Energieversorgung elektrischer und/oder elektronischer Bau teile

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Energieversorgung elektrischer und/oder elektro nischer Bauteile eines Stromrichters. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Stromrichter und ein Luftfahrzeug mit ei ner derartigen Vorrichtung. Die Erfindung kann insbesondere im elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb in der Luftfahrt verwendet werden.

Beschreibung des Stands der Technik

Leistungsmodule werden zur Kühlung auf Kühlkörper (Flüssig- keits- oder Luftkühler) geschraubt. Viele Stromrichter- Topologien erfordern einen Zwischenkreiskondensator, der mög lichst niederinduktiv und niederohmig an ein Leistungsmodul elektrisch angebunden werden muss. Die notwendige Kapazität des Zwischenkreises ist in erster Näherung proportional zum erforderlichen Volumen und Gewicht des Kondensators. Oft be grenzt die zulässige Temperatur im Inneren des Kondensators eine optimale Ausnutzung der Endstufe. Die Verluste im Kon densator müssen daher durch eine gute thermische Anbindung abgeführt werden. Die Kühlung über die elektrischen An schlussflächen des Kondensators ist bei Folienkondensatoren am effektivsten.

Aus am Markt verfügbaren Produkten ist der Anmelderin be kannt, den Kondensator an die noch „freie" Unterseite des Kühlkörpers thermisch anzubinden, um möglichst kompakt und leicht zu bauen. Die Anbindung erfolgt meistens über Schraub verbindungen und einer Anpressmechanik. Die geforderte nie- derinduktive Anbindung wird über laminierte Busbars (elektrisch isoliert, thermisch leitfähig) mit entsprechenden Biegungen zum Leistungsmodul auf der gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers geführt und kontaktiert.

Dies hat den Nachteil, dass die Spannmechanik (Rahmen,

Schrauben, etc.) und die gebogene Kupfer-Busbar gewichtsin tensiv sind. Zudem ist die minimale Länge der Anbindung des Zwischenkreiskondensators an das Leistungsmodul durch die Kühlkörpergeometrie bestimmt. Diese Länge ist direkt propor tional zur Kommutierungsinduktivität und damit als kritisch anzusehen. Außerdem erschweren die Toleranzen die Schweißpro zesse. Das Schweißen wiederrum führt zu einer starren Verbin dung und zu einer thermomechanischen Belastung der Verbindung und des meist steifen keramischen Schaltungsträgers des Leis tungsmoduls. Schließlich erfordert das Niederdrücken der Bus- Bar Kontakte auf das Modul zusätzlichen mechanischen Aufwand.

Aus am Markt verfügbaren Produkten sind der Anmelderin auch Lösungen bekannt, bei denen die elektrische Kontaktierung der Kühlkörper abgewandten Seite des Kondensators die Aufgaben der elektrischen Leitung sowie der thermischen Wärmeableitung zum Kühlkörper hin übernimmt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lösung für eine verbesserte elektrische Energieversorgung von elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen anzugeben, die insbesondere bei hybrid-elektrischen Antrieben in der Luftfahrt zum Ein satz kommen kann.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Vor richtung zur elektrischen Energieversorgung elektrischer und/oder elektronischer Bauteile eines Stromrichters, dem Stromrichter und dem Luftfahrzeug der unabhängigen Patentan sprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den ab hängigen Ansprüchen gegeben. Erfindungsgemäß wird ein Kondensator, insbesondere ein Zwi schenkreiskondensator, mittels zueinander koaxial angeordnet verlaufenden DC-Leiterelementen elektrisch an ein Leistungs modul und thermisch an einen Kühlkörper kontaktiert.

Die Erfindung beansprucht eine Vorrichtung zur elektrischen Energieversorgung elektrischer und/oder elektronischer Bau teile eines Stromrichters mit mindestens einem Leistungsmo dul, mindestens einem Kondensator, mindestens einem zwischen dem Leistungsmodul und dem Kondensator angeordneten Kühlkör per, ein erstes DC-Leiterelement mit einem ersten Potenzial und mindestens ein weiteres zweites DC-Leiterelement mit ei nem zweiten Potenzial. Das erste und das zweite DC- Leiterelement sind ausgebildet, das Leistungsmodul und den Kondensator mit elektrischer Energie zu versorgen, d.h. dass das erste und das zweite DC-Leiterelement elektrisch mit dem Leistungsmodul und dem Kondensator verbunden sind. Das erste und das zweite DC-Leiterelement verlaufen durch den Kühlkör per zueinander koaxial angeordnet. Die DC-Leiterelemente sind beispielsweise als Durchführung durch den Kühlkörper ausge führt. Der Kühlkörper ist von einem Kühlmedium umströmbar und/ oder durchströmbar .

Die Erfindung bietet den Vorteil einer gewichtssparenden thermischen, elektrischen und mechanischen Anbindung durch den Wegfall einer gewichtsintensiven und starren Busbar- Verschienung. Zusätzlich bietet die Erfindung den Vorteil ei ner sehr niederinduktiven Anbindung durch die durch den Kühl körper zueinander koaxial verlaufenden DC-Leiterelemente.

In einer weiteren Ausgestaltung kann der Kondensator ein Zwi schenkreiskondensator oder ein Flying Cap Kondensator, der z.B. als Folienkondensator ausführbar ist, sein.

In einer weiteren Ausführung ist, zumindest in dem im Kühl körper verlaufenden Bereich, das erste DC-Leiterelement als Stift ausgebildet ist und das zweite DC-Leiterelement als Hülse ausgebildet ist.

In einer Weiterbildung kann der Stift als Schraube ausgebil det sein, welche in ein Gewinde derart eindrehbar ist, dass der Kondensator und das Leistungsmodul auf den Kühlkörper pressbar sind.

Die Zwischenkreiskondensatorverschraubung bietet den Vorteil, dass sie multifunktional als thermische, elektrische sowie mechanische Kontaktierung des Kondensators an den Kühlkörper dient. Die Verschraubung stellt eine thermisch optimierte An bindung des Zwischenkreiskondensators durch die zweiseitige Kühlung (zweiter Wärmepfad durch Schraubverbindung) dar.

In einer weiteren Ausführung ist das Gewinde in einer Schrau benmutter in dem Kondensator oder in dem Kühlkörper ausgebil det. Dies kann zum Beispiel durch einen Gewinde-einsatz er folgen .

In einer weiteren Ausführung kann statt mit einem Stift die Verbindung zwischen Leistungsmodul und Kühlkörper mit einer Lötschicht hergestellt werden. Der Kühlkörper kann auf der Seite des Leistungsmoduls DC-Kondensator-Anschlussflachen be sitzen, auf die das Leistungsmodul aufgelötet wird. Boden plattenlose Leistungsmodule können auf der Unterseite ein ko axiales Muster der kühlkörperseitigen DC-

Kondensatorschlussflachen besitzen. Dadurch kann die Lötung des Substrats auf den Kühlkörper auch zur elektrischen Kon taktierung des Leistungsmoduls eingesetzt werden, welche die Kommutierungsinduktivität weiter reduziert. Zwischen der Lot schicht kann sich zusätzlich ein Isolationsverguss befinden.

In einer weiteren Ausführung kann das Leistungsmodul aus Mul- tilayersubstraten gebildet sein. Dieses kann zum Beispiel aus aus DCB, AMB, LTCC und Leiterplatte bestehen. In einer Weiterbildung weist die Vorrichtung eine am Konden sator an der vom Kühlkörper abgewandter Seite angeordnete Platte, zum Beispiel ein Federplatte, auf, welche durch die Schraube an den Kondensator gepresst wird. Dies bietet den Vorteil, den Kondensator doppelseitig zu kühlen. Je nach An ordnung der Kontaktstellen des Kondensators, kann die Platte lokal elektrisch leitfähig bzw. isolierend sein.

In einer Weiterbildung ist der Kühlkörper aus einem

elektrisch-isolierenden keramischen Material gebildet. Alter nativ können die Durchgänge am Kondensator elektrisch iso liert sein. Elektrisch isolierte Durchgänge können beispiels weise mit Hohlzylindern ausgebildet werden.

Die Erfindung beansprucht außerdem einen Stromrichter mit ei ner erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In einer Weiterbildung kann der Stromrichter ein Umrichter sein .

Außerdem beansprucht die Erfindung ein Luftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und einem erfindungsgemäßen Stromrichter, beispielsweise für einen elektrischen oder hyb rid-elektrischen Flugantrieb.

In einer Weiterbildung kann das Luftfahrzeug ein Flugzeug sein .

In einer Weiterbildung verfügt das Luftfahrzeug über einen durch den Umrichter mit elektrischer Energie versorgten

Elektromotor und einen durch den Elektromotor in Rotation versetzbaren Propeller.

Erweiterungen mit zusätzlichen DC-Leiterelementen, Leistungs modulen, Kühlkörpern und/ oder Kondensatoren sind möglich. Unter Luftfahrzeug wird jede Art von fliegendem Fortbewe- gungs- oder Transportmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden .

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele an hand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1: Einen Querschnitt einer koaxialen DC-

Kondensatoranbindung an Leistungsmodul und Kühl körper,

Fig. 2: Einen Querschnitt einer koaxialen DC-

Kondensatoranbindung an Kühlkörper mit aufgelöte tem Leistungsmodul,

Fig. 3: Eine Draufsicht einer koaxialen DC-

Kondensatoranbindung,

Fig. 4: Eine Draufsicht einer weiteren koaxialen DC-

Kondensatoranbindung,

Fig. 5: Ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur elektri schen Energieversorgung elektrischer und/oder elektronischer Bauteile eines Stromrichters und

Fig. 6: Eine Ansicht eines Flugzeugs

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer koaxialen DC-Kondensatoranbindung an eine Leistungselektronik und eine Kühlung. Zu sehen ist die Leistungselektronik oder auch Leis tungsmodul 2 genannt, ein Kühlkörper 3, der von einem nicht dargestellten Kühlmedium durchströmbar ist, und ein Kondensa tor 4, zum Beispiel ein Zwischenkreiskondensator, der z.B. als Folienkondensator ausführbar ist.

Koaxial zum Kondensator 4 verläuft eine koaxiale DC- Kondensatoranbindung, welche aus zwei DC-Leiterelementen 7, 8 aufgebaut ist. Das erste DC-Leiterelement 7 verfügt über ein erstes Potenzial, welches zum Beispiel als eine auf einem po sitiven Potenzial liegende DC-Durchkontaktierung ausgeführt sein kann. Das zweite DC-Leiterelement 8 verfügt über ein zweites Potenzial und kann zum Beispiel als eine auf einem negativen Potenzial liegende DC-Durchkontaktierung ausgebil det sein. Zumindest im Bereich des Kühlkörpers 3 verläuft das zweite DC-Leiterelement 8 koaxial im Inneren des ersten DC- Leiterelements 7. Wobei im Beispiel das erste DC- Leiterelement 7 teilweise als Stift, beispielsweise als

Schraube 5, ausgebildet ist und durch die Befestigung in ei nem Gewinde 12, hier das Gewinde 12 einer Schraubenmutter 6, den Kondensator 4 auf den Kühlkörper 3 presst. Zwischen dem Kondensator 4 und dem Kopf der Schraube 5 ist eine Platte 16, zum Beispiel eine Federplatte, angebracht, welche durch die Schraube 5 den Kondensator 4 auf den Kühlkörper 3 presst. Durch die Pressung wird eine elektrische und thermische Kon taktierung der Kühlkörper 3 zugewandten Seite realisiert. Durch die Verwendung einer thermisch (hoch- ) leitfähigen Plat te 16, zum Beispiel aus einer mechanisch stabilen Keramik (Si3N4, A1203) entsteht über die Schraube 5 ein zusätzlicher thermischer Pfad von der Kühlkörper 3 abgewandten Seite des Kondensators 4 zum Kühlkörper 3. Dadurch wird der Kondensator 4 doppelseitig gekühlt.

Alternativ kann die Schraube 5 durch ein Gewinde 12 im Kon densator 4, hier als Gewindeeinsatz ausgeführt, befestigt werden. Im gezeigten Beispiel befindet sich der Kopf der Schraube 5 auf der Seite des Kondensators 4 und die Schrau benmutter 6 auf der Seite des Leistungsmoduls 2. Eine alter native Möglichkeit ist die Positionierung des Kopfes der Schraube 5 auf der Seite des Leistungsmodules 2 und die

Schraubenmutter 6 auf der Seite des Kondensators 4.

Zwischen dem ersten DC-Leiterelement 7 und dem zweiten DC- Leiterelement 8 befinden sich elektrische Isolierschichten 9. Der Kühlkörper 3 kann aus elektrisch-isolierender Keramik ausgebildet sein oder alternativ aus Metall mit Isolierungen zu dem ersten und dem zweiten DC-Leiterelement 7, 8 ausgebil det sein.

Fig. 2 zeigt eine alternative Form der Ausführung zu Fig. 1. Die Alternative, ebenfalls im Querschnitt dargestellt, zeigt eine Version, in welcher das Leistungsmodul 2 auf den Kühl körper 3 mit einer Lötschicht 10 aufgelötet ist. Der Kühlkör per 3 besitzt auf der Seite des Leistungsmoduls 2 DC- Kondensator-Anschlussflachen, auf die das Leistungsmodul 2 aufgelötet wird. Bodenplattenlose Leistungsmodule 2 mit Mul- tilayersubstraten können auf der Unterseite ein koaxiales Muster der kühlkörperseitigen DC-Kondensatorschlussflachen besitzen. Dadurch kann die Lötung des Substrats auf den Kühl körper 3 auch zur elektrischen Kontaktierung des Leistungsmo duls 2 eingesetzt werden, welche die Kommutierungsinduktivi tät weiter reduziert. Der Vorteil dieser Variante ist, dass die Kontaktstelle vom Leistungsmodul 2 zum Kühlkörper 3 so mit einem ohmschen Übergangswiderstand optimal gekühlt wird. Oftmals sind die Verluste der Schraubkontakte eine zusätzli che Wärmequelle, die den Kondensator 4 aufheizen würden. Zu dem führen erhöhte Temperaturwechsel der Kontaktstelle zu ei ner Reduktion der Lebensdauer. Dies wird hiermit auch verbes sert .

Zudem ist das Leistungsmodul 2 detaillierter als in Fig. 1 dargestellt. Zu sehen ist das Multilagensubstrat aus DCB,

AMB, LTCC und Leiterplatte. Auf der Lotschicht 10 befindet sich ein Isolationsverguss 11 (z.B. als Underfill-Material , welches z.B. durch speziell dafür vorgesehene Zuleitungen im Substratlayout appliziert wird oder Anschluss im Rand eines Schaltungsträger findet) . Wie in Fig. 2 besitzt der Kondensa- tor ein erstes DC-Leiterelement 7 und ein zweites DC- Leiterelement 8. Das erste DC-Leiterelement 7 verfügt über ein erstes Potenzial, welches zum Beispiel als eine auf einem positiven Potenzial liegende DC-Durchkontaktierung ausgeführt sein kann. Das zweite DC-Leiterelement 8 verfügt über ein zweites Potenzial und kann zum Beispiel als eine auf einem negativen Potenzial liegende DC-Durchkontaktierung ausgebil det sein. Zwischen den positiven ersten DC-Anschlüssen 7 und den negative DC-Durchkontaktierungen 8 befinden sich elektri sche Isolierschichten 9. In dieser Ausführung verbindet die Schraube 5 nur den Kondensator 4 und den Kühlkörper 3. Die Schraube 5 verläuft durch den kompletten Kondensator 4 und wird in einem Innengewinde 12, welches im Kondensator 4 sitzt, befestigt. So entsteht zusätzlich zur mechanischen Verbindung auch eine elektrische Durchkontaktierung.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht durch den Kühlkörper 3 einer koaxialen DC-Kondensatoranbindung mit einem ersten DC- Leiterelement 7 und einem zweiten DC-Leiterelement 8. Das erste DC-Leiterelement 7 verfügt über ein erstes Potenzial, welches zum Beispiel als eine auf einem positiven Potenzial liegende DC-Durchkontaktierung ausgeführt sein kann. Das zweite DC-Leiterelement 8 verfügt über ein zweites Potenzial und kann zum Beispiel als eine auf einem negativen Potenzial liegende DC-Durchkontaktierung ausgebildet sein. Das im Inne ren liegende zweite DC-Leiterelement 8 verläuft koaxial zu dem ersten DC-Leiterelement 7.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht durch den Kühlkörper 3 einer koaxialen DC-Kondensatoranbindung mit vier ersten DC- Leiterelementen 7 und einem zweiten DC-Leiterelement 8 als eine zu Fig. 3 alternative Form der Ausführung. Die ersten DC-Leiterelemente 7 verfügen über ein erstes Potenzial, wel ches zum Beispiel als eine auf einem positiven Potenzial lie gende DC-Durchkontaktierung ausgeführt sein kann. Das zweite DC-Leiterelement 8 verfügt über ein zweites Potenzial und kann zum Beispiel als eine auf einem negativen Potenzial lie gende DC-Durchkontaktierung ausgebildet sein. Das zweite DC- Leiterelement 8 verläuft koaxial zu den darum angeordneten ersten DC-Leiterelementen 7.

In den Fig. 1 bis Fig. 4 sind Teile, die auf einem positiven Potenzial liegen, mit Pluszeichen versehen, Teile mit negati vem Potenzial weisen Minuszeichen auf.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur elektrischen Energieversorgung elektrischer und/oder elektro nischer Bauteile eines Stromrichters 12, mit einem in Wirk verbindung stehenden Elektromotor 13 und einem Propeller 14 eines Flugzeuges 15. Der Stromrichter 12 kann ein Umrichter sein .

Fig. 6 zeigt eine Ansicht eines elektrischen oder hybrid elektrischen Flugzeugs 15, als Beispiel eines Luftfahrzeugs, mit einem den nicht sichtbaren Elektromotor 13 mit elektri scher Energie versorgenden nicht sichtbaren Stromrichter 12. Der Elektromotor 13 versetzt einen Propeller 14 in Rotation.

Der Mehrwert besteht zusätzlich zu der vorgestellten Anwen dung auch in anderen Anwendungen. Es gibt viele Umrichter An wendungen bei denen eine hohe Taktung verlangt wird und damit eine niederinduktive Anbindung notwendig ist. Generell trifft dies bei hohen Drehzahlen oder hohen Polzahlen der elektri schen Maschine zu.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.