WO2021239633A1 - Elektrisches wechselrichter-system - Google Patents

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WO2021239633A1
WO2021239633A1 PCT/EP2021/063700 EP2021063700W WO2021239633A1 WO 2021239633 A1 WO2021239633 A1 WO 2021239633A1 EP 2021063700 W EP2021063700 W EP 2021063700W WO 2021239633 A1 WO2021239633 A1 WO 2021239633A1
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WO
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semiconductor power
power module
electrical
capacitor
inverter system
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Application number
PCT/EP2021/063700
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang RAMBOW
Jürgen WASSMUTH
Anthony Thomas
Original Assignee
Tdk Electronics Ag
Infineon Technologies Ag
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Publication date
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Priority to CN202180037997.6A priority patent/CN115606324A/zh
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    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure
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    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/327—Means for protecting converters other than automatic disconnection against abnormal temperatures

Definitions

  • the present invention is directed to an electrical inverter system which comprises heat sinks, a semiconductor power module and an electrical capacitor.
  • the electrical inverter system is used to convert direct current to alternating current.
  • the actual electrical inverter is designed in the form of semiconductor power modules.
  • Power rails are usually used to make electrical contact with the individual components.
  • An electrical inverter system which comprises at least the components of a first heat sink, a second heat sink and an electrical capacitor. These three components are stacked in the order listed.
  • the system also includes a fixation means.
  • the three components mentioned are fixed by the fixing means in such a way that they cannot be displaced relative to one another and at least partially lie flat against one another.
  • the side of the system that is terminated by the first heat sink is referred to as the top in the following.
  • the second heat sink is arranged between the first heat sink and the electrical capacitor and is in direct contact with the two components mentioned.
  • the side of the system that is terminated by the electrical capacitor is called the underside.
  • the top side can be oriented downwards and the bottom side can be oriented upwards.
  • the system further includes a semiconductor power module positioned between the first and second heat sinks.
  • the semiconductor power module is clamped there by the pressure of the adjacent heat sink and thus fixed. Several semiconductor power modules can be trapped there.
  • One or more cutouts, in which one or more semiconductor power modules are embedded, can be formed between the heat sinks.
  • the recess can be so pronounced in the first or in the second heat sink or in both heat sinks that the semiconductor power module can be inserted precisely between the heat sinks.
  • Electrical contact elements electrically connect the semiconductor power module to the electrical capacitor.
  • the system has a plurality of fixing means, with a single one of the fixing means already fixing the components to one another in such a way that they cannot be displaced against one another and at least partially lie flat against one another.
  • the components are fixed to one another in such a way that they can still not be rotated against one another. Furthermore, the stability and the reliability of the fixation are increased in this way.
  • the heat sinks comprise a housing made of materials that conduct heat well, for example, heat-conducting metals such as aluminum.
  • the housing comprises cavities for receiving a cooling liquid such as, for example, water. For example, by removing heated water or cooling liquid from the system and feeding cold water or cooling liquid into the system, heat can be removed from the system via the heat sink.
  • the heat sink is solid. This lowers the manufacturing and operating costs.
  • the heat sinks are used to dissipate heat for cooling the electrical components, in particular the semiconductor power module.
  • the heat sinks are preferably stacked on top of one another on their largest surfaces in terms of area.
  • the dimensions of the heat sinks in the stacking direction are small compared to the dimensions of the largest surfaces of the heat sinks.
  • the semiconductor power module is clamped between the heat sinks.
  • the inverter system is mounted directly on an external heat sink or a sufficiently cool device
  • the external heat sink or the sufficiently cool device can already function as one of the heat sinks of the system.
  • the installation of the inverter system on the cooling jacket of a motor is the installation of the inverter system on the cooling jacket of a motor.
  • metallic tongues are formed on the outside of the semiconductor power module and the electrical capacitor, which are mechanically and electrically connected to one another by electrical contact elements such as metallic screws or by welds.
  • the electrical capacitor can be designed as a direct current capacitor.
  • the capacitor comprises a housing and a capacitor element fixed therein.
  • the bores in the capacitor are, for example, formed exclusively in the housing or in the housing and capacitor element or, in particular in embodiments without a housing, only in the capacitor element.
  • the capacitor housing comprises, for example, an outer mounting section in which the bores are made.
  • the mounting section can be a reinforced and widened outer wall of the capacitor housing.
  • the disclosed structure of the system has the advantage that the number of mechanical connecting and electrical contacting elements can be reduced to a minimum. This simplifies the assembly process and thus saves time and money. Furthermore, errors in the assembly of the components, incorrect assembly of the components or malfunctions due to individual defective components can be easily avoided or excluded.
  • the fixing means is a screw.
  • the first heat sink, the second heat sink and the electrical capacitor have boreholes arranged one above the other to form screw connections.
  • a mating thread is advantageously used to fix the screw.
  • Such a mating thread can be formed on a separate component such as a nut.
  • At least one of the components of the first heat sink, second heat sink and capacitor has a mating thread for fixing the screw.
  • the screw can be tightened firmly through the mating thread, so that a screw connection is formed that firmly fixes the three components mentioned to one another.
  • the screw can be inserted from the direction of the first heat sink into the boreholes arranged one above the other.
  • the screw head then rests on the surface of the first heat sink.
  • the screw neck extends through the entire first heat sink, the entire second heat sink and reaches into the bore in the electrical capacitor. At least the bore in the electrical capacitor then comprises a mating thread for fixing the screw.
  • the bore is preferably formed in a mounting section of the capacitor housing.
  • the screw penetrates the entire assembly section and extends to a further component that is not for System belongs, so that the system described is fixed on the other component.
  • the electrical capacitor can form the top of the system and the screw can accordingly be inserted from the direction of the capacitor into the boreholes arranged one above the other.
  • the mating thread can, for example, be provided by a press-in nut embedded in the borehole or it can be stamped directly into the borehole.
  • the press-fit nut is embedded in the borehole in the capacitor housing. In a further embodiment, the press-fit nut is embedded in the borehole in the first heat sink. In a further embodiment, the mating thread is embossed in at least one of the boreholes.
  • At least six such screw connections are provided in one embodiment, and at least eight such screw connections in a preferred embodiment.
  • the screw connections are evenly spaced.
  • the main components of the system can be mechanically fixed to one another simply and without the use of additional, supporting components.
  • the semiconductor power module which is arranged between the first and second heat sinks, is clamped between the heat sinks when the screws are tightened and is thus mechanically fixed. This has the advantage that it is not necessary to attach additional components for mounting on the semiconductor power module.
  • the electrical capacitor comprises an electromagnetic interference (EMI) filter.
  • EMI electromagnetic interference
  • the EMI filter can either be integrated directly into the electrical capacitor or it can be installed directly on it as an additional component.
  • the EMI filter can be built into the housing of the electrical capacitor.
  • the electrical capacitor comprises both the capacitor element and the EMI filter.
  • the capacitor element and the EMI filter exist as a connected component.
  • Several additional steps are omitted during assembly, as no additional EMI filter has to be installed.
  • the EMI filter avoids electromagnetic interference and ensures compliance with the guidelines for electromagnetic compatibility (EMC) and the application-specific limit values for electromagnetic radiation.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the size of the electrical capacitor can vary. If a higher capacitor output is required, the housing and the electrical capacitor and EMI filter located therein can be enlarged accordingly.
  • the electrical capacitor is dimensioned such that it has a capacitor output of at least 150 kW.
  • the EMI filter requires a ground contact.
  • the ground contacting of the EMI filter is carried out using the same screws that are used to mechanically fix the system.
  • electrical contact surfaces of the EMI filter are exposed on the outer walls of the holes in the electrical capacitor.
  • the metallic screws are thus electrically connected to the EMI filter.
  • the screws are still in contact with the heat sinks and thus establish the required ground contact.
  • the surfaces of the semiconductor power module lie flat against the heat sinks, so that the heat transport between the semiconductor power module and the heat sinks is improved.
  • the surfaces of the semiconductor power module that lie flat against the heat sinks are coated with heat-conducting layers.
  • heat-conducting layers are attached to the surfaces of the heat sinks that lie flat against the semiconductor power module.
  • the layers can comprise, for example, a thermally conductive solid foam or a thermally conductive paste.
  • thermally conductive layers have two functions. On the one hand, the heat transfer between the semiconductor power module to be cooled and the two heat sinks is improved. On the other hand, any unevenness on the surfaces is evened out.
  • At least one of the heat sinks comprises a nose which defines the orientation of the semiconductor power module.
  • the semiconductor power module comprises grooves in its outer circumference.
  • the grooves have a semicircular shape, for example, and are recessed at regular intervals along the outer circumference of the module. In at least one embodiment, the grooves extend over the entire height of the power module.
  • the heat sinks include tabs or bolts that rest in the grooves after the semiconductor power module has been embedded.
  • the grooves and the lugs or bolts are arranged in such a way that the semiconductor power module can only be embedded in a desired orientation.
  • the grooves are arranged asymmetrically along the outer circumference.
  • the lugs or bolts are part of the heat sink.
  • elevations along the lateral circumference of the recess are referred to as noses.
  • Bumps on the lower or upper surface of the recess are referred to as bolts.
  • the noses or bolts are shaped so that they fit perfectly into the grooves.
  • the design of the components already ensures that they are installed in a desired orientation and that the semiconductor power module continues to be electrically contacted in the desired orientation.
  • grooves and lugs or bolts contribute to the mechanical fixing of the semiconductor power module.
  • the semiconductor power module is embedded in a recess in the second heat sink, so that the upper surfaces of the second heat sink and the semiconductor power module are arranged in a coplanar manner.
  • the cutout for receiving the semiconductor power module is fully embossed in the second heat sink.
  • the complete expression of the recess in one of the heat sinks facilitates the manufacturing process of the heat sinks and the assembly of the system.
  • the semiconductor power module can simply be placed in the recess in the second heat sink.
  • the semiconductor power module fits precisely into the recess. Grooves and noses or bolts can also contribute to mechanical fixation. Due to a planarity of the upper surfaces of the semiconductor power module and the second heat sink, the first heat sink can simply be placed on these surfaces and fastened by the screw connections, so that the semiconductor power module is easily clamped between the heat sink.
  • a recess is formed symmetrically in the first and second heat sink.
  • the semiconductor power module comprises contact areas for making electrical contact with the electrical contact elements.
  • These contact surfaces comprise an electrically conductive material and are arranged on the underside of the semiconductor power module.
  • the semiconductor power module is arranged in such a way that the contact surfaces are precisely positioned over electrical contact elements for contacting the capacitor.
  • contact surfaces and corresponding electrical contact elements are present in order to ensure a reliable electrical Ensure contact between the semiconductor component and the electrical capacitor.
  • the semiconductor power module comprises a main body with an approximately rectangular base area.
  • the contact surfaces can be arranged on tongues protruding from the main body of the semiconductor power module.
  • a contact surface is arranged on each tongue.
  • the tongues are arranged on the rear of the semiconductor power module.
  • the entire tongues can comprise an electrically conductive material, for example a metal.
  • the tabs may be exposed on the back of the system. They can therefore be connected to corresponding tongues of the electrical capacitor on the rear of the system via electrical contact elements such as screws or welds.
  • the tongues can be bent accordingly so that they are aligned parallel to the rear of the second heat sink, which is positioned between the semiconductor power module and the capacitor.
  • the contacts described make it possible to dispense with additional busbars for making electrical contact with the semiconductor power module, which simplifies the structure and complexity of the system and its assembly process. In addition, there is no need for additional mechanical components such as domes for fixing the (contact) parts, which in turn reduces costs.
  • the main body of the semiconductor power module can comprise cooling surfaces which are embossed on the surfaces of the main body. The cooling surfaces are in flat contact with the heat-conducting layers. Heat can preferably be given off to the cooling bodies via the cooling surfaces.
  • the semiconductor power module is exposed to the outside on a first side of the system.
  • the semiconductor power module comprises electrical contacts to the outside on the first side, including at least one AC connection.
  • the AC connection is designed in such a way that the semiconductor power module can only be oriented in a desired direction.
  • the alternating current connection is designed as a metallic tongue which protrudes from the system on the first side of the semiconductor power module.
  • the semiconductor power module includes pins that abut the first side of the system.
  • the pins are designed so that the semiconductor power module can only be embedded in a desired orientation.
  • the pins protrude away from the first side of the semiconductor power module perpendicularly to the latter. In a further embodiment, the pins bend at a 90 ° angle in front of the first side of the semiconductor power module and run parallel to the first side of the second heat sink. This means that the semiconductor power module can only be installed in a specified orientation.
  • the pins comprise an electrically conductive material, for example a metal, and also serve to make electrical contact between the semiconductor power module and controller boards.
  • the controller boards are used to control the semiconductor power module and can, for example, be controlled by a gate driver board.
  • the semiconductor power module comprises an output current sensor.
  • the output current sensor is preferably arranged on the first side of the semiconductor power module.
  • the output current sensor measures the outgoing AC current.
  • the output current sensor is preferably attached to the AC connection at which electrical current flows out of the system.
  • the AC connection comprises a tongue comprising an electrical contact surface for external contact.
  • the output current sensor is mounted on said tongue.
  • a gate driver board is attached to the first side of the capacitor.
  • the gate The driver board is used to control the semiconductor power module in the inverter system.
  • the gate driver board can be attached directly to the first side of the capacitor housing or fastened to the first side of the capacitor housing by means of screw connections.
  • At least one controller board is attached to the gate driver board, which controller board is in electrical contact with the first side of the semiconductor power module via electrical contact elements.
  • the controller board can be embedded directly in the gate driver board or attached to its first side.
  • a controller board is attached to the gate driver board for each semiconductor power module present.
  • the controller board is in electrical contact with the semiconductor power module.
  • the controller board can be electrically connected to the semiconductor power module via the pins described above.
  • the controller board is used to control the semiconductor power module.
  • the electrical capacitor comprises a high-voltage direct current plug. So can the electrical capacitor can simply be electrically contacted from the outside and the inverter system can thus be integrated into a circuit.
  • the high-voltage direct current plug can be designed in the form of metallic tongues protruding from the capacitor housing.
  • the electrical capacitor comprises an input current sensor.
  • the input current sensor measures the incoming direct current. It is therefore a direct current sensor.
  • At least one heat sink comprises a ventilation opening.
  • a ventilation opening improves the heat exchange between the heat sink and the environment. This means that more heat can be dissipated and cooling can be improved.
  • one of the heat sinks comprises through holes in which pressure contacts are embedded as electrical contact elements.
  • the pressure contacts can be arranged and fixed directly on the top of the electrical capacitor.
  • the pressure contacts can be in different
  • Embodiments for example, be designed as springs, compact bolts or hemispherical or disk-shaped elevations on the top of the capacitor.
  • the height of the pressure contacts in the stacking direction corresponds to the height of the second heat sink from its underside to the lower surface of the recess.
  • the pressure contacts comprise an electrically conductive material, preferably a metal.
  • the pressure contacts are in contact with the contact surfaces of the semiconductor power module and thus make electrical contact with them. Electrical contact is thus provided between the semiconductor power module and the electrical capacitor via the pressure contacts.
  • the second heat sink comprises through holes into which the pressure contacts can be introduced.
  • the through holes are placed so that they are arranged under the contact surfaces of the semiconductor power module.
  • Pressure contacts designed as additional components that are embedded in the through holes and are dimensioned so that they have contact surfaces provided for this purpose on the top of the capacitor with corresponding Electrically connect contact surfaces on the underside of the semiconductor power module.
  • the invention further discloses a method for assembling an electrical inverter system, which comprises several steps. The steps are listed below:
  • the semiconductor power module can be embedded in a cutout there.
  • the recess can be formed in both the first and the second heat sink or in both heat sinks.
  • the semiconductor power module can be inserted precisely into the recess.
  • the outer circumference of the semiconductor power module can have grooves and the Recess to include tabs or bolts, which abut after embedding the semiconductor power module in the grooves.
  • the semiconductor power module is then clamped between the two heat sinks.
  • the second heat sink is positioned on the electrical capacitor or vice versa in such a way that electrical contact surfaces of the capacitor and the semiconductor power module lie one above the other and can be contacted by electrical contact elements.
  • the semiconductor power module is clamped between the heat sinks.
  • the fixing means are screws and at least one of the components mentioned has mating threads for fixing the screws.
  • the components mentioned include bores for receiving the screws.
  • the holes have mating threads to fix the screws.
  • a press-in nut can be inserted into the bore.
  • a single screw extends over the first heat sink, the second heat sink and the electrical capacitor and fixes these components to one another so that they partially lie flat against one another and can no longer be displaced against one another.
  • At least six such screws in a preferred embodiment at least eight such screws, are inserted into holes provided for this purpose in order to fix the components.
  • the components are fixed to one another in such a way that they can no longer be rotated against one another. Furthermore, the strength and the reliability of the fixation are increased.
  • the semiconductor power module is fixed between the heat sinks.
  • the module is clamped in the recess between the heat sinks by mechanical pressure.
  • the pressure contacts described above are used as electrical contact elements. After the screws have been fixed, the pressure contacts press on the contact surfaces of the semiconductor power module and the capacitor so that electrical contact is made with them.
  • welds or screw connections are attached as electrical contact elements between the electrical contact surfaces of the semiconductor power module and the capacitor. This requires a further process step.
  • a gate driver board is also fixed to the first side of the electrical capacitor.
  • the gate driver board can be attached to the first side of the capacitor housing or screwed to it.
  • the disclosed method allows the number of mechanical connecting and electrical contacting elements to be reduced to a minimum when assembling the electrical inverter system.
  • the number of assembly steps can thus be reduced and the assembly process can be carried out quickly and inexpensively.
  • Figure 1 perspective view of a first embodiment of an electrical inverter system from the front
  • Figure 2 perspective view of the first embodiment of the electrical inverter system from the rear
  • Figure 3 perspective view of a first embodiment of semiconductor power modules and associated contact elements from the bottom
  • FIG. 4 perspective view of a first embodiment of a heat sink
  • FIG. 5 an exploded view of a second embodiment of an electrical inverter system from a side perspective
  • FIG. 6 Bottom view of a second embodiment of a semiconductor power module.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the electrical inverter system 1 in a perspective oblique view.
  • the electrical inverter system 1 comprises a plurality of components arranged one above the other, mechanically fixed to one another and electronically connected to one another.
  • the components include a first heat sink 2 and a second heat sink 3 as well as a capacitor 4.
  • the capacitor 4 is closed off from the outside by a capacitor housing 4A.
  • the first heat sink 2 is the lowest component that can be fixed on a further assembly and on which the second heat sink 3 and the capacitor 4 are applied.
  • the entire structure can be fixed to a motor.
  • three semiconductor power modules 5 are arranged between the first heat sink 2 and the second heat sink 3.
  • the semiconductor power jackdaws 5 are embedded with a precise fit in the cutouts provided for this purpose between the heat sinks 2 and 3.
  • the recesses have openings 6 on the front side 3A of the heat sinks.
  • the openings 6 ensure that the semiconductor power modules 5 can be reached for electrical contact to the outside.
  • the semiconductor power modules 5 each include a front tongue 7.
  • the outgoing alternating current can be conducted via the front tongues 7 to the intended application will.
  • the application is, for example, an engine, in particular an automobile engine.
  • the tongues 7 are screwed, for example, to external contacts 8A provided for this purpose by means of metal screws 8B.
  • the support part 8C serves only as a carrier and supports the mechanical fixing of the external contact 8A.
  • the tongues 7 comprise an electrically conductive material, preferably a metal with high electrical conductivity.
  • the semiconductor power module 5 also includes metallic pins 9 for contacting the modules 5 with associated controller boards 10A.
  • Each semiconductor power module 5 has its own controller board 10A.
  • seven pins 9 are provided per semiconductor power module 5, so the semiconductor power modules 5 can be controlled via the controller boards 10A.
  • a gate driver board 10B is fastened directly to the front side of the capacitor housing 4A; for this purpose, the capacitor housing 4A has four mounting bolts 4B.
  • the gate driver board 10B is slipped onto this retaining bolt 4B.
  • the gate driver board 10B can be fastened to the front side of the capacitor housing 4A by means of screw connections.
  • the gate driver board 10B controls the controller boards 10A, which are either embedded directly in the gate driver board 10B or, as in the present exemplary embodiment, are attached to the outside thereof.
  • the controller boards 10A are in contact with the semiconductor power modules 5 via the pins 9, as described above.
  • the cutouts are also exposed through openings 6 in the heat sink 2 or 3, as shown in FIG. 2, so that the semiconductor power module 5 can also be electrically contacted on the rear side 3B.
  • the semiconductor power modules 5 each have three metallic tongues 11 for this purpose.
  • the tongues are bent parallel to the outside of the second heat sink by 90 ° in the direction of the capacitor 4 in order to make electrical contact with corresponding contact elements of the capacitor 4.
  • the corresponding contact elements are, for example, contact surfaces of a busbar 12 of the capacitor 4, which are exposed on the outside of the capacitor housing 4A.
  • the metallic tongues 11 are welded to the busbar 12 for contacting.
  • the capacitor case 4A comprises a plastic material.
  • the capacitor housing 4A On the side facing the second heat sink 3, the capacitor housing 4A has a mounting section 4C for mounting the heat sinks 2/3 on the capacitor housing 4A.
  • the base area of the mounting section 4C is widened compared to the rest of the capacitor housing 4A.
  • the base area of the mounting section 4C of the capacitor 4 thus has the same dimensions as the heat sink 4.
  • the base area of the entire capacitor housing 4A can have the same dimensions as the heat sinks 2 or 3.
  • the mounting section 4C has smaller dimensions than the heat sinks 2/3.
  • the mounting section 4C is used to attach the capacitor 4 to the second heat sink 3.
  • eight holes 13, four each on the front and rear of the capacitor 4 are recessed in the mounting section 4C, perpendicular to the base of the capacitor.
  • the bores 13 can have a mating thread.
  • the bores 13 are placed collinearly via corresponding bores 13 in the second and first heat sink 2. At least the bores 13 in the first heat sink 2 have a mating thread in the present embodiment.
  • the aforementioned components can thus be easily connected and fixed to one another by means of screws 13A.
  • the bore 13 in the first heat sink 2 can be made continuous, so that the same screws 13A entire system 1 can be mounted on a further component.
  • a component can be a motor, for example.
  • the entire system 1 can be stacked in reverse order.
  • the screws 13A are then inserted into the bores 13 from the side of the first heat sink 2 and fixed in a mating thread in the bores 13 in the mounting section 4C of the capacitor 4.
  • screw connections can be used to fix the components mentioned.
  • the screw connections are arranged at regular intervals in order to achieve the most even pressure distribution possible on the components (first heat sink 2, second heat sink 3, capacitor 4).
  • the capacitor 4 includes within the capacitor housing 4A at least one capacitor element, for example a direct current capacitor element and furthermore a filter for electromagnetic interference (EMI).
  • EMI electromagnetic interference
  • the EMI filter is either integrated directly in the capacitor element or, alternatively, designed as a separate component but built directly into the capacitor element. In both cases, both components are arranged together in the capacitor housing 4A. A separate installation of the EMI filter is therefore not necessary. By eliminating this additional assembly step, the assembly process and the susceptibility to errors during assembly are simplified. The cost and time of the assembly process can be reduced.
  • the same screws 13A that are used to mechanically fix the capacitor 4 are used for the required ground contacting of the EMI filter.
  • electrical contact surfaces of the EMI filter are exposed on the side walls of the bores 13 in the mounting section 4C of the capacitor housing 4A. The contact surfaces are contacted by the metal screws 13A and electrically connected to the heat sinks 2 and 3, respectively.
  • the capacitor 4 has an input and an output current connection.
  • a high-voltage DC plug 4D is used as the input power connection.
  • this is in the form of two metallic, electrically conductive tongues 4D which protrude from the capacitor housing 4A on a side surface 4E.
  • the tongues 4D can be connected to a corresponding power connection.
  • the busbar 12 described above serves as the output power connection.
  • Corresponding sensors are attached in some exemplary embodiments to measure the input or output current.
  • An output current sensor is preferably used.
  • An output current sensor is attached, for example, to the tongues 11, which represent the external contacts of the semiconductor power modules 5.
  • the semiconductor power modules 5 are shown in detail.
  • the semiconductor power modules 5 include a main body 5A that includes the semiconductor electronics.
  • thermally conductive layers 5C are also applied. These are, for example, TIM (Thermal Interface Material) pastes or thermally conductive foams.
  • the heat-conducting layer 5C has a highly viscous state and improves the heat conduction between the semiconductor power module 5 and the adjacent heat sinks 2/3.
  • a thermally conductive layer 5C can also be applied to the top side 5D of the module 5.
  • tongues 11 for making electrical contact with the capacitor 4.
  • a first section 11A of the tongues is made parallel to the main body 5A of the module 5.
  • a second section 11B is bent upwards at a 90 ° angle.
  • the tongues 11 can thus be simply welded to the contact surfaces of the busbar 12 of the capacitor 4 provided for this purpose.
  • the modules 5 On the front side of the modules 5, the tongues 7 for electrical contact to the outside and the metallic pins 9 for contacting the controller boards 10 are attached. Furthermore, the modules 5 include output current sensors 14 mounted near the front on the underside 5B of the main body 5A.
  • the modules 5 have grooves 5E on the front and rear.
  • the grooves 5E are shaped as semicircular recesses on the outer circumference of the modules 5.
  • the Positions of the 2 symmetrically attached grooves 5E on the front and back of the modules 5 differ.
  • the grooves 5E match corresponding lugs on the edge surfaces of the recesses in the heat sink 2 or 3.
  • a desired orientation of the modules 5 when they are inserted into the cutouts can thus be achieved via the grooves 5E.
  • the desired orientation is also specified by the existing contacting elements such as the tongues 7 or 11 and the pins 9.
  • the recess in the heat sink can also include bolts that fit into the grooves 5E so that the modules 5 can be fitted in the recess with a precise fit.
  • the semiconductor power modules 5 are precisely embedded in the associated recesses in the heat sinks 2/3 and are mechanically fastened between the heat sinks by being pressed in when the screw connections 13A are tightened. No additional components are therefore necessary for the mechanical assembly of the semiconductor power modules 5. This simplifies the assembly process.
  • Figure 4 shows an embodiment of a heat sink as it is used in the first embodiment.
  • the first heat sink 2 and the second heat sink 3 are designed in the same way. Both heat sinks can thus be manufactured in one manufacturing process.
  • a distinction is made between an inside 21, in which recesses 23 are present, in order to accommodate the semiconductor power modules 5, and an outside 22.
  • the present heat sink 2 contains three cutouts 23 in its inside 21, which are shaped such that a semiconductor power module 5 fits precisely into one of the cutouts.
  • noses 24 are provided which fit into corresponding grooves on the outer sides of the modules 5. The noses and grooves serve, on the one hand, to mechanically fix the modules 5 and, on the other hand, ensure that the modules 5 are installed in the recesses 23 in the correct orientation.
  • the heat sinks are, for example, aluminum parts.
  • the heat sinks 2/3 comprise flow channels through which a cooling liquid such as water can flow and thus dissipate heat from the system.
  • both heat sinks 2 and 3 contain bores 13 for receiving screws 13A which mechanically fix the heat sinks 2/3 to one another and to the capacitor 4.
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of the inverter system 1.
  • the second exemplary embodiment in turn comprises a first heat sink 2, a second heat sink 3 and a capacitor 4.
  • a first heat sink 2 a heat sink 2
  • a second heat sink 3 a heat sink 3
  • a capacitor 4 a capacitor
  • the capacitor 4 is the lowest component, which can be fixed on a further assembly and on which the heat sinks 2/3 are applied.
  • the entire structure can be fixed on a motor.
  • the capacitor 4 in the second exemplary embodiment does not have a mounting section 4C with a widened base area.
  • the base area of the entire capacitor housing 4A has the same dimensions as the base areas of the heat sinks 2 and 3, respectively.
  • the screws 13A are inserted from the side of the first cooling body 2.
  • At least the bores 13 in the mounting section 4C of the capacitor 4 comprise counter-threads in which the screws 13 can be tightened and thus fixed.
  • the high-voltage direct current plug 4 is attached to the underside of the capacitor housing 4A, which is opposite the heat sinks 2/3.
  • An input current can be connected directly here.
  • pressure contacts 15 which contain an electrically conductive material, preferably a conductive metal, are attached to the top of the capacitor 4.
  • the contacts 15 can be designed, for example, as springs or compact bolts.
  • Capacitor housing 4A placed.
  • the second heat sinks 3 contain through holes 16 into which the pressure contacts 15 can be introduced. In order to create an electrical current flow between the
  • the pressure contacts 15 are surrounded by an insulating plastic jacket.
  • the inner walls of the through holes 16 can be coated with an insulating plastic jacket.
  • the module 5 When the semiconductor power module 5 is embedded in the recess 23 provided for this purpose, the module 5 is positioned in such a way that contact surfaces 17 lie directly on the pressure contact 15.
  • the contact surfaces 17 can be surfaces of the metal tongues 11 or can be located directly on the main body 5A of the module 5. Then no metal tongues 11 are required.
  • the recess 23 for receiving the semiconductor power module 5 is implemented here completely in the second heat sink 3. In this way, the semiconductor power module can simply be inserted into the recess 23 can be embedded. In contrast, no recess is provided in the first heat sink 3.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein elektrisches Wechselrichter-System (1) umfassend zumindest die Komponenten erster Kühlkörper (2), zweiter Kühlkörper (3) und elektrischer Kondensator (4), wobei die Komponenten in der genannten Reihenfolge gestapelt sind. Weiterhin umfasst das System mindestens ein Fixiermittel (13A), wobei die drei genannten Komponenten durch das Fixiermittel so festgelegt sind, dass sie nicht gegeneinander verschiebbar sind und zumindest teilweise flächig aneinander anliegen. Weiterhin umfasst das System ein Halbleiter-Leistungsmodul (5), das zwischen den Kühlkörpern eingeklemmt ist, und elektrische Kontaktelemente (15), die den elektrischen Kondensator und das Halbleiter-Leistungsmodul elektrisch verbinden.

Description

Beschreibung
Elektrisches Wechselrichter-System
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein elektrisches Wechselrichter-System, welches Kühlkörper, ein Halbleiter- Leistungsmodul und einen elektrischen Kondensator umfasst. Das elektrische Wechselrichter-System dient der Wandlung von Gleichstrom zu Wechselstrom.
Der eigentliche elektrische Wechselrichter ist in Form von Halbleiter-Leistungsmodulen ausgeführt.
In der Regel werden solche Systeme bottom-up designt, sodass in einem ersten Schritt die einzelnen, notwendigen Funktionskomponenten entworfen werden und diese Komponenten anschließend zu einem elektrischen Wechselrichter-System zusammengebaut werden.
Die Druckschrift EP 3493387 A2 offenbart ein solches System.
Die Druckschrift EP 1650859 Bl offenbart weiterhin einen elektrischen Wechselrichter.
Zum Zusammenbau werden die einzelnen Komponenten zusammengesetzt und mittels verschiedener Schweiß- und/oder Schraubverbindungen fixiert.
Zur elektrischen Kontaktierung der einzelnen Komponenten werden in der Regel Stromschienen verwendet.
Der Zusammenbau eines solchen Systems stellt einen hohen Aufwand dar, da zahlreiche mechanische Verbindungs- und elektrische Kontaktierungskomponenten benötigt werden und zahlreiche Arbeitsschritte zur Fixierung dieser Komponenten getätigt werden müssen.
Das komplexe Design eines solchen Systems führt sowohl zu einer hohen Fehleranfälligkeit während des Zusammenbauprozesses als auch zu einer hohen Anfälligkeit gegenüber mechanischen oder elektrischen Defekten im System.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein elektrisches Wechselrichter-System mit gegenüber dem Stand der Technik vereinfachtem Aufbau zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird zumindest teilweise durch ein elektrisches Wechselrichter-System gemäß Anspruch 1 gelöst.
Offenbart wird ein elektrisches Wechselrichter-System, welches zumindest die Komponenten erster Kühlkörper, zweiter Kühlkörper und elektrischer Kondensator umfasst. Diese drei Komponenten sind in der genannten Reihenfolge gestapelt.
Weiterhin umfasst das System ein Fixiermittel. Die drei genannten Komponenten sind durch das Fixiermittel so festgelegt, dass sie nicht gegeneinander verschiebbar sind und zumindest teilweise flächig aneinander anliegen.
Die Seite des Systems, die durch den ersten Kühlkörper abgeschlossen wird, wird im Folgenden als Oberseite bezeichnet. Der zweite Kühlkörper ist zwischen dem ersten Kühlkörper und dem elektrischen Kondensator angeordnet und steht mit den beiden genannten Komponenten in unmittelbarem Kontakt. Die Seite des Systems, die durch den elektrischen Kondensator abgeschlossen wird, wird als Unterseite bezeichnet. In verschiedenen Ausführungsformen des Systems können jedoch auch die Oberseite nach unten und die Unterseite nach oben ausgerichtet sein.
Weiterhin umfasst das System ein Halbleiter-Leistungsmodul, das zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkörper positioniert ist. Das Halbleiter-Leistungsmodul ist dort durch den Druck der angrenzenden Kühlkörper eingeklemmt und somit fixiert. Es können dort mehrere Halbleiter- Leistungsmodule eingeklemmt sein.
Zwischen den Kühlkörpern kann eine oder können mehrere Aussparungen ausgeprägt sein, in denen ein oder mehrere Halbleiter-Leistungsmodule eingebettet sind.
Die Aussparung kann im ersten oder im zweiten Kühlkörper oder in beiden Kühlkörpern so ausgeprägt sein, dass das Halbleiter-Leistungsmodul passgenau zwischen die Kühlkörper eingefügt werden kann.
Elektrische Kontaktelemente verbinden das Halbleiter- Leistungsmodul elektrisch mit dem elektrischen Kondensator.
In einer Ausführungsform weist das System mehrere Fixiermittel auf, wobei bereits ein einzelnes der Fixiermittel die Komponenten so aneinander festlegt, dass sie nicht gegeneinander verschiebbar sind und zumindest teilweise flächig aneinander anliegen. Durch den Einsatz mehrerer Fixiermittel werden die Komponenten so aneinander festgelegt, dass sie weiterhin nicht gegeneinander verdrehbar sind. Weiterhin werden so die Stabilität und die Zuverlässigkeit der Fixierung erhöht.
Die Kühlkörper umfassen ein Gehäuse aus gut wärmeleitenden Materialien, beispielsweise wärmeleitenden Metallen wie Aluminium. Das Gehäuse umfasst in einer Ausführungsform Hohlräume zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit wie beispielsweise Wasser. Beispielsweise durch das Abführen von erwärmten Wasser oder Kühlflüssigkeit aus dem System und das Zuführen von kaltem Wasser oder Kühlflüssigkeit in das System kann über die Kühlkörper Wärme aus dem System abgeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Kühlkörper massiv ausgeführt. Dies senkt die Herstellungs- und Betriebskosten.
Die Kühlkörper dienen der Abführung von Wärme zur Kühlung der elektrischen Komponenten, insbesondere des Halbleiter- Leistungsmoduls. Hierzu sind die Kühlkörper bevorzugt an ihren flächenmäßig größten Oberflächen aufeinander gestapelt. Die Abmessungen der Kühlkörper in Stapelrichtung sind gering im Vergleich zu den Dimensionen der größten Oberflächen der Kühlkörper. Das Halbleiter-Leistungsmodul ist zwischen den Kühlkörpern eingeklemmt.
Wird das Wechselrichter-System in einer Ausführungsform direkt auf einem externen Kühlkörper oder einer genügend kühlen Vorrichtung montiert, kann der externe Kühlkörper oder die genügend kühle Vorrichtung bereits als einer der Kühlkörper des Systems fungieren. Beispielhaft ist hier die Montage des Wechselrichter-Systems auf dem Kühlmantel eines Motors zu nennen. In einer Ausführungsform sind an den Außenseiten des Halbleiter-Leistungsmoduls und des elektrischen Kondensators metallische Zungen ausgeprägt, die durch elektrische Kontaktelemente wie metallische Schrauben oder durch Verschweißungen miteinander mechanisch und elektrisch verbunden sind.
Der elektrische Kondensator kann als Gleichstromkondensator ausgeführt sein. Der Kondensator umfasst in zumindest einer Ausführungsform ein Gehäuse und ein darin fixiertes Kondensatorelement. Die Bohrungen im Kondensator sind beispielsweise ausschließlich im Gehäuse oder im Gehäuse und Kondensatorelement oder, insbesondere in Ausführungsformen ohne Gehäuse, nur im Kondensatorelement ausgeprägt.
Das Kondensatorgehäuse umfasst beispielsweise einen äußeren Montageabschnitt, in dem die Bohrungen ausgeführt sind. Der Montageabschnitt kann eine verstärkte und verbreiterte Außenwand des Kondensatorgehäuses sein.
Der offenbarte Aufbau des Systems hat den Vorteil, dass die Anzahl der mechanischen Verbindungs- und der elektrischen Kontaktierungselemente auf ein Mindestmaß reduziert werden kann. Dies erleichtert den Montageprozess und spart somit Zeit und Kosten. Weiterhin können so Fehler beim Zusammenbau der Komponenten, eine fehlerhafte Montage der Komponenten oder Fehlfunktionen aufgrund einzelner fehlerhafter Komponenten einfach vermieden bzw. ausgeschlossen werden.
Weiterhin kann durch die reduzierte Anzahl der Komponenten die Größe des gesamten Systems verringert werden, sodass ein kompaktes, platzsparendes Design ermöglicht wird. In einer Ausführungsform ist das Fixiermittel eine Schraube. Der erste Kühlkörper, der zweite Kühlkörper und der elektrische Kondensator weisen zur Bildung von Verschraubungen übereinander angeordnete Bohrlöcher auf.
Zur Fixierung der Schraube dient vorteilhafterweise ein Gegengewinde. Ein solches Gegengewinde kann an einem separaten Bauteil wie beispielsweise einer Mutter ausgeprägt sein.
In einer Ausführungsform weist zumindest eine der Komponenten erster Kühlkörper, zweiter Kühlkörper und Kondensator ein Gegengewinde zur Fixierung der Schraube auf.
Durch das Gegengewinde kann die Schraube fest angezogen werden, sodass eine Verschraubung gebildet wird, die die drei genannten Komponenten fest aneinander fixiert.
Bildet beispielsweise der erste Kühlkörper die Oberseite des Systems, kann die Schraube aus Richtung des ersten Kühlkörpers in die übereinander angeordneten Bohrlöcher eingeführt sein. Der Schraubenkopf liegt dann auf der Oberfläche des ersten Kühlkörpers auf. Der Schraubenhals erstreckt sich durch den gesamten ersten Kühlkörper, den gesamten zweiten Kühlkörper und reicht in die Bohrung im elektrischen Kondensator. Zumindest die Bohrung im elektrischen Kondensator umfasst dann ein Gegengewinde zur Fixierung der Schraube.
Bevorzugt ist die Bohrung in einem Montageabschnitt des Kondensatorgehäuses ausgeprägt. In einer Ausführungsform durchdringt die Verschraubung den gesamten Montageabschnitt und erstreckt sich auf eine weitere Komponente, die nicht zum System gehört, sodass das beschriebene System auf der weiteren Komponente fixiert ist.
In einem weiteren Beispiel kann der elektrische Kondensator die Oberseite des Systems bilden und die Schraube entsprechend aus Richtung des Kondensators in die übereinander angeordneten Bohrlöcher eingeführt sein.
Das Gegengewinde kann beispielsweise durch eine in das Bohrloch eingebettete Einpressmutter bereitgestellt werden oder direkt im Bohrloch eingeprägt sein.
In einer Ausführungsform ist die Einpressmutter in das Bohrloch im Kondensatorgehäuse eingebettet. In einer weiteren Ausführungsform ist die Einpressmutter in das Bohrloch im ersten Kühlkörper eingebettet. In einer weiteren Ausführungsform ist das Gegengewinde in zumindest einem der Bohrlöcher eingeprägt.
Um eine ausreichende Fixierung zu gewährleisten sind in einer Ausführungsform mindestens sechs solcher Verschraubungen, in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens acht solcher Verschraubungen, vorgesehen. Die Verschraubungen sind in gleichmäßigen Abständen angeordnet.
Bereits eine Verschraubung legt jedoch die Komponenten des Systems so aneinander fest, dass sie nicht mehr gegeneinander verschiebbar sind.
Durch die beschriebene Anordnung können die Hauptkomponenten des Systems einfach und ohne Verwendung zusätzlicher, unterstützender Bauteile mechanisch aneinander fixiert werden. Das Halbleiter-Leistungsmodul, welches zwischen erstem und zweitem Kühlkörper angeordnet ist, wird beim Anziehen der Schrauben zwischen den Kühlkörpern eingeklemmt und somit mechanisch fixiert. Dies hat den Vorteil, dass es nicht notwendig ist, weitere Komponenten zur Montage am Halbleiter- Leistungsmodul anzubringen.
In einer Ausführungsform umfasst der elektrische Kondensator einen elektromagnetischen Interferenz(EMI)-Filter. Der EMI- Filter kann entweder direkt im elektrischen Kondensator integriert sein oder als zusätzliches Bauteil direkt an diesem verbaut sein. Der EMI-Filter kann im Gehäuse des elektrischen Kondensators verbaut sein.
In beiden Fällen umfasst der elektrische Kondensator sowohl das Kondensatorelement wie auch den EMI-Filter. Das Kondensatorelement und der EMI-Filter liegen als eine verbundene Komponente vor. Bei der Montage entfallen mehrere zusätzliche Schritte, da kein zusätzlicher EMI-Filter montiert werden muss. Es entfallen auch zusätzliche Kosten für Entwicklung und Erprobung des EMI-Filters, da dieser auf die Leistungsmodule, den Kondensator und die Systemanforderungen (EMI-technische Anbindung, Masse- Kontaktierung, Lage der Komponenten zueinander, usw.) abgestimmt ist.
Der EMI-Filter vermeidet elektromagnetische Störstrahlung und dient der Einhaltung der Richtlinien zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) sowie der anwendungsspezifischen Grenzwerte bezüglich elektromagnetischer Strahlung. Die Größe des elektrischen Kondensators kann variieren. Wird eine höhere Kondensatorleistung benötigt, kann das Gehäuse und der darin befindliche elektrische Kondensator und der EMI-Filter entsprechend vergrößert werden.
In einer Ausführungsform ist der elektrische Kondensator so dimensioniert, dass er eine Kondensatorleistung von zumindest 150 kW aufweist.
Der EMI-Filter benötigt eine Masse-Kontaktierung. In einer Ausführungsform ist die Masse-Kontaktierung des EMI-Filters über dieselben Schrauben, die zur mechanischen Fixierung des Systems dienen, ausgeführt. Hierzu liegen elektrische Kontaktflächen des EMI-Filters an den Außenwandungen der Bohrungen im elektrischen Kondensator frei. Die metallischen Schrauben sind somit elektrisch mit dem EMI-Filtern kontaktiert. Die Schrauben sind weiterhin mit den Kühlkörpern kontaktiert und stellen so den benötigten Massekontakt her.
In einer Ausführungsform liegen die Oberflächen des Halbleiter-Leistungsmoduls an den Kühlkörpern flächig an, sodass der Wärmetransport zwischen dem Halbleiter- Leistungsmodul und den Kühlkörpern verbessert wird.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Oberflächen des Halbleiter-Leistungsmoduls, die an den Kühlkörpern flächig anliegen, mit wärmeleitenden Schichten beschichtet.
Alternativ oder zusätzlich sind an Oberflächen der Kühlkörper, die flächig am Halbleiter-Leistungsmodul anliegen, wärmeleitende Schichten angebracht. In den beschriebenen Ausführungsformen können die Schichten beispielsweise einen wärmeleitenden festen Schaum oder eine wärmeleitende Paste umfassen.
Solche wärmeleitenden Schichten haben zwei Funktionen. Zum einen wird der Wärmeübergang zwischen dem zu kühlenden Halbleiter-Leistungsmodul und den beiden Kühlkörpern verbessert. Zum anderen werden etwaige Unebenheiten auf den Oberflächen ausgeglichen.
In einer Ausführungsform umfasst zumindest einer der Kühlkörper eine Nase, die die Orientierung des Halbleiter- Leistungsmoduls vorgibt.
In einer Ausführungsform umfasst das Halbleiter- Leistungsmodul in seinem Außenumfang Rillen. Die Rillen weisen beispielsweise eine halbkreisförmige Form auf und sind in regelmäßigen Abständen entlang des Außenumfangs des Moduls ausgespart. In zumindest einer Ausführungsform erstrecken sich die Rillen über die gesamte Höhe des Leistungsmoduls.
Die Kühlkörper umfassen Nasen oder Bolzen, die nach dem Einbetten des Halbleiter-Leistungsmoduls in den Rillen anliegen .
Die Rillen und die Nasen bzw. Bolzen sind so angeordnet, dass das Einbetten des Halbleiter-Leistungsmoduls nur in einer gewünschten Orientierung möglich ist. Hierzu sind die Rillen in zumindest einer Ausführungsform asymmetrisch entlang des Außenumfangs angeordnet.
Die Nasen bzw. Bolzen sind Bestandteil der Kühlkörper. Als Nasen werden hierbei Erhebungen entlang des seitlichen Umfangs der Aussparung bezeichnet. Als Bolzen werden Erhebungen auf der unteren oder oberen Oberfläche der Aussparung bezeichnet. Die Nasen oder Bolzen sind so geformt das sie sich passgenau in die Rillen einfügen.
Somit wird schon durch die Gestaltung der Komponenten sichergestellt, dass diese in einer gewünschten Orientierung verbaut werden und das Halbleiter-Leistungsmodul weiterhin in der gewünschten Orientierung elektrisch kontaktiert wird.
Weiterhin tragen die Rillen und Nasen bzw. Bolzen zur mechanischen Fixierung des Halbleiter-Leistungsmoduls bei.
In einer Ausführungsform ist das Halbleiter-Leistungsmodul in eine Aussparung im zweiten Kühlkörper eingebettet, sodass die oberen Oberflächen des zweiten Kühlkörpers und das Halbleiter-Leistungsmoduls komplanar angeordnet sind.
In dieser Ausführungsform ist die Aussparung zur Aufnahme des Halbleiter-Leistungsmoduls vollständig im zweiten Kühlkörper ausgeprägt. Die vollständige Ausprägung der Aussparung in einem der Kühlkörper erleichtert den Fertigungsprozess der Kühlkörper und den Zusammenbau des Systems.
Das Halbleiter-Leistungsmodul kann in der beschriebenen Ausführungsform einfach in die Aussparung im zweiten Kühlkörper hineingelegt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform passt das Halbleiter-Leistungsmodul passgenau in die Aussparung. Rillen und Nasen oder Bolzen können zusätzlich zur mechanischen Fixierung beitragen. Durch eine Komplanarität der oberen Oberflächen des Halbleiter-Leistungsmoduls und des zweiten Kühlkörpers kann der erste Kühlkörper einfach auf diese Oberflächen aufgesetzt werden und durch die Verschraubungen befestigt werden, sodass das Halbleiter-Leistungsmodul auf einfache Weise zwischen den Kühlkörper eingeklemmt wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Aussparung symmetrisch im ersten und zweiten Kühlkörper ausgeprägt.
Somit muss nur ein Typ des Kühlkörpers gefertigt werden. Dies erleichtert den Montageprozess und reduziert die Anzahl der benötigten Werkzeuge. Somit werden Zeit und Kosten während der Montage reduziert. Zum einfachen Positionieren und Montieren des Halbleiter-Leistungsmoduls an den Kühlkörpern bzw. der Kühlkörper aneinander können wiederum einfache Montagehilfen wie die oben beschrieben Nasen oder Bolzen vorgesehen sein.
In einer Ausführungsform umfasst das Halbleiter- Leistungsmodul Kontaktflächen zur elektrischen Kontaktierung mit den elektrischen Kontaktelementen.
Diese Kontaktflächen umfassen ein elektrisch leitfähiges Material und sind an der Unterseite des Halbleiter- Leistungsmoduls angeordnet.
Das Halbleiter-Leistungsmodul wird so angeordnet, dass die Kontaktflächen passgenau über elektrischen Kontaktelementen zur Kontaktierung des Kondensators positioniert sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Kontaktflächen und korrespondierende elektrische Kontaktelemente vorhanden, um eine sichere elektrische Kontaktierung zwischen dem Halbleiter-Bauelement und dem elektrischen Kondensator sicherzustellen. In einer Ausführungsform sind mindestens zwei, in einer anderen Ausführungsform sind mindestens drei Kontaktflächen und korrespondierende Kontaktelemente vorhanden.
In einer Ausführungsform umfasst das Halbleiter- Leistungsmodul einen Hauptkörper mit annähernd rechteckiger Grundfläche. Die Kontaktflächen können auf aus dem Hauptkörper des Halbleiter-Leistungsmoduls herausstehenden Zungen angeordnet sein. Auf jeder Zunge ist dabei eine Kontaktfläche angeordnet. Die Zungen sind an der Rückseite des Halbleiter-Leistungsmoduls angeordnet. Die gesamten Zungen können ein elektrisch leitendes Material, beispielsweise ein Metall, umfassen.
Die Zungen können an der Rückseite des Systems freiliegen. Über elektrische Kontaktelemente wie Schrauben oder Verschweißungen können sie daher mit korrespondierenden Zungen des elektrischen Kondensators an der Rückseite des Systems verbunden sein. Die Zungen können hierzu entsprechend gebogen sein, sodass sie parallel zur Rückseite des zweiten Kühlkörpers ausgerichtet sind, der zwischen Halbleiter- Leistungsmodul und Kondensator positioniert ist.
Durch die beschriebenen Kontaktierungen kann auf zusätzliche Stromschienen zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiter- Leistungsmoduls verzichtet werden, was den Aufbau und die Komplexität des Systems und dessen Montageprozess vereinfacht. Darüber hinaus entfallen auch zusätzliche mechanische Bauteile wie zum Beispiel Dome zur Fixierung der (Kontakt-)Teile, was wiederum die Kosten senkt. Der Hauptkörper des Halbleiter-Leistungsmoduls kann in dieser Ausführungsform Kühlflächen umfassen, die auf den Oberflächen des Hauptkörpers ausgeprägt sind. Die Kühlflächen stehen im flächigen Kontakt mit den wärmeleitenden Schichten. Über die Kühlflächen kann bevorzugt Wärme an die Kühlkörper abgegeben werden.
In einer Ausführungsform liegt das Halbleiter-Leistungsmodul an einer ersten Seite des Systems nach außen frei.
Somit ist eine elektrische Kontaktierung nach außen leicht möglich .
In einer Ausführungsform umfasst das Halbleiter- Leistungsmodul an der ersten Seite elektrische Kontaktierungen nach außen, darunter zumindest einen Wechselstrom-Anschluss. Der Wechselstrom-Anschluss ist so ausgeführt, dass das Halbleiter-Leistungsmodul nur in einer gewünschten Richtung orientiert werden kann.
In einer Ausführungsform ist der Wechselstrom-Anschluss als metallische Zunge ausgeführt, die an der ersten Seite des Halbleiter-Leistungsmoduls aus dem System herausragt.
In einer Ausführungsform umfasst das Halbleiter- Leistungsmodul Pins, die an der ersten Seite des Systems anliegen. Die Pins sind so ausgeführt, dass das Einbetten des Halbleiter-Leistungsmoduls nur in einer gewünschten Orientierung möglich ist.
In einer Ausführungsform ragen die Pins senkrecht zur ersten Seite des Halbleiter-Leistungsmoduls von dieser weg. In einer weiteren Ausführungsform knicken die Pins vor der ersten Seite des Halbleiter-Leistungsmoduls um einen 90°- Winkel ab und verlaufen parallel zur ersten Seite des zweiten Kühlkörpers. Somit ist der Einbau des Halbleiter- Leistungsmoduls nur in einer vorgegebenen Orientierung möglich .
In zumindest einer Ausführungsform umfassen die Pins ein elektrisch leitendes Material, beispielsweise ein Metall, und dienen weiterhin zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiter-Leistungsmoduls mit Controller Boards.
Die Controller Boards dienen der Steuerung des Halbleiter- Leistungsmoduls und können beispielsweise von einem Gate Driver Board angesteuert werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Halbleiter- Leistungsmodul einen Ausgangsstromsensor. Der Ausgangsstromsensor ist bevorzugt an der ersten Seite des Halbleiter-Leistungsmoduls angeordnet. Der Ausgangsstromsensor misst den ausgehenden Wechselstrom.
Der Ausgangsstromsensor ist bevorzugt an dem Wechselstrom- Anschluss, an welchem elektrischer Strom aus dem System herausfließt, angebracht.
In einer Ausführungsform umfasst der Wechselstrom-Anschluss eine Zunge umfassend eine elektrische Kontaktfläche zur Kontaktierung nach außen. In dieser Ausführungsform ist der Ausgangsstromsensor auf besagter Zunge angebracht.
In einer Ausführungsform ist an der ersten Seite des Kondensators ein Gate Driver Board angebracht. Das Gate Driver Board dient der Steuerung des Halbleiter- Leistungsmoduls im Wechselrichter-System.
Das Gate Driver Board kann direkt auf der ersten Seite des Kondensatorgehäuses aufgesteckt sein oder per Verschraubungen auf der ersten Seite des Kondensatorgehäuses befestigt sein.
In einer Ausführungsform ist am Gate Driver Board zumindest ein Controller Board angebracht, welches über elektrische Kontaktelemente mit der ersten Seite des Halbleiter- Leistungsmoduls elektrisch kontaktiert ist.
Das Controller Board kann direkt im Gate Driver Board eingebettet sein oder auf dessen erster Seite angebracht sein.
In einer Ausführungsform ist je vorhandenem Halbleiter- Leistungsmodul ein Controller Board am Gate Driver Board angebracht. Das Controller Board ist mit dem Halbleiter- Leistungsmodul elektrisch kontaktiert.
Das Controller Board kann über die oben beschriebenen Pins mit dem Halbleiter-Leistungsmodul elektrisch verbunden sein. Das Controller Board dient der Ansteuerung des Halbleiter- Leistungsmoduls .
Die Kontaktierung des Gate Driver Board und der Controllerboards sowie optionaler (Ausgangs-)Stromsensoren erfolgt durch die beschriebene Anordnung der Komponenten gleichzeitig mit der Montage des Kondensators in das System.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der elektrische Kondensator einen Hochspannungs-Gleichstrom-Stecker. So kann der elektrische Kondensator einfach von außen elektrisch kontaktiert werden und das Wechselrichter-System somit in einen Stromkreis integriert werden.
Der Hochspannungs-Gleichstrom-Stecker kann in Form von aus dem Kondensatorgehäuse herausragenden metallischen Zungen ausgeführt sein.
In einer Ausführungsform umfasst der elektrische Kondensator einen Eingangsstromsensor. Der Eingangsstromsensor misst den eingehenden Gleichstrom. Es handelt sich somit um einen Gleichstromsensor .
In einer Ausführungsform umfasst zumindest ein Kühlkörper eine Lüftungsöffnung. Eine solche Lüftungsöffnung verbessert den Wärmeaustausch des Kühlkörpers mit der Umgebung. Somit kann mehr Wärme abgeführt werden und die Kühlung verbessert werden.
In einer Ausführungsform umfasst einer der Kühlkörper Durchgangslöcher, in denen Druckkontaktierungen als elektrische Kontaktelemente eingebettet sind.
Die Druckkontaktierungen können direkt auf der Oberseite des elektrischen Kondensators angeordnet und fixiert sein. Die Druckkontaktierungen können in verschiedenen
Ausführungsformen beispielsweise als Federn, kompakte Bolzen oder halbkugelförmige bzw. scheibenförmige Erhebungen auf der Oberseite des Kondensators ausgeführt sein. Die Höhe der Druckkontaktierungen in Stapelrichtung entspricht der Höhe des zweiten Kühlkörpers von dessen Unterseite bis zur unteren Oberfläche der Aussparung. Die Druckkontaktierungen umfassen ein elektrisch leitendes Material, vorzugsweise ein Metall. Die Druckkontaktierungen liegen an den Kontaktflächen des Halbleiter-Leistungsmoduls an und kontaktieren diese somit elektrisch. Über die Druckkontaktierungen wird somit eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Halbleiter-Leistungsmodul und dem elektrischen Kondensator bereitgestellt.
Durch die Verwendung der Druckkontaktierungen kann auf zusätzliche Stromschienen zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiter-Leistungsmoduls verzichtet werden. In diesem Fall entfallen auch alternativ mögliche Schraub- oder Schweißverbindungen zur elektrischen Kontaktierung, was den Montageprozess weiter vereinfacht.
In einer Ausführungsform umfasst der zweite Kühlkörper Durchgangslöcher, in welche die Druckkontaktierungen eingeführt werden können. Die Durchgangslöcher sind so platziert, dass sie unter den Kontaktflächen des Halbleiter- Leistungsmoduls angeordnet sind.
Die beschriebene Anordnung von Durchgangslöchern und Druckkontaktierungen lässt den Zusammenbau von elektrischem Kondensator und zweitem Kühlkörper nur in einer gewünschten Orientierung zu. Weiterhin wird durch den beschriebenen Aufbau die mechanische Fixierung der einzelnen Komponenten unterstützt .
In einer weiteren Ausführungsform sind die
Druckkontaktierungen als zusätzliche Bauelemente ausgeführt, die in den Durchgangslöchern eingebettet sind und so bemessen sind, dass sie dafür vorgesehene Kontaktflächen an der Oberseite des Kondensator mit korrespondierenden Kontaktflächen auf der Unterseite des Halbleiter- Leistungsmoduls elektrisch verbinden.
Durch das Festziehen der Verschraubungen werden die Druckkontaktierungen in den Durchgangslöchern eingeklemmt und durch Druck elektrisch mit den anliegenden Kontaktflächen kontaktiert .
Die Erfindung offenbart weiterhin ein Verfahren zum Zusammenbau eines elektrischen Wechselrichter-Systems, welches mehrere Schritte umfasst. Die Schritte werden im Folgenden aufgeführt:
- Bereitstellen eines ersten Kühlkörpers, eines zweiten Kühlkörpers, und eines elektrischen Kondensators.
- Bereitstellen eines Halbleiter-Leistungsmoduls und von Fixiermitteln .
Es können auch mehrere Halbleiter-Leistungsmodule verwendet werden. Die genannten Komponenten können den oben beschriebenen Komponenten entsprechen.
- Anordnen des Halbleiter-Leistungsmoduls auf einem ersten der Kühlkörper. Das Halbleiter-Leistungsmodul kann in eine dort vorhandene Aussparung eingebettet werden. Die Aussparung kann sowohl in dem ersten wie auch dem zweiten Kühlkörper oder in beiden Kühlkörpern ausgeprägt sein.
Das Halbleiter-Leistungsmodul kann passgenau in die Aussparung eingesetzt werden. Hierzu kann der Außenumfang des Halbleiter-Leistungsmoduls Rillen aufweisen und die Aussparung Nasen oder Bolzen umfassen, die nach dem Einbetten des Halbleiter-Leistungsmoduls in den Rillen anliegen.
Somit kann das Halbleiter-Leistungsmodul während der Montage nicht mehr verrutschen.
- Abdecken des ersten Kühlkörpers und des Halbleiter- Leistungsmoduls durch einen zweiten der Kühlkörper.
Das Halbleiter-Leistungsmodul ist dann zwischen den beiden Kühlkörpern eingeklemmt.
- Positionieren der Kühlkörper mit dazwischen angeordnetem Halbleiter-Leistungsmodul und des elektrischen Kondensators übereinander .
Der zweite Kühlkörper wird so auf dem elektrischen Kondensators positioniert oder umgekehrt, dass elektrische Kontaktflächen des Kondensators und des Halbleiter- Leistungsmoduls übereinander liegen und durch elektrische Kontaktelemente kontaktiert werden können.
- Anbringen von mindestens einem Fixiermittel, wobei das Fixiermittel die beiden Kühlkörper und den Kondensator so festlegt, dass die genannten Komponenten nicht gegeneinander verschiebbar sind und zumindest teilweise flächig aneinander anliegen .
Weiterhin wird durch die Fixierung der genannten Komponenten das Halbleiter-Leistungsmodul zwischen den Kühlkörpern eingeklemmt. In einer Ausführungsform sind die Fixiermittel Schrauben und zumindest eine der genannten Komponenten weist Gegengewinde zur Fixierung der Schrauben auf.
In dieser Ausführungsform umfassen die genannten Komponenten Bohrungen zur Aufnahme der Schrauben.
Die Bohrungen weisen Gegengewinde zur Fixierung der Schrauben auf. Hierzu kann beispielsweise eine Einpressmutter in die Bohrung eingeführt werden.
Eine einzelne Schraube erstreckt sich über den ersten Kühlkörper, den zweiten Kühlkörper und den elektrischen Kondensator und legt diese Komponenten aneinander fest, sodass sie teilweise flächig aneinander anliegen und nicht mehr gegeneinander verschiebbar sind.
In einer Ausführungsform werden mindestens sechs solcher Schrauben, in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens acht solcher Schrauben zur Fixierung der Komponenten in dafür vorgesehene Bohrungen eingeführt.
Durch den Einsatz mehrerer Fixiermittel sind die Komponenten so aneinander festgelegt, dass sie nicht mehr gegeneinander verdrehbar sind. Weiterhin werden die Festigkeit und die Zuverlässigkeit der Fixierung erhöht.
Zur Fixierung der Schraube wird diese in das Gegengewinde gedreht und fest angezogen. Bei der Fixierung der genannten Komponenten wird das Halbleiter-Leistungsmodul zwischen den Kühlkörpern festgelegt. Beispielsweise wird das Modul durch mechanischen Druck in der Aussparung zwischen den Kühlkörpern eingeklemmt . In einer Ausführungsform werden die oben beschriebenen Druckkontaktierungen als elektrische Kontakteelemente verwendet. Nach Fixierung der Schrauben drücken die Druckkontaktierungen auf die Kontaktflächen des Halbleiter- Leistungsmoduls und des Kondensators, sodass diese elektrisch kontaktiert sind.
In weiteren Ausführungsformen werden als elektrische Kontaktelemente Verschweißungen oder Verschraubungen zwischen den elektrischen Kontaktflächen des Halbleiter- Leistungsmoduls und des Kondensators angebracht. Dies erfordert einen weiteren Verfahrensschritt.
In einer Ausführungsform wird weiterhin ein Gate Driver Board an der ersten Seite des elektrischen Kondensators fixiert.
Das Gate Driver Board kann auf die erste Seite des Kondensatorgehäuses aufgesteckt oder mit dieser verschraubt werden.
Durch das offenbarte Verfahren kann die Anzahl der mechanischen Verbindungs- und der elektrischen Kontaktierungselemente beim Zusammenbau des elektrischen Wechselrichter-Systems auf ein Mindestmaß reduziert werden. Somit kann die Anzahl der Montageschritte gesenkt und der Montageprozess schnell und kostengünstig durchgeführt werden.
Weiterhin können so Fehler beim Zusammenbau der Komponenten, eine fehlerhafte Montage der Komponenten oder Fehlfunktionen aufgrund einzelner fehlerhafter Komponenten einfach vermieden bzw. ausgeschlossen werden. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehörigen Figuren näher beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
Die Figuren zeigen:
Figur 1: perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines elektrischen Wechselrichter-Systems von der Vorderseite,
Figur 2: perspektivische Ansicht der ersten Ausführungsform des elektrischen Wechselrichter-Systems von der Rückseite,
Figur 3: perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform von Halbleiter-Leistungsmodulen und zugehörigen Kontaktelementen von der Unterseite,
Figur 4: perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Kühlkörpers,
Figur 5: Explosionsansicht einer zweiten Ausführungsform eines elektrischen Wechselrichter-Systems aus seitlicher Perspektive,
Figur 6: Unteransicht einer zweiten Ausführungsform eines Halbleiter-Leistungsmoduls .
Ähnliche oder augenscheinlich gleiche Elemente in den Figuren sind mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse in den Figuren sind nicht maßstabsgetreu . Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des elektrischen Wechselrichter-Systems 1 in einer perspektivischen Schrägansicht. Das elektrische Wechselrichter-System 1 umfasst mehrere übereinander angeordnete, mechanisch aneinander fixierte und elektronisch miteinander verbundene Komponenten .
Die Komponenten umfassen einen ersten Kühlkörper 2 und einen zweiten Kühlkörper 3 sowie einen Kondensator 4. Der Kondensator 4 ist nach außen durch ein Kondensatorgehäuse 4A abgeschlossen .
In der vorliegenden Ausführungsform ist der erste Kühlkörper 2 die unterste Komponente, die auf einer weiteren Baugruppe fixiert sein kann, und auf der der zweite Kühlkörper 3 und der Kondensator 4 aufgebracht sind. Beispielsweise kann der gesamte Aufbau einem Motor fixiert sein.
Zwischen erstem Kühlkörper 2 und zweitem Kühlkörper 3 sind im Ausführungsbeispiel drei Halbleiter-Leistungsmodule 5 angeordnet. Die Halbleiter-Leistungsdohle 5 sind in dafür vorgesehenen Aussparungen zwischen den Kühlkörpern 2 und 3 passgenau eingebettet.
Die Aussparungen weisen Öffnungen 6 an der Vorderseite 3A der Kühlkörper auf. Die Öffnungen 6 gewährleisten die Erreichbarkeit der Halbleiter-Leistungsmodule 5 zur elektrischen Kontaktierung nach außen.
Hierzu umfassen die Halbleiter-Leistungsmodule 5 jeweils eine vordere Zunge 7. Über die vorderen Zungen 7 kann der ausgehende Wechselstrom zur vorgesehenen Anwendung geleitet werden. Bei der Anwendung handelt es sich beispielsweise um einen Motor, insbesondere um einen Automobil-Motor.
Zur elektrischen Kontaktierung sind die Zungen 7 beispielsweise mit dafür vorgesehenen Außenkontaktierungen 8A mittels Metallschrauben 8B verschraubt. Das Trageteil 8C dient lediglich als Träger und unterstützt die mechanische Fixierung der Außenkontaktierung 8A.
Die Zungen 7 umfassen ein elektrisch leitendes Material, vorzugsweise ein Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit.
Neben den Zungen 7 umfasst das Halbleiter-Leistungsmodul 5 weiterhin metallische Pins 9 zur Kontaktierung der Module 5 mit zugehörigen Controller Boards 10A. Jedes Halbleiter- Leistungsmodul 5 verfügt jeweils über ein eigenes Controller Board 10A. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sieben Pins 9 pro Halbleiter-Leistungsmodul 5 vorgesehen, so können die Halbleiter-Leistungsmodule 5 über die Controller Boards 10A angesteuert werden.
Ein Gate Driver Board 10B ist in der vorliegenden Ausführungsform direkt auf der Vorderseite des Kondensatorgehäuses 4A befestigt, hierfür weist das Kondensatorgehäuse 4A vier Halterungsbolzen 4B auf. Das Gate Driver Board 10B ist auf diese Haltungsbolzen 4B aufgesteckt.
Alternativ kann das Gate Driver Board 10B an der Vorderseite des Kondensatorgehäuses 4A per Schraubverbindungen befestigt sein.
Das Gate Driver Board 10B steuert die Controller Boards 10A an, die entweder direkt im Gate Driver Board 10B eingebettet sind oder wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf dessen Außenseite angebracht sind. Die Controller Boards 10A sind wie oben beschrieben über die Pins 9 mit den Halbleiter- Leistungsmodulen 5 kontaktiert.
An der Rückseite der Halbleiter-Leistungsmodule 5 sind die Aussparungen wie in Figur 2 gezeigt ebenfalls durch Öffnungen 6 in den Kühlkörper 2 bzw. 3 offen gelegt, sodass das Halbleiter-Leistungsmodul 5 auch an der Rückseite 3B elektrisch kontaktiert werden kann.
In der vorliegenden Ausführungsform weisen die Halbleiter- Leistungsmodule 5 hierzu jeweils drei metallische Zungen 11 auf. Die Zungen sind parallel zur Außenseite des zweiten Kühlkörpers um 90° in Richtung des Kondensators 4 gebogen, um korrespondierende Kontaktelemente des Kondensators 4 elektrisch zu kontaktieren.
Die korrespondierenden Kontaktelemente sind beispielsweise Kontaktflächen eines Busbars 12 des Kondensators 4, die an der Außenseite des Kondensatorgehäuses 4A freiliegen.
Zur Kontaktierung sind die metallischen Zungen 11 mit dem Busbar 12 verschweißt.
Eine alternative Form der Kontaktierung stellen Verschraubungen dar (nicht dargestellt). Hierfür werden Löcher in die Kontaktflächen des Busbars 12 und die metallischen Zungen 11 gebohrt. Durch das Einführen einer metallischen, elektrisch leitenden Schraube, können Kondensator 4 und Halbleiter-Leistungsmodul 5 dann elektrisch verbunden werden. Das Kondensatorgehäuse 4A umfasst ein Kunststoffmaterial. An der, dem zweiten Kühlkörper 3 zugewandten Seite weist das Kondensatorgehäuse 4A einen Montageabschnitt 4C zur Montage der Kühlkörper 2/3 an das Kondensatorgehäuse 4A auf.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Grundfläche des Montageabschnitts 4C im Vergleich zum restlichen Kondensatorgehäuse 4A verbreitert. Somit weist die Grundfläche des Montageabschnitts 4C des Kondensators 4 dieselben Abmessungen wie der Kühlkörper 4 auf.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Grundfläche des gesamten Kondensatorgehäuses 4A dieselben Abmessungen wie die Kühlkörper 2 bzw. 3 aufweisen. In einer weiteren Ausführung weist der Montageabschnitt 4C geringere Abmessungen als die Kühlkörper 2/3 auf.
Der Montageabschnitt 4C dient zur Befestigung des Kondensators 4 an dem zweiten Kühlkörper 3. Hierzu sind im Montageabschnitt 4C acht Bohrungen 13, jeweils vier an der Vorder- und Rückseite des Kondensators 4, senkrecht zur Grundfläche des Kondensators ausgespart. Die Bohrungen 13 können ein Gegengewinde aufweisen.
Die Bohrungen 13 sind kollinear über korrespondierenden Bohrungen 13 im zweiten und ersten Kühlkörper 2 platziert. Zumindest die Bohrungen 13 im ersten Kühlkörper 2 weisen in der vorliegenden Ausführungsform ein Gegengewinde auf. Durch Schrauben 13A können die genannten Komponenten somit einfach verbunden und aneinander fixiert werden.
Die Bohrung 13 im ersten Kühlkörper 2 kann durchgängig ausgeführt sein, sodass mit denselben Schrauben 13A das gesamte System 1 auf ein weiteres Bauteil montiert werden kann. Bei einem solchen Bauteil kann es sich beispielsweise um einen Motor handeln.
In einer weiteren Ausführungsform kann das gesamte System 1 in umgekehrter Reihenfolge gestapelt sein. Die Schrauben 13A werden dann von der Seite des ersten Kühlkörpers 2 in die Bohrungen 13 eingeführt und in einem Gegengewinde in den Bohrungen 13 im Montageabschnitt 4C des Kondensators 4 fixiert .
In alternativen Ausführungsformen können weniger oder mehr Verschraubungen zur Fixierung der genannten Komponenten dienen. Die Verschraubungen sind in regelmäßigen Abständen angeordnet, um eine möglichst gleichmäßige Druckverteilung auf die Komponenten (erster Kühlkörper 2, zweiter Kühlkörper 3, Kondensator 4) zu erreichen.
Der Kondensator 4 umfasst innerhalb des Kondensatorgehäuses 4A mindestens ein Kondensatorelement, beispielsweise ein Gleichstromkondensatorelement und weiterhin einen Filter für elektromagnetische Interferenzen (EMI).
Der EMI-Filter ist entweder direkt im Kondensatorelement integriert oder alternativ als eigenständige Komponente ausgeführt aber direkt mit dem Kondensatorelement verbaut. In beiden Fällen sind beide Komponenten gemeinsam im Kondensatorgehäuse 4A angeordnet. Somit erübrigt sich eine separate Montage des EMI-Filters. Durch den Wegfall dieses zusätzlichen Montageschritts vereinfachen sich das Montageverfahren und die Fehleranfälligkeit während der Montage. Kosten und Zeit des Montageprozesses können gesenkt werden. Für die erforderliche Masse-Kontaktierung des EMI-Filters werden dieselben Schrauben 13A, die zur mechanischen Fixierung des Kondensators 4 dienen, verwendet. Hierzu liegen elektrische Kontaktflächen des EMI-Filters an den Seitenwänden der Bohrungen 13 im Montageabschnitt 4C des Kondensatorgehäuses 4A frei. Die Kontaktflächen werden durch die Metallschrauben 13A kontaktiert und mit den Kühlkörpern 2 bzw. 3 elektrisch verbunden.
Der Kondensator 4 verfügt über einen Eingangs- und einen Ausgangsstromanschluss .
Als Eingangsstromanschluss dient ein Hochspannungs- Gleichstrom-Stecker 4D. Dieser ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Form zweier metallischer, elektrisch leitender Zungen 4D, die an einer Seitenfläche 4E des Kondensatorgehäuses 4A aus diesem herausragen, ausgeführt.
Die Zungen 4D können mit einem entsprechenden Stromanschluss verbunden sein.
Als Ausgangsstromanschluss dient der oben beschriebene Busbar 12.
Zur Messung des Eingangs- bzw. Ausgangsstroms sind in einigen Ausführungsbeispielen entsprechende Sensoren angebracht.
Bevorzugt wird ein Ausgangsstromsensor verwendet. Ein Ausgangsstromsensor ist beispielsweise an den Zungen 11, die die Außenkontakte der Halbleiter-Leistungsmodule 5 darstellen, angebracht. In Abbildung 3 sind die Halbleiter-Leistungsmodule 5 im Detail dargestellt. Die Halbleiter-Leistungsmodule 5 umfassen einen Hauptkörper 5A, der die Halbleiterelektronik umfasst.
Auf der Unterseite 5B der Halbleiterleistungs-Module 5 sind weiterhin wärmeleitende Schichten 5C aufgebracht. Hierbei handelt es sich zum Beispiel um TIM (Thermal Interface Material)-Pasten oder wärmeleitende Schäume. Die wärmeleitende Schicht 5C hat einen hochviskosen Zustand und verbessert die Wärmeleitung zwischen Halbleiter- Leistungsmodul 5 und den angrenzenden Kühlkörpern 2/3. Auf der Oberseite 5D des Moduls 5 kann ebenfalls eine wärmeleitende Schicht 5C aufgebracht sein.
An der Rückseite der Halbleiter-Leistungsmodule 5 sind jeweils drei Zungen 11 zur elektrischen Kontaktierung mit den Kondensator 4 vorhanden. Ein erster Abschnitt 11A der Zungen ist parallel zum Hauptkörper 5A des Moduls 5 ausgeführt. Ein zweiter Abschnitt 11B ist in einem 90°-Winkel nach oben abgeknickt. Somit können die Zungen 11 einfach mit den dafür vorhergesehenen Kontaktflächen des Busbars 12 des Kondensators 4 verschweißt werden.
An der Vorderseite der Module 5 sind jeweils die Zungen 7 zur elektrischen Kontaktierung nach außen und die metallischen Pins 9 zur Kontaktierung der Controller Boards 10 angebracht. Weiterhin umfassen die Module 5 Ausgangsstromsensoren 14, die nahe der Vorderseite auf der Unterseite 5B des Hauptkörpers 5A angebracht sind.
Weiterhin weisen die Module 5 Rillen 5E an Vorder- und Rückseite auf. Die Rillen 5E sind als halbkreisförmige Aussparungen am Außenumfang der Module 5 ausgeprägt. Die Positionen der jeweils 2 symmetrisch an Vorder- und Rückseite der Module 5 angebrachten Rillen 5E unterscheiden sich.
Die Rillen 5E passen zu korrespondierenden Nasen an den Randflächen der Aussparungen in den Kühlkörper 2 bzw. 3.
Somit kann über die Rillen 5E eine gewünschte Orientierung der Module 5 beim Einsetzen in die Aussparungen erreicht werden. Darüber hinaus wird die gewünschte Orientierung aber auch durch die vorhandenen Kontaktierungselemente wie die Zungen 7 bzw. 11 und die Pins 9 vorgegeben.
Alternativ zu Nasen kann die Aussparung im Kühlkörper auch Bolzen umfassen, die sich in die Rillen 5E einfügen, sodass die Module 5 passgenau in der Aussparung montiert werden können.
Die Halbleiter-Leistungsmodule 5 sind passgenau in die zugehörigen Aussparungen in den Kühlkörpern 2/3 eingebettet und durch Einpressen beim Festziehen der Verschraubungen 13A zwischen den Kühlkörpern mechanisch befestigt. Somit sind keine zusätzlichen Bauteile zur mechanischen Montage der Halbleiter-Leistungsmodule 5 notwendig. Dies vereinfacht den Montageprozess .
Figur 4 zeigt eine Ausführung eines Kühlkörpers wie er im ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Im ersten Ausführungsbeispiel sind der erste Kühlkörper 2 und der zweite Kühlkörper 3 auf dieselbe Weise ausgeführt. Somit können in einem Fertigungsverfahren beide Kühlkörper hergestellt werden. Unterschieden wird eine Innenseite 21, in der Aussparungen 23 vorhanden sind, um die Halbleiter-Leistungsmodule 5 aufzunehmen, und eine Außenseite 22.
Der vorliegende Kühlkörper 2 enthält in seiner Innenseite 21 drei Aussparungen 23, die so geformt sind, dass ein Halbleiter-Leistungsmodul 5 passgenau in eine der Aussparungen passt. Am äußeren Umfang der Aussparungen 23 sind Nasen 24 vorgesehen, die sich in korrespondierende Rillen an den Außenseiten der Module 5 einfügen. Die Nasen und Rillen dienen einerseits der mechanischen Fixierung der Module 5 und stellen andererseits sicher, dass die Module 5 in der richtigen Orientierung in die Aussparungen 23 eingebaut werden.
Bei den Kühlkörpern handelt es sich beispielsweise um Aluminiumteile. Die Kühlkörper 2/3 umfassen Strömungskanäle, durch die eine Kühlflüssigkeit wie beispielsweise Wasser hindurchfließen kann und somit Wärme aus dem System abführen.
Weiterhin enthalten beide Kühlkörper 2 und 3 Bohrungen 13 zur Aufnahme von Schrauben 13A, die die Kühlkörper 2/3 aneinander und am Kondensator 4 mechanisch fixieren.
Figur 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Wechselrichter-Systems 1.
Das zweite Ausführungsbeispiel umfasst wiederum einen ersten Kühlkörper 2, einen zweiten Kühlkörper 3 sowie einen Kondensator 4. Merkmale des zweiten Ausführungsbeispiels, die denen des ersten Ausführungsbeispiels gleichen, werden nicht erneut beschrieben .
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Kondensator 4 die unterste Komponente, die auf einer weiteren Baugruppe fixiert sein kann, und auf der die Kühlkörper 2/3 aufgebracht sind. Beispielsweise kann der gesamte Aufbau auf einem Motor fixiert sein.
Anders als im ersten Ausführungsbeispiel weist der Kondensator 4 im zweiten Ausführungsbeispiel keinen Montageabschnitt 4C mit verbreiterter Grundfläche auf. Die Grundfläche des gesamten Kondensatorgehäuses 4A weist dieselben Abmessungen wie die Grundflächen der Kühlkörper 2 bzw. 3 auf.
Weiterhin sind im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel die Schrauben 13A von Seiten des ersten Kühlkörpers 2 aus eingeführt. Zumindest die Bohrungen 13 im Montageabschnitt 4C des Kondensators 4 umfassen Gegengewinde, in denen die Schrauben 13 festgezogen und somit fixiert werden können.
Der Hochspannungs-Gleichstrom-Stecker 4 ist in der vorliegenden Ausführungsform an der Unterseite des Kondensatorgehäuses 4A angebracht, die den Kühlkörpern 2/3 gegenüberliegt. Hier kann direkt ein Eingangsstrom angeschlossen werden.
Die elektrische Kontaktierung zwischen Kondensatorelement bzw. EMI-Filter und dem Halbleiter-Leistungsmodul 5 wird hier durch Druckkontaktierungen 15 erreicht. Dazu sind auf der Oberseite des Kondensators 4 Druckkontaktierungen 15 angebracht, die ein elektrisch leitendes Material, bevorzugt ein leitfähiges Metall, enthalten. Die Kontaktierungen 15 können beispielsweise als Federn oder kompakte Bolzen ausgeführt sein.
Beim Zusammenbau des Wechselrichter-Systems 1 werden die zweiten Kühlkörper 3 auf der Oberseite des
Kondensatorgehäuses 4A platziert. Die zweiten Kühlkörper 3 enthalten Durchgangslöcher 16, in welche die Druckkontaktierungen 15 eingeführt werden können. Um dabei einen elektrischen Stromfluss zwischen den
Druckkontaktierungen 15 und dem Kühlkörper 3 zu vermeiden sind die Druckkontaktierungen 15 von einem isolierenden Plastikmantel umgeben. Alternativ können die inneren Wandungen der Durchgangslöcher 16 mit einem isolierenden Plastikmantel beschichtet sein.
Beim Einbetten des Halbleiter-Leistungsmoduls 5 in der dafür vorhergesehenen Aussparung 23, ist das Modul 5 so positioniert, dass Kontaktflächen 17 direkt auf der Druckkontaktierung 15 auffliegen. Die Kontaktflächen 17 können Oberflächen der Metallzungen 11 sein oder sich direkt auf dem Hauptkörper 5A des Moduls 5 befinden. Dann werden keine Metallzungen 11 benötigt.
Ein solches Modul 5, dessen Kontaktflächen 17 direkt auf dem Hauptkörper 5A positioniert sind, ist in Abbildung 6 dargestellt.
Die Aussparung 23 zur Aufnahme des Halbleiter-Leistungsmoduls 5 ist hier vollständig im zweiten Kühlkörper 3 ausgeführt. So kann das Halbleiter-Leistungsmodul einfach in die Aussparung 23 eingebettet werden. Im ersten Kühlkörper 3 ist dagegen keine Aussparung vorgesehen.
BezugsZeichen
1 elektrisches Wechselrichter-System
2 erster Kühlkörper
21 Innenseite des Kühlkörpers
22 Außenseite des Kühlkörpers
23 Aussparungen
24 Nasen
3 zweiter Kühlkörper
3A Vorderseite des Kühlkörpers
3B Rückseite des Kühlkörpers
4 Kondensator
4A Kondensatorgehäuse
4B Halterungsbolzen
4C Montageabschnitt
4D Hochspannungs-Gleichstrom-Stecker
4E Seitenfläche des Kondensators
5 Halbleiter-Leistungsmodul
5A Hauptkörper der Leistungsmodule
5B Unterseite der Leistungsmodule
5C wärmeleitende Schichten
5D Oberseite der Leistungsmodule
5E Rillen
6 Öffnung zwischen den Kühlkörpern 7 vordere Metallzungen
8A Außenkontaktierung
8B Metallschraube
8C Trageteil 9 Pins
10A Controller Board 10B Gate Driver Board 11 hintere Metallzungen
11A erster Abschnitt 11B zweiter Abschnitt 12 Busbar
13 Bohrungen 13A Schrauben
14 Ausgangsstromsensor
15 Druckkontaktierungen
16 Durchgangsloch 17 Kontaktfläche

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Wechselrichter-System (1) umfassend zumindest die Komponenten erster Kühlkörper (2), zweiter Kühlkörper (3) und elektrischer Kondensator (4), wobei die Komponenten in der genannten Reihenfolge gestapelt sind, weiterhin umfassend mindestens ein Fixiermittel (13A), wobei die drei genannten Komponenten durch das Fixiermittel so festgelegt sind, dass sie nicht gegeneinander verschiebbar sind und zumindest teilweise flächig aneinander anliegen, weiterhin umfassend ein Halbleiter-Leistungsmodul (5), das zwischen den Kühlkörpern eingeklemmt ist, und weiterhin umfassend elektrische Kontaktelemente (15), die den elektrischen Kondensator und das Halbleiter-Leistungsmodul elektrisch verbinden.
2. Elektrisches Wechselrichter-System nach Anspruch 1, wobei das Fixiermittel eine Schraube (13A) ist.
3. Elektrisches Wechselrichter-System nach Anspruch 2, wobei zumindest eine der Komponenten ein Gegengewinde zur Fixierung der Schraube aufweist.
4. Elektrisches Wechselrichter-System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der elektrische Kondensator einen elektromagnetischen Interferenz-Filter umfasst.
5. Elektrisches Wechselrichter-System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Oberflächen (5B, 5D) des Halbleiter- Leistungsmoduls an den Kühlkörpern flächig anliegen, sodass der Wärmetransport zwischen dem Halbleiter-Leistungsmodul und den Kühlkörpern verbessert wird.
6. Elektrisches Wechselrichter-System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Halbleiter-Leistungsmodul nur in einer vorgegebenen Orientierung zwischen den Kühlkörpern eingeklemmt werden kann.
7. Elektrisches Wechselrichter-System nach Anspruch 6, wobei zumindest einer der Kühlkörper eine Nase (24) aufweist, die die Orientierung des Halbleiter-Leistungsmoduls vorgibt.
8. Elektrisches Wechselrichter-System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Halbleiter-Leistungsmodul an einer ersten Seite (3A) des Systems nach außen freiliegt.
9. Elektrisches Wechselrichter-System nach Anspruch 8, wobei das Halbleiter-Leistungsmodul an der ersten Seite einen Wechselstrom-Anschluss aufweist, der die Orientierung des Halbleiter-Leistungsmoduls vorgibt.
10. Elektrisches Wechselrichter-System nach Anspruch 9, wobei das Halbleiter-Leistungsmodul einen Ausgangsstromsensor (14) umfasst .
11. Elektrisches Wechselrichter-System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei an der ersten Seite des Kondensators ein Gate Driver Board (10B) angebracht ist.
12. Elektrisches Wechselrichter-System nach Anspruch 11, wobei am Gate Driver Board zumindest ein Controller Board (10A) angebracht ist, welches mit dem Halbleiter- Leistungsmodul elektrisch kontaktiert ist.
13. Elektrisches Wechselrichter-System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der elektrische Kondensator einen Hochspannungs-Gleichstrom-Stecker (4D) umfasst.
14. Elektrisches Wechselrichter-System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der elektrische Kondensator einen Eingangsstromsensor umfasst.
15. Elektrisches Wechselrichter-System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei einer der Kühlkörper Durchgangslöcher (16) umfasst, in denen Druckkontaktierungen (15) als elektrische Kontaktelemente eingebettet sind.
16. Verfahren zum Zusammenbau eines elektrischen Wechselrichter-Systems umfassend die folgenden Schritte:
- bereitstellen eines ersten Kühlkörpers, eines zweiten Kühlkörpers, und eines elektrischen Kondensators,
- bereitstellen eines Halbleiter-Leistungsmoduls und von Fixiermitteln,
- anordnen des Halbleiter-Leistungsmoduls auf einem ersten der Kühlkörper,
- abdecken des ersten Kühlkörpers und des Halbleiter- Leistungsmoduls durch einen zweiten der Kühlkörper,
- positionieren der Kühlkörper mit dazwischen angeordnetem Halbleiter-Leistungsmodul und des elektrischen Kondensators übereinander, sodass elektrische Kontaktflächen des Kondensators und des Halbleiter-Leistungsmoduls übereinander liegen und durch elektrische Kontaktelemente kontaktiert werden können,
- Anbringen von mindestens einem Fixiermittel, wobei das Fixiermittel die beiden Kühlkörper und den Kondensator so festlegt, dass die genannten Komponenten nicht gegeneinander verschiebbar sind und zumindest teilweise flächig aneinander anliegen und wobei durch die Fixierung der genannten Komponenten das Halbleiter-Leistungsmodul zwischen den Kühlkörpern eingeklemmt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Fixiermittel Schrauben sind und wobei zumindest eine der genannten Komponenten Gegengewinde zur Fixierung der Schrauben aufweist.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei weiterhin ein Gate Driver Board an einer ersten Seite des elektrischen Kondensators fixiert wird.
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