DE69401137T2

DE69401137T2 - Kühlungsanordnung für elektrische Leistungsbauteile

Info

Publication number: DE69401137T2
Application number: DE69401137T
Authority: DE
Inventors: Jean-Luc Dubelloy
Original assignee: GEC Alsthom Transport SA
Current assignee: Alstom Transport SA
Priority date: 1993-02-10
Filing date: 1994-02-07
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2014-02-08
Also published as: CA2115303A1; ES2095133T3; EP0611198A1; DE69401137D1; CA2115303C; EP0611198B1; US5495889A; FR2701600B1; FR2701600A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung elektrischer Leistungselemente, insbesondere für Haibleiterelemente.
Es ist üblich, elektrische Leistungsbauelemente, die bei hoher Spannung betrieben werden, durch ein strömendes Wärmeträgerfluid zu kühlen. Mehrere Lösungen wurden vorgeschlagen.
Das Wärmeträgerfluid kann Wasser sein, das den Vorteil hat, billig und nicht verschmutzend zu sein. In diesem Fall muß eine gute elektrische Isolierung zwischen dem, Kühlwasser und den leitenden Teilen des zu kühlenden Bauelements vorgesehen werden. So beschreibt die Druckschrift DE 4 017 749 eine Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente, deren elektrische Kontakte in Form zweiter paralleler und entgegengesetzter Flächen vorliegen. Da die Bauelemente übereinander angeordnet werden sollen, stapelt man nacheinander einen ersten elektrischen Anschluß, ein erstes Bauelement, einen zweiten elektrischen Anschluß, einen elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Körper, in dem Wasser fließt, einen weiteren ersten elektrischen Anschluß usw. Diese Lösung ist besonders platzraubend. Außerdem sind die elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Materialien trotzdem weniger wirksam bei den Wärmetauschvorgängen als ein gut elektrisch leitendes Metall wie z.B. Kupfer.
Es sind ebenfalls Vorrichtungen zur direkten Kühlung bekannt, bei denen ein wärme- und stromleitender Körper direkt auf dem elektrischen Anschluß angeordnet ist. Dieser leitende Körper ist mit isolierenden Rohren verbunden, die den Umlauf eines dielektrischen Kühlfluids im Körper erlauben. Das dielektrische Fluid kann Öl, oder, wenn man ein billiges und nicht verschmutzendes Fluid vorzieht, entionisiertes Wasser sein. Das Öl hat außerdem schlechte Wärmeleistungen. Dagegen benötigt das entionisierte Wasser ein platzraubendes und teures Verarbeitungssystem.
Eine weitere Lösung besteht darin, die Kühlung durch Zwischenschaltung eingekapselter isolierender Platten durchzuführen. Bei der Übereinanderschichtung von Halbleiterbauelementen der oben beschriebenen Art erfolgt die Stapelung folgendermaßen: Bauelement, elektrischer Anschluß, ein erster Kupferkopf, eine elektrisch isolierende und wärmeleitende Platte, ein zweiter Kupferkopf, ein metallischer Kühlkörper, in dem ein Fluid wie z.B Wasser fließt, dann die gleichen Elemente in umgekehrter Richtung: die beiden Köpfe getrennt durch die Isolierplatte, der elektrische Anschluß und das Bauelement. Um den Weg der elektrischen Feldlinien zu vergrößern, ist es notwendig, die isolierende Platte zwischen die beiden benachbarten Köpfe einzukapseln. Diese Lösung führt zu einer sehr platzraubenden Vorrichtung.
Diese verschiedenen bekannten Lösungen haben also alle Nachteile, die die vorliegende Erfindung zu vermeiden erlaubt. Zu diesem Zweck wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die in einer einzigen Einheit mindestens einen elektrischen Anschluß, eine Isolierplatte je Anschluß und einen metallischen Kühlkörper enthält, der mit nicht entionisiertem Wasser arbeitet.
Die Erfindung hat also zum Gegenstand eine Kühlvorrichtung für ein Elektroden aufweisendes elektrisches Leistungsbauelement, die einen Kühler mit einem Kreislauf, welcher den Umlauf eines Kühlfluids ermöglicht, und mit einer ersten Wärmetauscherfläche in Wärmekontakt mit dem zu kühlenden Bauelement enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiter eine Platte aus einem elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Material aufweist, die zwischen der ersten Fläche des Kühlers und einer ersten Fläche eines elektrischen Anschlusses liegt, dessen zweite Fläche mit einer der Elektroden des Bauelements in thermischem und elektrischem Kontakt stehen soll, wobei die Vorrichtung Mittel aufweist, die die mechanische Verbindung zwischen dem Kühler und dem elektrischen Anschluß derart gewährleistet, daß die Kühlvorrichtung eine kompakte Einheit bildet.
Die mechanischen Verbindungsmittel können einen elektrischen Isolator aufweisen, der zwischen dem Anschluß und dem Kühler angeordnet und einerseits an diesem Anschluß und andererseits am Kühler befestigt ist und der zwischen dem Kühler und dem Anschluß eine vor Verunreinigungen geschützte Zone begrenzt.
Die mechanische Verbindung kann durch diese geschützte Zone füllendes Harz gewährleistet werden.
Sie kann einerseits durch eine Metallfolie, die den Kühler mit dem Isolator verbindet, und andererseits durch Befestigung des Isolators an dem Anschluß gewährleistet werden.
Wenn der Kühler nur eine Wärmetauscherfläche aufweist, kann er aus zwei Teilen bestehen, nämlich einem ersten Teil, von dem eine Fläche die Wärmetauscherfläche bildet und von dem eine andere Fläche eine Rille für den Umlauf des Kühlfluids aufweist, und einem zweiten Teil, von dem eine Fläche die zweite Fläche des ersten Teils bedeckt und der Einlaß- und Auslaßöffnungen für das Kühlfluid, eine Zufuhrleitung fur Kühlfluid von der Einlaßöffnung bis zum Eingang der Rille und eine Abfuhrleitung für Kühlfluid vom Ausgang der Rille bis zur Auslaßöffnung aufweist.
Wenn der Kühler zwei Wärmetauscherflächen entsprechend zwei zu kühlenden Bauelementen aufweist, kann er aus drei Teilen bestehen, nämlich einem ersten Teil, von dem eine erste Fläche eine der Wärmetauscherflächen bildet und von dem eine zweite Fläche eine erste Rille für den Umlauf des Kühlfluids aufweist, einem zweiten Teil, von dem eine erste Fläche die andere Wärmetauscherfläche bildet und von dem eine zweite Fläche eine zweite Rille für den Umlauf des Kühlfluids bildet, einem dritten Teil, von dem eine Fläche die zweite Fläche des ersten Teils bedeckt und von dem eine andere Fläche die zweite Fläche des zweiten Teils bedeckt und der Einlaß- und Auslaßöffnungen für das Kühlfluid, eine Zufuhrleitung für Kühlfluid von der Einlaßöffnung bis zum Eingang der ersten Rille, eine Leitung für das Fluid zwischen dem Ausgang der ersten Rille und dem Eingang der zweiten Rille, und eine Abfuhrleitung für das Kühlfluid vom Ausgang der zweiten Rille bis zur Auslaßöffnung aufweist.
Der den Umlauf des Kühlfluids ermöglichende Kreislauf kann für eine Wärmetauscherfläche oder für jede Wärmetauscherfläche die Form einer Spirale aufweisen.
Nachfolgend werden weitere Vorteile und Besonderheiten der Erfindung anhand eines nicht einschränkend zu verstehenden Beispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt im Schnitt eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung, die zur Kühlung zweier elektrischer Leistungsbauelemente bestimmt ist.
Figur 2 zeigt den Kühler der Kühlvorrichtung gemäß dem Schnitt II-II in Figur 1.
Figur 3 zeigt den Kühler der Kühlvorrichtung gemäß dem Schnitt III-III in Figur 1.
Figur 4 zeigt im Schnitt eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zur Kühlung eines einzigen elektrischen Leistungsbauelement.
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung besitzt zwei entgegengesetzte Wärmetauscherflächen. Sie enthält einen Kühler 1, der aus drei Teilen zusammengesetzt ist, nämlich einem zentralen Körper 11, einem ersten Wärmetauscherteil 12 und einem zweiten Wärmetauscherteil 13. Der Kühler ermöglicht den Umlauf eines Kühlfluids, das ihm zum Beispiel über eine Leitung 2 zugeführt wird, die an der Einlaßöffnung 14 des Kühlers mündet, und das von einer Leitung 3 abgeführt wird, die an der Auslaßöffnung 15 mündet (siehe Figuren 2 und 3).
Von der Einlaßöffnung 14 bis zur Auslaßöffnung 15 besteht der Kühlkreislauf aus einer Leitung 16, die die Einlaßöffnung 14 mit Kanälen 17 in der direkten Nähe der Wärmetauscherfläche 18 verbindet, einer Leitung 19, die die Kanäle 17 mit den Kanälen 20 verbindet, die in der direkten Nähe der Wärmetauscherfläche 21 angeordnet sind, einer Leitung 22 (siehe Figur 3), die die Kanäle 20 mit der Auslaßöffnung 15 verbindet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Kanäle 17 und 20 eine Spiralform, wie es die Figuren 2 und 3 zeigen. Diese Kanäle werden vorteilhafterweise folgendermaßen hergestellt: man fräst spiralförmige Rillen aus den Flächen 23 und 24 der Teile 12 und 13 heraus, wobei diese Flächen den Wärmetauscherflächen 18 bzw. 21 abgewandt liegen. Wenn die drei Teile 11, 12 und 13 übereinandergelegt sind, wie es Figur 1 zeigt, sind die Rillen abgedeckt und das Kühlfluid kann nur noch spiralförmig umlaufen.
Die Teile 12 und 13 sind aus dem gleichen, gut wärmeleitenden Metall hergestellt, wie z.B. Kupfer. Das Teil 11 kann auch aus Kupfer hergestellt sein. Ihr Zusammenbau kann vorteilhafterweise durch Auflöten der Teile 12 und 13 auf das Teil 11 erfolgen.
Die Leitungen 2 und 3 können am Block 11 durch Löten oder Schrauben befestigt sein.
Um einen guten Transfer des Kühlfluids an den Eingang der Kanäle 17 oder an den Ausgang der Kanäle 20 zu erhalten, ist es vorteilhaft, den Leitungen 16 und 22 eine längliche Form zu geben, die sich der Spiralform der Rillen gut anpaßt.
Die Kühlvorrichtung enthält auch Platten 4 und 5, die je auf den Wärmetauscherflächen 18 bzw. 21 ruhen. Diese Platten 4 und 5 sind aus einem elektrisch gut isolierenden und gut wärmeleitenden Material, zum Beispiel aus Keramikmaterial.
Die Platten 4 und 5 tragen je die elektrischen Anschlüsse 6 bzw. 7, zum Beispiel aus Kupfer. Jede isolierende Platte besitzt mit ihren Wärmetauscher und entsprechenden elektrischen Anschlußteilen große gemeinsame Flächen, um die Übertragung der von den elektrischen Bauelementen erzeugten Wärme zu erleichtern. Die elektrischen Anschlüsse 6 und 7 weisen ebenfalls große elektrische und thermische Kontaktflächen mit den Bauelementen 27 und 28 auf.
Die den elektrischen Anschlüssen, den Isolierplatten und den Wärmetauscherteilen verliehenen Formen verringern die Einflüsse der elektrischen Felder. Wenn sie ihre gemeinsame Fläche mit einer Isolierplatte verlassen, haben so der elektrische Anschluß und das Wärmetauscherteil abgerundete Formen, um die elektrischen Felder zu begrenzen. Aus dem gleichen Grund stehen die isolierenden Platten weit genug über die Wärmetauscherflächen vor.
Die Vorrichtung besitzt schließlich Isolatoren 8 und 9, zum Beispiel aus Polymermaterial, die je den Wärmetauscherflächen 18 bzw. 21 entsprechen. Diese Isolatoren ermöglichen es, ringförmige Zonen 25, 26 zu schützen, die aus elektrischer Sicht besonders empfindlich gegenüber Verunreinigungen sind. Diese Zonen können entweder mit sauberer Luft oder mit einem dielektrischen Material wie einem Gel oder einem Harz gefüllt werden.
Es ist angebracht, für eine gute Dichtheit der geschützten Zonen 25 und 26 zu sorgen. Indem man diese Zonen mit Harz füllt, erhält man eine kompakte Einheit, die den Kühler 1, die isolierenden Platten 4 und 5 und die elektrischen Anschlüsse 6 und 7 zusammenfaßt. Diese Einheit kann vorteilhafterweise montiert werden, indem die verschiedenen Bestandteile der Vorrichtung mit einer den Erfordernissen der Halbleiter entsprechenden Klemmkraft zusammengepreßt werden (z.B. 3,5 Tonnen für ein Bauelement mit einem Durchmesser von 75 mm). Dann injiziert man Harz durch die in den Isolatoren 8 und 9 vorgesehenen Löcher. Nach der Polymerisierung des Harzes erhält man eine feste Einheit, die in einem Stapel von Halbleitern verwendet werden kann.
Es ist anzumerken, daß die elektrischen Anschlüsse 6 und 7 identisch ausgerichtet oder zueinander versetzt sein können. In manchen Fällen können diese Verbindungen elektrisch miteinander verbunden sein.
Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Verringerung des zwei zu kühlende elektrische Bauelemente trennenden Abstands. So ist es üblich, gemäß dem weiter oben beschriebenen Stand der Technik (zwischenfügung einer eingekapselten isolierenden Platte zwischen Anschluß und Kühlkörper) bei Halbleitern unter einer Spannung von 4,5 kV einen Abstand von 80 mm zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bauelementen in einem Stapel für eine Verlustleistung von 1500 W zu haben. Unter den gleichen Umständen (26 mm Dicke der Halbleiter bei 4,5 kV) kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auf 50 mm Dicke reduziert werden und ermöglicht die Abfuhr einer Leistung von 2200 W.
Die in Figur 4 gezeigt Vorrichtung kann auch zur Kühlung eines einzigen Bauelements verwendet werden, z.B. des Bauelements 45, das sich am Ende eines Stapels von Bauelementen befindet. Sie enthält einen Kühler 30 aus zwei Teilen, nämlich einem Körper 31 und einem Wärmetauscherteil 32, das auf den Körper 30 gelötet ist. Eine Rille 33 ist im Teil 32 ausgearbeitet, um die Kühlkanäle zu bilden. Wie vorher hat sie die Form einer Spirale.
Der Körper 31 enthält eine Einlaßöffnung 34 für das Kühlfluid und eine Auslaßöffnung 35 für dieses Fluid. Diese Öffnungen empfangen Leitungen, die die Zufuhr und die Abfuhr des Fluids ermöglichen. Nur die Zufuhrleitung 36 ist in Figur 4 sichtbar. Eine Leitung 37 verbindet die Einlaßöffnung 34 mit dem Anfang der Rille 33. Eine Leitung 38 verbindet das Ende der Rille 33 mit der Auslaßöffnung 35.
Eine Platte 39 z.B. aus Keramikmaterial ist zwischen der Wärmetauscherfläche 40 des Teils 32 und dem elektrischen Anschluß 41 angeordnet.
Die Vorrichtung besitzt außerdem einen Isolator 42, der die elektrisch gegenüber Verunreinigungen empfindliche Zone schützt. Der mechanische Halt der Gesamtheit der Vorrichtung kann durch Befestigung des Isolators 42 auf der elektrischen Anschluß 41 (z.B. durch Kleben) und mittels einer ringförmigen Metallfolie 43 gewährleistet werden, die mit einem Rand in den Isolator 42 eingeschoben und mit dem anderen Rand auf den Körper 31 gelötet wird.
Eine andere Möglichkeit, um den Halt der Einheit zu gewährleisten, besteht darin, die Platte 39 auf das Teil 32 und auf den elektrischen Anschluß 41 zu löten. In diesem Fall enthält die Keramikplatte 39 Metallbeschichtungen auf ihren Hauptflächen, um das Löten zu ermöglichen.
Unter den Vorteilen der Erfindung kann die Verwendung von Wasser als Kühlfluid, das ein Frostschutzmittel (z.B. Glykol) enthalten kann, und die Abwesenheit eines Filtersystems für das Kühlfluid erwähnt werden. Die isolierenden Platten können vor äußeren Verunreinigungen geschützt werden. Ein weiterer Vorteil besteht in der vollständigen Integrierung des elektrischen Anschlusses, des Kühlers und der elektrischen Isolierung in einer einzigen Einheit.

Claims

1. Kühlvorrichtung für ein Elektroden aufweisendes elektrisches Leistungsbauelement, die einen Kühler (1) mit einem Kreislauf, welcher den Umlauf eines Kühlfluids ermöglicht, und mit einer ersten Wärmetauscherfläche (18, 40) in Wärmekontakt mit dem zu kühlenden Bauelement enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiter eine Platte (4, 39) aus einem elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Material aufweist, die zwischen der ersten Fläche des Kühlers und einer ersten Fläche eines elektrischen Anschlusses (6, 41) liegt, dessen zweite Fläche mit einer der Elektroden des Bauelements in thermischem und elektrischem Kontakt stehen soll, wobei die Vorrichtung Mittel aufweist, die die mechanische Verbindung zwischen dem Kühler und dem elektrischen Anschluß derart gewährleistet, daß die Kühlvorrichtung eine kompakte Einheit bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Verbindungsmittel einen elektrischen Isolator (8, 42) aufweisen, der zwischen dem Anschluß (6, 41) und dem Kühler (1, 30) angeordnet und einerseits an diesem Anschluß und andererseits am Kühler befestigt ist und der zwischen dem Kühler und dem Anschluß eine vor Verunreinigungen geschützte Zone (25) begrenzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verbindung durch ein diese geschützte Zone (25) füllendes Harz gewährleistet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verbindung einerseits durch eine Metallfolie (43), die den Kühler (30) mit dem Isolator (42) verbindet, und andererseits durch Befestigung des Isolators an dem Anschluß (41) gewährleistet wird.

5. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (30), wenn er nur eine Wärmetauscherfläche (40) aufweist, aus zwei Teilen besteht, nämlich einem ersten Teil (32), von dem eine Fläche die Wärmetauscherfläche bildet und von dem eine andere Fläche eine Rille (33) für den Umlauf des Kühlfluids aufweist, und einem zweiten Teil (31), von dem eine Fläche die zweite Fläche des ersten Teils bedeckt und der Einlaß- (34) und Auslaßöffnungen (35) für das Kühlfluid, eine Zufuhrleitung (37) für Kühlfluid von der Einlaßöffnung bis zum Eingang der Rille und eine Abfuhrleitung für Kühlfluid vom Ausgang der Rille bis zur Auslaßöffnung aufweist.

6. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler, wenn er zwei Wärmetauscherflächen (18, 21) entsprechend zwei zu kühlenden Bauelementen aufweist, aus drei Teilen besteht, nämlich einem ersten Teil (12), von dem eine erste Fläche eine der Wärmetauscherflächen bildet und von dem eine zweite Fläche (23) eine erste Rille (17) für den Umlauf des Kühlfluids aufweist, einem zweiten Teil (13), von dem eine erste Fläche (21) die andere Wärmetauscherfläche bildet und von dem eine zweite Fläche (24) eine zweite Rille (20) für den Umlauf des Kühlfluids bildet, einem dritten Teil (11), von dem eine Fläche die zweite Fläche (23) des ersten Teils (12) bedeckt und von dem eine andere Fläche die zweite Fläche (24) des zweiten Teils (13) bedeckt und der Einlaß- (14) und Auslaßöffnungen (15) für das Kühlfluid, eine Zufuhrleitung (16) für Kühlfluid von der Einlaßöffnung (14) bis zum Eingang der ersten Rille (17), eine Leitung (19) für das Fluid zwischen dem Ausgang der ersten Rille (17) und dem Eingang der zweiten Rille (20), eine Abfuhrleitung (22) für das Kühlfluid vom Ausgang der zweiten Rille (20) bis zur Auslaßöffnung (15) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der den Umlauf des Kühlfluids ermöglichende Kreislauf für eine Wärmetauscherfläche oder für jede Wärmetauscherfläche die Form einer Spirale aufweist.