WO2024104715A1 - Thermally lifetime-optimised power electronic device, operating method, and motor vehicle - Google Patents

Thermally lifetime-optimised power electronic device, operating method, and motor vehicle Download PDF

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WO2024104715A1
WO2024104715A1 PCT/EP2023/079293 EP2023079293W WO2024104715A1 WO 2024104715 A1 WO2024104715 A1 WO 2024104715A1 EP 2023079293 W EP2023079293 W EP 2023079293W WO 2024104715 A1 WO2024104715 A1 WO 2024104715A1
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WO
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filter element
electronic device
power electronic
semiconductor
semiconductor element
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/079293
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German (de)
French (fr)
Inventor
Pascal SCHIRMER
Peter Schreivogel
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a power electronic device and a method for operating the same.
  • the invention further relates to a motor vehicle equipped accordingly.
  • Power electronic devices or components are used in many different areas and applications today. There are often different requirements and corresponding conflicting objectives. For example, a particularly compact and cost-effective design can compete or conflict with a particularly robust design and particularly effective cooling or the like. Likewise, different thermal parameters or temperature profiles can be optimal for a maximum service life of individual parts or components, which can lead to corresponding conflicting objectives in a cooling or temperature control scheme.
  • temperature can be an important parameter in the operation and service life of electronic components.
  • a method for estimating a temperature of a transistor is described, for example, in DE 10 2016201 004 A1.
  • a voltage change during switching off in relation to the change in time between a collector and a transistor in a phase of an inverter as well as the peak temperature of the transistor are measured.
  • intermediate parameters of the switching off current, the switching on current and the Forward voltage drop is determined based on the turn-off voltage change and the peak voltage.
  • the power or energy loss for a switching cycle is determined based on the turn-off current, the turn-on current and the forward voltage drop.
  • a corresponding average junction or chip temperature of the transistor over the switching cycle is then estimated based on the determined energy loss, the observed inverter system temperature and the temperature characteristic of an inverter system.
  • EP 3 561 981 A1 describes a method for reducing a temperature increase in a controllable switching element of an electronic fuse when a load is switched on.
  • a control signal is used to limit the maximum possible current increase of an output current flowing into the load at the switching element.
  • a time profile of at least one output voltage applied to the load and/or the output current flowing into the load and/or a temperature of the switching element is also determined. Based on this, default values for the on-time of the switching element and/or the off-time current as well as a default value for the off-time of the switching element are then determined. This is intended to reduce thermal stress on an electronic fuse in a simple and cost-effective manner and to ensure that the service life of the electronic fuse is met.
  • EP 3644 497 B1 describes a method for operating a power plant with a doubly fed asynchronous machine.
  • the object of the present invention is to enable an extended service life of a power electronic device in a particularly simple and efficient manner.
  • the power electronic device according to the invention can also be referred to below as a device for short.
  • a device can be or include, for example, a device or an assembly or an arrangement of several parts or components or the like that are directly or indirectly connected to one another.
  • the power electronic device has at least one semiconductor element or semiconductor component.
  • This can mean an actual semiconductor material or also, for example, a housing material in which the semiconductor material can be housed or cast, or the like, i.e. possibly a complete semiconductor package or, for example, a semiconductor-based SMD (Surface-Mounted Device) or the like.
  • a semiconductor-based SMD Surface-Mounted Device
  • the power electronic device has at least one filter element.
  • a filter element can be used for electrical or electronic filtering.
  • the filter element can be, for example, an inductor or coil or a capacitor or can comprise one of these.
  • the power electronic device has a cooling element to which the semiconductor element and the filter element - depending on the design, in particular electrically insulated - are each connected in a heat-conducting manner, i.e. coupled.
  • the semiconductor element and the filter element are thermally coupled to one another in addition to the equalization of their temperatures given or arising during operation, i.e. for temperature equalization or temperature compensation between the semiconductor element and the filter element.
  • the semiconductor element and the filter element are therefore not only thermally coupled here, for example, by an unavoidable but typically not practically relevant heat transport path through the cooling element or an electrical insulation or the like arranged between the semiconductor element and the filter element on the one hand and the cooling element on the other.
  • a further dedicated heat transport path is provided or set up.
  • heat can therefore be exchanged between the semiconductor element and the filter element, in particular bypassing the cooling element or also the intermediate element or component carrier or the like, in particular from the filter element to or into the semiconductor element.
  • Typical semiconductor elements today can have significantly lower heat capacities and/or thermal inertias than conventional filter elements today. Therefore, the additional or explicit or dedicated thermal coupling of the filter element with the semiconductor element can equalize the temperature of the semiconductor element over time during operation of the power electronic device.
  • the present invention is based, among other things, on the finding that the aging of conventional filter elements can typically be described according to the Arrhenius equation, i.e. is dependent in particular on the absolute temperature, but the aging of typical semiconductor elements can be described using the Lesit model, i.e. is dependent on or influenced by the absolute temperature and also by the temperature change. This was combined here with the observation that a higher robustness of filter elements against thermal aging influences can now typically be achieved more cost-effectively than a similarly robust design of semiconductor elements.
  • the thermal coupling proposed here may possibly lead to a limited increase in the absolute temperatures of the filter element and the semiconductor element during operation compared to a conventional power electronic device without such additional thermal coupling.
  • the dedicated, i.e. explicitly and deliberately structurally implemented additional thermal coupling of the filter element and semiconductor element provided here can significantly reduce the temperature fluctuations of the semiconductor element during operation. This can be seen in particular in comparison to conventional designs of power electronic devices in which a filter element and a semiconductor element are arranged linearly, i.e. in a row and without direct or dedicated thermal coupling, for example on a circuit board or etc.
  • the reduction in temperature fluctuations of the semiconductor element achieved according to the invention due to the additional thermal coupling with or to the filter element can more than compensate for the tendency for increased or accelerated aging due to the absolute temperature of the semiconductor element possibly increasing during operation.
  • This means that the reduction in temperature fluctuations can lead to an extension of the service life of the semiconductor element that is greater than the possible reduction in the service life of the semiconductor element due to the increased absolute temperature.
  • the present invention can therefore ultimately lead to or contribute to an extended service life of the semiconductor element or the power electronic device according to the invention as a whole compared to conventionally designed power electronic devices. This can be achieved in a particularly efficient, cost-effective and space-saving manner, since, for example, no more powerful cooling or typically very expensive, more robust design or configuration of the semiconductor element needs to be used.
  • the additional thermal coupling of filter element and semiconductor element provided according to the invention can be implemented in different ways.
  • the thermal coupling can, for example, use or include a heat-conducting component and/or a convective component and/or a heat radiation component or one or more corresponding heat transport paths. This can, for example, be achieved by arranging the filter element and semiconductor element accordingly relative to one another and/or by arranging a heat-conducting component or material between the filter element and semiconductor element and/or by ensuring a heat radiation-permeable free space between the filter element and the semiconductor element and/or the like.
  • an intermediate element i.e. material or component, in particular an electrically insulating one, is arranged between the semiconductor element and the filter element on the one hand and the cooling element on the other.
  • This intermediate element has a greater thermal conductivity in a first direction than in a second direction.
  • the first direction leads or points directly from the semiconductor element and the filter element to the cooling element.
  • the second direction is perpendicular to the first direction.
  • the intermediate element can be or comprise, for example, a circuit board or a gap filler and/or an adhesive layer and/or the like.
  • the intermediate element can in particular be flat and/or extend over a surface.
  • the first direction can, for example, be perpendicular to the main extension surface or main extension plane of the intermediate element.
  • the second direction can run within or along the main extension surface or main extension plane of the intermediate element.
  • a thermal conduction path can therefore run from the filter element in the first direction into the intermediate element, in the second direction through the intermediate element and from there in the first direction into the semiconductor element.
  • this thermal conduction path does not allow for any significant heat transport or effective temperature equalization between the filter element and the semiconductor element. This means that, on the one hand, the filter element and the semiconductor element can be effectively cooled along a respective thermal conduction path running in the first direction via the cooling element or into the cooling element.
  • the heat transport between the filter element and the semiconductor element can be set particularly precisely via the additional thermal coupling by its appropriate design and can be particularly consistent during operation of the power electronic device.
  • the additional thermal coupling is therefore provided by a thermal transport path or comprises a thermal transport path that in particular does not lead through the intermediate element or at least only over a shorter distance than the thermal conduction path described.
  • the power electronic device has a printed circuit board (PCB).
  • the semiconductor element and the filter element are arranged on the same side, i.e. on the top side of this circuit board.
  • the cooling element is arranged on the opposite side, i.e. on the bottom side of the circuit board.
  • the circuit board can in particular be the intermediate element mentioned elsewhere or comprise it or be part of it.
  • the embodiment of the present invention proposed here enables particularly simple manufacture of the device, particularly effective and efficient cooling of the circuit board, the filter element and the semiconductor element and at the same time particularly simple and precise implementation of the additional thermal coupling of the filter element and the semiconductor element.
  • the additional thermal coupling allows heat to be exchanged between the filter element and the semiconductor element, in particular from the filter element to pass into the semiconductor element, without a corresponding heat flow being inadvertently diverted between the semiconductor element and the filter element into the cooling element.
  • the filter element is arranged on a side of the semiconductor element facing away from the cooling element.
  • the filter element is arranged in such a way that it at least partially, in particular completely, covers the semiconductor element.
  • the semiconductor element can be arranged between the cooling element and the filter element, for example perpendicular to the main extension surface or main extension plane of the cooling element, i.e. in particular in the first direction mentioned elsewhere.
  • the filter element can at least partially overlap the semiconductor element.
  • the filter element can be arranged directly or indirectly on the semiconductor element, i.e. connected to it in a heat-conducting manner, or spaced apart from the semiconductor element by a distance or air gap or the like.
  • the additional thermal coupling can thus be provided, for example, by heat conduction or by heat radiation or even convection.
  • the additional thermal coupling of the filter element and the semiconductor element is set or specified or adjustable or specifiable by the distance between them.
  • the design of the device according to the invention proposed here thus enables a particularly flexible and particularly easy implementation adapted to different thermal requirements in accordance with different variants of the device.
  • different thermal couplings between the filter element and the semiconductor element can be achieved or adjusted without changing the remaining structure of the power electronic device.
  • a thermal coupling element is arranged between the filter element and the semiconductor element to realize the additional thermal coupling between them.
  • This thermal coupling element connects the filter element and the semiconductor element in a thermally conductive manner.
  • the thermal coupling element can be or comprise, for example, a compensating material, such as a thermal paste or a thermally conductive adhesive or the like, or a thermally conductive pad or a thermal mat, for example made of a carbon material or the like.
  • a compensating material such as a thermal paste or a thermally conductive adhesive or the like, or a thermally conductive pad or a thermal mat, for example made of a carbon material or the like.
  • other components or materials with particularly good or appropriate thermal conductivity can also be used as the thermal coupling element.
  • the thermal coupling element can itself be adhesive.
  • the filter element and the semiconductor element can also be attached to the coupling element or held in thermally conductive contact with it by means of a fastening element, for example an additional thermally conductive adhesive or a screw connection or the like.
  • a fastening element for example an additional thermally conductive adhesive or a screw connection or the like.
  • the development of the present invention proposed here can enable a particularly effective and consistent thermal coupling of the semiconductor element and the filter element. This can be the case, for example, because the heat conduction through the thermal coupling element is not significantly influenced by a surrounding air flow and is also not changed over time by dust deposits or dirt entering an air gap or empty space between the filter element and the semiconductor element that might otherwise be present.
  • the development of the present invention proposed here can enable a particularly robust and at the same time particularly compact design of the power electronic device according to the invention. For example, the distance between the semiconductor element and the filter element filled by the thermal coupling element can remain particularly robust and reliably constant over time, especially if the thermal coupling element is designed as a dimensional
  • the filter element is attached to a component carrier by electrical contacts and is connected to it in a heat-conducting manner.
  • the semiconductor element is also attached to this component carrier attached, i.e. held.
  • the component carrier can be or comprise, for example, the intermediate element or the circuit board mentioned elsewhere, but also, for example, the cooling element or the like.
  • the electrical contacts of the filter element are arranged on the component carrier next to the semiconductor element, i.e., for example, on different sides of the semiconductor element, but on the same side or surface of the component carrier.
  • a ratio of the thermal conductivity or the heat conduction during operation of the device through the electrical contacts on the one hand and/or to the heat transport capacity of the additional thermal coupling of the filter element with the semiconductor element on the other hand is designed, i.e. set or arranged by appropriate design, such that when the device is operated as intended, only so much heat is coupled into the semiconductor element via the additional thermal coupling from the filter element that its temperature remains in a predetermined range due to this coupling and remaining heat from the filter element is dissipated into the cooling element via its electrical contacts at least indirectly, in particular at least substantially bypassing the semiconductor element.
  • the semiconductor element to be temperature-controlled particularly reliably and evenly during operation in accordance with requirements, and, on the other hand, overheating of the filter element can be avoided.
  • the arrangement of the electrical contacts of the filter element can, if necessary, allow heat to be introduced into the semiconductor element from the corresponding sides, or cooling or excessive heat radiation from the semiconductor element in these directions can be avoided or reduced, for example in comparison to the side of the semiconductor element on which the filter element is arranged.
  • the temperature of the semiconductor element or a spatial temperature distribution within it can be or remain particularly uniform. Since the electrical contacts of the filter element can also easily be at least sufficiently thermally conductive, sufficient heat dissipation of the filter element can be made possible via the electrical contacts.
  • the filter element does not have to be cooled by an additional connection to the cooling element or another cooling element or the like.
  • the power electronic device has several, i.e. at least two, semiconductor elements. These several semiconductor elements can in particular be arranged on the same side or on the same surface of the cooling element or the intermediate element or component carrier mentioned elsewhere.
  • the filter element is thermally coupled to these several semiconductor elements by the or a respective additional thermal coupling.
  • the filter element can therefore be thermally coupled to the several semiconductor elements or to different ones of the several semiconductor elements in the same way and/or symmetrically or over the same surface.
  • the embodiment of the present invention proposed here means that the described advantages of the additional thermal coupling can also be realized in correspondingly more complex power electronic devices. In this case, even further homogenization of the temperature of the several semiconductor elements can be achieved, since they are indirectly thermally coupled to one another via their thermal couplings to the filter element and the filter element itself and can therefore exchange heat or adjust their temperatures to one another.
  • the filter element for or with respect to two of the semiconductor elements is connected in a heat-conducting manner on sides facing away from the other semiconductor element and between the two semiconductor elements to a component carrier to which the semiconductor elements are also attached.
  • the component carrier can be or comprise the component carrier mentioned elsewhere or the intermediate element mentioned elsewhere or the circuit board or the cooling element or the like mentioned elsewhere.
  • a one-sided or asymmetrical cooling of the warmer semiconductor element can possibly be at least reduced due to the colder semiconductor element acting as a potential heat sink. This also means, analogously, at least a reduced one-sided heating of the colder semiconductor element on its side facing the warmer semiconductor element.
  • the present invention also relates to a method for operating the or a power electronic device according to the invention.
  • a current through the filter element is regulated as a function of the temperature of the semiconductor element during operation of the device. This is done in such a way that temperature fluctuations of the semiconductor element during operation are minimized by a larger, i.e. stronger, heat input from or from the filter element into or to the semiconductor element when the current flowing through the filter element is larger and, therefore, stronger, and a smaller, i.e., smaller, heat input from or from the filter element into or to the semiconductor element when the current flowing through the filter element is smaller.
  • the semiconductor element can be kept at as uniform or constant a temperature as possible during operation by appropriately controlling or influencing or adjusting the thermal power loss in the filter element.
  • the current flowing or conducted through the filter element can be increased in order to avoid, slow down or limit cooling of the semiconductor element.
  • the current flowing or conducted through the filter element can be reduced when the load or utilization of the semiconductor element is high. This can be done at least to such an extent or degree that the function or task of the filter element for filtering is not impaired or remains within a specified operating or status window.
  • the method according to the invention makes it possible to achieve a particularly uniform temperature of the semiconductor element in a particularly flexible manner in different situations and thus to extend its service life or the service life of the power electronic device as a whole considerably compared to conventional solutions.
  • the present invention also relates to a motor vehicle which has the or at least one power electronic device according to the invention and/or is set up to carry out or apply the method according to the invention, in particular automatically.
  • the power electronic device can be part of an electric drive train of the motor vehicle, for example.
  • the power electronic device can be built into a converter for supplying an electric machine, in particular a drive machine, of the motor vehicle, or can correspond to such a converter.
  • other uses and/or arrangements of the power electronic device as part of the motor vehicle are also possible.
  • the use of the power electronic device according to the invention in the motor vehicle according to the invention can represent a particularly useful application.
  • the extended service life can make it possible to achieve or enable a reduced reliability of the motor vehicle and thus improved safety and user-friendliness or even improved efficiency of the motor vehicle, for example due to a saving on more complex cooling or the like, in a particularly simple and cost-effective manner.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a motor vehicle with a thermally life-optimized line electronic device
  • Fig. 2 is a partial schematic perspective view of a corresponding line electronic device.
  • identical and functionally identical or corresponding elements are provided with the same reference symbols.
  • Power electronic components generate power losses through their switching behavior, which must be dissipated due to maximum thermal boundary conditions.
  • power semiconductor switches for example, are often combined with at least one filter, for example a choke or a capacitor or the like, in order to reduce the influence of high-frequency switching behavior of the semiconductor or semiconductor switch.
  • the filter and the semiconductor should be arranged or connected as close to one another as possible in order to ensure the best possible filter properties, for example to keep parasitic effects as low as possible.
  • such an arrangement or connection can increase losses in the semiconductor and the filter due to mutual heating, which is usually to be avoided.
  • a thermal connection of the semiconductor and/or the filter over as large an area as possible which may be useful for effective cooling, can reduce losses and/or contribute to an extended service life, but disadvantageously requires a lot of installation space and can be associated with increased costs and/or increased weight. In principle, however, an extended service life is of course desirable.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a motor vehicle 1 that is equipped with a power electronic device 2.
  • the power electronic device 2 can, for example, be part of an electrical supply of an electrical machine 3 of the motor vehicle 1 or the like.
  • the power electronic device 2 comprises, by way of example and schematically indicated, several semiconductor elements 4 which are arranged on a common circuit board 5.
  • a cooling element 6 is arranged on a side of the circuit board 5 facing away from them. This can be, for example, an air-cooled cooling plate or a cooling medium flowing through it or the like.
  • the power electronic device 2 comprises a filter element 7.
  • This filter element 7 is connected via electrical contacts 8, for example corresponding Connection lines, on the outside of the semiconductor elements 4, i.e. next to them, are connected to the circuit board 5.
  • a respective thermal resistance results at a respective electrical contact point 9, which is also indicated schematically here, whereby a heat conduction, for example from the filter element 7 via the electrical contacts 8 into the circuit board 5 or through this to the cooling element 6 is or can be characterized or determined or adjusted.
  • the filter element 7 and the semiconductor elements 4 are evidently thermally coupled to one another by a heat transport path running through the electrical contacts 8 and the circuit board 5. Due to the anisotropic thermal conductivity properties of the circuit board 5, however, heat is primarily transported in the direction of the cooling element 6 and not parallel to it.
  • the semiconductor elements 4 and the filter element 7 are additionally thermally coupled here.
  • Such additional thermal coupling can be implemented in various ways and is designed here as a multi-part example.
  • an additional connection of the filter element 7 between the semiconductor elements 4 can be provided as an additional weak thermal coupling 10.
  • a thermally conductive thermal interface 11 can be arranged at a distance between the filter element 7 and the semiconductor elements 4. This can form the additional thermal coupling between the semiconductor elements 4 and the filter element 7 or at least be part of this additional thermal coupling.
  • the arrangement of the filter element 7 shown here in a position that at least partially overlaps or covers the semiconductor elements 4 can realize or support the additional thermal coupling via direct heat radiation from the filter element 7 to an upper side of the semiconductor elements 4 facing it.
  • the additional thermal coupling of the filter element 7 with the Semiconductor elements 4 can achieve relatively constant and uniform temperature distributions in the semiconductor elements 4 or correspondingly reduced or small temperature swings in the semiconductor elements 4 during operation of the power electronic device 2 or the motor vehicle 1. This can have a positive effect on their service life.
  • Fig. 2 shows an exemplary schematic and partial perspective view of the power electronic device 2.
  • a part of the circuit board 5, which is also equipped with other components, can be seen.
  • the filter element 7, which is implemented here as a coil arrangement, is arranged above the circuit board 5 and the semiconductor elements 4 arranged thereon or is held via the electrical contacts 8.

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Abstract

The invention relates to a power electronic device (2) and to a method for the operation thereof. The invention also relates to a correspondingly configured motor vehicle (1). The power electronic device (2) comprises a semiconductor element (4), a filter element (7) and a cooling element (6). The semiconductor element (4) and the filter element (7) are each attached thermally conductively to the cooling element (6). In addition, the semiconductor element (4) and the filter element (7) are thermally coupled to one another (10, 11) in order to balance their temperatures that arise during operation.

Description

Thermisch lebensdaueroptimierte leistungselektronische Einrichtung, Betriebsverfahren und Kraftfahrzeug Thermally lifetime-optimized power electronic device, operating method and motor vehicle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine leistungselektronische Einrichtung sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechend eingerichtetes Kraftfahrzeug. The present invention relates to a power electronic device and a method for operating the same. The invention further relates to a motor vehicle equipped accordingly.
Leistungselektronische Einrichtungen oder Komponenten werden heutzutage in vielerlei verschiedenen Bereichen und Anwendungen eingesetzt. Dabei bestehen oftmals unterschiedliche Anforderungen und entsprechende Zielkonflikte. So kann beispielsweise eine besonders kompakte und kostengünstige Ausgestaltung konkurrieren oder im Widerspruch stehen mit einer besonders robusten Auslegung und einer besonders effektiven Kühlung oder dergleichen. Ebenso können für eine maximale Lebensdauer einzelner Bauteile oder Komponenten beispielsweise unterschiedliche thermische Parameter oder Temperaturverläufe optimal sein, was zu entsprechenden Zielkonflikten in einem Kühl- oder Temperierungsschema führen kann. Power electronic devices or components are used in many different areas and applications today. There are often different requirements and corresponding conflicting objectives. For example, a particularly compact and cost-effective design can compete or conflict with a particularly robust design and particularly effective cooling or the like. Likewise, different thermal parameters or temperature profiles can be optimal for a maximum service life of individual parts or components, which can lead to corresponding conflicting objectives in a cooling or temperature control scheme.
Im Allgemeinen kann die Temperatur eine wichtige Größe im Betrieb und für die Lebensdauer elektronischer Komponenten darstellen. Ein Verfahren zum Abschätzen einer Temperatur eines Transistors ist beispielsweise in der DE 10 2016201 004 A1 beschrieben. Darin werden eine Spannungsänderung beim Ausschalten in Bezug auf die Veränderung der Zeit zwischen einem Kollektor und einem Transistor in einer Phase eines Wechselrichters sowie die Spitzentemperatur des Transistors gemessen. Weiter werden dort Zwischenparameter des Ausschaltstroms, des Einschaltstroms und des Durchlassspannungsabfalls auf der Grundlage der Ausschaltspannungsänderung und der Spitzenspannung bestimmt. Weiter wird der Leistungs- oder Energieverlust für einen Schaltzyklus basierend auf dem Ausschaltstrom, dem Einschaltstrom und dem Durchlassspannungsabfall bestimmt. Es wird dann eine zugehörige durchschnittliche Sperrschicht- oder Chiptemperatur des Transistors über den Schaltzyklus abgeschätzt basierend auf dem bestimmten Energieverlust, der beobachteten Wechselrichtersystemtemperatur und der Temperaturcharakteristik eines Wechselrichtersystems. In general, temperature can be an important parameter in the operation and service life of electronic components. A method for estimating a temperature of a transistor is described, for example, in DE 10 2016201 004 A1. In this method, a voltage change during switching off in relation to the change in time between a collector and a transistor in a phase of an inverter as well as the peak temperature of the transistor are measured. Furthermore, intermediate parameters of the switching off current, the switching on current and the Forward voltage drop is determined based on the turn-off voltage change and the peak voltage. Further, the power or energy loss for a switching cycle is determined based on the turn-off current, the turn-on current and the forward voltage drop. A corresponding average junction or chip temperature of the transistor over the switching cycle is then estimated based on the determined energy loss, the observed inverter system temperature and the temperature characteristic of an inverter system.
Insbesondere ein Anstieg der Temperatur kann gegebenenfalls problematisch sein. Dazu beschreibt die EP 3 561 981 A1 ein Verfahren zur Reduktion eines Temperaturanstiegs bei einem steuerbaren Schaltelement einer elektronischen Sicherung bei Anschalten einer Last. Dabei wird durch ein Ansteuersignal ein maximal möglicher Stromanstieg eines in die Last fließenden Ausgangsstroms am Schaltelement begrenzt. Weiter wird ein zeitlicher Verlauf von zumindest einer an der Last anliegenden Ausgangsspannung und/oder des in die Last fließenden Ausgangsstroms und/oder einer T emperatur des Schaltelements ermittelt. Basierend darauf werden dann letztlich Vorgabewerte für die Einschaltdauer des Schaltelements und/oder Ausschaltstroms sowie ein Vorgabewert für die Ausschaltdauer des Schaltelements ermittelt. Damit soll auf einfache und kostensparende Weise eine thermische Belastung einer elektronischen Sicherung reduziert und eine Lebensdauer der elektronischen Sicherung erfüllt werden. In particular, an increase in temperature can be problematic. EP 3 561 981 A1 describes a method for reducing a temperature increase in a controllable switching element of an electronic fuse when a load is switched on. A control signal is used to limit the maximum possible current increase of an output current flowing into the load at the switching element. A time profile of at least one output voltage applied to the load and/or the output current flowing into the load and/or a temperature of the switching element is also determined. Based on this, default values for the on-time of the switching element and/or the off-time current as well as a default value for the off-time of the switching element are then determined. This is intended to reduce thermal stress on an electronic fuse in a simple and cost-effective manner and to ensure that the service life of the electronic fuse is met.
Als ein möglicher Anwendungsfall leistungselektronischer Einrichtungen ist in der EP 3644 497 B1 ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine beschrieben. As a possible application of power electronic devices, EP 3644 497 B1 describes a method for operating a power plant with a doubly fed asynchronous machine.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf besonders einfache und effiziente Weise eine verlängerte Lebensdauer einer leistungselektronischen Einrichtung zu ermöglichen. The object of the present invention is to enable an extended service life of a power electronic device in a particularly simple and efficient manner.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen. This object is achieved by the subject matter of the independent patent claims. Further possible embodiments of the invention are disclosed in the subclaims, the description and the figures. Features, advantages and possible embodiments that are set out in the description for one of the subject matter of the independent claims are at least analogous to features, advantages and possible embodiments of the respective subject matter of the other independent claims. claims and any possible combination of the subject-matter of the independent claims, optionally in conjunction with one or more of the subclaims.
Die erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung kann im Folgenden auch kurz als Einrichtung bezeichnet werden. Eine solche Einrichtung kann beispielsweise ein Gerät oder eine Baugruppe oder eine Anordnung mehrerer miteinander direkt oder indirekt verbundener Bauteile oder Komponenten oder dergleichen sein oder umfassen. The power electronic device according to the invention can also be referred to below as a device for short. Such a device can be or include, for example, a device or an assembly or an arrangement of several parts or components or the like that are directly or indirectly connected to one another.
Die erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung weist wenigstens ein Halbleiterelement oder Halbleiterbauteil auf. Damit kann hier ein eigentliches Halbleitermaterial oder auch beispielsweise ein Gehäusematerial, worin das Halbleitermaterial eingehaust oder eingegossen sein kann, oder dergleichen, also gegebenenfalls ein vollständiges Halbleiter-Package oder beispielsweise ein halbleiterbasiertes SMD (Surface-Mounted Device) oder dergleichen gemeint sein. The power electronic device according to the invention has at least one semiconductor element or semiconductor component. This can mean an actual semiconductor material or also, for example, a housing material in which the semiconductor material can be housed or cast, or the like, i.e. possibly a complete semiconductor package or, for example, a semiconductor-based SMD (Surface-Mounted Device) or the like.
Weiter weist die erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung wenigstens ein Filterelement auf. Ein solches Filterelement kann zur elektrischen oder elektronischen Filterung dienen. Dazu kann das Filterelement beispielsweise eine Induktivität bzw. Spule oder ein Kondensator sein oder eine solche bzw. einen solchen umfassen. Furthermore, the power electronic device according to the invention has at least one filter element. Such a filter element can be used for electrical or electronic filtering. For this purpose, the filter element can be, for example, an inductor or coil or a capacitor or can comprise one of these.
Weiter weist die erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung ein Kühlelement auf, an welches das Halbleiterelement und das Filterelement -je nach Ausgestaltung insbesondere elektrisch isoliert - jeweils wärmeleitend angebunden, also gekoppelt sind. Furthermore, the power electronic device according to the invention has a cooling element to which the semiconductor element and the filter element - depending on the design, in particular electrically insulated - are each connected in a heat-conducting manner, i.e. coupled.
Erfindungsgemäß sind dabei das Halbleiterelement und das Filterelement zusätzlich zur Angleichung ihrer im Betrieb gegebenen oder entstehenden Temperaturen, also zur Temperaturangleichung oder zum Temperaturausgleich zwischen dem Halbleiterelement und dem Filterelement, thermisch miteinander gekoppelt. Das Halbleiterelement und das Filterelement sind hier also zum Beispiel nicht nur durch einen unvermeidlichen, aber typischerweise nicht praxisrelevanten Wärmetransportpfad durch das Kühlelement oder eine zwischen dem Halbleiterelement und dem Filterelement einerseits und dem Kühlelement andererseits angeordnete elektrische Isolierung oder dergleichen thermisch gekoppelt. Mit anderen Worten ist also - abgesehen von dieser unvermeidlichen, aber deutlich schwächeren thermischen Kopplung von Halbleiterelement und Filterelement über das Kühlelement und/oder eine Zwischenschicht oder einen Bauteilträger oder dergleichen - ein weiterer dedizierter Wärmetransportpfad vorgesehen oder eingerichtet. Entlang dieses zusätzlichen dedizierten Wärmetransportpfades kann also Wärme zwischen dem Halbleiterelement und dem Filterelement, insbesondere unter Umgehung des Kühlelements oder auch des Zwischenelements oder Bauteilträger oder dergleichen, ausgetauscht werden, insbesondere von dem Filterelement zu dem oder in das Halbleiterelement gelangen. According to the invention, the semiconductor element and the filter element are thermally coupled to one another in addition to the equalization of their temperatures given or arising during operation, i.e. for temperature equalization or temperature compensation between the semiconductor element and the filter element. The semiconductor element and the filter element are therefore not only thermally coupled here, for example, by an unavoidable but typically not practically relevant heat transport path through the cooling element or an electrical insulation or the like arranged between the semiconductor element and the filter element on the one hand and the cooling element on the other. In other words, apart from this unavoidable but significantly weaker thermal coupling of the semiconductor element and the filter element via the cooling element and/or an intermediate layer or a component carrier or the like - a further dedicated heat transport path is provided or set up. Along this additional dedicated heat transport path, heat can therefore be exchanged between the semiconductor element and the filter element, in particular bypassing the cooling element or also the intermediate element or component carrier or the like, in particular from the filter element to or into the semiconductor element.
Typische heutige Halbleiterelemente können deutlich geringere Wärmekapazitäten und/oder thermische Trägheiten aufweisen als übliche heutige Filterelemente. Daher kann durch die zusätzliche bzw. explizite oder dedizierte thermische Kopplung des Filterelements mit dem Halbleiterelement die Temperatur des Halbleiterelements über die Zeit im Betrieb der leistungselektronischen Einrichtung vergleichmäßigt werden. Typical semiconductor elements today can have significantly lower heat capacities and/or thermal inertias than conventional filter elements today. Therefore, the additional or explicit or dedicated thermal coupling of the filter element with the semiconductor element can equalize the temperature of the semiconductor element over time during operation of the power electronic device.
Die vorliegende Erfindung basiert unter anderem auf der Erkenntnis, dass die Alterung üblicher Filterelemente typischerweise gemäß der Arrhenius-Gleichung beschrieben werden kann, also insbesondere von der absoluten Temperatur abhängig ist, aber die Alterung typischer Halbleiterelemente mit dem Lesit-Modell beschrieben werden kann, also von der absoluten Temperatur und auch von der Temperaturänderung abhängig ist bzw. beeinflusst wird. Dies wurde vorliegend kombiniert mit der Beobachtung, dass eine höhere Robustheit von Filterelementen gegenüber thermischen Alterungseinflüssen heutzutage typischerweise kostengünstiger erreicht werden kann als eine ähnlich robuste Auslegung von Halbleiterelementen. The present invention is based, among other things, on the finding that the aging of conventional filter elements can typically be described according to the Arrhenius equation, i.e. is dependent in particular on the absolute temperature, but the aging of typical semiconductor elements can be described using the Lesit model, i.e. is dependent on or influenced by the absolute temperature and also by the temperature change. This was combined here with the observation that a higher robustness of filter elements against thermal aging influences can now typically be achieved more cost-effectively than a similarly robust design of semiconductor elements.
Durch die vorliegend vorgeschlagene thermische Kopplung kann es gegebenenfalls zu einer begrenzten Erhöhung der absoluten Temperaturen des Filterelements und des Halbleiterelements im Betrieb im Vergleich zu einer herkömmlichen leistungselektronischen Einrichtung ohne derartige zusätzliche thermische Kopplung kommen. Gleichzeitig können aber durch die hier vorgesehene dedizierte, also explizit und bewusst baulich realisierte zusätzliche thermische Kopplung von Filterelement und Halbleiterelement die Temperaturschwankungen des Halbleiterelements im Betrieb erheblich reduziert werden. Dies kann insbesondere gesehen werden Vergleich zu herkömmlichen Ausgestaltungen leistungselektronischer Einrichtungen, bei denen ein Filterelement und ein Halbleiterelement linear, also in einer Reihe und ohne direkte oder dedizierte thermische Kopplung angeordnet sind, etwa auf einer Leiterplatte oder dergleichen. Dort ist zwar unvermeidlicherweise ebenfalls eine minimale thermische Kopplung gegeben, da sowohl Filterelement als auch Halbleiterelement Teil derselben leistungselektronischen Einrichtung sind. Diese minimale thermische Kopplung ist dabei jedoch nur zufällig durch unvermeidliche Effekte wie etwa Konvektion über die Luft oder minimale Wärmeleitung über die Leiterplatte gegeben und nicht dediziert eingerichtet und für eine Temperaturangleichung zwischen Filterelement und Halbleiterelement ausgelegt stellt und zudem nur einen sehr viel schwächeren oder kleineren Wärmetransportpfad bereit im Vergleich zu einer jeweiligen thermischen Kopplung von Filterelement und Halbleiterelement an das bzw. ein Kühlelement. The thermal coupling proposed here may possibly lead to a limited increase in the absolute temperatures of the filter element and the semiconductor element during operation compared to a conventional power electronic device without such additional thermal coupling. At the same time, however, the dedicated, i.e. explicitly and deliberately structurally implemented additional thermal coupling of the filter element and semiconductor element provided here can significantly reduce the temperature fluctuations of the semiconductor element during operation. This can be seen in particular in comparison to conventional designs of power electronic devices in which a filter element and a semiconductor element are arranged linearly, i.e. in a row and without direct or dedicated thermal coupling, for example on a circuit board or etc. There is also inevitably a minimal thermal coupling, since both the filter element and the semiconductor element are part of the same power electronic device. However, this minimal thermal coupling is only given by chance due to unavoidable effects such as convection via the air or minimal heat conduction via the circuit board and is not dedicated and designed for temperature equalization between the filter element and the semiconductor element and also only provides a much weaker or smaller heat transport path compared to a respective thermal coupling of the filter element and semiconductor element to the or a cooling element.
Durch die erfindungsgemäß erreichte Reduzierung der Temperaturschwankungen des Halbleiterelements aufgrund der zusätzlichen thermischen Kopplung mit dem bzw. an das Filterelement kann die tendenziell verstärkte oder beschleunigte Alterung aufgrund der gegebenenfalls im Betrieb erhöhten absoluten Temperatur des Halbleiterelements mehr als ausgeglichen werden. Dies bedeutet also, dass die Reduzierung der Temperaturschwankungen zu einer Verlängerung der Lebensdauer des Halbleiterelements führen kann, die größer ist als die mögliche Verringerung der Lebensdauer des Halbleiterelements aufgrund der erhöhten absoluten Temperatur. Damit kann die vorliegende Erfindung letztlich zu einer im Vergleich zu herkömmlichen ausgestalteten leistungselektronischen Einrichtungen verlängerten Lebensdauer des Halbleiterelements bzw. der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Einrichtung insgesamt führen oder beitragen. Dies kann dabei besonders effizient, kostengünstig und bauraumsparend erreicht werden, da beispielsweise keine leistungsfähigere Kühlung oder typischerweise sehr kostenaufwändige robustere Auslegung oder Ausgestaltung des Halbleiterelements angewendet werden muss. The reduction in temperature fluctuations of the semiconductor element achieved according to the invention due to the additional thermal coupling with or to the filter element can more than compensate for the tendency for increased or accelerated aging due to the absolute temperature of the semiconductor element possibly increasing during operation. This means that the reduction in temperature fluctuations can lead to an extension of the service life of the semiconductor element that is greater than the possible reduction in the service life of the semiconductor element due to the increased absolute temperature. The present invention can therefore ultimately lead to or contribute to an extended service life of the semiconductor element or the power electronic device according to the invention as a whole compared to conventionally designed power electronic devices. This can be achieved in a particularly efficient, cost-effective and space-saving manner, since, for example, no more powerful cooling or typically very expensive, more robust design or configuration of the semiconductor element needs to be used.
Die erfindungsgemäß vorgesehene zusätzliche thermische Kopplung von Filterelement und Halbleiterelement kann auf unterschiedliche Weisen realisiert werden. Dabei kann die thermische Kopplung beispielsweise eine wärmeleitende Komponente und/oder eine konvektive Komponente und/oder eine Wärmestrahlungskomponente bzw. einen oder mehrere entsprechende Wärmetransportpfade nutzen oder umfassen. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Anordnung von Filterelement und Halbleiterelement relativ zueinander und/oder durch Anordnung eines wärmeleitenden Bauteils oder Materials zwischen Filterelement und Halbleiterelement und/oder durch Sicherstellen eines wärmestrahlungsdurchlässigen Freiraums zwischen Filterelement und Halbleiterelement und/oder dergleichen mehr realisiert werden. The additional thermal coupling of filter element and semiconductor element provided according to the invention can be implemented in different ways. The thermal coupling can, for example, use or include a heat-conducting component and/or a convective component and/or a heat radiation component or one or more corresponding heat transport paths. This can, for example, be achieved by arranging the filter element and semiconductor element accordingly relative to one another and/or by arranging a heat-conducting component or material between the filter element and semiconductor element and/or by ensuring a heat radiation-permeable free space between the filter element and the semiconductor element and/or the like.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Halbleiterelement und dem Filterelement einerseits und dem Kühlelement andererseits ein, insbesondere elektrisch isolierendes, Zwischenelement, also Material oder Bauteil, angeordnet. Dieses Zwischenelement weist in einer ersten Richtung eine größere Wärmeleitfähigkeit auf als in einer zweiten Richtung. Die erste Richtung führt oder weist dabei direkt von dem Halbleiterelement und dem Filterelement zu dem Kühlelement. Die zweite Richtung steht senkrecht zu der ersten Richtung. Das Zwischenelement kann beispielsweise eine Leiterplatte oder eine Ausgleichsschicht (englisch: gap filler) und/oder eine Haftschicht und/oder dergleichen mehr sein oder umfassen. Das Zwischenelement kann insbesondere flach und/oder flächig erstreckt sein. Die erste Richtung kann beispielsweise senkrecht zur Haupterstreckungsfläche oder Haupterstreckungsebene des Zwischenelements stehen. Die zweite Richtung kann hingegen innerhalb oder entlang der Haupterstreckungsfläche oder Haupterstreckungsebene des zwischen Elements verlaufen. Es kann also ein Wärmeleitpfad von dem Filterelement in der ersten Richtung in das Zwischenelement hinein, in der zweiten Richtung durch das Zwischenelement hindurch und von diesem in der ersten Richtung in das Halbleiterelement hinein verlaufen. Dieser Wärmeleitpfad ermöglicht aufgrund der anisotropen Wärmeleitfähigkeit des Zwischenelements hier allerdings keinen signifikanten Wärmetransport bzw. keine effektive Temperaturangleichung zwischen Filterelement und Halbleiterelement. Damit können zum einen das Filterelement und das Halbleiterelement effektiv entlang eines in der ersten Richtung verlaufenden jeweiligen Wärmeleitpfades über das Kühlelement bzw. in das Kühlelement entwärmt werden. Zum anderen kann dadurch der Wärmetransport zwischen dem Filterelement und dem Halbleiterelement über die zusätzliche thermische Kopplung durch deren entsprechende Auslegung besonders präzise eingestellt werden und im Betrieb der leistungselektronischen Einrichtung besonders konsistent sein. Die zusätzliche thermische Kopplung ist also gegeben durch einen Wärmetransportpfad oder umfasst einen Wärmetransportpfad, der insbesondere nicht oder zumindest nur über eine kürzere Wegstrecke als der beschriebene Wärmeleitpfad durch das Zwischenelement führt. In one possible embodiment of the present invention, an intermediate element, i.e. material or component, in particular an electrically insulating one, is arranged between the semiconductor element and the filter element on the one hand and the cooling element on the other. This intermediate element has a greater thermal conductivity in a first direction than in a second direction. The first direction leads or points directly from the semiconductor element and the filter element to the cooling element. The second direction is perpendicular to the first direction. The intermediate element can be or comprise, for example, a circuit board or a gap filler and/or an adhesive layer and/or the like. The intermediate element can in particular be flat and/or extend over a surface. The first direction can, for example, be perpendicular to the main extension surface or main extension plane of the intermediate element. The second direction, on the other hand, can run within or along the main extension surface or main extension plane of the intermediate element. A thermal conduction path can therefore run from the filter element in the first direction into the intermediate element, in the second direction through the intermediate element and from there in the first direction into the semiconductor element. However, due to the anisotropic thermal conductivity of the intermediate element, this thermal conduction path does not allow for any significant heat transport or effective temperature equalization between the filter element and the semiconductor element. This means that, on the one hand, the filter element and the semiconductor element can be effectively cooled along a respective thermal conduction path running in the first direction via the cooling element or into the cooling element. On the other hand, the heat transport between the filter element and the semiconductor element can be set particularly precisely via the additional thermal coupling by its appropriate design and can be particularly consistent during operation of the power electronic device. The additional thermal coupling is therefore provided by a thermal transport path or comprises a thermal transport path that in particular does not lead through the intermediate element or at least only over a shorter distance than the thermal conduction path described.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die leistungselektronische Einrichtung eine Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) auf. Das Halbleiterelement und das Filterelement sind hier auf derselben Seite, also etwa auf einer Oberseite dieser Leiterplatte angeordnet. Das Kühlelement ist hingegen auf der gegenüberliegenden Seite, also etwa auf einer Unterseite der Leiterplatte angeordnet. Die Leiterplatte kann insbesondere das an anderer Stelle genannte Zwischenelement sein oder dieses umfassen oder Teil von diesem sein. Die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine besonders einfache Fertigung der Einrichtung, eine besonders effektive und effiziente Kühlung der Leiterplatte, des Filterelements und des Halbleiterelements und gleichzeitig eine besonders einfache und präzise Realisierung der zusätzlichen thermischen Kopplung von Filterelement und Halbleiterelement. Insbesondere kann so sichergestellt werden, dass durch die zusätzliche thermische Kopplung Wärme zwischen dem Filterelement und dem Halbleiterelement ausgetauscht, insbesondere von dem Filterelement in das Halbleiterelement gelangen kann, ohne dass ein entsprechender Wärmestrom in unbeabsichtigter Weise zwischen dem Halbleiterelement und dem Filterelement in das Kühlelement abgeleitet wird. In a further possible embodiment of the present invention, the power electronic device has a printed circuit board (PCB). The The semiconductor element and the filter element are arranged on the same side, i.e. on the top side of this circuit board. The cooling element, however, is arranged on the opposite side, i.e. on the bottom side of the circuit board. The circuit board can in particular be the intermediate element mentioned elsewhere or comprise it or be part of it. The embodiment of the present invention proposed here enables particularly simple manufacture of the device, particularly effective and efficient cooling of the circuit board, the filter element and the semiconductor element and at the same time particularly simple and precise implementation of the additional thermal coupling of the filter element and the semiconductor element. In particular, it can be ensured that the additional thermal coupling allows heat to be exchanged between the filter element and the semiconductor element, in particular from the filter element to pass into the semiconductor element, without a corresponding heat flow being inadvertently diverted between the semiconductor element and the filter element into the cooling element.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Filterelement auf einer von dem Kühlelement abgewandten Seite des Halbleiterelements angeordnet. Das Filterelement ist dabei derart angeordnet, dass es das Halbleiterelement zumindest teilweise, insbesondere vollständig, überdeckt. Mit anderen Worten kann also beispielsweise senkrecht zu der Haupterstreckungsfläche oder Haupterstreckungsebene des Kühlelements, also insbesondere in der an anderer Stelle genannten ersten Richtung, betrachtet, das Halbleiterelement zwischen dem Kühlelement und dem Filterelement angeordnet sein. Dabei kann das Filterelement das Halbleiterelement zumindest teilweise überlappen. Je nach Ausgestaltung kann das Filterelement dabei direkt oder indirekt an dem Halbleiterelement angeordnet, also mit diesem wärmeleitend verbunden sein oder von dem Halbleiterelement durch einen Abstand oder Luftspalt oder dergleichen beabstandet sein. Damit kann je nach Auslegung oder Anforderung die zusätzliche thermische Kopplung entsprechend beispielsweise durch Wärmeleitung bzw. durch Wärmestrahlung oder auch Konvektion gegeben sein. In jedem Fall ist die zusätzliche thermische Kopplung von Filterelement und Halbleiterelement hier durch den Abstand zwischen diesen eingestellt oder vorgegeben bzw. einstellbar oder vorgebbar. Damit ermöglicht die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung eine besonders flexible und besonders einfach an unterschiedliche thermische Anforderungen angepasste Realisierung entsprechend unterschiedlicher Varianten der Einrichtung. Dabei können insbesondere unterschiedliche thermische Kopplungen zwischen dem Filterelement und dem Halbleiterelement erreicht oder eingestellt werden, ohne den restlichen Aufbau der leistungselektronischen Einrichtung zu verändern. In a further possible embodiment of the present invention, the filter element is arranged on a side of the semiconductor element facing away from the cooling element. The filter element is arranged in such a way that it at least partially, in particular completely, covers the semiconductor element. In other words, the semiconductor element can be arranged between the cooling element and the filter element, for example perpendicular to the main extension surface or main extension plane of the cooling element, i.e. in particular in the first direction mentioned elsewhere. The filter element can at least partially overlap the semiconductor element. Depending on the embodiment, the filter element can be arranged directly or indirectly on the semiconductor element, i.e. connected to it in a heat-conducting manner, or spaced apart from the semiconductor element by a distance or air gap or the like. Depending on the design or requirement, the additional thermal coupling can thus be provided, for example, by heat conduction or by heat radiation or even convection. In any case, the additional thermal coupling of the filter element and the semiconductor element is set or specified or adjustable or specifiable by the distance between them. The design of the device according to the invention proposed here thus enables a particularly flexible and particularly easy implementation adapted to different thermal requirements in accordance with different variants of the device. In particular, different thermal couplings between the filter element and the semiconductor element can be achieved or adjusted without changing the remaining structure of the power electronic device.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist zum Realisieren der zusätzlichen thermischen Kopplung des Filterelements mit dem Halbleiterelement zwischen diesen ein thermisches Kopplungselement angeordnet. Durch dieses thermische Kopplungselement sind das Filterelement und das Halbleiterelement hier wärmeleitend miteinander verbunden. Das thermische Kopplungselement kann beispielsweise ein Ausgleichsmaterial, also etwa eine Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitkleber oder dergleichen oder ein Wärmeleitpad oder eine Thermomatte, beispielsweise aus einem Kohlenstoffmaterial, oder dergleichen, sein oder umfassen. Ebenso können aber andere Bauteile oder Materialien mit besonders guter oder jeweils anforderungsgerechter Wärmeleitfähigkeit als das thermische Kopplungselement verwendet werden. Das thermische Kopplungselement kann selbst adhäsiv sein. Ebenso können das Filterelement und das Halbleiterelement mittels eines Befestigungselements, beispielsweise eines zusätzlichen Wärmeleitklebers oder einer Verschraubung oder dergleichen, an dem Kopplungselement befestigt oder in wärmeleitendem Kontakt mit diesem gehalten sein. Die hier vorgeschlagene Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann eine besonders effektive und konsistente thermische Kopplung von Halbleiterelement und Filterelement ermöglichen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, da die Wärmeleitung durch das thermische Kopplungselement nicht signifikant durch einen umgebenden Luftstrom beeinflusst wird und auch nicht im Laufe der Zeit durch Staubablagerungen oder Schmutzeintrag in einen andernfalls möglicherweise vorhandenen Luftspalt oder leeren Abstand zwischen dem Filterelement und dem Halbleiterelement verändert wird. Zudem kann die hier vorgeschlagene Weiterbildung der vorliegenden Erfindung einen besonders robusten und gleichzeitig besonders kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Einrichtung ermöglichen. So kann beispielsweise der durch das thermische Kopplungselement ausgefüllte Abstand zwischen dem Halbleiterelement und dem Filterelement besonders robust und zuverlässig auch im Laufe der Zeit konstant groß bleiben, insbesondere wenn das thermische Kopplungselement als formstabiler Festkörper ausgestaltet ist. In a possible development of the present invention, a thermal coupling element is arranged between the filter element and the semiconductor element to realize the additional thermal coupling between them. This thermal coupling element connects the filter element and the semiconductor element in a thermally conductive manner. The thermal coupling element can be or comprise, for example, a compensating material, such as a thermal paste or a thermally conductive adhesive or the like, or a thermally conductive pad or a thermal mat, for example made of a carbon material or the like. However, other components or materials with particularly good or appropriate thermal conductivity can also be used as the thermal coupling element. The thermal coupling element can itself be adhesive. The filter element and the semiconductor element can also be attached to the coupling element or held in thermally conductive contact with it by means of a fastening element, for example an additional thermally conductive adhesive or a screw connection or the like. The development of the present invention proposed here can enable a particularly effective and consistent thermal coupling of the semiconductor element and the filter element. This can be the case, for example, because the heat conduction through the thermal coupling element is not significantly influenced by a surrounding air flow and is also not changed over time by dust deposits or dirt entering an air gap or empty space between the filter element and the semiconductor element that might otherwise be present. In addition, the development of the present invention proposed here can enable a particularly robust and at the same time particularly compact design of the power electronic device according to the invention. For example, the distance between the semiconductor element and the filter element filled by the thermal coupling element can remain particularly robust and reliably constant over time, especially if the thermal coupling element is designed as a dimensionally stable solid body.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Filterelement durch elektrische Kontaktierungen an einem Bauteilträger befestigt und darüber an diesen wärmeleitend angebunden. An diesem Bauteilträger ist dabei auch das Halbleiterelement befestigt, also gehalten. Der Bauteilträger kann beispielsweise das an anderer Stelle genannte Zwischenelement bzw. die an anderer Stelle genannte Leiterplatte, aber ebenso beispielsweise das Kühlelement oder dergleichen sein oder umfassen. Die elektrischen Kontaktierungen des Filterelements sind dabei neben dem Halbleiterelement, also beispielweise auf verschiedenen Seiten des Halbleiterelements, aber auf derselben Seite oder Fläche des Bauteilträgers, an dem Bauteilträger angeordnet. Ein Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit bzw. der im Betrieb der Einrichtung gegebenen Wärmeleitung durch die elektrischen Kontaktierungen einerseits und bzw. zu der Wärmetransportkapazität der zusätzlichen thermischen Kopplung des Filterelements mit dem Halbleiterelement andererseits ist dabei so ausgelegt, also durch entsprechende Auslegung so eingestellt oder eingerichtet, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb der Einrichtung über die zusätzliche thermische Kopplung aus dem Filterelement nur so viel Wärme in das Halbleiterelement eingekoppelt wird, dass dessen Temperatur aufgrund dieser Einkopplung in einem vorgegebenen Bereich bleibt und übrige Wärme aus dem Filterelement über dessen elektrische Kontaktierungen zumindest indirekt, insbesondere zumindest im Wesentlichen unter Umgehung des Halbleiterelements, in das Kühlelement abgeleitet wird. In a possible further development of the present invention, the filter element is attached to a component carrier by electrical contacts and is connected to it in a heat-conducting manner. The semiconductor element is also attached to this component carrier attached, i.e. held. The component carrier can be or comprise, for example, the intermediate element or the circuit board mentioned elsewhere, but also, for example, the cooling element or the like. The electrical contacts of the filter element are arranged on the component carrier next to the semiconductor element, i.e., for example, on different sides of the semiconductor element, but on the same side or surface of the component carrier. A ratio of the thermal conductivity or the heat conduction during operation of the device through the electrical contacts on the one hand and/or to the heat transport capacity of the additional thermal coupling of the filter element with the semiconductor element on the other hand is designed, i.e. set or arranged by appropriate design, such that when the device is operated as intended, only so much heat is coupled into the semiconductor element via the additional thermal coupling from the filter element that its temperature remains in a predetermined range due to this coupling and remaining heat from the filter element is dissipated into the cooling element via its electrical contacts at least indirectly, in particular at least substantially bypassing the semiconductor element.
Durch die hier vorgeschlagene Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann einerseits das Halbleiterelement im Betrieb besonders zuverlässig jeweils anforderungsgerecht gleichmäßig temperiert werden und andererseits ein Überhitzen des Filterelements vermieden werden. Durch die Anordnung der elektrischen Kontaktierungen des Filterelements kann gegebenenfalls ein Wärmeeintrag von den entsprechenden Seiten her in das Halbleiterelement gegeben sein bzw. eine Abkühlung oder übermäßige Wärmeabstrahlung des Halbleiterelements in diese Richtungen vermieden oder reduziert werden, etwa im Vergleich zu derjenigen Seite des Halbleiterelements auf der das Filterelement angeordnet ist. Dadurch kann die Temperatur oder des Halbleiterelements bzw. eine in diesem gegebene räumliche Temperaturverteilung besonders gleichmäßig sein oder bleiben. Da die elektrischen Kontaktierungen des Filterelements ohne Weiteres auch zumindest ausreichend wärmeleitfähig sein können, kann eine ausreichende Entwärmung des Filterelements über die elektrischen Kontaktierungen ermöglicht werden. Dadurch kann ein besonders einfacher, kostengünstiger und kompakter Aufbau der leistungselektronischen Einrichtung realisiert oder unterstützt werden. Insbesondere muss also beispielsweise das Filterelement nicht durch eine zusätzliche Anbindung an das Kühlelement oder ein weiteres Kühlelement oder dergleichen entwärmt werden. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die leistungselektronische Einrichtung mehrere, also wenigstens zwei, Halbleiterelemente auf. Diese mehreren Halbleiterelemente können insbesondere auf derselben Seite oder an derselben Fläche des Kühlelements bzw. des an anderer Stelle genannten Zwischenelements oder Bauteilträgers angeordnet sein. Das Filterelement ist dabei gleichermaßen mit diesen mehreren Halbleiterelementen durch die oder eine jeweilige zusätzliche thermische Kopplung thermisch gekoppelt. Das Filterelement kann also beispielsweise auf die gleiche Art und Weise und/oder symmetrisch bzw. über die gleiche Fläche mit den mehreren Halbleiterelementen bzw. mit verschiedenen der mehreren Halbleiterelemente entsprechend thermisch gekoppelt sein. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die beschriebenen Vorteile der zusätzlichen thermischen Kopplung auch in entsprechend komplexeren leistungselektronischen Einrichtungen realisiert werden. Dabei kann gegebenenfalls sogar eine noch weitere Vergleichmäßigung der Temperatur der mehreren Halbleiterelemente erreicht werden, da diese über ihre thermischen Kopplungen an das Filterelement und das Filterelement selbst indirekt ebenfalls thermisch miteinander gekoppelt sein und dementsprechend Wärme austauschen bzw. ihre Temperaturen aneinander angleichen können. The development of the present invention proposed here allows, on the one hand, the semiconductor element to be temperature-controlled particularly reliably and evenly during operation in accordance with requirements, and, on the other hand, overheating of the filter element can be avoided. The arrangement of the electrical contacts of the filter element can, if necessary, allow heat to be introduced into the semiconductor element from the corresponding sides, or cooling or excessive heat radiation from the semiconductor element in these directions can be avoided or reduced, for example in comparison to the side of the semiconductor element on which the filter element is arranged. As a result, the temperature of the semiconductor element or a spatial temperature distribution within it can be or remain particularly uniform. Since the electrical contacts of the filter element can also easily be at least sufficiently thermally conductive, sufficient heat dissipation of the filter element can be made possible via the electrical contacts. This enables or supports a particularly simple, cost-effective and compact design of the power electronic device. In particular, the filter element does not have to be cooled by an additional connection to the cooling element or another cooling element or the like. In a further possible embodiment of the present invention, the power electronic device has several, i.e. at least two, semiconductor elements. These several semiconductor elements can in particular be arranged on the same side or on the same surface of the cooling element or the intermediate element or component carrier mentioned elsewhere. The filter element is thermally coupled to these several semiconductor elements by the or a respective additional thermal coupling. The filter element can therefore be thermally coupled to the several semiconductor elements or to different ones of the several semiconductor elements in the same way and/or symmetrically or over the same surface. The embodiment of the present invention proposed here means that the described advantages of the additional thermal coupling can also be realized in correspondingly more complex power electronic devices. In this case, even further homogenization of the temperature of the several semiconductor elements can be achieved, since they are indirectly thermally coupled to one another via their thermal couplings to the filter element and the filter element itself and can therefore exchange heat or adjust their temperatures to one another.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Filterelement für oder bezüglich jeweils zwei der Halbleiterelemente auf von dem jeweils anderen Halbleiterelement abgewandten Seiten und zwischen den beiden Halbleiterelementen wärmeleitend an einen Bauteilträger angebunden, an dem auch die Halbleiterelemente befestigt sind. Der Bauteilträger kann der an anderer Stelle genannte Bauteilträger bzw. das an anderer Stelle genannte Zwischenelement bzw. die an anderer Stelle genannte Leiterplatte oder das Kühlelement oder dergleichen sein oder umfassen. Durch die hier vorgeschlagene Anbindung des Filterelements auf mehreren Seiten der Halbleiterelemente kann deren Temperatur oder Temperaturverteilung besonders gleichmäßig sein oder gehalten werden. Zudem kann so eine verbesserte mechanische Robustheit der Einrichtung sowie eine verbesserte Konsistenz von deren thermischem Verhalten erreicht werden. Dies kann beispielsweise dadurch bedingt sein, dass durch die mehreren Anbindungen des Filterelements dieses besonders robust abgestützt und besonders zuverlässig in einem festen, also gleichbleibenden Abstand zu den Halbleiterelementen gehalten werden kann. Durch die Anbindung des Filterelements zwischen den jeweiligen beiden Halbleiterelementen kann bei deutlich unterschiedlichen Temperaturen der beiden Halbleiterelemente eine einseitige oder asymmetrische Abkühlung des wärmeren Halbleiterelements aufgrund des als potenzielle Wärmesenke fungierenden kälteren Halbleiterelements gegebenenfalls zumindest reduziert werden. Dies bedeutet analog auch eine zumindest reduzierte einseitige Aufheizung des kälteren Halbleiterelements an seiner dem wärmeren Halbleiterelement zugewandten Seite. In a possible development of the present invention, the filter element for or with respect to two of the semiconductor elements is connected in a heat-conducting manner on sides facing away from the other semiconductor element and between the two semiconductor elements to a component carrier to which the semiconductor elements are also attached. The component carrier can be or comprise the component carrier mentioned elsewhere or the intermediate element mentioned elsewhere or the circuit board or the cooling element or the like mentioned elsewhere. By connecting the filter element to several sides of the semiconductor elements as proposed here, their temperature or temperature distribution can be or be kept particularly uniform. In addition, an improved mechanical robustness of the device and an improved consistency of its thermal behavior can be achieved in this way. This can be due, for example, to the fact that the multiple connections of the filter element allow it to be supported particularly robustly and kept particularly reliably at a fixed, i.e. constant, distance from the semiconductor elements. By connecting the filter element between the respective two semiconductor elements, if the temperatures of the two semiconductor elements are significantly different, a one-sided or asymmetrical cooling of the warmer semiconductor element can possibly be at least reduced due to the colder semiconductor element acting as a potential heat sink. This also means, analogously, at least a reduced one-sided heating of the colder semiconductor element on its side facing the warmer semiconductor element.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben der bzw. einer erfindungsgemäßen leistungselektronischen Einrichtung. In dem Verfahren wird im Betrieb der Einrichtung ein Strom durch das Filterelement in Abhängigkeit von der Temperatur des Halbleiterelements geregelt. Dies erfolgt derart, dass Temperaturschwankungen des Halbleiterelements im Betrieb durch einen bei größerem durch das Filterelement fließenden Strom größeren, also stärkeren und bei kleinerem durch das Filterelement fließenden Strom geringeren, also kleineren Wärmeeintrag von oder aus dem Filterelement in das bzw. zu dem Halbleiterelement minimiert werden. Mit anderen Worten kann hier also über eine entsprechende Steuerung oder Beeinflussung oder Einstellung der thermischen Verlustleistung in dem Filterelement das Halbleiterelement im Betrieb bei einer möglichst gleichmäßigen oder konstanten Temperatur gehalten werden. So kann beispielsweise bei niedriger Last oder Auslastung des Halbleiterelements der durch das Filterelement fließende oder geleitete Strom vergrößert werden, um ein Abkühlen des Halbleiterelements zu vermeiden oder zu verlangsamen oder zu begrenzen. Umgekehrt kann der durch das Filterelement fließende oder geleitete Strom bei hoher Belastung oder Auslastung des Halbleiterelements reduziert werden. Dies kann jeweils zumindest so weit oder in solchem Maße erfolgen, dass die Funktion oder Aufgabe des Filterelements zur Filterung nicht beeinträchtigt wird bzw. weiterhin in einem vorgegebenen Betriebs- oder Zustandsfenster bleibt. The present invention also relates to a method for operating the or a power electronic device according to the invention. In the method, a current through the filter element is regulated as a function of the temperature of the semiconductor element during operation of the device. This is done in such a way that temperature fluctuations of the semiconductor element during operation are minimized by a larger, i.e. stronger, heat input from or from the filter element into or to the semiconductor element when the current flowing through the filter element is larger and, therefore, stronger, and a smaller, i.e., smaller, heat input from or from the filter element into or to the semiconductor element when the current flowing through the filter element is smaller. In other words, the semiconductor element can be kept at as uniform or constant a temperature as possible during operation by appropriately controlling or influencing or adjusting the thermal power loss in the filter element. For example, when the load or utilization of the semiconductor element is low, the current flowing or conducted through the filter element can be increased in order to avoid, slow down or limit cooling of the semiconductor element. Conversely, the current flowing or conducted through the filter element can be reduced when the load or utilization of the semiconductor element is high. This can be done at least to such an extent or degree that the function or task of the filter element for filtering is not impaired or remains within a specified operating or status window.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders flexibel in unterschiedlichen Situationen eine besonders gleichmäßige Temperatur des Halbleiterelements erreicht und somit dessen Lebensdauer bzw. die Lebensdauer der leistungselektronischen Einrichtung insgesamt weit gegenüber herkömmlichen Lösungen verlängert werden. The method according to the invention makes it possible to achieve a particularly uniform temperature of the semiconductor element in a particularly flexible manner in different situations and thus to extend its service life or the service life of the power electronic device as a whole considerably compared to conventional solutions.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Einrichtung genannte Maßnahmen, Vorgänge oder Abläufe können weitere, gegebenenfalls optionale, Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, das die oder wenigstens eine erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung aufweist und/oder zum, insbesondere automatischen, Durchführen bzw. Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die leistungselektronische Einrichtung kann hier beispielsweise Teil eines elektrischen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs sein. Die leistungselektronische Einrichtung kann beispielsweise in einen Umrichter zur ersorgung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Antriebsmaschine, des Kraftfahrzeugs eingebaut sein oder einem solchen Umrichter entsprechen. Ebenso sind aber andere Verwendungen und/oder Anordnungen der leistungselektronischen Einrichtung als Teil des Kraftfahrzeugs möglich. Die Verwendung der erfindungsgemäßen leitungselektronischen Einrichtung in dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug kann einen besonders nützlichen Anwendungsfall darstellen. So können beispielsweise durch die verlängerte Lebensdauer auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine reduzierte Ausfallsicherheit des Kraftfahrzeugs und somit eine verbesserte Sicherheit sowie eine verbesserte Benutzerfreundlichkeit oder auch eine verbesserte Effizienz des Kraftfahrzeugs, beispielsweise aufgrund einer Einsparung einer aufwendigeren Kühlung oder dergleichen, erreicht oder ermöglicht werden. Measures, processes or sequences mentioned in connection with the power electronic device according to the invention can form further, possibly optional, method steps of the method according to the invention. The present invention also relates to a motor vehicle which has the or at least one power electronic device according to the invention and/or is set up to carry out or apply the method according to the invention, in particular automatically. The power electronic device can be part of an electric drive train of the motor vehicle, for example. The power electronic device can be built into a converter for supplying an electric machine, in particular a drive machine, of the motor vehicle, or can correspond to such a converter. However, other uses and/or arrangements of the power electronic device as part of the motor vehicle are also possible. The use of the power electronic device according to the invention in the motor vehicle according to the invention can represent a particularly useful application. For example, the extended service life can make it possible to achieve or enable a reduced reliability of the motor vehicle and thus improved safety and user-friendliness or even improved efficiency of the motor vehicle, for example due to a saving on more complex cooling or the like, in a particularly simple and cost-effective manner.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Further features of the invention can be derived from the claims, the figures and the description of the figures. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features shown below in the description of the figures and/or in the figures alone can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention.
Die Zeichnung zeigt in: The drawing shows in:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer thermisch lebensdaueroptimierten leitungselektronischen Einrichtung; und Fig. 1 is a schematic representation of a motor vehicle with a thermally life-optimized line electronic device; and
Fig. 2 eine ausschnittweise schematische Perspektivdarstellung einer entsprechenden leitungselektronischen Einrichtung. In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche oder einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 2 is a partial schematic perspective view of a corresponding line electronic device. In the figures, identical and functionally identical or corresponding elements are provided with the same reference symbols.
Leistungselektronische Komponenten erzeugen durch ihr Schaltverhalten Verlustleistung, welche aufgrund maximaler thermischer Randbedingungen abgeführt werden muss. Zusätzlich sind beispielsweise Leistungshalbleiterschalter oftmals zumindest mit einem Filter, also beispielsweise einer Drossel oder einem Kondensator oder dergleichen, kombiniert, um Einflüsse eines hochfrequenten Schaltverhaltens des Halbleiters bzw. Halbleiterschalters zu reduzieren. Damit können sich Zielkonflikte ergeben. Zum einen sollten der Filter und der Halbleiter räumlich möglichst nah aneinander angeordnet oder angebunden sein, um möglichst gute Filtereigenschaften sicherzustellen, also beispielsweise parasitäre Effekte möglichst gering zu halten. Andererseits können aber durch eine solche Anordnung oder Anbindung Verluste in dem Halbleiter und dem Filter bedingt durch ein gegenseitiges Aufheizen ansteigen, was üblicherweise vermieden werden soll. Eine zur effektiven Kühlung gegebenenfalls nützliche möglichst großflächige thermische Anbindung des Halbleiters und/oder des Filters kann zwar die Verluste gegebenenfalls reduzieren und/oder zu einer verlängerten Lebensdauer beitragen, erfordert nachteilig jedoch einen hohen Bauraumbedarf und kann mit erhöhten Kosten und/oder erhöhtem Gewicht einhergehen. Grundsätzlich ist aber natürlich eine verlängerte Lebensdauer wünschenswert. Power electronic components generate power losses through their switching behavior, which must be dissipated due to maximum thermal boundary conditions. In addition, power semiconductor switches, for example, are often combined with at least one filter, for example a choke or a capacitor or the like, in order to reduce the influence of high-frequency switching behavior of the semiconductor or semiconductor switch. This can lead to conflicting objectives. On the one hand, the filter and the semiconductor should be arranged or connected as close to one another as possible in order to ensure the best possible filter properties, for example to keep parasitic effects as low as possible. On the other hand, however, such an arrangement or connection can increase losses in the semiconductor and the filter due to mutual heating, which is usually to be avoided. A thermal connection of the semiconductor and/or the filter over as large an area as possible, which may be useful for effective cooling, can reduce losses and/or contribute to an extended service life, but disadvantageously requires a lot of installation space and can be associated with increased costs and/or increased weight. In principle, however, an extended service life is of course desirable.
Vor diesem Hintergrund zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 1, das mit einer leistungselektronischen Einrichtung 2 ausgestattet ist. Die leistungselektronische Einrichtung 2 kann beispielsweise Teil einer elektrischen Versorgung einer elektrischen Maschine 3 des Kraftfahrzeugs 1 oder dergleichen sein. Against this background, Fig. 1 shows a schematic representation of a motor vehicle 1 that is equipped with a power electronic device 2. The power electronic device 2 can, for example, be part of an electrical supply of an electrical machine 3 of the motor vehicle 1 or the like.
Die leistungselektronische Einrichtung 2 umfasst hier beispielhaft und schematisch angedeutet mehrere Halbleiterelemente 4, die auf einer gemeinsamen Leiterplatte 5 angeordnet sind. Zur Entwärmung der Halbleiterelemente 4 ist auf einer von diesen abgewandten Seite der Leiterplatte 5 ein Kühlelement 6 angeordnet. Dabei kann es sich beispielsweise um eine luftgekühlte oder von einem Kühlmedium durchströmte Kühlplatte oder dergleichen handeln. The power electronic device 2 comprises, by way of example and schematically indicated, several semiconductor elements 4 which are arranged on a common circuit board 5. To cool the semiconductor elements 4, a cooling element 6 is arranged on a side of the circuit board 5 facing away from them. This can be, for example, an air-cooled cooling plate or a cooling medium flowing through it or the like.
Weiter umfasst die leistungselektronische Einrichtung 2 hier ein Filterelement 7. Dieses Filterelement 7 ist über elektrische Kontaktierungen 8, also beispielsweise entsprechende Anschlussleitungen, außenseitig der Halbleiterelemente 4, also neben diesen an die Leiterplatte 5 angebunden. Dabei ergibt sich an einer jeweiligen hier ebenfalls schematisch angedeuteten an einer jeweiligen elektrischen Kontaktstelle 9 ein jeweiliger thermischer Widerstand, wodurch eine Wärmeleitung beispielsweise von dem Filterelement 7 über die elektrischen Kontaktierungen 8 in die Leiterplatte 5 bzw. durch diese zu dem Kühlelement 6 charakterisiert oder bestimmt bzw. eingestellt wird oder werden kann. Furthermore, the power electronic device 2 comprises a filter element 7. This filter element 7 is connected via electrical contacts 8, for example corresponding Connection lines, on the outside of the semiconductor elements 4, i.e. next to them, are connected to the circuit board 5. In this case, a respective thermal resistance results at a respective electrical contact point 9, which is also indicated schematically here, whereby a heat conduction, for example from the filter element 7 via the electrical contacts 8 into the circuit board 5 or through this to the cooling element 6 is or can be characterized or determined or adjusted.
Augenscheinlich sind hier das Filterelement 7 und die Halbleiterelemente 4 durch einen durch die elektrischen Kontaktierungen 8 und die Leiterplatte 5 verlaufenden Wärmetransportpfad thermisch miteinander gekoppelt. Aufgrund der anisotropen Wärmeleiteigenschaften der Leiterplatte 5 ergibt sich hier innerhalb dieser jedoch primär eine Wärmetransport in Richtung zu dem Kühlelement 6 und nicht parallel zu dieser. The filter element 7 and the semiconductor elements 4 are evidently thermally coupled to one another by a heat transport path running through the electrical contacts 8 and the circuit board 5. Due to the anisotropic thermal conductivity properties of the circuit board 5, however, heat is primarily transported in the direction of the cooling element 6 and not parallel to it.
Zur Verlängerung der Lebensdauer der leistungselektronischen Einrichtung 2, insbesondere der Halbleiterelemente 4, ist eine räumlich und zeitlich möglichst gleichmäßige Temperatur bzw. Temperierung der Halbleiterelemente 4 nützlich. Um dies zu erreichen oder zu unterstützen sind die Halbleiterelemente 4 und das Filterelement 7 hier zusätzlich thermisch gekoppelt. Eine solche zusätzliche thermische Kopplung. Diese zusätzliche thermische Kopplung kann auf verschiedene Weisen realisiert sein und ist hier beispielhaft mehrteilig gestaltet. Schematisch angedeutet kann beispielsweise eine zusätzliche Anbindung des Filterelements 7 zwischen den Halbleiterelementen 4 als zusätzliche schwache thermische Kopplung 10 vorgesehen werden. Zusätzlich oder alternativ kann in einem Abstand zwischen dem Filterelement 7 und den Halbleiterelementen 4 ein wärmeleitfähiges thermisches Interface 11 angeordnet sein oder werden. Dieses kann die zusätzliche thermische Kopplung zwischen den Halbleiterelementen 4 und dem Filterelement 7 bilden oder zumindest ein Teil dieser zusätzlichen thermischen Kopplung sein. Ebenso kann durch die hier dargestellte Anordnung des Filterelements 7 in zumindest teilweise die Halbleiterelemente 4 überlappender oder überdeckender Position die zusätzliche thermische Kopplung über direkte Wärmestrahlung von dem Filterelement 7 auf eine diesem zugewandte Oberseite der Halbleiterelemente 4 realisiert oder unterstützt werden. To extend the service life of the power electronic device 2, in particular of the semiconductor elements 4, it is useful to have a temperature or tempering of the semiconductor elements 4 that is as uniform as possible in space and time. To achieve or support this, the semiconductor elements 4 and the filter element 7 are additionally thermally coupled here. Such additional thermal coupling. This additional thermal coupling can be implemented in various ways and is designed here as a multi-part example. As indicated schematically, for example, an additional connection of the filter element 7 between the semiconductor elements 4 can be provided as an additional weak thermal coupling 10. Additionally or alternatively, a thermally conductive thermal interface 11 can be arranged at a distance between the filter element 7 and the semiconductor elements 4. This can form the additional thermal coupling between the semiconductor elements 4 and the filter element 7 or at least be part of this additional thermal coupling. Likewise, the arrangement of the filter element 7 shown here in a position that at least partially overlaps or covers the semiconductor elements 4 can realize or support the additional thermal coupling via direct heat radiation from the filter element 7 to an upper side of the semiconductor elements 4 facing it.
Durch die hier vorgesehene Ausgestaltung der leistungselektronischen Einrichtung 2, insbesondere die zusätzliche thermische Kopplung des Filterelements 7 mit den Halbleiterelementen 4 können im Betrieb der leistungselektronischen Einrichtung 2 bzw. des Kraftfahrzeugs 1 relativ konstante und gleichmäßige Temperaturverteilungen in den Halbleiterelementen 4 bzw. entsprechend reduzierte oder geringe Temperaturhübe in den Halbleiterelementen 4 erreicht werden. Dies kann sich positiv auf deren Lebensdauer auswirken. Due to the design of the power electronic device 2 provided here, in particular the additional thermal coupling of the filter element 7 with the Semiconductor elements 4 can achieve relatively constant and uniform temperature distributions in the semiconductor elements 4 or correspondingly reduced or small temperature swings in the semiconductor elements 4 during operation of the power electronic device 2 or the motor vehicle 1. This can have a positive effect on their service life.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass in der schematischen Darstellung in Fig. 1 das Kraftfahrzeug 1 zwar in einer Draufsicht, die leistungselektronische Einrichtung 2 bzw. deren Bauteile oder Komponenten aber in einer Seitenansicht dargestellt sind. It should be noted here that in the schematic representation in Fig. 1, the motor vehicle 1 is shown in a top view, but the power electronic device 2 or its parts or components are shown in a side view.
Zur weiteren Veranschaulichung zeigt Fig. 2 eine beispielhafte schematische und ausschnittweise Perspektivdarstellung der leistungselektronischen Einrichtung 2. Hier ist ein Teil der auch mit anderen Bauteilen bestückten Leiterplatte 5 erkennbar. Es ist hier auch erkennbar, dass das Filterelement 7, das hier beispielhaft als eine Spulenanordnung realisiert ist, oberhalb der Leiterplatte 5 und der darauf angeordneten Halbleiterelemente 4 angeordnet bzw. über die elektrischen Kontaktierungen 8 gehalten ist. For further illustration, Fig. 2 shows an exemplary schematic and partial perspective view of the power electronic device 2. Here, a part of the circuit board 5, which is also equipped with other components, can be seen. It can also be seen here that the filter element 7, which is implemented here as a coil arrangement, is arranged above the circuit board 5 and the semiconductor elements 4 arranged thereon or is held via the electrical contacts 8.
Ebenso sind jedoch eine Vielzahl anderer praktischer Realisierungen der beschriebenen Prinzipien möglich. However, a variety of other practical realizations of the principles described are also possible.
Durch die zusätzliche thermische Kopplung zwischen Filterelement 7 und Halbleiterelementen 4 können zumindest einige sich herkömmlich in der Leistungselektronik ergebende Zielkonflikte gelöst werden. So gehen hochperformante leistungselektronische Komponenten häufig einher mit hohen Leistungsdichten und damit hohen Temperaturen und Temperaturhüben. Neben einem Einhalten vorgegebener maximal zulässiger Temperaturen ergeben sich dabei häufig auch Einschränkungen in Bezug auf eine maximal zulässige Anzahl an thermischen Zyklen solcher leistungselektronischer Komponenten. Für praktische Applikationen sollten sowohl die vorgegebenen maximalen Temperaturen eingehalten als auch eine möglichst große Anzahl von Thermozyklen beschädigungsfrei erreicht werden. Dies kann durch die beschriebene leistungselektronische Einrichtung 2 erreicht werden. The additional thermal coupling between filter element 7 and semiconductor elements 4 makes it possible to resolve at least some of the conflicting objectives that traditionally arise in power electronics. High-performance power electronic components are often associated with high power densities and thus high temperatures and temperature swings. In addition to complying with specified maximum permissible temperatures, there are often also restrictions with regard to the maximum permissible number of thermal cycles of such power electronic components. For practical applications, both the specified maximum temperatures should be complied with and the greatest possible number of thermal cycles should be achieved without damage. This can be achieved by the power electronic device 2 described.
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine thermische Ankopplung eines Filters und eines Halbleiters zur Reduktion thermischer Belastungen beitragen und somit eine verlängerte Lebensdauer ermöglichen kann. Bezugszeichenliste 1 Kraftfahrzeug Overall, the examples described show how a thermal coupling of a filter and a semiconductor can contribute to reducing thermal stress and thus enable an extended service life. List of reference symbols 1 Motor vehicle
2 leistungselektronische Einrichtung 2 power electronic device
3 elektrische Maschine 3 electric machine
4 Halbleiterelement 4 Semiconductor element
5 Leiterplatte 6 Kühlelement 5 Circuit board 6 Cooling element
7 Filterelement 7 Filter element
8 elektrische Kontaktierung 8 electrical contact
9 elektrische Kontaktstelle 9 electrical contact point
10 schwache thermische Kopplung 11 thermisches Interface 10 weak thermal coupling 11 thermal interface

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Leistungselektronische Einrichtung (2), aufweisend ein Halbleiterelement (4), ein Filterelement (7) und ein Kühlelement (6), an welches das Halbleiterelement (4) und das Filterelement (7) jeweils wärmeleitend angebunden sind, wobei das Halbleiterelement (4) und das Filterelement (7) zusätzlich zur Angleichung ihrer Temperaturen im Betrieb thermisch miteinander gekoppelt (10, 11) sind. 1. Power electronic device (2), comprising a semiconductor element (4), a filter element (7) and a cooling element (6), to which the semiconductor element (4) and the filter element (7) are each connected in a thermally conductive manner, wherein the semiconductor element (4) and the filter element (7) are thermally coupled to one another (10, 11) in addition to equalizing their temperatures during operation.
2. Leistungselektronische Einrichtung (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Halbleiterelement (4) und dem Filterelement (7) einerseits und dem Kühlelement (6) andererseits ein, insbesondere elektrisch isolierendes, Zwischenelement (5) angeordnet ist, das in einer ersten Richtung, die direkt von dem Halbleiterelement (4) und dem Filterelement (7) zu dem Kühlelement (6) weist, eine größere Wärmeleitfähigkeit aufweist als in zweiten Richtung, die senkrecht zu der ersten Richtung steht. 2. Power electronic device (2) according to claim 1, characterized in that between the semiconductor element (4) and the filter element (7) on the one hand and the cooling element (6) on the other hand there is arranged an intermediate element (5), in particular an electrically insulating one, which has a greater thermal conductivity in a first direction, which points directly from the semiconductor element (4) and the filter element (7) to the cooling element (6), than in a second direction, which is perpendicular to the first direction.
3. Leistungselektronische Einrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Einrichtung (2) eine Leiterplatte (5) aufweist und das Halbleiterelement (4) und das Filterelement (7) auf derselben Seite der Leiterplatte (5) und das Kühlelement (6) auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte (5) angeordnet sind 3. Power electronic device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the power electronic device (2) has a circuit board (5) and the semiconductor element (4) and the filter element (7) are arranged on the same side of the circuit board (5) and the cooling element (6) on the opposite side of the circuit board (5)
4. Leistungselektronische Einrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (7) auf einer von dem Kühlelement (6) abgewandten Seite des Halbleiterelements (4) und dieses zumindest teilweise, insbesondere vollständig, überdeckend angeordnet ist. 4. Power electronic device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the filter element (7) is arranged on a side of the semiconductor element (4) facing away from the cooling element (6) and at least partially, in particular completely, covering the latter.
5. Leistungselektronische Einrichtung (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Realisieren der zusätzlichen thermischen Kopplung des Filterelements (7) mit dem Halbleiterelement (4) zwischen diesen ein thermisches Kopplungselement (10, 11) angeordnet ist, durch welches das Filterelement (7) und das Halbleiterelement (4) wärmeleitend miteinander verbunden sind. Leistungselektronische Einrichtung (2) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (7) durch elektrische Kontaktierungen (8) an einem Bauteilträger (5) befestigt und an diesen wärmeleitend angebunden ist, an dem auch das Halbleiterelement (4) befestigt ist, wobei die elektrischen Kontaktierungen (8) neben dem Halbleiterelement (4) an dem Bauteilträger (5) angeordnet sind und ein Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit durch die elektrischen Kontaktierungen (8) und der Wärmetransportkapazität der zusätzlichen thermischen Kopplung (10, 11) des Filterelements (7) mit dem Halbleiterelement (4) so ausgelegt, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb der leistungselektronischen Einrichtung (2) über die zusätzliche thermische Kopplung (10, 11) aus dem Filterelement (7) nur so viel Wärme in das Halbleiterelement (4) eingekoppelt wird, dass dessen Temperatur aufgrund dieser Einkopplung in einem vorgegebenen Bereich bleibt und übrige Wärme über die elektrischen Kontaktierungen (8) in das Kühlelement (6) abgeleitet wird. Leistungselektronische Einrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Einrichtung (2) mehrere nebeneinander angeordnete Halbleiterelement (4) aufweist und das Filterelement (7) mit diesen gleichermaßen durch die oder eine jeweilige zusätzliche thermische Kopplung (10, 11) thermisch gekoppelt ist. Leistungselektronische Einrichtung (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (7) für jeweils zwei der Halbleiterelemente (4) auf von dem jeweils anderen Halbleiterelement (4) abgewandten Seiten und zwischen den beiden Halbleiterelementen (4) wärmeleitend an einen Bauteilträger (5) angebunden ist, an dem auch die Halbleiterelemente (4) befestigt sind. Verfahren zum Betreiben einer leistungselektronischen Einrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Strom durch das Filterelement (7) in5. Power electronic device (2) according to claim 4, characterized in that, in order to realize the additional thermal coupling of the filter element (7) with the semiconductor element (4), a thermal coupling element (10, 11) is arranged between them, by means of which the filter element (7) and the semiconductor element (4) are connected to one another in a heat-conducting manner. Power electronic device (2) according to claim 4 or 5, characterized in that the filter element (7) is fastened to a component carrier (5) by electrical contacts (8) and is connected to it in a heat-conducting manner, to which the semiconductor element (4) is also fastened, wherein the electrical contacts (8) are arranged next to the semiconductor element (4) on the component carrier (5) and a ratio of the thermal conductivity through the electrical contacts (8) and the heat transport capacity of the additional thermal coupling (10, 11) of the filter element (7) with the semiconductor element (4) is designed such that, during normal operation of the power electronic device (2), only so much heat is coupled into the semiconductor element (4) via the additional thermal coupling (10, 11) from the filter element (7) that its temperature remains in a predetermined range due to this coupling and remaining heat is dissipated via the electrical contacts (8) into the cooling element (6). Power electronic device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the power electronic device (2) has several semiconductor elements (4) arranged next to one another and the filter element (7) is thermally coupled to these equally by the or a respective additional thermal coupling (10, 11). Power electronic device (2) according to claim 7, characterized in that the filter element (7) for each two of the semiconductor elements (4) on sides facing away from the respective other semiconductor element (4) and between the both semiconductor elements (4) are connected in a heat-conducting manner to a component carrier (5) to which the semiconductor elements (4) are also attached. Method for operating a power electronic device (2) according to one of the preceding claims, wherein a current through the filter element (7) in
Abhängigkeit von der Temperatur des Halbleiterelements (4) derart geregelt wird, das dessen Temperaturschwankungen im Betrieb durch einen bei größerem durch das Filterelement (7) fließenden Strom größeren und bei kleinerem durch das Filterelement (7) fließenden Strom geringeren Wärmeeintrag aus dem Filterelement (7) in das Halbleiterelement (4) minimiert werden. Kraftfahrzeug (1), das eine leistungselektronische Einrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist und/oder zum Durchführen eines Verfahrens nach Anspruch 9 eingerichtet ist. Depending on the temperature of the semiconductor element (4), it is regulated in such a way that its temperature fluctuations during operation are minimized by a heat input from the filter element (7) into the semiconductor element (4) which is greater when the current flowing through the filter element (7) is greater and less when the current flowing through the filter element (7) is smaller. Motor vehicle (1) which has a power electronic device (2) according to one of claims 1 to 8 and/or is set up to carry out a method according to claim 9.
PCT/EP2023/079293 2022-11-18 2023-10-20 Thermally lifetime-optimised power electronic device, operating method, and motor vehicle WO2024104715A1 (en)

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