Kühlsystem mit parallelen Kühlkanälen

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für einen Stromrichter. Ferner betrifft die Erfindung ein Stromrichter mit einem der artigen Kühlsystem. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfah ren zur Regelung und/oder Steuerung eines derartigen Kühlsys tems oder derartigen Stromrichters.

Stromrichter zur Umwandlung von elektrischer Energie erzeugen Verlustleistung, die sich in Verlustwärme zeigen. Diese Wärme muss aus den entsprechenden Bauteilen abgeführt werden, um diese vor Beschädigungen zu schützen. In einem Stromrichter entsteht Verlustleistung im Besonderen im Leistungsteil . Dort werden unterschiedliche elektrische Komponenten eingesetzt, die sich im Betrieb aufgrund elektrischer Verluste erwärmen und gekühlt werden müssen um eine erforderliche Lebensdauer der Komponenten gewährleisten zu können. Dies sind im Wesent lichen die Halbleiter (z.B. IGBT's) und die Zwischenkreiskon densatoren. Da die Lebensdauer von Zwischenkreiskondensatoren sehr stark durch die Umgebungstemperatur beeinflusst wird, sollte diese ca. 70°C nicht übersteigen um Standardkomponen ten verwenden zu können. Diese Standardkomponenten sind preisgünstig am Markt verfügbar und wirken sich auf niedrige Herstellkosten des Stromrichters aus.

Aufgrund der geringen zulässigen Umgebungstemperatur für die Zwischenkreiskondensatoren gibt es eine Vorgabe hinsichtlich der Anordnung in einem luftgekühlten Leistungsteil . Dabei werden die Zwischenkreiskondensatoren in einem Luftstrom zur Kühlung entweder vor den Halbleitern oder mittels Luft-Bypass angeordnet. So wird sichergestellt, dass sie mit kühler, d.h. nicht vorerwärmter, Kühlluft versorgt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Kühlsystem für einen Stromrichter zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem für einen Stromrich ter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch einen Stromrichter mit einem derartigen Kühl system gelöst. Weiter wird dir Aufgabe durch ein Verfahren zur Regelung und/oder Steuerung eines derartigen Kühlsystems oder derartigen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhän gigen Ansprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine gute Versorgung mit hinreichend kühlem Kühlmedium, beispielsweise mit Luft oder Wasser, durch eine parallele Anordnung von zwei Kühlkanälen zur Kühlung von Zwischenkreiskondensatoren und Halbleitern im Gerät erzielt werden kann. Die Halbleiter wer den aufgrund der hohen schaltbaren Ströme auch als Leistungs halbleiter bezeichnet. Dazu werden für diese beiden unter schiedlichen Komponenten direkt angeströmte und hermetisch getrennte Kühlkanäle vorgesehen. Durch die beiden Kühlkanale werden sowohl Zwischenkreiskondensatoren als auch die Halb leiter mit einem nicht vorerwärmten Kühlmedium gekühlt. Für die Zwischenkreiskondensatoren hat dies den Vorteil, dass zu lässige Maximaltemperaturen zuverlässig eingehalten werden. Gleichzeitig kann die deutlich höhere Verlustleistung der Halbleiter zuverlässig abgeführt werden. Eine gegenseitige Beeinflussung kann dabei auf einfache Weise durch die paral lele Anordnung vermieden werden. Neben den thermischen Vor teilen kann mit den beiden Kühlkanälen auch ein relativ ein facher, niederinduktiver Geräteaufbau mit sehr einfachen Stromschienen zur Stromführung für die DC- und AC-Schienen erreicht werden. Aufgrund dieser Anordnung lässt sich das Bauvolumen des Gesamtgerätes sehr kompakt gestalten.

Dabei sind die Kühlkanale als Luftkanäle ausgebildet. Die Verwendung von Luft hat sich als besonders vorteilhaft erwie sen. Diese kann der Umgebung entnommen werden und mittels der Kühlkanäle den zu kühlenden Komponenten zugeführt werden. Ei ne Aufteilung der Kühlluft auf zwei parallele Kühlkanäle ist dabei problemlos möglich. Im Gegensatz zur Kühlung mit dem Kühlmedium Wasser kann auf einen Rückkühler, der die Wärme im Wasser an die Umgebung abgibt, verzichtet werden. Damit lässt sich ein besonders einfach aufgebautes und gleichzeitig sehr wirkungsvolles Kühlsystem realisieren.

Dabei weist das Kühlsystem einen Luftverteiler auf, wobei der Luftverteiler derart in vorteilhafter Weise derart ausgebil det ist, den Luftstrom zwischen dem ersten Kühlkanal und dem zweiten Kühlkanal im Verhältnis 90:10 aufzuteilen. Da die Zwischenkreiskondensatoren zwar eine möglichst geringe Tempe ratur des Kühlmediums benötigen aber die Verlustleistung in den Halbleitern deutlich größer ist als in den Zwischenkreis kondensatoren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Ge- samtluftstrom über einen Luftverteiler im Verhältnis von 90:10 (Luftmenge Halbleiter im Verhältnis zu Zwischenkreis kondensator) aufzuteilen. Untersuchungen haben ergeben, dass Aufteilungen im Bereich 80:20 bis 95:5 gute und vor allem gleichmäßige Kühlungsergebnisse mit sich bringen.

Dazu ist vorteilhaft, wenn für die Aufteilung der Kühlluft auf den ersten und den zweiten Kühlkanal ein Messwert einer Temperatur herangezogen wird. Dazu weist das Kühlsystem einen Temperatursensor aus. Dieser Temperaturmesswert kann direkt oder nach Verarbeitung, beispielsweise nach Berechnungen in einem Temperaturmodell, für die Regelung bzw. Steuerung der Luftaufteilung zwischen den beiden Kühlkanälen verwendet wer den. Der Temperatursensor kann dabei beispielsweise eine Tem peratur einer im Kühlluftkanal befindlichen, zu kühlenden Komponente messen. Alternativ oder ergänzend kann auch die Temperatur der Kühlluft, insbesondere der Abluft, d.h. nach dem sie Wärme der zu kühlenden Komponente aufgenommen hat ge messen werden und für die Regelung bzw. Steuerung der Auftei lung verwendet werden.

Der Vorteil der Luftaufteilung in Abhängigkeit von einem Tem peraturmesswert liegt darin, dass dir zu kühlenden Komponen ten in den beiden Luftkanälen je nach Betriebsbedingungen op- timal gekühlt werden können. Dabei kann beispielsweise die Aufteilung so ausgerichtet werden, dass der Lebensdauerver lust durch die Erwärmung der zu kühlenden Komponenten ver gleichmäßigt wird. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, sowohl die Luftmenge als auch die Aufteilung der Luft so zu regeln oder zu steuern, dass sich die Temperatur der zu küh lenden Komponenten einen Referenzwert annimmt und im Betrieb auf diesen Wert bleibt. Durch die Vermeidung von Temperatur schwankungen wird die Lebensdauer der zu kühlenden Komponen ten erhöht.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Kühlsystem genau einen Lüfter auf, der derart ange ordnet ist, Kühlluftströme im ersten und im zweiten Kühlkanal zu erzeugen. Die gesamte benötigte Kühlluft für beide Luftka näle kann bei dieser Ausgestaltung durch nur einen Lüfter an die Zwischenkreiskondensatoren und die Halbleiter herange führt werden. Der Lüfter erzeugt dabei Kühlluftströme sowohl im ersten wie auch im zweiten Kühlkanal. Dabei wird die benö tigte Kühlluft vom Lüfter in die beiden Kühlkanäle geblasen.

Der Luftverteiler kann dabei für die Aufteilung der Luft auf die beiden Kühlkanäle Öffnungen unterschiedlicher Größe auf weisen, so dass sich das entsprechende Aufteilungsverhältnis ergibt. Alternativ oder ergänzend können diese Öffnungen mit beweglichen Klappen ausgestattet sein, mit denen das Verhält nis der Aufteilung anpassbar ist. Der Vorteil der Anpassung liegt daran, dass auf unterschiedliche Verlustleistungsauf teilungen, beispielsweise abhängig vom Betriebspunkt des Stromrichters reagiert werden kann und die Kühlung für beide Komponenten optimal gestaltet werden kann. Die Aufteilung kann beispielsweise auch in Abhängigkeit der Temperatur der Zwischenkreiskondensatoren und/oder der Halbleiter gesteuert oder geregelt werden.

Eine weitere Möglichkeit, die Luftaufteilung auf die zwei Kühlkanäle vorzunehmen ist, ein Mittel zur Reduzierung des Drucks für mindestens einen der Kühlkanäle vorzusehen. Damit lässt sich ebenfalls auf einfache Weise die Aufteilung der Kühlluftmenge auf die beiden Kühlkanäle beeinflussen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der erste und der zweite Kühlkanal im Bereich der paral lelen Anordnung räumlich parallel angeordnet. Bei der räum lich parallelen Anordnung erstreckt sich die Außenhaut des ersten Kühlkanals zumindest abschnittsweise parallel zur Au ßenhaut des zweiten Kühlkanals. Durch die räumlich parallele Anordnung können auch die Zwischenkreiskondensatoren und die Halbleiter parallel zueinander im Stromrichter angeordnet werden. Damit lässt sich auch im Hinblick auf das elektrische Verhalten ein besonders einfacher und niederinduktiver Gerä teaufbau mit sehr einfachen Stromschienen zur Stromführung für die DC- und AC-Schienen erzielen. Aufgrund dieser Anord nung lässt sich das Bauvolumen des Stromrichters sehr kompakt und damit kostengünstig gestalten.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Es zeigen:

FIG 1 zwei Kühlkanäle eines Stromrichters und

FIG 2 einen Stromrichter

Die FIG 1 zeigt ein Kühlsystem 1 für die Verwendung des Kühl mediums Luft. Dieses Kühlsystem 1 weist einen ersten Kühlka nal 11 und einen zweiten Kühlkanal 12 auf. Diese erstrecken sich räumlich parallel durch den dargestellten Ausschnitt des Stromrichters 2. Deutlich zu erkennen sind die getrennten Kühlkanäle für die Kühlung der Halbleiter 21 und die Kühlung der Zwischenkreiskondensatoren 22. Dabei dient der erste Kühlkanal 11 zur Kühlung der Halbleiter 21, die auf einen Kühlkörper montiert sind. Die Kühlrippen des Kühlkörpers ra gen in den ersten Kühlkanal 11. Damit geben die Halbleiter 21 die durch Verlustleistung erzeugte Wärme über den Kühlkörper an das Kühlmedium Luft ab. Eine Überhitzung der Halbleiter 21 kann somit zuverlässig verhindert werden. Im zweiten Kühlkanal 12 sind die Zwischenkreiskondensatoren 22 angeordnet. Diese befinden sich im zweiten Kühlkanal 12 und werden von dem Kühlmedium Luft umspült. Dabei geben die Zwischenkreiskondensatoren 22 die Wärme ab, die aufgrund von Verlusten in den Kondensatoren entstehen. Da die Verlustlei tung der Halbleiter 21 größer ist als die der Zwischenkreis kondensatoren 22 ist auch die wirksame Querschnittflache des ersten Kühlkanals 11 größer als die wirksame Querschnittfla che des zweiten Kühlkanals 12. Die wirksame Querschnitts fläche ist die Querschnittsfläche des Kühlkanals 11, 12 abzü glich der darin hineinragenden Komponenten wie Zwischenkreis kondensatoren 22 oder Kühlrippen.

Zur Steuerung der Luftaufteilung zwischen den beiden Kühlka nälen 11, 12 dient ein hier nicht dargestellter Luftverteiler

4 am Eingang der beiden Kühlkanäle 11, 12. Mit diesem kann, beispielsweise abhängig vom Arbeitspunkt und/oder den an den Halbleitern 21 und/oder den Zwischenkreiskondensatoren 22 ge messenen Temperaturen, die Aufteilung der Kühlluft auf die beiden Kühlkanäle 11, 12 gesteuert oder geregelt werden.

Die FIG 2 zeigt einen Stromrichter 2 mit einem Kühlsystem 1. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zur FIG 1 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen ver wiesen. Zur Erzeugung eines Kühlluftstromes weist der Strom richter 2 einen Lüfter 3 auf. Über den hier nicht dargestell ten Luftverteiler 4 wird durch den Lüfter 3 ein Kühlluftstrom sowohl im ersten Kühlkanal 11 wie auch zweiten Kühlkanal 12 erzeugt .

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Kühlsystem für ei nen Stromrichter. Zur Verbesserung des Kühlsystems wird vor geschlagen, das Kühlsystem mit einem ersten Kühlkanal und ei nem zweiten Kühlkanal auszustatten, Wobei der erste und der zweite Kühlkanal zumindest abschnittsweise parallel angeord net sind, wobei im Bereich der parallelen Anordnung der erste Kühlkanal zur Kühlung von Halbleitern des Stromrichters aus gebildet ist, wobei im Bereich der parallelen Anordnung der zweite Kühlkanal zur Kühlung von Zwischenkreiskondensatoren des Stromrichters ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfin dung einen Stromrichter mit einem derartigen Kühlsystem.