专利名称：具有子系统和冷却设备的功率电子系统的制作方法
技术领域：
本实用新型描述一种集成的功率电子系统，优选用于构造由此实现的变流器(例如三相逆变器)形式的电路设备。这种系统优选应用在不同类型的车辆(特别是也在商用车辆)的电驱动设备中。
背景技术：
基本上公知，这种功率电子系统由单个功率半导体模块例如根据DE 10 2009 037257A1以外部布线即以功率半导体模块的外部连接元件彼此间的连接构建。这种系统具有如下优点，即，可以通过缩放而任意地与所需的功率匹配。为冷却功率半导体模块，所述半导体模块以专业上常见的方式安装在冷却设备上。同样公知，这种功率电子系统例如根据DE 101 27 947A1设计为集成的系统。在这种构建为三相逆变器的系统中，三个相分别配属有自己的开关设备，所述开关设备与共同的内部直流电压连接彼此连接，并且与外部直流电压负载连接元件连接。公知，将该直流电压连接直接与用于所有开关设备的共同电容器设备连接。这种系统为其冷却安装在冷却设备上。
实用新型内容本实用新型的目的在于，提供一种功率电子系统，该系统形成紧凑的单元、可模块化构建并且同时具有改善了的冷却。该目的根据本实用新型通过具有如下特征的功率电子系统来实现。该功率电子系统具有带第一基体的冷却设备、至少一个子系统和壳体，其中，所述冷却设备在其第一基体内具有至少一个空缺部，至少一个所述子系统具有开关设备，所述开关设备具有带不同极性的负载连接元件和辅助连接元件的功率电子电路并且具有带第二基体的、伸入所述冷却设备的配属的空缺部内的冷却构件，并且其中所述壳体朝向所述冷却设备地覆盖至少一个所述子系统。进一步，描述了优选的实施形式。所提出的功率电子系统具有冷却设备、至少一个子系统以及朝向冷却设备地覆盖所述至少一个子系统的壳体。在多个子系统的情况下，所述子系统优选都在行列中并排地布置。所述至少一个子系统具有开关设备，该开关设备具有带至少一个第二基体的冷却构件、第一绝缘材料体和至少一个外部负载连接元件。开关设备优选由至少一个电绝缘的衬底形成，该衬底具有布置在其第一主面上的和符合电路要求地连接的功率半导体器件，所述功率半导体器件构造功率电子电路。此外，开关设备此外具有不同极性的内部连接元件，所述内部连接元件与所配属的外部负载连接元件和/或辅助连接元件一件式地或多件式地连接。冷却设备优选要么为气态冷却介质要么为液态冷却介质构造。在第一种情况下，该冷却设备具有肋片冷却设备，该肋片冷却设备具有板状的第一基体和从该板状的第一基体伸出的第一冷却肋片，而在第二种情况下，该冷却设备同样具有板状的第一基体，当然在该板状的第一基体上连接至少一个用于冷却介质的空腔。此外，冷却设备在板状的第一基体内具有至少一个空缺部，用于布置子系统的开关设备所配属的冷却构件。所配属的子系统各自的冷却构件在这种情况下可以部分地或优选也可以完全由空缺部容纳。可能有利的是，空缺部穿过冷却设备的整个板状的第一基体。在这种情况下，特别优选子系统的冷却构件具有如下冷却元件，所述冷却元件与冷却设备的那些冷却元件类似地构造，并且几乎延续了(fortsetzen)所述冷却设备的那些冷却元件。于是，在用于气态冷却介质的冷却设备的情况下，例如在空缺部的区域内不设置冷却设备的第一冷却肋片，确切地说，通过布置子模块取代冷却设备的第一冷却肋片在该位置设置子系统的冷却构件的冷却元件。优选冷却构件的这些冷却元件类似于冷却设备的那些冷却元件地构造为第二冷却肋片，并且因此几乎在空缺部区域内对齐地延续冷却设备的第一冷却肋片。相应的冷却构件由此在这种设计中构造具有如下第二冷却肋片的第二基体，所述第二冷却肋片轮廓延续地布置在具有第一冷却肋片的第一基体的空缺部内。此外对布置子系统的冷却构件能够有利的是，该基体具有优选环绕的止挡边，冷却构件的所配属的止挡面处于该止挡边上。此外，在此止挡边与止挡面之间可以以专业上常见的方式设置密封设备。这一点特别是在冷却设备设计为液体冷却设备的情况下有利。各自的密封设备同样可以设置在冷却设备的第一基体与冷却构件的第二基体之间的边缘区域内。在用于气态冷却介质的冷却设备的情况下，同样可以设置该密封设备。当然，在子系统本身密封地构造的情况下，优选取消该密封设备。为此第二绝缘材料体包围开关设备，并且由此朝向冷却构件严密(hermetisch)密封地闭合开关设备。在这种情况下，优选开关设备的负载连接元件和辅助连接元件穿过第二绝缘材料体的空缺部，并且朝向负载连接元件和辅助连接元件防尘密封地和防潮密封地封闭所述空缺部。在提高了的针对尘埃或者甚至液体的密封性要求中，也可以以冷却设备的其他构造中设置这种严密的密封。
下面借助附图1 - 5的实施例对本实用新型的解决方案进行进一步说明。其中图1示出根据本实用新型的功率电子系统连同其壳体的三维示图；图2示出根据本实用新型的功率电子系统冷却设备的第一构造；图3示出根据本实用新型的功率电子系统冷却设备的第二构造；图4示出根据本实用新型的功率电子系统密封的开关设备；图5示出根据本实用新型的功率电子系统无壳体分解图的三维示图。
具体实施方式
图1以三维示图示出在三相逆变器的设计中根据本实用新型的第一功率电子系统I。示意地示出例如构造为水冷却设备的冷却设备10。由壳体20朝向该冷却设备10地覆盖该系统的内部组件。壳体10本身在相应的空缺部220、240、260处由外部连接元件22、24,26穿透。[0021]在壳体10的第一侧上布置有两个外部的构造为螺栓连接的直流电压负载连接元件24、26。在壳体10的对置的第二侧上，以基本相同的技术模式不出外部交流电压负载连接元件22。在上侧处设置有两组外部辅助连接元件28，所述外部辅助连接元件特别是用于连接控制信号和传感器信号。图2示出根据本实用新型的第一功率电子系统的冷却设备10的第一种设计。用于气态冷却介质的冷却设备10的第一种设计具有板状的第一基体12和从该板状的第一基体伸出的第一冷却肋片14。必要时,其他实施方案以匹配的方式也适用于冷却设备的其他设计，特别是在其用于液态冷却介质的设计中。在冷却设备10的、与冷却肋片14对置的侧上设置有三个空缺部160，所述空缺部伸入到该板状基体12内直到该板状基体一半的厚度。以分解图的形式示出根据本实用新型的第一功率电子系统的三个子系统的三个冷却构件60。所述冷却构件60各自仅由第二基体62组成，该第二基体形状锁合地并且完全地处于冷却设备10的第一基体12的空缺部160内。由此为功率电子系统的其他元件形成平整的表面。这种设计是优选的，但不是必要的。如下也可能是有利的，相应的第二基体62仅部分处于第一基体12的所配属的空缺部160内部。在这种情况下，该第二基体62因此也可以局部地占据比由空缺部160的尺寸预先确定的更大的、平行于第一基体12表面的延伸。在这种情况下，因此在水平方向上形成对相应的空缺部160的超出。图3示出根据本实用新型的第二功率电子系统的同样用于气态冷却介质的冷却设备10的第二种设计。基本上类似于图2地，下列内容以匹配的方式也适用于采用液态冷却介质的冷却设备。第一基体12在此具有多个空缺部160，所述空缺部穿透整个第一基体12。此外在空缺部12的区域内，在此不设置冷却设备10的第一冷却肋片14。额外地在此在相应空缺部160的两个对置的侧(这里是纵向侧)处，设置有止挡边162。此外以分解图的形式示出根据本实用新型的第二功率电子系统的三个子系统的三个冷却构件60。所述冷却构件60具有板状的第二基体62，该板状的第二基体配属于第一基体12的空缺部160止挡边162地具有止挡面622。第二基体62的所述止挡面622处于第一基体12的止挡边162上。在此可以有利地设置密封设备620，该密封设备布置在第一基体12与第二基体62之间的空缺部160的边缘区域内。在第一基体12的空缺部160内的环绕的止挡边162处，该密封设备也可以布置在第二基体62的该止挡边162与止挡面622之间。在所示的设计中，冷却构件60具有从第二基体62伸出的第二冷却肋片64。所述冷却肋片在此在不限制一般性的情况下如下方式地构造，即，在相应的冷却构件60的布置中，所述冷却肋片在已设置的空缺部160内与冷却设备10的第一冷却肋片14对齐。特别是在此第二冷却肋片64在形状、间隔和侧面延伸上甚至与第一冷却肋片14相同。因此通过冷却设备10与冷却构件60的组合，几乎形成第二功率电子系统的冷却肋片结构的一致的设计。亦如在根据图2的第一功率电子系统中，在此优选在子系统的冷却构件60与冷却设备10之间设置有适当的连接设备600，用于总体地固定组件，以及用于必要时所设置的密封设备622的必要的压力施加。其他连接设备100用于连接壳体与冷却构件10。图4示出根据本实用新型的功率电子系统的严密密封的开关设备50。可能有利的是，取代如图3所介绍的密封设备地或对所述密封设备来说额外地，对环境影响严密密封子系统的各自的开关设备50。在这种情况下可以设置第二绝缘材料体34，该第二绝缘材料体包围、覆盖并且朝向冷却构件60封闭至少一个带有在此上布置的、开关设备50的电子电路的衬底。为此该第二绝缘材料体34可以杯式地构造，并且具有多个可以防尘密封地和防潮密封地封闭的套管344、348。负载连接元件52、54、56和辅助连接元件58伸过所述套管344、348。此外在该第二绝缘材料体34内可以设置至少一个起压力平衡作用的膜片346。根据密封的要求等级，该膜片346备选地或额外地优选可以从内部向外部输送湿气地构造。图5示出根据本实用新型的功率电子系统I的无壳体分解图的三维示图。再次示出冷却设备10，在此具有多个空缺部160，各自用于布置各自所属的子系统30的各个冷却构件60，其中，所述子系统30中的每个都包含半桥拓补结构的功率电子电路，由此功率电子系统I构造三相桥式电路。子系统30具有各自一个带有在此上材料锁合地并且导热地连接的衬底的冷却构件60。在衬底的与冷却构件对置的侧上设置有功率电子电路510,该功率电子电路与衬底和与冷却构件60 —起形成子系统30的开关设备50。内部连接元件52、54、56、58从功率电子电路510出发。在此示出各两个直流电压负载连接元件54、56、交流电压负载连接元件52和多个控制连接元件58。所述控制连接元件58在此构造为连接接片，其中，作为对此的备选，例如弹簧接触件或触针同样是合适的。内部负载连接元件52、54、56分别构造为平面的接片。外部负载连接元件22、24、26如图1所示从这里未示出的壳体穿出。外部负载连接元件22、24、26布置在同样是子系统30的部分的第一绝缘材料体32上。该第一绝缘材料体32可与根据图4的第二绝缘材料体34整体地构造。该第一绝缘材料体32此外框架式地包围开关设备50，并且具有固定设备300，以便固定子系统30进而由此也相对于冷却设备10固定开关设备50。在所示的设计中，冷却设备10具有各一个凹陷形式的空缺部160，相应开关设备50所配属的冷却构件160完全处于该空缺部内。因此第一绝缘材料体32可与平整地安放在冷却构件10上，并且因此相对于冷却设备10机械上牢固地固定开关设备50。因此，整个开关设备50在此情况下仅部分地被绝缘材料体32在由冷却设备10伸出的上部区域中包围。此外，每个第一绝缘材料体32具有用于固定所配属的未示出的开关电路板的保持设备328，该开关电路板包含用于子系统30的控制电路。该开关电路板优选直接接近内部交流电压负载连接元件22地设置。每个第一绝缘材料体32具有矩形的基本形状，其也形成每个子系统30的基本形状。内部负载连接元件52、54、56和外部负载连接元件22、24、26在这种情况下如下方式地配属于该基本形状的窄面，即，使得第一绝缘材料体32进而由此还有子系统30经由其纵向侧可排列在彼此旁边，以便特别紧凑地设计功率电子系统I。同样优选但未示出地，各子系统30在所配属的绝缘材料体32上固定地设置电容器设备。该电容器设备专业上通常极性正确地与所配属的开关设备50的所配属的负载连接元件54、56连接。为将外部直流电压负载连接元件与内部直流电压负载连接元件54、56内部连接，设置有未示出的连接设备。
权利要求1.功率电子系统(1)，所述功率电子系统具有带第一基体(12)的冷却设备(10)、至少一个子系统(30)和壳体(20)，其中，所述冷却设备(10)在其第一基体(12)内具有至少一个空缺部(160)，至少一个所述子系统(30)具有开关设备(50)，所述开关设备具有带不同极性的负载连接元件(52、54、56)和辅助连接元件(58)的功率电子电路并且具有带第二基体(62)的、伸入所述冷却设备(10)的配属的空缺部(160)内的冷却构件(60)，并且其中所述壳体(20)朝向所述冷却设备(10)地覆盖至少一个所述子系统(30)。
2.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，将所述冷却设备(10)设置用于气态冷却介质，并且为此构造为具有板状的第一基体(12)和从板状的所述第一基体伸出的第一冷却肋片(14)的肋片冷却设备。
3.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，将所述冷却设备(10)设置用于液态冷却介质，并且所述冷却设备在此具有板状的第一基体(12)，并且与板状的所述第一基体连接地设置有用于所述冷却介质的至少一个空腔。
4.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，所述空缺部(160)构造所述第一基体(12)的凹陷，并且所述凹陷完全地或部分地容纳相应的所述冷却构件(60)。
5.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，所述空缺部(160)穿过所述冷却设备(10)的第一基体(12)。
6.按权利要求5所述的功率电子系统，其中，至少一个所述子系统(30)的冷却构件(60)由具有第二冷却肋片(64)的第二基体(62)组成，并且所述第二基体(62)布置在所述第一基体(12)的配属的空缺部(160)内。
7.按权利要求7所述的功率电子系统，其中，在所述空缺部(160)的区域内不设置所述冷却设备(10)的第一冷却肋片(14)，而是设置有所述子系统(30)的冷却构件(60)的第二冷却肋片(64)。
8.按权利要求7所述的功率电子系统，其中，所述第一基体(12)的冷却肋片(14)与所述第二基体(62)的那些冷却肋片(64)彼此对齐地构造。
9.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，至少一个所述空缺部(160)具有环绕的止挡边(162)，所述子系统(30)各自配属的冷却设备(60)的止挡面(622)安放在所述止挡边 上。
10.按权利要求1或9所述的功率电子系统，其中，所述第一基体(12)与所述第二基体(62)之间的边缘区域内、或所述第一基体(12)的止挡边(162)与所述第二基体(62)的止挡面(622)之间的边缘区域内设置有密封设备(622)。
11.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，第一绝缘材料体(32)包围、覆盖和朝向所述冷却构件(60)地严密密封地封闭具有开关设备(50)的功率电子电路(510)的至少一个衬底。
12.按权利要求11所述的功率电子系统，其中，所述负载连接元件(52、54、56)和辅助连接元件(58)穿过第二绝缘材料体(34)的套管(344、348)，并且将所述套管(344、348)朝向所述负载连接元件(52、54、56)和辅助连接元件(58)防尘密封地和防潮密封地封闭。
专利摘要本申请涉及一种具有子系统和冷却设备的功率电子系统，所述功率电子系统具有带第一基体的冷却设备、至少一个子系统和壳体。冷却设备在其第一基体内具有至少一个空缺部；至少一个子系统具有开关设备，所述开关设备具有带不同极性的负载连接元件和辅助连接元件的功率电子电路，并且具有带第二基体的、伸入冷却设备的配属的空缺部内的冷却构件，并且壳体朝向冷却设备地覆盖至少一个子系统。根据本实用新型的功率电子系统形成紧凑的单元、可模块化构建并且同时具有改善了的冷却。
文档编号H05K7/20GK202907382SQ20122023840
公开日2013年4月24日 申请日期2012年5月24日 优先权日2011年5月24日
发明者赖纳·波普, 亚历山大·波佩斯修, 斯特凡·魏斯 申请人:赛米控电子股份有限公司