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DE102007003875A1 - power converters - Google Patents

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DE102007003875A1
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Mark-Matthias Dr. Bakran
Martin Helsper
Wilfried Kolk
Andreas Dr. Nagel
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Siemens Corp
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Siemens Corp
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    • H—ELECTRICITY
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    • H05K7/1422—Printed circuit boards receptacles, e.g. stacked structures, electronic circuit modules or box like frames
    • H05K7/1427—Housings
    • H05K7/1432—Housings specially adapted for power drive units or power converters
    • H05K7/14329—Housings specially adapted for power drive units or power converters specially adapted for the configuration of power bus bars
    • H10W90/00—
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02G5/00—Installations of bus-bars
    • H02G5/10—Cooling

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit wenigstens zwei Leistungshalbleitermodulen (4, 6), die thermisch leitend mit einem Kühlkörper (2) mechanisch verbunden sind, die mittels einer laminierten Verschienung (8) untereinander elektrisch verschaltet sind. Erfindungsgemäß ist wenigstens eine Stromschiene (12, 14, 16) dieser laminierten Vorrichtung (8) mittels wenigstens einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Vorrichtung (10) mit dem Kühlkörper (2) thermisch verknüpft. Somit erhält man einen Stromrichter, dessen laminierte Verschienung (8) mittels wenigstens einer Vorrichtung (10) entwärmt werden kann.The invention relates to a power converter with at least two power semiconductor modules (4, 6), which are thermally conductively mechanically connected to a heat sink (2), which are electrically interconnected by means of a laminated busbar (8). According to the invention, at least one bus bar (12, 14, 16) of this laminated device (8) is thermally linked to the heat sink (2) by means of at least one electrically insulating and thermally conductive device (10). Thus, a power converter is obtained whose laminated busbar (8) can be cooled by means of at least one device (10).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichter mit Leistungshalbleitermodulen, die thermisch leitend mit einem Kühlkörper mechanisch verbunden sind, und die mittels einer laminierten Verschienung elektrisch leitend verknüpft sind.The The invention relates to a power converter with power semiconductor modules, the thermally conductive with a heat sink mechanically are connected, and by means of a laminated busbar electrically are linked.

Derartige Stromrichter, insbesondere für höhere Leistungen, sind im Handel erhältlich. Bei derartigen Stromrichtern sind dessen abschaltbare Leistungshalbleitermodule niederinduktiv verschient. Dies wird dadurch erreicht, dass die verwendeten Stromschienen flächig ausgeführt und übereinander zu einem Schienenstapel gestapelt sind. Jeweils zwischen zwei flächigen Stromschienen ist eine flächig ausgeführte Isolierschiene angeordnet. Diese Isolierschienen überragen die flächigen Stromschienen, damit die Grenzwerte für Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden können. Somit weist eine derartige niederinduktive Verschienung mindestens zwei Stromschienen und mindestens eine Isolierschiene auf. Um die Verschienung der verwendeten Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters möglichst kompakt zu gestalten, ist dieses Schienenpaket laminiert aufgebaut. Durch das verwendete Laminiermaterial weist diese laminierte Verschienung eine Temperaturgrenze von beispielsweise 105°C auf.such Power converter, in particular for higher power, are commercially available. In such converters whose turn-off power semiconductor modules are low-inductance verschient. This is achieved by the busbars used executed flat and over each other stacked on a rail stack. In each case between two flat Busbars is a flat insulated rail arranged. These insulating rails project beyond the flat ones Busbars to comply with the limits for clearances and creepage distances can be. Thus, such a low inductive Busbar at least two busbars and at least one insulating rail. To the busbar of the used power semiconductor switches of the power converter as compact as possible, this is Rail package laminated. Through the used laminating material For example, this laminated bus bar has a temperature limit of 105 ° C.

Da die auf dem Markt vorhandenen abschaltbaren Leistungshalbleitermodule, insbesondere IGBT-Module, immer leistungsstärker werden, steigt die Stromdichte in den Stromschienen der laminierten Verschienung an. Dadurch steigt die Temperatur der laminierten Verschienung mehr an, wodurch es immer schwieriger wird, die Temperaturgrenze der laminierten Verschienung einzuhalten.There the switchable power semiconductor modules available on the market, especially IGBT modules, becoming more and more powerful, the current density in the busbars of the laminated busbar increases at. This increases the temperature of the laminated busbar more which makes it increasingly difficult to set the temperature limit of the to comply with laminated busbars.

Nahe liegende Lösungen dieses Problems sind, einerseits die flächigen Stromschienen dicker auszuführen und andererseits die laminierte Verschienung zu kühlen, beispielsweise durch Eigenkonvektion. Dickere Stromschienen sind kostspieliger und weisen ein höheres Gewicht auf. Um die laminierte Verschienung durch Eigenkonvektion zu kühlen, muss diese im Stromrichter derart angeordnet werden, dass ein Kühlungsstrom über diese laminierte Verschienung streichen kann. Dadurch muss ein handelsüblicher Stromrichter neu entflechtet werden. Unter Umständen erhöht sich dadurch die parasitäre Induktivität der laminierten Verschienung.Near lying solutions to this problem are, on the one hand, the to perform thicker busbars thicker and on the other hand, to cool the laminated bus, for example by convection. Thicker busbars are more expensive and have a higher weight. To the laminated busbar to cool by self convection, this must be in the power converter be arranged so that a cooling flow over can delete this laminated busbar. This must be a commercial one Power converters are redistributed. May increase This causes the parasitic inductance of the laminated Busbar.

Aus der WO 2005/109505 A1 ist eine Leistungshalbleiterschaltung bekannt, deren Verschienung gekühlt wird. Bei dieser Leistungshalbleiterschaltung ist wenigstens ein Modul auf einer als Plus- oder Minus-Platte dienenden plattenförmigen Stromschiene außenseitig aufgelötet. Die Plus- bzw. Minus-Schiene sind üblicherweise als oberste bzw. unterste Platte eines Platten-Verschienungspaketes angeordnet. Diese Deckschiene, auf der das Modul aufgebracht ist, wird direkt von einer Kühleinrichtung gekühlt, wobei diese Kühleinrichtung als Luft- oder Flüssigkeitskühlung ausgebildet ist. Diese Kühleinrichtung ist sandwichartig zwischen der Deckschiene und unter Zwischenlage einer Isolierung einer weiteren, in einer parallelen Ebene liegenden plattenförmigen Stromschiene angeordnet. Ferner ist unter Zwischenlage einer weiteren Isolierschicht eine unterseitige Stromschiene vorgesehen. Diese Stromschienen bilden zusammen mit der Kühleinrichtung eine sehr kompakte Anordnung. Die Elemente dieses Verschienungspaketes sind durch Laminieren miteinander verbunden. Da es sich bei dieser Leistungshalbleiterschaltung um einen Wechselrichter handelt, sind unter diesem Verschienungspaket zwei Zwischenkreiskondensatoren angeordnet, die über Verschraubungen mit der oberen bzw. unteren Stromschiene verbunden sind.From the WO 2005/109505 A1 is a power semiconductor circuit is known, the busbar is cooled. In this power semiconductor circuit, at least one module is soldered to the outside on a plate-shaped busbar serving as a positive or negative plate. The plus or minus rail are usually arranged as the top or bottom plate of a plate buster package. This cover rail, on which the module is applied, is cooled directly by a cooling device, this cooling device being designed as air or liquid cooling. This cooling device is sandwiched between the cover rail and with the interposition of an insulation of another, lying in a parallel plane plate-shaped busbar. Furthermore, a lower-side busbar is provided with the interposition of a further insulating layer. These busbars together with the cooling device form a very compact arrangement. The elements of this busbar package are interconnected by lamination. Since this power semiconductor circuit is an inverter, two DC link capacitors, which are connected by screw connections to the upper or lower busbar, are arranged under this busbar package.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter anzugeben, dessen laminierte Verschienung mit einfachen Mitteln entwärmt werden kann, wobei dieser Stromrichter nicht neu entflechtet bzw. neu konstruiert werden muss.Of the Invention is an object of the invention to provide a power converter, whose laminated busbars are cooled by simple means can be, with this converter not redistributed or must be redesigned.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels wenigstens einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Vorrichtung gelöst, die wenigstens eine Stromschiene der laminierten Verschienung mit dem Kühlkörper thermisch verknüpft. Durch diese Vorrichtung ist wenigstens eine Stromschiene der laminierten Verschienung an den Kühlkörper thermisch angebunden. Wie viele derartige Vorrichtungen vorgesehen werden müssen, hängt von der Höhe der abzuführenden Wärme ab. Nebenbei stützt diese Vorrichtung zusätzlich die laminierte Verschienung ab. Durch die Verwendung von elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Vorrichtungen können die bisherigen Elemente (laminierte Verschienung, wenigstens zwei Leistungshalbleitermodule, Kühlkörper) eines Stromrichters weiter verwendet werden.These The object is achieved by means of at least an electrically insulating and thermally conductive device solved, the at least one busbar of the laminated Busbar thermally linked to the heat sink. By this device is at least one bus bar of the laminated Busbar thermally connected to the heat sink. How many such devices need to be provided depends on the amount of payable Heat off. Besides, this device additionally supports the laminated busbar. By the use of electric insulating and thermally conductive devices, the previous elements (laminated busbar, at least two power semiconductor modules, Heatsink) of a power converter continue to be used become.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromrichters ist jede Stromschiene der laminierten Verschienung mittels wenigstens einer Vorrichtung mit dem Kühlkörper der Leistungshalbleitermodule thermisch leitend verbunden. Dadurch wird jede Stromschiene dieser laminierten Verschienung entwärmt.at an advantageous embodiment of the invention The power converter is any busbar of the laminated busbar by means of at least one device with the heat sink the power semiconductor modules thermally conductively connected. Thereby Each busbar of this laminated busbar is cooled.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stromrichters sind den Unteransprüchen 3 bis 11 zu entnehmen.Further advantageous embodiments of the invention Power converter can be found in the dependent claims 3 to 11.

Zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Stromrichters wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform schematisch veranschaulicht ist.to further explanation of the invention Power converter is referred to the drawing, in which a Embodiment is illustrated schematically.

In dieser Figur sind mit 2 ein Kühlkörper, mit 4 und 6 jeweils ein Leistungshalbleitermodul, mit 8 eine laminierte Verschienung und mit 10 eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Vorrichtung gekennzeichnet. Diese beiden abschaltbaren Leistungshalbleitermodule 4 und 6 sind mit dem Kühlkörper 2 lösbar befestigt, wobei als Kühlkörper 2 ein Luftkühlkörper oder ein Flüssigkeitskühlkörper vorgesehen ist. Die laminierte Verschienung weist drei Stromschienen 12, 14 und 16 auf, die jeweils untereinander mittels einer Iso lierschiene 18 bzw. 20 voneinander getrennt sind. Diese laminierte Verschienung 8 ist auf den elektrischen Anschlüssen 224 , 244 und 226 , 246 eines jeden Leistungshalbleitermoduls 4 und 6 gesteckt. Bei diesen elektrischen Anschlüssen 224 , 244 und 226 , 246 kann es sich um Lötstifte oder Schraubbolzen handeln. Ab einem vorbestimmten Leistungsvermögen des abschaltbaren Leistungshalbleitermoduls 4 bzw. 6 weisen die abschaltbaren Leistungshalbleitermodule 4, 6 als elektrische Anschlüsse 224 , 244 und 226 , 246 nur noch Schraubbolzen auf.In this figure are with 2 a heat sink, with 4 and 6 one power semiconductor module each, with 8th a laminated busbar and with 10 an electrically insulating and thermally conductive device. These two turn-off power semiconductor modules 4 and 6 are with the heat sink 2 releasably attached, being used as a heat sink 2 an air cooling body or a liquid cooling body is provided. The laminated busbar has three busbars 12 . 14 and 16 on, each with each other by means of an Iso lierschiene 18 respectively. 20 are separated from each other. This laminated busbar 8th is on the electrical connections 22 4 . 24 4 and 22 6 . 24 6 of each power semiconductor module 4 and 6 plugged. With these electrical connections 22 4 . 24 4 and 22 6 . 24 6 it can be solder pins or bolts. From a predetermined performance of the turn-off power semiconductor module 4 respectively. 6 have the turn-off power semiconductor modules 4 . 6 as electrical connections 22 4 . 24 4 and 22 6 . 24 6 only bolts on.

Gemäß dieser Figur sind die elektrischen Anschlüsse 224 und 244 des abschaltbaren Leistungshalbleitermoduls 4 mit der Stromschiene 12 und 14 der laminierten Verschienung 8 elektrisch leitend verbunden. Demgegenüber sind die elektrischen Anschlüsse und 226 und 246 mit den Stromschienen 14 und 16 der laminierten Verschienung 8 elektrisch leitend verbunden. Wird angenommen, dass die Stromschiene 12 ein Pluspotential und die Stromschiene 16 der laminierten Vorrichtung 8 ein Minuspotential aufweist, so bilden diese beiden Leistungshalbleitermodule 4 und 6 einen Brückenzweig. Da außerdem der elektrische Anschluss 244 des Leistungshalbleitermoduls 4 und der elektrische Anschluss 226 des abschaltbaren Leistungshalbleitermoduls 6 mit ein und derselben Stromschiene 14 elektrisch leitend verbunden sind, sind diese beiden Leistungshalbleiterschalter 4 und 6, insbesondere IGBT-Module, elektrisch in Reihe geschaltet, wobei diese verbindende Stromschiene 14 einen wechselspannungsseitigen Anschluss dieses Brückenzweiges bildet.According to this figure, the electrical connections 22 4 and 24 4 the turn-off power semiconductor module 4 with the busbar 12 and 14 laminated busbar 8th electrically connected. In contrast, the electrical connections and 22 6 and 24 6 with the busbars 14 and 16 laminated busbar 8th electrically connected. It is assumed that the busbar 12 a positive potential and the busbar 16 the laminated device 8th has a negative potential, so form these two power semiconductor modules 4 and 6 a bridge branch. In addition, since the electrical connection 24 4 of the power semiconductor module 4 and the electrical connection 22 6 the turn-off power semiconductor module 6 with one and the same busbar 14 are electrically connected, these two power semiconductor switches 4 and 6 , In particular, IGBT modules, electrically connected in series, said connecting busbar 14 forms an AC-side connection of this bridge branch.

Außerdem ist in dem in dieser Figur dargestellten Stromrichter eine Vorrichtung 10 dargestellt, die aus einem elektrisch isolierend und thermisch leitenden Material besteht. Diese Vorrichtung 10 ist einerseits mit dem Kühlkörper 2 und andererseits mit der Stromschiene 16 der laminierten Vorrichtung 8 thermisch verbunden. Dadurch wird die in der laminierten Verschienung 8 entstehende Verlustleistung zum Kühlkörper 2 abgeführt. Das heißt, bezüglich dieser Vorrichtung 10 wird die laminierte Verschienung 8 entwärmt. Wie viele Vorrichtun gen 10 benötigt werden, hängt von der in der laminierten Verschienung 8 entstehenden Verlustleistung ab. Wie in dieser Figur dargestellt, ist die Vorrichtung 10 nur mit der unteren Stromschiene 16 der laminierten Vorrichtung 8 thermisch gekoppelt. Dadurch wird diese Stromschiene 16 direkt gekühlt, wogegen die beiden anderen Stromschienen 14 und 12 sich über die Isolierschichten 20 und 18 rückkühlen. Wenn mehrere derartige Vorrichtungen 10 vorgesehen sind, kann jede Vorrichtung 10 thermisch leitend mit einer Stromschiene 12, 14 und 16 der laminierten Verschienung 8 thermisch verbunden sein. Dadurch weist diese laminierte Verschienung 8 neben den elektrischen Durchführungen für die elektrischen Anschlüsse 224 , 244 , 226 und 246 noch thermische Durchführungen auf. Dadurch kann jede Stromschiene 12, 14 und 16 der laminierten Verschienung 8 jeweils durch wenigstens eine Vorrichtung 10 direkt entwärmt werden.In addition, in the power converter shown in this figure, a device 10 represented, which consists of an electrically insulating and thermally conductive material. This device 10 on the one hand with the heat sink 2 and on the other hand with the busbar 16 the laminated device 8th thermally connected. This will cause the in the laminated busbar 8th resulting power loss to the heat sink 2 dissipated. That is, with respect to this device 10 becomes the laminated busbar 8th entwärmt. How many devices 10 needed depends on the in the laminated busbar 8th resulting power loss. As shown in this figure, the device is 10 only with the lower busbar 16 the laminated device 8th thermally coupled. This will make this busbar 16 directly cooled, whereas the other two busbars 14 and 12 over the insulating layers 20 and 18 back cool. If several such devices 10 are provided, each device can 10 thermally conductive with a busbar 12 . 14 and 16 laminated busbar 8th be thermally connected. This shows this laminated busbar 8th in addition to the electrical feedthroughs for the electrical connections 22 4 . 24 4 . 22 6 and 24 6 still on thermal feedthroughs. This allows each busbar 12 . 14 and 16 laminated busbar 8th each by at least one device 10 be cooled directly.

Der Vorteil dieses Stromrichters besteht darin, dass ein im Handel erhältlicher Umrichter nachträglich mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Entwärmung wenigstens einer Stromschiene 12 bzw. 14 bzw. 16 einer laminierten Verschienung 8 entwärmt werden kann, damit eine Temperaturgrenze des Laminatmaterials der Verschienung 8 eingehalten werden kann.The advantage of this power converter is that a commercially available inverter with a device according to the invention subsequently 10 for cooling at least one busbar 12 respectively. 14 respectively. 16 a laminated busbar 8th can be heated so that a temperature limit of the laminate material of the busbar 8th can be complied with.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - WO 2005/109505 A1 [0005] WO 2005/109505 A1 [0005]

Claims (11)

Stromrichter mit wenigstens zwei Leistungshalbleitermodulen (4, 6), die thermisch leitend mit einem Kühlkörper (2) mechanisch verbunden sind, die mittels einer laminierten Verschienung (8) untereinander elektrisch verschaltet sind, wobei wenigstens eine Stromschiene (12, 14, 16) dieser laminierten Vorrichtung (8) mittels wenigstens einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Vorrichtung (10) mit dem Kühlkörper (2) thermisch verknüpft ist.Power converter with at least two power semiconductor modules ( 4 . 6 ), which are thermally conductive with a heat sink ( 2 ) are mechanically connected, which by means of a laminated busbar ( 8th ) are interconnected electrically, wherein at least one busbar ( 12 . 14 . 16 ) of this laminated device ( 8th ) by means of at least one electrically insulating and thermally conductive device ( 10 ) with the heat sink ( 2 ) is thermally linked. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stromschiene (12, 14, 16) der laminierten Verschienung (8) mittels wenigstens einer Vorrichtung (10) mit dem Kühlkörper (2) thermisch leitend verbunden ist.Power converter according to claim 1, characterized in that each busbar ( 12 . 14 . 16 ) of the laminated busbar ( 8th ) by means of at least one device ( 10 ) with the heat sink ( 2 ) is thermally conductively connected. Stromrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch isolierende und thermisch leitende Vorrichtung (10) eine Stütze vorgesehen ist.Power converter according to claim 1 or 2, characterized in that as an electrically insulating and thermally conductive device ( 10 ) a support is provided. Stromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende und thermisch leitende Vorrichtung (10) mit der laminierten Vorrichtung (8) lösbar verbunden ist.Power converter according to one of the preceding claims, characterized in that the electrically insulating and thermally conductive device ( 10 ) with the laminated device ( 8th ) is releasably connected. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende und thermisch leitende Vorrichtung (10) mit dem Kühlkörper (2) lösbar verbunden ist.Power converter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the electrically insulating and thermally conductive device ( 10 ) with the heat sink ( 2 ) is releasably connected. Stromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laminierte Verschienung (8) wenigstens zwei Stromschienen (12, 14, 16) aufweist.Power converter according to one of the preceding claims, characterized in that the laminated busbar ( 8th ) at least two busbars ( 12 . 14 . 16 ) having. Stromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlkörper (2) ein Luftkühlkörper vorgesehen ist.Power converter according to one of the preceding claims, characterized in that as a heat sink ( 2 ) An air cooling body is provided. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlkörper (2) ein Flüssigkeitskühlköper vorgesehen ist.Power converter according to one of claims 1 to 6, characterized in that as a heat sink ( 2 ) a liquid cooling body is provided. Stromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungshalbleitermodul (4, 6) ein IGBT-Modul vorgesehen ist.Power converter according to one of the preceding claims, characterized in that as power semiconductor module ( 4 . 6 ) an IGBT module is provided. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungshalbleitermodul (4, 6) ein MOSFET-Modul vorgesehen ist.Power converter according to one of claims 1 to 8, characterized in that as power semiconductor module ( 4 . 6 ) a MOSFET module is provided. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungshalbleitermodul (4, 6) ein Dioden-Modul vorgesehen ist.Power converter according to one of claims 1 to 8, characterized in that as power semiconductor module ( 4 . 6 ) a diode module is provided.
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