WO2012152777A1 - Schaltungsmodul mit kühlung durch phasenwechselmaterial - Google Patents

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WO2012152777A1
WO2012152777A1 PCT/EP2012/058413 EP2012058413W WO2012152777A1 WO 2012152777 A1 WO2012152777 A1 WO 2012152777A1 EP 2012058413 W EP2012058413 W EP 2012058413W WO 2012152777 A1 WO2012152777 A1 WO 2012152777A1
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WO
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phase change
change material
circuit module
electrical component
housing
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Application number
PCT/EP2012/058413
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joerg Heyse
Peter Feuerstack
Thomas Schniedertoens
Thomas Demmer
Andy Tiefenbach
Jens RITZERT
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • H01L23/4275—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes by melting or evaporation of solids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a circuit module, in particular a circuit module with semiconductor switches for an inverter for the electric drive of a vehicle, such as a car, truck or bus.
  • a DC power source is often used to power the electric drive of the vehicle.
  • the direct current must be converted from an inverter to alternating current. Due to the generated in the circuit module of the inverter resistive heat, the electrical components of the circuit module sometimes very hot and must be cooled.
  • phase change material for example paraffin
  • a circuit system with an integrated circuit and a heat sink in which between a Substrate on which the integrated circuit is mounted, and the heat sink, a latent heat storage module is arranged with a phase change material.
  • the object of the invention is easy to manufacture circuit modules
  • a first aspect of the invention relates to a circuit module comprising an electrical circuit with at least one electrical component, a heat sink for dissipating heat from the electrical component and a
  • Phase change material for buffering electrical or resistive heat from the electrical component comprises.
  • the electrical circuit may include an inverter for a vehicle or at least a part of this inverter.
  • An electrical component of an electrical circuit can be characterized in that it is at least temporarily flowed through by electricity.
  • an electrical component may also be a plastic substrate for the
  • Current carrying components include, such as a plastic body in which an integrated circuit is usually molded. Furthermore, it is possible for the electrical component to generate electrical heat or electrical heat on its own, by being flowed through by the current. But it is also possible that the electrical component is heated by being thermally in communication with other electrical components that generate this heat.
  • conductor tracks made of copper may be such electrical components since, in addition to its good conductivity for current, copper is also a good conductor of heat which dissipates heat generated in the semiconductor devices connected to the tracks.
  • the electrical component may comprise at least one semiconductor device, such as a diode, a transistor, a thyristor, an IGBT or an integrated circuit and / or a plurality of interconnects.
  • a phase change material is generally a material that is capable of absorbing heat or releasing heat
  • the material may melt upon absorption of heat, that is to pass from the solid to the liquid state, or solidify in the release of heat, so pass from the liquid to the solid state.
  • a phase change material releases heat or absorbs heat during phase transition, its temperature does not change until the phase transition is complete. In this way, a phase change material can be used to buffer heat without its temperature increasing or decreasing.
  • the phase change material may be selected such that its phase transition occurs at a temperature in which the temperature of the components to be cooled also moves.
  • the phase transition temperature of the phase change material may be selected such that the case of the phase change material in the im
  • components of power electronics such as the electrical components of an inverter, can with a
  • Phase change material short-term temperature peaks are intercepted.
  • the temperature peaks can occur due to transient currents flowing through the components. Due to the compact design of the components or their size, the thermal mass can be so small that even during a short energization the temperature rises sharply and then falls sharply again. Frequent high-frequency temperature fluctuations, however, can reduce the life of electrical components. For example, at a
  • Circuit module of an inverter Cracks in a bonding point (solder joint) to form a circuit board.
  • Connection with the electrical components of the electrical circuit can mitigate or reduce the temperature fluctuations.
  • the electrical component is at least partially embedded in the phase change material.
  • an electrical component may then be embedded in a phase change material if it is directly connected to the multi-sided component
  • Phase change material is in contact.
  • the electrical component may be at least partially immersed in the phase change material in the liquid phase. It is also possible that the electrical component is at least partially, but also possibly completely of the
  • Phase change material is surrounded and is in direct thermal contact with the phase change material.
  • a direct thermal contact is to be distinguished from an indirect thermal contact, which can be produced by a transmission body arranged between the electrical component and the phase change material. In other words, in a direct thermal contact no heat transfer body between the electrical component and the phase change material is arranged.
  • phase change material Due to the fact that the electrical component is embedded in the phase change material, the phase change material is brought into thermal contact with the location of the circuit module to be cooled, that is the electrical component, in a localized manner. This can be a particularly effective heat transfer between the electrical component and the
  • Phase change material result.
  • the buffering of the electrical heat from the electrical component can be carried out particularly efficiently. In this way, the life of the electronics or the electronic circuit, in particular in an inverter and in particular also in power electronics, can be increased.
  • the electrical component is completely embedded in the phase change material. In this case, the electrical component can be enclosed on all sides by the phase change material and can thus be used on all its outer surfaces with the
  • the electrical component is arranged in a housing which at least partially with the
  • Phase change material is filled.
  • the entire electrical circuit or a circuit board with the electrical circuit can be located in the housing. At the bottom of the case can also be the heat sink of the
  • a heat sink may comprise a device made of a good thermal conductive material, such as metal, designed to
  • the heat sink for example, comprise cooling fins, which are flowed around by a coolant, such as air or water.
  • the housing with the
  • Phase change material is filled, the electrical component completely surrounds.
  • the housing can prevent an exchange of media in its interior with the environment of the housing.
  • Shielding of the electrical components of the circuit module is present, by at least partially filling the housing with a
  • Phase change material a manufacturing technology easily implementable
  • the housing comprises a material which is designed to compensate for an expansion of the phase change material during the phase transition.
  • the housing may comprise a flexible membrane or be partially filled with a compressible medium.
  • in the housing may be provided with a gas-filled space, the gas at an extension of the
  • Phase change material is compressed in the housing.
  • the housing comprises at least one capillary hole.
  • the capillary hole may allow expansion and shrinkage of the phase change material by balancing air from the interior of the housing with the environment, preventing outflow of molten phase change material by selecting the opening size of the capillary so that outflow due to capillary forces is not possible ,
  • the housing comprises a phase material-impregnated sponge.
  • a sponge can do this
  • a sponge may comprise any porous, elastic and / or compressible material.
  • Sponge can prevent liquid phase change material from leaking out of the housing as the liquid phase change material is held in the tissue or chambers of the sponge by capillary forces.
  • Phase change material paraffin For the storage and release of latent heat, that is heat, in a phase transition or
  • the paraffin or the paraffin mixture may depend on the temperature level which is to be set in the electrical component or in the electrical circuit of the circuit module as the average temperature. Such a temperature may be, for example, 150 ° C.
  • the electrical component is embedded in a printed circuit board in the body
  • Phase change material are incorporated.
  • the printed circuit board which is cast, for example, from plastic,
  • Phase change material beads that is encapsulated in plastic phase change material, are poured.
  • the electrical component is touched at a plurality of locations of its surface almost directly from the bodies of phase change material, the electrical component is embedded in the phase change material in the bodies.
  • Fig. 1 shows a diagram with the temperature profile of a conventional electrical component.
  • FIG. 2 shows the temperature profile of an electrical component in a circuit module according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 3 shows schematically the cross section through a circuit module according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 4 shows schematically a cross section through a circuit module according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 5 shows schematically a cross section through a circuit module according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 6 shows schematically a cross section through a circuit module according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 7 shows schematically a cross section through a circuit module according to another embodiment of the invention.
  • the curve 10 is the temperature profile of an electrical component of a circuit module of an inverter for supplying an electric vehicle drive.
  • the temperature 10 in the short term means 12 varies over a range of about 60 ° C.
  • the temperature fluctuations may even be short-term more than 60 ° C (see section 14) and may temporarily exceed a maximum temperature 16 of 150 ° C (see section 18).
  • Temperature fluctuations of more than 60 ° C in the region 14 can lead to a reduction in the lifetime of a circuit module, for example due to cracks occurring at bonding sites.
  • FIG. 1 also shows the region 20 of the vehicle ambient temperature.
  • FIG. 2 shows a diagram analogous to the diagram of FIG. 1, in which the temperature profile 10 'of an electrical component of an inverter is shown, which is in direct contact with a phase change material and which is embedded in the phase change material. As shown in FIG.
  • FIG. 3 shows a circuit module 30 of a high-voltage inverter used for
  • the circuit module 30 includes an electrical circuit 32, which may be connected via electrical leads 34 with other circuit modules.
  • the electrical circuit 32 in this case comprises a plurality of electronic components 36, in this case IGBTs 36, which are arranged on a circuit board 38.
  • the electrical circuit 32 is located in a housing 40 in which the circuit board 38 and the two components 36 are arranged.
  • the housing 40 is partially filled with a phase change material 42. In this case, so much phase change material 42 is present in the housing 40, that the
  • Components 36 are at least partially embedded in the phase change material 42. In the embodiment shown in FIG. 3, the two components 36 are completely surrounded by phase change material 42. Temperature peaks on electronic components 36 can be caused by a short-term
  • Phase change material 42 from, wherein the heat for melting the
  • Phase change material 42 is used. The heat is therefore reduced
  • Phase change material 42 is completely melted, the temperature continues to rise. Conversely, when the phase change material 42 solidifies, ie when it cools down, the temperature does not decrease until the
  • Phase change material 42 is completely solidified.
  • the housing 40 shown in FIG. 3 is partially filled with air, thus comprises an air-filled space 44.
  • the air is used to
  • the housing 40 comprises on its upper side a capillary hole 46 or a Kapillarbohrung 46.
  • the capillary 46 allows expansion and shrinkage of the phase change material 42 an air balance to the environment, with a flow out of the molten phase change material 42 due to the small opening 46 capillary technology is prevented.
  • the capillary hole 46 can be dispensed with, in which case the air portion 44 is compressed in an extension of the phase change material 42 in the housing 40.
  • the housing 40 of the circuit module 30 and the board 38 are connected to a heat sink 48 at the bottom of the circuit module 30.
  • the heat sink 48 includes cooling fins 50, which may be flowed around by a fluid, such as air or water, to cool the entire circuit module 30.
  • FIG. 4 shows a cross section through a circuit module 30, which is essentially constructed like the circuit module 30 from FIG. 3.
  • the circuit module 30 of FIG. 4 differs from that of FIG. 3 in that the housing 40 is completely filled with phase change material 42, the phase change material 42 thus completely surrounds the electrical circuit 32.
  • the housing 40 has no capillary hole 46.
  • the housing 40 of FIG. 4 includes a flexible membrane 52 disposed on the top of the housing 40. The flexible membrane 52 serves to equalize the thermal expansion of the phase change material 42.
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through a further embodiment of a circuit module 30, which is similar to the circuit modules 30 of FIGS. 3 and 4 constructed.
  • the phase change material 42 is completely enclosed by the housing 40.
  • a sponge 54 is disposed in the housing 40, which is connected to the
  • the sponge 54 may include a porous, resilient and compressible material that may also be configured to compensate for thermal expansion of the phase change material 42.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a circuit module 30 in which a printed circuit board 46 is arranged on a heat sink 48.
  • the electrical circuit 32 which is arranged on the circuit board 56, thereby comprises conductor tracks 36 as electrical components 36 of the electrical circuit 32.
  • phase change material 42 is located in a chamber which is formed by the circuit board 56 and the heat sink 48 and in which the
  • Conductor tracks 36 protrude. Particularly in the case of a low-voltage version, for example with 42 V, of an inverter, it is possible that not the semiconductor components of the circuit module are thermally critical, but the conductor tracks 36 leading to them on the circuit board 56.
  • the phase change material 42 may be integrated into the multilayer laminated board 56.
  • a recess may be provided in a lower layer of the circuit board 56 which is covered by a second layer of the circuit board 56.
  • the phase change material 42 may then into the recess of the lower layer, for example a
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a circuit module 30 in which electrical conductor tracks 36 are embedded in a phase change material 42.
  • the substrate 58 of the board 56 are small body 60 with
  • Phase change material 42 incorporated.
  • the carrier material 58 contains so many bodies 60 that each strip conductor 36 is in thermal contact with a plurality of bodies 60 on its side surfaces and on its underside.
  • the carrier material 58 can be produced by mixing phase change material beads 60 into the still liquid carrier material 58.
  • the body 60 may be encapsulated in plastic phase change material 42, which are for example used in house cleaning for heat buffering between daytime and nighttime.

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Abstract

Ein Schaltungsmodul 30 umfasst eine elektrische Schaltung 32 mit einer elektrischen Komponente 36, die zumindest teilweise in ein Phasenwechselmaterial 42 eingebettet ist.

Description

Beschreibung
Schaltungsmodul mit Kühlung durch Phasenwechselmaterial
GEBI ET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Schaltungsmodul, insbesondere ein Schaltungsmodul mit Halbleiterschaltern für einen Wechselrichter für den elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs, wie beispielsweise einen Pkw, Lkw oder Bus.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen wird häufig eine Gleichstromquelle verwendet, um den elektrischen Antrieb des Fahrzeugs mit Strom zu versorgen.
Bei den dabei in der Regel eingesetzten Elektromotoren muss der Gleichstrom dabei von einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. Durch die in dem Schaltungsmodul des Wechselrichters entstehende Ohmsche Wärme, werden die elektrischen Komponenten des Schaltungsmoduls teilweise sehr heiß und müssen gekühlt werden.
Insbesondere bei elektrischen Komponenten, die nur zeitweise unter Strom stehen, was beispielsweise bei einem Schaltungsmodul eines Wechselrichters der Fall ist, schwankt die entstehende Ohmsche Wärme stark und es können Temperaturspitzen entstehen. Zum Abfangen kurzzeitiger Temperaturspitzen kann bei der Kühlung von elektrischen Komponenten ein Phasenwechselmaterial (PCM, Phase Change Material), beispielsweise Paraffin, eingesetzt werden.
Beispielsweise ist aus der EP 1 416 534 Bl ein Schaltungssystem mit einer integrierten Schaltung und einem Kühlkörper bekannt, bei dem zwischen einem Substrat, auf dem die integrierte Schaltung montiert ist, und dem Kühlkörper ein Latentwärmespeichermodul mit einem Phasenwechselmaterial angeordnet ist.
ZUSAMM ENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, leicht herzustellende Schaltungsmodule
bereitzustellen, die besonders effektiv mit einem Phasenwechselmaterial gekühlt werden können.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Schaltungsmodul, das eine elektrische Schaltung mit wenigstens einer elektrischen Komponente, einen Kühlkörper zur Abfuhr von Wärme aus der elektrischen Komponente und ein
Phasenwechselmaterial zum Zwischenspeichern von elektrischer bzw. Ohmsche Wärme aus der elektrischen Komponente umfasst.
Die elektrische Schaltung kann dabei einen Wechselrichter für ein Fahrzeug bzw. zumindest einen Teil dieses Wechselrichters umfassen.
Eine elektrische Komponente einer elektrischen Schaltung kann sich dadurch auszeichnen, dass sie zumindest zeitweise von Strom durchflössen ist. Jedoch kann eine elektrische Komponente auch ein Kunststoffsubstrat für die
stromdurchflossenen Bestandteile umfassen, wie etwa ein Kunststoffkörper in den eine integrierte Schaltung in der Regel eingegossen ist. Weiter ist es möglich, dass die elektrische Komponente selbstständig elektrische Wärme bzw. elektrische Wärme erzeugt, indem sie vom Strom durchflössen wird. Es ist aber auch möglich, dass die elektrische Komponente dadurch erwärmt wird, dass sie mit anderen elektrischen Komponenten thermisch in Verbindung steht, die diese Wärme erzeugen. Insbesondere können Leiterbahnen, die aus Kupfer hergestellt sind, derartige elektrische Komponenten sein, da Kupfer neben seiner guten Leitfähigkeit für Strom auch ein guter Wärmeleiter ist, der die in den mit den Leiterbahnen verbundenen Halbleiterbauelementen erzeugte Wärme aus diesen abführt. Die elektrische Komponente kann wenigstens ein Halbleiterbauelement, wie etwa eine Diode, einen Transistor, einen Thyristor, einen IGBT oder eine integrierte Schaltung und/oder eine Mehrzahl von Leiterbahnen, umfassen. Es ist zu verstehen, dass die eben genannten Halbleiterbauelemente, die dafür ausgeführt sind, im Hochspannungs- bzw. Hochstrombereich von beispielsweise mehr als 100 V (beispielsweise 400 V) bzw. mehr als 10 A, eingesetzt zu werden, besonders viel Ohmsche Wärme entwickeln und daher eine besonders effektive Kühlung benötigen können. Es ist aber auch möglich, elektrische Komponenten im Niedervoltbereich von weniger als 50 V, beispielsweise 42 V, mit den im
Folgenden beschriebenen Anordnungen zu kühlen.
Ein Phasenwechselmaterial ist im Allgemeinen ein Material, das in der Lage ist, bei der Aufnahme von Wärme bzw. bei der Abgabe von Wärme seinen
Phasenzustand zu ändern. Beispielsweise kann das Material bei der Aufnahme von Wärme schmelzen, also von dem festen in den flüssigen Aggregatzustand übergehen, oder bei der Abgabe von Wärme erstarren, also von dem flüssigen in den festen Aggregatzustand übergehen. Obwohl ein Phasenwechselmaterial beim Phasenübergang Wärme abgibt oder Wärme aufnimmt, ändert sich seine Temperatur solange nicht, bis der Phasenübergang vollständig erfolgt ist. Auf diese Weise kann ein Phasenwechselmaterial dazu verwendet werden, Wärme zwischenzuspeichern, ohne dass sich seine Temperatur erhöht oder vermindert. Es ist dabei zu verstehen, dass das Phasenwechselmaterial dabei so gewählt sein kann, dass sein Phasenübergang bei einer Temperatur erfolgt, in dem sich auch die Temperatur der zu kühlenden Komponenten bewegt. Mit anderen
Worten kann die Phasenübergangstemperatur des Phasenwechselmaterials derart gewählt sein, dass das bei dem Phasenwechselmaterial bei den im
Schaltungsmodul auftretenden Temperaturwechseln ein Phasenübergang erfolgt. Insbesondere bei Bauteilen der Leistungselektronik, wie zum Beispiel den elektrischen Komponenten eines Wechselrichters, können mit einem
Phasenwechselmaterial kurzzeitige Temperaturspitzen abgefangen werden. Beispielsweise können die Temperaturspitzen durch kurzzeitig wirkende durch die Bauteile fließende Ströme auftreten. Aufgrund der kompakten Bauweise der Bauteile bzw. deren Größe kann deren thermische Masse so klein sein, dass selbst während einer kurzen Bestromungsdauer die Temperatur stark ansteigt und danach wieder stark abfällt. Durch häufige hochfrequente Temperaturschwankungen kann jedoch die Lebensdauer von elektrischen Komponenten gemindert werden. Beispielsweise können bei einem
Schaltungsmodul eines Wechselrichters Risse in einer Bondingstelle (Lötstelle) zu einer Platine entstehen. Ein Phasenwechselmaterial, das in thermischer
Verbindung mit den elektrischen Komponenten der elektrischen Schaltung steht, kann die Temperaturschwankungen abmildern bzw. vermindern.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Komponente zumindest teilweise in das Phasenwechselmaterial eingebettet. Beispielsweise kann eine elektrische Komponente dann in ein Phasenwechselmaterial eingebettet sein, wenn sie an mehreren Seiten direkt mit dem
Phasenwechselmaterial in Kontakt steht. Beispielsweise kann die elektrische Komponente zumindest teilweise in das Phasenwechselmaterial in der flüssigen Phase eingetaucht sein. Auch ist es möglich, dass die elektrische Komponente zumindest teilweise, aber auch möglicherweise vollständig von dem
Phasenwechselmaterial umgeben ist und mit dem Phasenwechselmaterial in direktem thermischen Kontakt steht. Ein direkter thermischer Kontakt ist dabei von einem indirekten thermischen Kontakt zu unterscheiden, der durch ein zwischen der elektrischen Komponente und dem Phasenwechselmaterial angeordneten Übertragungskörper hergestellt werden kann. Mit anderen Worten ist bei einem direkten thermischen Kontakt kein Wärmeübertragungskörper zwischen der elektrischen Komponente und dem Phasenwechselmaterial angeordnet.
Dadurch, dass die elektrische Komponente in das Phasenwechselmaterial eingebettet ist, wird das Phasenwechselmaterial ortsnah mit der zu kühlenden Stelle des Schaltungsmoduls, das heißt der elektrischen Komponente, in thermischen Kontakt gebracht. Dadurch kann sich eine besonders effektiver Wärmetransfer zwischen der elektrischen Komponente und dem
Phasenwechselmaterial ergeben. Das Zwischenspeichern der elektrischen Wärme aus der elektrischen Komponente kann besonders effizient durchgeführt werden. Auf diese Weise kann die Lebensdauer der Elektronik bzw. der elektronischen Schaltung, insbesondere bei einem Wechselrichter und insbesondere auch bei Leistungselektronik, erhöht werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Komponente vollständig in das Phasenwechselmaterial eingebettet. In diesem Fall kann die elektrische Komponente von allen Seiten vom Phasenwechselmaterial umschlossen sein und kann damit an allen ihren Außenflächen mit dem
Phasenwechselmaterial in Kontakt stehen, wodurch sich eine sehr gute
Wärmeübertragung zwischen der elektrischen Komponente und dem
Phasenwechselmaterial ergibt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Komponente in einem Gehäuse angeordnet, das zumindest teilweise mit dem
Phasenwechselmaterial gefüllt ist. Beispielsweise kann sich die gesamte elektrische Schaltung bzw. eine Platine mit der elektrischen Schaltung in dem Gehäuse befinden. An der Unterseite des Gehäuses kann auch der Kühlkörper des
Schaltungsmoduls angebracht sein. Damit kann die elektrische Wärme aus der elektrischen Komponente im Phasenwechselmaterial in dem Gehäuse zwischengespeichert werden und von dem Gehäuse zum Kühlkörper übertragen werden. Ein Kühlkörper kann beispielsweise ein Bauelement aus einem gut thermisch leitenden Material, wie etwa Metall, umfassen, das dazu ausgeführt ist,
Wärme auf ein weiteres Kühlmedium zu übertragen. Dazu kann der Kühlkörper beispielsweise Kühlrippen umfassen, die von einem Kühlmittel, wie etwa Luft oder Wasser, umströmt werden.
Beispielsweise ist es möglich, dass das Gehäuse, das mit dem
Phasenwechselmaterial gefüllt ist, die elektrische Komponente vollständig umgibt. Mit anderen Worten kann das Gehäuse einen Austausch von Medien in seinem Inneren mit der Umgebung des Gehäuses verhindern.
Da bei vielen Schaltungsmodulen und insbesondere bei Schaltungsmodulen für einen Wechselrichter für ein Fahrzeug häufig schon ein Gehäuse zum
Abschirmen der elektrischen Komponenten des Schaltungsmoduls vorhanden ist, kann durch das zumindest teilweise Füllen des Gehäuses mit einem
Phasenwechselmaterial eine herstellungstechnisch einfach umsetzbare
Ausführung eines Zwischenspeichers für Wärme bereitgestellt werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Gehäuse ein Material, das dazu ausgeführt ist, eine Ausdehnung des Phasenwechselmaterials beim Phasenübergang auszugleichen. Beispielsweise kann das Gehäuse eine flexible Membran umfassen oder teilweise mit einem kompressiblen Medium gefüllt sein. Beispielsweise kann in dem Gehäuse ein mit einem Gas gefüllter Freiraum vorhanden sein, wobei das Gas bei einer Ausdehnung des
Phasenwechselmaterials im Gehäuse komprimiert wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Gehäuse wenigstens ein Kapillarloch. Das Kapillarloch kann ein Ausdehnen und ein Schrumpfen des Phasenwechselmaterials durch Luftausgleich aus dem Innenraum des Gehäuses mit der Umgebung ermöglichen, wobei ein Ausfließen von geschmolzenem Phasenwechselmaterial dadurch verhindert wird, dass die Öffnungsgröße des Kapillarlochs so gewählt wird, dass ein Ausfließen aufgrund von Kapillarkräften nicht möglich ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Gehäuse einen mit Phasenmaterial getränkten Schwamm. Ein Schwamm kann dabei ein
mechanisch starres bzw. mechanisch flexibles Material sein, das derart viele Kammern umfasst, so dass ein Großteil des von dem Schwamm
eingenommenen Raums von Phasenwechselmaterial ausgefüllt ist, wenn dieses in die Kammern des Schwamms aufgesogen ist. Ein Schwamm kann jedes poröses, elastisches und/oder komprimierbares Material umfassen. Ein
Schwamm kann verhindern, dass flüssiges Phasenwechselmaterial aus dem Gehäuse ausläuft, da das flüssige Phasenwechselmaterial durch Kapillarkräfte im Gewebe bzw. den Kammern des Schwamms gehalten wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das
Phasenwechselmaterial Paraffin. Für die Speicherung und zum Abgeben von latenter Wärme, das heißt Wärme, die in einem Phasenübergang bzw.
Phasenwechsel aufgenommen wird, können jedoch auch andere Materialen verwendet werden, wie beispielsweise anorganische Salze oder Salzgemische. Die Auswahl des Paraffins bzw. des Paraffingemisches kann sich nach dem Temperaturniveau richten, das in der elektrischen Komponente bzw. in der elektrischen Schaltung des Schaltungsmoduls als mittlere Temperatur eingestellt werden soll. Eine derartige Temperatur kann beispielsweise 150°C sein. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Komponente in eine Leiterplatte bzw. Platine eingebettet, in die Körper aus
Phasenwechselmaterial eingearbeitet sind. Beispielsweise können bereits beim Herstellen der Leiterplatte, die beispielsweise aus Kunststoff gegossen wird,
Phasenwechselmaterial-Kügelchen, das heißt in Kunststoff gekapseltes Phasenwechselmaterial, eingegossen werden. Insbesondere, wenn derart viele Körper aus Phasenwechselmaterial in der Leiterplatte vorhanden sind, dass die elektrische Komponente an einer Vielzahl von Stellen seiner Oberfläche nahezu direkt von den Körpern aus Phasenwechselmaterial berührt wird, ist die elektrische Komponente in das Phasenwechselmaterial in den Körpern eingebettet.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
KU RZE BESCHREIBUNG DER FIGU REN
Die Fig. 1 zeigt ein Diagramm mit dem Temperaturverlauf einer herkömmlichen elektrischen Komponente.
Fig. 2 zeigt den Temperaturverlauf einer elektrischen Komponente in einem Schaltungsmodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 3 zeigt schematisch den Querschnitt durch ein Schaltungsmodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Schaltungsmodul gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Schaltungsmodul gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Schaltungsmodul gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Fig. 7 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Schaltungsmodul gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
DETAILI ERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Fig. 1 zeigt ein Diagramm, bei dem ein Temperaturverlauf 10 der Temperatur T über die Zeit t aufgetragen ist. Die Kurve 10 ist der Temperaturverlauf einer elektrischen Komponente eines Schaltungsmoduls eines Wechselrichters zur Versorgung eines elektrischen Fahrzeugantriebs.
Wie aus der Fig. 1 zu erkennen ist, schwankt die Temperatur 10 im kurzzeitigen Mittel 12 über einem Bereich von etwa 60°C. Die Temperaturschwankungen können dabei sogar kurzeitig mehr als 60°C betragen (siehe Bereich 14) und können auch eine maximale Temperatur 16 von 150°C zeitweise übersteigen (siehe Bereich 18). Das Übersteigen des Temperaturverlaufs 10 im Bereich 18 über die maximale Temperatur 16 und auch kurzzeitige
Temperaturschwankungen von mehr als 60°C im Bereich 14 können dazu führen, dass die Lebensdauer eines Schaltungsmoduls vermindert wird, beispielsweise dadurch, dass an Bondingstellen Risse entstehen.
In der Fig. 1 ist auch noch der Bereich 20 der Fahrzeugumgebungstemperatur dargestellt.
Die Fig. 2 zeigt ein Diagramm analog dem Diagramm der Fig. 1, in dem der Temperaturverlauf 10' einer elektrischen Komponente eines Wechselrichters dargestellt ist, die sich in direktem Kontakt mit einem Phasenwechselmaterial befindet und die in das Phasenwechselmaterial eingebettet ist. Wie aus der Fig.
2 ersichtlich ist, ist das kurzzeitige Mittel der Temperaturschwankungen 12' wesentlich geringer und beträgt in etwa 20°C. Durch die geringeren
Temperaturfluktuationen 12' kann auch das gesamte Temperaturniveau des Schaltungsmoduls vermindert werden, da Temperaturspitzen analog dem Bereich 18 aus der Fig. 1 nicht mehr auftreten. Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, dass die maximale Temperatur 16, bei der die elektrischen Komponenten eines Schaltungsmoduls beschädigt werden können, bei weitem nicht mehr erreicht wird. Damit kann mittels eines Phasenwechselmaterials die Lebensdauer eines Schaltungsmoduls erhöht und dessen Beschädigung vermindert werden. Die Fig. 3 zeigt ein Schaltungsmodul 30 eines Hochvoltwechselrichters, der zum
Beispiel mit 400 V betrieben wird. Das Schaltungsmodul 30 umfasst eine elektrische Schaltung 32, die über elektrische Zuleitungen 34 mit weiteren Schaltungsmodulen verbunden sein kann. Die elektrische Schaltung 32 umfasst dabei eine Mehrzahl von elektronischen Bauteilen 36, in diesem Fall IGBTs 36, die auf einer Platine 38 angeordnet sind. Die elektrische Schaltung 32 befindet sich in einem Gehäuse 40, in dem die Platine 38 und die beiden Bauelemente 36 angeordnet sind.
Das Gehäuse 40 ist teilweise mit einem Phasenwechselmaterial 42 gefüllt. Dabei ist so viel Phasenwechselmaterial 42 in dem Gehäuse 40 vorhanden, dass die
Bauelemente 36 zumindest teilweise in das Phasenwechselmaterial 42 eingebettet sind. Bei der in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind die beiden Bauelemente 36 vollständig von Phasenwechselmaterial 42 umgeben. Temperaturspitzen an elektronischen Bauteilen 36 können durch ein kurzzeitiges
Speichern der in dem elektronischen Bauteil 36 entstehenden Wärme in dem Phasenwechselmaterial 42 abgefangen werden. Dabei geben die elektronischen Bauteile 36 die in ihnen entstehende Ohmsche Wärme an das
Phasenwechselmaterial 42 ab, wobei die Wärme zum Aufschmelzen des
Phasenwechselmaterials 42 verwendet wird. Die Wärme geht deshalb ab
Erreichen des Schmelzpunkts des Phasenwechselmaterials 42 nicht in eine Temperaturerhöhung ein. Erst ab dem Zeitpunkt, bei dem das
Phasenwechselmaterial 42 vollständig geschmolzen ist, steigt die Temperatur weiter an. Umgekehrt nimmt beim Erstarren des Phasenwechselmaterials 42, also bei dessen Auskühlen, die Temperatur nicht ab, bis das
Phasenwechselmaterial 42 vollständig erstarrt ist.
Das in der Fig. 3 dargestellte Gehäuse 40 ist teilweise mit Luft gefüllt, umfasst also einen luftgefüllten Freiraum 44. Die Luft wird dazu verwendet, die
thermische Ausdehnung des Phasenwechselmaterials 42 auszugleichen.
Darüber hinaus umfasst das Gehäuse 40 an seiner Oberseite ein Kapillarloch 46 bzw. eine Kapillarbohrung 46. Die Kapillarbohrung 46 ermöglicht bei Ausdehnung und Schrumpfen des Phasenwechselmaterials 42 einen Luftausgleich zur Umgebung, wobei ein Ausfließen des geschmolzenen Phasenwechselmaterials 42 wegen der kleinen Öffnung 46 kapillartechnisch verhindert wird. Auf das Kapillarloch 46 kann jedoch verzichtet werden, wobei dann der Luftanteil 44 bei einer Ausdehnung des Phasenwechselmaterials 42 im Gehäuse 40 komprimiert wird.
Das Gehäuse 40 des Schaltungsmoduls 30 und die Platine 38 sind mit einem Kühlkörper 48 an der Unterseite des Schaltungsmoduls 30 verbunden. Der Kühlkörper 48 umfasst Kühlrippen 50, die von einem Fluid wie Luft oder Wasser umströmt werden können, um das gesamte Schaltungsmodul 30 zu kühlen.
In der Fig. 4 ist ein Querschnitt durch ein Schaltungsmodul 30 dargestellt, das im Wesentlichen wie das Schaltungsmodul 30 aus der Fig. 3 aufgebaut ist. Das Schaltungsmodul 30 aus der Fig. 4 unterscheidet sich von dem aus der Fig. 3 dadurch, dass das Gehäuse 40 vollständig mit Phasenwechselmaterial 42 gefüllt ist, das Phasenwechselmaterial 42 die elektrische Schaltung 32 also vollständig umgibt. Das Gehäuse 40 weist kein Kapillarloch 46 auf. Allerdings umfasst das Gehäuse 40 aus der Fig. 4 eine flexible Membran 52, die an der Oberseite des Gehäuses 40 angeordnet ist. Die flexible Membran 52 dient zum Ausgleichen der thermischen Ausdehnung des Phasenwechselmaterials 42.
Die Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Schaltungsmoduls 30, das ähnlich wie die Schaltungsmodule 30 aus den Fig. 3 und 4 aufgebaut ist. Wie bei der Fig. 4, ist beim Schaltungsmodul 30 der Fig. 5 das Phasenwechselmaterial 42 vom Gehäuse 40 vollständig umschlossen. Dabei ist in dem Gehäuse 40 ein Schwamm 54 angeordnet, der mit dem
Phasenwechselmaterial 42 getränkt ist. Der Schwamm 54 kann ein poröses, elastisches und komprimierbares Material umfassen, das auch dazu ausgelegt sein kann, thermische Ausdehnungen des Phasenwechselmaterials 42 auszugleichen.
Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Schaltungsmoduls 30, bei dem eine Leiterplatte 46 auf einem Kühlkörper 48 angeordnet ist. Die elektrische Schaltung 32, die auf der Platine 56 angeordnet ist, umfasst dabei Leiterbahnen 36 als elektrische Komponenten 36 der elektrischen Schaltung 32. Die
Leiterbahnen 36 sind an ihrer Unterseite in ein Phasenwechselmaterial 42 eingebettet. Das Phasenwechselmaterial 42 befindet sich dabei in einer Kammer, die durch die Platine 56 und den Kühlkörper 48 gebildet ist und in die die
Leiterbahnen 36 hineinragen. Insbesondere bei einer Niedervolt-Ausführung, beispielsweise mit 42 V, eines Wechselrichters ist es möglich, dass nicht die Halbleiter-Bauelemente des Schaltungsmoduls thermisch kritisch sind, sondern die zu ihnen führenden Leiterbahnen 36 auf der Platine 56.
Das Phasenwechselmaterial 42 kann in die mehrschichtige laminierte Platine 56 integriert sein. Beispielsweise kann, wie in der Fig. 6 dargestellt, in einer unteren Schicht der Platine 56 eine Aussparung vorgesehen sein, die von einer zweiten Schicht der Platine 56 abgedeckt wird. Das Phasenwechselmaterial 42 kann dann in die Aussparung der unteren Schicht, beispielsweise einer
Laminatzwischenschicht, eingebracht werden.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Schaltungsmoduls 30, bei dem elektrische Leiterbahnen 36 in ein Phasenwechselmaterial 42 eingebettet sind. Im Trägermaterial 58 der Platine 56 sind dabei kleine Körper 60 mit
Phasenwechselmaterial 42 eingearbeitet. Im Trägermaterial 58 sind so viele Körper 60 vorhanden, dass jede Leiterbahnen 36 an ihren Seitenflächen und an ihrer Unterseite mit einer Mehrzahl von Körper 60 in thermischen Kontakt steht. Beispielsweise kann das Trägermaterial 58 dadurch hergestellt werden, dass Phasenwechselmaterial- Kügelchen 60 in das noch flüssige Trägermaterial 58 eingemischt werden. Die Körper 60 können dabei in Kunststoff gekapseltes Phasenwechselmaterial 42 sein, die beispielsweise auch in Hausputzen zur Wärmepufferung zwischen Tages- und Nachtzeit verwendet werden.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener
Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den
Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Ansprüche
1 . Schaltungsmodul (30), umfassend:
eine elektrische Schaltung (32) mit wenigstens einer elektrischen
Komponente (36),
einen Kühlkörper (48) zur Abfuhr von Wärme aus der elektrischen
Komponente (36),
ein Phasenwechselmaterial (42) zum Zwischenspeichern von elektrischer Wärme aus der elektrischen Komponente (42),
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrische Komponente (36) zumindest teilweise in das
Phasenwechselmaterial (42) eingebettet ist.
2. Schaltungsmodul (30) nach Anspruch 1 ,
wobei die elektrische Komponente (36) vollständig in das
Phasenwechselmaterial (42) eingebettet ist.
3. Schaltungsmodul (30) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die elektrische Komponente (36) ein Halbleiter-Bauelement und/oder eine Leiterbahn umfasst.
4. Schaltungsmodul (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die elektrische Komponente (36) in einem Gehäuse (40) angeordnet ist, das zumindest teilweise mit dem Phasenwechselmaterial (42) gefüllt ist.
5. Schaltungsmodul (30) nach Anspruch 4,
wobei das Gehäuse (40) ein Material (44, 54) umfasst, das dazu ausgeführt ist, eine Ausdehnung des Phasenwechselmaterials (42) auszugleichen.
6. Schaltungsmodul (30) nach Anspruch 4 oder 5,
wobei das Gehäuse (40) wenigstens ein Kapillarloch (46) umfasst.
7. Schaltungsmodul (30) nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
wobei das Gehäuse (40) wenigstens eine flexible Membran (52) umfasst.
8. Schaltungsmodul (30) nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
wobei das Gehäuse (40) einen mit Phasenwechselmaterial (42) getränkten Schwamm (54) umfasst.
9. Schaltungsmodul (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Phasenwechselmaterial (42) Paraffin umfasst.
10. Schaltungsmodul (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die elektrische Komponente (36) in eine Leiterplatte (56) eingebettet ist, in die Körper (60) aus Phasenwechselmaterial (42) eingearbeitet sind.
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