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Die Erfindung beschreibt ein leistungselektronisches System mit einer Flüssigkeitskühleinrichtung und mit einer Schalteinrichtung, wobei diese vorzugsweise als Leistungshalbleitermodul ausgebildet ist.
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Aus dem Stand der Technik, beispielhaft offenbart in der
US 6,594,149 B2 , ist eine flüssigkeitsgekühlte Schaltungsvorrichtung bekannt. Diese umfasst ein Schaltmodul mit einem Schaltkreiselement und einer Schaltmodulgrundplatte, auf welcher das Schaltkreiselement angebracht ist, ein Schaltgehäuse zur Aufnahme des Schaltmoduls und eine Kühlflüssigkeitskammer zum Leiten einer Kühlflüssigkeit in Kontakt mit einer Rückseite einer Modulbasisplatte des Schaltmoduls.
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Ein ständiger Mangel bei derartigen Systemen liegt in der unzureichenden Kühlleistung, wobei die, typischerweise thermische, Energie, die in der Regel aus Verlusten der Schalteinrichtung resultiert, an ein Kühlmedium abgeführt werden muss, um die Schalteinrichtung vor Überhitzung und damit Zerstörung zu bewahren.
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In Kenntnis dieser genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Flüssigkeitskühleinrichtung eines leistungselektronischen Systems derart weiter zu bilden, dass der Wärmeübergang von der Schalteinrichtung des leistungselektronischen Systems auf ein Kühlmedium, genauer auf eine Kühlflüssigkeit, verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein leistungselektronisches System mit einer Schalteinrichtung und mit einer Flüssigkeitskühleinrichtung, wobei die Schalteinrichtung ein Plattenelement aufweist, auf dessen der Flüssigkeitskühleinrichtung abgewandten Seite auf voneinander elektrisch isolierten Leiterbahnen Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet und schaltungsgerecht mittels einer Verbindungseinrichtung verbunden sind, wobei die Flüssigkeitskühleinrichtung einen ersten Teilkörper mit einem Einströmvolumenbereich und einem Ausströmvolumenbereich und einen zweiten Teilkörper aufweist, wobei zwischen den beiden Teilkörpern ein Kühlvolumenbereich ausgebildet ist, wobei vom zweiten Teilkörper eine Mehrzahl von Wärmetransportkörpern in den Kühlvolumenbereich hineinragen, wobei der zweite Teilkörper, vorzugsweise vollständig, in einer Ausnehmung des ersten Teilkörpers angeordnet ist und die beiden Teilkörper stoffschlüssig und flüssigkeits-druckdicht miteinander verbunden sind, eine gemeinsame plane Oberfläche, die eine erste Hauptfläche ausbildet, aufweisen und wobei die Flüssigkeitskühleinrichtung dafür ausgebildet und vorgesehenen ist mit einer Kühlflüssigkeit vom Einströmvolumenbereich über den Kühlvolumenbereich zum Ausströmvolumenbereich durchströmt zu werden, wobei der erste Teilkörper aus einem ersten Werkstoff und der zweite Teilkörper aus einem zweiten, vom ersten unterschiedlichen, Werkstoff besteht und wobei das Plattenelement der Schalteinrichtung kraftschlüssig auf der ersten Oberfläche angeordnet ist.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn das Plattenelement als eine Grundplatte oder ein leistungselektronisches Substrat ausgebildet ist. Sowohl die Grundplatte und das leistungselektronische Substrat oder nur dieses sind vorteilhafterweise Teil eines Leistungshalbleitermoduls.
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Es kann bevorzugt sein, wenn das Plattenelement vollständig nur auf der Teilfläche der ersten Oberfläche angeordnet ist, die durch den zweiten Teilkörper ausgebildet wird oder wobei das Plattenelement die Teilfläche des zweiten Teilkörpers zumindest an einer Seite überlappt und auch auf der Teilfläche des ersten Teilkörpers aufliegt.
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Auch kann es bevorzugt sein, wenn die Wärmetransportkörper eine runde, ovale, polyederförmige oder frei geformte Grundfläche aufweisen und spitz oder verjüngend oder nicht verjüngend ausgebildet sind und vorzugsweise mindestens ein Wärmetransportkörper, vorzugsweise eine Mehrzahl, und wiederum, vorzugsweise nicht alle der Wärmetransportkörper mit einer Bodenfläche des Kühlvolumenbereichs in mechanischem Kontakt stehen.
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Ebenso bevorzugt ist es, wenn eine zweite Wärmeleitfähigkeit des zweiten Werkstoffs um mindestens 10%, vorzugsweise um mindestens 25% über einer ersten Wärmeleitfähigkeit des ersten Werkstoffs liegt und wobei die zweite Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise mindestens 230 W/(m K) beträgt.
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Es ist bevorzugt, wenn der erste Teilkörper einen Dom mit einer Domdeckfläche aufweist, die plan zur gemeinsamen Oberfläche angeordnet ist, und der Dom durch eine Ausnehmung des zweiten Teilkörpers hindurchreicht und vorzugsweise ein Sackloch mit einem Innengewinde aufweist.
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Es kann zudem vorteilhaft sein, wenn der erste Teilkörper eine Mehrzahl von gleichartigen Ausnehmungen aufweist, in denen gleichartige zweite Teilkörper angeordnet sind, somit eine Mehrzahl von Kühlvolumenbereichen ausgebildet werden und wobei der Einströmvolumenbereich und der Ausströmvolumenbereich jeweils eine Mehrzahl von Abzweigungen aufweisen, damit die Kühlvolumenbereiche parallel durchströmt werden können. Dabei können die zweiten Teilkörper quaderförmig ausgebildet sein und entlang ihrer Längsseiten in einer Reihe benachbart angeordnet sein. Hierdurch können die zugeordneten Kühlvolumenbereiche in Längsrichtung mit Kühlmedium durchströmt werden.
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Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn der Einströmvolumenbereich einen Querschnittsverlauf aufweist, wobei einzelne Abzweigungen des Einströmvolumenbereichs jeweils mit gleicher Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit durchflossen werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dann der Ausströmvolumenbereich einen korrelierten Querschnittsverlauf wie der Einströmvolumenbereich aufweist.
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Es kann bevorzugt sein, wenn der erste Teilkörper ausgehend von einer zweiten Hauptfläche weitere Ausnehmungen aufweist, in denen weitere zweite Teilkörper stoffschlüssig und flüssigkeits-druckdicht angeordnet sind und wobei deren Oberflächen mit der zweiten Hauptseite eine weitere gemeinsame plane Oberfläche ausbilden und wobei auch deren Kühlvolumenbereich dazu ausgebildet und vorgesehen ist vom Einströmvolumenbereich über den Kühlvolumenbereich zum Ausströmvolumenbereich durchströmt zu werden. Dabei kann die erste und zweite Hauptfläche parallel zueinander und gegenüberliegend angeordnet sein.
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Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend genannten und hier oder im Folgenden erläuterten-Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen sich nicht ausschließenden Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 8 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung oder von jeweiligen Teilen hiervon.
- 1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
- 2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
- 3 zeigt einen Blick auf die Flüssigkeitskühleinrichtung dieser zweiten Ausgestaltung.
- 4 zeigt in dreidimensionaler Ansicht ein Leistungshalbleitermodul mit einer Schalteinrichtung dieser zweiten Ausgestaltung.
- 5 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine erste Ausgestaltung einer Flüssigkeitskühleinrichtung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
- 6 und 7 zeigen in dreidimensionaler Ansicht eine zweite Ausgestaltung einer Flüssigkeitskühleinrichtung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
- 8 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine dritte Ausgestaltung einer Flüssigkeitskühleinrichtung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
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1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems 1. Dargestellt ist eine Flüssigkeitskühleinrichtung 3, die einen ersten und einen zweiten Teilkörper 30,32 aufweist. Der erste Teilkörper 30 weist einen Einströmvolumenbereich 34 und einen Ausströmvolumenbereich 38 auf, die sich jeweils in die Zeichenebene hinein erstrecken und hier jeweils einen Kanal ausbilden. Zwischen dem Einström- und dem Ausströmvolumenbereich 34,38 ist ein Kühlvolumenbereich 36 ausgebildet.
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Zur Ausbildung dieses Kühlvolumenbereichs 36 weist der erste Teilkörper 30 eine Ausnehmung 306 auf, in der ein zweiter Teilkörper 32 angeordnet ist. Dieser zweite Teilkörper 32 weist eine plattenartige Grundform und hiervon ausgehende und in den Kühlvolumenbereich 36 hineinragende Wärmetransportkörper 322 auf. Die plattenartige Grundform bildet auf ihrer dem Kühlvolumenbereich 36 abgewandten Seite eine plane Teilfläche 320 aus. Dies plane Teilfläche 320 bildet mit der umgebenden planen Teilfläche 302 des ersten Teilkörpers 30 eine gemeinsame plane erste Oberfläche 300 der Flüssigkeitskühleinrichtung 3 aus.
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In dieser Ausführung liegt die plattenartige Grundform des zweiten Teilkörpers 32 umlaufend auf einer Auflagefläche des ersten Teilkörpers 30 auf. Zwischen einem Randbereich des zweiten Teilkörpers 32 und einem korrespondierenden Innenrand des ersten Teilkörpers 30 ist ein Verbindungsmittel 4, hier ein Hartlot 40 - vgl. 2, angeordnet. Hierdurch ist der zweite Teilkörper 32 stoffschlüssig und flüssigkeits-druckdicht in der Ausnehmung 306 angeordnet und der Kühlvolumenbereich 36 derart ausgebildet, dass er mit Kühlflüssigkeit vom Einströmvolumenbereich 34 zum Ausströmvolumenbereich 38 durchflossen werden kann. Das Hartlot 40 steht hier über die erste Oberfläche 300 hervor. Es kann allerdings auch gegenüber dieser zurückversetzt sein und somit einen Graben ausbilden. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Hartlot 40 nach der Anordnung hervorsteht und in einem weiteren Herstellungsschritt plan mit der ersten Oberfläche 300 geschliffen wird.
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Alternativ zur Hartlotverbindung 40 kann die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Teilköper 30,32 auch als eine Schweißverbindung ausgebildet sein. Im Fall einer bevorzugten Laserschweißverbindung wird kein explizites Verbindungsmittel angeordnet.
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Beide genannte Ausgestaltungen der stoffschlüssigen Verbindung sind insbesondere bevorzugt, wenn der erste Teilkörper 30 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung erster Wärmeleitfähigkeit und der zweite Teilkörper 32 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zweiter, höherer Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist. Eine derartige Ausgestaltung weist den wesentlichen Vorteil auf, dass der Werkstoff des ersten Teilkörpers 30 in Bezug auf seine mechanische Stabilität optimiert werden kann, während der zweite Teilkörper 32 in Bezug auf seine Wärmetransporteigenschaften optimiert werden kann. Die somit entstehende Hybrid-Flüssigkeitskühleinrichtung weist in der Summe ihrer physikalischen Eigenschaften wesentliche Vorteile gegenüber einer fachüblichen Flüssigkeitskühleinrichtung aus nur einem Werkstoff auf.
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Auf der Teilfläche 320 des zweiten Teilkörpers 32 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einer Schalteinrichtung 2 angeordnet, die eine das Plattenelement 20 ausbildende Grundplatte 200 aufweist. Auf dieser Grundplatte 200, allerdings nicht dargestellt, ist ein fachübliches leistungselektronisches Substrat mit Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet. Weitere notwendige Komponenten des Leistungshalbleitermoduls bzw. der Schalteinrichtung wie Stromanschlusselemente sind ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht dargestellt.
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Insbesondere bei besonders kompakten Ausgestaltungen des leistungselektronischen Systems 1 ragt das Plattenelement 20 in mindestens einer, vorzugsweise zwei gegenüberliegenden oder sogar allen Richtungen seitlich über den zweiten Teilkörper 32 bzw. dessen Teilfläche 320 hinaus.
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2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems 1. Der erste Teilkörper 30 weist hier wiederum jeweils einen Einström- und Ausströmvolumenbereich 34,38 und eine Teilfläche 302 auf. Zudem weist der erste Teilkörper 30 zentral in der Ausnehmung 306 angeordnet einen Dom 31 mit einer Domdeckfläche 310 auf. Diese Domdeckfläche 310 ist plan zur Teilfläche 302 des ersten Teilkörpers 30 und auch zur gemeinsamen Oberfläche 300 ausgebildet und angeordnet. Der Dom 31 ist zylinderförmig ausgebildet und weist ein Sackloch 316 mit einem Innengewinde auf.
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Der zweite Teilkörper 32 weist im Unterschied zu demjenigen gemäß der ersten Ausgestaltung eine zum Dom 31 korrespondierende Ausnehmung 324, vgl. 3, auf, durch die der Dom 31 hindurchreicht. Selbstverständlich ist auch zwischen dem Dom 31 und dem zweiten Teilkörper 32 eine stoffschlüssige und flüssigkeitsdruckdichte Verbindung 4, hier wieder rein beispielhaft mittels einem Hartlot 42, ausgebildet.
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Ebenfalls unterschiedlich zur ersten Ausgestaltung reichen einige der Wärmetransportkörper 322 nicht nur in den Kühlvolumenbereich 36 hinein, sondern bis zu dessen Bodenfläche 360 und bilden dort jeweils eine Abstützung gegen die Durchbiegung des zweiten Teilkörpers 32 aus.
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Die Schalteinrichtung 2 ist hier ebenfalls fachüblich ausgebildet, allerdings wird das Plattenelement 20 durch das leistungselektronische Substrat 202 der Schalteinrichtung 2 ausgebildet. Diese weist weiterhin eine zentrale Ausnehmung 216 für eine Befestigungseinrichtung, hier eine zur Ausnehmung des Doms korrespondierende Schraubverbindungseinrichtung 24, auf. Zudem dargestellt sind Leiterbahnen 220, Leistungshalbleiterbauelemente 222 und eine interne Verbindungseinrichtung 224 der Schalteinrichtung 2.
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3 zeigt einen Blick auf die Flüssigkeitskühleinrichtung 3 dieser zweiten Ausgestaltung. Dargestellt ist die Teilfläche 302 des ersten Teilkörpers 30 und dessen Ausnehmung 306 zur Anordnung des zweiten Teilkörpers 32. Dargestellt ist weiterhin die Teilfläche 320 dieses zweiten Teilkörpers 32, sowie dessen Ausnehmung 324 für den Dom 31 des ersten Teilkörpers 30. Die stoffschlüssige Verbindung beider Teilkörper ist wie oben beschrieben ausgebildet. Zudem dargestellt ist die Lage der Wärmetransportkörper 322, die hier jeweils zylinderförmig ausgebildet sind. Selbstverständlich sind diese Wärmetransportkörper im Kühlvolumenbereich angeordnet.
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4 zeigt in dreidimensionaler Ansicht ein Leistungshalbleitermodul mit einer Schalteinrichtung 2 dieser zweiten Ausgestaltung. Dieses Leistungshalbleitermodul weist die oben beschriebene Schalteinrichtung 2 samt leistungselektronischem Substrat 202 mit zentraler Ausnehmung 216 zur Anordnung der Schraubverbindungseinrichtung auf. Weiterhin dargestellt sind fachübliche elektrische Last- und Hilfskontakteinrichtungen 280,282,284.
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5 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine erste Ausgestaltung einer Flüssigkeitskühleinrichtung 3 eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems. Dargestellt ist ein erster Teilkörper 30 mit vier gleichartigen Ausnehmungen 306 zur jeweiligen Anordnung eines zweiten Teilkörpers 32. Der erste Teilkörper 30 weist wiederum einen Einström- und Ausströmvolumenbereich 34,38 auf, die hier als zwei parallele Kanäle ausgebildet sind und auf der der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden Fläche durch Abdeckungen 342,382 verschlossen sind. Von diesen Kanälen gehen jeweils Abzweigungen 340,380, vgl. auch 2, aus. Die Abzweigungen 340 des Einströmvolumenbereichs 34 sind dafür ausgebildet Kühlflüssigkeit in die jeweiligen Kühlvolumenbereiche 36 zu leiten.
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Vorteilhafterweise ist der jeweilige Querschnitt der Abzweigungen 340 derart ausgestaltet, dass die einzelnen Kühlvolumenbereiche 36 jeweils mit gleicher Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit durchflossen werden. Die Abzweigungen 380 des Ausströmvolumenbereichs 38 sind analog hierzu ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann der Querschnittsverlauf dem Einström- und dem Ausströmvolumenbereich 34,38 entsprechend ausgebildet sein.
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Die zweiten Teilkörper 32 sind im Grunde wie unter 1 beschrieben ausgebildet, wobei sie, genauer ihre plattenartige Grundform, quaderförmig ausgebildet sind. Die Ausnehmungen 306 des ersten Teilkörpers 30 und somit die zweiten Teilkörper 32 sind entlang ihrer Längsseiten in einer Reihe benachbart angeordnet. Der erste Teilkörper 30 ist, wie beschrieben, passend dazu ausgebildet, sodass die den zweiten Teilkörpern 32 jeweils zugeordneten Kühlvolumenbereiche 36 in Längsrichtung durchströmt werden.
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Materialtechnisch sind der erste und die zweiten Teilkörper 30,32, wie oben beschrieben, aus Materialien mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet. Dies gilt auch für die folgenden Ausführungsbeispiele.
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6 und 7 zeigen in dreidimensionaler Ansicht eine zweite Ausgestaltung einer Flüssigkeitskühleinrichtung 3 eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems. Die Flüssigkeitskühleinrichtung 3 gemäß 6 zeigt eine durchgehend plane Oberfläche 300, durch die Teilflächen 302,320 des ersten und der, hier sechs, zweiten Teilkörper 30,32 ausgebildet wird. 7 zeigt zusätzliche Flüssigkeitsanschlusselemente zur Verbindung mit der Flüssigkeitskühleinrichtung.
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8 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine dritte Ausgestaltung einer Flüssigkeitskühleinrichtung 3 eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems. Der erste, hier in sich mehrstückig ausgebildete Teilkörper 30 weist hier ausgehend von seiner zweiten, zur ersten parallelen Hauptfläche weitere Ausnehmungen 306 auf. In diesen sind weitere zweite Teilkörper 32 stoffschlüssig und flüssigkeits-druckdicht angeordnet. Diese Flüssigkeitskühleinrichtung 3 ist somit dafür ausgebildet, dass auf beiden Hauptseiten Schalteinrichtungen angeordnet werden können. Derartig ausgebildete leistungselektronische Systeme weisen dann eine besonders hohe Leistungsdichte bei geringeren äußeren Abmessungen auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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