Die Erfindung betrifft einen Stromrichter zum Umwandeln einer eingespeisten Stromart in eine andere mit mindestens einem Leistungsmodul und mit mindestens einem Kühlkörper, wobei das Leistungsmodul und der Kühlkörper miteinander in einer thermischen Wirkverbindung stehen, wobei der Kühlkörper mindestens teilweise in einen Kühlkanal eingebracht ist, sodass ein durch den Kühlkanal strömendes Kühlmittel den Kühlkörper mindestens abschnittsweise beströmen kann und sodass das Leistungsmodul eine Abwärme über den Kühlkörper an das Kühlmittel abgeben kann.

Der Stromrichter wird üblicherweise dazu verwendet eine Stromart, das kann ein Gleichoder Wechselstrom sein, in die jeweils andere umzuwandeln. Insoweit wird der Stromrichter nach der Art der Umwandlung - also einer Eingangs- und einer Ausgangsstromart - unterschieden: Gleichrichter wandeln einen Wechselstrom in einen Gleichstrom, Wechselrichter wandeln einen Gleichstrom in einen Wechselstrom und Umrichter wandeln einen Wechselstrom in einen Wechselstrom mit einer anderen Frequenz und/oder Amplitude um.

Eine dafür aus der Praxis bekannte Methode umfasst, eine getaktete Ansteuerung des mindestens einen Leistungsmoduls, wobei diese üblicherweise Halbleiterschalter (MOSFETs, IGBTs etc.) aufweisen. Bei der Taktung der Halbleiterschalter wird durch die dabei entstehenden Schalt- und Leitverluste die Abwärme als Verlustleistung erzeugt, die zum Schutz des Leistungsmoduls aus dem Leistungsmodul abgeführt werden muss, andernfalls kann dieses beschädigt oder zerstört werden. Insoweit ist der zur Weiterleitung der Abwärme bestimmte Kühlkörper mindestens abschnittsweise an hierfür vorgesehene Abwärmeflächen des Leistungsmoduls flächig festgelegt, sodass die Abwärme effektiv aus dem Leistungsmodul in das durch den Kühlkanal strömende Kühlmittel übergehen kann.

Aus der Druckschrift US 7 547 966 B2 ist ein Leistungsmodul bekannt, dessen Wärmewiderstand und Gesamtgröße reduziert sei. Sie betrifft ein isolierendes Substrat mit darauf angeordneten Elektroden-Metallschichten, die mit beiden Oberflächen eines Halbleiters verbunden werden, z.B. durch Löten. Auf einer Rückseite des isolierenden Substrats ist ein Metallschicht angeordnet, die durch Hartlöten mit einem Kühlkörper verbunden wird. Eine wärmeabstrahlende Seite des Kühlkörpers ist mit einem Gehäuse abgedeckt, um einen Kühlkanal zu bilden, durch den ein Kühlmittel strömen kann, um eine von dem Halbleiter auf den Kühlkörper übertragene Abwärme abzuführen. Zur Fixierung und festen Verbindung der Konstruktion können der Druckschrift nach Schrauben verwendet werden, die das Gehäuse mit dem Kühlkörper kraftschlüssig verbinden.

Dieser übliche Ansatz hat jedoch den Nachteil, dass durch die kraftschlüssige Verbindung von dem Gehäuse und dem Kühlkörper mechanische Kräfte auf den Kühlkörper einwirken; mit der Folge, dass der Kühlkörper leicht verformt werden kann. Das wirkt sich zwar nicht nachteilig auf die Fähigkeit des Kühlkörpers aus, die Abwärme abzugeben. Kleinste Verformungen des Kühlkörpers beeinflussen jedoch eine Kontaktfläche der Metallschichten auf der Rückseite des Substrats und dem Kühlkörper. Diese Kontaktfläche ist insoweit für den Wärmetransport der Abwärme von Bedeutung, da, je kleiner sie ist, weniger Abwärme schon aus dem Halbleiter in den Kühlkörper übertragen werden kann.

Erfindungsgemäß offenbart ist ein Stromrichter mit einem verbesserten Wärmeübergang der Abwärme aus dem Leistungsmodul in das Kühlmittel nach Patentanspruch 1 , der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein einer dem Leistungsmodul gegenüberliegenden Druckfläche des Kühlkörpers gegenüberliegender Innenwandungsabschnitt des Kühlkanals ein federartiges Vorsprungselement aufweist, wobei das Vorsprungselement mit einer Rückstellkraft gegen die Druckfläche des Kühlkörpers wirkt, sodass eine Kontaktfläche des Leistungsmoduls und Kühlkörpers erhöht werden kann. Das Leistungsmodul umfasst üblicherweise eine Verschaltung von mehreren Halbleiterschaltern, die dazu geeignet ist, die Taktung zum Umwandeln der eingespeisten Stromart in die andere zu bewerkstelligen. Bei der Verschaltung kann es sich beispielsweise um eine Halbbrücken- oder Vollbrücken-Schaltung handeln, wobei die Halbleiterschalter üblicherweise MOSFETs oder IGBTs eines üblichen Halbleitermaterials, wie beispielsweise Silizium, sind.

Die durch die Taktung entstehende Abwärme wird innerhalb des Leistungsmoduls an mindestens eine Abwärmefläche abgeführt, wobei der Kühlkörper von außerhalb an die Abwärmefläche festgelegt werden kann, damit die Abwärme aus dem Leistungsmodul in den Kühlkörper übergehen kann. Insoweit ergibt sich an den Berührungspunkten der Abwärmefläche des Leistungsmoduls und dem Kühlkörper eine zur Wärmeübertragung wirksame Kontaktfläche zwischen dem Leistungsmodul und dem Kühlkörper. Biegungen, Wölbungen oder Verformungen aller Art können die Kontaktfläche reduzieren, sodass es erfindungsgemäß vorteilhaft ist, diese Verformungen des Kühlkörpers durch die Rückstellkraft des Vorsprungselements auszugleichen und zu reduzieren, wobei eine Anzahl der Kontaktstellen und die Kontaktfläche insgesamt erhöht wird. Durch das Vorsprungselement soll weiter eine gleichmäßigere und gleichzeitig hohe Flächenpressung erreicht werden, sodass grundsätzlich alle Kontaktflächen Kontakt zueinander haben und ein thermischer Übergangswiderstand für die generierte Abwärme möglichst gering ist.

Erfindungsgemäß befindet sich die Druckfläche des Kühlkörpers auf einer der Abwärmefläche gegenüberliegenden Kühlkörperseite, insofern ist das Vorsprungselement an dem Innenwandungsabschnitt des Kühlkanals derart ausgerichtet und festgelegt, dass das Vorsprungselement von dem Innenwandungsabschnitt in Richtung des Kühlkanals hervorragt und die Rückstellkraft des Vorsprungselementes möglichst senkrecht auf die Druckfläche des Kühlkörpers wirken und diesen gegen die Abwärmefläche des Leistungsmoduls drücken kann.

Das Vorsprungselement kann dabei unterschiedlich ausgestaltet sein; beispielsweise kann als Vorsprungselement eine Schraubenfeder oder eine Spiralfeder geeignet sein, wobei optional auch eine Tellerfeder verwendet werden kann, solange die Feder bzw. das Vorsprungselement eine Rückstellkraft aufbringen kann, die groß genug ist, die Kontaktfläche zwischen der Abwärmefläche und dem Kühlkörper über eine Nutzungsdauer des Stromrichters ausreichend groß zu halten. Die Stärke der Kraft und ihre mittige Angriffsposition an dem Kühlkörper ermöglicht es, dass die Abwärmefläche des Leitungsmodules gleichmäßiger verpresst werden kann. Es stellt sich eine gleichmäßige Flächenpressung ein.

Optional ist es auch denkbar, die Vorsprungelemente genau über den Schalterelementen des Leistungsmoduls zu platzieren, sodass genau dort, wo die meiste Abwärme entsteht auch die größte Anpresskraft des Vorsprungselementes besteht. Optional wäre es auch möglich mehrere Vorsprungelemente zu definieren. Oder aber es wäre auch möglich anstatt eines runden Vorsprungelementes ein ringförmiges, quadratisches oder dergleichen ausgestaltetes Vorsprungselement auszugestalten.

Optional kann zwischen der Abwärmefläche und dem Kühlkörper eine Wärmeleitpaste für einen verbesserten Wärmeübergang eingesetzt werden. Die Wärmeleitpaste erhöht durch ihre Zähflüssigkeit die Kontaktfläche zusätzlich, da sie durch eine Anpresskraft des Kühlkörpers gegen die Abwärmefläche in viele Zwischenräume, Risse und Unebenheiten der Abwärmefläche und des Kühlkörpers gedrückt wird. Obwohl Wärmeleitpasten eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen sollten, sind sie thermisch stets schlechter leitfähig als eine metallische Abwärmefläche oder ein metallischer Kühlkörper. Weshalb es für eine verbesserte thermische Wirkverbindung zwischen dem Leistungsmodul und dem Kühlkörper erfindungsgemäß besonders vorteilhaft ist, dass die auf die Druckfläche des Kühlkörpers wirkende Rückstellkraft des Vorsprungselementes eine Dicke der Wärmeleitpaste möglichst geringhalten kann.

Mit erfindungsgemäßen Stromrichtern können optional Wärmeleitpasten eingesetzt werden, die erst oberhalb einer spezifischen Temperatur und eines spezifischen Drucks besonders wirksam werden, weil sie sich oberhalb dieser spezifischen Werte weiter komprimieren lassen - danach kann beispielsweise die Dicke einer solchen Wärmeleitpaste von 100 pm auf 40 pm beim Überschreiten einer Umgebungstemperatur von 80 °C reduziert werden.

Nach einer besonders kostengünstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stromrichters kann vorgesehen sein, dass das federartige Vorsprungselement des Innenwandabschnitts als eine in Richtung der Druckfläche des Kühlkörpers gerichteten Einbuchtung des Kühlkanals ausgebildet ist. Das Vorsprungselement kann danach hergestellt werden durch, eine von außerhalb in den Kühlkanal eingebrachte Einbuchtung, die innerhalb des Kühlkanals in Richtung der Druckfläche des Kühlkörpers ausgewölbt ist. Das ist produktionstechnisch wenig aufwendig, kostengünstig und ermöglicht ein einfach ausgestaltetes Vorsprungselement.

Die federnde und die Rückstellkraft aufbringende Wirkung des so ausgestalteten Vorsprungselementes kann durch eine geeignete Materialwahl eines Bereichs um die Einbuchtung oder des vollständigen Kühlkanals erreicht werden. Dafür eignet es sich insbesondere den Kühlkanal aus einem Federstahl mit hoher Festigkeit oder Elastizität herzustellen, sodass die in Richtung der Druckfläche des Kühlkörpers gewölbten Einbuchtungen bzw. gerichteten Vorsprungselemente eine ausreichend hohe Rückstellkraft aufbringen können.

Um das Leistungsmodul besonders effektiv kühlen zu können, kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stromrichters vorgesehen sein, dass zwei Kühlkörper an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Leistungsmoduls festgelegt sind, wobei jeweils die Rückstellkraft von eines Vorsprungselementes auf die Druckfläche eines Kühlkörpers wirkt. Demnach kann eine verbesserte, doppelte Kühlwirkung des Leistungsmoduls erreicht werden, sodass andere Leistungsparameter des erfindungsgemäßen Stromrichters anpassbar sind. Beispielsweise kann einerseits nach dieser Ausgestaltung eine elektrische Leistung des Stromrichters erhöht werden; andererseits kann danach auch eine mittlere Temperaturbelastung des Leistungsmoduls über die Nutzungsdauer des Stromrichters reduziert werden, um wiederrum diese Nutzungsdauer zu verlängern.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stromrichters kann vorgesehen sein, dass der erste Kühlkörper mindestens teilweise in einen Zulaufabschnitt des Kühlkanals eingebracht ist und der zweite Kühlkörper mindestens teilweise in einen Ablaufabschnitt des Kühlkanals eingebracht ist, sodass das Kühlmittel beide Kühlkörper nacheinander durchströmen kann. Je länger ein Kühlmittel einen Kühlkörper durchströmen kann, desto mehr Abwärme kann in das Kühlmittel übergehen. Da eine Baugröße des Leistungsmoduls in der Praxis oftmals durch zugekaufte Leistungsmodule vorgegeben ist, kann ein Kühlkörper in solchen Fällen nicht beliebig groß werden. Andererseits ist eine maximale Temperaturerhöhung des Kühlmittels kosteneffizienter. Insoweit ist es nach dieser Ausgestaltung vorteilhaft, wenn das Leistungsmodul von demselben Kühlmittelstrom zweimal gekühlt wird, da ein Wärmeübergang der Abwärme des Leistungsmoduls so in denselben Kühlmittelstrom erhöht werden kann.

Um eine Baugröße des Stromrichters zu reduzieren, kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stromrichters vorgesehen sein, dass das mindestens eine Leistungsmodul und der mindestens eine Kühlkörper gemeinsam mindestens teilweise in den Kühlkanal eingebracht sind, sodass beide, das Leistungsmodul und der Kühlkörper, von dem Kühlmittel beströmt werden können. Es sind Leistungsmodule verfügbar, die mit einem Harz vergossen und somit kühlmitteldicht sind. Nach dieser Ausgestaltung des Leistungsmoduls kann es platzsparend direkt mit dem mindestens einen Kühlkörper und seinen Abwärmeflächen in den Kühlkanal eingebracht werden. Nach dieser Ausgestaltung kann das Leistungsmodul besser direkt vom Kühlmittel und indirekt über den Kühlkörper gekühlt werden, wodurch die Leistungsfähigkeit des Leistungsmoduls gesteigert und der Stromrichter platzsparender konstruiert werden kann.

Um den erfindungsgemäßen Stromrichter kostengünstiger herstellen zu können, kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Kühlkanal mindestens abschnittsweise aus einem Kunststoffmaterial besteht. Üblicherweise ist ein Kunststoffmaterial günstiger und leichter als ein Metall sowie ein Kühlkanal aus einem Kunststoffmaterial einfacher herzustellen. Die technische Robustheit des erfindungsgemäßen Stromrichters kann aber trotz eines teilweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellten Kühlkanals erhöht werden, wenn nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stromrichters vorgesehen ist, dass der Kühlkanal mindestens in einem Bereich, um den das federartige Vorsprungselement aufweisenden Innwandungsabschnitt aus einem Metall besteht. Das trifft insbesondere um den Bereich um das Leistungsmodul zu, da dieses eine taktbedingt hohe elektromagnetische Störaussendung verursacht und ein metallischer Abschnitt oder Innenwandungsabschnitt des Kühlkanals im Bereich des Leistungsmoduls elektromagnetisch abschirmend wirken kann.

Nachfolgend sind exemplarisch schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Stromrichters gezeigt. Es zeigt:

Fig. 1 ein Leistungsmodul in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 einen Stromrichter in einer Schnittansicht längs zur Strömungsrichtung des Kühlmittels,

Fig. 3 einen Stromrichter in einer Schnittansicht quer zur Strömungsrichtung des Kühlmittels und

Fig. 4 einen Stromrichter in einer perspektivischen Gesamtansicht mit drei Leistungsmodulen.

In Fig. 1 ist ein Leistungsmodul 1 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt, das zwei Silizi- umkarbid-MOSFETs als Halbleiterschalter in einer Halbbrücken-Schaltung beinhaltet. Die zwei Halbleiterschalter sind auf einer Trägerplatte festgelegt, die mit einer Abwärmefläche 2 außerhalb des Leistungsmoduls 1 thermisch wirkverbunden ist und an die ein Kühlkörper 3 festgelegt werden kann.

Zur elektrischen Beschaltung sind zwei DC-Anschlüsse 4 und ein AC-Anschluss 5 aus dem Leistungsmodul 1 geführt, die innerhalb des Leistungsmoduls 1 zu den entsprechenden Kontaktstellen der Halbleiterschalter geführt sind. Für eine Ansteuerung der Halbleiterschalter und eine eventuelle Messwerterfassung sind aus dem Leistungsmodul 1 außerdem mehrere Hilfskontakte 6 herausgeführt.

In Fig. 2 ist ein Stromrichter 7 in einer Schnittansicht mit zwei zum Teil sichtbaren Leistungsmodulen 1 längs zu einer Strömungsrichtung 8 eines Kühlmittels gezeigt, in Fig. 3 ist der Stromrichter 7 dementsprechend in einer Schnittansicht quer zu der Strömungsrichtung 8 des Kühlmittels gezeigt und in Fig. 4 ist der Stromrichter 7 in einer perspektivischen Gesamtansicht mit allen drei Leistungsmodulen 1 gezeigt.

Die Leistungsmodule 1 weisen jeweils zwei Abwärmeflächen 2 auf, die sich auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Leistungsmoduls 1 befinden und an die jeweils ein Kühlkörper 3 festgelegt ist, wobei zwischen dem Kühlkörper 3 und der Abwärmefläche 2 eine Wärmeleitpaste zur verbesserten Wärmeübertragung der Abwärme 2 aus dem Leistungsmodul 1 in den Kühlkörper 3 aufgetragen ist.

Die beiden Kühlkörper 3 jedes Leistungsmoduls 1 sind nach dieser Ausgestaltung in einen Kühlkanal 9 eingebracht, wobei der Kühlkörper 3 von einem aus einem Kunststoffmaterial bestehenden Kunststoffteil 10 an das Leistungsmodul 1 gedrückt wird sowie das Kunststoffteil 10 insgesamt als Rahmen für die Leistungsmodule 1 dient und diese sowohl positioniert und ausrichtet als auch festhält.

Die Konstruktion des Kunststoffteil 10 ist so ausgestaltet, dass sie einerseits das untere Bodenteil des Kühlkanals 9 ausbildet, in den der Kühlkörper 3 über eine Kühlkanalöffnung 11 in den Kühlkanal 9 eingebracht ist, und andererseits zwei Kühlkanalanschlüsse 12 für das ein- und ausströmende Kühlmittel aufweist. Das Kühlmittel kann durch den einen Kühlkanalanschluss 12 in den Kühlkanal 9 eingebracht werden, entlang eines Zulaufabschnitts 13 und eines Ablaufabschnitts 13 des Kühlkanals 9 strömen und durch den anderen Kühlkanalanschluss 12 aus dem Kühlkanal 9 ausströmen.

Entlang des Zulaufabschnitts 13 kann das Kühlmittel alle ersten Kühlkörper 3 der Leistungsmodule 1 und entlang des Ablaufabschnitts 14 alle zweiten Kühlkörper 3 der Leistungsmodule 1 durchströmen, wobei die Abfolge der Beströmung aller Kühlkörper 3 insgesamt dafür sorgt, dass alle Leistungsmodule 1 annähernd gleich gut gekühlt werden. Denn der erste Kühlkörper 3 des ersten Leistungsmoduls 1 wird zwar von dem Kühlmittel beströmt, wenn eine Temperatur des Kühlmittels noch am geringsten ist, das Gegenteil aber trifft dann auf den zweiten Kühlkörper 3 des ersten Leistungsmoduls 1 zu; dementsprechend werden die beiden Kühlkörper 3 des letzten Leistungsmoduls 1 in der Kühlreihenfolge von dem Kühlmittel mit einer annähernd gleichen Temperatur beströmt. Insoweit weisen die Leistungsmodule 1 untereinander aufgrund ihrer zwei Kühlkörper 3 auf den zwei gegenüberliegenden Seiten der Leistungsmodule 1 und der Kühlreihenfolge eine annähernd gleiche Kerntemperatur auf. Jeweils von oben abgeschlossen und abgedichtet ist der Kühlkanal 9 von zwei gestanzten Blechen 15 aus Federstahl, die mit Schrauben 16 an dem Kunststoffteil 10 festgelegt sind.

Die kraftschlüssige Befestigung des Kühlkörpers 3 durch das Kunststoffteil 10 an den Randbereichen des Leistungsmoduls 1 hat zwangsläufig die Wirkung, dass ein Abstand zwischen dem Kühlkörper 3 und der Abwärmefläche 2 in einem Mittenbereich 17 der Abwärmefläche 2 am größten ist. Die Folge ist, dass die Abwärme des Leistungsmoduls 1 gerade in dem Mittenbereich 17 am schlechtesten abgeführt und in den Kühlkörper 3 übergehen kann, denn das Leistungsmodul 1 wird aufgrund der Platzierung der Halbleiterschalter in dem Mittenbereich 17 am wärmsten und erzeugt dort die meiste abzuführende Abwärme.

Erfindungsgemäß weist das Blech 15 des Kühlkanals 9 bei dem Mittenbereich 17 des Leistungsmoduls 1 eine Einbuchtung 18 auf, die nach innen in Richtung einer Druckfläche 19 des Kühlkörpers 3 ein Vorsprungselement 20 ausbildet, wobei das Vorsprungselement 20 aufgrund des Materials des Bleches 15 federartig eine Elastizität in Richtung der Druckfläche 19 des Kühlkörpers 3 aufweist, sodass das Vorsprungselement 20 mit einer Rückstellkraft 21 auf die Druckfläche 19 wirken kann, ohne dabei das Leistungsmodul 1 oder den Kühlkörper 3 zu beschädigen.

Die Position der Schrauben 16 und die der Einbuchtungen 18 bewirkt einerseits, dass der Kühlkanal 9 sicher durch die hohen Schraubenkräfte 22 kühlmitteldicht ist, und andererseits, dass die Vorsprungselemente 20, ausgebildet aus einem Innenwandungsabschnitt 23 der Bleche 15 durch die Einbuchtungen 18, nur mit ihren Rückstellkräften 21 auf die Druckflächen 19 der Kühlkörper 3 wirken, sodass eine Kontaktfläche 24 des Kühlkörpers 3 und des Leistungsmoduls 1 möglichst groß ist und die Abwärme aus dem Leistungsmodul 1 effektiv abgeführt werden kann, ohne das Leistungsmodul 1 oder den Kühlkörper 3 zu beschädigen.

Bezugszeichenliste

1. Leistungsmodul

2. Abwärmefläche

3. Kühlkörper

4. DC-Anschluss

5. AC-Anschluss

6. Hilfskontakt

7. Stromrichter

8. Strömungsrichtung

9. Kühlkanal

10. Kunststoffteil

11. Kühlkanalöffnung

12. Kühlkanalanschluss

13. Zulaufabschnitt

14. Ablaufabschnitt

15. Federstahlblech

16. Schraube

17. Leistungsmodulmittenbereich

18. Einbuchtung

19. Druckfläche

20. Vorsprungselement

21. Rückstellkraft

22. Schraubenkraft

23. Innenwandungsabschnitt

24. Kontaktfläche