DE4327895A1

DE4327895A1 - Stromrichtermodul

Info

Publication number: DE4327895A1
Application number: DE4327895A
Authority: DE
Inventors: Peter Etter; Herve De Dr Lambilly; Ferdinand Steinruck
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Management AG
Priority date: 1993-08-19
Filing date: 1993-08-19
Publication date: 1995-02-23

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungs elektronik.

Sie geht aus von einem Stromrichtermodul nach dem Oberbe griff des ersten Anspruchs.

Stand der Technik

Ein solches Stromrichtermodul wird z. B. schon im US-Pa tent 2,942,165 beschrieben. Mehrere Leistungshalbleiter module bzw. Leistungshalbleiterbauelemente sind dort auf einem Kühlkörper befestigt, welcher von einer Kühlflüs sigkeit durchflossen wird. Der Wärmeaustausch zwischen Kühlflüssigkeit und Leistungshalbleitermodul erfolgt über die dem Leistungshalbleitermodul zugewandte metallische Kühlerfläche des Kühlkörpers. Bei großflächigen Moduln ergeben sich nun aber Probleme mit dem Wärmeübergang auf die Kühlfläche. Diesen Problemen kann bis zu einem gewis sen Grad durch Verwendung von Wärmeleitfett oder durch geometrische Maßnahmen abgeholfen werden. Die Kühlerflä che zwischen den Leistungshalbleitermodulen und der Kühl flüssigkeit bildet jedoch immer einen nicht zu vernach lässigenden Wärmeleitwiderstand, welcher eine effiziente Kühlung verhindert und zudem erfahrungsgemäß einer we sentlichen Alterung unterworfen ist. Diese Umstände er fordern in der Praxis ein erhebliches Derating und ver teuern das Gerät.

In der US Patentschrift 4,928,207 wird nun ein anderer Weg beschritten. Hier sind die Leistungshalbleitermodule mit der Kühlvorrichtung nicht fest verbunden, sondern die Kühlvorrichtung weist eine Art Stempel auf, welcher auf das Leistungshalbleitermodul mittels Federkraft drückt und die Kühlflüssigkeit zuführt. Bei diesem Aufbau ist zwar keine Kühlerfläche zwischen Leistungshalbleitermodul und Kühlmedium mehr vorgesehen, doch der Aufbau der Kühlvorrichtung ist sehr kompliziert, unhandlich und teuer in der Herstellung.

Allgemein kann gesagt werden, daß zur Sicherstellung ei nes guten Wärmekontakts ein großer Aufwand getrieben werden muß, um z. B. die Planität der Bauelement-Kühlflä che und damit der Wärmeübergang zum Kühlkörper sicherzu stellen. Dazu gehören z. B. Sandwichbauweise zur Verhinde rung von Bimetalleffekten, thermische Vorbehandlung, Ein stellen einer bestimmten Vorkrümmung. Diese Maßnahmen verteuern natürlich ein Modul erheblich.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Stromrichtermodul anzugeben, bei welchem der Wärmeüber gang zwischen den Leistungshalbleitermodulen und dem Kühlmedium durch keine Kühlerflächen verschlechtert wird, welches aber dennoch einfach aufgebaut und kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Stromrichtermodul der ein gangs genannten Art durch die Merkmale des ersten An spruchs gelöst.

Kern der Erfindung ist es, daß der Strömungsraum des Kühlkörpers durch die Unterseite des Gehäuses eines Lei stungshalbleitermoduls selbst abgeschlossen wird, derart, daß das Leistungshalbleitermodul von der Kühlflüssigkeit direkt umspült wird. Demzufolge ist zwischen dem Kühlme dium und dem zu kühlenden Leistungshalbleitermodul keine hinderliche Zwischenfläche mehr vorhanden, und der Wärme austausch zwischen dem Leistungshalbleitermodul und dem Kühlmedium kann direkt erfolgen.

Zusätzlich hat man die Möglichkeit, mit verschiedenen Wirbelkörpern, welche in den Strömungsraum eingesetzt werden können, den Strömungswiderstand im Kühlkreislauf einzustellen. Eine besonders konstante Temperatur über die Fläche der Leistungshalbleitermodulunterseite erhält man dadurch, daß die Kühlflüssigkeit unter Berücksichti gung des Gegenstromprinzips z. B. mäanderförmig zu- und weggeführt wird.

Ein erstes Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß die Unterseite der Leistungshalbleitermodulgehäuse flächenmäßig größer ist als der Strömungsraum. Demzu folge sind die Leistungshalbleitermodule über dem Strö mungsraum befestigt. Damit keine Kühlflüssigkeit auslau fen kann, ist zudem vorzugsweise eine Dichtung zwischen dem Kühlkörper und der Leistungshalbleitermodulunterseite vorgesehen.

Ein zweites Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeich net, daß die Leistungshalbleitermodulunterseite und der Strömungsraum flächenmäßig im wesentlichen gleich groß sind. Das Leistungshalbleitermodul paßt somit genau in die Aussparung des Strömungsraums und ist vorzugsweise mittels eines flüssigkeitsresistenten Silikonklebers be festigt. Bei dieser speziell bevorzugten Ausführungsform kann die gesamte Fläche der Leistungshalbleitermodulun terseite als Wärmeaustauscher genutzt werden.

Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Anordnung für Stromrichtermodule, welche aus mindestens zwei, vor zugsweise parallel geschalteten Leistungshalbleitermodu len bestehen. In diesem Fall kann der Strömungskörper auf beiden Seiten durch die Unterseiten der gegenüberliegen den Leistungshalbleitermodule abgeschlossen werden. Damit ergibt sich ein besonders einfacher und effizienter Auf bau.

Bei allen Ausführungsformen wird die Kühlflüssigkeit vor zugsweise mittels Kühlflüssigkeitseinlassen dezentral di rekt unter jedes einzelne Leistungshalbleitermodul ge führt und zentral wieder weggeführt. Dadurch erhält man eine besonders effektive Wärmeabfuhr.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Un teransprüchen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus besteht insbe sondere darin, daß die Leistungshalbleitermodule direkt von der Kühlflüssigkeit umspült werden. Es ist also keine Zwischenfläche mehr vorhanden, welche den Wärmeleitwider stand vergrößern könnte. Zudem zeichnet sich erfindungs gemäße Anordnung durch einen sehr einfachen und auch einfach herzustellenden Aufbau aus. Der Kühlkörper kann z. B. aus billigem und leicht zu bearbeitendem Kunststoff bestehen. Die Produktionskosten werden dadurch wirksam gesenkt. Zudem müssen keine Maßnahmen wie Sandwichbau weise, Vorkrümmung, thermische Vorbehandlung etc. zur Si cherstellung einer genügenden Planität der Flächen ge troffen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert.

Es zeigen:

Fig. 1 Den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Stromrichtermoduls nach einem er sten Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 Ein Stromrichtermodul mit mehreren Lei stungshalbleitermodulen;

Fig. 3 Den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Stromrichtermoduls nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 Ein Stromrichtermodul mit mindestens zwei, vorzugsweise parallel geschalteten Lei stungshalbleitermodulen nach der Erfin dung;

Fig. 5 Eine bevorzugte Art der Kühlflüssigkeits zuführung; und

Fig. 6a-c Verschiedene Varianten von Strömungskör pern;

Fig. 7 Eine zweite Art der Kühlflüssigkeitszufüh rung.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und de ren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammengefaßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Stromrichtermoduls (1) nach einem ersten Ausfüh rungsbeispiel. Ein solches Stromrichtermodul (1) umfaßt mindestens ein Leistungshalbleitermodul (2). Die Lei stungshalbleitermodule (2) weisen je ein vorzugsweise aus Kunststoff gefertigtes Gehäuse (4) mit einer Unter- (7) und einer Oberseite (6) auf. Auf der Oberseite (6) sind Modulanschlüsse (3) vorgesehen. Bei den Leistungshalblei termodulen (2) kann es sich beispielsweise um GTOs, IGBTs, Dioden o. ä. handeln. Beim Betrieb dieser Lei stungshalbleitermodule (2) entsteht eine Verlustwärme, welche abgeführt werden muß, da die Leistungshalbleiter module (2) sonst zerstört werden könnten. Zu diesem Zweck sind die Leistungshalbleitermodule (2) auf einem Kühlkör per (5) befestigt. Um die Wärmeableitung zu verbessern wird der Kühlkörper (5) von einer Kühlflüssigkeit (8) durchflossen.

Beim Stand der Technik weist der Kühlkörper unter den Leistungshalbleitermodulen Hohlräume in Form von Bohrun gen oder Kanälen auf, welche allseitig abgeschlossen sind. Zwischen den Leistungshalbleitermodulen und dem Kühlkörper ist somit also eine Kühlfläche vorhanden. Diese Kühlfläche behindert aber den freien Wärmeaustausch zwischen dem Leistungshalbleitermodulgehäuse und der Kühlflüssigkeit.

Genau diese Zwischenfläche und die Notwendigkeit, die Aufbauplatte aus gut wärmeleitendem Material herzustel len, wird beim Aufbau nach der Erfindung nun vermieden, indem der Hohlraum bzw. Strömungsraum (9) des Kühlkörpers (5) auf mindestens einer Seite offen ist und durch die Unterseite (7) eines Leistungshalbleitermoduls (2) abge schlossen wird. Dadurch wird der Wärmeleitwiderstand ver kleinert und eine wirksamere Kühlung resultiert.

Bei der ersten Variante nach Fig. 1 ist die Leistungs halbleitermodulunterseite (7) flächenmäßig größer als der Strömungsraum (9). Deshalb wird das Leistungshalblei termodul (2) über dem Strömungsraum befestigt, z. B. mit tels Schrauben. Damit der Strömungsraum hermetisch abge schlossen ist, muß zudem eine Dichtung (10) entlang der Unterseite (7) des Leistungshalbleitermoduls (2) vorgese hen werden.

Eine zweite Variante ist in Fig. 3 dargestellt. Hier ist die Unterseite (7) des Leistungshalbleitermoduls (2) flächenmäßig im wesentlichen gleich groß wie der Strö mungsraum (9), so daß sie den Strömungsraum (9) aufal len Seiten bündig abschließt und das Leistungshalblei termodul (2) mittels eines flüssigkeitsresistenten Kle bers befestigt werden kann. Der Vorteil dieser Variante gegenüber derjenigen nach Fig. 1 besteht darin, daß die Leistungshalbleitermodulfläche, welche in Kontakt mit der Kühlflüssigkeit (8) steht, größer ist und somit eine noch wirksamere Wärmeabführung erreicht wird.

Weist das Stromrichtermodul (1) mehr als nur ein Lei stungshalbleitermodul auf, so können die Leistungshalb leitermodule (2) wie in Fig. 2 dargestellt nebeneinander auf dem Kühlkörper befestigt werden. Unter jedem Lei stungshalbleitermodul (2) ist dann ein separater Strö mungsraum (9) vorgesehen. Die Kühlflüssigkeit (8) zirku liert z. B. von einem Einlaß (12) zum ersten Strömungs raum, von dort über ein Verbindungsstück (14) zum näch sten usw. Ob die Leistungshalbleitermodule wie in Fig. 1 oder Fig. 3 befestigt sind, ist dabei nicht von Bedeu tung.

Die Kühlflüssigkeit (8) erwärmt sich natürlich von einem Strömungsraum (9) zum anderen immer mehr. Demzufolge wer den die einzelnen Leistungshalbleitermodule (2) unter schiedlich gekühlt, was zu unterschiedlichen Lebensdauern führen kann. Deshalb wird die Kühlflüssigkeit (8) vor zugsweise dezentral zu jedem Strömungsraum (9) geführt und zentral wieder weggeführt. Diese besonders bevorzugte Ausführungsform ist in Fig. 5 dargestellt: Unter jedem Leistungshalbleitermodul ist ein separater Einlaß (12) vorgesehen, während der Auslaß (13) zusammengefaßt wird.

Eine andere Möglichkeit der Kühlmittelzuführung ist in Fig. 7 dargestellt. Die Kühlflüssigkeit zirkuliert im Strömungsraum (9) mäanderförmig und zwar derart, daß die einströmende Flüssigkeit immer antiparallel zur ausströ menden fließt. Auf diese Weise ergibt sich auch in late raler Richtung zwischen nebeneinander liegenden Kanälen ein Wärmeaustausch, so daß die Temperatur auf der Unter seite des Leistungshalbleitermoduls eine möglichst kon stante Verteilung aufweist.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn das Stromrichtermodul (2) aus mindesten zwei, insbesondere parallel geschalteten Leistungshalbleitermodulen (2) be steht. In diesem Fall wird der Strömungsraum oben und un ten offen ausgeführt, und zwei gegenüberliegende Lei stungshalbleitermodule (2) verschließen mit ihren einan der direkt gegenüberliegenden Unterseiten (7) den Strö mungsraum vollständig (Fig. 4).

In den Figuren wurden die verschiedenen Ausführungsformen einzeln dargestellt, doch selbstverständlich können diese beliebig miteinander kombiniert werden.

Allen oben erläuterten Ausführungsformen ist gemeinsam, daß im Strömungsraum (9) Wirbelkörper (11) vorgesehen werden können. Diese Wirbelkörper (11) weisen zum Bei spiel ein spiral- oder mäanderförmige Struktur auf, oder sind als einzelne Zapfen oder Nocken ausgeführt. Bei spielhaft sind einige Varianten in den Fig. 6a-c dar gestellt. Der Zweck dieser Wirbelköper ist derjenige, daß die Kühlflüssigkeit im Strömungsraum in Turbulenz versetzt wird. Dadurch wird die Wärmeabfuhr zusätzlich verbessert. Zudem kann der Strömungsverlauf und der Druckabfall im Kühlkreislauf durch die Ausgestaltung der Wirbelkörper eingestellt werden.

Sowohl der Kühlkörpers als auch die Wirbelkörper können aufgrund des erfindungsgemäßen, sehr einfachen Aufbaus aus z. B. gegossenen Formkörpern z. B. aus Aluminium oder Kunststoff bestehen. Falls der Kühlkörper aus einem der letztgenannten Materialien oder einem anderen, insolie renden Werkstoff besteht, kann er zusätzlich als Aufbau platte für das Stromrichtermodul, d. h. Stromschienen, Be schaltungselemente und die Ansteuerung der Leistungshalb leitermodule können direkt am Kühlkörper befestigt wer den.

Insgesamt zeichnet sich das erfindungsgemäße Stromrich termodul also durch eine verbesserte Wärmeabfuhr mit über die Betriebszeit stabilem Wärmeübergang aus. Die hydrody namischen Verhältnisse wie Druckabfall, Strömungsge schwindigkeit etc. können zudem über die Wirbelkörper eingestellt werden, und das Modul weist dennoch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau auf.

Bezugszeichenliste

1 Stromrichtermodul
2 Leistungshalbleitermodul
3 Modulanschlüsse
4 Modulgehäuse
5 Kühlkörper
6 Leistungshalbleitermoduloberseite
7 Leistungshalbleitermodulunterseite
8 Kühlflüssigkeit
9 Strömungsraum
10 Dichtung
11 Wirbelkörper
12 Kühlflüssigkeitseinlaß
13 Kühlflüssigkeitsauslaß
14 Verbindungsstück

Claims

1. Stromrichtermodul (1) umfassend

a) mindestens ein Leistungshalbleitermodul (2), welches je ein Modulgehäuse (4) mit einer Un terseite (7) und einer Oberseite (6) aufweist und aus mindestens einem Leistungshalbleiter bauelement besteht;
b) einen Kühlkörper (5), auf welchem die Lei stungshalbleitermodule (2) angebracht sind, wo bei der Kühlkörper (5) von einer Kühlflüssig keit (8) durchflossen wird, und der Kühlkörper (5) mindestens einen Strömungsraum (9) auf weist, durch welchen Strömungsraum (9) die Kühlflüssigkeit (8) fließt;
dadurch gekennzeichnet, daß
c) der Strömungsraum (9) auf mindestens einer Seite durch die Unterseite (7) eines Leistungs halbleitermoduls (2) abgeschlossen ist, und
d) die Kühlflüssigkeit die Unterseite der Lei stungshalbleitermodule (2) direkt umspült.

2. Stromrichtermodul (1) nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß

a) die Unterseite (7) der Leistungshalbleitermo dule (2) flächenmäßig größer als der Strö mungsraum (9) ist, und
b) die Leistungshalbleitermodule (2) über dem Strömungsraum (9) befestigt sind.

3. Stromrichtermodul (1) nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß

a) die Unterseite (7) der Leistungshalbleitermo dule (2) flächenmäßig im wesentlichen gleich groß ist wie der Strömungsraum, und
b) die Leistungshalbleitermodule (2) so angeordnet sind, daß sie mit ihrer Unterseite (7) den Strömungsraum (9) bündig abschließen.

4. Stromrichtermodul (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Stromrichtermodul (1) mindestens zwei, ins besondere parallel geschaltete Leistungshalb leitermodule (2) umfaßt;
b) je zwei Leistungshalbleitermodule (2) derart angeordnet sind, daß ihre Unterseiten (7) ein ander direkt gegenüber liegen; und
c) der Strömungsraum (9) auf zwei Seiten durch die gegenüberliegenden Unterseiten (7) von zwei zu sammengehörenden Leistungshalbleitermodulen (2) abgeschlossen ist.

5. Stromrichtermodul (1) nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Kühlflüssigkeit (8) durch einen Kühlflüssigkeitseinlaß (12) in den Strömungsraum (9) strömt, welcher Kühlflüssigkeitseinlaß (12) auf der der Unterseite (7) des Leistungshalb leitermoduls (2) direkt gegenüberliegenden Seite des Strömungsraums (2) angebracht ist;
b) im Strömungsraum (9) ein kühlflüssigkeitsauslaß (13) vorgesehen ist, durch welchen die Kühlflüssigkeit (8) aus dem Strömungsraum (9) zu einem gemeinsamen Auslaß (13) wegfließen kann.

6. Stromrichtermodul (1) nach eine der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsraum (9) derart strukturiert ist, daß

a) die Kühlflüssigkeit (8) mäanderförmig durch den Strömungsraum (9) fließt, wobei
b) ausfließende Kühlflüssigkeit (8) stets anti parallel zu einfließender strömt.

7. Stromrichtermodul (1) nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Leistungshalbleitermodule (2) entlang des Randes ihrer Unterseite (7) mit einer Dichtung (10) versehen sind, so daß die Leistungs halbleitermodule (2) den Strömungsraum (9) herme tisch abschließen.

8. Stromrichtermodul (1) nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Leistungshalbleitermodule (2) mit ihrer Unterseite (7) mittels einer Klebung im Strömungsraum (9) befestigt sind.

9. Stromrichtermodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkör per aus einem Formteil, insbesondere aus Kunststoff oder Aluminium besteht.

10. Stromrichtermodul nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungs raum (9) derart Wirbelkörper (11) vorgesehen sind, daß sich im Strömungsraum (9) Turbulenzen der Kühl flüssigkeit (8) bilden.

11. Stromrichtermodul nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wirbelkörper spiral- oder mäan derförmig angeordnet sind und insbesondere aus Form teilen aus Kunststoff oder Aluminium bestehen.