DE102022130544A1

DE102022130544A1 - Thermisch lebensdaueroptimierte leistungselektronische Einrichtung, Betriebsverfahren und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022130544A1
Application number: DE102022130544.9A
Authority: DE
Inventors: Pascal Schirmer; Peter SCHREIVOGEL
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-11-18
Filing date: 2022-11-18
Publication date: 2024-05-23
Also published as: WO2024104715A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine leistungselektronische Einrichtung (2) sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechend eingerichtetes Kraftfahrzeug (1). Die leistungselektronische Einrichtung (2) weist ein Halbleiterelement (4), ein Filterelement (7) und ein Kühlelement (6) auf. Das Halbleiterelement (4) und das Filterelement (7) sind jeweils wärmeleitend an das Kühlelement (6) angebunden. Zusätzlich sind das Halbleiterelement (4) und das Filterelement (7) zur Angleichung ihrer im Betrieb entstehenden Temperaturen thermisch miteinander gekoppelt (10, 11).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine leistungselektronische Einrichtung sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechend eingerichtetes Kraftfahrzeug.
Leistungselektronische Einrichtungen oder Komponenten werden heutzutage in vielerlei verschiedenen Bereichen und Anwendungen eingesetzt. Dabei bestehen oftmals unterschiedliche Anforderungen und entsprechende Zielkonflikte. So kann beispielsweise eine besonders kompakte und kostengünstige Ausgestaltung konkurrieren oder im Widerspruch stehen mit einer besonders robusten Auslegung und einer besonders effektiven Kühlung oder dergleichen. Ebenso können für eine maximale Lebensdauer einzelner Bauteile oder Komponenten beispielsweise unterschiedliche thermische Parameter oder Temperaturverläufe optimal sein, was zu entsprechenden Zielkonflikten in einem Kühl- oder Temperierungsschema führen kann.
Im Allgemeinen kann die Temperatur eine wichtige Größe im Betrieb und für die Lebensdauer elektronischer Komponenten darstellen. Ein Verfahren zum Abschätzen einer Temperatur eines Transistors ist beispielsweise in der DE 10 2016 201 004 A1 beschrieben. Darin werden eine Spannungsänderung beim Ausschalten in Bezug auf die Veränderung der Zeit zwischen einem Kollektor und einem Transistor in einer Phase eines Wechselrichters sowie die Spitzentemperatur des Transistors gemessen. Weiter werden dort Zwischenparameter des Ausschaltstroms, des Einschaltstroms und des Durchlassspannungsabfalls auf der Grundlage der Ausschaltspannungsänderung und der Spitzenspannung bestimmt. Weiter wird der Leistungs- oder Energieverlust für einen Schaltzyklus basierend auf dem Ausschaltstrom, dem Einschaltstrom und dem Durchlassspannungsabfall bestimmt. Es wird dann eine zugehörige durchschnittliche Sperrschicht- oder Chiptemperatur des Transistors über den Schaltzyklus abgeschätzt basierend auf dem bestimmten Energieverlust, der beobachteten Wechselrichtersystemtemperatur und der Temperaturcharakteristik eines Wechselrichtersystems.
Insbesondere ein Anstieg der Temperatur kann gegebenenfalls problematisch sein. Dazu beschreibt die EP 3 561 981 A1 ein Verfahren zur Reduktion eines Temperaturanstiegs bei einem steuerbaren Schaltelement einer elektronischen Sicherung bei Anschalten einer Last. Dabei wird durch ein Ansteuersignal ein maximal möglicher Stromanstieg eines in die Last fließenden Ausgangsstroms am Schaltelement begrenzt. Weiter wird ein zeitlicher Verlauf von zumindest einer an der Last anliegenden Ausgangsspannung und/oder des in die Last fließenden Ausgangsstroms und/oder einer Temperatur des Schaltelements ermittelt. Basierend darauf werden dann letztlich Vorgabewerte für die Einschaltdauer des Schaltelements und/oder Ausschaltstroms sowie ein Vorgabewert für die Ausschaltdauer des Schaltelements ermittelt. Damit soll auf einfache und kostensparende Weise eine thermische Belastung einer elektronischen Sicherung reduziert und eine Lebensdauer der elektronischen Sicherung erfüllt werden.
Als ein möglicher Anwendungsfall leistungselektronischer Einrichtungen ist in der EP 3 644 497 B1 ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf besonders einfache und effiziente Weise eine verlängerte Lebensdauer einer leistungselektronischen Einrichtung zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen.
Die erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung kann im Folgenden auch kurz als Einrichtung bezeichnet werden. Eine solche Einrichtung kann beispielsweise ein Gerät oder eine Baugruppe oder eine Anordnung mehrerer miteinander direkt oder indirekt verbundener Bauteile oder Komponenten oder dergleichen sein oder umfassen.
Die erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung weist wenigstens ein Halbleiterelement oder Halbleiterbauteil auf. Damit kann hier ein eigentliches Halbleitermaterial oder auch beispielsweise ein Gehäusematerial, worin das Halbleitermaterial eingehaust oder eingegossen sein kann, oder dergleichen, also gegebenenfalls ein vollständiges Halbleiter-Package oder beispielsweise ein halbleiterbasiertes SMD (Surface-Mounted Device) oder dergleichen gemeint sein.
Weiter weist die erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung wenigstens ein Filterelement auf. Ein solches Filterelement kann zur elektrischen oder elektronischen Filterung dienen. Dazu kann das Filterelement beispielsweise eine Induktivität bzw. Spule oder ein Kondensator sein oder eine solche bzw. einen solchen umfassen.
Weiter weist die erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung ein Kühlelement auf, an welches das Halbleiterelement und das Filterelement-je nach Ausgestaltung insbesondere elektrisch isoliert - jeweils wärmeleitend angebunden, also gekoppelt sind.
Erfindungsgemäß sind dabei das Halbleiterelement und das Filterelement zusätzlich zur Angleichung ihrer im Betrieb gegebenen oder entstehenden Temperaturen, also zur Temperaturangleichung oder zum Temperaturausgleich zwischen dem Halbleiterelement und dem Filterelement, thermisch miteinander gekoppelt. Das Halbleiterelement und das Filterelement sind hier also zum Beispiel nicht nur durch einen unvermeidlichen, aber typischerweise nicht praxisrelevanten Wärmetransportpfad durch das Kühlelement oder eine zwischen dem Halbleiterelement und dem Filterelement einerseits und dem Kühlelement andererseits angeordnete elektrische Isolierung oder dergleichen thermisch gekoppelt. Mit anderen Worten ist also - abgesehen von dieser unvermeidlichen, aber deutlich schwächeren thermischen Kopplung von Halbleiterelement und Filterelement über das Kühlelement und/oder eine Zwischenschicht oder einen Bauteilträger oder dergleichen - ein weiterer dedizierter Wärmetransportpfad vorgesehen oder eingerichtet. Entlang dieses zusätzlichen dedizierten Wärmetransportpfades kann also Wärme zwischen dem Halbleiterelement und dem Filterelement, insbesondere unter Umgehung des Kühlelements oder auch des Zwischenelements oder Bauteilträger oder dergleichen, ausgetauscht werden, insbesondere von dem Filterelement zu dem oder in das Halbleiterelement gelangen.
Typische heutige Halbleiterelemente können deutlich geringere Wärmekapazitäten und/oder thermische Trägheiten aufweisen als übliche heutige Filterelemente. Daher kann durch die zusätzliche bzw. explizite oder dedizierte thermische Kopplung des Filterelements mit dem Halbleiterelement die Temperatur des Halbleiterelements über die Zeit im Betrieb der leistungselektronischen Einrichtung vergleichmäßigt werden.
Die vorliegende Erfindung basiert unter anderem auf der Erkenntnis, dass die Alterung üblicher Filterelemente typischerweise gemäß der Arrhenius-Gleichung beschrieben werden kann, also insbesondere von der absoluten Temperatur abhängig ist, aber die Alterung typischer Halbleiterelemente mit dem Lesit-Modell beschrieben werden kann, also von der absoluten Temperatur und auch von der Temperaturänderung abhängig ist bzw. beeinflusst wird. Dies wurde vorliegend kombiniert mit der Beobachtung, dass eine höhere Robustheit von Filterelementen gegenüber thermischen Alterungseinflüssen heutzutage typischerweise kostengünstiger erreicht werden kann als eine ähnlich robuste Auslegung von Halbleiterelementen.
Durch die vorliegend vorgeschlagene thermische Kopplung kann es gegebenenfalls zu einer begrenzten Erhöhung der absoluten Temperaturen des Filterelements und des Halbleiterelements im Betrieb im Vergleich zu einer herkömmlichen leistungselektronischen Einrichtung ohne derartige zusätzliche thermische Kopplung kommen. Gleichzeitig können aber durch die hier vorgesehene dedizierte, also explizit und bewusst baulich realisierte zusätzliche thermische Kopplung von Filterelement und Halbleiterelement die Temperaturschwankungen des Halbleiterelements im Betrieb erheblich reduziert werden. Dies kann insbesondere gesehen werden Vergleich zu herkömmlichen Ausgestaltungen leistungselektronischer Einrichtungen, bei denen ein Filterelement und ein Halbleiterelement linear, also in einer Reihe und ohne direkte oder dedizierte thermische Kopplung angeordnet sind, etwa auf einer Leiterplatte oder dergleichen. Dort ist zwar unvermeidlicherweise ebenfalls eine minimale thermische Kopplung gegeben, da sowohl Filterelement als auch Halbleiterelement Teil derselben leistungselektronischen Einrichtung sind. Diese minimale thermische Kopplung ist dabei jedoch nur zufällig durch unvermeidliche Effekte wie etwa Konvektion über die Luft oder minimale Wärmeleitung über die Leiterplatte gegeben und nicht dediziert eingerichtet und für eine Temperaturangleichung zwischen Filterelement und Halbleiterelement ausgelegt stellt und zudem nur einen sehr viel schwächeren oder kleineren Wärmetransportpfad bereit im Vergleich zu einer jeweiligen thermischen Kopplung von Filterelement und Halbleiterelement an das bzw. ein Kühlelement.
Durch die erfindungsgemäß erreichte Reduzierung der Temperaturschwankungen des Halbleiterelements aufgrund der zusätzlichen thermischen Kopplung mit dem bzw. an das Filterelement kann die tendenziell verstärkte oder beschleunigte Alterung aufgrund der gegebenenfalls im Betrieb erhöhten absoluten Temperatur des Halbleiterelements mehr als ausgeglichen werden. Dies bedeutet also, dass die Reduzierung der Temperaturschwankungen zu einer Verlängerung der Lebensdauer des Halbleiterelements führen kann, die größer ist als die mögliche Verringerung der Lebensdauer des Halbleiterelements aufgrund der erhöhten absoluten Temperatur. Damit kann die vorliegende Erfindung letztlich zu einer im Vergleich zu herkömmlichen ausgestalteten leistungselektronischen Einrichtungen verlängerten Lebensdauer des Halbleiterelements bzw. der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Einrichtung insgesamt führen oder beitragen. Dies kann dabei besonders effizient, kostengünstig und bauraumsparend erreicht werden, da beispielsweise keine leistungsfähigere Kühlung oder typischerweise sehr kostenaufwändige robustere Auslegung oder Ausgestaltung des Halbleiterelements angewendet werden muss.
Die erfindungsgemäß vorgesehene zusätzliche thermische Kopplung von Filterelement und Halbleiterelement kann auf unterschiedliche Weisen realisiert werden. Dabei kann die thermische Kopplung beispielsweise eine wärmeleitende Komponente und/oder eine konvektive Komponente und/oder eine Wärmestrahlungskomponente bzw. einen oder mehrere entsprechende Wärmetransportpfade nutzen oder umfassen. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Anordnung von Filterelement und Halbleiterelement relativ zueinander und/oder durch Anordnung eines wärmeleitenden Bauteils oder Materials zwischen Filterelement und Halbleiterelement und/oder durch Sicherstellen eines wärmestrahlungsdurchlässigen Freiraums zwischen Filterelement und Halbleiterelement und/oder dergleichen mehr realisiert werden.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Halbleiterelement und dem Filterelement einerseits und dem Kühlelement andererseits ein, insbesondere elektrisch isolierendes, Zwischenelement, also Material oder Bauteil, angeordnet. Dieses Zwischenelement weist in einer ersten Richtung eine größere Wärmeleitfähigkeit auf als in einer zweiten Richtung. Die erste Richtung führt oder weist dabei direkt von dem Halbleiterelement und dem Filterelement zu dem Kühlelement. Die zweite Richtung steht senkrecht zu der ersten Richtung. Das Zwischenelement kann beispielsweise eine Leiterplatte oder eine Ausgleichsschicht (englisch: gap filler) und/oder eine Haftschicht und/oder dergleichen mehr sein oder umfassen. Das Zwischenelement kann insbesondere flach und/oder flächig erstreckt sein. Die erste Richtung kann beispielsweise senkrecht zur Haupterstreckungsfläche oder Haupterstreckungsebene des Zwischenelements stehen. Die zweite Richtung kann hingegen innerhalb oder entlang der Haupterstreckungsfläche oder Haupterstreckungsebene des zwischen Elements verlaufen. Es kann also ein Wärmeleitpfad von dem Filterelement in der ersten Richtung in das Zwischenelement hinein, in der zweiten Richtung durch das Zwischenelement hindurch und von diesem in der ersten Richtung in das Halbleiterelement hinein verlaufen. Dieser Wärmeleitpfad ermöglicht aufgrund der anisotropen Wärmeleitfähigkeit des Zwischenelements hier allerdings keinen signifikanten Wärmetransport bzw. keine effektive Temperaturangleichung zwischen Filterelement und Halbleiterelement. Damit können zum einen das Filterelement und das Halbleiterelement effektiv entlang eines in der ersten Richtung verlaufenden jeweiligen Wärmeleitpfades über das Kühlelement bzw. in das Kühlelement entwärmt werden. Zum anderen kann dadurch der Wärmetransport zwischen dem Filterelement und dem Halbleiterelement über die zusätzliche thermische Kopplung durch deren entsprechende Auslegung besonders präzise eingestellt werden und im Betrieb der leistungselektronischen Einrichtung besonders konsistent sein. Die zusätzliche thermische Kopplung ist also gegeben durch einen Wärmetransportpfad oder umfasst einen Wärmetransportpfad, der insbesondere nicht oder zumindest nur über eine kürzere Wegstrecke als der beschriebene Wärmeleitpfad durch das Zwischenelement führt.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die leistungselektronische Einrichtung eine Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) auf. Das Halbleiterelement und das Filterelement sind hier auf derselben Seite, also etwa auf einer Oberseite dieser Leiterplatte angeordnet. Das Kühlelement ist hingegen auf der gegenüberliegenden Seite, also etwa auf einer Unterseite der Leiterplatte angeordnet. Die Leiterplatte kann insbesondere das an anderer Stelle genannte Zwischenelement sein oder dieses umfassen oder Teil von diesem sein. Die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine besonders einfache Fertigung der Einrichtung, eine besonders effektive und effiziente Kühlung der Leiterplatte, des Filterelements und des Halbleiterelements und gleichzeitig eine besonders einfache und präzise Realisierung der zusätzlichen thermischen Kopplung von Filterelement und Halbleiterelement. Insbesondere kann so sichergestellt werden, dass durch die zusätzliche thermische Kopplung Wärme zwischen dem Filterelement und dem Halbleiterelement ausgetauscht, insbesondere von dem Filterelement in das Halbleiterelement gelangen kann, ohne dass ein entsprechender Wärmestrom in unbeabsichtigter Weise zwischen dem Halbleiterelement und dem Filterelement in das Kühlelement abgeleitet wird.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Filterelement auf einer von dem Kühlelement abgewandten Seite des Halbleiterelements angeordnet. Das Filterelement ist dabei derart angeordnet, dass es das Halbleiterelement zumindest teilweise, insbesondere vollständig, überdeckt. Mit anderen Worten kann also beispielsweise senkrecht zu der Haupterstreckungsfläche oder Haupterstreckungsebene des Kühlelements, also insbesondere in der an anderer Stelle genannten ersten Richtung, betrachtet, das Halbleiterelement zwischen dem Kühlelement und dem Filterelement angeordnet sein. Dabei kann das Filterelement das Halbleiterelement zumindest teilweise überlappen. Je nach Ausgestaltung kann das Filterelement dabei direkt oder indirekt an dem Halbleiterelement angeordnet, also mit diesem wärmeleitend verbunden sein oder von dem Halbleiterelement durch einen Abstand oder Luftspalt oder dergleichen beabstandet sein. Damit kann je nach Auslegung oder Anforderung die zusätzliche thermische Kopplung entsprechend beispielsweise durch Wärmeleitung bzw. durch Wärmestrahlung oder auch Konvektion gegeben sein. In jedem Fall ist die zusätzliche thermische Kopplung von Filterelement und Halbleiterelement hier durch den Abstand zwischen diesen eingestellt oder vorgegeben bzw. einstellbar oder vorgebbar. Damit ermöglicht die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung eine besonders flexible und besonders einfach an unterschiedliche thermische Anforderungen angepasste Realisierung entsprechend unterschiedlicher Varianten der Einrichtung. Dabei können insbesondere unterschiedliche thermische Kopplungen zwischen dem Filterelement und dem Halbleiterelement erreicht oder eingestellt werden, ohne den restlichen Aufbau der leistungselektronischen Einrichtung zu verändern.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist zum Realisieren der zusätzlichen thermischen Kopplung des Filterelements mit dem Halbleiterelement zwischen diesen ein thermisches Kopplungselement angeordnet. Durch dieses thermische Kopplungselement sind das Filterelement und das Halbleiterelement hier wärmeleitend miteinander verbunden. Das thermische Kopplungselement kann beispielsweise ein Ausgleichsmaterial, also etwa eine Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitkleber oder dergleichen oder ein Wärmeleitpad oder eine Thermomatte, beispielsweise aus einem Kohlenstoffmaterial, oder dergleichen, sein oder umfassen. Ebenso können aber andere Bauteile oder Materialien mit besonders guter oder jeweils anforderungsgerechter Wärmeleitfähigkeit als das thermische Kopplungselement verwendet werden. Das thermische Kopplungselement kann selbst adhäsiv sein. Ebenso können das Filterelement und das Halbleiterelement mittels eines Befestigungselements, beispielsweise eines zusätzlichen Wärmeleitklebers oder einer Verschraubung oder dergleichen, an dem Kopplungselement befestigt oder in wärmeleitendem Kontakt mit diesem gehalten sein. Die hier vorgeschlagene Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann eine besonders effektive und konsistente thermische Kopplung von Halbleiterelement und Filterelement ermöglichen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, da die Wärmeleitung durch das thermische Kopplungselement nicht signifikant durch einen umgebenden Luftstrom beeinflusst wird und auch nicht im Laufe der Zeit durch Staubablagerungen oder Schmutzeintrag in einen andernfalls möglicherweise vorhandenen Luftspalt oder leeren Abstand zwischen dem Filterelement und dem Halbleiterelement verändert wird. Zudem kann die hier vorgeschlagene Weiterbildung der vorliegenden Erfindung einen besonders robusten und gleichzeitig besonders kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Einrichtung ermöglichen. So kann beispielsweise der durch das thermische Kopplungselement ausgefüllte Abstand zwischen dem Halbleiterelement und dem Filterelement besonders robust und zuverlässig auch im Laufe der Zeit konstant groß bleiben, insbesondere wenn das thermische Kopplungselement als formstabiler Festkörper ausgestaltet ist.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Filterelement durch elektrische Kontaktierungen an einem Bauteilträger befestigt und darüber an diesen wärmeleitend angebunden. An diesem Bauteilträger ist dabei auch das Halbleiterelement befestigt, also gehalten. Der Bauteilträger kann beispielsweise das an anderer Stelle genannte Zwischenelement bzw. die an anderer Stelle genannte Leiterplatte, aber ebenso beispielsweise das Kühlelement oder dergleichen sein oder umfassen. Die elektrischen Kontaktierungen des Filterelements sind dabei neben dem Halbleiterelement, also beispielweise auf verschiedenen Seiten des Halbleiterelements, aber auf derselben Seite oder Fläche des Bauteilträgers, an dem Bauteilträger angeordnet. Ein Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit bzw. der im Betrieb der Einrichtung gegebenen Wärmeleitung durch die elektrischen Kontaktierungen einerseits und bzw. zu der Wärmetransportkapazität der zusätzlichen thermischen Kopplung des Filterelements mit dem Halbleiterelement andererseits ist dabei so ausgelegt, also durch entsprechende Auslegung so eingestellt oder eingerichtet, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb der Einrichtung über die zusätzliche thermische Kopplung aus dem Filterelement nur so viel Wärme in das Halbleiterelement eingekoppelt wird, dass dessen Temperatur aufgrund dieser Einkopplung in einem vorgegebenen Bereich bleibt und übrige Wärme aus dem Filterelement über dessen elektrische Kontaktierungen zumindest indirekt, insbesondere zumindest im Wesentlichen unter Umgehung des Halbleiterelements, in das Kühlelement abgeleitet wird.
Durch die hier vorgeschlagene Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann einerseits das Halbleiterelement im Betrieb besonders zuverlässig jeweils anforderungsgerecht gleichmäßig temperiert werden und andererseits ein Überhitzen des Filterelements vermieden werden. Durch die Anordnung der elektrischen Kontaktierungen des Filterelements kann gegebenenfalls ein Wärmeeintrag von den entsprechenden Seiten her in das Halbleiterelement gegeben sein bzw. eine Abkühlung oder übermäßige Wärmeabstrahlung des Halbleiterelements in diese Richtungen vermieden oder reduziert werden, etwa im Vergleich zu derjenigen Seite des Halbleiterelements auf der das Filterelement angeordnet ist. Dadurch kann die Temperatur oder des Halbleiterelements bzw. eine in diesem gegebene räumliche Temperaturverteilung besonders gleichmäßig sein oder bleiben. Da die elektrischen Kontaktierungen des Filterelements ohne Weiteres auch zumindest ausreichend wärmeleitfähig sein können, kann eine ausreichende Entwärmung des Filterelements über die elektrischen Kontaktierungen ermöglicht werden. Dadurch kann ein besonders einfacher, kostengünstiger und kompakter Aufbau der leistungselektronischen Einrichtung realisiert oder unterstützt werden. Insbesondere muss also beispielsweise das Filterelement nicht durch eine zusätzliche Anbindung an das Kühlelement oder ein weiteres Kühlelement oder dergleichen entwärmt werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die leistungselektronische Einrichtung mehrere, also wenigstens zwei, Halbleiterelemente auf. Diese mehreren Halbleiterelemente können insbesondere auf derselben Seite oder an derselben Fläche des Kühlelements bzw. des an anderer Stelle genannten Zwischenelements oder Bauteilträgers angeordnet sein. Das Filterelement ist dabei gleichermaßen mit diesen mehreren Halbleiterelementen durch die oder eine jeweilige zusätzliche thermische Kopplung thermisch gekoppelt. Das Filterelement kann also beispielsweise auf die gleiche Art und Weise und/oder symmetrisch bzw. über die gleiche Fläche mit den mehreren Halbleiterelementen bzw. mit verschiedenen der mehreren Halbleiterelemente entsprechend thermisch gekoppelt sein. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die beschriebenen Vorteile der zusätzlichen thermischen Kopplung auch in entsprechend komplexeren leistungselektronischen Einrichtungen realisiert werden. Dabei kann gegebenenfalls sogar eine noch weitere Vergleichmäßigung der Temperatur der mehreren Halbleiterelemente erreicht werden, da diese über ihre thermischen Kopplungen an das Filterelement und das Filterelement selbst indirekt ebenfalls thermisch miteinander gekoppelt sein und dementsprechend Wärme austauschen bzw. ihre Temperaturen aneinander angleichen können.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Filterelement für oder bezüglich jeweils zwei der Halbleiterelemente auf von dem jeweils anderen Halbleiterelement abgewandten Seiten und zwischen den beiden Halbleiterelementen wärmeleitend an einen Bauteilträger angebunden, an dem auch die Halbleiterelemente befestigt sind. Der Bauteilträger kann der an anderer Stelle genannte Bauteilträger bzw. das an anderer Stelle genannte Zwischenelement bzw. die an anderer Stelle genannte Leiterplatte oder das Kühlelement oder dergleichen sein oder umfassen. Durch die hier vorgeschlagene Anbindung des Filterelements auf mehreren Seiten der Halbleiterelemente kann deren Temperatur oder Temperaturverteilung besonders gleichmäßig sein oder gehalten werden. Zudem kann so eine verbesserte mechanische Robustheit der Einrichtung sowie eine verbesserte Konsistenz von deren thermischem Verhalten erreicht werden. Dies kann beispielsweise dadurch bedingt sein, dass durch die mehreren Anbindungen des Filterelements dieses besonders robust abgestützt und besonders zuverlässig in einem festen, also gleichbleibenden Abstand zu den Halbleiterelementen gehalten werden kann. Durch die Anbindung des Filterelements zwischen den jeweiligen beiden Halbleiterelementen kann bei deutlich unterschiedlichen Temperaturen der beiden Halbleiterelemente eine einseitige oder asymmetrische Abkühlung des wärmeren Halbleiterelements aufgrund des als potenzielle Wärmesenke fungierenden kälteren Halbleiterelements gegebenenfalls zumindest reduziert werden. Dies bedeutet analog auch eine zumindest reduzierte einseitige Aufheizung des kälteren Halbleiterelements an seiner dem wärmeren Halbleiterelement zugewandten Seite.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben der bzw. einer erfindungsgemäßen leistungselektronischen Einrichtung. In dem Verfahren wird im Betrieb der Einrichtung ein Strom durch das Filterelement in Abhängigkeit von der Temperatur des Halbleiterelements geregelt. Dies erfolgt derart, dass Temperaturschwankungen des Halbleiterelements im Betrieb durch einen bei größerem durch das Filterelement fließenden Strom größeren, also stärkeren und bei kleinerem durch das Filterelement fließenden Strom geringeren, also kleineren Wärmeeintrag von oder aus dem Filterelement in das bzw. zu dem Halbleiterelement minimiert werden. Mit anderen Worten kann hier also über eine entsprechende Steuerung oder Beeinflussung oder Einstellung der thermischen Verlustleistung in dem Filterelement das Halbleiterelement im Betrieb bei einer möglichst gleichmäßigen oder konstanten Temperatur gehalten werden. So kann beispielsweise bei niedriger Last oder Auslastung des Halbleiterelements der durch das Filterelement fließende oder geleitete Strom vergrößert werden, um ein Abkühlen des Halbleiterelements zu vermeiden oder zu verlangsamen oder zu begrenzen. Umgekehrt kann der durch das Filterelement fließende oder geleitete Strom bei hoher Belastung oder Auslastung des Halbleiterelements reduziert werden. Dies kann jeweils zumindest so weit oder in solchem Maße erfolgen, dass die Funktion oder Aufgabe des Filterelements zur Filterung nicht beeinträchtigt wird bzw. weiterhin in einem vorgegebenen Betriebs- oder Zustandsfenster bleibt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders flexibel in unterschiedlichen Situationen eine besonders gleichmäßige Temperatur des Halbleiterelements erreicht und somit dessen Lebensdauer bzw. die Lebensdauer der leistungselektronischen Einrichtung insgesamt weit gegenüber herkömmlichen Lösungen verlängert werden.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Einrichtung genannte Maßnahmen, Vorgänge oder Abläufe können weitere, gegebenenfalls optionale, Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, das die oder wenigstens eine erfindungsgemäße leistungselektronische Einrichtung aufweist und/oder zum, insbesondere automatischen, Durchführen bzw. Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die leistungselektronische Einrichtung kann hier beispielsweise Teil eines elektrischen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs sein. Die leistungselektronische Einrichtung kann beispielsweise in einen Umrichter zur Versorgung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Antriebsmaschine, des Kraftfahrzeugs eingebaut sein oder einem solchen Umrichter entsprechen. Ebenso sind aber andere Verwendungen und/oder Anordnungen der leistungselektronischen Einrichtung als Teil des Kraftfahrzeugs möglich. Die Verwendung der erfindungsgemäßen leitungselektronischen Einrichtung in dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug kann einen besonders nützlichen Anwendungsfall darstellen. So können beispielsweise durch die verlängerte Lebensdauer auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine reduzierte Ausfallsicherheit des Kraftfahrzeugs und somit eine verbesserte Sicherheit sowie eine verbesserte Benutzerfreundlichkeit oder auch eine verbesserte Effizienz des Kraftfahrzeugs, beispielsweise aufgrund einer Einsparung einer aufwendigeren Kühlung oder dergleichen, erreicht oder ermöglicht werden.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer thermisch lebensdaueroptimierten leitungselektronischen Einrichtung; und
2 eine ausschnittweise schematische Perspektivdarstellung einer entsprechenden leitungselektronischen Einrichtung.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche oder einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Leistungselektronische Komponenten erzeugen durch ihr Schaltverhalten Verlustleistung, welche aufgrund maximaler thermischer Randbedingungen abgeführt werden muss. Zusätzlich sind beispielsweise Leistungshalbleiterschalter oftmals zumindest mit einem Filter, also beispielsweise einer Drossel oder einem Kondensator oder dergleichen, kombiniert, um Einflüsse eines hochfrequenten Schaltverhaltens des Halbleiters bzw. Halbleiterschalters zu reduzieren. Damit können sich Zielkonflikte ergeben. Zum einen sollten der Filter und der Halbleiter räumlich möglichst nah aneinander angeordnet oder angebunden sein, um möglichst gute Filtereigenschaften sicherzustellen, also beispielsweise parasitäre Effekte möglichst gering zu halten. Andererseits können aber durch eine solche Anordnung oder Anbindung Verluste in dem Halbleiter und dem Filter bedingt durch ein gegenseitiges Aufheizen ansteigen, was üblicherweise vermieden werden soll. Eine zur effektiven Kühlung gegebenenfalls nützliche möglichst großflächige thermische Anbindung des Halbleiters und/oder des Filters kann zwar die Verluste gegebenenfalls reduzieren und/oder zu einer verlängerten Lebensdauer beitragen, erfordert nachteilig jedoch einen hohen Bauraumbedarf und kann mit erhöhten Kosten und/oder erhöhtem Gewicht einhergehen. Grundsätzlich ist aber natürlich eine verlängerte Lebensdauer wünschenswert.
Vor diesem Hintergrund zeigt 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 1, das mit einer leistungselektronischen Einrichtung 2 ausgestattet ist. Die leistungselektronische Einrichtung 2 kann beispielsweise Teil einer elektrischen Versorgung einer elektrischen Maschine 3 des Kraftfahrzeugs 1 oder dergleichen sein.
Die leistungselektronische Einrichtung 2 umfasst hier beispielhaft und schematisch angedeutet mehrere Halbleiterelemente 4, die auf einer gemeinsamen Leiterplatte 5 angeordnet sind. Zur Entwärmung der Halbleiterelemente 4 ist auf einer von diesen abgewandten Seite der Leiterplatte 5 ein Kühlelement 6 angeordnet. Dabei kann es sich beispielsweise um eine luftgekühlte oder von einem Kühlmedium durchströmte Kühlplatte oder dergleichen handeln.
Weiter umfasst die leistungselektronische Einrichtung 2 hier ein Filterelement 7. Dieses Filterelement 7 ist über elektrische Kontaktierungen 8, also beispielsweise entsprechende Anschlussleitungen, außenseitig der Halbleiterelemente 4, also neben diesen an die Leiterplatte 5 angebunden. Dabei ergibt sich an einer jeweiligen hier ebenfalls schematisch angedeuteten an einer jeweiligen elektrischen Kontaktstelle 9 ein jeweiliger thermischer Widerstand, wodurch eine Wärmeleitung beispielsweise von dem Filterelement 7 über die elektrischen Kontaktierungen 8 in die Leiterplatte 5 bzw. durch diese zu dem Kühlelement 6 charakterisiert oder bestimmt bzw. eingestellt wird oder werden kann.
Augenscheinlich sind hier das Filterelement 7 und die Halbleiterelemente 4 durch einen durch die elektrischen Kontaktierungen 8 und die Leiterplatte 5 verlaufenden Wärmetransportpfad thermisch miteinander gekoppelt. Aufgrund der anisotropen Wärmeleiteigenschaften der Leiterplatte 5 ergibt sich hier innerhalb dieser jedoch primär eine Wärmetransport in Richtung zu dem Kühlelement 6 und nicht parallel zu dieser.
Zur Verlängerung der Lebensdauer der leistungselektronischen Einrichtung 2, insbesondere der Halbleiterelemente 4, ist eine räumlich und zeitlich möglichst gleichmäßige Temperatur bzw. Temperierung der Halbleiterelemente 4 nützlich. Um dies zu erreichen oder zu unterstützen sind die Halbleiterelemente 4 und das Filterelement 7 hier zusätzlich thermisch gekoppelt. Eine solche zusätzliche thermische Kopplung. Diese zusätzliche thermische Kopplung kann auf verschiedene Weisen realisiert sein und ist hier beispielhaft mehrteilig gestaltet. Schematisch angedeutet kann beispielsweise eine zusätzliche Anbindung des Filterelements 7 zwischen den Halbleiterelementen 4 als zusätzliche schwache thermische Kopplung 10 vorgesehen werden. Zusätzlich oder alternativ kann in einem Abstand zwischen dem Filterelement 7 und den Halbleiterelementen 4 ein wärmeleitfähiges thermisches Interface 11 angeordnet sein oder werden. Dieses kann die zusätzliche thermische Kopplung zwischen den Halbleiterelementen 4 und dem Filterelement 7 bilden oder zumindest ein Teil dieser zusätzlichen thermischen Kopplung sein. Ebenso kann durch die hier dargestellte Anordnung des Filterelements 7 in zumindest teilweise die Halbleiterelemente 4 überlappender oder überdeckender Position die zusätzliche thermische Kopplung über direkte Wärmestrahlung von dem Filterelement 7 auf eine diesem zugewandte Oberseite der Halbleiterelemente 4 realisiert oder unterstützt werden.
Durch die hier vorgesehene Ausgestaltung der leistungselektronischen Einrichtung 2, insbesondere die zusätzliche thermische Kopplung des Filterelements 7 mit den Halbleiterelementen 4 können im Betrieb der leistungselektronischen Einrichtung 2 bzw. des Kraftfahrzeugs 1 relativ konstante und gleichmäßige Temperaturverteilungen in den Halbleiterelementen 4 bzw. entsprechend reduzierte oder geringe Temperaturhübe in den Halbleiterelementen 4 erreicht werden. Dies kann sich positiv auf deren Lebensdauer auswirken.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass in der schematischen Darstellung in 1 das Kraftfahrzeug 1 zwar in einer Draufsicht, die leistungselektronische Einrichtung 2 bzw. deren Bauteile oder Komponenten aber in einer Seitenansicht dargestellt sind.
Zur weiteren Veranschaulichung zeigt 2 eine beispielhafte schematische und ausschnittweise Perspektivdarstellung der leistungselektronischen Einrichtung 2. Hier ist ein Teil der auch mit anderen Bauteilen bestückten Leiterplatte 5 erkennbar. Es ist hier auch erkennbar, dass das Filterelement 7, das hier beispielhaft als eine Spulenanordnung realisiert ist, oberhalb der Leiterplatte 5 und der darauf angeordneten Halbleiterelemente 4 angeordnet bzw. über die elektrischen Kontaktierungen 8 gehalten ist.
Ebenso sind jedoch eine Vielzahl anderer praktischer Realisierungen der beschriebenen Prinzipien möglich.
Durch die zusätzliche thermische Kopplung zwischen Filterelement 7 und Halbleiterelementen 4 können zumindest einige sich herkömmlich in der Leistungselektronik ergebende Zielkonflikte gelöst werden. So gehen hochperformante leistungselektronische Komponenten häufig einher mit hohen Leistungsdichten und damit hohen Temperaturen und Temperaturhüben. Neben einem Einhalten vorgegebener maximal zulässiger Temperaturen ergeben sich dabei häufig auch Einschränkungen in Bezug auf eine maximal zulässige Anzahl an thermischen Zyklen solcher leistungselektronischer Komponenten. Für praktische Applikationen sollten sowohl die vorgegebenen maximalen Temperaturen eingehalten als auch eine möglichst große Anzahl von Thermozyklen beschädigungsfrei erreicht werden. Dies kann durch die beschriebene leistungselektronische Einrichtung 2 erreicht werden.
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine thermische Ankopplung eines Filters und eines Halbleiters zur Reduktion thermischer Belastungen beitragen und somit eine verlängerte Lebensdauer ermöglichen kann.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: leistungselektronische Einrichtung
3: elektrische Maschine
4: Halbleiterelement
5: Leiterplatte
6: Kühlelement
7: Filterelement
8: elektrische Kontaktierung
9: elektrische Kontaktstelle
10: schwache thermische Kopplung
11: thermisches Interface

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016201004 A1 [0003]
EP 3561981 A1 [0004]
EP 3644497 B1 [0005]

Claims

Leistungselektronische Einrichtung (2), aufweisend ein Halbleiterelement (4), ein Filterelement (7) und ein Kühlelement (6), an welches das Halbleiterelement (4) und das Filterelement (7) jeweils wärmeleitend angebunden sind, wobei das Halbleiterelement (4) und das Filterelement (7) zusätzlich zur Angleichung ihrer Temperaturen im Betrieb thermisch miteinander gekoppelt (10, 11) sind.
Leistungselektronische Einrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Halbleiterelement (4) und dem Filterelement (7) einerseits und dem Kühlelement (6) andererseits ein, insbesondere elektrisch isolierendes, Zwischenelement (5) angeordnet ist, das in einer ersten Richtung, die direkt von dem Halbleiterelement (4) und dem Filterelement (7) zu dem Kühlelement (6) weist, eine größere Wärmeleitfähigkeit aufweist als in zweiten Richtung, die senkrecht zu der ersten Richtung steht.
Leistungselektronische Einrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Einrichtung (2) eine Leiterplatte (5) aufweist und das Halbleiterelement (4) und das Filterelement (7) auf derselben Seite der Leiterplatte (5) und das Kühlelement (6) auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte (5) angeordnet sind
Leistungselektronische Einrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (7) auf einer von dem Kühlelement (6) abgewandten Seite des Halbleiterelements (4) und dieses zumindest teilweise, insbesondere vollständig, überdeckend angeordnet ist.
Leistungselektronische Einrichtung (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Realisieren der zusätzlichen thermischen Kopplung des Filterelements (7) mit dem Halbleiterelement (4) zwischen diesen ein thermisches Kopplungselement (10, 11) angeordnet ist, durch welches das Filterelement (7) und das Halbleiterelement (4) wärmeleitend miteinander verbunden sind.
Leistungselektronische Einrichtung (2) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (7) durch elektrische Kontaktierungen (8) an einem Bauteilträger (5) befestigt und an diesen wärmeleitend angebunden ist, an dem auch das Halbleiterelement (4) befestigt ist, wobei die elektrischen Kontaktierungen (8) neben dem Halbleiterelement (4) an dem Bauteilträger (5) angeordnet sind und ein Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit durch die elektrischen Kontaktierungen (8) und der Wärmetransportkapazität der zusätzlichen thermischen Kopplung (10, 11) des Filterelements (7) mit dem Halbleiterelement (4) so ausgelegt, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb der leistungselektronischen Einrichtung (2) über die zusätzliche thermische Kopplung (10, 11) aus dem Filterelement (7) nur so viel Wärme in das Halbleiterelement (4) eingekoppelt wird, dass dessen Temperatur aufgrund dieser Einkopplung in einem vorgegebenen Bereich bleibt und übrige Wärme über die elektrischen Kontaktierungen (8) in das Kühlelement (6) abgeleitet wird.
Leistungselektronische Einrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Einrichtung (2) mehrere nebeneinander angeordnete Halbleiterelement (4) aufweist und das Filterelement (7) mit diesen gleichermaßen durch die oder eine jeweilige zusätzliche thermische Kopplung (10, 11) thermisch gekoppelt ist.
Leistungselektronische Einrichtung (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (7) für jeweils zwei der Halbleiterelemente (4) auf von dem jeweils anderen Halbleiterelement (4) abgewandten Seiten und zwischen den beiden Halbleiterelementen (4) wärmeleitend an einen Bauteilträger (5) angebunden ist, an dem auch die Halbleiterelemente (4) befestigt sind.
Verfahren zum Betreiben einer leistungselektronischen Einrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Strom durch das Filterelement (7) in Abhängigkeit von der Temperatur des Halbleiterelements (4) derart geregelt wird, das dessen Temperaturschwankungen im Betrieb durch einen bei größerem durch das Filterelement (7) fließenden Strom größeren und bei kleinerem durch das Filterelement (7) fließenden Strom geringeren Wärmeeintrag aus dem Filterelement (7) in das Halbleiterelement (4) minimiert werden.
Kraftfahrzeug (1), das eine leistungselektronische Einrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist und/oder zum Durchführen eines Verfahrens nach Anspruch 9 eingerichtet ist.