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WO2019037904A1 - Leistungsmodul mit kühlplatten - Google Patents

Leistungsmodul mit kühlplatten Download PDF

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Publication number
WO2019037904A1
WO2019037904A1 PCT/EP2018/062536 EP2018062536W WO2019037904A1 WO 2019037904 A1 WO2019037904 A1 WO 2019037904A1 EP 2018062536 W EP2018062536 W EP 2018062536W WO 2019037904 A1 WO2019037904 A1 WO 2019037904A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cooling
power module
cooling plate
plates
electronic component
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/062536
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Kohr
Gerhard Müller
Sebastian Appel
Tung Gärtner
Marcus Berner
Michael Fügl
Manuel Schwab
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102017214485.8A external-priority patent/DE102017214485A1/de
Priority claimed from DE102017214486.6A external-priority patent/DE102017214486A1/de
Priority claimed from DE102017214487.4A external-priority patent/DE102017214487A1/de
Priority claimed from DE102017214482.3A external-priority patent/DE102017214482A1/de
Application filed by Zf Friedrichshafen Ag filed Critical Zf Friedrichshafen Ag
Publication of WO2019037904A1 publication Critical patent/WO2019037904A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/10—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices having separate containers
    • H01L25/11—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/115—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L25/117—Stacked arrangements of devices

Definitions

  • the invention relates to a power module with an electronic component, a power module stack, an inverter and a motor vehicle drive train.
  • Stackable electronic modules are known which are each arranged on an external cooling plate.
  • electronics modules which are arranged together in a common housing. From such modules, an inverter can be constructed, which can be used for example for the electrical energization of an electric motor of a motor vehicle.
  • the object of the present invention is to improve the state of the art.
  • the proposed power module comprises a first cooling plate, a second cooling plate and an electronic component.
  • the two cooling plates are designed to absorb heat from the electronic module and transported away.
  • the electronic component in this case has a first cooling surface and a second cooling surface opposite thereto.
  • the electronic component transfers heat to its immediate surroundings via these two cooling surfaces.
  • the power module according to the invention also has a location for arranging the at least one electronic component between the first and second cooling plates. This ensures optimum heat transfer between the electronic component and the cooling plate.
  • the two cooling plates thereby essentially form a housing around the electronic component in which it is embedded. It is also possible to provide a plurality of such locations for a plurality of electronic components between the two sides. As a result, complex electrical circuits can be cooled with the heat sink module.
  • the two cooling plates each have an inner side and one outer side.
  • the inside of a cooling plate facing the other cooling plate wherein the outer sides of a cooling plate facing away from the other cooling plate.
  • the cooling plates each have an area with a surface structure which is suitable for releasing heat to a cooling medium, which flows past this surface structure.
  • the surface structure may represent a pin-fin structure or a channel structure through which a cooling medium can be passed.
  • the proposed power module has a passage for guiding a cooling medium from the outside of the one cooling plate to the outside of the other cooling plate.
  • the cooling plates of the proposed power module also have complementary grooves and springs.
  • a cooling plate has a groove, the other cooling plate a corresponding spring, which can engage in the assembly of the two cooling plates in the groove of a cooling plate.
  • a groove this is essentially a depression in the cooling plate understood.
  • a spring a corresponding survey on the cooling plate is understood, which is designed such that it can be introduced into the groove of the other cooling plate.
  • the grooves and springs are in each case arranged on the inside of the cooling plates and are thus opposite.
  • the grooves and springs are around the diameter arranged around it.
  • a simplification of the sealing of the location at which the electronic component is arranged can be achieved by the cooling medium.
  • the electronic component for the arrangement between the cooling surfaces of the heat sink module is in particular a heat-dissipating electronic component during operation.
  • This may in particular be a power electronic component, such as in particular a power semiconductor, such as an IGBT (bipolar transistor with insulated gate electrode) or a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor).
  • the electronic component can also be an electrical ohmic resistance and / or an electrical inductance and / or an electrical capacitance.
  • the electronic component may be a chip or a printed circuit board or the like, with one or more electrical components arranged thereon or therein.
  • the two cooling plates can in particular be made of a thermally conductive metal, expediently of the same material.
  • a thermally conductive material e.g. Iron or aluminum or copper or silver (this also includes Fe or Al or Cu or Ag alloys) ensures that rapid heat transfer within the cooling plates is possible, so that the heat emitted by the electronic component heat quickly to that on the cooling plates brieflyifcategorizedde cooling medium can be delivered.
  • thermal stresses between the two cooling plates can be prevented. This can ensure that even with different heating of the two cooling plates there is no tension within the power module.
  • the cooling plates are each formed in one piece.
  • the cooling plate comprises on the one hand the area in which the opening in the cooling plate is formed and on the other hand the area in which the location for arranging an electronic component is located.
  • the cooling plate also includes the area with the surface structure on the outside for dissipating heat to a cooling medium. Because the cooling plate te is integrally formed, can be dispensed with other parts, such as frames, carriers, etc, and the corresponding necessary joints or joining processes. The one-piece cooling plates are therefore particularly cost-effective.
  • the power module according to the invention is further distinguished by the fact that the cooling plates are materially connected to the electronic component.
  • the electronic component can be soldered to the cooling plates, welded, sintered or glued. This ensures optimum heat transfer from the heat surface of the electronic component to the cooling plates.
  • the first and second cooling plates are also materially connected to one another.
  • the two cooling plates are in the area of the passage, i. soldered, welded, sintered or glued in the area of the tongue and groove. This ensures that the two cooling plates are connected to each other media-tight and flowing within the passage cooling medium can not pass through the tongue and groove connection of the two cooling plates to the electronic component.
  • the tongue and groove of the cooling plates are thus intermeshing and ensure a secure sealing of the arranged between the cooling plates electronic component.
  • the tongue and groove in the cooling plates or, the tongue and groove connection in the power module can be designed such that upon engagement of the spring of a cooling plate in the groove of the other cooling plate, the spring is not at the bottom of the groove seated.
  • the groove of the other cooling plate is formed such that the spring of a cooling plate has a corresponding clearance within the groove, so that there is a gap between the bottom of the groove and the side walls of the groove to the spring.
  • the tongue and groove connection thus does not constitute a positive connection.
  • an optimal Ab- is adjustable to produce a material connection with an optimal heat transfer between the electronic component and the cooling plates.
  • spacers may be present on the inside of the cooling plates in a region of the cooling surfaces of the electronic component. These spacers may in this case be elevations which point from the inside of the cooling plate in the direction of the electronic component.
  • the spacers can also be inserts which are introduced between the inside of the cooling plates and the cooling surface of the electronic component. The spacers ensure that the distance between a cooling surface of the electronic component to a cooling plate remains constant despite existing tolerances in the thickness of the electronic component. This ensures that despite production-related tolerances in the manufacture of electronic components, the heat transfer between the cooling surface of an electronic component and a heat plate in the power modules always remains constant.
  • the power module according to the invention may be arranged between the groove and the spring and between a cooling surface of the electronic component and an inner side of the cooling plate, a sealing material.
  • the sealing material may be a sealant.
  • the sealing material may be a solder mass or a sintering paste.
  • the solder mass can be applied to the cooling surface of the electronic component, e.g. be printed.
  • the solder mass may also be applied to the spring of a cooling plate, e.g. be printed.
  • the solder mass can thus cover the entire cooling surface of the electronic component.
  • the solder mass may extend along the entire tongue and groove connection around the passage. The solder mass can fill the entire gap between the spring and the groove and thus ensure optimum connection and sealing.
  • the surface structure on an outer side of a cooling plate may be a pin-fin structure.
  • the pin-fin structure also referred to as a pin cooler, can by a plurality of Elevations, such as pins formed on the outside of a cooling plate.
  • Elevations such as pins formed on the outside of a cooling plate.
  • other designs for cooling structures are possible.
  • rib and / or honeycomb structures can be used. Some or all bumps are then formed accordingly by ribs or honeycombs.
  • the cooling plates may have a second passage.
  • the first and the second passage may be arranged at opposite ends of the cooling plate.
  • the cooling medium can be guided more effectively to the outside of the cooling plates.
  • the cooling medium can be led from one of the two passages and flow over the respective outer surface of a cooling plate and be discharged from the other of the two passages.
  • the passages thus serve to pass the cooling medium through the power module and past the outer sides of the cooling plates serving as cooling surfaces.
  • the cooling plates may have a lateral boundary for the electronic component on at least two sides. This makes it possible that the electronic component can be better positioned at the intended location between the two cooling plates.
  • a plurality of locations for arranging electronic components may be present between the cooling plates. This makes it possible to arrange electronic components next to one another on a larger base area, which can result in advantages in the circuit design and in the utilization of the available installation space.
  • the power module is designed so that it can be stacked with identical or identical power modules by arranging on an outside.
  • the power module is designed to be stacked with the further power module of choice on the first cooling plate or the second cooling plate. Both cooling plates of the power module are therefore equally suitable for arranging the further power module thereto.
  • Another aspect of the invention is a power module stack which has at least two power modules.
  • the power modules are arranged relative to one another in such a way that the first cooling plate of one power module bears against the second cooling plate of the power module directly adjacent thereto, the passages being arranged in series.
  • the arrangement is continued accordingly, so that always the first cooling plate of a power module is applied directly to the second cooling plate of a directly adjacent power module.
  • a distribution channel for a cooling medium may be formed between the first cooling plate of the one power module and the second cooling plate of the directly adjacent power module.
  • a distribution channel between adjacent power modules By forming a distribution channel between adjacent power modules, optimum heat dissipation of the individual power modules to the cooling medium can take place.
  • the individual power modules can be constructed to save space, since no separate distribution channel for guiding cooling medium along a cooling plate has to be provided for a single power module. Rather, the distribution channel for cooling medium can be formed by stacking two power modules accordingly. Between these two power modules, a distribution channel can then be formed between the first / second cooling plate of the one power module and the second / first cooling plate of the directly adjacent power module.
  • the power module has one or more electronic components for forming an inverter.
  • an inverter By means of an inverter, a direct current can be converted into an alternating current and / or vice versa.
  • the proposed power module may have at least one electrical half-bridge with a first and a second power semiconductor as electronic components.
  • the power module has a high-side power semiconductor and a low-side power semiconductor, in particular one IGBT or MOSFET each. From a plurality of identical or comparable power module can then be formed, for example, a full electrical bridge. For example, with three such power modules, which are then preferably stacked directly, a blast inverters are formed.
  • the proposed inverter for electrical energization of an electric motor therefore has several such proposed electronic modules stacked.
  • the electronic modules can be stacked directly on one another.
  • a B6 inverter may be formed by a stack of three such power modules.
  • Such an inverter can be constructed inexpensively by the simple mass producibility of such power module.
  • the use of additional cooling structures can be omitted.
  • such an inverter is easily scalable, since any number of modules can be stacked on top of each other.
  • the also proposed motor vehicle drive train has an electric motor as a traction drive.
  • the electric motor thus serves for vehicle propulsion or vehicle deceleration.
  • the electric motor and the inverter preferably operate as generators and charge the battery.
  • the powertrain may therefore serve for a purely electric powered electric vehicle, or it may be used with an internal combustion engine for a hybrid vehicle.
  • the motor vehicle drive train is characterized by the proposed inverter for electrical energization of the electric motor.
  • the inverter has a stack of several of the proposed power modules. Under such an electric current supply is both a supply of electric currents to the electric motor to understand, as well as a discharge of electric currents from the electric motor.
  • Fig. 1 is a three-dimensional view of the cooling plates of a power module
  • FIG. 2 is a sectional view through a power module stack
  • FIG. 3 is a three-dimensional sectional view through a power module stack
  • FIG. 6 is a sectional view through a power module with a plurality of electronic components
  • FIG. 7 shows a three-dimensional view of a power module with a plurality of electronic components
  • FIG. 1 shows a three-dimensional view of the first and second cooling plates 1 1 A, 1 1 B of a power module 1.
  • the two cooling plates 1 1 A and 1 1 B are hereby separated for better intuition.
  • the view of the provided thereon, complementary grooves 15 and springs 16 free. These surround each of the passages 12 and 13. This allows them to be sealed well.
  • first and second cooling plate 1 1 A and 1 1 B each have a recess for receiving an electronic component (not shown).
  • Each cooling plate 1 1 A and 1 1 B therefore has a location 8 for arranging the electronic component.
  • spacers 24 are arranged in the region of the point. On these spacers 24 lies in a composite power module, the electronic component (not shown). By the spacers 24 it is ensured that the distance between the electronic component and a cooling plate 1 1 A, 1 1 B is always constant.
  • FIG. 2 shows an exemplary stack of three identical power modules 1.
  • a power module 1 comprises a first cooling plate 1 1A, a second cooling plate 1 1 B and an electronic component 8A arranged therebetween.
  • This electronic component 8A is arranged at a suitable point 8 between the two cooling plates 1 1A, 1B.
  • the cooling plates 1 1A, 11 B have a tongue and groove connection system 15, 16.
  • the first cooling plate 11 A has a groove 15 and the second cooling plate 11 B a spring 16.
  • the groove 15 and the spring 16 are complementary to each other, so that they fit together when assembling the first cooling plate 1 1A on the second cooling plate 1 1 B.
  • a sealing material 23 is arranged between the groove 15 and the spring 16 in this case.
  • This sealing material 23 may e.g. a solder material for producing a material connection between the first and second cooling plate 1 1A, 11 B be.
  • the electronic component 8A has a first cooling surface 6 and a second cooling surface 7. These cooling surfaces 6, 7 are opposite each other and are each in thermal contact with a cooling plate 1 1A, 1 1 B. Between the cooling surfaces 6, 7 of the electronic component 8A and the insides B of the cooling plates 1 1 A, 1 1 B is a sealing material 23rd , In particular a solder material present, for producing a material connection between the electronic component 8A and the cooling plates 1 1A, 11 B.
  • a sealing material 23rd In particular a solder material present, for producing a material connection between the electronic component 8A and the cooling plates 1 1A, 11 B.
  • the electronic component 8A may in particular comprise one or more power semiconductors, such as an IGBT or MOSFET.
  • the electronic component 8A may, in particular, comprise a printed circuit board or a ceramic substrate on which one or more power semiconductors are arranged.
  • the electronic component 8A may form an electrical half-bridge with at least two power semiconductors.
  • Each cooling plate 11 A, 11 B has an inner side B and an outer side A. The inside B is in thermal contact with a cooling surface 6, 7 of the electronic component 8A.
  • the outer side A of a cooling plate 1 1 A, 1 1 B of a power module 1 has a surface structure.
  • These cooling structures are formed in the figures by way of example by so-called pin-fin structures, also called pin cooler.
  • the projections are accordingly formed by individual pins 22.
  • cooling structures are possible.
  • rib and / or honeycomb structures can be used. Some or all of the protrusions are then formed accordingly by ribs or honeycombs.
  • the surface structure is used in the heat exchange between the cooling medium and the cooling plate 1 1A, 1 1 B, wherein the cooling medium flows around the pins 22.
  • the cooling plates 1 1A, 1 B further have a first opening 12 and a second opening 13, which are formed at opposite ends of the cooling plates 1 1A, 1 1 B. These openings 12, 13 serve essentially to transport the cooling medium through the power module stack.
  • the surface structure on the outer side A of the first cooling plate 1 1 A of a power module 1 forms with the surface structure on the outer side A of the second cooling plate 1 1 B, a distribution channel 17 for the cooling medium.
  • a housing module 2 in the form of a dense cover plate.
  • another housing module 3 has at least one inlet 4 and a drain 5 for a cooling medium, for supplying and discharging cooling medium to the individual power modules 1.
  • the inlet and outlet 4, 5 for the cooling medium is connected to the passages 12, 13 in the cooling plates 1 1 A, 1 1 B and the distribution channel 17.
  • a preferred embodiment is that the housing module 3 is the inverter housing. In this version, inlet 4 and outlet 5 are integrated directly into the inverter housing.
  • the power module stack is placed directly on the inverter housing.
  • inlet and outlet 4, 5 for the cooling medium with the passages 12, 13 in the cooling plates 1 1A, 1 1 B and the distribution channel 17 are connected.
  • An alternative stack of power modules 1 has more or fewer such power modules 1.
  • no or other housing modules 2, 3 may be provided in the stack.
  • FIG. 3 shows a three-dimensional sectional representation through a power module stack, as already shown in FIG. 2. It can be clearly seen that each cooling plate 1 1A, 1 1 B has a first opening 12 and a second opening 13.
  • the openings 12, 13 are in such a way in the cooling plates 1 1A, 11 B formed that the surface structure with the pins 22 and the point 8 are arranged with the electronic component 8A therebetween.
  • the openings 12, 13 are connected to the distribution channel 17, which is formed between adjacent power modules 1.
  • the cooling medium passes from a first opening 12 through the distribution channel 17 to a second opening 13. This ensures optimum heat removal from the cooling plates 1 1A, 1 1 B to the cooling medium.
  • Fig. 3 it can be seen that the tongue and groove joint 15, 16 of the cooling plates 1 1A, 1 1 B of a power module 1 are each performed around the openings 12, 13 around.
  • a sealing compound 23 e.g. a lot introduced in the groove 15 .
  • a cohesive connection between the first cooling plate 1 1A and the second cooling plate 1 1 B can be produced. This ensures that the electronic module 8A is separated from the cooling medium flowing through the openings 12, 13 and the distribution channel 17.
  • FIG. 4 and 5 show a top view (FIG. 4) and a bottom view (FIG. 5) of a fanned stack of three identical power modules 1.
  • the electronic component 8A has electrical connections 14, which protrude laterally from the power module 1. As a result, the electronic component 8A can be electrically contacted on both sides. Corresponding electrical connections 14 are provided laterally on the heat sink modules 1.
  • the rest of the embodiment of the power module 1 in FIGS. 4 and 5 corresponds to that of FIG. 2 or FIG. 3. The explanations for this apply correspondingly also to FIGS. 4 and 5.
  • the embodiment of the power module 1 in FIG. 5 corresponds to that of FIG. 1 or FIG. 2. Accordingly, the explanations for this also apply to the embodiment according to FIG. 5.
  • FIG. 6 shows a power module 1 according to the embodiments of FIG. 2, 3.
  • the heat sink module 1 in Fig. 2, 3 however, several points 8 between the first and second cooling plate 1 1 A, 11 B are present here.
  • a plurality of exemplary 3, electronic components 8A between the first and second cooling plate 1 1A, 1 1 B are arranged.
  • FIG. 7 shows a three-dimensional representation of a power module 1 according to FIG. 6.
  • the second cooling plate 1 1 B has a plurality of exemplary regions 3 A in which a cooling surface 7 is integrated.
  • openings are formed, from which electrical connections 14 of the electronic components (not shown) led out of the module 1.
  • FIG. 9 shows a motor vehicle drive train, comprising an electric motor 18 as a traction drive and an inverter 19 for electrical energization of the electric motor 18.
  • the electric motor 18 may in particular be an induction machine, such as a synchronous or asynchronous machine ,
  • the electric machine 18 is supplied with alternating current from the inverter 19 via phase lines.
  • the inverter 19 draws the necessary electrical energy via DC lines from an electrical energy storage 20, such as from an accumulator or capacitor.
  • the electrical energy storage 20 thus provides a direct current. This is converted by the inverter 19 into alternating current for the electric motor 18.
  • the electric motor 18 then drives, for example, vehicle wheels 21.
  • the inverter 19 is constructed from a stack of power modules 1.
  • the inverter 19 may, for example, have or be constructed with a power module stack according to FIGS. 2, 3. As can be seen in FIG. 2, the axial terminations of the power module stack can be formed by housing modules 2, 3.
  • a flow control agent A flow control agent
  • a electronic component A electronic component

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul (1), umfassend eine erste Kühlplatte (11A), eine zweite Kühlplatte (11B), ein Elektronikbauteil (8A), welches eine erste Kühlfläche (6) und eine dieser gegenüberliegende zweite Kühlfläche (7) aufweist, eine Stelle (8) zum Anordnen mindestens eines Elektronikbauteils (8A) zwischen der ersten und zweiten Kühlplatte (11A, 11B) derart, dass von den Kühlflächen (6, 7) des Elektronikbauteils (8A) Wärme an die Kühlplatten (11A, 11B) abgegeben werden kann, wobei eine Kühlplatte (11A, 11B) eine der anderen Kühlplatte (11B, 11A) zugewandte Innenseite und eine der anderen Kühlplatte (11B, 11A) abgewandte Außenseite aufweist, wobei die Kühlplatten (11A, 11B) an der Außenseite einen Bereich mit einer Oberflächenstruktur aufweisen zur Abführung von Wärme an ein an der Oberflächenstruktur vorbeiströmendes Kühlmedium und wobei die Kühlplatten (11A, 11B) einen ersten Durchgang (12) aufweisen zur Führung eines Kühlmediums von der Außenseite der einen Kühlplatte (11A, 11B) zur Außenseite der anderen Kühlplatte (11B, 11A) und wobei die Kühlplatten (11A, 11B) über komplementäre Nuten (15) und Federn (16) verfügen, derart, dass auf der Innenseite einer Kühlplatte (11A, 11B) eine Nut (15) um einen Durchgang (12) herum ausgebildet ist und auf der Innenseite der anderen Kühlplatte (11B, 11A) eine komplementäre Feder (16) ausgebildet ist und wobei die Kühlplatten (11A, 11B) jeweils einteilig ausgebildet sind und wobei die Kühlplatten (11A, 11B) stoffschlüssig mit dem Elektronikbauteil (8A) verbunden sind und wobei die Kühlplatten (11A, 11B) miteinander stoffschlüssig verbunden sind.

Description

Leistungsmodul mit Kühlplatten
Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit einem Elektronikbauteil, ein Leistungsmodulstapel, ein Wechselrichter und ein Kraftfahrzeugantriebsstrang.
Es sind stapelbare Elektronikmodule bekannt, die jeweils an eine externe Kühlplatte angeordnet werden. Es sind auch übereinander anordbare Elektronikmodule bekannt, die zusammen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Aus solchen Modulen kann ein Wechselrichter aufgebaut werden, der beispielsweise zur elektrischen Bestromung einer E-Maschine eines Kraftfahrzeugs einsetzbar ist.
Aus der EP 2 019 429 A1 ist ein Modul für eine Leistungselektronik bekannt, das eine Entwärmung über zwei gegenüberliegende Kühlflächen des Moduls ermöglicht. Das Modul an sich ist nicht stapelbar ausgeführt.
In der nicht-vorveröffentlichten DE 10 2016 223 889.2 der Anmelderin wird ein stapelbares Elektronikmodul vorgeschlagen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die in den Hauptansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen hiervon sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Demnach werden vorgeschlagen: ein Leistungsmodul, ein Leistungsmodulstapel, ein Wechselrichter sowie ein Kraftfahrzeugantriebsstrang.
Das vorgeschlagene Leistungsmodul umfasst eine erste Kühlplatte, eine zweite Kühlplatte und ein Elektronikbauteil. Die beiden Kühlplatten sind dabei derart ausgebildet Wärme vom Elektronikmodul aufzunehmen und abzutransportieren. Das Elektronikbauteil weist hierbei eine erste Kühlfläche und eine dieser gegenüberliegenden zweiten Kühlfläche auf. Über diese beiden Kühlflächen gibt das Elektronikbauteil Wärme an seine unmittelbare Umgebung ab. Das erfindungsgemäße Leistungsmodul weist ferner eine Stelle zum Anordnen des mindestens einen Elektronikbauteils zwischen der ersten und zweiten Kühlplatte auf. Dadurch ist ein optimaler Wärmeübergang zwischen Elektronikbauteil und Kühlplatte gewährleistet. Die beiden Kühlplatten bilden dadurch im Wesentlichen ein Gehäuse um das Elektronikbauteil herum, in das dieses eingebettet ist. Es können auch mehrere solcher Stellen für mehrere Elektronikbauteile zwischen den beiden Seiten vorgesehen sein. Dadurch können komplexe elektrische Schaltungen mit dem Kühlkörpermodul kühlbar sein.
Die beiden Kühlplatten weisen dabei jeweils eine Innenseite und jeweils eine Außenseite auf. Dabei ist die Innenseite einer Kühlplatte der anderen Kühlplatte zugewandt, wobei die Außenseiten einer Kühlplatte von der anderen Kühlplatte abgewandt ist. An der Außenseite weisen die Kühlplatten jeweils einen Bereich mit einer Oberflächenstruktur auf, welche geeignet ist Wärme an ein Kühlmedium, welches an dieser Oberflächenstruktur vorbeiströmt abzugeben. Insbesondere kann die Oberflächenstruktur eine Pin-Fin-Struktur oder eine Kanalstruktur darstellen, durch welche ein Kühlmedium geleitet werden kann.
Das vorgeschlagene Leistungsmodul weist einen Durchgang zur Führung eines Kühlmediums von der Außenseite der einen Kühlplatte zur Außenseite der anderen Kühlplatte auf. Damit ist es möglich, dass nahezu das gesamte Leistungsmodul mit Kühlmedium umströmt werden kann, so dass eine optimale Wärmeabfuhr von den Kühlplatten zum Kühlmedium gewährleistet werden kann.
Die Kühlplatten des vorgeschlagenen Leistungsmoduls weisen zudem komplementäre Nuten und Federn auf. Mit anderen Worten, eine Kühlplatte weist dabei eine Nut, die andere Kühlplatte eine entsprechende Feder, welche beim Zusammensetzen der beiden Kühlplatten in die Nut der einen Kühlplatte eingreifen kann. Unter einer Nut wird hierbei im Wesentliche eine Vertiefung in der Kühlplatte verstanden. Unter einer Feder wird eine entsprechende Erhebung auf der Kühlplatte verstanden, welche derart ausgebildet ist, dass sie in die Nut der anderen Kühlplatte einbringbar ist. Die Nuten und Federn sind hierbei jeweils auf der Innenseite der Kühlplatten angeordnet und liegen sich somit gegenüber. Dabei sind die Nuten und Federn um den Durch- gang herum angeordnet. Somit wird eine Nut- und Federverbindung zwischen den beiden Kühlplatten gebildet. Damit kann eine Vereinfachung der Abdichtung der Stelle, an der das Elektronikbauteil angeordnet ist von dem Kühlmedium erreicht werden.
Bei dem Elektronikbauteil zum Anordnung zwischen die Kühlflächen des Kühlkörpermoduls handelt es sich insbesondere um ein im Betrieb Wärme abgebendes Elektronikbauteil. Dies kann insbesondere ein Leistungselektronikbauteil sein, wie insbesondere ein Leistungshalbleiter, wie beispielsweise ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Elektronikbauteil auch um einen elektrischen ohmschen Widerstand und/oder eine elektrische Induktivität und/oder eine elektrische Kapazität handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Elektronikbauteil um einen Chip oder eine Leiterplatte oder dergleichen handeln, mit einem oder mehreren darauf oder darin angeordneten elektrischen Bauteilen.
Die beiden Kühlplatten können insbesondere aus einem wärmeleitfähigen Metall, zweckmäßig aus dem gleichen Material gefertigt sein. Durch die Verwendung eines wärmeleitfähigen Materials, z.B. Eisen oder Aluminium oder Kupfer oder Silber (dies beinhaltet auch Fe- oder AI- oder Cu- oder Ag-Legierungen) ist sichergestellt, dass ein schneller Wärmetransport innerhalb der Kühlplatten möglich ist, so dass die vom Elektronikbauteil abgegebene Wärme schnell an das an den Kühlplatten vorbeifließende Kühlmedium abgegeben werden kann. Bei der Verwendung des gleichen Materials für die erste und die zweite Kühlplatte können auftretende thermische Spannungen zwischen den beiden Kühlplatten verhindert werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass auch bei unterschiedlicher Erwärmung der beiden Kühlplatten es zu keinen Verspannungen innerhalb des Leistungsmoduls kommt.
In dem vorgeschlagenen Leistungsmodul sind die Kühlplatten jeweils einteilig ausgebildet. Mit anderen Worten die Kühlplatte umfasst dabei einerseits den Bereich, in welchem der Durchbruch in der Kühlplatte ausgebildet ist und andererseits den Bereich, in dem sich die Stelle zum Anordnen eines Elektronikbauteils befindet. Schließlich umfasst die Kühlplatte auch den Bereich mit der Oberflächenstruktur auf der Außenseite zur Abführung von Wärme an ein Kühlmedium. Dadurch, dass die Kühlplat- ten einteilig ausgebildet ist, können auf weitere Teile, wie beispielsweise Rahmen, Träger etc, und der entsprechend notwendigen Fügestellen bzw. Fügeprozesse verzichtet werden. Die einteilig ausgeführten Kühlplatten sind deshalb besonders kostengünstig.
Das erfindungsgemäße Leistungsmodul zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die Kühlplatten mit dem Elektronikbauteil stoffschlüssig verbunden sind. Hierbei kann das Elektronikbauteil mit den Kühlplatten verlötet, verschweißt, versintert oder veklebt sein. Dadurch wird ein optimaler Wärmetransport von der Wärmefläche des Elektronikbauteils zu den Kühlplatten sichergestellt.
Die erste und zweite Kühlplatten sind ferner stoffschlüssig miteinander verbunden. Insbesondere sind die beiden Kühlplatten im Bereich des Durchgangs, d.h. im Bereich der Nut und Feder verlötet, verschweißt, versintert oder veklebt. Damit ist sichergestellt, dass die beiden Kühlplatten mediendicht miteinander verbunden sind und innerhalb des Durchgangs fließendes Kühlmedium nicht durch die Nut- und Federverbindung der beiden Kühlplatten an das Elektronikbauteil gelangen kann.
In dem Leistungsmodul sind die Nut und Feder der Kühlplatten somit ineinandergreifend und gewährleisten eine sichere Abdichtung des zwischen den Kühlplatten angeordneten Elektronikbauteils. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls können die Nut und Feder in den Kühlplatten bzw, kann die Nut- und Federverbindung in dem Leistungsmodul derart ausgebildet sein, dass beim Eingreifen der Feder der einen Kühlplatte in die Nut der anderen Kühlplatte die Feder nicht am Boden der Nut aufsitzt. Mit anderen Worten, die Nut der anderen Kühlplatte ist derart ausgebildet, dass die Feder der einen Kühlplatte ein entsprechendes Spiel innerhalb der Nut aufweist, so dass ein Spalt zwischen dem Boden der Nut und den Seitenwänden der Nut zur der Feder vorhanden ist. Die Nut- und Federverbindung stellt somit keine formschlüssige Verbindung dar.
Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass in dem Spalt zwischen Nut und Feder ausreichend Dichtmasse, z.B. Lotmaterial vorhanden ist, so dass zwischen der ersten Kühlplatte und der zweiten Kühlplatte eines Leistungsmoduls ein optimaler Ab- stand einstellbar ist, um eine stoffschlüssige Verbindung mit einem optimalen Wärmeübergang zwischen dem Elektronikbauteil und den Kühlplatten herzustellen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls können auf der Innenseite der Kühlplatten in einem Bereich der Kühlflächen des Elektronikbauteils Abstandshalter vorhanden sein. Diese Abstandshalter können hierbei Erhebungen sein, welche von der Innenseite der Kühlplatte in Richtung des Elektronikbauteils weisen. Die Abstandshalter können aber auch Einlegeteile sein, welche zwischen der Innenseite der Kühlplatten und der Kühlfläche des Elektronikbauteils eingebracht sind. Durch die Abstandshalter wird sichergestellt, dass der Abstand zwischen einer Kühlfläche des Elektronikbauteils zu einer Kühlplatte trotz vorhandener Toleranzen in der Dicke des Elektronikbauteils konstant bleibt. Damit wird sichergestellt, dass trotz fertigungsbedingter Toleranzen bei der Herstellung von Elektronikbauteilen der Wärmeübergang zwischen der Kühlfläche eines Elektronikbauteils und einer Wärmeplatte in den Leistungsmodulen immer konstant bleibt.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls kann zwischen der Nut und der Feder sowie zwischen einer Kühlfläche des Elektronikbauteils und einer Innenseite der Kühlplatte ein Dichtmaterial angeordnet sein. Das Dichtmaterial kann eine Dichtmasse sein. Insbesondere kann das Dichtmaterial eine Lotmasse oder eine Sinterpaste sein. Die Lotmasse kann dabei auf die Kühlfläche des Elektronikbauteils aufgebracht, z.B. aufgedruckt sein. Die Lotmasse kann ferner auf die Feder der einen Kühlplatte aufgebracht, z.B. aufgedruckt sein. In dem Leistungsmodul kann die Lotmasse somit die gesamte Kühlfläche des Elektronikbauteils bedecken. Dadurch wird eine optimale thermische Verbindung zwischen der Kühlfläche des Elektronikbauteils und der Kühlplatte erzeugt. Ferner kann die Lotmasse entlang der gesamten Nut- und Federverbindung um den Durchgang herum verlaufen. Die Lotmasse kann dabei den gesamten Spalt zwischen der Feder und der Nut ausfülllen und somit eine optimale Verbindung und Abdichtung gewährleisten.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls kann die Oberflächenstruktur auf einer Außenseite einer Kühlplatte eine Pin-Fin-Struktur sein. Die Pin-Fin-Struktur, auch als Stiftkühler bezeichnet, kann dabei durch eine Mehrzahl von Erhebungen, z.B. Stiften an der Außenseite einer Kühlplatte gebildet sein. Es sind jedoch auch andere Ausführungen für Kühlstrukturen möglich. Beispielsweise können optional oder alternativ auch Rippen- und/oder Wabenstrukturen eingesetzt werden. Einige oder alle Erhebungen werden dann dementsprechend durch Rippen oder Waben gebildet.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls können die Kühlplatten einen zweiten Durchgang aufweisen. Der erste und der zweite Durchgang können dabei an gegenüberliegenden Enden der Kühlplatte angeordnet sein. Mit dieser Anordnung ist es möglich, dass das Kühlmedium effektiver an die Außenseite der Kühlplatten geführt werden kann. Somit kann ferner das Kühlmedium von einem der beiden Durchgänge hergeführt werden und über die jeweilige Außenfläche einer Kühlplatte strömen und von dem anderen der beiden Durchgänge abgeführt werden. Mit anderen Worten dienen die Durchgänge also zum Durchleiten des Kühlmediums durch das Leistungsmodul hindurch und an der oder den als Kühlflächen dienenden Außenseiten der Kühlplatten vorbei.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls können die Kühlplatten eine seitliche Begrenzung für das Elektronikbauteil an zumindest zwei Seiten aufweisen. Dadurch ist es möglich, dass das Elektronikbauteil an der vorgesehenen Stelle zwischen den beiden Kühlplatten besser positioniert werden kann.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls können mehrere Stellen zum Anordnen von Elektronikbauteilen zwischen den Kühlplatten vorhanden sein. Dadurch ist es möglich, auf einer größeren Grundfläche Elektronikbauteile nebeneinander anzuordnen, wodurch sich Vorteile im Schaltungsaufbau und in der Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums ergeben können.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls ist das Leistungsmodul derart ausgebildet, dass es mit gleichartigen oder identischen Leistungsmodulen durch Anordnung auf eine Außenseite gestapelt werden kann. Durch Anordnung mehrerer solcher Leistungsmodule zu einem Leistungsmodulstapel können somit einfach komplexe elektrische Schaltungen aufgebaut werden, die zudem einfach kühlbar sind. Insbesondere bedeutet dies, dass das Leistungsmodul dazu ausgeführt ist, mit dem weiteren Leistungsmodul nach Wahl auf die erste Kühlplatte oder die zweite Kühlplatte gestapelt zu werden. Beide Kühlplatten des Leistungsmoduls sind also gleichermaßen dazu geeignet, um das weitere Leistungsmodul daran anzuordnen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Leistungsmodulstapel, welcher zumindest zwei Leistungsmodule aufweist. Zur Bildung des Leistungsmodulstapels sind die Leistungsmodule derart zueinander angeordnet, dass die erste Kühlplatte des einen Leistungsmoduls an der zweiten Kühlplatte des hierzu direkt benachbarten Leistungsmoduls anliegt, wobei die Durchgänge in Reihe angeordnet sind. Bei der Verwendung von mehr als zwei Leistungsmodulen wird die Anordnung entsprechend fortgesetzt, so dass stets die erste Kühlplatte eines Leistungsmoduls direkt an der zweiten Kühlplatte eines direkt benachbarten Leistungsmoduls anliegt.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmodulstapels kann zwischen der ersten Kühlplatte des einen Leistungsmoduls und der zweiten Kühlplatte des direkt benachbarten Leistungsmoduls ein Verteilerkanal für ein Kühlmedium gebildet sein. Durch die Bildung eines Verteilerkanals zwischen benachbarten Leistungsmodulen kann eine optimale Wärmeabgabe der einzelnen Leistungsmodule an das Kühlmedium erfolgen. Ferner können die einzelnen Leistungsmodule bauraumsparend aufgebaut werden, da für ein einzelnes Leistungsmodul kein eigener Verteilerkanal zur Führung von Kühlmedium entlang einer Kühlplatte vorgesehen werden muss. Der Verteilerkanal für Kühlmedium kann vielmehr dadurch gebildet werden, dass zwei Leistungsmodule entsprechend gestapelt werden. Zwischen diesen beiden Leistungsmodulen kann dann zwischen der ersten/zweiten Kühlplatte des einen Leistungsmoduls und der zweiten/ersten Kühlplatte des direkt benachbarten Leistungsmoduls ein Verteilerkanal gebildet werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Leistungsmodul ein oder mehrere Elektronikbauteile zur Bildung eines Wechselrichters aufweist. Mittels eines Wechselrichters kann ein Gleichstrom in einen Wechselstrom umgewandelt werden und/oder umgekehrt. Das vorgeschlagene Leistungsmodul kann über zumindest eine elektrische Halbbrücke mit einem ersten und einem zweiten Leistungshalbleiter als Elektronikbauteile verfügen.
Das Leistungsmodul weist insbesondere einen Highside-Leistungshalbleiter und einen Lowside-Leistungshalbleiter auf, insbesondere je ein IGBT oder MOSFET. Aus mehreren identischen oder vergleichbaren Leistungsmodul kann dann beispielsweise eine elektrische Vollbrücke gebildet werden. Beispielsweise kann mit drei solcher Leistungsmodulen, die dann bevorzugt direkt aufeinandergestapelt sind, ein Bö- Wechselrichter gebildet werden.
Der vorgeschlagene Wechselrichter zur elektrischen Bestromung einer E-Maschine weist daher mehrere solcher vorgeschlagenen Elektronikmodule gestapelt auf. Beispielsweise können die Elektronikmodule unmittelbar aufeinandergestapelt sein. Wie erläutert kann beispielsweise ein B6-Wechselrichter durch einen Stapel von drei solcher Leistungsmodule gebildet sein. Ein derartiger Wechselrichter kann durch die einfache Massenfertigbarkeit solcher Leistungsmoduls kostengünstig aufgebaut werden. Die Verwendung weiterer Kühlstrukturen kann entfallen. Außerdem ist ein solcher Wechselrichter einfach skalierbar, da beliebig viele Module aufeinander stapelbar sind.
Der ebenfalls vorgeschlagene Kraftfahrzeugantriebsstrang weist eine E-Maschine als Traktionsantrieb auf. Die E-Maschine dient also zum Fahrzeugvortrieb oder zur Fahrzeugverzögerung. Bei der Fahrzeugverzögerung arbeiten die E-Maschine und der Wechselrichter bevorzugt generatorisch und laden die Batterie. Der Antriebsstrang kann daher für ein rein elektrisch angetriebenes E-Fahrzeug dienen, oder er kann mit einem Verbrennungsmotor für ein Hybridfahrzeug dienen. Der Kraftfahrzeugantriebsstrang zeichnet sich durch den vorgeschlagenen Wechselrichter zur elektrischen Bestromung der E-Maschine aus. Der Wechselrichter weist also, wie erläutert, einen Stapel aus mehreren der vorgeschlagenen Leistungsmodule auf. Unter einer solchen elektrischen Bestromung ist sowohl ein Zuführen von elektrischen Strömen zu der E- Maschine zu verstehen, als auch ein Abführen von elektrischen Strömen von der E- Maschine. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht der Kühlplatten eines Leistungsmoduls
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch einen Leistungsmodulstapel, Fig. 3 eine dreidimensionale Schnittdarstellung durch einen Leistungsmodulstapel,
Fig. 4 in einer ersten Explosionsdarstellung mehrere übereinander angeordnete Leistungsmodule,
Fig. 5 in einer zweiten Explosionsdarstellung mehrere übereinander angeordnete Leistungsmodule,
Fig. 6 eine Schnittdarstellung durch ein Leistungsmodul mit mehreren Elektronikbauteilen,
Fig. 7 eine dreidimensionale Ansicht eines Leistungsmoduls mit mehreren Elektronikbauteilen,
Fig. 8 einen Kraftfahrzeugantriebsstrang.
In den Figuren sind gleiche oder zumindest funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein eine dreidimensionale Ansicht der ersten und zweiten Kühlplatte 1 1 A, 1 1 B eines Leistungsmoduls 1 . Die beiden Kühlplatten 1 1 A und 1 1 B sind hierbei zur besseren Anschauung voneinander getrennt. Dadurch ist der Blick auf die daran vorgesehen, komplementären Nuten 15 und Federn 16 frei. Diese umgeben jeweils die Durchgänge 12 und 13. Dadurch können diese gut abgedichtet werden.
Außerdem verfügen die erste und zweite Kühlplatte 1 1 A und 1 1 B jeweils über eine Vertiefung zur Aufnahme eines Elektronikbauteils (nicht dargestellt). Jede Kühlplatte 1 1 A und 1 1 B verfügt demnach über eine Stelle 8 zum Anordnen des Elektronikbauteils. Auf der Innenseite B der Kühlplatten 11 A, 1 1 B sind im Bereich der Stelle 8 Abstandshalter 24 angeordnet. Auf diesen Abstandshaltern 24 liegt in einem zusammengesetzten Leistungsmodul das Elektronikbauteil (nicht dargestellt) auf. Durch die Abstandshalter 24 ist sichergestellt, dass der Abstand zwischen dem Elektronikbauteil und einer Kühlplatte 1 1 A, 1 1 B immer konstant ist.
Fig. 2 zeigt einen beispielhaften Stapel aus drei identischen Leistungsmodulen 1 . Wie in Fig. 1 bereits beschrieben, umfasst ein Leistungsmodul 1 eine erste Kühlplatte 1 1A, eine zweite Kühlplatte 1 1 B und ein dazwischen angeordnetes Elektronikbauteil 8A. Dieses Elektronikbauteil 8A ist hierbei an einer geeigneten Stelle 8 zwischen den beiden Kühlplatten 1 1A, 1 B angeordnet.
Wie in Fig. 1 bereits gezeigt, weisen die Kühlplatten 1 1A, 1 1 B ein Nut-Feder- Verbindungssystem 15, 16 auf. Hierbei weist die erste Kühlplatte 11A eine Nut 15 und die zweite Kühlplatte 11 B eine Feder 16 auf. Die Nut 15 und die Feder 16 sind komplementär zueinander ausgeführt, so dass sie beim Zusammensetzen der ersten Kühlplatte 1 1A auf die zweite Kühlplatte 1 1 B ineinanderpassen. Zwischen der Nut 15 und der Feder 16 ist hierbei ein Dichtmaterial 23 angeordnet. Dieses Dichtmaterial 23 kann z.B. ein Lotmaterial zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der ersten und zweiten Kühlplatte 1 1A, 11 B sein.
Das Elektronikbauteil 8A weist eine erste Kühlfläche 6 und eine zweite Kühlfläche 7 auf. Diese Kühlflächen 6, 7 liegen sich gegenüber und stehen jeweils in thermischen Kontakt mit einer Kühlplatte 1 1A, 1 1 B. Zwischen den Kühlflächen 6, 7 des Elektronikbauteils 8A und den Innenseiten B der Kühlplatten 1 1 A, 1 1 B ist ein Dichtmaterial 23, insbesondere ein Lotmaterial vorhanden, zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Elektronikbauteil 8A und den Kühlplatten 1 1A, 11 B.
Das Elektronikbauteil 8A kann insbesondere einen oder mehrere Leistungshalbleiter, wie einen IGBT oder MOSFET, aufweisen. Das Elektronikbauteil 8A kann insbesondere eine Leiterplatte / PCB (= printed circuit board) oder ein Keramiksubstrat aufweisen, auf dem ein oder mehrere Leistungshalbleiter angeordnet sind. Das Elektronikbauteil 8A kann eine elektrische Halbbrücke mit zumindest zwei Leistungshalbleitern bilden. Jede Kühlplatte 11 A, 11 B weist eine Innenseite B und eine Außenseite A auf. Die Innenseite B steht dabei in thermischen Kontakt mit einer Kühlfläche 6, 7 des Elektronikbauteils 8A. Die Außenseite A einer Kühlplatte 1 1 A, 1 1 B eines Leistungsmoduls 1 weist eine Oberflächenstruktur auf. Diese Kühlstrukturen werden in den Figuren beispielhaft durch so genannte Pin-Fin-Strukturen gebildet, auch Stiftkühler genannt. Die Vorsprünge werden demnach durch einzelne Stifte 22 gebildet. Es sind jedoch andere Ausführungen für die Kühlstrukturen möglich. Beispielsweise können optional oder alternativ auch Rippen- und/oder Wabenstrukturen eingesetzt werden. Einige oder alle der Vorsprünge werden dann dementsprechend durch Rippen oder Waben gebildet. Die Oberflächenstruktur dient herbei dem Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmedium und der Kühlplatte 1 1A, 1 1 B, wobei das Kühlmedium die Stifte 22 umspült. Die Kühlplatten 1 1A, 1 B weisen ferner einen ersten Durchbruch 12 und einen zweiten Durchbruch 13 auf, welche an gegenüberliegenden Enden der Kühlplatten 1 1A, 1 1 B ausgeführt sind. Diese Durchbrüche 12, 13 dienen im Wesentlichen dem Transport des Kühlmediums durch den Leistungsmodulstapel.
Die Oberflächenstruktur auf der Außenseite A der erste Kühlplatte 1 1 A eines Leistungsmoduls 1 bildet mit der Oberflächenstruktur auf der Außenseite A der zweiten Kühlplatte 1 1 B einen Verteilerkanal 17 für das Kühlmedium .
Oberhalb ist der Leistungsmodulstapel durch ein Gehäusemodul 2 in Form einer dichten Abdeckplatte abgeschlossen. Unterhalb ist der Stapel durch ein weiteres Gehäusemodul 3 abgeschlossen. Dieses Gehäusemodul 3 weist zumindest einen Zulauf 4 und einen Ablauf 5 für ein Kühlmedium auf, zum Zuführen und Abführen von Kühlmedium zu den einzelnen Leistungsmodulen 1 . Der Zu- bzw. Ablauf 4, 5 für das Kühlmedium ist mit den Durchgängen 12, 13 in den Kühlplatten 1 1 A, 1 1 B und dem Verteilerkanal 17 verbunden. Eine bevorzugte Ausführung ist, dass das Gehäusemodul 3 das Wechselrichtergehäuse ist. In dieser Ausführung sind Zulauf 4 und Ablauf 5 direkt in das Wechselrichtergehäuse integriert. Der Leistungsmodulstapel wird direkt auf das Wechselrichtergehäuse gesetzt. Dabei sind Zu- bzw. Ablauf 4, 5 für das Kühlmedium mit den Durchgängen 12, 13 in den Kühlplatten 1 1A, 1 1 B und dem Verteilerkanal 17 verbunden. Ein alternativer Stapel aus Leistungsmodulen 1 weist mehr oder weniger solcher Leistungsmodulen 1 auf. Außerdem können in dem Stapel keine oder andere Gehäusemodule 2, 3 vorgesehen sein.
Fig. 3 zeigt eine dreidimensionale Schnittdarstellung durch einen Leistungsmodulstapel, wie er bereits in Fig. 2 dargestellt ist. Deutlich ist zu erkennen, dass jede Kühlplatte 1 1A, 1 1 B einen ersten Durchbruch 12 und einen zweiten Durchbruch 13 aufweist. Die Durchbrüche 12, 13 sind dabei derart in den Kühlplatten 1 1A, 11 B ausgebildet, dass die Oberflächenstruktur mit den Stiften 22 bzw. die Stelle 8 mit dem Elektronikbauteil 8A dazwischen angeordnet sind. Die Durchbrüche 12, 13 sind mit dem Verteilerkanal 17, welcher zwischen benachbarten Leistungsmodulen 1 gebildet ist, verbunden. Dadurch gelangt das Kühlmedium von einem ersten Durchbruch 12 durch den Verteilerkanal 17 zu einem zweiten Durchbruch 13. Damit wird ein optimaler Wärmeabtransport von den Kühlplatten 1 1A, 1 1 B an das Kühlmedium gewährleistet.
Aus Fig. 3 ist zu erkennen, dass die Nut- und Federverbindung 15, 16 der Kühlplatten 1 1A, 1 1 B eines Leistungsmoduls 1 jeweils um die Durchbrüche 12, 13 herum ausgeführt sind. Wie bereits oben beschrieben, ist in der Nut 15 eine Dichtmasse 23, z.B. ein Lot eingebracht. Dadurch ist eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der ersten Kühlplatte 1 1A und der zweiten Kühlplatte 1 1 B herstellbar. Damit wird sichergestellt, dass das Elektronikmodul 8A von dem durch die Durchbrüche 12, 13 und dem Verteilerkanal 17 strömenden Kühlmedium abgetrennt ist.
Fig. 4 und 5 zeigen eine Ansicht von oben (Fig. 4) und eine Ansicht von unten (Fig. 5) auf einen aufgefächerten Stapel aus drei identischen Leistungsmodulen 1 .
Das Elektronikbauteil 8A weist hierbei elektrische Anschlüsse 14 auf, welche seitlich aus dem Leistungsmodul 1 herausragen. Dadurch kann das Elektronikbauteil 8A beidseitig elektrisch kontaktiert werden. Entsprechende elektrische Anschlüsse 14 sind seitlich an den Kühlkörpermodulen 1 vorgesehen. Die übrige Ausführung des Leistungsmoduls 1 in Fig. 4 und 5 entspricht derjenigen aus Fig. 2 oder Fig. 3. Die Erläuterungen hierzu gelten dementsprechend auch für Fig. 4 und 5.
Ansonsten entspricht die Ausführungsform des Leistungsmoduls 1 in Fig. 5 derjenigen aus Fig. 1 oder Fig. 2. Die Erläuterungen hierzu gelten dementsprechend auch für die Ausführungsform nach Fig. 5.
Fig. 6 zeigt ein Leistungsmodul 1 gemäß den Ausführungen von Fig. 2,3 . Im Gegensatz zu dem Kühlkörpermodul 1 in Fig. 2, 3 sind hier allerdings mehrere Stellen 8 zwischen der ersten und zweiten Kühlplatte 1 1 A, 11 B vorhanden. Somit sind mehrere, beispielhaft 3, Elektronikbauteile 8A zwischen der ersten und zweiten Kühlplatte 1 1A, 1 1 B angeordnet.
Fig. 7 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines Leistungsmoduls 1 gemäß Fig. 6. In Dieser Darstellung ist zu erkennen, dass die zweite Kühlplatte 1 1 B mehrere, beispielhaft 3 Bereiche 7A aufweist, in welchen eine Kühlfläche 7 integriert ist. Seitlich an dem Leistungsmodul 1 sind Öffnungen ausgebildet, aus denen elektrische Anschlüsse 14 der Elektronikbauteile (nicht dargestellt) aus dem Modul 1 herausgeführt sind.
Fig. 9 zeigt einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, aufweisend eine E-Maschine 18 als ein Traktionsantrieb sowie einen Wechselrichter 19 zur elektrischen Bestromung der E-Maschine 18. Bei der E-Maschine 18 kann es sich insbesondere um eine Drehfeldmaschine handeln, wie eine Synchron- oder Asynchronmaschine. Die E-Maschine 18 wird über Phasenleitungen mit Wechselstrom vom Wechselrichter 19 versorgt. Der Wechselrichter 19 bezieht die dazu nötige elektrische Energie über Gleichstromleitungen aus einem elektrischen Energiespeicher 20, wie beispielsweise aus einem Akkumulator oder Kondensator. Der elektrische Energiespeicher 20 liefert also einen Gleichstrom. Dieser wird vom Wechselrichter 19 in Wechselstrom für die E-Maschine 18 gewandelt. Die E-Maschine 18 treibt dadurch dann beispielsweise Fahrzeugräder 21 an. Der Wechselrichter 19 ist vorliegend aus einem Stapel von Leistungsmodulen 1 aufgebaut. Dazu werden zwei oder mehr der vorgeschlagenen Leistungsmodule 1 eingesetzt. Der Wechselrichter 19 kann beispielsweise einen Leistungsmodulstapel gemäß Fig. 2, 3 aufweisen oder damit aufgebaut sein. Die axialen Abschlüsse des Leistungsmodulstapels können, wie in Fig. 2 sichtbar, von Gehäusemodulen 2, 3 gebildet werden.
Bezuqszeichen Kühlkörpermodul
Gehäusemodul
Gehäusemodul
Zulauf
Ablauf
Kühlfläche
A Strömungsführungsmittel
Kühlfläche
Stelle
A Elektronikbauteil
1 1A erstes Gehäuseteil
1 1 B zweites Gehäuseteil
12 Durchgang
13 Durchgang
14 elektrischer Anschluss
15 Nut
16 Feder
17 Verteilerkanal
18 E-Maschine
19 Wechselrichter
20 Energiespeicher
21 Fahrzeugräder
22 Stifte
23 Dichtmasse/Lot
24 Abstandshalter
A Außenseite
B Innenseite

Claims

Patentansprüche
1 . Leistungsmodul (1 ), umfassend
eine erste Kühlplatte (1 1 A),
eine zweite Kühlplatte (1 1 B),
ein Elektronikbauteil (8A),
welches eine erste Kühlfläche (6) und eine dieser gegenüberliegende zweite Kühlfläche (7) aufweist,
eine Stelle (8) zum Anordnen mindestens eines Elektronikbauteils (8A) zwischen der ersten und zweiten Kühlplatte (11A, 1 1 B) derart, dass von den Kühlflächen (6, 7) des Elektronikbauteils (8A) Wärme an die Kühlplatten (1 1 A, 1 1 B) abgegeben werden kann,
wobei eine Kühlplatte (1 1A, 1 1 B) eine der anderen Kühlplatte (1 1 B, 11 A) zugewandte Innenseite und eine der anderen Kühlplatte (1 1 B, 1 1 A) abgewandte Außenseite aufweist,
wobei die Kühlplatten (11 A, 1 1 B) an der Außenseite einen Bereich mit einer Oberflächenstruktur aufweisen zur Abführung von Wärme an ein an der Oberflächenstruktur vorbeiströmendes Kühlmedium und
wobei die Kühlplatten (11A, 1 1 B) einen ersten Durchgang (12) aufweisen zur Führung eines Kühlmediums von der Außenseite der einen Kühlplatte (1 1 A, 1 1 B) zur Außenseite der anderen Kühlplatte (11 B, 1 1A) und
wobei die Kühlplatten (1 1A, 1 1 B) über komplementäre Nuten (15) und Federn (16) verfügen, derart, dass auf der Innenseite einer Kühlplatte (1 1A, 1 1 B) eine Nut (15) um einen Durchgang (12) herum ausgebildet ist und auf der Innenseite der anderen Kühlplatte (1 1 B, 1 1A) eine komplementäre Feder (16) ausgebildet ist und
wobei die Kühlplatten (11A, 1 1 B) jeweils einteilig ausgebildet sind und
wobei die Kühlplatten (11A, 1 1 B) stoffschlüssig mit dem Elektronikbauteil (8A) verbunden sind und
wobei die Kühlplatten (11A, 1 1 B) miteinander stoffschlüssig verbunden sind.
2. Leistungsmodul (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nut (15) und Feder (16 ) in den Kühlplatten (1 1A, 1 B) derart ausgebildet sind, dass beim Eingreifen der Feder (16) der einen Kühlplatte (1 1A. 1 1 B) in die Nut (15) der anderen Kühlplatte (1 1 B, 1 1A) die Feder (16) nicht am Boden der Nut (15) aufsitzt.
3. Leistungsmodul (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Innenseite der Kühlplatten (1 1A, 1 B) in einem Bereich der Kühlflächen (6, 7) des Elektronikbauteils (8A) ein Abstandshalter vorhanden ist.
4. Leistungsmodul (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Nut (15) und der Feder (16) sowie zwischen einer Kühlfläche (6, 7) des Elektronikbauteils (8A) und einer Innenseite einer Kühlplatte (1 1A, 11 B) ein Dichtmaterial angeordnet ist.
5. Leistungsmodul (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberflächenstruktur auf einer Außenseite einer Kühlplatte (1 1 A, 1 1 B) eine Pin- Fin-Struktur ist.
6. Leistungsmodul (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlplatten (1 1A, 1 1 B) einen zweiten Durchgang (13) aufweisen, wobei die Durchgänge (12, 13) an gegenüberliegenden Enden der Kühlplatten (1 1A, 1 1 B) angeordnet sind.
7. Leistungsmodul (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlplatten (1 1A, 1 1 B) eine seitliche Begrenzung (S) für das Elektronikbauteil (8A) an zumindest zwei Seiten aufweisen.
8. Leistungsmodul (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatten (1 1A, 1 1 B) aus einem wärmeleitfähigen Metall bestehen.
9. Leistungsmodul (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlplatten (1 1A, 1 1 B) mehrere Stellen (8) zum Anordnen eines Elektronikbauteils (8A) aufweisen.
10. Leistungsmodul (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
das Leistungsmodul (1 ) ausgebildet ist mit einem gleichartigen oder identischen Leistungsmodul (1 , 2, 3) durch Anordnung auf eine Außenseite gestapelt zu werden.
1 1 . Leistungsmodulstapel, aufweisend zumindest zwei Leistungsmodule (1 ) die jeweils nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10 ausgeführt sind, wobei die erste Kühlplatte (11A) eines Leitungsmoduls (1 ) an der zweiten Kühlplatte (11 B) eines direkt benachbarten Leistungsmoduls (2) anliegt und wobei die Durchgänge (12, 13) in Reihe angeordnet sind.
12. Leistungsmodulstapel nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der ersten Kühlplatte (11A) eines Leistungsmoduls (1 ) und der zweiten Kühlplatte (1 1 B) eines direkt benachbarten Leistungsmoduls (2) ein Verteilerkanal für das Kühlmedium gebildet ist.
13. Wechselrichter (19) zur elektrischen Bestromung einer Elektromaschine (18), gekennzeichnet, durch
mehrere gestapelte Leistungsmodule (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
14. Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer Elektromaschine (18) als Traktionsantrieb, gekennzeichnet durch einen Wechselrichter (19) nach Anspruch 14 zur elektrischen Bestromung der Elektromaschine (18).
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