich, daß auch in der Ausgestaltung, bei welcher der Isolierträger lediglich teilweise mit den Flachseiten des Halbleiterelements überlappt, mehrere der Halbleiterelemente an einem gemeinsamen Isolierträger zu einem Modul zusammengefaßt werden könnten. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß der Isolierträger als Profilkörper ausgebildet ist, der wenigstens ein oder mehrere in Strömungsrichtung des Kühlfluids hintereinan der angeordnete Halbleiterelemente trägt, von denen jedes zumindest einen Leistungstransistor umfaßt. Der zur Bildung des Kühlfluidkanals ausgenutzte Isolierträger kann neben den quer zum Halbleiterelement verlaufenden Seitenwänden des Kühlfluidkanals auch Teile der in der Ebene des Halbleiterelements verlaufenden Wände bilden.It is understood that also in the design, at which of the insulating supports only partially with the Flat sides of the semiconductor element overlap, several of the Semiconductor elements on a common insulating support could be summarized in one module. This can happen, for example, in that the insulating support is designed as a profile body, the at least one or several in the direction of flow of the cooling fluid which carries arranged semiconductor elements, each of which comprises at least one power transistor. The for Formation of the cooling fluid channel used insulating carrier can in addition to those running transverse to the semiconductor element Side walls of the cooling fluid channel also parts of the in the Form plane of the semiconductor element extending walls.
Bei der vorstehend erläuterten Ausgestaltung können die Halbleiterelemente jeweils für sich und voneinander gesondert an dem Profilkörper befestigt sein. Nachdem die Halbleiterelemente jedoch entsprechend herkömmlichen Herstellungsverfahren in größerer Anzahl auf einem ge meinsamen Halbleitersubstrat hergestellt werden, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, daß jeweils mehrere einteilig miteinander verbundene Halbleiterele mente an dem Profilkörper befestigt werden. Dies erleich tern die Abdichtung des Kühlfluidkanals.In the embodiment explained above, the Semiconductor elements each for themselves and from each other be attached separately to the profile body. after the However, semiconductor elements according to conventional ones Manufacturing process in large numbers on a ge common semiconductor substrate is manufactured is in a preferred embodiment provided that each several semiconductor elements connected in one piece elements are attached to the profile body. This facilitates tern the seal of the cooling fluid channel.
Eine besonders einfache Ausgestaltung, bei welcher mehre re Halbleiterelemente zu einem Modul zusammengefaßt werden können, sieht vor, daß zumindest zwei sich gegen überliegende Wände des Kühlfluidkanals im wesentli chen vollständig durch jeweils wenigstens ein Halbleiter element gebildet sind und die sich gegenüberliegenden Halbleiterelemente durch Dichtleisten zu einem in Um fangsrichtung geschlossenen Kühlfluidkanal verbunden sind. Die Dichtleisten können durch Wände gebildet sein, die gegebenenfalls in ihrer Höhe die Breite der Halblei terelement übertreffen; bei den Dichtleisten kann es sich aber auch um vergleichsweise flache Leisten handeln.A particularly simple embodiment in which more re semiconductor elements combined into a module provides that at least two oppose each other overlying walls of the cooling fluid channel in essence chen completely by at least one semiconductor element are formed and the opposite Semiconductor elements through sealing strips to one in um direction closed cooling fluid channel connected are. The sealing strips can be formed by walls, which may be the width of the half lead in height surpass the element; it can happen with the sealing strips but also deal with comparatively flat strips.
Bei der Kühlfluidströmung handelt es sich um eine Zwangs strömung, um einen hinreichenden Wärmetransport zu ge währleisten. Um eine Verschmutzung oder Kontaminierung des Halbleiterelements oder des Isolierträgers zu verhin dern, umfaßt die Fluid-Kühlanordnung zweckmäßigerweise einen geschlossenen Kühlfluidkreislauf, in welchem das Kühlfluid nacheinander durch den Kühlfluidkanal und einen Kühler, d. h. einen die Wärme abgebenden Wärmetauscher, zirkuliert. Soweit als Kühlfluid ein Zwei-Phasen-Fluid benutzt wird, umfaßt der Kühlfluidkreislauf bevorzugt einen Verdampfer und einen Kondensator, wobei der Kühl kanal den Verdampfer bildet. Eine solche nach Art einer Wärmepumpe arbeitende Anordnung erlaubt auch bei geringe rer Fluidströmung hinreichende Kühlung.The cooling fluid flow is forced flow to ensure adequate heat transfer guarantee. To pollution or contamination to prevent the semiconductor element or the insulating support the fluid cooling arrangement expediently comprises a closed cooling fluid circuit in which the Cooling fluid in succession through the cooling fluid channel and one Cooler, d. H. a heat exchanger that emits heat, circulates. So much for the cooling fluid, a two-phase fluid is used, the cooling fluid circuit preferably comprises an evaporator and a condenser, the cooling channel forms the evaporator. Such a kind Heat pump working arrangement allows even at low Adequate cooling of the fluid flow.
Insbesondere bei Isolierträgern, die vollflächig mit dem Halbleiterelement verbunden sind, kann die Kühlleistung erhöht werden, wenn der Isolierträger auf seiner dem Halbleiterelement abgewandten, der Kühlfluidströmung ausgesetzten Seite mit einer seine Wärmetauschfläche vergrößernden Struktur, insbesondere Rippen oder Vor sprüngen, versehen ist. Soweit im Vorstehenden von plat tenförmigen Isolierträgern die Rede ist, sollen derartige Strukturen jeweils mit eingeschlossen sein.Especially with insulation supports that cover the entire surface with the Semiconductor element connected, the cooling capacity be increased if the insulating support on its the Semiconductor element facing away from the cooling fluid flow exposed side with a its heat exchange surface enlarging structure, especially ribs or front jump, is provided. As far as in the foregoing from plat ten-shaped insulating supports is said to be Structures should be included.
Die Verwendung von Rippen oder dergleichen zur Vergröße rung der Wärmetauschflächen bei Kühlanordnungen, wie zum Beispiel Kühlkörpern oder dergleichen, ist bekannt. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung betrifft Maßnahmen, durch die die Kühlleistung der Fluid-Kühlanordnung erhöht werden kann. Eine solche Fluid-Kühlanordnung kann nicht nur bei einer Leistungstransistoranordnung der vorstehend erläuterten Art eingesetzt werden, sondern eignet sich allgemein zur Kühlung von Halbleiterelementen, gegebenen falls auch solchen mit indirekter Kühlung über einen fluidgekühlten Kühlkörper. Hierbei ist vorgesehen, daß zumindest ein Teil der Wandoberfläche des Kühlfluid kanals, der der Kühlfluidströmung ausgesetzt ist, bzw. bei einer Leistungstransistoranordnung gemäß der vorste hend erläuterten Art zumindest ein Teil der Oberfläche des Isolierträgers oder des Halbleiterelements mit einer die Dicke der Kühlfluid-Strömungsgrenzschicht mindernden Oberflächen-Mikrostruktur versehen ist. Hierbei wird von der Überlegung ausgegangen, daß der Kühleffekt der Kühl fluidströmung umso größer ist, je geringer die Dicke der Strömungsgrenzschicht ist, innerhalb der die Kühlfluid strömung auf Scherung beansprucht und gebremst wird.The use of ribs or the like for enlargement tion of the heat exchange surfaces in cooling arrangements, such as Example heat sinks or the like is known. A Another preferred embodiment relates to measures through which the cooling capacity of the fluid cooling arrangement is increased can be. Such a fluid cooling arrangement cannot only with a power transistor arrangement of the above explained type are used, but is suitable generally given for cooling semiconductor elements if also with indirect cooling via a fluid cooled heat sink. It is provided that at least part of the wall surface of the cooling fluid channel that is exposed to the cooling fluid flow, or in a power transistor arrangement according to the previous one Art explained at least part of the surface of the insulating support or the semiconductor element with a reducing the thickness of the cooling fluid flow boundary layer Surface microstructure is provided. Here is from assumed that the cooling effect of the cooling fluid flow is greater, the smaller the thickness of the Flow boundary layer is within which the cooling fluid flow is subjected to shear and braked.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß Mikrostrukturen, die die Oberflächenreibung mindern, eine Verbesserung der Kühlwirkung einer Kühlfluidströmung bewirken, da sie die Grenzschichtdicke herabsetzen. Mikrostrukturen, die die Reibung von Flüssigkeiten an Oberflächen mindern, sind bekannt und wurden unter anderem an der Haut von Haifi schen studiert (D. Bechert und M. Bartenwerfer "The Viscous Flow on Surfaces with Longitudinal Ribs" J. Fluidmec. 1989), Vol. 206, Seiten 105 bis 129, und D. Bechert, G. Hoppe "On the Drag Reduction of the Shark Skin" AIAA Share Flow Control Conference, March 12-14, 1985, Boulder, Colorado).Surprisingly, it has been shown that microstructures, which reduce surface friction, an improvement in Cooling effect of a flow of cooling fluid cause it Reduce the boundary layer thickness. Microstructures that the Reduce the friction of liquids on surfaces known and became, among other things, on the skin of Haifi studied (D. Bechert and M. Bartenwerfer "The Viscous Flow on Surfaces with Longitudinal Ribs "J. Fluidmec. 1989), vol. 206, pages 105 to 129, and D. Bechert, G. Hoppe "On the Drag Reduction of the Shark Skin "AIAA Share Flow Control Conference, March 12-14, 1985, Boulder, Colorado).
Als besonders geeignet zur Kühlleistungsverbesserung haben sich Mikrostrukturen erwiesen, die als Rippenmuster mit in Strömungsrichtung der Kühlfluidströmung langge streckten, im wesentlichen parallelen Mikrorippen ausge bildet sind, und zwar insbesondere dann, wenn die Mikro rippen zumindest angenähert zu einer Schneide sich ver jüngende Rücken haben. Die Höhe der Rippen und ihr Quer abstand liegt zweckmäßigerweise in der Größenordnung der Grenzschichtdicke oder ist kleiner als die Grenzschicht dicke. Bei dem Kühlfluid handelt es sich zweckmäßigerwei se um ein Einstoffsystem.Particularly suitable for improving cooling performance have shown microstructures that act as a rib pattern with langge in the flow direction of the cooling fluid flow stretched out, essentially parallel micro-ribs are formed, especially when the micro ribs at least approximate to a cutting edge have young backs. The height of the ribs and their cross distance is suitably in the order of Boundary layer thickness or is smaller than the boundary layer thickness. The cooling fluid is conveniently a single-substance system.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:The following are exemplary embodiments of the invention explained in more detail using a drawing. Here shows:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene, perspektivische Darstellung einer fluidgekühlten Leistungs transistoranordnung; Figure 1 is a partially sectioned perspective view of a fluid-cooled power transistor arrangement.
Fig. 2 bis 4 Schnittansichten von Varianten der Lei stungstransistoranordnung nach Fig. 1; Fig. 2 to 4 sectional views of variants of Lei stung transistor arrangement according to Fig. 1;
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines fluidge kühlten Moduls mit mehreren Leistungstransisto ren; Fig. 5 is a perspective view of a ren fluidge cooled module with several Leistungstransisto;
Fig. 6 eine Schnittansicht des Moduls, gesehen entlang einer Linie VI-VI in Fig. 5; Fig. 6 is a sectional view of the module, seen along a line VI-VI in Fig. 5;
Fig. 7 eine Schnittansicht einer Variante des Moduls aus Fig. 5; FIG. 7 shows a sectional view of a variant of the module from FIG. 5;
Fig. 8 eine Schnittansicht einer aus mehreren Modulen bestehenden Baueinheit; Fig. 8 is a sectional view of a multi-module assembly;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Flüssigkeits kühlanordnung für einen Leistungstransistor; Fig. 9 is a schematic representation of a liquid cooling arrangement for a power transistor;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Kältemittel- Kühlanordnung für einen Leistungstransistor; FIG. 10 is a schematic diagram of a refrigerant cooling arrangement for a power transistor;
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Kühlanordnung mit gasförmigem Kühlfluid für einen Leistungs transistor; Fig. 11 is a schematic representation of a cooling arrangement with gaseous cooling fluid for a power transistor;
Fig. 12 eine perspektivische Darstellung einer Oberflä chen-Mikrostruktur zur Verbesserung der Kühl leistung eines fluidgekühlten elektrischen Ven tils; Fig. 12 is a perspective view of a surface microstructure for improving the cooling performance of a fluid-cooled electric valve;
Fig. 13 eine Variante der Oberflächen-Mikrostruktur, Fig. 13 is a variant of the surface microstructure,
Fig. 14 eine Schnittansicht durch die Oberflächen-Mikro struktur, gesehen entlang einer Linie XIV-XIV in Fig. 13; Fig. 14 is a sectional view through the surface microstructure, seen along a line XIV-XIV in Fig. 13;
Fig. 15 einen schematischen Teilschnitt durch eine von Fluid gekühlten elektrischen Ventilen gesteuerte elektrische Maschine und Fig. 15 is a schematic partial section controlled by a fluid-cooled electric valves of electrical machine, and
Fig. 16 und 17 Teilschnitte durch Varianten der elektrischen Maschine. Fig. 16 and 17, partial sections through variants of the electric machine.
Fig. 1 zeigt in einer Darstellung, in der die Dickenver hältnisse der einzelnen Komponenten nicht maßstabsgetreu sind, ein Leistungstransistormodul, hier ein IGBT-Modul, mit einem ersten Chip bzw. Halbleiterelement 1 mit einer mehrere Leistungstransistoren umfassenden Transistor schaltung und einem zweiten Chip bzw. Halbleiterelement 3, welches die Steuerelektronik und Schutzbeschaltung für die Leistungstransistoren enthält und über Verbindungs leitungen 5 mit dem ersten Halbleiterelement 1 verbunden ist. Die Halbleiterelemente 1, 3 sind stoffschlüssig mit einer beispielsweise eutektisch erzeugten, insbesondere aus Kupfer bestehenden Metallplattierung 7 fest verbunden. Fig. 1 shows in a representation in which the thickness-ratios of the individual components are not to scale, a power transistor module, here an IGBT module, circuit having a first chip or semiconductor element 1 having a plurality of power transistors comprehensive transistor and a second chip or Semiconductor element 3 , which contains the control electronics and protective circuit for the power transistors and is connected via connecting lines 5 to the first semiconductor element 1 . The semiconductor elements 1 , 3 are firmly bonded to a metal plating 7 , for example eutectically produced, in particular consisting of copper.
Die Metallplattierung 7 bildet den Kollektor der Leistungs transistoren des Halbleiterelements 1 und ist ebenso wie mit dem Halbleiterelement 1 mit einer keramischen Isolier platte 9 stoffschlüssig, flächig und homogen verbunden. Die Isolierplatte 9 ist teilweise randseitig in Schienen 11 eines in Umfangsrichtung geschlossenen Kühlfluidkanals 13 gehalten, und zwar so, daß sowohl die der Isolierplatte 9 abgewandte Flachseite des Halbleiterelements 1 als auch die dem Halblei terelement 1 abgewandte Flachseite der Isolierplatte 9 einer durch Pfeile 15 angedeuteten Kühlfluidströmung ausgesetzt ist. Als dünne Drähte ausgebildete Steuerleitungen 17 und als Kupferbänder ausgebildete Stromschienen 19 verbinden die Schaltungen der Halbleiterelemente 1, 3 mit auf der Außenseite des Kühlkanals 13 angeordneten Anschlüssen 21. Von den beiden Halbleiterelementen ist zumindest das Halbleiterelement 1, was den Wärmedurchgang anbetrifft, im wesentlichen unmittelbar dem Kühlfluidstrom 15 ausgesetzt, so daß es von beiden Seiten ganzflächig gekühlt wird. Trotz kompakter Abmessungen läßt sich auf diese Weise eine hohe Leistungsdichte erreichen. Da zwischen dem Halbleiterelement 1 und der Isolierplatte 9 lediglich die Metallplattierung 7 als einzige Zwischenschicht verbleibt, läßt sich mit hinreichender Sicherheit eine homo gene, stoffschlüssige Verbindung zwischen Halbleiterelement 1 und Isolierplatte 9 erreichen, was der Temperaturfestigkeit und Betriebssicherheit des IGBT-Moduls zugute kommt. Die Schiene 11 ist vorzugsweise elastisch und isolierend (z. B. aus Silikonkautschuk) ausgeführt.The metal plating 7 forms the collector of the power transistors of the semiconductor element 1 and, like the semiconductor element 1, is connected with a ceramic insulating plate 9 in a material, flat and homogeneous manner. The insulating plate 9 is partially held edge in rails 11 of a circumferentially-closed coolant channel 13, in such a way that both of the insulating plate 9 facing away from the flat side of the semiconductor element 1 and the the semiconducting terelement 1 facing away from the flat side of the insulating plate 9 a direction indicated by arrows 15. Cooling fluid flow is exposed. Control lines 17 in the form of thin wires and busbars 19 in the form of copper strips connect the circuits of the semiconductor elements 1 , 3 to connections 21 arranged on the outside of the cooling channel 13 . Of the two semiconductor elements, at least the semiconductor element 1 is essentially directly exposed to the cooling fluid flow 15 as far as the heat transfer is concerned, so that it is cooled over the entire surface from both sides. Despite compact dimensions, a high power density can be achieved in this way. Since only the metal plating 7 remains between the semiconductor element 1 and the insulating plate 9 as a single intermediate layer, can be with reasonable certainty a homo genetic material connection between the semiconductor element 1 and insulating plate 9 achieve what the temperature stability and reliability of the IGBT module benefits. The rail 11 is preferably elastic and insulating (z. B. made of silicone rubber).
In dem Kühlkanal 13 können mehrere IGBT-Module in Strö mungsrichtung 15 hintereinander auf einer gemeinsamen Isolierplatte angeordnet sein, wie dies bei 23 angedeutet ist. Es versteht sich, daß das Kühlfluid nicht auf beiden Seiten der Isolierplatte 9 durch den Kühlkanal 13 gelei tet werden muß. Im Einzelfall kann es genügen, wenn lediglich auf der den Halbleiterelementen 1, 3 abgewand ten Seite zwischen Isolierplatte 9 und Kühlkanal 13 ein Kühlfluid hindurchströmt. Alternativ kann auch lediglich der die Halbleiterelemente 1, 3 überdeckende Teil des Kühlkanals 13 vorhanden bzw. für die Kühlfluidströmung ausgenutzt sein. Es versteht sich, daß anstelle von IGBT- Modulen die Halbleiterelemente 1, 3 auch mit anderen Leistungstransistortypen realisiert sein können, bei spielsweise Bipolar-Leistungstransistoren oder MOSFET- Leistungstransistoren mit oder ohne Treiberstufen oder Schutzbeschaltung. Auch kann die auf dem Halbleiter element 3 vorgesehene Steuerschaltung gegebenenfalls durch eine externe elektronische Schaltung ersetzt sein.In the cooling channel 13 , a plurality of IGBT modules can be arranged one behind the other in the direction of flow 15 on a common insulating plate, as indicated at 23 . It is understood that the cooling fluid does not have to be gelei tet on both sides of the insulating plate 9 through the cooling channel 13 . In individual cases, it may be sufficient if a cooling fluid flows through only on the side facing away from the semiconductor elements 1 , 3 between the insulating plate 9 and the cooling channel 13 . Alternatively, only that part of the cooling channel 13 which covers the semiconductor elements 1 , 3 can also be present or used for the cooling fluid flow. It goes without saying that instead of IGBT modules, the semiconductor elements 1 , 3 can also be implemented with other types of power transistors, for example bipolar power transistors or MOSFET power transistors with or without driver stages or protective circuitry. The control circuit provided on the semiconductor element 3 can optionally be replaced by an external electronic circuit.
Fig. 2 zeigt eine Variante des IGBT-Moduls, die sich von dem Aufbau der Fig. 1 lediglich dadurch unterscheidet, daß die über die Metallisierung 7a stoffschlüssig und ganzflächig auf der keramischen Isolierplatte 9a befestigten, wiederum plattenförmigen Halbleiterelemente 1a, 3a bis auf die Kon taktstellen der Steuerleitungen bzw. der Kontaktbänder 19a mit einer dünnen Schutzschicht 25 überzogen sind, die die aktive Zone der Halbleiterelemente 1a, 3a vor Kontaminierung mit dem Kühlfluid schützt. Bei der Schutzschicht 25 kann es sich beispielsweise um eine Beschichtung aus Silikonkautschuk handeln, die von einer Metallfolie nach außen hin abgedeckt ist. Zur weiteren Erläuterung wird hier, wie auch bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen, auf die vorangegangenen Figuren und deren Beschreibung Bezug genom men, wobei zur Bezeichnung gleichwirkender Komponenten die Bezugszahlen der vorangegangenen Figuren benutzt werden, allerdings unter Hinzufügung eines unterscheidenden Buch stabens. Fig. 2 shows a variant of the IGBT module, which differs from the structure of Fig. 1 only in that the cohesive and all-over the metallization 7 a attached to the ceramic insulating plate 9 a, again plate-shaped semiconductor elements 1 a, 3 a except for the contact points of the control lines or the contact strips 19 a are coated with a thin protective layer 25 , which protects the active zone of the semiconductor elements 1 a, 3 a from contamination with the cooling fluid. The protective layer 25 can be, for example, a coating made of silicone rubber, which is covered on the outside by a metal foil. For further explanation, here, as in the exemplary embodiments described below, reference is made to the preceding figures and their description, reference numerals from the previous figures being used to designate components having the same effect, but with the addition of a different letter.
Fig. 3 zeigt eine Variante eines IGBT-Moduls, dessen Halbleiterelemente 1b, 3b auf einer der Funktion nach der Metallisierung 7 entsprechenden Metallplatte 7b, bei spielsweise einer Kupferplatte, geschlossenflächig, stoffschlüssig befestigt sind. Die Metallplatte 7b ist außerhalb der Bereiche der Halbleiterelemente 1b, 3b, zumindest jedoch auf der den Halbleiterelementen 1b, 3b abgewandten Flachseite mit einer Isolierschicht, bei spielsweise einer dünnen Oxidschicht 9b, versehen. Die Metallplatte 7b übernimmt neben der Elektrodenfunktion die Befestigungsfunktion der Isolierplatte 9 aus Fig. 1. Fig. 3 shows a variant of an IGBT module, the semiconductor elements 1 b, 3 b on one of the function after the metallization 7 corresponding metal plate 7 b, in play as a copper plate, closed surface, are integrally fixed. The metal plate 7 b is provided outside the areas of the semiconductor elements 1 b, 3 b, but at least on the flat side facing away from the semiconductor elements 1 b, 3 b with an insulating layer, for example a thin oxide layer 9 b. In addition to the electrode function, the metal plate 7 b takes over the fastening function of the insulating plate 9 from FIG. 1.
Fig. 4 zeigt eine Variante, bei welcher die Halbleiter elemente 1c, 3c ganzflächig auf einer Metallisierung 7c angeordnet sind, die zugleich Elektrodenfunktion hat. Die Isolierplatte 9c ist hingegen mit einer durchgehenden, zumindest von dem die Leistungstransistoren enthaltenden Halbleiterelement 1c überlappten Aussparung 27 versehen, durch die hindurch das Kühlfluid unmittelbar in Wärmetausch kontakt mit der Metallisierung 7c und damit dem Halblei terelement 1c treten kann, was die Verlustwärmeabfuhr er leichtert. Die Aussparung 27 überlappt das Halbleiterele ment 1c im wesentlichen vollständig. Das Halbleiterelement 1c ist lediglich im Randbereich der Aussparung 27 auf der Isolierplatte 9c abgestützt. Wie in Fig. 4 durch eine ge strichelte Linie 13c angedeutet, kann der Kühlkanal zusam men mit der Isolierplatte 19c auch die Form eines Profil rohres, hier eines gegebenenfalls einteiligen Rechteckrohrs, haben, auf dem die Halbleiterelemente 1c, 3c nachträglich und von außen befestigt werden. Es versteht sich, daß derar tige Kühlkanalkonstruktionen auch bei den Varianten der Fig. 1 bis 3 eingesetzt werden können. Fig. 4 shows a variant in which the semiconductor elements 1 c, 3 c are arranged over the entire area on a metallization 7 c, which also has an electrode function. The insulating plate 9 c, however, is provided with a continuous, at least by the semiconductor element 1 c containing the power transistors overlapped recess 27 , through which the cooling fluid is in direct heat exchange contact with the metallization 7 c and thus the semiconductor element 1 c, which can occur Heat dissipation is facilitated. The recess 27 overlaps the semiconductor element 1 c essentially completely. The semiconductor element 1 c is supported only in the edge region of the recess 27 on the insulating plate 9 c. As indicated in Fig. 4 by a dashed line 13 c ge, the cooling channel together with the insulating plate 19 c also have the shape of a profile tube, here a possibly one-piece rectangular tube, on which the semiconductor elements 1 c, 3 c subsequently and be attached from the outside. It is understood that Derar term cooling channel constructions can also be used in the variants of FIGS . 1 to 3.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das es erlaubt, mehrere IGBT-Module, von denen jedes wie auch bei den zuvor erläuterten Beispielen ein elektrisches Ventil bildet zu Ventilmodulen, insbesondere in Form von Halb brücken oder Vollbrücken, teils in Parallel- oder Serienschaltung, gegebenenfalls auch mehreren dieser Brücken zusammenzufassen. Der allgemein mit 29 bezeichnete Modul umfaßt zwei zueinander parallel ange ordnete, aus Keramikmaterial bestehende Isolierplatten 9d, die entlang ihrer Längsränder durch vorzugsweise elastische Dichtleisten 31 zu einem in Umfangsrichtung geschlossenen Kühlkanal 13d verbunden sind. Pfeile 15d deuten wiederum die Strömungsrichtung des Kühlfluids an. Jede der beiden Isolierplatten 9d trägt auf ihrer kühl kanalfernen Flachseite mehrere in Strömungsrichtung 15d hintereinander angeordnete Halbleiterelemente 1d, von denen jedes ein gesondertes IGBT-Ventil bildet. Die Anzahl der Halbleiterelemente 1d auf jeder der beiden Isolierplatten 9d ist gleich. Die Halbleiterelemente 1d sind, wie Fig. 6 erkennen läßt, wiederum über Metallisie rungen 7d auf die Isolierplatten 9d ganzflächig form schlüssig aufgebracht. Die Anschlüsse sind bei 19d zu erkennen. Halbleiterelemente mit Steuerschaltungen oder dergleichen können vorhanden sein, sind jedoch nicht dargestellt. Es versteht sich, daß die Varianten der Fig. 2 bis 4 auch bei dem Modul 29 eingesetzt werden können. Fig. 5 shows an embodiment that allows several IGBT modules, each of which, as in the examples explained above, forms an electric valve to valve modules, in particular in the form of half bridges or full bridges, partly in parallel or series connection, if appropriate also to combine several of these bridges. The module generally designated 29 comprises two mutually parallel, made of ceramic material insulating plates 9 d, which are connected along their longitudinal edges by preferably elastic sealing strips 31 to a circumferentially closed cooling channel 13 d. Arrows 15 d again indicate the direction of flow of the cooling fluid. Each of the two insulating plates 9 d carries on its flat side, which is remote from the channel, a plurality of semiconductor elements 1 d arranged one behind the other in the direction of flow 15 d, each of which forms a separate IGBT valve. The number of semiconductor elements 1 d on each of the two insulating plates 9 d is the same. The semiconductor elements 1 d are, as can be seen in FIG. 6, in turn, metallizations 7 d on the insulating plates 9 d applied positively over the entire surface. The connections can be seen at 19 d. Semiconductor elements with control circuits or the like can be present, but are not shown. It is understood that the variants of FIGS. 2 to 4 can also be used with the module 29 .
In Fig. 5 sind die Halbleiterelemente 1d jedes Ventils voneinander gesondert und im Abstand auf den Isolierplat ten 9 angeordnet. Da Halbleiterelemente der in Rede stehenden Art üblicherweise in gleicher Gestaltung mehr fach nebeneinander auf Halbleitersubstratscheiben herge stellt werden, können gegebenenfalls auch mehrere der Halbleiterelemente 1d einstückig miteinander verbunden sein, wie dies in Fig. 5 bei 33 angedeutet ist.In Fig. 5, the semiconductor elements 1 d of each valve are separated from each other and spaced 9 th on the Isolierplat. Since semiconductor elements of the type in question are usually produced in the same design several times next to each other on semiconductor substrate wafers, several of the semiconductor elements 1 d can optionally also be connected in one piece, as is indicated in FIG. 5 at 33 .
Fig. 7 zeigt eine weitere Variante, die auf integral miteinander verbundenen Halbleiterelementen 1e aufbaut. Die Halbleiterelemente 1e von jeweils mehreren elektri schen Ventilen werden gemeinsam aus der vorstehend er wähnten Substratscheibe ausgeschnitten und mit einer Metallisierung 7e versehen. Die Halbleiterelementplatten 1e sind zueinander parallel angeordnet und sind über abdichtende Abstandleisten 31e miteinander verbunden. Zusammen mit den Abstandleisten 31e begrenzen die Halb leiterelementplatten 1e einen in Umfangsrichtung ge schlossenen Kühlkanal 13e. Die Anschlüsse der Ventile sind bei 19e angedeutet. Fig. 7 shows a further variant, which is based on integrally interconnected semiconductor elements 1 e. The semiconductor elements 1 e of several electrical valves are cut out together from the above-mentioned substrate disk and provided with a metallization 7 e. The semiconductor element plates 1 e are arranged parallel to one another and are connected to one another via sealing spacer strips 31 e. Together with the spacer strips 31 e, the semiconductor element plates 1 e limit a cooling channel 13 e closed in the circumferential direction. The connections of the valves are indicated at 19e.
Fig. 8 zeigt schematisch, wie mehrere der Module 29 gemäß den Fig. 5 bis 7 zu einer Baueinheit vereinigt werden können. Die Module 29f sind in einem gemeinsamen Gehäuse 35 zueinander parallel in elastischen Schienen 37 gehal ten. Ihr Kühlkanal 13f ist an einem Ende mit einem ge meinsamen Kühlfluid-Zuleitungskanal 39 und am anderen Ende mit einem gemeinsamen Kühlfluid-Ableitungskanal 41 verbunden. Den Modulen 29f sind in der Modulebene ange ordnete Stützstege 43 zugeordnet, die mit Anschlußorganen 45 versehen sind. Die Anschlußorgane 45 dienen dem An schluß der Steuerleitungen und Stromschienen und sind, wie durch Leitungen 19f angedeutet, mit den Halbleiter elementen 1f der Module 29f verbunden. FIG. 8 shows schematically how several of the modules 29 according to FIGS. 5 to 7 can be combined to form one structural unit. The modules 29 f are held in a common housing 35 parallel to one another in elastic rails 37. Their cooling duct 13 f is connected at one end to a common cooling fluid supply duct 39 and at the other end to a common cooling fluid discharge duct 41 . The modules 29 f are assigned in the module level arranged support webs 43 which are provided with connecting members 45 . The connecting members 45 are used to connect the control lines and busbars and are, as indicated by lines 19 f, connected to the semiconductor elements 1 f of the modules 29 f.
Bei dem Kühlfluid kann es sich um ein unter Atmosphären überdruck stehendes Gas, beispielsweise Stickstoff, eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, oder ein Öl, spe ziell ein Öl auf Mineralbasis, auf Paraffinbasis oder um ein synthetisches Öl handeln. Geeignet sind aber auch Zwei-Phasen-Fluide, wie zum Beispiel Kältemittel oder CO2. Das Kühlfluid wird in einer Zwangsströmung im Kreis lauf durch den Kühlkanal geleitet.The cooling fluid can be a gas under atmospheric pressure, for example nitrogen, a liquid, such as water, or an oil, specifically a mineral-based oil, a paraffin-based one, or a synthetic oil. However, two-phase fluids, such as refrigerants or CO 2, are also suitable. The cooling fluid is circulated through the cooling channel in a forced flow.
Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Kühlanord nung mit einer Flüssigkeit als Kühlfluid. Die Kühlflüs sigkeit wird von einer Pumpe 47 über einen Kühler bzw. Wärmetauscher 49 dem Kühlkanal 13g im Kreislauf zugeführt. Fig. 9 shows an embodiment of a Kühlanord voltage with a liquid as the cooling fluid. The Kühlflüs liquid is supplied by a pump 47 via a cooler or heat exchanger 49 to the cooling channel 13g in the circuit.
Die Kühlanordnung umfaßt einen Temperaturregelkreis 51, der mittels eines Temperaturfühlers 53 die Temperatur des bei 1g angedeuteten, in Wärmetauschkontakt mit der Kühl flüssigkeit stehenden Halbleiterelements mißt und bei spielsweise mittels eines Lüfters 55, der die Kühllei stung des Kühlers 49 beeinflußt, die Halbleitertemperatur auf einen bei 57 einstellbaren Sollwert hält. Bei 59 ist der Vollständigkeit halber ein Ausgleichsgefäß für Kühl flüssigkeit angedeutet.The cooling arrangement comprises a temperature control circuit 51 , which measures the temperature of the indicated at 1 g, in heat exchange contact with the cooling liquid semiconductor element by means of a temperature sensor 53 and in example by means of a fan 55 , which affects the cooling performance of the cooler 49 , the semiconductor temperature to one holds at 57 adjustable setpoint. For the sake of completeness, a compensation tank for cooling liquid is indicated at 59 .
Fig. 10 zeigt eine Variante, bei der zur Kühlung des Halbleiterelemente 1h ein Zwei-Phasen-Kältemittel einge setzt wird. Nach Art einer Wärmepumpe wird das von einem Kompressor 61 verdichtete Kältemittel in einem Kondensa tor 63, zum Beispiel mittels eines Lüfters 65 abgekühlt und verflüssigt. Der Kühlkanal 13h bildet einen Verdampfer, in welchem das flüssige Kältemittel über eine Düse 67 oder dergleichen eingeführt und durch Wärmeaufnahem verdampft wird. Die Verwendung des Kältemittels als Kühlfluid erlaubt kompakteren Aufbau der Kühlanordnung. Fig. 10 shows a variant in which a two-phase refrigerant is used for cooling the semiconductor elements 1 h. In the manner of a heat pump, the refrigerant compressed by a compressor 61 is cooled and liquefied in a capacitor 63 , for example by means of a fan 65 . The cooling channel 13 h forms an evaporator in which the liquid refrigerant is introduced via a nozzle 67 or the like and is evaporated by absorbing heat. The use of the refrigerant as the cooling fluid allows the cooling arrangement to be made more compact.
Fig. 11 zeigt der Vollständigkeit halber einen geschlos senen Kühlmittelkreislauf für ein gasförmiges Kühlfluid, das von einem Kompressor 69 verdichtet wird, bevor es nachfolgend in einem Kühler bzw. Wärmetauscher 71 abge kühlt und dann dem Kühlkanal 13i für den Wärmetauschkon takt mit dem Halbleiterelement 1i zugeführt wird. Es versteht sich, daß auch die Varianten der Fig. 10 und 11 temperaturgeregelt ausgeführt sein können. Fig. 11 for completeness shows a closed-end coolant circuit for a gaseous cooling fluid that is compressed by a compressor 69, before it subsequently in a cooler or heat exchanger 71 abge cooled and then the cooling passage 13 clock-i for the Wärmetauschkon with the semiconductor element 1 i is supplied. It goes without saying that the variants of FIGS. 10 and 11 can also be temperature-controlled.
Der Wärmeübergang von den zu kühlenden Oberflächen der Halbleiterelemente bzw. der geschlossenflächig und stoff schlüssig mit den Halbleiterelementen verbundenen Metall plattierungen und Isolierplatten läßt sich insbesondere bei Flüssigkeiten als Kühlfluid durch Oberflächen-Mikro strukturen verbessern, die die Grenzschichtdicke des Kühlfluids vermindern. Bei der Grenzschicht handelt es sich um den Bereich der Kühlfluidströmung, in welchem die Strömungsgeschwindigkeit durch die Reibung und Fluidhaf tung an der Wandfläche vermindert wird. Es hat sich gezeigt, daß "Haifischhaut"-ähnliche Oberflächenstruktu ren nicht nur die Fluidreibung an der Wandoberfläche mindern, sondern auch die Grenzschichtdicke herabsetzen. Mit abnehmender Grenzschichtdicke verkürzt sich der Abstand der die Wärme abgebenden Flächen zu den strömen den Bereichen des die Wärme aufnehmenden Kühlfluids.The heat transfer from the surfaces to be cooled Semiconductor elements or the closed surface and fabric metal connected to the semiconductor elements plating and insulating plates can be especially for liquids as cooling fluid through surface micro improve structures that limit the boundary layer thickness of the Reduce cooling fluids. The boundary layer is concerned the area of the cooling fluid flow in which the Flow rate through the friction and Fluidhaf tion on the wall surface is reduced. It has shown that "shark skin" like surface structure not only the fluid friction on the wall surface reduce, but also reduce the boundary layer thickness. As the boundary layer thickness decreases, the Distance of the heat emitting surfaces to the currents the areas of the heat-absorbing cooling fluid.
Fig. 12 zeigt ein Beispiel einer derartigen, die Grenz schichtdicke mindernden Oberflächen-Mikrostruktur. Die Mikrostruktur besteht aus einer Vielzahl zueinander paralleler, in Strömungsrichtung 15k des Kühlfluids verlaufender Rippen 72, deren Seitenflanken keilförmig zu einem schneidenartigen Rücken 73 sich verjüngen. Die Rippen 72 gehen in konkav gekrümmten Nuten ineinander über. Die Höhe der Rippen und ihr Abstand voneinander ist vorzugsweise kleiner als die Grenzschichtdicke. Fig. 12 shows an example of such, the boundary layer thickness-reducing surface microstructure. The microstructure consists of a plurality of ribs 72 which are parallel to one another and run in the flow direction 15 k of the cooling fluid and whose side flanks taper in a wedge shape to form a cutting-like back 73 . The ribs 72 merge into one another in concavely curved grooves. The height of the ribs and their distance from one another is preferably less than the boundary layer thickness.
Die in Fig. 12 dargestellte Rippenform hat sich als zweckmäßig erwiesen; andere Rippenformen sind jedoch ebenfalls von Nutzen, beispielsweise Rippen mit gerunde tem Rücken oder trapezförmige Rippen oder dergleichen.The rib shape shown in FIG. 12 has proven to be expedient; however, other rib shapes are also useful, for example ribs with a rounded back or trapezoidal ribs or the like.
Weitere grenzschichtmindernde Oberflächenstrukturen zeigen die Fig. 13 und 14. Diese Figuren zeigen in der Draufsicht rautenförmige Noppen bzw. Erhebungen 75, die in senkrecht zur zu kühlenden Oberfläche in Strömungs richtung 15l des Kühlfluids verlaufenden Ebenen keilför mig ansteigen. Die durch die Erhebungen 75 gebildeten Dachflächen können eben sein oder ebenfalls mit Mikrorip pen ähnlich Fig. 12 versehen sein, was bei 72l angedeutet ist. Anstelle der in Fig. 13 dargestellten, in der Drauf sicht rautenförmigen Kontur können die Erhebungen 75 auch andere, allgemein polygonförmige Konturen haben. Geeignet sind unter anderem auch Dreieckformen, die mit einer ihrer Ecken in Strömungsrichtung 15l weisen. Auch beim Ausführungsbeispiel der Fig. 13 und 14 liegen die Abmes sungen der Erhebungen 75 in der Größenordnung der Grenz schichtdicke.13 and 14 show further boundary layer-reducing surface structures . These figures show a plan view of diamond-shaped knobs or elevations 75 which rise in a wedge-shaped manner in the direction of flow 15 l of the cooling fluid running perpendicular to the surface to be cooled. The roof surfaces formed by the elevations 75 can be flat or also be provided with microrip pen similar to FIG. 12, which is indicated at 72 l. Instead of the diamond-shaped contour shown in FIG. 13 in plan view, the elevations 75 can also have other, generally polygonal contours. Triangular shapes are also suitable, which have 15 l with one of their corners in the direction of flow. Also in the embodiment of FIGS . 13 and 14, the dimen sions of the elevations 75 are in the order of the limit layer thickness.
Ein wesentlicher Vorteil erfindungsgemäßer Ventilstruktu ren liegt darin, daß der Platzbedarf aufgrund der verbes serten Kühlung insgesamt verringert werden kann. Die elektrischen Ventile lassen sich damit besser als bisher in räumlicher Nachbarschaft zu den zu steuernden elektri schen Geräten unterbringen. Dies ist von besonderem Vorteil bei elektrischen Maschinen, beispielsweise Elek tromotoren oder elektrischen Generatoren mit durch die elektrischen Ventile zu schaltenden Feldwicklungen, da die Feldwicklungen dann über sehr kurze Zuleitungen angeschlossen werden können. Durch Verkürzung der Zulei tungen kann die Schaltkreisinduktivität gesenkt und damit die Ansprechzeit der elektrischen Ventile verkürzt wer den.A major advantage of the valve structure according to the invention ren is that the space required due to the verbes total cooling can be reduced overall. The electrical valves can thus be better than before in close proximity to the electri to be controlled accommodate devices. This is special Advantage in electrical machines, such as elec with electric motors or through the electric valves to be switched field windings, because the field windings then have very short leads can be connected. By shortening the allowance the circuit inductance can be reduced and thus who shortens the response time of the electric valves the.
Fig. 15 zeigt eine elektrische Maschine mit einem Stator 77 und einem um eine Drehachse 79 drehbaren Rotor 81. Bei der Maschine kann es sich um einen Generator oder einen Motor handeln. Der Stator 77 umfaßt in herkömmlicher Weise ein Weicheisen-Blechpaket 83, das auf einer Viel zahl in Umfangsrichtung verteilter, nicht näher darge stellter Pole Wicklungen 85 trägt. Der Rotor 81 umschließt das Blechpaket 83 mit einer Vielzahl in Umfangsrichtung abwechselnd gegeneinander gepolter Permanentmagnete 87. Das Blechpaket 83 und die Wicklungen 85 sind in einem Statorgehäuse 89 aus Kunststoff untergebracht, welches seinerseits an einer stationären, beispielsweise platten förmigen Aufhängung 91 gehalten ist. Elektrische Maschi nen dieses Typs sind bekannt, beispielsweise aus der EP- A-159 005, und sollen deshalb nicht weiter beschrieben werden. Fig. 15 shows an electrical machine with a stator 77 and a rotatable around a rotation axis 79 rotor 81st The machine can be a generator or a motor. The stator 77 comprises, in a conventional manner, a soft iron laminated core 83 which bears windings 85 on a large number of circumferentially distributed poles, not shown in more detail. The rotor 81 encloses the laminated core 83 with a plurality of permanent magnets 87 which are alternately poled in the circumferential direction. The laminated core 83 and the windings 85 are accommodated in a stator housing 89 made of plastic, which in turn is held on a stationary, for example plate-shaped suspension 91 . Electrical machines of this type are known, for example from EP-A-159 005, and are therefore not to be described further.
Da elektrische Maschinen des genannten Typs für sehr hohe Leistungen von beispielsweise 100 kW bei vergleichsweise geringem Platzbedarf bemessen sein können, sind die Wicklungen 85 in einer oder mehreren Kammern 93 angeord net, die über einen Zuleitungsanschluß 95 und einen Ableitungsanschluß 96 mit dem Kühlfluidkreislauf einer Kühlanordnung verbunden sind. Bei der Kühlanordnung kann es sich um eine Kühlanordnung gemäß den Fig. 9 bis 11 handeln.Since electrical machines of the type mentioned can be dimensioned for very high powers of, for example, 100 kW with a comparatively small space requirement, the windings 85 are arranged in one or more chambers 93 , which are connected via a supply connection 95 and a discharge connection 96 to the cooling fluid circuit of a cooling arrangement are. The cooling arrangement can be a cooling arrangement according to FIGS. 9 to 11.
Das Blechpaket 83 umschließt eine zentrische Aussparung 97, in der das Statorgehäuse 89 eine weitere Kammer 99 bildet. Die Kammer liegt im Kühlfluidströmungskreislauf der Kühlanordnung zwischen dem Zuleitungsanschluß 95 und der Kammer 93 der Wicklung 85, so daß sie von dem Kühl fluid durchströmt wird, bevor dies sich an der Wicklung 85 erwärmt. In der Kammer 99 sind die der Wicklung 85 zugeordneten elektrischen Ventile 101 in unmittelbarer Nähe zu der zu schaltenden Wicklung 85 untergebracht. Bei den elektrischen Ventilen kann es sich um herkömmliche Leistungstransistoren handeln, vorzugsweise handelt es sich jedoch um fluidgekühlte Leistungstransistoren der anhand der Fig. 1 bis 8 erläuterten Art. Die Verbindungs leitungen zwischen dem elektrischen Ventil 101 und der Wicklung 85 verlaufen direkt durch das Statorgehäuse 89 und sind vorzugsweise ohne lösbare Anschlußklemmen oder dergleichen direkt mit den Ventilen 101 verbunden, bei spielsweise angeschweißt oder angelötet. Auch kann daran gedacht werden, die Drahtenden der Wicklungen 85 direkt mit den Halbleiterelementen der Ventile zu verschweißen.The laminated core 83 encloses a central recess 97 in which the stator housing 89 forms a further chamber 99 . The chamber lies in the cooling fluid flow circuit of the cooling arrangement between the supply connection 95 and the chamber 93 of the winding 85 , so that the cooling fluid flows through it before it heats up on the winding 85 . In the chamber 99, the winding 85 associated electrical valves 101 located in close proximity to the to be switched winding 85th The electrical valves can be conventional power transistors, but are preferably fluid-cooled power transistors of the type explained with reference to FIGS . 1 to 8. The connecting lines between the electrical valve 101 and the winding 85 run directly through the stator housing 89 and are preferably directly connected to the valves 101 without detachable terminals or the like, for example welded or soldered on. It can also be considered to weld the wire ends of the windings 85 directly to the semiconductor elements of the valves.
Fig. 16 zeigt eine Variante der elektrischen Maschine mit einem Stator 77m und einem um eine Drehachse 79m drehen den Rotor 81m, die sich von der elektrischen Maschine der Fig. 15 im wesentlichen nur dadurch unterscheidet, daß die elektrischen Ventile 101m nicht innerhalb der vom Kühlfluid durchströmten Kammer 99m des Statorgehäuses 89m angeordnet sind, sondern durch eine Trennwand 103 davon getrennt sind. Dabei ist gewährleistet, daß die elektri schen Ventile 101m ebenfalls mit dem Kühlfluid in direk ten Wärmeaustauschkontakt treten, vorzugsweise bevor der Wärmeaustauschkontakt mit der Wicklung stattfindet. FIG. 16 shows a variant of the electrical machine with a stator 77 m and a rotor 81 m rotating about an axis of rotation 79 m, which differs from the electrical machine of FIG. 15 essentially only in that the electrical valves 101 m do not are arranged inside the chamber 99 m of the stator housing 89 m through which the cooling fluid flows, but are separated therefrom by a partition 103 . This ensures that the electrical valve's 101 m also come into direct contact with the cooling fluid in heat exchange contact, preferably before the heat exchange contact takes place with the winding.
Fig. 17 zeigt einen insbesondere als Fahrzeugantrieb verwendbaren Doppelmotor, der axial beiderseits einer Aufhängungsplatte 91n je einen Stator 77n trägt, dem je ein um eine gemeinsame Drehachse 79n rotierender Perma nentmagnetrotor 81n zugeordnet ist. Die den nicht näher dargestellten, jedoch entsprechend der Fig. 15 angeordne ten Wicklungen zugeordneten elektrischen Ventile 101n sind im Bereich der axialen Stirnflächen der Statoren 77n angeordnet, und zwar wiederum in unmittelbarer Nähe der durch sie zu schaltenden Wicklungen. Die Ventile 101n stehen im Ausführungsbeispiel der Fig. 17 über eine Trennwand getrennt mit dem Kühlfluidkreislauf der Kühlan ordnung der Wicklungen in Wärmetauschkontakt. Bei der Trennwand kann es sich entsprechend den Anordnungen der Fig. 1 bis 3 um Isolierträger von Halbleiterelementen handeln; die elektrischen Ventile bzw. Halbleiterelemente können aber auch analog zu Fig. 15 innerhalb einer im Kühlfluidströmungsweg liegenden Kammer angeordnet sein. Es versteht sich, daß die elektrische Maschine sowohl entsprechend den Fig. 15 und 16 als auch entsprechend Fig. 17 angeordnete elektrische Ventile umfassen kann. Fig. 17 shows a double motor which can be used in particular as a vehicle drive and which axially carries a stator 77 n on both sides of a suspension plate 91 n, to which a permanent magnet 81 n rotating around a common axis of rotation 79 n is assigned. The electrical valves 101 n which are not shown in detail but which are arranged according to FIG. 15 are arranged in the region of the axial end faces of the stators 77 n, again in the immediate vicinity of the windings to be switched by them. The valves 101 n are in the embodiment of FIG. 17 separated by a partition with the cooling fluid circuit of the Kühlan arrangement of the windings in heat exchange contact. According to the arrangements in FIGS. 1 to 3, the dividing wall can be insulating supports of semiconductor elements; however, the electrical valves or semiconductor elements can also be arranged analogously to FIG. 15 within a chamber lying in the cooling fluid flow path. It goes without saying that the electrical machine can comprise electrical valves arranged in accordance with FIGS. 15 and 16 as well as in FIG. 17.
Claims (33)
daß die Wicklungen (85) in Wärmetauschkontakt mit einer Fluid-Kühlanordnung stehen, in deren zu einer Bauein heit mit den Wicklungen (85) vereinigten Kühlfluid kanal (93, 99) die Kühlanordnung eine Zwangsströmung eines Kühlfluids, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, erzeugt,
und daß die Halbleiterventile (101) ebenfalls Be standteil der Baueinheit sind und mit dem Kühlfluid in dem Kühlfluidkanal (93, 99) gleichfalls in Wärme tauschkontakt stehen.1. Electrical machine, the windings ( 85 ) of which are connected to controllable semiconductor valves ( 101 ), in particular in the form of power transistors, characterized in that
that the windings (85) are in heat exchange contact with a fluid cooling arrangement, in which a Bauein unit with the windings (85) combined cooling fluid channel (93, 99), the cooling arrangement comprises a forced flow of a cooling fluid, in particular a cooling liquid, generated
and that the semiconductor valves ( 101 ) are also part of the assembly and are also in heat exchange contact with the cooling fluid in the cooling fluid channel ( 93 , 99 ).
- - ein plattenförmiges Transistor-Halbleiterelement (1), das auf einer ersten seiner Flachseiten eine die gesamte Flachseite abdeckende, geschlossenflä chig stoffschlüssig mit dem Halbleiterelement (1) verbundene Metallelektrode (7) und auf seiner zwei ten Flachseite mehrere im Abstand voneinander stoff schlüssig an dem Halbleiterelement angebrachte Anschlüsse (5) trägt,
- - einen in Richtung der ersten Flachseite über das Halbleiterelement (1) vorstehenden, elektrisch isolierenden Isolierträger (9; 7b, 9b), an dem das Halbleiterelement (1) mit dem Isolierträger (9; 7b, 9b) zugewandter erster Flachseite gehalten ist
- - und eine in Wärmeübertragungskontakt mit zumindest einer der Flachseiten des Halbleiterelements (1) stehende Fluid-Kühlanordnung mit einem Kühlfluidka nal (13) und Mitteln zur Erzeugung einer Zwangsströ mung (15) eines Kühlfluids in dem Kühlfluidkanal (13), wobei der Isolierträger (9; 7b, 9b) oder/und das Halbleiterelement (1) mit mindestens einer seiner Flachseiten direkt der Kühlfluid-Zwangsströ mung in dem Kühlfluidkanal (13) ausgesetzt ist.
- - A plate-shaped transistor semiconductor element ( 1 ) which on a first of its flat sides covering the entire flat side, cohesively with the semiconductor element ( 1 ) connected metal electrode ( 7 ) and on its second flat side several cohesively at a distance from each other Semiconductor element attached connections ( 5 ) carries,
- - In the direction of the first flat side over the semiconductor element ( 1 ) projecting, electrically insulating insulating support ( 9 ; 7 b, 9 b), on which the semiconductor element ( 1 ) with the insulating support ( 9 ; 7 b, 9 b) facing the first flat side is held
- - And a in heat transfer contact with at least one of the flat sides of the semiconductor element ( 1 ) standing fluid cooling arrangement with a Kühlfluidka channel ( 13 ) and means for generating a forced flow ( 15 ) of a cooling fluid in the cooling fluid channel ( 13 ), the insulating support ( 9 ; 7 b, 9 b) and / or the semiconductor element ( 1 ) with at least one of its flat sides is directly exposed to the cooling fluid forced flow in the cooling fluid channel ( 13 ).
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