DE10227008A1

DE10227008A1 - Kühlvorrichtung für Halbleitermodule

Info

Publication number: DE10227008A1
Application number: DE10227008A
Authority: DE
Inventors: Dirk Balszunat; Reinhard Milich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-19
Also published as: GB0313973D0; DE10227008B4; US20040066629A1; US6822865B2; GB2392010B; GB2392010A

Abstract

Die Erfindung stellt eine Kühlvorrichtung für Halbleitermodule (9) bereit mit: einer Kühlerschiene (10, 11, 12, 13) zum Aufnehmen von mindestens einem, insbesondere aktiv gekühlten, Halbleitermodul (9); mindestens einem ersten Kanal (5, 6), insbesondere Bohrung, in der Kühlerschiene (10, 11, 12, 13) zum Durchleiten eines, insbesondere flüssigen, Kühlmediums (16); und mindestens einem zweiten Kanal (7, 8), insbesondere Bohrung, in der Kühlerschiene (10, 11, 12, 13) zum Zuführen und/oder Rückführen des Kühlmediums (16) zum/vom Halbleitermodul (9).

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für Halbleitermodule.

Halbleitermodule, wie beispielsweise IGBTs, GTOs, IGCTs, tendieren zu immer höheren Schaltleistungen bzw. Sperrspannungen und Durchlaßströmen und werden vor allem im Pulsbetrieb selbstgeführter Stromrichter, wie z. B. einem Pulswechselrichter, bei immer höheren Schaltfrequenzen betrieben. Da die Schaltverluste jedoch wesentlich von diesen Größen abhängen, ist es erforderlich, geeignete Maßnahmen zur Entwärmung der Module zu ergreifen, um die anfallende Verlustleistung möglichst effizient abzuführen.

Derzeitige flüssigkeitsgekühlte Pulswechselrichter weisen eine von einem Kühlmedium durchströmte Grundplatte auf, und die Leistungshalbleiter werden auf diese z. B. durch Anschrauben, Klemmen oder Kleben montiert. Die Leistungshalbleitermodule werden üblicherweise an der Unterseite gekühlt, wobei sie dort in der Regel eine plane, metallene Oberfläche aufweisen. Um die thermische Anbindung zwischen dieser Unterseite und der ebenfalls möglichst planen Oberseite der aktiv gekühlten Grundplatte zu verbessern, wird teilweise Wärmeleitpaste, -folie oder wärmeleitender Kleber verwendet. Um einen thermisch möglichst guten Kontakt zwischen der Wärmequelle (Schaltelement) und der Wärmesenke (durchströmte Grundplatte) bereitzustellen, werden die Schaltelemente oft mit hoher Kraft an die Grundplatte gedrückt. Die begrenzte thermische Leitfähigkeit dieser Materialien stellt den größten thermischen Widerstand im Wärmepfad vom Leistungshalbleiter zum Kühlmedium dar. Der Montageaufwand ist aufgrund des Einbringens z. B. der Wärmeleitpaste zwischen das Halbleitermodul und die Grundplatte und die erforderliche angedrückte Anbindung des Moduls an die Platte erheblich.

VORTEILE DER ERFINDUλIG

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung für Halbleitermodule mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber dem. bekannten Lösungsansatz den Vorteil auf, dass die thermischen Eigenschaften von, insbesondere aktiv gekühlten, Halbleitermodulen verbessert werden, und außerdem einen einfacheren, kompakteren und kostengünstigeren Aufbau, insbesondere von Pulswechselrichtern, ermöglicht.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee basiert im wesentlichen darauf, eine Kühlerschiene in Verbindung mit aktiv gekühlten Hochstrommodulen anstelle einer gekühlten Grundplatte mit flächig zu kühlenden Leistungshalbleitern einzusetzen.

In der vorliegenden Erfindung wird das eingangs erwähnte Problem insbesondere dadurch gelöst, daß eine Kühlerschiene mindestens ein Halbleitermodul aufnimmt und mehrere Bohrungen bzw. Kanäle zum Durchleiten eines, insbesondere flüssigen, Kühlmediums an das und vom Halbleitermodul, durch welche das Kühlmedium direkt strömt, aufweist.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Erfindungsgegenstandes.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Kühlmedium über Vorlaufkanäle und/oder Rücklaufkanäle der Kühlerschiene parallel mindestens zwei Halbleitermodulen zuführbar bzw. von diesen ableitbar. Dies bringt den Vorteil Einheiten mit mehreren Modulen parallel entwärmen zu können.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Kühlmedium über Vorlaufkanäle und/oder Rücklaufkanäle seriell mindestens zwei Halbleitermodulen zuführbar bzw. von diesen abführbar, wobei das Kühlmedium über die Kühlerschiene von einem Halbleitermodul zu einem nachgelagerten Halbleitermodul leitbar ist. Dies bringt den Vorteil Einheiten mit mehreren Modulen seriell entwärmen zu können.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Kühlerschiene im wesentlichen ein Metall, insbesondere Aluminium, mit dem Vorteil auf, dass die Schiene leicht zu bearbeiten ist und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Kühlerschiene mindestens eine Befestigungseinrichtung zum Befes tigen eines oder mehrerer Halbleitermodule auf, woraus sich vorteilhafte Befestigungsmöglichkeiten ergeben.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Verrichtung zwischen den Kanälen der Kühlerschiene und dem/den Halbleitermodul(en) zur Abdichtung eine Dichteinrichtung, insbesondere O-Ringe, auf, um eine vorteilhafte leckagenfreie Anbindung sicherzustellen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das, insbesondere flüssige, Kühlmedium im wesentlichen Wasser bzw. entmineralisiertes Wasser auf. Dies bringt den Vorteil der einfachen und problemlosen Handhabbarkeit des Kühlmediums, sowie niedrige Kosten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung bildet die Kühlerschiene im wesentlichen eine Tragstruktur, durch welche die Halbleitermodule miteinander verbindbar sind und/oder die Kühlvorrichtung befestigbar ist, wodurch vorteilhafterweise zusätzliche Tragerstrukturen eingespart werden können.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Kühlerschiene weitere Komponenten, wie beispielsweise Bauelemente, elektrische Leitungen, Sensoren oder eine Steuerung auf, um den Vorteil einer kompakten Anordnung auszunutzen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Kühlerschiene Halbleitermodule an mehreren Seiten der Kühlerschiene auf, um den Vorteil einer kompakten Anordnung auszunutzen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in, den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

1 die schematische Ansicht eines aktiv gekühlten Halbleitermoduls;

2 die schematische Ansicht einer Kühlerschiene;

3 die schematische Ansicht einer Kühlvorrichtung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

4 die schematische Ansicht zweier Kühlerschienen;

5 die schematische Ansicht einer Kühlvorrichtung zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

6 die schematische Ansicht zweiter Kühlerschienen;

7 die schematische Ansicht einer Kühlvorrichtung zur Erläuterung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

8 die schematische Ansicht einer Kühlvorrichtung zur Erläuterung einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

9 die schematische Ansicht einer Kühlvorrichtung zur Erläuterung einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

1 zeigt die schematische Ansicht eines Halbleitermoduls.

In 1 ist ein aktiv gekühltes Halbleitermodul 9 dargestellt, welches mindestens einen Vorlauf 1 bzw, eine Vorlauföffnung zum Einbringen eines, insbesondere flüssigen, Kühlmediums 16 und mindestens einen Rücklauf 2 bzw. eine Rücklauföffnung zum Abführen des Kühlmediums 16 aufweist, welches z. B. im wesentlichen aus Wasser oder entmineralisiertem Wasser besteht. Das Halbleitermodul 9 ist über die Steueranschlüsse 3 ansteuerbar und weist die Leistungsanschlüsse 4 auf. Ein solches Halbleitermodul ist beispielsweise ein IGBT.

2 zeigt die schematische Ansicht zweier Kühlerschienen.

In 2 sind zwei Kühlerschienen 10 bzw. Kühler-Rails 10, insbesondere zum parallelen Zuführen/Ableiten eines Kühlmediums 16, dargestellt, bei denen es sich um einen stabförmigen Block z. B. aus stranggepreßtem Aluminium handelt. In diesen sind zwei lange Kanäle 5, 6, insbesondere Bohrungen, für den Kühlmediumzufluß und -abfluß eingebracht. Eine weitere Mög lichkeit zur Bildung der Kanäle besteht darin, zwei Hohlräume in einem Aluminium-Profil vorzusehen. Eine Seite der Hohlraumöffnung kann jeweils verschlossen werden und die andere Öffnung dient als Zu- bzw. Abfluß. Auf der Montageseite des Kühler-Rails 10 zu den Modulen 9 hin sorgen weitere Kanäle 7, 8, insbesondere Bohrungen, bis zu den beiden langen Ab- und Zuflußkanälen/Bohrungen 5, 6 für die jeweilige Versorgung des mindestens einen Moduls 9 mit dem Kühlmedium 16. Die Kühlvorrichtung ist mit aktiv gekühlten, also von Kühlmedium 16 durchströmten Leistungsmodulen 9 versehen. Die Abdichtung zwischen der Kühler-Rail 10 und dem Schaltmodul 9 kann über eine Dichteinrichtung, insbesondere O-Ringe, erfolgen. Zur Montage der Leistungsmodule 9 an der Kühler-Rail 10 weist die Kühler-Rail 10 eine oder mehrere Befestigungseinrichtungen (nicht dargestellt) auf, und das Miteinanderverbinden kann durch Schrauben, Klemmen, Kleben oder Anclipsen erfolgen.

Die Kühlerschiene 10 kann außer den mechanischen Befestigungselementen für die Module 9 an sich auch Befestigungseinrichtungen für weitere Komponenten 14, 15 aufweisen. Befestigungseinrichtungen können Gewindelöcher, Kanten und Winkel zum Aufschieben von Bauteilen 14, 15 auf die Schiene 10 sein. Der Einsatz von Schiebern (nicht dargestellt), die auf die Rail 10 zur Montage aufgeschoben werden können, ist möglich.

3 zeigt die schematische Ansicht einer Kühlvorrichtung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In 3 ist eine Kühler-Rail 10 im wesentlichen nach 2 dargestellt, welche einen Kühlmittelvorlaufkanal 5 und einen Kühlmittelrücklaufkanal 6 aufweist, und an welcher drei Halbleitermodule 9 befestigt sind und von Kühlmittel 16 über die Kühlmittelpfade 5, 6, 7, 8 nach 2 durchströmt werden.

4 zeigt die schematische Ansicht zweier Kühlerschienen.

In 4 ist eine Vorlauf- bzw. Einlaß-Kühlerschiene 11 dargestellt, in welcher das Kühlmedium 16 über einen Längskanal 5 und Zuführkanäle 7 einem oder mehreren Halbleitermodulen 9 zuführbar ist. Bezugszeichen 12 hingegen bezeichnet eine Rücklauf- bzw. Auslaß-Kühlerschiene 12, welche mindestens über einen Rücklaufkanal 8 und einen Rücklaufkanal 6 in Längsrichtung zum Abführen des Kühlmediums 16 aus den Halbleitermodulen 9 aufweist.

5 zeigt die schematische Ansicht einer Kühlvorrichtung zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In 5 sind drei aktiv gekühlte Halbleitermodule 9 über eine getrennte Vorlaufkühlerschiene 11 und Rücklaufkühlerschiene 12 miteinander verbunden. Das Kühlmittel 16 wird den Modulen 9 über die Vorlaufschiene 11 zur Wärmeaufnahme zugeführt, durchströmt Teile der Module 9 und wird dann über die Rücklaufkühlerschiene 12 einer externen Wärmetauschereinrichtung (nicht dargestellt) zugeführt.

6 zeigt die schematische Ansicht zweiter Kühlerschienen.

In 6 sind zwei Kühler-Rails 13, insbesondere zur seriellen Zuführung des Kühlmediums 16 dargestellt. Durch den Kühlmittelvorlaufkanal 5 und den Kanal 7 wird das Kühlmedium 15 einem ersten Halbleitermodul 9 zugeführt, durchströmt es, wird dann einem weiteren Kühlmittelkanal in der Kühlerschiene 13 zugeführt, um anschließend das nachfolgende Halbleitermodul 9 zu durchströmen... bis über den Rückführkanal 8 und den Kühlmittelrücklaufkanal 6 das Kühlmittel die Vorrichtung wieder verlassen kann.

7 zeigt die schematische Ansicht einer Kühlvorrichtung zur Erläuterung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In 7 ist die Kühlerschiene 13 mit serieller Kühlmittel- zu- bzw. -abfuhr nach 6 mit drei Halbleitermodulen 9 zu deren Kühlung verbunden.

8 zeigt die schematische Ansicht einer Kühlvorrichtung zur Erläuterung einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In 8 sind drei Schaltmodule 9 über die Kühlerschiene 10 nach 2 miteinander verbunden. Die Kühler-Rail 10 befindet sich an der Oberseite der Module 9, wo ebenfalls eine Steuerplatine 14, insbesondere zur Ansteuerung der Module 9, vorgesehen ist, um einen platzsparenden Aufbau zu schaffen.

9 zeigt die schematische Ansicht einer Kühlvorrichtung zur Erläuterung einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In 9 ist ein Schaltmodul 9 dargestellt, welches mit einer Kühler-Rail 10 verbunden ist, welche T-förmig ausgebildet ist, um die Befestigung weiterer Elemente, wie z. B. ein umspritztes Stanzgitter zur elektrischen Verschaltung und/oder eine Busbar 15, zu ermöglichen.

Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, Module 9 parallel oder in Reihe geschaltet, bezüglich des Kühlmittelkreislaufs, mit Kühlmittel 16 zu versorgen. Beides, und auch eine Kombinaticn daraus, wie z. B. zwei Module parallel und eines dazu in Reihe, sind durch die Auswahl der Anordnung der Kanäle bzw. Bohrungen mit einer Kühler-Rail 10, 11, 12, 13 realisierbar. Außerdem können Module 9 auf mehreren Seiten der Rail angeordnet werden.

Ein Kühler-Rail 10, 11, 12, 13 kann gleichzeitig weitere Funktionen erfüllen, wenn sich z. B. eine Bohrung in mehrere von der Seite kommende Bohrungen verzweigt, kann sie als Kühlmittelverteiler dienen. Das Verteilungsverhältnis des Kühlmittels und damit die mögliche Entwärmung wird maßgeblich durch das Kühlmedium 16, seine Strömungsgeschwindigkeit und durch die Durchmesser der Kanäle bzw. abgehenden Bohrungen bestimmt. Der Einsatz von Filtern ist möglich.

Eine Kühlerschiene 10, 11, 12, 13 kann zusätzlich als Träger weiterer Elemente 14, 15 eingesetzt werden, welche durch Auf schieben oder Aufsetzen z. B. mit Verkrallungselementen auf der Schiene fixiert werden.

Durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen Kühlerschiene wird der thermische Widerstand zwischen dem zu kühlenden Modul und der Wärmeabfuhreinrichtung wesentlich verringert. Auf diese Weise kann z. B. der Pulswechselrichter kleiner und kostengünstiger dimensioniert und damit hergestellt werden. Silizium-Fläche der Leistungs-Bauelemente und die Fläche der Leistungs-Substrate kann deutlich reduziert werden, da diese auf Grund der besseren Entwärmung höher ausgelastet werden kann.

Der Montageaufwand wird u. a. durch den Wegfall der Wärmeleitpaste oder ähnlichem deutlich reduziert, und die Montagesicherheit verbessert, da der thermische Widerstand einer flächigen Anbindung mittels Paste, Kleber oder Folie von der Schichtdicke, Keiligkeit, Lunkerfreiheit und damit von der Güte der Montage abhängig wäre.

Der gesamte Aufbau z. B. eines Pulswechselrichters ist auch aufgrund der Tatsache kompakter realisierbar, daß die Kühler-Rail weitere Funktionen z. B. als Träger weiterer Bauelemente, Komponenten, Leitungen, Sensoren oder einer Steuerung übernehmen kann.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Auch wenn in der. Ausführungsbeispielen Halbleitermodule mit nur einem Einlaß bzw. Auslaß zur aktiven Kühlung des Moduls dargestellt sind, sind mehrere Zu- und Abflüsse vorstellbar, auch sind andere Geometrien der Kühlerschienen und/oder der Halbleitermodule vorstellbar. Zum Schließen bzw. Abdichten der, insbesondere nur zur Fertigung benötigten Kanalstücke einer Kühler-Rail zum seriellen Kühlmitteldurchfluß nach 6, sind durch Abdichtungseinrichtungen, wie beispielsweise eingepaßte Stifte, Klebelemente oder ähnliches möglich.

Auch ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten, wie dem Einsatz in einem Pulswechselrichter, beschränkt.

1: Einlass des Kühlmediums am Halbleitermodul
2: Auslass des Kühlmediums am Halbleitermodul
3: Steueranschlüsse des Halbleitermoduls
4: Leistungsanschlüsse des Halbleitermoduls
5: Vorlauf Kühlmedium, insbesondere über eine Bohrung
6: Rücklauf Kühlmedium, insbesondere über eine Bohrung
7: Zuführung zu einem Halbleitermodul (z. B. Bohrung)
8: Rückführung von einem Halbleitermodul (z. B. Bohrung)
9: Halbleitermodul, insbesondere Schalteinrichtung
10: Kühlerschiene (Kühlerrail), insbes. für Parallelzufüh
: rung
11: Einlass-Kühlerschiene (Einlass-rail)
12: Auslass-Kühlerschiene (Auslass-rail)
13: Kühlerschiene (Kühlerrail), insbes. für Seriellzuführung
14: Steuerplatine
15: Umspritztes Stanzgitter als elektrische Verschaltung und/ oder Busbar
16: Kühlmedium, insbesondere flüssig (z. B. Wasser)

Claims

Kühlvorrichtung für Halbleitermodule (9) mit: einer Kühlerschiene (10, 11, 12, 13) zum Aufnehmen von mindestens einem, insbesondere aktiv gekühlten, Halbleitermodul (9); mindestens einem ersten Kanal (5, 6), insbesondere Bohrung, in der Kühlerschiene (10, 11, 12, 13) zum Durchleiten eines, insbesondere flüssigen, Kühlmediums (16); und mindestens einem zweiten Kanal (7, 8), insbesondere Bohrung, in der Kühlerschiene (10, 11, 12, 13) zum Zuführen und/oder Rückführen des Kühlmediums (16) zum/vom Halbleitermodul (9).
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (16) über Vorlaufkanäle (5, 7) und/oder Rücklaufkanäle (6, 8) der Kühlerschiene (10, 11, 12) parallel mindestens zwei Halbleitermodulen (9) zuführbar bzw. davon ableitbar ist.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der vorangehender. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlerschiene (10, 11, 12 , 13) Einrichtungen, insbesondere Bohrungen, zur Befestigung des/der Halbleitermodule (9) und/oder weiterer Elemente (14, 15) aufweist.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwischen den Kanälen (7, 8) der Kühlerschiene und dem/den Halbleitermodulen (9) zur Abdichtung eine Dichteinrichtung, insbesondere O-Ringe, aufweist.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass das, insbesondere flüssige, Kühlmedium (16) im wesentlichen Wasser bzw. entmineralisiertes Wasser aufweist.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Halbleitermodule (9) Halbleiterleistungsschalter aus der Gruppe aus IGBTs, GTOs, IGCTs, MOSFETs, Bipolartransistoren sind.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlerschiene (10, 11, 12 , 13) Einrichtungen, insbesondere Bohrungen, zur Befestigung des/der Halbleitermodule (9) und/oder weiterer Elemente (14, 15) aufweist.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwischen den Kanälen (7, 8) der Kühlerschiene und dem/den Halbleitermodulen (9) zur Abdichtung eine Dichteinrichtung, insbesondere O-Ringe, aufweist.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das, insbesondere flüssige, Kühlmedium (16) im wesentlichen Wasser bzw. entmineralisiertes Wasser aufweist.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Halbleitermodule (9) Halbleiterleistungsschalter aus der Gruppe aus IGBTs, GTOs, IGCTs, MOSFETs, Bipolartransistoren sind.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlerschiene (10, 11, 12, 13) im wesentlichen eine Tragstruktur bildet, durch welche die Halbleitermodule (9) miteinander verbindbar sind und/oder die Kühlvorrichtung befestigbar ist.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlerschiene (10, 11, 12, 13) weitere Komponenten wie beispielsweise Bauelemente, elektrische Leitungen, Sensoren oder eine Steuerung (14) aufweist.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlerschiene (10, 11, 12, 13) Halbleitermodule (9) an mehreren Seiten aufweist.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der vorangehender. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Kühlerschiene (10, 11, 12, 13) Kanäle bzw. Bohrungen (5, 6, 7, 8) mit unterschiedlichen Durchmessern in Abhängigkeit des benötigten Durchsatzes an Kühlmittel (16) aufweist.