Leistungsmodule

Die Erfindung betrifft eine Baueinheit für Leistungsmodule mit mindestens einer Leistungsmodul mit einem Kühlkanal mit Ein- und Auslass, wobei der Kühlkanal von einer unteren Halbschale und einer oberen Halbschale gebildet ist und die Leistungselektronik Kühlrippen besitzt, die durch einen Ausschnitt in den Kühlkanal ragen.

Die Erfindung betrifft zudem ein Montageverfahren für die Baueinheit für Leistungsmodule.

Stand der Technik

Inverter im automotiven Umfeld beinhalten als Kernelement einen sogenannten Power Stack, also Leistungselektronikbauteile in einem Gehäuse.

Bei der Betätigung der Halbleiterschalter des Inverters entstehen Schaltverluste, welche zu einer Erwärmung der Halbleiterschalter sowie des Leistungsmoduls führen. Jeder Halbleiterschalter bzw. jedes Leistungsmodul weist eine maximale Betriebstemperatur auf. Bei Überschreiten dieser maximalen Betriebstemperatur ist es möglich, dass der Halbleiterschalter bzw. das Leistungsmodul beschädigt wird. Folglich ist es erforderlich, dass der Halbleiterschalter bzw. das Leistungsmodul oder sonstige elektronische/elektrische Bauteile, wie Widerstände, gekühlt werden. Hierfür werden beispielsweise passive Kühlkörper herangezogen, die aus einem Aluminium erstellt sind und Kühlrippen aufweisen.

Dieses Gehäuse umfasst einen Kühlkanal, sowie die Leistungshalbleiter, welche zur Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom erforderlich sind. Der Kühlkanal ist in vielen Fällen als gegenüber den Leistungshalbleitern abgeschlossen ausgeführt. Die Leistungshalbleiter werden mittels eines geeigneten Verfahrens z.B. durch Anbindung über ein wärmeleitfähiges Material, durch Löten oder Sintern auf die Oberfläche des Kühlkanals aufgebracht, um die thermische und mechanische Verbindung herzustellen. Hier besteht der Nachteil, dass weitere thermische Übergänge und Leitpfade zwischen Leistungsmodul und Kühlmittel und Leistungshalbleiter eingebracht werden. Hierdurch wird der thermische Übergang von der Wärmequelle in das Kühlmittel verschlechtert und es stellen sich somit oftmals höhere Temperaturen ein, als es bei einer Direktkühlung der Fall ist.

Neben diesen Ausführungen existieren auch Leistungselektronik-Lösungen, bei welchen die Leistungshalbleiter bereits vorgefertigt mit einer Kühlstruktur wie Rippen ausgestattet sind. Diese Kühlstruktur ragt in den Kühlmittelstrom, um die Wärmeenergie aus den Leistungshalbleitern zu entziehen. Die Anbindung zwischen Leistungshalbleiter und einem Kühlkanal im Gehäuse erfolgt mittels einer geeigneten Dichtungslösung z.B. mit einem O-Ring oder einer Formdichtung. Es ist ebenfalls bekannt, dass eine Baueinheit für Leistungsmodule mittels speziell dafür vorgesehener Zusatzbauteile an den Kühlkanal gedrückt wird, um die Dichtwirkung zu erzielen und ein Abheben der Baueinheit für Leistungsmodule vom Kühlkanal auszuschließen.

Diese zusätzlichen Bauteile müssen im gesamten Beschaffungs-, Handhabungsund Assemblierungsprozess berücksichtigt werden. Durch die erforderlichen Dichtungen wird die Kühlmittelströmung an mehreren Stellen in einem Leistungshalbleitermodule gestört, wodurch einerseits unnötiger Druckverlust entsteht, und sich andererseits sog. Totwasserzonen ergeben. In diesen Zonen im „Schatten“ der Dichtungsstellen findet kaum Kühlmittelaustausch statt, sodass es lokal zu Temperaturerhöhungen kommt.

Ein weiterer Nachteil bestehender Lösungen ist die zumeist komplexe geometrische Gestaltung des Kühlkanals. Die Bauteil- und Assemblierungskomplexität ist hoch, was sich direkt auf die Kosten auswirkt.

In einem solchen Aufbau ist es auch erforderlich, zusätzliche Elemente zur Befestigung der Power Module vorzusehen. Dies umfasst sowohl Strukturen, welche die Leistungsmodule auf einer Seite berühren, als auch Befestigungselemente wie z.B. Schrauben, welche die genannten Strukturen vorspannen und festhalten. Die insgesamt hohe Komplexität - insbesondere durch mehrere Dichtungen inkl. Befestigungselemente - bringt hohe Anforderungen an erforderliche Absicherungen mit sich.

Aus der noch nicht veröffentlichten DE 10 2022 201 557.6 ist eine Baueinheit für Leistungsmodule mit mindestens einer Leistungsmodul und mit einem Kühlkanal mit Ein- und Auslass bekannt, wobei der Kühlkanal von einer unteren Halbschale und einer oberen Halbschale gebildet ist und die Leistungselektronik Kühlrippen besitzt, die durch einen Ausschnitt in den Kühlkanal ragen, wobei der Kühlkanal zwischen Leistungsmodul und oberer Halbschale stoffschlüssig verschlossen ist. Allerdings liegen die Halbschalen als getrennte Bauteile vor, was den Zusammenbau etwas fehleranfällig macht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Baueinheit für Leistungsmodule aufzubauen, das einfach mit wenigen Bauteilen auskommt und die Leistungsmodule effizient kühlt, sowie gut zu montieren ist.

Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe wird gelöst mit einer Baueinheit für Leistungsmodule mit mindestens einem Leistungsmodul mit einem Kühlkanal mit Ein- und Auslass, wobei der Kühlkanal von einer unteren Halbschale und einer oberen Halbschale gebildet ist, und wobei die Leistungselektronik Kühlrippen besitzt, die durch einen jeweiligen Ausschnitt in den Kühlkanal ragen, wobei der Kühlkanal zwischen Leistungsmodul und oberer Halbschale stoffschlüssig verschlossen ist und die unteren Halbschale und die oberen Halbschale mit mindestens einem Steg miteinander verbunden durch Tiefziehen hergestellt sind.

Die Baueinheit für Leistungsmodule hat Vorteile, da die stoffschlüssige Verbindung die Dichtfunktion übernimmt und so Dichtungen entfallen.

Der Aufbau erlaubt es, dass Befestigungsstrukturen und Befestigungselemente für die Leistungsmodul wegfallen, da die Bauteile durch die stoffschlüssige Verbindung auch mechanisch an Ort und Stelle gehalten werden und nicht zusätzlich befestigt werden müssen.

Eine stoffschlüssige Verbindung zeichnet sich dadurch aus, dass die zu verbindenden Bauteile durch atomare oder molekulare Verbindungen miteinander verbunden sind. Darin ist auch die Tatsache begründet, dass diese Verbindungstype nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel lösbar ist. Innerhalb dieser Gruppe kann man die Fügeverfahren weiter darin unterscheiden, ob die Verbindung durch arteigene oder artfremde Zusatzwerkstoffe zustande kommt. Das Löten, Schweißen und Kleben stellen die bekanntesten Fügeverfahren dieser Gruppe dar.

Durch die Verringerung von Hindernissen im Kühlmittelstrom im Kühlkanal fällt weniger „unnötiger“ Druckverlust an.

Durch die Dünnwandigkeit der metallischen, tiefgezogenen Halbschale ergibt sich an der Fügestelle zu der Leistungsmodul lediglich eine minimale Beeinflussung der Strömung. Das Kühlmittel muss keine Engstelle überwinden. Dadurch steht mehr Druckverlust zur Verfügung, der an den Kühlstrukturen der Leistungsmodul entsteht und die thermische Entwärmung verbessert.

Der Kühlkanal kann aus einem einzelnen Blech-Tiefzieh-/Stanzteil hergestellt werden, das die Anzahl der Bauteile reduziert. Beim Aufbau der Baugruppe muss nur noch ein Tiefzieh-Bauteil gehandhabt werden.

Es ist von Vorteil, dass sich der mindestens eine Steg mindestens am Außenumfang im Bereich eines Rahmens der oberen Halbschale erstreckt. Der Steg dient zur Führung der beiden Halbschalen zueinander, so dass eine präzise Überlappung beim Zusammenbau erfolgt.

In einer Ausführungsform überdecken zwei Stege im Verhältnis zur Länge der oberen Halbschale eine Breite überdecken, die kleiner als die Länge ist.

In eine weiteren Ausführungsform überdecken zwei Stege im Verhältnis zur Länge der oberen Halbschale eine Breite, die größer als die Länge ist. Eine andere Ausführung verwendet einen Steg der Länge der oberen Halbschale.

Es ist von Vorteil, dass die obere Halbschale und die untere Halbschale mit einer formschlüssigen oder einer stoffschlüssigen Verbindung miteinander entlang des Außenrands der beiden Halbschalen verbunden sind.

Dabei ist die die stoffschlüssige Verbindung eine Lötung, ein Verschweißen, ein Kleben.

Die stoffschlüssige Verbindung zwischen Leistungsmodul und der oberen Halbschale besteht über eine um laufende Kontaktstelle am Substrat der Leistungsmodule.

Die Aufgabe wird ebenfalls mit einem Montageverfahren für die Baueinheit für Leistungsmodule gelöst mit den Schritten:

- Herstellung einer unteren Halbschale und einer oberen Halbschale des Kühlkanals mit mindestens einem verbindenden Steg,

- Herstellung des Kühlkanals durch Umbiegen der Halbschalen aufeinander zu,

- Einsetzen von Leistungsmodulen mit bereits an ihnen angebrachten Kühlrippen in Ausschnitte der oberen Halbschale des Kühlkanals,

- Dichtendes Verbinden der oberen und unteren Halbschalen entlang ihrer Außenrands auch entlang des mindestens einen Stegs,

- Dichtendes Verbinden der oberen Halbschale mit den Leistungsmodulen entlang des Rahmens der Ausschnitte.

Die letzten beiden Schritte können auch in der Reihenfolge vertauscht sein, je nachdem wie die Verbindungen hergestellt sind.

Alternativ wird das Montageverfahren angewendet:

- Herstellung einer unteren Halbschale und einer oberen Halbschale des Kühlkanals mit mindestens einem verbindenden Steg, - Herstellung des Kühlkanals durch Umbiegen der Halbschalen aufeinander zu,

- Einsetzen von Kühlrippen in Ausschnitte der oberen Halbschale des Kühlkanals,

- Auflegen von Lötpads auf die Kühlrippen,

- Dichtendes Verbinden der oberen Halbschale mit den Leistungsmodulen entlang des Rahmens der Ausschnitte und zeitgleich Verbinden der Kühlrippen mit den Leistungsmodulen,

- Dichtendes Verbinden der oberen und unteren Halbschalen entlang ihres Außenrands vor oder nach dem letzten Schritt.

Beschreibung der Figuren

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 schematische Darstellung von Halbschalenschale zur Ausbildung eines Kühlkanals,

Fig. 2 zeigt das fertige Gehäuse,

Fig. 3 bis 5 zeigen mehrere Varianten des Gehäuses,

Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch die Baugruppen,

Fig. 7 zeigt eine Ansicht der Kühlrippen im Gehäuse,

Fig. 8 zeigt eine Ansicht des aufgeklappten Gehäuses von oben der Sicht auf die Leistungsmodule.

Die Erfindung ist ein Aufbau einer Baueinheit 1 für Leistungsmodule 2 bestehend im Wesentlichen aus zwei Hauptbauteilen, einer unteren Halbschale 4 und einer oberen Halbschale 5. Beide Halbschalen bestehen aus einem metallischen Blech das einstückig tiefgezogen werden kann, um die finale Form darzustellen. Die Bleche der unteren Halbschale 4 und einer oberen Halbschale 5 sind über zwei Stege 12 miteinander verbunden. In Figur 2 erkennt man in einer Aufsicht auf die obere Halbschale 5 eine nahezu rechteckige Fläche. Die obere Halbschale 5 ist auf Ihre Fläche hin gesehen eben, weist aber drei Ausschnitte 5a auf. Die Ausschnitte 5a sind jeweils von einem aus der Fläche der oberen Halbschale herausragenden erhabenen Rahmen 5b umfasst.

Die Stege 12 zur Verbindung der beiden Halbschalen 4,5 sind im finalen Zustand umgebogen und bilden ein einmalig benutzbares Scharnier aus.

Die äußeren Maße und der Außenrand 10 der oberen Halbschale 5 stimmt mit denen der unteren Halbschale 4 überein. Damit liegt die Blechfläche der oberen Halbschale 5 bei Zusammenfalten der Stege 12 auf einem umlaufenden Flansch 3b der unteren Halbschale 4 auf.

Beide Halbschalen 4, 5 werden durch ein geeignetes Verfahren wie Hartlöten, Laserschweißen, Umbördeln etc. miteinander verbunden und bilden, wie in Figur 6 gezeigt ist, einen geschlossenen Körper aus, der drei Ausschnitte 5a und Ein- und Auslässe 6 aufweist. Das Schließen der beiden Halbschalen erfolgt ohne Einsatz von Dichtungen. Die unterschiedlichen Verfahren zum Verschließen der beiden Halbschalen zur Ausbildung des Kühlkanals 3 erfolgt umlaufend auch an den Stellen des Außenrands 10, der durch die Stege 12 unterbrochen ist.

In den Figuren 3 bis 5 sind Ausführungsformen dargestellt. Figur 5 weist in Beziehung auf die Gesamtlänge L der Baueinheit 1 schmale Stege der Breite b1 auf, während in Figur 3 eine Ausführungsform mit breiteren Stegen 12 der Breite b2 dargestellt ist. Die Stege 12 sind dabei mindestens im Bereich 5c des Rahmens 5a angebracht, der die Ausschnitte 5a umfasst. In der Ausführungsform nach Figur 2 erstrecken sich die Stege 12 vom äußeren Rand der schmalen Schenkel des Außenrands 10 bis zu den Bereichen 5c und überlappen als 2*b2 den Großteil der Gesamtlänge L.

In Figur 5 ist ein einziger Steg 12 vorhanden, der sich der Gesamtlänge L entlang erstreckt.

In der obere Halbschale 5 werden die Bauteile Leistungsmodul 2 in die Ausschnitte 5a eingesetzt. Dabei ragt die Kühlstruktur in Form der Kühlrippen 7 der Leistungsmodule 2 in den Kühlkanal 3. Die Kühlrippen 7 erstrecken sich dabei bis zur unteren Halbschale 4 entlang der Höhe H des Kühlkanals 3.

Im nächsten Schritt müssen die Leistungsmodule 2 mit der oberen Halbschale 5 dicht verbunden werden, um den Kühlkanal 3 zu schließen. Dazu wird, wie in der Figur 7 zu sehen ist, die untere Halbschale 4 auf die obere Halbschale geschwenkt. Die Kontakte 13 der Leistungsmodule stören dabei nicht, da sie sich auf der abgewandten Seite erstrecken.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist anschließend die Verbindung zwischen Leistungsmodul 2 und der oberer Halbschale 5 des Kühlkanals 3.

Die Verbindung wird durch eine Lötverbindung z. B. durch Weichlöten hergestellt. Die Lötstelle 8 erstreckt sich entlang des Rahmens 5b der oberen Halbschale 5 und entlang des Substrats der Leistungsmodule 2 rings um den Kühlkörper der Leistungsmodule 2. Die Leistungsmodule 2 weist eine Leiterplatte auf, auf der die eigentlichen Halbleiterbauteile verbaut sind. Die Leiterplatte steht thermisch mit den Anschlüssen der Kühlrippen 7 in Verbindung.

Alternativ kann anstatt des Lötens auch eine Klebeverbindung 8 zum Einsatz kommen. Dann ist eine rahmenartige Vertiefung um die Ausschnitte 5 herum geeignet, eine definierte Kleber-Schichtdicke zu erzeugen.

Der Kühlkanal 3 ist somit stoffschlüssig verschlossen, ohne dass eine Dichtung zum Einsatz kommt. Ein- und Auslass 6 sind ebenfalls stoffschlüssig mit der unteren Halbschale verbunden. Gegebenenfalls kann auch diese Verbindung zusammen mit dem Verbinden von unterer und oberer Halbschale ausgeführt werden.

Die Stege 12 bilden nach dem Verbau Laschen aus, die zum Verschrauben der Baueinheit 1 im Inverter verwendet werden können.

Das Montageverfahren für die Baueinheit für Leistungsmodule erfolgt somit in den Schritten:

Herstellung einer unteren Halbschale und der oberen Halbschale des Kühlkanals mit Stegen, Biegen der beiden Halbschalen aufeinander zu,

Dichtendes Verbinden der oberen und unteren Halbschalen entlang ihres kompletten Außenrands,

Einsetzen der von Leistungsmodulen mit bereits an ihnen angebrachten Kühlrippen in Ausschnitte der oberen Halbschale des Kühlkanals.

Dichtendes Verbinden der Leistungsmodule mit der oberen Halbschale.

Das alternative erfindungsgemäße Montageverfahren für die Baueinheit für Leistungsmodule 1 erfolgt somit in den Schritten:

Herstellung einer unteren Halbschale und der oberen Halbschale des Kühlkanals mit Stegen,

Biegen der beiden Halbschalen aufeinander zu,

Einsetzen von Kühlrippen 7 in Ausschnitte der oberen Halbschale 5 des Kühlkanals,

Auflegen von Lötpads 11 auf die Kühlrippen 7,

Dichtendes Verbinden der oberen Halbschale 5 mit den Leistungsmodulen 2 entlang des Rahmens 5b der Ausschnitte 5a und zeitgleich Verbinden der Kühlrippen 7 mit den Leistungsmodulen 2,

Dichtendes Verbinden der oberen und unteren Halbschalen 4,5 entlang ihres Außenrands 10 vor oder nach dem letzten Schritt.

Bezugszeichenliste 1 Baueinheit für Leistungsmodul

2 Leistungsmodul

3 Kühlkanal

4 untere Halbschale Kühlkanal

5 obere Halbschale Kühlkanal 5a Ausschnitte

5b Rahmen

5c Bereich

6 Ein- und Auslassstutzen

7 Kühlrippe 8 Kleber/ Lötnaht /Verschweißung

10 Außenrand

12 Stege