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Die Erfindung betrifft eine Baueinheit für Leistungsmodule mit mindestens einer Leistungsmodul mit einem Kühlkanal mit Ein- und Auslass, wobei der Kühlkanal von einer unteren Halbschale und einer oberen Halbschale gebildet ist und die Leitungselektronik Kühlrippen besitzt, die durch einen Ausschnitt in den Kühlkanal ragen.
Die Erfindung betrifft zudem ein Montageverfahren für die Baueinheit für Leistungsmodule.
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Stand der Technik
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Inverter im automotiven Umfeld beinhalten als Kernelement einen sogenannten Power Stack, also Leistungselektronikbauteile in einem Gehäuse.
Bei der Betätigung der Halbleiterschalter des Inverters entstehen Schaltverluste, welche zu einer Erwärmung der Halbleiterschalter sowie des Leistungsmoduls führen. Jeder Halbleiterschalter bzw. jedes Leistungsmodul weist eine maximale Betriebstemperatur auf. Bei Überschreiten dieser maximalen Betriebstemperatur ist es möglich, dass der Halbleiterschalter bzw. das Leistungsmodul beschädigt wird. Folglich ist es erforderlich, dass der Halbleiterschalter bzw. das Leistungsmodul oder sonstige elektronische/elektrische Bauteile, wie Widerstände, gekühlt werden. Hierfür werden beispielsweise passive Kühlkörper herangezogen, die aus einem Aluminium erstellt sind und Kühlrippen aufweisen.
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Dieses Gehäuse umfasst einen Kühlkanal, sowie die Leistungshalbleiter, welche zur Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom erforderlich sind. Der Kühlkanal ist in vielen Fällen als gegenüber den Leistungshalbleitern abgeschlossen ausgeführt. Die Leitungshalbleiter werden mittels eines geeigneten Verfahrens z.B. durch Anbindung über ein wärmeleitfähiges Material, durch Löten oder Sintern auf die Oberfläche des Kühlkanals aufgebracht, um die thermische und mechanische Verbindung herzustellen. Hier besteht der Nachteil, dass weitere thermische Übergänge und Leitpfade zwischen Leistungsmodul und Kühlmittel und Leistungshalbleiter eingebracht werden. Hierdurch wird der thermische Übergang von der Wärmequelle in das Kühlmittel verschlechtert und es stellen sich somit oftmals höhere Temperaturen ein, als es bei einer Direktkühlung der Fall ist.
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Neben diesen Ausführungen existieren auch Leistungselektronik-Lösungen, bei welchen die Leistungshalbleiter bereits vorgefertigt mit einer Kühlstruktur wie Rippen ausgestattet sind. Diese Kühlstruktur ragt in den Kühlmittelstrom, um die Wärmeenergie aus den Leistungshalbleitern zu entziehen. Die Anbindung zwischen Leistungshalbleiter und einem Kühlkanal im Gehäuse erfolgt mittels einer geeigneten Dichtungslösung z.B. mit einem O-Ring oder einer Formdichtungen. Es ist ebenfalls bekannt, dass eine Baueinheit für Leistungsmodule mittels speziell dafür vorgesehener Zusatzbauteile an den Kühlkanal gedrückt wird, um die Dichtwirkung zu erzielen und ein Abheben der Baueinheit für Leistungsmodule vom Kühlkanal auszuschließen.
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Diese zusätzlichen Bauteile müssen im gesamten Beschaffungs-, Handhabungs- und Assemblierungsprozess berücksichtigt werden. Durch die erforderlichen Dichtungen wird die Kühlmittelströmung an mehreren Stellen in einem Leistungshalbleitermodule gestört, wodurch einerseits unnötiger Druckverlust entsteht, und sich andererseits sog.Totwasserzonen ergeben. In diesen Zonen im „Schatten“ der Dichtungsstellen findet kaum Kühlmittelaustausch statt, sodass es lokal zu Temperaturerhöhungen kommt.
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Ein weiterer Nachteil bestehender Lösungen ist die zumeist komplexe geometrische Gestaltung des Kühlkanals. Die Bauteil- und Assemblierungskomplexität ist hoch, was sich direkt auf die Kosten auswirkt.
In einem solchen Aufbau ist es auch erforderlich, zusätzliche Elemente zur Befestigung der Power Module vorzusehen. Dies umfasst sowohl Strukturen, welche die Leistungsmodule auf einer Seite berühren, als auch Befestigungselemente wie z.B. Schrauben, welche die genannten Strukturen vorspannen und festhalten.
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Die insgesamt hohe Komplexität - insbesondere durch mehrere Dichtungen inkl. Befestigungselemente - bringt hohe Anforderungen an erforderliche Absicherungen mit sich.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2019 202 902 A1 ist eine Baueinheit für Leistungsmodule mit mindestens einer Leistungsmodul und mit einem Kühlkanal mit Ein- und Auslass bekannt, wobei der Kühlkanal von einer unteren Halbschale und einer oberen Halbschale gebildet ist und die Leitungselektronik Kühlrippen besitzt, die durch einen Ausschnitt in den Kühlkanal ragen, wobei der Kühlkanal zwischen Leistungsmodul und oberer Halbschale stoffschlüssig verschlossen ist.
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Aus der
DE 10 2013 109 589 B3 ist bekannt, die obere Halbschale mit einer unteren Halbschale zu verbinden und erst danach die obere Halbschale mit Kühlplatten von Leitungsmodulen zu verbinden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Baueinheit für Leistungsmodule aufzubauen, die einfach mit wenigen Bauteilen auskommt, die auch einfach zu verbinden sind, und die Leistungsmodule effizient kühlt.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Baueinheit für Leistungsmodule mit mindestens einer Leistungsmodul und mit einem Kühlkanal mit Ein- und Auslass, wobei der Kühlkanal von einer unteren Halbschale und einer oberen Halbschale gebildet ist und die Leitungselektronik Kühlrippen besitzt, die durch einen Ausschnitt in den Kühlkanal ragen, wobei der Kühlkanal zwischen Leistungsmodul und oberer Halbschale stoffschlüssig verschlossen ist.
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Die obere Halbschale weist mindestens einen Ausschnitt auf, der eine zur Fläche der oberen Halbschale erhöhten Rahmen und/oder eine Rinne umlaufend umfasst ist.
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Die Baueinheit für Leistungsmodule hat Vorteile, da die stoffschlüssige Verbindung die Dichtfunktion übernimmt und so Dichtungen entfallen.
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Der Aufbau erlaubt es, dass Befestigungsstrukturen und Befestigungselemente für die Leistungsmodul wegfallen, da die Bauteile durch die stoffschlüssige Verbindung auch mechanisch an Ort und Stelle gehalten werden und nicht zusätzlich befestigt werden müssen.
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Eine stoffschlüssige Verbindung zeichnet sich dadurch aus, dass die zu verbindenden Bauteile durch atomare oder molekulare Verbindungen miteinander verbunden sind. Darin ist auch die Tatsache begründet, dass diese Verbindungstype nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel lösbar ist. Innerhalb dieser Gruppe kann man die Fügeverfahren weiter darin unterscheiden, ob die Verbindung durch arteigene oder artfremde Zusatzwerkstoffe zustande kommt. Das Löten, Schwei-ßen und Kleben stellen die bekanntesten Fügeverfahren dieser Gruppe dar.
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Des Weiteren sind die obere Halbschale und die untere Halbschale mit einer formschlüssigen oder einer stoffschlüssigen Verbindung miteinander entlang des Außenrands der beiden Halbschalen verbunden. Wird der Rand des Kühlkanals gebördelt wird ein formschlüssiges Verfahren verwendet.
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Die untere Halbschale weist einen am Außenrand umlaufend Flansch zur Verbindung mit der oberen Halbschale auf.
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Von Vorteil ist, dass die stoffschlüssige Verbindung eine Lötung, ein Verschwei-ßen, ein Kleben ist.
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Die stoffschlüssige Verbindung zwischen Leistungsmodul und der oberen Halbschale besteht über eine umlaufende Kontaktstelle zwischen Substrat der Leistungsmodul.
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Bei der Lötverbindung kommt ein weiterer positiver Effekt zum Tragen: Es entsteht ein guter thermischer Pfad vom Substrat der Leistungsmodul über die Lötverbindung in die obere Halbschale des Kühlkanals. Dadurch kann zusätzliche Wärme aus der Leistungsmodul abgeführt werden, wodurch sich die Leistungsmodul-Temperatur weiter reduzieren lässt.
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Von Vorteil ist, dass der Kühlkanal ein durchgehender Raum darstellt, in den nur die Kühlrippen ragen.
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Durch die Verringerung von Hindernissen im Kühlmittelstrom im Kühlkanal fällt weniger „unnötiger“ Druckverlust an.
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Durch die Dünnwandigkeit der metallischen, tiefgezogenen Halbschale ergibt sich an der Fügestelle zu der Leistungsmodul lediglich eine minimale Beeinflussung der Strömung. Das Kühlmittel muss keine Engstelle überwinden. Dadurch steht mehr Druckverlust zur Verfügung, der an den Kühlstrukturen der Leistungsmodul entsteht und die thermische Entwärmung verbessert.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
- 1 bis 3 zeigen schematische Darstellungen einer unteren Halbschale eines Kühlkanals,
- 4 bis 6 zeigen eine obere Halbschale,
- 7 zeigt einen Schnitt durch den Kühlkanal,
- 8 und 9 zeigen den Kühlkanal mit montierten Leistungsmodulen,
- 10 zeigt einen Schnitt durch die Baueinheit für Leistungsmodule,
- 11 zeigt eine erfindungsgemäße Lösung in einer Schnittdarstellung,
- 12 bis 16 zeigen eine weitere Ausführungsform.
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Die Erfindung ist ein Aufbau einer Baueinheit für Leistungsmodules 1 bestehend im Wesentlichen aus zwei Hauptbauteilen, einer unteren Halbschale 4 und einer oberen Halbschale 5. Beide Halbschalen sind metallische Bleche, die tiefgezogen werden können, um die finale Form darzustellen.
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In 2 erkennt man in einer Aufsicht auf die untere Halbschale eine nahezu rechteckige Fläche 3a, die jeweils an ihren Längsseiten auf Öffnungen 6a für einen Ein- oder Auslass 6 zulaufen, folgend einer Kontur des Außenrands 10. Es ist ein umlaufender Rand 3b vorhanden, der die rechteckige Fläche 3a und die Öffnungen 6a umgibt. Das Rand 3b besitzt einen Höhe H. Am Rand 3b ist ein Flansch 3c ausgebildet, der ebenfalls umlaufend ist. An den Öffnungen 6a sind an der unteren Halbschale 4 zylindrische Kragen 6b ausgeformt, die mit den Ein- und Auslässen 6 verbunden werden.
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5 zeigt die Aufsicht auf die obere Halbschale 5, deren äußerer Maße und der Außenrand 10 mit denen der unteren Halbschale 4 übereinstimmt. Damit liegt die Blechfläche der oberen Halbschale 5 bei Zusammenbau auf dem Flansch 3b der unteren Halbschale 4 auf. Die obere Halbschale 5 ist auf Ihre Fläche hin gesehen eben, weist aber drei Ausschnitte 5a auf. Die Ausschnitte 5a sind jeweils von einem aus der Fläche der oberen Halbschale herausragenden erhabenen Rahmen 5b umfasst.
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Beide Halbschalen 4, 5 werden durch ein geeignetes Verfahren wie Hartlöten, Laserschweißen, Umbördeln etc. miteinander verbunden und bilden, wie in 7 gezeigt ist, einen geschlossenen Körper aus, der drei Ausschnitte 5a und Ein- und Auslässe 6 aufweist. Das Schließen der beiden Halbschalen erfolgt ohne Einsatz von Dichtungen.
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In der obere Halbschale 5 werden die Bauteile Leistungsmodul 2 in die Ausschnitte 5a eingesetzt. Dabei ragt die Kühlstruktur in Form der Kühlrippen 7 der Leistungsmodul 2 in den Kühlkanal 3. Die Kühlrippen 7 erstrecken sich dabei bis zur unteren Halbschale 4 entlang der Höhe H des Kühlkanals 3.
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Im nächsten Schritt muss die Leistungsmodul 2 mit der oberen Halbschale 5 dicht verbunden werden, um den Kühlkanal 3 zu schließen.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist nun die Verbindung zwischen Leistungsmodul 2 und oberer Halbschale 5 des Kühlkanals 3.
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Die Verbindung wird durch eine Lötverbindung z. B. durch Weichlöten hergestellt. Die Lötstelle 8 erstreckt sich entlang des Rahmens 5b der oberen Halbschale 5 und entlang des Substrat 2c der Leistungsmodul 2 rings um den Kühlkörper der Leistungsmodul 2 auf der Fläche des Substrats 2c. Die Leistungsmodul 2 weist eine Leitplatte 2a auf, auf der die eigentlichen Halbleiterbauteile verbaut sind. Die Leiterplatte 2a steht thermisch mit den Anschluss 2b der Kühlrippen in Verbindung. Das Substrat 2c überdeckt die Komponenten.
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In 11 ist die Ausführung der Lötstelle 8 zwischen Leistungsmodul 2 und der oberen Halbschale 5 dargestellt. In der oberen Halbschale 5 des Kühlkanals ist die Erhebung durch den Rahmen 5b vorgesehen, welche dafür sorgt, dass sich ein Spalt 9 zwischen Substrat 2a und der oberen Halbschale 5 ausbildet. Der Kontakt zwischen den beiden Bauteilen beschränkt sich somit auf den Kontakt Substrat-Halbschale. Somit kann vermieden werden, dass es speziell im Falle einer Lötverbindung zu einer Schädigung der Kunststoffkomponenten der Leistungsmodul 2 kommt.
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Der Übergangsbereich ist mit einer Vertiefung in der oberen Halbschale 5 als Rinne 5c um die Ausschnitte 5a herum ausgebildet. Dabei kann der erhöhte Rahmen 5b erhalten bleibe.
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Alternativ kann anstatt des Lötens auch eine Klebeverbindung 8 zum Einsatz kommen. Dann ist eine rahmenartige Vertiefung um die Ausschnitte 5 herum geeignet, eine definierten Kleber-Schichtdicke zu erzeugen.
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Der Kühlkanal 3 ist somit stoffschlüssig verschlossen, ohne dass eine Dichtung zum Einsatz kommt. Ein- und Auslass 6 sind ebenfalls stoffschlüssig mit der unteren Halbschale verbunden. Gegebenenfalls kann auch diese Verbindung zusammen mit dem Verbinden von unterer und oberer Halbschale ausgeführt werden.
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Das Montageverfahren für die Baueinheit für Leistungsmodule erfolgt somit in den Schritten:
- Herstellung einer unteren Halbschale des Kühlkanals,
- Herstellung einer oberen Halbschale des Kühlkanals,
- Dichtendes Verbinden der oberen und unteren Halbschalen entlang ihrer Außenrands,
- Einsetzen der von Leistungsmodulen mit bereits an ihnen angebrachten Kühlrippen in Ausschnitte der oberen Halbschale des Kühlkanals.
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Die 12 bis 16 zeigen eine weitere Ausführungsform bzw. ein weiteres Montageverfahren. In der 12 ist die untere Halbschale 4 gezeigt, die genauso ausgestaltet ist wie im ersten Ausführungsbeispiel. Auch die obere Halbschale 5 zeigt dieselbe Struktur wie im ersten Ausführungsbeispiel. Beide Halbschale werden aufeinandergesetzt. In den Ausschnitten 5 erkennt man, dass Kühlrippen 7 eingesetzt sind. Die Kühlrippen sind als einzelne Kühlmodule von ihrer Größe an die Ausschnitte 5 angepasst. In 12 kann man erkennen, dass bereits alle 3 der Ausschnitte mit Kühlrippen gefüllt sind. Diese Kühlrippen 7 stehen auf der unteren Halbschale des Kühlkanals 3 auf und ragen bis zur Oberfläche der oberen Halbschale 5 auf. In 13 ist dargestellt, wie die Leistungsmodule 2 auf die obere Halbschale und auf die Kühlrippen 7 aufgesetzt werden. In 14 sind alle 3 Leistungsmodule auf jeweiligen Kühlrippen 7 aufgesetzt worden.
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Um die Kühlrippen mit den Leistungsmodulen zu verbinden ist eine Lötverbindung zwischen den Leistungsmodulen 2 und den Kühlrippen 7 notwendig. Dazu wird ein vorgefertigtes Lötpad 11 verwendet, das auf die Kühlrippen 7 aufgelegt wird. Auf diesem Lötpad 11 ist das flache Leistungsmodul 2 aufgesetzt.
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Anschließend wird in einem gemeinsamen Lötprozess der Erwärmung sowohl entlang des Rahmens 5b der Leistungsmodule 2 und der oberen Halbschale 5 und im Lötpad 11 gelötet. Damit wird verhindert, dass die eine die andere Lötung negativ beeinflusst. In einem weiteren Schritt oder bereits vor dem geschilderten Lötprozess wird die Außennaht 10 zwischen die untere Halbschale 4 und oberer Halbschale 5 geschlossen.
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Das alternative erfindungsgemäße Montageverfahren für die Baueinheit für Leistungsmodule 1 erfolgt somit in den Schritten:
- Herstellung einer unteren Halbschale 4 des Kühlkanals 3,
- Herstellung einer oberen Halbschale 5 des Kühlkanals 3,
- Einsetzen von Kühlrippen 7 in Ausschnitte der oberen Halbschale 5 des Kühlkanals,
- Auflegen von Lötpads 11 auf die Kühlrippen 7,
- Dichtendes Verbinden der oberen Halbschale 5 mit den Leitungsmodulen 2 entlang des Rahmens 5b der Ausschnitte 5a und zeitgleich Verbinden der Kühlrippen 7 mit den Leistungsmodulen 2,
- Dichtendes Verbinden der oberen und unteren Halbschalen 4,5 entlang ihres Außenrands 10 vor oder nach dem letzten Schritt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Baueinheit für Leistungsmodul
- 2
- Leistungsmodul
- 2a
- Leiterplatte
- 2b
- Anschluss Kühlrippen
- 2c
- Substrat
- 3
- Kühlkanal
- 3a
- rechteckige Fläche
- 3b
- Rand
- 4
- untere Halbschale Kühlkanal
- 4a
- Flansch
- 5
- obere Halbschale Kühlkanal
- 5a
- Ausschnitte
- 5b
- Rahmen
- 5c
- Rinne
- 6
- Ein- und Auslassstutzen
- 6a
- Öffnung zum Ein- und Auslassstutzen
- 6b
- zylindrische Kragen
- 7
- Kühlrippe
- 8
- Kleber/ Lötnaht /Verschweißung
- 9
- Spalt
- 10
- Außenrand
- 11
- Lötpad