WO2022268502A1 - Beidseitige kühlung von leistungselektronikbaugruppen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungselektronikmodul, aufweisend wenigstens eine leistungselektronische Baugruppe, welche eine Trägerstruktur und wenigstens ein leistungselektronisches Bauelement aufweisen, eine Kühleinrichtung zum Kühlen der leistungselektronischen Baugruppen, mit einem Kühlkörper zum Abtransportieren einer Wärme der leistungselektronischen Bauelemente von einer Kühlkörperseite der ersten Trägerstruktur, und zumindest einem pulsierenden Wärmerohr zum Transportieren einer Wärme der leistungselektronischen Bauelemente an den Kühlkörper, wobei ein Wärmeaufnahmebereich des pulsierenden Wärmerohrs an einer Kühlkörperfernen Seite der leistungselektronischen Baugruppe angeordnet ist.

Description

Beidseitige Kühlung von Leistungselektronikbaugruppen

Die Erfindung betrifft ein Leistungselektronikmodul mit wenigstens einer leistungselekt ronischen Baugruppe und einer Kühleinrichtung zum Kühlen der leistungselektronischen Baugruppen. Die Erfindung betrifft auch eine Fahrzeugkomponente mit wenigstens ei nem solchen Leistungselektronikmodul sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Fahr zeugkomponente.

Vorliegend richtet sich das Interesse auf Leistungselektronikmodule, welche beispiels weise für Stromrichter elektrifizierter Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, verwendet werden können. Die Leistungselektronikmodule weisen üblicherweise leis tungselektronische Baugruppen mit zumindest einem leistungselektronischen Bauele ment, beispielsweise einem Leistungshalbleiterschalter, auf. Die leistungselektronischen Bauelemente können beispielsweise in Form von Halbleiterchips vorliegen, welche auf einem Träger angeordnet sind. Im Betrieb des Leistungselektronikmoduls entsteht an den leistungselektronischen Bauelementen Wärme, durch welche das Leistungselektro nikmodul überhitzen kann. Zum Kühlen der leistungselektronischen Bauelemente kön nen die leistungselektronischen Baugruppen mit einer Kühleinrichtung versehen werden, sodass ein Wärmeleitpfad von dem leistungselektronischen Bauelement hin zu einer Wärmesenke, insbesondere einer Kühlmittelführung, im Kraftfahrzeug gebildet wird. Der dabei resultierende Temperaturgradient und damit die Kühleffizienz werden durch die Wärmeleitfähigkeiten sowie Geometrien der beteiligten Materialschichten und Arbeits medien charakterisiert; sowie von den thermischen Kontaktwiderständen zwischen den einzelnen Schichten bzw. Fluiden. Die erreichbare Kühleffizienz begrenzt dabei einen Betriebsbereich der leistungselektronischen Bauelemente, beispielsweise eine Schalt- frequenz oder Leistung der Leistungshalbleiterschalter, sowie eine Miniaturisierung der leistungselektronischen Bauelemente.

Die WO 2020/158324 A1 schlägt vor, die Kühlung mit einem pulsierenden Wärmerohr auszubilden. Die gezeigte Konfiguration ermöglicht aber nur eine sehr begrenzte Wär mespreizung und daher keine ausreichend effiziente Kühlung. Zudem wird eine große Flächenerstreckung der zu kühlenden Leistungselektronikbaugruppen senkrecht zu ei ner Aufbaurichtung benötigt, um auch bei einer höheren Last ausreichend Wärme ab- führen zu können.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mit welcher leistungselektronische Bauelemente eines Leistungselektronikmoduls bes- ser gekühlt werden können.

Jeder der unabhängigen und nebengeordneten Ansprüche bestimmt mit seinen Merk malen einen Gegenstand, der diese Aufgabe löst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Gemäß einem Aspekt wird offenbart ein Leistungselektronikmodul, aufweisend: (a) wenigstens eine, insbesondere mehrere, leistungselektronische Baugruppen, welche jeweils und/oder zumindest teilweise gemeinsam eine erste Trägerstruktur und zumindest ein darauf angeordnetes und damit thermisch gekoppeltes leistungselektronisches Bauelement aufweisen.

(b) eine Kühleinrichtung zum Kühlen der leistungselektronischen Baugruppen, mit: (b1) einem Kühlkörper zum Abtransportieren einer Wärme (insbesondere einer unteren Abwärme) der leistungselektronischen Bauelemente von einer Kühlkörperseite der ersten Trägerstruktur. Dazu ist insbesondere der Kühlkörper an einer Kühlkörperseite der leistungselektronischen Baugruppe angeordnet und/oder mit der ersten Trägerstruktur thermisch gekoppelt, und

(b2) zumindest einem pulsierenden Wärmerohr mit wenigstens einem Kapillargefäß und einem Arbeitsmedium zum Transportieren einer Wärme (ins- besondere einer oberen Abwärme) der leistungselektronischen Bauelemente an den Kühlkörper.

Ein Wärmeaufnahmebereich des pulsierenden Wärmerohrs ist an einer Kühlkörper fernen Seite der leistungselektronischen Baugruppe angeordnet. Sprich: der Wärmeauf nahmebereich des pulsierenden Wärmerohres ist auf einer Seite der leistungselektroni- sehen Bauelemente angeordnet, der Kühlkörper der Kühleinrichtung auf der anderen, insbesondere in Bezug auf eine Anordnung entlang einer Aufbauachse der leistungs elektronischen Baugruppe/n.

Damit ergänzt ein pulsierendes Wärmerohr an der Oberseite, hier also der Kühlkörper fernen Seite der elektronischen Baugruppen die Kühleinrichtung um eine Wärmeableitung von einer zweiten Seite her hin zu einem ansonsten herkömmlich ausgebildeten Kühlkörper, der ohnehin die Abwärme von einer ersten Seite der leis tungselektronischen Bauelemente aufnimmt. Das gesteigerte Kühlungspotenzial und die damit einhergehenden verringerten Temperaturniveaus bieten nun die Möglichkeit einer Effizienzsteigerung und ein enormes Einsparpotenzial an Halbleiter-Fläche. Insbesondere weist das pulsierende Wärmerohr ein Kapillargefäß auf, in dem ein Ar beitsmedium zum Transportieren der Wärme der leistungselektronischen Bauelemente an die Wärmesenke aufgenommen ist. Das Kapillargefäß weist insbesondere eine oder vorzugsweise mehrere Windungen auf, von welchen jede einen, thermisch mit einer leis tungselektronischen Baugruppe gekoppelten Verdampfungsbereich zum Aufnehmen der Wärme und einen, thermisch mit der Wärmesenke gekoppelten Kondensierbereich zum Abgeben der Wärme, insbesondere an den Kühlkörper, aufweist. Dabei liegt das in dem Kapillargefäß angeordnete Arbeitsmedium insbesondere in Flüssiggebieten und Dampfgebieten vor, welche durch die Wärme dazu anregbar sind, zum Wärmetransport zwischen dem Verdampfungsbereich und dem Kondensierbereich der jeweiligen Win- düng zu pulsieren beziehungsweise zu oszillieren. Die Verdampfungsbereiche sind ins besondere in dem Wärmeaufnahmebereich des Wärmerohrs angeordnet, die Konden sierbereiche insbesondere in dem Wärmeabgabebereich des Wärmerohrs.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart eine Fahrzeugkomponente mit einem Gehäuse und zumindest einem Leistungselektronikmodul nach einer Ausführung der Er findung, wobei das Gehäuse den Kühlkörper des zumindest einen Leistungselektronikmoduls ausbildet. Gemäß einer Ausführung ist die Fahrzeugkomponente als eine elektrische Maschine ausgebildet.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Fahrzeugkomponente nach einer Ausführung der Erfindung.

Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass das in Fig. 1 gezeigte, weit verbreitete und damit bekannte Kühlprinzip von Leistungshalbleitern in heutigen Au- tomotive-Traktionsinvertern Effizienzgrenzen unterworfen ist. Die im Halbleiter erzeugte Verlustwärme wird dabei über Festkörperwärmeleitung bis zu einem als Kühlflüssigkeit ausgebildeten Kühlmittel transportiert, das in einem Kühlkörper fließt. Der dabei resul tierende Temperaturgradient wird durch die Wärmestromdichte, die Wärmeleitfähigkei ten der beteiligten Materialschichten und ggf. durch den jeweiligen thermischen Kontakt widerstand zwischen diesen charakterisiert.

Üblicherweise befindet sich der Halbleiter auf einem DCB-Substrat, welches aus einer Kupferschicht (elektrische Kontaktierung), Keramik (elektrische Isolation) und einerwei teren Kupferschicht besteht. Zur thermischen Anbindung wird dieses Substrat z.B. mit hilfe eines Lots oder eines Gap-Filler-Materials auf einen als Kühlplatte ausgebildeten Kühlkörper aufgebracht, der andererseits von dem Kühlmittel angeströmt wird und damit Wärme von dem Kühlkörper abtransportieren kann. Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, ein pulsierendes Wärmerohr an der Oberseite (sprich einer dem Kühlkörper abgewandten Seite) der zu kühlenden Halb leiterchips oder anderen leistungselektronischen Bauelemente anzubringen und darüber die Abwärme aus dem Betrieb beidseitig an das Kühlmittel abgeben zu können, insbe- sondere auch über den Kühlkörper, der gemäß einer Ausführung im Wesentlichen un verändert gegenüber einseitigen Kühllösungen bleiben kann. Das pulsierende Wärme rohr wird auch als Pulsating oder Oscillating Heat Pipe bezeichnet und besteht gemäß einer Ausführung aus einem speziell geformten Kanal, der einen kapillaren Durchmesser im Mikro- bis Millimeterbereich aufweisen kann. Dieser Kanal ist mit einem Kühlmedium im Zweiphasengebiet gefüllt, das daher dampfförmig (Dampfblasen) und flüssig vorliegt. In dem Wärmerohr wird der Druck lokal durch Wärmequellen, aufgrund von Verdamp fung und Erwärmung, erhöht. Wärmesenken führen zur lokalen Kondensation und damit zum Druckabfall. Aufgrund der Druckunterschiede strömt/pulsiert das Arbeitsfluid ohne externe Pumpe und transportiert so Wärme. Ein pulsierendes Wärmerohr zeichnet sich somit durch eine im Vergleich zu einfachen metallischen Wärmeleitern sehr hohe effek tive Wärmeleitfähigkeit aus.

Gemäß unterschiedlichen Ausführungen sind unterschiedliche Geometrien und Anbin dungsstrategien für das pulsierende Wärmerohr am Kühlkörper vorgesehen: beispiels- weise mittelbar über einen Kühldom oder unmittelbar direkt durch eine S-förmige Geo metrie, die eine Anbindung an die Kühlplatte ohne zusätzlichen Kühldom ermöglicht.

Eine besonders interessante Integration stellt gemäß einer Ausführung die thermische Anbindung der Oberseite des Leistungselektronikmoduls an die Kühlkörper-Rückseite dar. Diese Fläche bleibt bei bekannten Lösungen thermisch ungenutzt, obwohl die Kühl- mittelströmung hier ebenfalls ein signifikantes Kühlpotenzial anbietet. Pulsierende Wär merohre ermöglichen diese neuartige Integration, da aufgrund der passiven Zweipha senströmung die Limitationen von Wärmeleitung in Festkörpern umgangen werden. Si- mulative Abschätzungen zeigen hierzu vielfache effektive Wärmeleitfähigkeiten im Ver gleich zu klassischen Wärmeleitern aus Vollmaterial, und damit einhergehend die Mög- lichkeit einer Effizienzsteigerung und ein enormes Einsparpotenzial an Halbleiter-Fläche.

Zum Kühlen der leistungselektronischen Bauelemente ist die Kühleinrichtung vorgese hen. Die Kühleinrichtung weist den Kühlkörper auf, welcher insbesondere von einem Kühlmittel durchströmt wird. Der Kühlkörper kann beispielsweise als eine von Kühlmittel durchströmte Kühlplatte oder als ein von Kühlmittel durchströmtes Gehäuseteil der Fahr- zeugkomponente ausgebildet sein. Zur Steigerung der Kühleffizienz weist die Kühlein- richtung außerdem das zumindest eine pulsierende Wärmerohr, eine sogenannte Pulsa- ting Heat Pipe (PHP), auf, welche dazu ausgelegt ist, die Wärme der Bauelemente zu dem Kühlkörper zu transportieren. Das zumindest eine pulsierende Wärmerohr bildet somit einen Wärmeübertragerzwischen den Baugruppen und dem Kühlkörper. Das pul- sierende Wärmerohr weist das zumindest eine Kapillargefäß auf. Das Kapillargefäß bil det einen Kanal mit einem kapillaren Durchmesser, beispielsweise im Mikrometerbereich oder Millimeterbereich. Dieser Kanal ist mit einem Arbeitsmedium im Zweiphasengebiet gefüllt, das dampfförmig und flüssig vorliegt. Das Arbeitsmedium weist die durch Dampf blasen gebildeten Dampfgebiete und die durch Flüssigkeitspfropfen gebildeten Flüssig- gebiete auf.

In dem Kapillargefäß wird der Druck lokal, an den Verdampfungsbereichen, durch die leistungselektronischen Baugruppen, welche Wärmequellen ausbilden, aufgrund von Verdampfung und Erwärmung erhöht. Wärmesenken, welche durch den Kühlkörper aus gebildet sind, führen lokal, an den Kondensierbereichen, zur Kondensation und damit zum Druckabfall. Aufgrund der Druckunterschiede wird das Arbeitsmedium zum Pulsie ren angeregt und strömt somit ohne externe Pumpe in dem Kapillargefäß. Dabei trans portiert das Arbeitsmedium die Wärme der leistungselektronischen Baugruppen zu dem Kühlkörper. Eine solches pulsierendes Wärmerohr zeichnet sich durch eine hohe effek tive Wärmeleitfähigkeit aus und weist eine hohe mechanische Belastbarkeit auf. Darüber hinaus benötigt eine solches pulsierendes Wärmerohr nur einen geringen Bauraum und kann kostengünstig hergestellt werden.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Leistungselektronikmodul eine Trägerstruktur zum Halten der leistungselektronischen Baugruppen aufweist. Die leistungselektronischen Bauelemente der leistungselektronischen Baugruppen sind auf der Trägerstruktur befestigt und dort elektrisch kontaktiert. Beispielsweise können die als Halbleiterchips ausgestalteten Bauelemente mittels Chipbonding an der Trägerstruktur, beispielsweise einer Leiterplatte, befestigt sein.

Die Trägerstruktur weist dabei insbesondere ein DCB-Substrat (DCB-Direct Copper Bonded) auf. Die beidseitige Kupferbeschichtung des DCB-Substrats verhindert eine wärmebedingte Biegung des DCB-Substrats aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialschichten. Das DCB- Substrat kann beispielsweise auf einer Basisplatte der T rägerstruktur oder dem Kühlkör per befestigt sein.

Eine erste, untere Trägerstruktur weist insbesondere eine plattenförmige Keramikschicht auf, an welcher beidseitig eine Kupferschicht angeordnet ist, wobei die Bauelemente durch Löten an der Kupferschichten befestigt sind, und dient gemäß einer Ausführung einer Anbindung einer Kühlkörperseite der leistungselektronischen Bauelemente an den Kühlkörper.

Eine zweite, obere Trägerstruktur kann analog dazu ausgebildet sein und gemäß einer Ausführung einer Anbindung einer Kühlkörper-fernen Seite der leistungselektronischen Bauelemente an den Wärmeaufnahmebereich des pulsierenden Wärmerohrs dienen.

Gemäß einer Ausführung weisen die leistungselektronischen Baugruppen auf der Kühlkörper-fernen Seite der leistungselektronischen Bauelemente eine zweite Trägerstruktur auf, die mit den leistungselektronischen Bauelementen und mit dem Wärmeaufnahmebereich des pulsierenden Wärmerohrs thermisch gekoppelt ist. Mittels der zweiten Trägerstruktur ist es möglich, neben der Kühlkörperseite der leistungselektronischen Baugruppe auch deren Kühlkörper-ferne Seite aktiv zu kühlen, insbesondere durch den Einsatz eines pulsierenden Wärmerohrs zur Überbrückung der längeren, nötigen Wärmetransportstrecke.

Gemäß einer Ausführung ist ein Wärmeabgabebereich des pulsierenden Wärmerohrs abseits der ersten Trägerstruktur, insbesondere abseits eines thermischen Kopplungs bereichs der ersten Trägerstruktur mit dem Kühlkörper, an dem Kühlkörper angeordnet, insbesondere thermisch mit diesem unmittelbar oder mittelbar gekoppelt. Dadurch kön nen mit einer einfachen Kühlmittelstrecke durch den Kühlkörper beide Seiten des Leis tungselektronikmoduls und/oder der leistungselektronischen Baugruppe aktiv gekühlt werden - noch dazu ohne wesentliche Veränderung von Kühlstrecken, wie sie ohnehin bereits zur Leistungselektronik-Kühlung in bekannten Kraftfahrzeugen eingesetzt wer den, die ohne pulsierende Wärmerohre betrieben werden.

Gemäß einer Ausführung sind der Wärmeabgabebereich des pulsierenden Wärmerohrs und die erste Trägerstruktur auf einer Baugruppen-zugewandten Seite des Kühlkörpers angeordnet und/oder hinsichtlich einer Aufbauachse zwischen einem Kühlmittelstrom und den leistungselektronischen Baugruppen miteinander thermisch gekoppelt. Damit kann eine ansonsten weitgehend unveränderte Ausbildung des Kühlkörpers erreicht werden - verglichen mit bekannten Lösungen zur Kühlung von Kraftfahrzeugantriebs- Leistungselektronik mittels eines Kühlmittel-gekühlten Kühlkörpers.

Gemäß einer Ausführung ist die thermische Kopplung des Wärmeabgabebereichs des pulsierenden Wärmerohrs mit dem Kühlkörper abseits der ersten Trägerstruktur mittelbar durch einen Kühldom hindurch ausgebildet, der insbesondere thermisch mit dem Wärmeabgabebereich und mit dem Kühlkörper gekoppelt ist. Dadurch kann ein einfach ausgebildetes, flach bauendes pulsierendes Wärmerohr eingesetzt werden.

Gemäß einer Ausführung ist die thermische Kopplung des Wärmeabgabebereichs des pulsierenden Wärmerohrs mit dem Kühlkörper abseits der ersten Trägerstruktur unmittelbar ausgebildet, wobei das Wärmerohr dazu ausgebildet ist, die Erstreckung der mehrere leistungselektronischen Baugruppen entlang einer Aufbauachse auf dem Kühlkörper auszugleichen, insbesondere mittels einer gebogenen und oder gestuften Gestaltung zwischen dem Wärmeaufnahmebereich und dem Wärmeabgabebereich. Damit kann eine fehlerrobuste Lösung mit wenigen Bauteilen - und daher einer geringeren Versagenswahrscheinlichkeit - umgesetzt werden.

Gemäß einer Ausführung ist die erste Trägerstruktur auf einer Baugruppen- zugewandten Seite und der Wärmeabgabebereich des pulsierenden Wärmerohrs auf einer Baugruppen-abgewandten Seite des Kühlkörpers angeordnet, insbesondere mit diesem gekoppelt, und/oder der Kühlmittelstrom ist in dem Kühlkörper hinsichtlich einer Aufbauachse zwischen der erste Trägerstruktur und dem Wärmeabgabebereich des pulsierenden Wärmerohrs angeordnet. Damit lässt sich eine besonders interessante passive Integration der thermischen An bindung der Kühlkörper-fernen, hier der Oberseite, der leistungselektronischen Baugrup pen, an die Kühlkörper-Rückseite darstellen. Diese Fläche bleibt bei den bekannten Lö sungen thermisch ungenutzt, obwohl die Kühlmittelströmung hier ebenfalls ein signifi kantes Kühlpotenzial anbietet. Das gesteigerte Kühlungspotenzial und die damit einher- gehenden verringerten Temperaturniveaus bieten nun die Möglichkeit einer Effizienz steigerung und ein enormes Einsparpotenzial an Halbleiter-Fläche. Auf gleiche Weise können auch anderen ungenutzte Kühlpotenziale wie etwa im Gehäuse mithilfe des Wär merohrs erschlossen werden. Gemäß einer Ausführung ist das pulsierende Wärmerohr teilweise oder ganz mit einer massiven Wärmerohrplatte ausgebildet, in welche ein Teil oder die Gesamtheit von Windungen des Kapillargefäßes als Ausnehmungen eingebracht sind, wobei insbesondere ein geschlossener Querschnitt der Windungen durch einen bezüglich des Arbeitsmediums dicht aufgesetzten Plattendeckel erreicht ist. Nötigenfalls kann dazu ein zusätzliches Dichtelement eingesetzt werden.

Eine solche Wärmerohrplatte kann auf einfache Weise gut mit der Grundfläche der Trägerstruktur der zu kühlenden leistungselektronischen Baugruppe und dem Kühlkörper verbunden werden.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren:

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer leistungselektronischen Baugruppe für ein bekanntes Leistungselektronikmodul.

Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer leistungselektronischen Baugruppe für ein Leistungselektronikmodul nach einer Ausführung der Er findung.

Fig. 3 zeigt ein Leistungselektronikmodul gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung mit einem Kühldom in einer Schnittansicht.

Fig. 4 zeigt ein Leistungselektronikmodul gemäß einer anderen beispielhaften Aus führung der Erfindung mit einem Wärmerohr mit einer gebogenen Kontur in einer Schnittansicht. Fig. 5 zeigt ein Leistungselektronikmodul gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung mit einer rückseitigen Anbindung des Wärmerohrs an den Kühlkörper in einer Schnittansicht. In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugs zeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine leistungselektronische Baugruppe 101 für ein Leistungselektronikmodul 202, das auf bekannte Weise einseitig auf einer Kühlkörperseite A mittels eines Kühlkör pers 12 gekühlt wird, der die aufgenommene Wärme an ein Kühlmittel 11 weitergeben kann. Das Leistungselektronikmodul 2 kann in eine Fahrzeugkomponente für ein Kraft fahrzeug integriert werden.

Die leistungselektronische Baugruppe 1 weist hier mehrere leistungselektronische Bau elemente 4 auf, welche als Halbleiterchips ausgebildet sind. Die Bauelemente 4 sind auf einer ersten T rägerstruktur 5 angeordnet. Die T rägerstruktur 5 weist hier eine Basisplatte 6 und ein Substrat 7 auf. Das Substrat 7 weist eine plattenförmige Keramikschicht 8 auf, welche beidseitig mit einer Kupferschicht 9 beschichtet ist. Zum Befestigen des Substra tes 7 an der Basisplatte 6 sowie der leistungselektronischen Bauelemente 4 an dem Substrat 7 ist eine Verbindungsschicht 10, beispielsweise eine Lötschicht, zwischen der jeweiligen Kupferschicht 9 und der Basisplatte 6 bzw. den leistungselektronischen Bau- elementen 4 angeordnet. Die Basisplatte 6 ist thermisch mit dem Kühlkörper 12 gekop pelt.

Fig. 2 zeigt nun eine leistungselektronische Baugruppe 1 für ein Leistungselektronikmo dul 2 nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung, deren Betriebsabwärme auf grund eines zusätzlich verwendeten pulsierenden Wärmerohrs 20 beiderseits - also auch auf einer dem Kühlkörper abgewandten Seite B - abgeführt werden kann.

Dazu weist die leistungselektronische Baugruppe 1 zusätzlich zu einer ersten Trä gerstruktur 5 auf der Kühlkörperseite A auch eine zweite Trägerstruktur 15 zum Halten der leistungselektronischen Bauelemente 4 auf der Kühlkörperfernen Seite B aufweist. Die zweite Trägerstruktur 15 kann anwendungsspezifisch aufgebaut sein und weist hier eine Kupferschicht 9 und eine Keramikschicht 8 auf, sodass die zweite Trägerstruktur 15 thermisch mit einem Wärmeaufnahmebereich 22 des zusätzlich verbauten, pulsierenden Wärmerohrs gekoppelt werden kann. Fig. 3 zeigt ein Leistungselektronikmodul 302 gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung mit wenigstens einer leistungselektronischen Baugruppe 1, die an der Kühlkörperseite A mit dem Kühlkörper 12 und an der gegenüberliegenden Kühlkörper fernen Seite B mit dem Wärmeaufnahmebereich 22 des pulsierenden Wärmerohrs 320 gekoppelt werden kann. Das Wärmerohr 320 ist gerade, das heißt in einer Ebene, ausgebildet; ebenso der Kühl körper. Daher wird der Abstand (in Aufbaurichtung z) zwischen der thermischen Kopp lung der zweiten Trägerstruktur 15 der Baugruppe 1 mit dem Wärmeaufnahmebereich 22 einerseits und andererseits der thermischen Kopplung zwischen der ersten Trä gerstruktur 5 mit dem Kühlkörper 12 mittels eines entsprechend dimensionierten Kühl- doms 19 überwunden.

Der Kühldom 19 ist mit einem Wärmeabgabebereich 24 und mit dem Kühlkörper 12 ther misch gekoppelt und kann so die Kühlkörper-ferne Abwärme der Bauelemente 4 an den Kühlkörper abgeben.

Fig. 4 zeigt ein Leistungselektronikmodul 402 gemäß einer anderen beispielhaften Aus- führung der Erfindung mit wenigstens einer leistungselektronischen Baugruppe 1 und mit einem Wärmerohr 420, das eine gebogene Kontur 18 aufweist, um den Kühldom 19 der Ausführung gemäß Figur 3 weglassen zu können. Der leicht komplizierteren Herstel lung des Wärmerohrs 420 steht vorteilhaft die Gewichts- und Bauteileinsparung sowie ein optimierter thermischer Gesamtwiderstand (thermischer Widerstand des Kühldoms entfällt) durch den Verzicht auf den Kühldom 19 gegenüber.

Fig. 5 zeigt ein Leistungselektronikmodul 502 gemäß einerweiteren beispielhaften Aus führung der Erfindung mit einer Anbindung des Wärmerohrs 520 an den Kühlkörper 12 auf einer von den leistungselektronischen Bauelementen 4 abgewandten Rückseite D des Kühlkörpers 12. Möglich wird dies mittels einer Umbiegung 17 des Wärmerohrs 520, sodass dessen Wärmeaufnahmebereich 22 an der Kühlkörper-fernen Seite B der Bau gruppe 1 und dessen Wärmeabgabebereich 24 an der Rückseite D angeordnet sein kann.

An der Vorderseite C des Kühlkörpers ist dann nur mehr die Kühlkörperseite A und damit die erste T rägerstruktur 5 an den Kühlkörper 12 angebunden.

Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer enormen Bauraumeinsparung - insbesondere in einer Richtung y senkrecht zu der Aufbaurichtung z der leistungselektronischen Bau gruppe!

Anders als bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 3 oder Fig. 4 muss hier kein gro- ßer Platz in y-Richtung neben der leistungselektronischen Baugruppe 1 vorgesehen sein. Die für die Umbiegung 17 benötige y-Erstreckung reicht aus und vielfach kleiner als beispielsweise die Y-Erstreckung der Kühldom-Anbindung gemäß Fig. 3.

Claims

ANSPRÜCHE

1. Leistungselektronikmodul (2, 302, 402, 502), aufweisend:

- wenigstens eine leistungselektronische Baugruppe (1), welche eine erste Trägerstruktur (5) und wenigstens ein leistungselektronisches Bauelement (4) aufweist,

- eine Kühleinrichtung (13, 313, 413, 513) zum Kühlen der leistungselektronischen Baugruppen (1), mit einem Kühlkörper (12) zum Abtransportieren einer Wärme der leistungselektronischen Bauelemente (4) von einer Kühlkörperseite der ersten Trägerstruktur (5), und mit zumindest einem pulsierenden Wärmerohr (20, 320, 420, 520) zum Transportieren einerWärme der leistungselektronischen Bauelemente (4) an den Kühlkörper (12), dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeaufnahmebereich (22) des pulsierenden Wärmerohrs an einer Kühlkörper fernen Seite (B) der leistungselektronischen Baugruppe angeordnet ist.

2. Leistungselektronikmodul (2, 302, 402, 502) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronischen Baugruppe (1) auf der Kühlkörper fernen Seite (B) der leistungselektronischen Bauelement (4) eine zweite Trägerstruktur (15) aufweist, die mit den leistungselektronischen Bauelementen und mit dem Wärmeaufnahmebereich (22) des pulsierenden Wärmerohrs (20, 320, 420, 520) thermisch gekoppelt ist.

3. Leistungselektronikmodul (2, 302, 402, 502) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeabgabebereich (24) des pulsierenden Wärmerohrs (20, 320, 420, 520) abseits der ersten Trägerstruktur (5) an dem Kühlkörper angeordnet ist.

4. Leistungselektronikmodul (2, 302, 402, 502) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabgabebereich (24) des pulsierenden Wärmerohrs (20, 320, 420, 520) und die erste Trägerstruktur (5) auf einer Baugruppen-zugewandten Seite des Kühlkörpers angeordnet und/oder zwischen einem Kühlmittelstrom (11) und der wenigstens einen leistungselektronischen Baugruppe (1) miteinander thermisch gekoppelt sind.

5. Leistungselektronikmodul (302) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, (24) des pulsierenden Wärmerohrs (320) mit dem Kühlkörper (12) mittelbar durch einen Kühldom (19) hindurch ausgebildet ist.

6. Leistungselektronikmodul (402) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung des Wärmeabgabebereichs (24) des pulsierenden Wärmerohrs (420) mit dem Kühlkörper (12) unmittelbar ausgebildet ist, wobei das Wärmerohr dazu ausgebildet ist, die Erstreckung der mehrere leistungselektronischen Baugruppen entlang einer Aufbauachse (z) auf dem Kühlkörper auszugleichen.

7. Leistungselektronikmodul (502) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- die erste Trägerstruktur (5) auf einer Baugruppen-zugewandten Seite (C) des Kühlkörpers (12) und der Wärmeabgabebereich (24) des pulsierenden Wärmerohrs (520) auf einer Baugruppen-abgewandten Seite (D) des Kühlkörpers (12) angeordnet, insbesondere mit diesem thermisch gekoppelt, ist, und/oder

- der Kühlmittelstrom (11) in dem Kühlkörper (12) zwischen der erste Trägerstruktur (5) und dem Wärmeabgabebereich (24) des pulsierenden Wärmerohrs (520) angeordnet ist.

8. Leistungselektronikmodul (2, 302, 402, 502) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pulsierende Wärmerohr (20, 320, 420, 520) teilweise oder ganz mit einer massiven Wärmerohrplatte ausgebildet ist, in welche ein Teil oder die Gesamtheit von Windungen des Kapillargefäßes als Ausnehmungen eingebracht sind.

9. Fahrzeugkomponente mit einem Gehäuse und zumindest einem Leistungselektronikmodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse den Kühlkörper (12) des zumindest einen Leistungselektronikmoduls (2) ausbildet.

10. Fahrzeugkomponente nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugkomponente als eine elektrische Maschine ausgebildet ist.

11. Kraftfahrzeug mit zumindest einer Fahrzeugkomponente nach Anspruch 9 oder 10.