DE102023132878A1 - Inverter module and inverter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Wechselrichtermodul (10) für einen modularen mehrstufigen Wechselrichter (30) umfassend einen ersten Satz Halbleiterbauelemente (14), einen zweiten Satz Halbleiterbauelemente (16) und mindestens einen Kühlkörper (12), wobei die Halbleiterbauelemente (14, 16) des ersten Satzes und des zweiten Satzes in einem Betriebszustand des Wechselrichters (30) unterschiedliche Verlustleistungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Halbleiterbauelemente (14) des ersten Satzes und zumindest ein Teil der Halbleiterbauelemente (16) des zweiten Satzes in einem ersten Abstand (32) zueinander auf dem Kühlkörper (12) angeordnet sind und zumindest ein Teil der Halbleiterbauelemente (14, 16) desselben Satzes in einem zweiten Abstand (34, 36, 38) zueinander angeordnet sind, wobei der zweite Abstand (34, 36, 38) größer als der erste Abstand (32) ist. Mit der Erfindung wird ein Wechselrichtermodul (10) bereitgestellt, bei dem die Wärmeabfuhr verbessert ist. The invention relates to an inverter module (10) for a modular multi-stage inverter (30) comprising a first set of semiconductor components (14), a second set of semiconductor components (16), and at least one heat sink (12), wherein the semiconductor components (14, 16) of the first set and of the second set have different power losses in an operating state of the inverter (30), characterized in that at least some of the semiconductor components (14) of the first set and at least some of the semiconductor components (16) of the second set are arranged at a first distance (32) from one another on the heat sink (12), and at least some of the semiconductor components (14, 16) of the same set are arranged at a second distance (34, 36, 38) from one another, wherein the second distance (34, 36, 38) is greater than the first distance (32). The invention provides an inverter module (10) in which heat dissipation is improved.
Description
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Wechselrichtermodul und einen Wechselrichter.The present disclosure relates to an inverter module and an inverter.
In Elektrofahrzeugen können modulare mehrstufige Wechselrichter verwendet werden, um die von den Batterien abgegebene Gleichspannung in eine frequenzveränderliche Wechselspannung für den Betrieb von Elektromotoren umzurichten. Weiter können die Wechselrichter zum Gleichrichten von Spannungen verwendet werden, die durch einen generatorischen Betrieb der Elektromotoren bereitgestellt werden, um Energie in die Batterien einzuspeisen. Modulare mehrstufige Wechselrichter weisen Module auf, in denen Halbleiterchips verbaut sind. Die Halbleiterchips werden in den Modulen insbesondere bei unterschiedlichen Drehzahlen des Elektromotors unterschiedlich belastet. Dies führt zu einer unterschiedlichen Erwärmung, sowohl in Bezug auf den Betriebspunkt als auch auf die Dauer und Intensität der Erwärmung. Die Wärme wird mittels eines Kühlmittels abgeführt. Die Wärmeabfuhr soll dabei möglichst effizient durchgeführt werden.In electric vehicles, modular multi-level inverters can be used to convert the direct current supplied by the batteries into a variable-frequency alternating current for operating electric motors. The inverters can also be used to rectify voltages generated by the regenerative operation of the electric motors in order to feed energy into the batteries. Modular multi-level inverters have modules in which semiconductor chips are installed. The semiconductor chips in the modules are subjected to different loads, particularly at different electric motor speeds. This leads to different heating, both in terms of the operating point and the duration and intensity of the heating. The heat is dissipated using a coolant. Heat dissipation should be as efficient as possible.
Aus
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Wechselrichtermoduls und eines modularen mehrstufigen Wechselrichters, bei dem die Wärmeabfuhr weiter verbessert ist.The object of the invention is to provide an inverter module and a modular multi-level inverter in which heat dissipation is further improved.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der folgenden Beschreibung.The problem is solved by the features of the independent claims. Advantageous further developments are the subject of the dependent claims and the following description.
Nach einem ersten Aspekt wird ein Wechselrichtermodul für einen modularen mehrstufigen Wechselrichter vorgeschlagen. Der Wechselrichter umfasst einen ersten Satz Halbleiterbauelemente, einen zweiten Satz Halbleiterbauelemente und mindestens einen Kühlkörper, wobei die Halbleiterbauelemente des ersten Satzes und des zweiten Satzes in einem Betriebszustand des Wechselrichters unterschiedliche Verlustleistungen aufweisen.. Zumindest ein Teil der Halbleiterbauelemente des ersten Satzes und zumindest ein Teil der Halbleiterbauelemente des zweiten Satzes sind in einem ersten Abstand zueinander auf dem Kühlkörper angeordnet und zumindest ein Teil der Halbleiterbauelemente desselben Satzes sind in einem zweiten Abstand zueinander angeordnet, wobei der zweite Abstand größer als der erste Abstand ist.According to a first aspect, an inverter module for a modular multi-level inverter is proposed. The inverter comprises a first set of semiconductor components, a second set of semiconductor components, and at least one heat sink, wherein the semiconductor components of the first set and the second set have different power losses in an operating state of the inverter. At least some of the semiconductor components of the first set and at least some of the semiconductor components of the second set are arranged at a first distance from one another on the heat sink, and at least some of the semiconductor components of the same set are arranged at a second distance from one another, wherein the second distance is greater than the first distance.
Kern der Erfindung ist, die Halbleiterbauelemente derart auf dem Kühlkörper anzuordnen, dass deren unterschiedliche Verlustleistungen das thermische Verhalten des Wechselrichtermoduls optimieren. Die Halbleiterbauelemente können matrixartig auf dem Kühlkörper angeordnet sein. Weiter können sie zu verschiedenen Sätzen eingeteilt sein, wobei die Halbleiterbauelemente eines ersten Satzes und die Halbleiterbauelemente eines zweiten Satzes unterschiedliche Verlustleistungen aufweisen. Dazu können die Halbleiterbauelemente des ersten Satzes beispielsweise eine erste Verlustleistung und die Halbleiterelemente des zweiten Satzes beispielsweise eine zweite Verlustleistung aufweisen. Die Verlustleistungen der Halbleiterbauelemente eines Satzes können innerhalb einer Fehlertoleranz voneinander abweichen und daher im Wesentlichen gleich sein. Um das thermische Verhalten des Wechselrichtermoduls zu optimieren, wird zumindest ein Teil der Halbleiterbauelemente, die gleiche oder im Wesentlichen gleiche Verlustleistungen aufweisen, weiter voneinander angeordnet als zumindest ein Teil der Halbleiterbauelemente, die unterschiedliche Verlustleistungen aufweisen. Im letzteren Fall sind automatisch Halbleiterbauelemente nebeneinander oder zumindest in dem ersten Abstand zueinander angeordnet, bei denen ein Halbleiterbauelement eine höhere Verlustleistung als das andere hat. Durch die Wärmespreizung, die während der Wärmeleitung zum Kühlkörper auftritt, kann die Wärme gleichmäßiger über den Kühlkörper verteilt werden als in einem Fall, bei dem die Verlustleistungen von im ersten Abstand zueinander angeordneten Halbleiterbauelementen ähnlich oder gleich sind. Die gleiche Wirkung hat die Anordnung von Halbleiterbauelementen mit gleicher oder ähnlicher Verlustleistung im zweiten Abstand zueinander, der größer als der erste Abstand ist. Dann sind die Halbleiterbauelemente weiter voneinander entfernt als Halbleiterbauelemente, die im ersten Abstand zueinander angeordnet sind. Dadurch können beispielsweise Halbleiterbauelemente mit großen Verlustleistungen im zweiten Abstand zueinander angeordnet werden, sodass die Überlappung zwischen den Bereichen minimiert wird, in denen die Halbleiterbauelemente Wärmeenergie in den Kühlkörper abgeben.The core of the invention is to arrange the semiconductor components on the heat sink such that their different power losses optimize the thermal behavior of the inverter module. The semiconductor components can be arranged in a matrix-like manner on the heat sink. Furthermore, they can be divided into different sets, wherein the semiconductor components of a first set and the semiconductor components of a second set have different power losses. For this purpose, the semiconductor components of the first set can, for example, have a first power loss, and the semiconductor elements of the second set can, for example, have a second power loss. The power losses of the semiconductor components of a set can differ from one another within a fault tolerance and therefore be essentially the same. To optimize the thermal behavior of the inverter module, at least some of the semiconductor components that have the same or essentially the same power losses are arranged further apart than at least some of the semiconductor components that have different power losses. In the latter case, semiconductor components are automatically arranged next to one another or at least at the first distance from one another, in which one semiconductor component has a higher power loss than the other. Due to the heat spreading that occurs during heat conduction to the heat sink, the heat can be distributed more evenly across the heat sink than in a case where the power dissipation of semiconductor components arranged at the first distance from each other is similar or the same. The same effect is achieved by arranging semiconductor components with the same or similar power dissipation at a second distance from each other that is greater than the first distance. The semiconductor components are then further apart than semiconductor components arranged at the first distance from each other. This allows, for example, semiconductor components with high power dissipation to be arranged at the second distance from each other, minimizing the overlap between the areas in which the semiconductor components dissipate heat energy into the heat sink.
Damit kann ein Wechselrichtermodul bereitgestellt werden, bei dem die Wärmeabfuhr verbessert ist. Dies hat zur Folge, dass die Halbleiterbauelemente mit vergleichsweise kleinen Flächen an den Kühlkörper ankoppeln können, sodass Material eingespart werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise die Anzahl der Halbleiterbauelemente pro Flächeneinheit erhöht werden, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Durch die verbesserte Wärmeabfuhr kann weiter die Lebensdauer der Halbleiterbauelemente erhöht werden. Weiter kann alternativ oder zusätzlich der Kühlaufwand verringert werden, da die Wärmeabfuhr verbessert wurde.This makes it possible to provide an inverter module with improved heat dissipation. This means that the semiconductor components can be coupled to the heat sink with comparatively small surfaces, thus saving material. Alternatively or additionally, the number of semiconductor components per unit area can be increased to increase the power density. The improved heat dissipation can further extend the lifetime of the semiconductors. components can be increased. Alternatively or additionally, cooling requirements can be reduced because heat dissipation has been improved.
Der Kühlkörper kann ein Substrat aufweisen, auf dem die Halbleiterbauelemente befestigt bzw. ausgebildet sein können. Das Substrat kann zwei Seitenflächen aufweisen, zwischen denen sich das Substrat erstreckt. Auf einer der Seitenflächen können die Halbleiterbauelemente angeordnet sein. Die andere Seitenfläche kann mit einem Kühlelement verbunden sein, das beispielsweise Kühlkanäle für Kühlmittel aufweisen kann. Die Verlustleistung der Halbleiterbauelemente kann durch das Substrat zu dem Kühlelement geleitet werden. Die dabei geleitete Wärme weist in Wärmeflussrichtung eine Spreizung auf, die als Wärmespreizung bezeichnet werden kann. Die Wärmespreizung zeichnet den Bereich aus, der von dem Halbleiterbauelement durch die Verlustleistung erwärmt wird und durch den der größte Teil der von dem Halbleiterbauelement in Richtung des Kühlkörpers abgeleiteten Wärme fließt.The heat sink can have a substrate on which the semiconductor components can be attached or formed. The substrate can have two side surfaces between which the substrate extends. The semiconductor components can be arranged on one of the side surfaces. The other side surface can be connected to a cooling element, which can, for example, have cooling channels for coolant. The power loss of the semiconductor components can be conducted through the substrate to the cooling element. The heat conducted in this way has a spread in the heat flow direction, which can be referred to as heat spread. The heat spread characterizes the area that is heated by the semiconductor component due to the power loss and through which the largest part of the heat dissipated by the semiconductor component towards the heat sink flows.
In einigen Ausführungsbeispielen weisen die Halbleiterbauelemente desselben Satzes einen größtmöglichen Abstand auf dem Kühlkörper zueinander auf.In some embodiments, the semiconductor devices of the same set have the greatest possible distance from each other on the heat sink.
Der größtmögliche Abstand kann zum Beispiel der zweite Abstand sein. So können zumindest einige Halbleiterbauelemente desselben Satzes an verschiedenen Rändern eines Feldes von Halbleiterbauelementen angeordnet werden. Die Ränder des Feldes können beispielsweise an einem Rand des Kühlkörpers positioniert sein. Da die Ränder die verfügbare Fläche definieren, in der die Halbleiterbauelemente angeordnet werden können, wird damit der größtmögliche Abstand zwischen den Halbleiterbauelementen bereitgestellt. Insbesondere können diejenigen Halbleiterbauelemente an den Rändern angeordnet werden, die die größten Verlustleistung aufweisen.The largest possible spacing may, for example, be the second spacing. Thus, at least some semiconductor devices of the same set may be arranged at different edges of an array of semiconductor devices. The edges of the array may, for example, be positioned at an edge of the heat sink. Since the edges define the available area in which the semiconductor devices can be arranged, this provides the largest possible spacing between the semiconductor devices. In particular, those semiconductor devices with the highest power dissipation may be arranged at the edges.
Weiter ist beispielsweise denkbar, dass die Halbleiterbauelemente des ersten Satzes und die Halbleiterbauelemente des zweiten Satzes in einem ersten mittleren Abstand zueinander auf dem Kühlkörper angeordnet sein können und Halbleiterbauelemente desselben Satzes in einem zweiten mittleren Abstand zueinander angeordnet sein können, wobei der zweite mittlere Abstand größer als der erste mittlere Abstand ist.Furthermore, it is conceivable, for example, that the semiconductor components of the first set and the semiconductor components of the second set can be arranged at a first average distance from one another on the heat sink and semiconductor components of the same set can be arranged at a second average distance from one another, wherein the second average distance is greater than the first average distance.
Wenn die Halbleiterbauelemente des gleichen Satzes im Mittel weiter voneinander beabstandet sind als Halbleiterbauelemente verschiedener Sätze, kann bei verschiedenen Verlustleistungen eine gleichmäßigere Verteilung der Verlustleistung bewirkt werden. Dies kann die Wärmeabfuhr weiter verbessern.If the semiconductor components of the same set are, on average, further apart than semiconductor components of different sets, a more even distribution of the power dissipation can be achieved at different power dissipations. This can further improve heat dissipation.
Die oben erläuterten Abstände können in einer ersten Alternative lediglich zwischen unmittelbar benachbarten Halbleiterbauelementen berücksichtigt werden. In einer zweiten Alternative können für die Bestimmung eines mittleren Abstands die Abstände von jedem Halbleiterbauelement zu jedem anderen Halbleiterbauelement des Wechselrichtermoduls berücksichtigt werden.In a first alternative, the distances explained above can be considered only between directly adjacent semiconductor components. In a second alternative, the distances from each semiconductor component to every other semiconductor component of the inverter module can be considered to determine an average distance.
In einigen Ausführungsbeispielen weist zumindest ein Halbleiterbauelement des ersten und/oder des zweiten Satzes eine Kontaktfläche zum Kühlkörper auf, die eine andere Größe als die Kontaktflächen der weiteren Halbleiterbauelemente des ersten und/oder des zweiten Satzes aufweist.In some embodiments, at least one semiconductor component of the first and/or second set has a contact area to the heat sink that has a different size than the contact areas of the other semiconductor components of the first and/or second set.
Die Kontaktfläche kann im Wesentlichen durch die Fläche des Halbleiterbauelements bestimmt werden. Wenn das Halbleiterbauelement als Halbleiterchip ausgebildet ist, kann die Kontaktfläche im Wesentlichen durch die Chipfläche bestimmt sein, die in Kontakt mit dem Kühlkörper bzw. dem Substrat ist. The contact area can be essentially determined by the area of the semiconductor component. If the semiconductor component is formed as a semiconductor chip, the contact area can essentially be determined by the chip area that is in contact with the heat sink or the substrate.
Durch die Größe der Kontaktflächen kann die Verlustleistung zum Kühlkörper beeinflusst werden. So kann zum Beispiel durch eine geringere Kontaktfläche ein geringerer Wärmefluss zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Kühlkörper stattfinden. Entsprechend kann bei gleicher Wärmeleistung durch eine größere Kontaktfläche ein größerer Wärmefluss von den Halbleiterbauelementen zum Kühlkörper stattfinden.The size of the contact surfaces can influence the heat dissipation to the heat sink. For example, a smaller contact surface can result in a lower heat flow between the semiconductor component and the heat sink. Similarly, a larger contact surface can result in a greater heat flow from the semiconductor components to the heat sink, even with the same thermal output.
Weiter ist beispielsweise denkbar, dass der erste Satz eine zum zweiten Satz verschiedene Anzahl von Halbleiterbauelementen aufweisen kann.Furthermore, it is conceivable, for example, that the first set can have a different number of semiconductor components than the second set.
So können beispielsweise in einem Satz, dessen Halbleiterbauelemente eine größere Verlustleistung als Halbleiterbauelemente eines anderen Satzes aufweisen, weniger Halbleiterbauelemente als in dem anderen Satz vorhanden sein. Dies ist jedoch von der jeweiligen Anforderung des Wechselrichtermoduls abhängig. Ebenso kann das Verhältnis umgekehrt sein. Weiter kann in allen Sätzen die gleiche Anzahl von Halbleiterbauelementen vorhanden sein.For example, in a set whose semiconductor components have greater power dissipation than semiconductor components in another set, there may be fewer semiconductor components than in the other set. However, this depends on the specific requirements of the inverter module. The ratio can also be reversed. Furthermore, all sets can contain the same number of semiconductor components.
Der Kühlkörper kann zum Beispiel mindestens zwei Kühlkanäle aufweisen, die sich durch den Kühlkörper in einer Flussrichtung eines Kühlmittels erstrecken können, wobei quer zur Flussrichtung mindestens ein Halbleiterbauelement des ersten Satzes und ein Halbleiterbauelement des zweiten Satzes im ersten Abstand nebeneinander angeordnet sein können.The heat sink may, for example, have at least two cooling channels which may extend through the heat sink in a flow direction of a coolant, wherein at least one semiconductor component of the first set and one semiconductor component of the second set may be arranged next to one another at the first distance transversely to the flow direction.
Das Kühlmittel kann in allen Kühlkanälen des Kühlkörpers in einer gemeinsamen Flussrichtung durch den Kühlkörper fließen. Auf diese Weise kann an einem Ende des Kühlkörpers eine hohe Kühlleistung vorhanden sein, da das Kühlmittel noch keine Wärme abgeführt hat. An einem anderen Ende des Kühlkörpers, wenn das Kühlmittel den Kühlkörper bereits durchlaufen hat und entsprechend Wärme aufgenommen hat, kann die Kühlleistung geringer ausfallen. Die Halbleiterbauelemente desselben Satzes können zumindest quer zu einer Flussrichtung eines Kühlmittels in dem Kühlkörper einen größtmöglichen Abstand auf dem Kühlkörper zueinander aufweisen. Auf diese Weise können Halbleiterbauelemente desselben Satzes Wärme an verschiedene Kühlkanäle übertragen, sodass das Kühlmittel in allen Kühlkanälen gleichmäßig erwärmt wird. The coolant can flow through all of the heat sink's cooling channels in a common flow direction. This allows for high cooling performance at one end of the heat sink because the coolant has not yet dissipated heat. At another end of the heat sink, when the coolant has already passed through the heat sink and absorbed heat, the cooling performance may be lower. The semiconductor components of the same set can be spaced as far apart as possible on the heat sink, at least transversely to a coolant flow direction in the heat sink. This allows semiconductor components of the same set to transfer heat to different cooling channels, so that the coolant is heated evenly in all cooling channels.
Gemäß einem weiteren Beispiel ist denkbar, dass die Halbleiterbauelemente des ersten Satzes gleichartig sein können und/oder dass die Halbleiterbauelemente des zweiten Satzes gleichartig sein können.According to a further example, it is conceivable that the semiconductor components of the first set can be of the same type and/or that the semiconductor components of the second set can be of the same type.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass verschiedene Halbleiterbauelemente in dem ersten Satz zusammengefasst sein können. Lediglich die Verlustleistung der Halbleiterbauelemente in dem ersten Satz kann im Wesentlichen gleich oder ähnlich sein. Analoges kann für den zweiten Satz gelten.Alternatively, it can be provided that various semiconductor components can be combined in the first set. Only the power dissipation of the semiconductor components in the first set can be essentially the same or similar. The same can apply to the second set.
Das Wechselrichtermodul kann beispielsweise einen dritten Satz Halbleiterbauelemente aufweisen, dessen Halbleiterbauelemente in einem Betriebszustand des Wechselrichters geringere Verlustleistungen als die Halbleiterbauelemente des ersten Satz und des zweiten Satzes aufweisen kann.The inverter module may, for example, comprise a third set of semiconductor components, the semiconductor components of which may have lower power losses in an operating state of the inverter than the semiconductor components of the first set and the second set.
Die Halbleiterbauelemente des dritten Satzes können weiter beispielsweise hauptsächlich durch die Verlustleistung der benachbarten Halbleiterbauelemente erwärmt werden. Weiter können die Halbleiterbauelemente des dritten Satzes beispielsweise als Abstandshalter zwischen zwei Halbleiterbauelemente eines anderen Satzes an dem Kühlkörper angeordnet werden, insbesondere quer zu einer Flussrichtung eines Kühlmittels im Kühlkörper. Es versteht sich von selbst, dass die benachbarten Halbleiterbauelemente auch verschiedenen Sätzen angehören können.The semiconductor components of the third set can also be heated, for example, primarily by the power dissipation of the neighboring semiconductor components. Furthermore, the semiconductor components of the third set can be arranged on the heat sink, for example, as spacers between two semiconductor components of another set, in particular transversely to a flow direction of a coolant in the heat sink. It goes without saying that the neighboring semiconductor components can also belong to different sets.
Weiter ist zum Beispiel denkbar, dass die Halbleiterbauelemente des dritten Satzes in einer Flussrichtung eines Kühlmittels in dem Kühlkörper zwischen Halbleiterbauelementen des ersten und/oder zweiten Satzes angeordnet sein können.Furthermore, it is conceivable, for example, that the semiconductor components of the third set can be arranged in a flow direction of a coolant in the heat sink between semiconductor components of the first and/or second set.
Insbesondere, wenn Kühlmittel durch den Kühlkörper strömt, kann ein Halbleiterbauelement des dritten Satzes in Flussrichtung des Kühlmittels zwischen zwei Halbleiterbauelementen eines anderen Satzes an dem Kühlkörper angeordnet sein. Es versteht sich auch hier von selbst, dass die benachbarten Halbleiterbauelemente auch verschiedenen Sätzen angehören können.In particular, when coolant flows through the heat sink, a semiconductor component of the third set can be arranged on the heat sink between two semiconductor components of another set in the direction of coolant flow. It goes without saying that the adjacent semiconductor components can also belong to different sets.
In einigen Ausführungsbeispielen sind die Halbleiterbauelemente als Halbleiterchips ausgebildet.In some embodiments, the semiconductor components are formed as semiconductor chips.
Nach einem zweiten Aspekt wird ein modularer mehrstufiger Wechselrichter mit mindestens zwei Wechselrichtermodulen vorgeschlagen, wobei mindestens eins der Wechselrichtermodule gemäß dem ersten Aspekt ausgebildet ist.According to a second aspect, a modular multi-stage inverter having at least two inverter modules is proposed, wherein at least one of the inverter modules is designed according to the first aspect.
Vorteile und Wirkungen sowie Weiterbildungen des Wechselrichters ergeben sich aus den Vorteilen und Wirkungen sowie Weiterbildungen des oben beschriebenen Wechselrichtermoduls. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird daher in dieser Hinsicht auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen.The advantages and effects, as well as further developments, of the inverter are derived from the advantages and effects, as well as further developments of the inverter module described above. To avoid repetition, reference is made to the previous description in this regard.
Nach einem dritten Aspekt wird ein Fahrzeug vorgeschlagen. Das Fahrzeug umfasst mindestens einen elektrischen Energiespeicher, einen elektrischen Motor und mindestens ein Wechselrichtermodul nach der vorangegangenen Beschreibung bzw. mindestens einen modularen mehrstufigen Wechselrichter nach der vorangegangenen Beschreibung, wobei das Wechselrichtermodul bzw. der Wechselrichter den elektrischen Energiespeicher mit dem elektrischen Motor elektrisch verbindet.According to a third aspect, a vehicle is proposed. The vehicle comprises at least one electrical energy storage device, an electric motor, and at least one inverter module according to the preceding description or at least one modular multi-stage inverter according to the preceding description, wherein the inverter module or the inverter electrically connects the electrical energy storage device to the electric motor.
Vorteile und Wirkungen sowie Weiterbildungen des Fahrzeugs ergeben sich aus den Vorteilen und Wirkungen sowie Weiterbildungen des oben beschriebenen Wechselrichtermoduls. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird daher in dieser Hinsicht auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen.The advantages and effects, as well as further developments, of the vehicle are derived from the advantages and effects, as well as further developments, of the inverter module described above. To avoid repetition, reference is made to the previous description in this regard.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer beispielhaften Ausführungsform mittels der beigefügten Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Wechselrichtermoduls; -
2a , b eine schematische Querschnittsdarstellung eines Wechselrichtermoduls; -
3 eine schematische Darstellung eines Schaltkreises eines Wechselrichtermoduls; -
4 eine schematische Darstellung der Schaltung eines Wechselrichtermoduls; und -
5 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs.
-
1 a schematic representation of an inverter module; -
2a , b a schematic cross-sectional view of an inverter module; -
3 a schematic diagram of a circuit of an inverter module; -
4 a schematic diagram of the circuit of an inverter module; and -
5 a schematic representation of a vehicle.
Das Wechselrichtermodul wird im Folgenden gemäß
Das Wechselrichtermodul 10 weist einen Kühlkörper 12 auf, auf dem mehrere Sätze Halbleiterbauelemente 14, 16, 18 angeordnet sind. Zumindest sind ein erster Satz Halbleiterbauelemente 14 und ein zweiter Satz Halbleiterbauelemente 16 vorhanden. In diesem Beispiel ist auch ein dritter Satz mit Halbleiterbauelementen 18 vorhanden.The
Die Halbleiterbauelemente 14 des ersten Satzes weisen in diesem Beispiel eine höhere Verlustleistung als die Halbleiterbauelemente 16 des zweiten Satzes auf. Die Halbleiterbauelemente 18 des dritten Satzes können eine geringere Verlustleistung als die Halbleiterbauelemente 16 des zweiten Satzes aufweisen und hauptsächlich durch die Wärme von den benachbarten Halbleiterbauelementen 14, 16 des ersten und zweiten Satzes erwärmt werden.In this example, the
Der Kühlkörper 12 kann von einem Kühlmittel der in einer Flussrichtung 50 durchflossen werden. Das Kühlmittel hat beim Eintritt in den Kühlkörper 12 seine kälteste Temperatur. Beim Durchströmen des Kühlkörpers 12 wird das Kühlmittel durch die Verlustleistung der Halbleiterbauelemente 14, 16 erwärmt, sodass die Kühlleistung in Flussrichtung 50 verringert wird.A coolant can flow through the
Die Halbleiterbauelemente 14 des ersten Satzes und die Halbleiterbauelemente 16 des zweiten Satzes können zur Optimierung der Kühlleistung am Kühlkörper 12 in einem ersten Abstand 32 zueinander angeordnet sein. In dem dargestellten Beispiel gemäß
In dem dargestellten Beispiel gemäß
Insbesondere sind jedoch in diesem Beispiel quer zur Flussrichtung 50 alle zweiten Abstände 38 größer als die ersten Abstände 32.In particular, however, in this example, transverse to the
Weiter kann auch ein mittlerer erster Abstand, der sich aus der Summe aller ersten Abstände 32 in allen Richtungen zwischen verschiedenen Halbleiterbauelementen 14, 16 des ersten und zweiten Satzes geteilt durch die Anzahl der ersten Abstände 32 berechnet, kleiner als ein mittlerer zweite Abstand sein, der sich aus der Summe aller zweiten Abstände 34, 36, 38 in allen Richtungen zwischen gleichen Halbleiterbauelementen 14 des ersten Satzes oder zwischen gleichen Halbleiterbauelemente 16 des zweiten Satzes geteilt durch die Anzahl der zweiten Abstände 34, 36, 38 berechnet.Furthermore, an average first distance, which is calculated from the sum of all
Quer zur Flussrichtung 50 sind die Halbleiterbauelemente 16 des zweiten Satzes zwischen den Halbleiterbauelementen 14 des ersten Satzes angeordnet. Weiter sind die Halbleiterbauelemente 14 des ersten Satzes quer zur Flussrichtung 50 an den Rändern des Kühlkörpers 12 angeordnet.The
Damit kann die Verlustleistung der Halbleiterbauelemente 14 optimal auf den Kühlkörper 12 verteilt werden, ohne dass übermäßig erwärmte Bereiche der durch Überlappungen von durch die Halbleiterbauelemente erwärmten Abschnitten des Kühlkörpers 12 entstehen.This allows the power loss of the
Weiter verbessert werden kann die Verteilung der Verlustleistung der Halbleiterbauelemente 14, 16 des ersten Satzes bzw. des zweiten Satzes durch das Anordnen der Halbleiterbauelemente 18 des dritten Satzes zwischen gleichartigen Halbleiterbauelementen 14, 16 in Flussrichtung 50. Insbesondere in dem Bereich des Kühlkörpers 12, in dem das Kühlmittel beim Durchfließen des Kühlkörpers 12 bereits Wärme von den Halbleiterbauelementen 14, 16 aufgenommen hat, können die Halbleiterbauelemente 18 des dritten Satzes als Abstandshalter fungieren, um die Verlustleistung der angrenzenden Halbleiterbauelemente 14, 16 optimal zu verteilen.The distribution of the power loss of the
In diesem Beispiel ist in Flussrichtung 50 eine Reihe Halbleiterbauelemente 18 des dritten Satzes quer zur Flussrichtung 50 als vorletzte Reihe in der Anordnung der Halbleiterbauelemente 14, 16, 18 vorgesehen.In this example, in the
In dem Kühlkörper 12 können mehrere Kühlkanäle 24 ausgebildet sein, durch die das Kühlmittel fließen kann. Diese sind im Querschnitt in den
Weiter weisen die Halbleiterbauelemente 14, 16, 18 Kontaktflächen 46, 48 auf, mit denen sie mit dem Substrat 20 verbunden sind. Die Verlustleistung der Halbleiterbauelemente 14, 16, 18 wird über die Kontaktflächen 46, 48 auf das Substrat 20 übertragen. Von dem Substrat 20 wird die Wärme weiter auf das Kühlelement 22 zu den Kühlkanälen 24 geleitet.Furthermore, the
Die Verlustleistung der Halbleiterbauelemente 14, 16, 18 wird daher durch das Substrat 20 zu den in dem Kühlelement 22 angeordneten Kühlkanälen 24 geleitet. The power loss of the
Die Kontaktflächen 46, 48 der Halbleiterbauelemente 14, 16, 18 können verschiedene Größen haben.The contact surfaces 46, 48 of the
In
In
Das Kühlmittel in den Kühlkanälen 24 wird daher durch die Halbleiterbauelemente 14, 16 des ersten und zweiten Satzes gleichmäßig erwärmt.The coolant in the
In
Es kann jede andere Schaltung verwendet werden, die zum Umrichten in einem Wechselrichtermodul 10 für einen modularen mehrstufigen Wechselrichter geeignet ist.Any other circuit suitable for conversion in an
In
Weiter kann das Fahrzeug 40 einen elektrischen Motor 44 aufweisen, der zum Antreiben des Fahrzeugs 40 ausgebildet ist. Der elektrische Motor 44 kann auch als Generator fungieren, um beispielsweise bei einer Verzögerung des Fahrzeugs kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.Furthermore, the vehicle 40 may include an
Der Wechselrichter 30 oder mindestens ein Wechselrichtermodul 10 können eine elektrische Verbindung zwischen dem Energiespeicher 42 und dem elektrischen Motor 44 ausbilden. Energie, die von dem Energiespeicher 42 mit einer Gleichspannung bereitgestellt wird, kann durch den Wechselrichter 30 oder das mindestens eine Wechselrichtermodul 10 in eine Wechselspannung umgerichtet werden. Die Frequenz der Wechselspannung kann von der angeforderten Geschwindigkeit für das Fahrzeug 40 abhängen.The
Weiter kann von dem elektrischen Motor 44 mit einer Wechselspannung bereitgestellte elektrische Energie durch den Wechselrichter 30 oder das mindestens eine Wechselrichtermodul 10 in eine Gleichspannung umgewandelt werden und in den elektrischen Energiespeicher 42 eingespeist werden.Furthermore, electrical energy provided by the
Das oben beschriebene Beispiel dient in keiner Weise einer Beschränkung der Erfindung. Vielmehr kann die Erfindung in vielfältiger Weise abgewandelt werden. Alle oben beschriebenen Merkmale der Erfindung können allein oder in Kombination miteinander wesentlich für die Erfindung sein.The example described above does not limit the invention in any way. Rather, the invention can be modified in many ways. All of the features of the invention described above can be essential to the invention alone or in combination with one another.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- WechselrichtermodulInverter module
- 1212
- Kühlkörperheat sink
- 1414
- Halbleiterbauelementsemiconductor component
- 1616
- Halbleiterbauelementsemiconductor component
- 1818
- Halbleiterbauelementsemiconductor component
- 2424
- Kühlkanalcooling channel
- 2626
- WärmespreizungHeat spreading
- 3030
- WechselrichterInverter
- 3232
- erster Abstandfirst distance
- 3434
- zweiter Abstandsecond distance
- 3636
- zweiter Abstandsecond distance
- 3838
- zweiter Abstandsecond distance
- 4040
- Fahrzeugvehicle
- 4242
- elektrischer Energiespeicherelectrical energy storage
- 4444
- MotorMotor
- 4646
- KontaktflächeContact surface
- 4848
- KontaktflächeContact surface
- 5050
- FlussrichtungFlow direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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.This list of documents submitted by the applicant was generated automatically and is included solely for the convenience of the reader. This list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
-
DE 10 2008 000 452 T5 [0003]
DE 10 2008 000 452 T5 [0003]
Claims (12)
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023132878.6A DE102023132878A1 (en) | 2023-11-24 | 2023-11-24 | Inverter module and inverter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102023132878A1 true DE102023132878A1 (en) | 2025-05-28 |
Family
ID=95655601
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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| Country | Link |
|---|---|
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090207639A1 (en) * | 2005-06-01 | 2009-08-20 | Mitsubishi Electric Corporation | Three-level power converting apparatus |
| JP2013048151A (en) * | 2011-08-29 | 2013-03-07 | Toshiba Corp | Semiconductor cooling device for vehicle |
| JP2016106518A (en) * | 2016-03-01 | 2016-06-16 | 富士電機株式会社 | Power conversion device |
-
2023
- 2023-11-24 DE DE102023132878.6A patent/DE102023132878A1/en active Pending
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