DE102023120903A1

DE102023120903A1 - Kompakt bauendes leistungselektronisches System

Info

Publication number: DE102023120903A1
Application number: DE102023120903.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Beck; Sandro Bulovic; Johannes Klier; Christian Zeiler
Original assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron Danfoss Elektronik & Co Kg De GmbH
Priority date: 2023-08-07
Filing date: 2023-08-07
Publication date: 2025-02-13

Abstract

Es wird ein kompakt bauendes leistungselektronisches System mit einer gestapelten Anordnung einer Kondensatoreinrichtung, einer Kühleinrichtung, einer Leistungsschalteinrichtung und einer Steuerschalteinrichtung, wobei die Kühleinrichtung eine erste Kühlkontaktfläche aufweist, die in thermischem Kontakt mit der Kondensatoreinrichtung steht und eine zweite, der ersten gegenüberliegende, Kühlkontaktfläche aufweist, die in thermischem Kontakt mit der Leistungsschalteinrichtung steht, vorgestellt.

Description

Die Erfindung beschreibt ein kompakt bauendes leistungselektronisches System mit einer gestapelten Anordnung einer Kondensatoreinrichtung, einer Kühleinrichtung, einer Leistungsschalteinrichtung und einer Steuerschalteinrichtung.
Die DE 10 2019 134 650 A1 offenbart ein leistungselektronisches System mit einem Gehäuse, mit einer Kühleinrichtung, mit einem Leistungshalbleitermodul und mit einer Kondensatoreinrichtung, wobei ein Kühlabschnitt einer Kondensatoranschlusseinrichtung in thermisch leitendem Kontakt mit einer Kühlfläche der Kühleinrichtung steht.
In Kenntnis der genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde die Anordnung und Verbindung der Komponenten zu optimieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein kompakt bauendes leistungselektronisches System mit einer gestapelten Anordnung von mindestens vier Komponenten, nämlich einer Kondensatoreinrichtung, einer Kühleinrichtung, einer Leistungsschalteinrichtung und einer Steuerschalteinrichtung, wobei die Kühleinrichtung eine erste Kühlkontaktfläche aufweist, die in thermischem Kontakt mit der Kondensatoreinrichtung steht und eine zweite, der ersten gegenüberliegende, Kühlkontaktfläche aufweist, die in thermischem Kontakt mit der Leistungsschalteinrichtung steht.
Es ist bevorzugt, wenn die Kondensatoreinrichtung eine Mehrzahl von Kondensatorelementen und eine Elementverbindungseinrichtung auf, wobei diese zwischen der ersten Kühlkontaktfläche und den Kondensatorelementen angeordnet ist und wobei die Kondensatorelemente vorzugsweise mittels der Elementverbindungseinrichtung in thermischem Kontakt mit der ersten Kühlkontaktfläche stehen.
Es kann ebenfalls bevorzugt sein, wenn jede Komponente ausschließlich mit der in einer Normalenrichtung der gestapelten Anordnung folgenden Komponente kraftschlüssig verbunden ist.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das Höhenverhältnis in Normalenrichtung betrachtet zwischen der Höhe der Kondensatoreinrichtung und der Gesamthöhe der Kühleinrichtung, der Leistungsschalteinrichtung und der Steuerschalteinrichtung zwischen 2:1 und 1:1 beträgt.
Auch kann es bevorzugt sein, wenn das leistungselektronisches System und insbesondere sein Gehäuse eine quaderförmige Grundform aufweist, wobei die Kondensatoreinrichtung vorzugsweise auf einer Grundfläche eines Quaders angeordnet ist.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn ein Abschnitt einer Gleichspannungsverbindungseinrichtung zwischen der Kondensatoreinrichtung und der Leistungsschalteinrichtung seitlich, vorzugsweise an einer ersten Längsseite des Quaders angeordnet ist.
Auch kann es vorteilhaft sein, wenn eine Gleichspannungsanschlusseinrichtung an der ersten Längsseite oder einer der ersten gegenüberliegenden zweiten Längsseite des Quaders angeordnet ist.
Es kann auch bevorzugt sein, wenn eine Wechselspannungsanschlusseinrichtung an der ersten oder der zweiten Längsseite des Quaders angeordnet ist.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn eine Kühlflüssigkeitsanschlusseinrichtung der Kühleinrichtung an der ersten oder der zweiten Schmalseite des Quaders angeordnet ist.
Es kann außerdem vorteilhaft sein, wenn das Verhältnis einer Länge einer Schmalseite des Quaders zu einer Länge der Längsseite des Quaders zwischen 1:1,2 und 1:3, vorzugsweise zwischen 1:1,3 und 1:2, beträgt. Auch kann es vorteilhaft sein, wenn das Verhältnis einer Höhe des Quaders zur Länge der Längsseite des Quaders zwischen 1:1,2 und 1:3, vorzugsweise zwischen 1:1,3 und 1:2, beträgt. Hierbei sind vorzugsweise einzelne hervorstehende Bauteile, wie Anschlusselemente, Teile hiervon oder Stecker nicht mit berücksichtigt. Die jeweiligen Längen werden orthogonal zur Normalenrichtung bestimmt.
Es kann bevorzugt sein, wenn seitlich neben der Leistungsschalteinrichtung und vorzugsweise in thermischem Kontakt mit der zweiten Kühlkontaktfläche, eine Widerstandseinrichtung, vorzugsweise ausgebildet als ein Entladewiderstand der Kondensatoreinrichtung, angeordnet ist.
Es ist auch bevorzugt, wenn die Leistungsschalteinrichtung aus einer Mehrzahl von Teilschalteinrichtungen ausgebildet ist.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Leistungsschalteinrichtung eine Mehrphasen-, vorzugsweise eine Dreiphasenbrückenschaltung ausbildet und hierbei jeder Phase eine Teilschalteinrichtung zugeordnet ist.
Auch kann es vorteilhaft sein, wenn die Leistungsschalteinrichtung eine Halbbrückenschaltung ausbildet und hierbei die Teilschalteinrichtungen parallel geschaltet sind.
Es kann bevorzugt sein, wenn die Kondensatoreinrichtung ein erstes Teilgehäuse des Systems ausbildet oder in einem ersten Teilgehäuse des Systems angeordnet ist. Auch kann es bevorzugt sein, wenn ein zweites Teilgehäuse die Kühleinrichtung, die Leistungsschalteinrichtung, die Steuerschalteinrichtung und soweit vorhanden auch die Widerstandseinrichtung gemeinsam abdeckt und mit dem ersten Teilgehäuse zusammenwirkt.
Der Begriff Leistungsschalteinrichtung soll beispielhaft als ein Leistungshalbleitermodul mit oder ohne Modulgehäuse oder Modulteilgehäuse verstanden werden.
Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale oder Gruppen von Merkmalen, beispielhaft die Leistungsschalteinrichtung oder die Steuerschalteinrichtung mehrfach in dem erfindungsgemäßen System vorhanden sein.
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 und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 4 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems in Explosionsdarstellung.
2 bis 4 zeigen verschiedene dreidimensionale Ansichten eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems.
4 zeigt eine lineare Anordnung einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systemen.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems in Explosionsdarstellung. Dieses kompakt bauende System weist von unten nach oben betrachtet eine in Normalenrichtung N gestapelte Anordnung mit einer Kondensatoreinrichtung 1, einer Kühleinrichtung 2, einer Leistungsschalteinrichtung 3 und einer Steuerschalteinrichtung 4 auf. Hierbei weist die Kühleinrichtung 2 eine erste Kühlkontaktfläche 20 auf die in thermischem Kontakt mit der Kondensatoreinrichtung 1 steht, wobei der thermische Kontakt hier, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, unmittelbar mit einer Elementverbindungseinrichtung 12, die einen ersten Teil einer Gleichspannungsverbindungseinrichtung 6 zwischen der Kondensatoreinrichtung 1 und der Leistungsschalteinrichtung 3 ausbildet. Die einzelnen Kondensatorelemente 10 der Kondensatoreinrichtung 1 stehen dann über die Elementverbindungseinrichtung 12, wiederum ohne Beschränkung der Allgemeinheit, in mittelbarem thermischen Kontakt mit der ersten Kühlkontaktfläche 20.
Die gesamte Kondensatoreinrichtung 1 ist hier in einem ersten Teilgehäuse 51 des Systems angeordnet.
Eine zweite, der ersten gegenüberliegende, Kühlkontaktfläche 22 der Kühleinrichtung 2 steht in unmittelbarem thermischem Kontakt mit der Leistungsschalteinrichtung 3. Hierzu ist die Leistungsschalteinrichtung 3, die hier als ein ungehaustes Leistungshalbleitermodul ausgebildet ist, direkt auf der zweiten Kühlkontaktfläche 22 angeordnet. Fachüblich kann zwischen der Leistungsschalteinrichtung 3 und der zweiten Kühlkontaktfläche 22 noch eine Wärmeleitpaste angeordnet sein.
Die Leistungsschalteinrichtung 3 ist mit der Steuerschalteinrichtung 4 mittels interner Kontaktelemente 30 verbunden. Diese Steuerschalteinrichtung 4 ist als fachübliche Leiterplatte ausgebildet und dient der Ansteuerung der Leistungsschalteinrichtung 3 und erhält die zugehörigen Steuersignal über eine nicht dargestellte Steckverbindung mit einer übergeordneten Steuerung insbesondere einer Fahrzeugsteuerung, falls das leistungselektronische System Teil eines Antriebsstrangs eines Elektrofahrzeugs ist.
Ein mit dem ersten Teilgehäuse 51 zusammenwirkendes zweites Teilgehäuse 52 überdeckt die Kühleinrichtung 2, die Leistungsschalteinrichtung 3 und die Steuerschalteinrichtung 4. Dieses zweite Teilgehäuse 52 weist nicht dargestellte Kühlflüssigkeitsanschlüsse, wie auch Durchführungen 510 für Lastanschlusselemente 32 und ebenfalls nicht dargestellt Steckverbindungen für Steuersignale auf.
2 bis 4 zeigen verschiedene dreidimensionale Ansichten eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems mit einem ersten, aber ohne das zweite Teilgehäuse 51,52, die zusammen ein Gesamtgehäuse ausbilden. In 2 und 4 ist eine gestapelte Anordnung einer Kondensatoreinrichtung 1, einer Kühleinrichtung 2, einer Leistungsschalteinrichtung 3 und einer Steuerschalteinrichtung 4 dargestellt, wobei die Kondensatoreinrichtung 1 von dem ersten Teilgehäuse 51 umschlossen und nicht sichtbar ist. Dieser gestapelte Aufbau entspricht demjenigen in 1, schematisch dargestellten.
Die hier dargestellte Ausgestaltung der Leistungsschalteinrichtung 3 weist eine Mehrzahl, hier drei Teilschalteinrichtungen auf, die jeweils eine Phase des dreiphasigen Lastausgangs des leistungselektronischen Systems ausbilden. Die Leistungsschalteinrichtung 3 bildet somit eine Dreiphasenbrückenschaltung aus.
Weiterhin dargestellt ist eine seitlich neben der Leistungsschalteinrichtung 3 und in thermischem Kontakt mit der zweiten Kühlkontaktfläche 22 befindliche, Widerstandseinrichtung 5. Diese Widerstandseinrichtung 5 ist hier ausgebildet als ein Entladewiderstand der Kondensatoreinrichtung 1, die im Fehlerfall benötigt wird.
3 zeigt schematisch die quaderförmige Grundform des kompakt bauenden leistungselektronischen System als Quader 8. Hierbei ist die Kondensatoreinrichtung, vgl. 1, auf einer Grundfläche 80 des Quaders 8 angeordnet. Diese Grundfläche 80 bildet im Grunde auch die Grundfläche des ersten Teilgehäuses 51 aus. Das Verhältnis einer Länge einer Schmalseite 84,85 des Quaders 8 zu einer Länge der Längsseite 82,83 des Quaders 8 beträgt in diese Ausgestaltung 1:1,5.
Ein Abschnitt 60 einer Gleichspannungsverbindungseinrichtung 6 ist zwischen der Kondensatoreinrichtung 1 und der Leistungsschalteinrichtung 3 seitlich an einer ersten Längsscheite 82 des Quaders 8 angeordnet. Eine Gleichspannungsanschlusseinrichtung 62 zur externen Versorgung des Systems ist an der zweiten Längsseite 83 des Quaders 8, der ersten Längsseite 82 gegenüberliegend angeordnet. Eine Wechselspannungsanschlusseinrichtung 62 zur Verbindung mit einer elektrischen Maschine ist ebenfalls an der zweiten Längsseite 83 des Quaders 8 angeordnet.
5 zeigt eine lineare Anordnung einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systemen, wobei die Schmalseiten 84,85 der jeweiligen Quader 8, der Grundform der jeweiligen Systeme, einander zugewandt sind. Hierbei sind jeweils die Gleichspannungsanschlusseinrichtungen 62, vgl. 2 und 3, an einer zweiten Längsseite 83 des Quaders 8 angeordnet. Die Wechselspannungsanschlusseinrichtungen 62, vgl. 4, sind an der gleichen zweiten Längsseite 83 des Quaders 8 angeordnet.
Die jeweiligen Kühlflüssigkeitsanschlusseinrichtungen der Kühleinrichtung 2, vgl. 2, der einzelnen Quader 8 sind an einer Schmalseite 84,85 des Quaders 8 angeordnet. Hierbei können die Kühlflüssigkeitsanschlusseinrichtungen benachbarter Quader 8 miteinander verbunden sein, um eine Kette von Kühleinrichtung 2 auszubilden.
Es kann alternativ bevorzugt sein, wenn an den Schmalseiten 84,85 des jeweiligen Quaders 8 keine elektrischen Anschlusselemente und auch keine Kühlflüssigkeitsanschlusseinrichtung angeordnet sind, um die einzelnen Quader 8 möglichst eng benachbart anordnen zu können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10 2019 134 650 A1 [0002]

Claims

Kompakt bauendes leistungselektronisches System mit einer gestapelten Anordnung einer Kondensatoreinrichtung (1), einer Kühleinrichtung (2), einer Leistungsschalteinrichtung (3) und einer Steuerschalteinrichtung (4), wobei die Kühleinrichtung (2) eine erste Kühlkontaktfläche (20) aufweist, die in thermischem Kontakt mit der Kondensatoreinrichtung (1) steht und eine zweite, der ersten gegenüberliegende, Kühlkontaktfläche (22) aufweist, die in thermischem Kontakt mit der Leistungsschalteinrichtung (3) steht.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 1, wobei die Kondensatoreinrichtung (1) eine Mehrzahl von Kondensatorelementen (10) und eine Elementverbindungseinrichtung (12) aufweist, wobei diese zwischen der ersten Kühlkontaktfläche (20) und den Kondensatorelementen (10) angeordnet ist und wobei die Kondensatorelemente (10) vorzugsweise mittels der Elementverbindungseinrichtung (12) in thermischem Kontakt mit der ersten Kühlkontaktfläche (20) stehen.
Leistungselektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Komponente ausschließlich mit der in einer Normalenrichtung (N) der gestapelten Anordnung folgenden Komponente kraftschlüssig verbunden ist.
Leistungselektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Höhenverhältnis in Normalenrichtung (N) betrachtet zwischen der Höhe der Kondensatoreinrichtung (1) und der Gesamthöhe der Kühleinrichtung (2), der Leistungsschalteinrichtung (3) und der Steuerschalteinrichtung (4) zwischen 2:1 und 1:1 beträgt.
Leistungselektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer quaderförmigen Grundform, wobei die Kondensatoreinrichtung (1) vorzugsweise auf einer Grundfläche (80) eines Quaders (8) angeordnet ist.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 5, wobei ein Abschnitt einer Gleichspannungsverbindungseinrichtung (6) zwischen der Kondensatoreinrichtung (1) und der Leistungsschalteinrichtung (3) seitlich, vorzugsweise an einer ersten Längsseite (82,83) des Quaders (8) angeordnet ist.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine Gleichspannungsanschlusseinrichtung (62) an der ersten Längsseite (82) oder einer der ersten gegenüberliegenden zweiten Längsseite (82,83) des Quaders (8) angeordnet ist.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 5 bis 7, wobei eine Wechselspannungsanschlusseinrichtung (32) an der ersten oder der zweiten Längsseite 82,83 des Quaders (8) angeordnet ist.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 5 bis 8, wobei eine Kühlflüssigkeitsanschlusseinrichtung der Kühleinrichtung (2) an der ersten oder der zweiten Schmalseite (84,85) des Quaders (8) angeordnet ist.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 5 bis 9, wobei das Verhältnis einer Länge einer Schmalseite (84,85) des Quaders (8) zu einer Länge der Längsseite (82,83) des Quaders (8) zwischen 1:1,2 und 1:3, vorzugsweise zwischen 1:1,3 und 1:2, beträgt.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 5 bis 10, wobei das Verhältnis einer Höhe des Quaders (8) zur Länge der Längsseite (82,83) des Quaders (8) zwischen 1:1,2 und 1:3, vorzugsweise zwischen 1:1,3 und 1:2, beträgt.
Leistungselektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei seitlich neben der Leistungsschalteinrichtung (3) und vorzugsweise in thermischem Kontakt mit der zweiten Kühlkontaktfläche (22), eine Widerstandseinrichtung (5), vorzugsweise ausgebildet als ein Entladewiderstand der Kondensatoreinrichtung (1), angeordnet ist.
Leistungselektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leistungsschalteinrichtung (3) aus einer Mehrzahl von Teilschalteinrichtungen ausgebildet ist.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 13, wobei die Leistungsschalteinrichtung (3) eine Mehrphasen-, vorzugsweise eine Dreiphasenbrückenschaltung ausbildet und hierbei jeder Phase eine Teilschalteinrichtung zugeordnet ist.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 13, wobei die Leistungsschalteinrichtung (3) eine Halbbrückenschaltung ausbildet und hierbei die Teilschalteinrichtungen parallel geschaltet sind.
Leistungselektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kondensatoreinrichtung (1) ein erstes Teilgehäuse (51) des Systems ausbildet oder in einem ersten Teilgehäuse (51) des Systems angeordnet ist.
Leistungselektronisches System nach Anspruch 16, wobei ein zweites Teilgehäuse (52) die Kühleinrichtung (2), die Leistungsschalteinrichtung (3), die Steuerschalteinrichtung (4) und soweit vorhanden auch die Widerstandseinrichtung (5) gemeinsam abdeckt und mit dem ersten Teilgehäuse (51) zusammenwirkt.