专利名称：带液体冷却的功率电子装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种功率电子装置，该功率电子装置包括液体冷却的功率半导体模块和与冷却液体环路连接的液体冷却装置。
背景技术：
借助冷却液体来冷却功率半导体模块已表明为可行，这是因为在半导体器件中构成的损耗热非常有效地借助冷却液体导出，并且冷却液体可以以相对低的消耗引向有待冷却的部件。由DE 60 2005 006 310 T2中公知将液体冷却的功率半导体模块彼此堆叠。在更换布置在堆垛内布置的功率半导体模块时，必须拆开堆垛。此外，模块直到堆叠之后才被完全封装并且冷却液体的流经通道直到堆叠之后才构造。
实用新型内容本实用新型的任务是给出一种具有液体冷却的改进的功率电子装置。为了解决该任务，根据本实用新型，提出了一种功率电子装置，该功率电子装置包括两个或更多的液体冷却的功率半导体模块和可与冷却液体环路连接的液体冷却装置，其中，功率半导体模块布置在液体冷却装置上，其中如下地设置，g卩，功率半导体模块分别具有至少一个电插接器，该电插接器可以与布置在液体冷却装置上的多个电插接器中的一个连接，其中所述多个插接器通过构成总线的电连接导线彼此电连接，并且液体冷却装置具有导线通道，用于容纳电连接导线和多个电插接器。功率电子装置的特 征在于，液体冷却装置具有多个电插接器，所述电插接器通过构成总线的电连接导线彼此电连接，从而使得在液体冷却装置上的模块的安装和必要时的拆卸可以非常快速且无故障。冷却液体环路除了其上布置有功率半导体模块的液体冷却装置之外还包括冷却剂泵和热交换器，在该热交换器中，在功率半导体模块中被受热的冷却液体被冷却。可以如下地设置，S卩，液体冷却装置具有用于冷却液的两个通管，这些通管与冷却液体出口或与冷却液体入口连接，所述冷却液体出口或冷却液体入口布置在液体冷却装置的上侧处，使得功率半导体模块具有模块侧的冷却液体入口和模块侧的冷却液体出口，并且功率半导体模块通过安放到液体冷却装置上而可以与通管液体密封地连接。于是，不仅在液体冷却装置上而且在功率半导体模块上设置有用于引导冷却液体通过的连接元件，其中有利地在两个相对应的连接元件之间可以设置密封元件。该密封元件例如可以构造为O形环或由橡胶或类似物构成的平坦的密封元件、(例如硅橡胶构成的)粘合垫或粘合剂层。导线通道可以将液体冷却装置平行于其纵轴线地穿透。可以如下地设置，即，导线通道布置在两个通管之间。此外可以如下地设置，液体冷却装置的多个电插接器布置在总线印刷电路板上，并且电连接导线构造为总线印刷电路板的印制导线。可以优选条状的印刷电路板。多个电插接器可以至少部分地穿透布置在液体冷却装置的上侧中的穿通孔。导线通道可以具有矩形的横截面，该导线通道可以如此地确定尺寸，使得总线印刷电路板可以轴向地推入到导线通道中。导线通道的净宽度可以相当于总线印刷电路板的宽度，而导线通道的净高度可以相当于总线印刷电路板的高度加上布置在总线印刷电路板上的电插接器的高度。在总线印刷电路板的下侧与导线通道的下侧之间可以布置优选由电绝缘的材料构造的间隔元件，该间隔元件将总线印刷电路板如此程度地抬起，使得电插接器至少部分地穿透液体冷却装置的上侧上的穿通孔。穿通孔的内部轮廓可以与功率半导体模块的至少一个插接器的、和更后面描述的控制模块的至少一个插接器的外部轮廓相符合地构造。穿通孔的内部轮廓于是起到在将前面提到的模块安放到液体冷却装置上时的引导作用。可以如下地设置，S卩，功率半导体模块的至少一个电插接器构造为电插座，并且液体冷却装置的多个电插接器中的相对应的电插接器构造为内置式电插头，或者反过来。此外可以如下地设置，S卩，功率半导体模块的至少一个电插接器可以通过将功率半导体模块安放到液体冷却装置上而将液体冷却装置的多个电插接器中的相对应的插接器电连接。在一个有利的构造中可以如下地设置功率电子装置还包括控制模块，该控制模块布置在液体冷却装置上；并且控制模块具有至少一个电插接器，该电插接器可以与多个布置在液体冷却装置上的电插接器中的一个连接。控制模块可以具有其他电接头，以便例如将其与上级的控制单元和/或操纵单元和/或与控制指令的输入单元连接。控制模块的至少一个电插接器可以构造为电插座，并且液体冷却装置的多个电插接器中的相对应的插接器可以构造为内置式电插头，或者反过来。可以如下地设置，即，可以通过将控制模块安放到液体冷却装置上而将控制模块的至少一个电插接器与液体冷却装置的相对应的电插接器连接。功率半导体模块和/或控制模块可以防极性反接地构造。为此，模块和/或液体冷却装置可以具有机械机构，该机械机构阻止建立电流路径的错误分派。可以设置如下内置式插头，该内置式插头仅能够插入相对于插座的位置中。例如，可以设置突出部或如此地选择插针的布置使得，仅允许一种插接变化形式。在具有基本上方形结构的功率半导体模块的一个特别有利的三维设计方案中，在功率半导体模块的底部侧处布置有用于控制功率半导体模块的电插接器，以及布置有模块侧的冷却液体入口和模块侧的冷却液体出口，并且在两个端侧上彼此对置布置有直流接头和交流接头，用于将功率半导体模块接入功率电流回路中。在液体冷却装置上紧密地布置有具有朝向彼此的侧面的功率半导体模块。由此在这样构成的功率电子装置中也是，在一侧上布置直流接头并且在另一侧上布置交流接头，由此例如可以特别简单地级联功率半导体模块。
现在借助实施例更为详细地阐述本实用新型。其中图1以透视的剖面图示出根据本实用新型的功率电子装置的一个实施例；图2以透视的部分剖面图示出图1中的液体冷却装置；图3以透视示图示出图1中的部分构建的功率半导体模块；[0030]图4示出具有已安放的控制电路板的、图3中的功率半导体模块；图5和6以透视示图示出不带壳体的图1中的功率电子装置的功率半导体模块的第二实施例；图7以透视示图示出带有壳体的图5和6中的功率半导体模块；图8a示出从直流接头观察的图7中的功率半导体模块；图8b示出从交流接头观察的图7中的功率半导体模块。
具体实施方式
图1示出功率电子装置1，该功率电子装置例如可以作为风力设备的变流器单元来使用。功率电子装置I模块化地构建并且在图1所示的实施例中包括六个构造成半桥电路的液体冷却的功率半导体模块11，其中，由于图1中的剖面示意而仅示出了四个功率半导体模块。功率半导体模块11并排地布置在液体冷却装置12的安装面上。液体冷却装置12基本上构造为板状安装体，并且由用于冷却液体的两个平行布置的通管121穿透。液体冷却装置12接入未示出的液体冷却环路中，并且用于将冷却液体分配到功率半导体模块上。冷却液体例如借助冷却剂泵来输送，并且在热交换器中被冷却。冷的冷却液体流入到两个通管1 21的中的一个中，并且由两个通管121中的另一个流出在功率半导体模块11中受热的冷却液体。在通管121的端部区段上分别布置有连接件121a或封闭件121v。在图1所示的实施例中，封闭件121v和连接件121a分别布置在液体冷却装置12的端侧处。但也可以如下地设置，即，封闭件121v和连接件121a互换地布置，从而使得冷却液体在液体冷却装置12的一个端侧进入而在另一个端侧出来。通管121与冷却液体出口 122或与冷却液体入口 123连接，输送冷却液体出口或冷却液体入口布置在冷却液体装置12的上侧处。功率半导体模块11在其下侧处具有模块侧的冷却液体入口 111和模块侧的冷却液体出口 112。冷却液体入口 111在已安装的状态中与液体冷却装置12的冷却液体出口122中的一个液体密封地连接。冷却液体出口 112在已安装的状态中与液体冷却装置12的冷却液体入口 123中的一个液体密封地连接。如在图3中可看到的是，模块侧的冷却液体入口 111和模块侧的冷却液体出口 112套管式地构造，并且由功率半导体模块11的下侧伸出。液体冷却装置12的冷却液体入口 123的和冷却液体出口 122的端侧具有用于密封元件的凹进部(参见图2)。例如是具有圆形横截面的环形密封元件，该环形密封件由橡胶弹性材料构造，例如由硅橡胶构造。在已安装的状态中，密封元件在功率半导体模块11与液体冷却装置12之间构成液体密封。相对应的冷却液体入口和出口与连同密封元件一起构成可拆卸的冷却剂连接装置。但也可以如下地设置，即，密封元件构造为粘合剂层，由此造成不可拆卸的或可有条件拆卸的冷却剂连接装置。模块侧的冷却液体入口 111以及模块侧的冷却液体出口 112可以分别具有螺纹孔，固定螺栓嵌接到该螺纹孔中。固定螺栓穿透在液体冷却装置12中的穿通孔并且因此将功率半导体模块11与液体冷却装置12连接，其中在拧紧固定螺栓时挤压密封元件。图3示出了不带壳体的部分地构建的功率半导体模块11，该功率半导体模块在所示的例子中具有四个功率电子子系统113，该功率电子系统布置在共同的冷却装置114上。四个子系统113以每两个子系统彼此对置的方式布置在冷却装置114两侧。功率电子子系统113可以是上面提到的半桥电路。冷却装置114可以由塑料或金属构成。冷却装置114具有用于冷却液体的构造为分配通道的输入区段和构造为汇集通道的输出区段。输入区段和输出区段彼此平行地布置。在两个区段之间布置有四个槽式的冷却室，其沟槽开口分别由有待冷却的功率电子子系统113的衬底覆盖。在包围沟槽开口的端面与功率电子子系统113的朝向冷却室的衬底表面之间布置有环形的密封元件(在图3中未示出)，该密封元件例如可以布置在所配属的冷却室的端面中的环绕的槽中。冷却液体在模块侧的冷却液体入口 111中在输入区段的输入口处进入冷却装置中并且从那里流入四个冷却室中，在所述四个冷却室中冷却液体与功率电子子系统113的半导体器件的衬底达到直接接触。在该优选的构造中前提条件是，冷却液体是不导电的。从冷却室中出来的受热的冷却液体在冷却装置114的输出区段中汇集并且在模块侧的冷却液体出口 112处出来。功率电子子系统113具有内部交流接头113w1、两个内部直流接头113gi (参见图3)和两个外部直流接头113ge (参见图1)。内部直流接头113gi借助内部直流母线113v(参见图1)彼此连接，以及与电容器113k和与外部直流接头113ge连接。电容器113k成对地安装在冷却块上，所述冷却块与冷却装置114形成热接触或是冷却装置114的部件。也可以如下地设置，即，构造为不带电容器的功率半导体模块11，其中可以设置为按需要后配备电容器。功率电子子系统113具有控制接头113s，所述控制接头构造为接触弹簧并且在压力下贴靠在布置在控制接头113s之上的控制印刷电路板113p的触点上(参见图4)。控制印刷电路板113p具有电印制导线，所述电印制导线将控制接头113s与电插接器115的接触弹簧连接，所述电接插器布置在控制印刷电路板113p的朝向冷却液体入口 111的或朝向冷却液体出口 112的端侧上。与子系统113的数目相应地，在壳体中彼此对置地布置有两个控制印刷电路板113p ，如图4中可看到的那样。两个控制印刷电路板113p中的每个都与两个子系统113的控制接头113s连接。在液体冷却装置12上还布置有控制模块13，该控制模块控制功率半导体模块11。该控制模块13在其下侧端面上具有电插接器(在图1中未示出)。为了将控制模块13与功率半导体模块11电连接，设置有条状的总线印刷电路板131，该总线印刷电路板布置在穿透液体冷却装置12的导线通道124中。在总线印刷电路板131上布置有电插接器131s，该电接插器的触点通过印制导线彼此连接，其中与所选择的总线系统相应地将并联连接插接器131s。插接器131s连同更前面描述的、功率半导体模块的电插接器115 —起构成可拆卸的电插接连接，从而使得功率半导体模块I的控制接头124接到总线系统上。可以如下地设置，即，插接器131s构造为插座，并且插接器115构造为内置式插头，或者反过来。导线通道124平行于液体冷却装置12的纵向轴线地穿透液体冷却装置12，并且布置在两个通管121之间。在图1和图2所示的实施例中，导线通道124具有矩形的横截面，该导线通道如此地确定尺寸使得，总线印刷电路板131可以轴向地推入导线通道124中。导线通道124的净宽度相当于总线印刷电路板131的宽度，并且导线通道124的净高度相当于总线印刷电路板131的高度加上布置在总线印刷电路板131上的电插接器131s的高度。在将总线印刷电路板131推入导线通道124中之后，将总线印刷电路板131如此程度地抬起使得，电插接器131s至少部分穿透在液体冷却装置12的上侧中的穿通孔121d (参见图2)。在总线印刷电路板131的下侧与导线通道124的下侧之间的间隔空间可以通过间隔元件(优选通过由电绝缘的材料构成的间隔元件)填充。穿通孔121d的内部轮廓与功率半导体模块11的和控制模块13的插接器115的外部轮廓相符合。穿通孔121d的内部轮廓因此起到在将前面提到的模块安放到液体冷却装置12上时的引导作用。也可以如下地设置，S卩，导线通道124构造为如下敞开的导线通道，该敞开的导线通道可以被盖板覆盖，该盖板同时可以构造为间隔元件，并且总线印刷电路板131从液体冷却装置12的下侧引入。图5和图6不出了不带电容器的功率半导体模块11的一个实施例,其中仅不出内部结构。图5示出从外部直流接头113ge观察的透视视图。图6示出从外部交流接头113we观察的透视视图。图7和8a以及8b示出图5和6所示的带有壳体的功率半导体模块11。如图5中可看到的那样，设置有四个外部直流接头113ge，其中优选正接头和负接头成双地构造，并且以两个彼此重叠的行的形式如此地布置，使得在两个相邻的功率半导体模块11中，可以将外部直流接头113ge以最短的路径彼此连接，以便构造串联电路(参见图7和8a)。从图5至8中了解到，所选择的三维设计方案的优点在功率半导体模块11的底部侧上布置有用于控制功率半导体模块11的电插接器115以及布置有模块侧的冷却液体入口 111和模块侧的冷却液体出口 112，并且在两个端侧上彼此对置地布置有外部直流接头113ge以及外部交流接头113we。在液体冷却装置12上紧密地布置具有朝向彼此的侧面的功率半导体模块11。在图5至图8所示的实施例中，不仅外部直流接头113ge而且外部交流接头113we构造为如下带螺纹的盲孔，在该带螺纹的盲孔中可以旋入固定螺栓以便建立电的螺栓连 接。附图标记表I功率电子装置11功率半导体模块12液体冷却装置13控制模块111模块侧的冷却液体入口112模块侧的冷却液体出口113功率半导体子系统113ge外部直流接头113gi内部直流接头113k 电容器113p控制印刷电路板113s控制接头113v直流母线113we外部交流接头113wi内部交流接头114冷却装置[0069]115电插接器121 通管121a 连接件12Id 穿通孔121v 封闭件122冷却液体出口123冷却液体入口124导线通道131总线印刷电路板131s电 插接器
权利要求1.功率电子装置(I)，该功率电子装置包括两个或更多个液体冷却的功率半导体模块(11)和能够与冷却液体环路连接的液体冷却装置(12)，其中，所述功率半导体模块(11)布置在所述液体冷却装置(12)上，其特征在于所述功率半导体模块(11)分别具有至少一个电插接器(115)，所述电插接器能够与布置在所述液体冷却装置(12)上的多个电插接器(131s)中的一个连接，其中，所述多个插接器(131s)通过构成总线的电连接导线彼此电连接；并且所述液体冷却装置(12)具有用于容纳所述电连接导线和所述多个电插接器(131s)的导线通道(124)。
2.根据权利要求1所述的功率电子装置，其特征在于所述液体冷却装置(12)具有用于冷却液体的两个通管(121),所述通管与冷却液体出口(122)或冷却液体入口(123)连接，所述冷却液体出口或冷却液体入口布置在所述液体冷却装置(12)的上侧上；所述功率半导体模块(11)具有模块侧的冷却液体入口(111)和模块侧的冷却液体出口(112);并且所述功率半导体模块(11)通过安放到所述液体冷却装置(12)上而能够与所述通管(121)液体密封地连接。
3.根据权利要求1或2所述的功率电子装置，其特征在于，所述导线通道(124)平行于所述液体冷却装置(12)的纵轴线地穿透所述液体冷却装置。
4.根据权利要求2所述的功率电子装置，其特征在于，所述导线通道(124)布置在所述两个通管(121)之间。
5.根据权利要求1、2或4所述的功率电子装置，其特征在于所述液体冷却装置(12)的所述多个电插接器(131s)布置在总线印刷电路板(131)上；并且所述电连接导线构造为所述总线印刷电路板(131)的印制导线。
6.根据权利要求1、2或4所述的功率电子装置，其特征在于，所述多个电插接器(131s)至少部分穿透布置在所述液体冷却装置(12)的上侧中的穿通孔(121d)。
7.根据权利要求1、2或4所述的功率电子装置，其特征在于，所述功率半导体模块(11)的所述至少一个电插接器(115)构造为电插座，并且所述液体冷却装置(12)的所述多个电插接器(131s)中的相对应的插接器构造为内置式电插头，或者反过来。
8.根据权利要求1、2或4所述的功率电子装置，其特征在于，所述功率半导体模块(11)的所述至少一个电插接器(115)通过将所述功率半导体模块(11)安放到所述液体冷却装置(12)上而能够与所述液体冷却装置(12)的所述多个电插接器(131s)中的相对应的插接器电连接。
9.根据权利要求1、2或4所述的功率电子装置，其特征在于所述功率电子装置(I)还包括控制模块(13)，所述控制模块(13)布置在所述液体冷却装置(12)上；并且所述控制模块(13)具有至少一个电插接器(115)，其能够与所述布置在所述液体冷却装置(12)上的多个电插接器(131s)中的一个连接。
10.根据权利要求9所述的功率电子装置，其特征在于，所述控制模块(13)的所述至少一个电插接器(115)构造为电插座，并且所述液体冷却装置(12)的所述多个电插接器中的相对应的插接器构造为内置式电插头，或者反过来。
11.根据权利要求9所述的功率电子装置，其特征在于，所述控制模块(13)的所述至少一个电插接器(115)通过将所述控制模块(13)安放到所述液体冷却装置(12)上而能够与所述液体冷却装置(12)的所述多个电插接器(131s)中的相对应的插接器电连接。
专利摘要本实用新型描述一种带液体冷却的功率电子装置(1)，所述功率电子装置包括液体冷却的功率半导体模块(11)和能够与冷却液体环路连接的液体冷却装置(12)，其中，功率半导体模块(11)布置在液体冷却装置(12)上。所述功率半导体模块(11)分别具有至少一个电插接器(115)，所述电接插器能够与多个布置在液体冷却装置(12)上的电插接器(131s)中的一个连接，其中所述多个插接器(131s)通过构成总线的电连接导线彼此电连接。液体冷却装置(12)具有用于容纳电连接导线和所述多个电插接器(131s)的导线通道(124)。
文档编号H05K7/20GK202905693SQ201220201948
公开日2013年4月24日 申请日期2012年5月7日 优先权日2011年5月5日
发明者彼得·贝克达尔, 英戈·博根, 拉尔夫·埃勒, 哈拉尔德·科波拉, 汤姆斯·施托克迈尔 申请人:赛米控电子股份有限公司